摘要: 本研究聚焦于竹笋发育过程中挥发物成分的动态变化，利用气相色谱–离子迁移谱(GC-IMS)技术，对竹笋的出笋初期(IBS)、出笋中期(MBS)及出笋末期(LBS)三个关键发育阶段的挥发物进行精准剖析。通过该技术，共鉴定出64种挥发性化合物，涵盖醛类、醇类、酯类、酮类、醚类、吡嗪以及呋喃等多个类别。研究数据显示，不同发育阶段竹笋的挥发物种类与相对含量均呈现显著差异。IBS以醛类化合物为主导同时2-辛酮，丙酮，噻吩等物质的含量也较高；MBS中1-辛烯-3-醇、1-己醇、1-丙醇、乙醇、E-2-辛烯醛、乙酸乙酯等物质的含量较高；至LBS中醛类，酮类，醇类的含量都较高此外还含有大量2-戊基呋喃、2-乙基呋喃、丁酸乙酯、乙酸甲酯、2,6-二甲基-3-乙基吡嗪、吡嗪、二甲基硫醚等物质。
Abstract: This study focuses on the dynamic changes of volatile components during the development of bamboo shoots. By using gas chromatography-ion mobility spectrometry (GC-IMS) technology, the volatile components of bamboo shoots in the three key development stages of early emergence (IBS), middle emergence (MBS), and late emergence (LBS) are precisely analyzed. Through this technology, a total of 64 volatile compounds were identified, covering multiple categories such as aldehydes, alcohols, esters, ketones, ethers, pyrazines and furans. Research data shows that the types and relative contents of volatile substances in bamboo shoots at different developmental stages vary significantly. IBS is dominated by aldehyde compounds, while the content of substances such as 2-octanone, acetone, and thiophene is also relatively high. The contents of substances such as 1-octene-3-alcohol, 1-hexanol, 1-propanol, ethanol, E-2-octenal and ethyl acetate in MBS are relatively high. The content of aldehydes, ketones and alcohols in LBS is relatively high. In addition, it also contains a large amount of 2-pentylfuran, 2-ethylfuran, ethyl butyrate, methyl acetate, 2,6-dimethyl-3-ethylpyrazine, pyrazine, dimethyl sulfide and other substances.
1. 引言
竹笋作为一种具有丰富营养价值和独特风味的食材，在我国饮食文化中占据着重要地位[1]。其风味在不同发育阶段呈现出显著差异，这种差异不仅影响着消费者的口感体验，还与竹笋的品质鉴定、加工利用以及市场价值密切相关。
挥发物质是竹笋风味的关键组成部分，其种类和含量在竹笋生长过程中发生动态变化[2]。为了深入探究这些变化我们将竹笋的发育阶段分为了三个时期分别是出笋初期IBS，出笋中期MBS，出笋末期LBS [3]并利用GC-IMS对这三个时期的挥发物进行了测定。GC-IMS在挥发物质的定性与定量分析中发挥核心作用[4]，它能够分离和检测竹笋中复杂的挥发物成分，确定各类挥发物质在不同发育阶段的含量变化趋势，从而揭示竹笋风味形成与发展的内在化学机制。本研究旨在利用GC-IMS技术全面分析不同发育阶段竹笋的挥发物成分，揭示其在竹笋生长过程中的变化规律，这不仅有助于深入理解竹笋风味形成的内在机制，还能为竹笋的品质评价、采摘时间的优化以及相关食品加工产业的发展提供科学依据和理论支撑，具有重要的理论与实践意义。
2. 材料与方法
2.1. 材料与试剂
为进行不同发育阶段的楠竹笋其挥发性有机物的比较，依循竹笋的生物学固有属性、生长进程以及笋萚外在表征，将竹笋发育历程划分为三个关键阶段：IBS、MBS和LBS，各阶段竹笋生长的详细情形呈现如图1所示。
Figure 1. Bamboo shoots at different growth stages. (A) IBS, (B) MBS, (C) LBS
图1. 不同生长阶段的竹笋。(A) IBS，(B) MBS，(C) LBS
供试竹笋品种为楠竹，采收地点为怀化市，采收日期分别为：出笋初期(IBS) 2023年3月2日、中期(MBS) 2023年3月7日、末期(LBS) 2023年3月12日。各阶段划分标准如下：出笋初期(IBS)：笋高5~8 cm，笋重60~120 g，出土天数1~3 d；中期(MBS)：笋高25~35 cm，笋重250~350 g，出土天数4~6 d；末期(LBS)：笋高45~55 cm，笋重450~650 g，出土天数7~10 d。
针对上述三个不同发育阶段，各设立处理组，每组选取10株生理特性相近、生长态势茁壮的竹笋，并且设置3次重复操作。选取新鲜的竹笋样本，仔细剔除外皮、根部等不适宜食用的部位后，取2 g竹笋样品，−20℃冷冻保存。
实验仪器与设备
FlavourSpec®风味分析仪：采用气相色谱–离子迁移谱联用(GC-IMS)技术，用于测量固态或液态样品中的挥发性顶空成分。
2.2. 试验方法
GC-IMS分析：本研究采用内标法计算挥发性有机物的相对含量，已知内标物(2-辛醇)的浓度为100 ppm，加入体积为20 μl，在GC-IMS检测中先确定内标物的特征峰面积，再确定目标挥发性有机物的特征峰面积。通过公式“目标物相对含量 = (目标物峰面积/内标物峰面积) × 内标物浓度”计算相对含量[5]。
取2 g样品，置于20 mL顶空瓶中，加入100 ppm 2-辛醇内标20 μl，60℃孵育20分钟后进样。当样品进入气相色谱柱后，将分析时间设置为40 min、色谱柱类型为wax，30 m，ID：0.53 mm，膜厚1 μm (美国RESTEK公司)将柱温设为60℃、载气/漂移气为N2、IMS温度设为45℃，以确保不同挥发性有机物能够有效地分离[6]。在气相色谱分离的过程中，挥发性有机物会根据其化学性质和沸点的不同，在色谱柱上进行分离。再将分离后的挥发性有机物送进离子迁移谱进行检测，离子迁移谱通过测量挥发性有机物在电场中的迁移速度，来确定其化学结构和浓度[7]。“-M”：代表质子化分子离子，即1个有机物分子(M)结合1个质子(H+)形成的离子。“-D”：代表质子化二聚体离子，即2个有机物分子(M)结合1个质子(H+)形成的二聚体离子[7]。
2.3. 数据分析
首先要收集气相色谱–离子迁移谱(GC-IMS)的分析结果后，整理数据，确保每一行对应一个样本，每一列对应一种挥发性有机物的含量信息，剔除异常值与缺失值。
用CNSKnowal分析结果，确定竹笋中挥发性有机物的种类和含量，并通过与标准化合物的比对，来确定挥发性有机物的化学结构。
再充分利用VOCal软件完成分析谱图及数据的定性定量解析。依托软件内置的权威NIST数据库与IMS数据库，为物质定性分析提供坚实支撑；借助Reporter插件，能够直接比对不同样品间的谱图差异，涵盖三维谱图、二维俯视图以及差异谱图，实现多维度、精细化的差异甄别。Gallery Plot插件的启用，则聚焦于指纹图谱对比，以直观且量化的方式呈现不同样品挥发性有机物的差异特性。Dynamic PCA插件通过动态主成分分析手段，达成对样品的聚类划分，为未知样品的种类快速判定提供高效解决方案。此外，“最近邻”指纹分析功能依据所选评估区域内化合物的强度，对样本展开快速比对，借助欧几里得距离算法精密计算各样本两两之间的距离关系。
3. 结果与分析
3.1. 不同生长阶段的竹笋的颜色变化
Figure 2. The apparent changes of bamboo shoots at different growth stages
图2. 不同生长阶段的竹笋的表观变化
如图2所示，竹笋在IBS期整体呈黄白色，到LBS期时，竹笋的绿色调更加明显，整体呈黄绿色。色差仪也验证了这一点(见表1)，IBS期到LBS期总色差显著增加，明度值显著增加，黄度值显著增加，色调值无明显变化[8]。
Table 1. Color difference values of bamboo shoots at different growth stages
表1. 不同生长阶段的竹笋的色差值
指标 |
IBS |
MBS |
LBS |
ΔL |
−25.385 ± 3.075 |
−9.947 ± 3.347 |
−5.793 ± 0.053 |
Δa |
2.855 ± 0.175 |
2.363 ± 0.457 |
3.60 ± 0.007 |
Δb |
21.845 ± 0.765 |
32.47 ± 1.49 |
40.673 ± 0.053 |
ΔC |
21.9275 ± 0.7725 |
32.50 ± 1.47 |
40.763 ± 0.053 |
ΔH |
2.1275 ± 0.0825 |
1.93 ± 0.17 |
2.453 ± 0.007 |
ΔE |
33.6425 ± 2.0275 |
34.15 ± 0.52 |
41.24 ± 0.06 |
3.2. 不同生长阶段的竹笋GC-IMS图谱分析
图3为Reporter插件制作的二维俯视图，背景为蓝色，横坐标10处红色竖线为RIP峰(反应离子峰，经归一化处理)，RIP峰两侧的每一个点代表一种挥发性有机物。根据峰(色点)的有无或者颜色深浅能够直观表现不同样品之间的组分及浓度差异，白色表示浓度较低，红色表示浓度较高，颜色越深表示浓度越大[9]。由图3可以直观看出，不同生长阶段的竹笋挥发性物质的差异，从IBS期到LBS期的竹笋样品中大部分风味物质浓度增加，个别物质浓度有所下降。
Figure 3. GC-IMS spectrum of the sample (top view)
图3. 样品的GC-IMS谱图(俯视图)
3.3. 不同生长阶段的竹笋挥发性有机物的定性分析
通过GC-IMS技术对竹笋的挥发性物质进行了定性分析，在竹笋中初步鉴别出64中挥发性化合物(如图4所示)，其中醇类18种，醛类28种，酮类10种，酯类3种，醚类1种，吡嗪2种，呋喃2种。由图4热力图可知，竹笋的挥发性化合物中，己醛-D含量占比最多，且随着生长时期延长，己醛-D的含量整体呈上升趋势。醛类物质是竹笋中挥发性气味的重要组成部分，大部分醛类气味的阈值较低，对竹笋的特殊香味有显著贡献[10]。
3.4. 不同生长阶段的竹笋挥发性物质的Gallery Plot指纹谱图
将不同生长阶段的竹笋，即IBS期、MBS期、LBS期三个时期的竹笋分别进行GC-IMS测定，其样品挥发性物质的指纹谱图见图5。
Figure 4. GC-IMS heat maps of volatile substances in bamboo shoots at different growth stages
图4. 不同生长阶段的竹笋挥发性物质GC-IMS热力图
Figure 5. Fingerprint spectra of volatile substances in bamboo shoots at different growth stages
图5. 不同生长阶段竹笋挥发性物质指纹图谱
如图5所示，不同生长阶段的竹笋中的挥发性物质有所差异，这也造成不同生长时期，竹笋的风味也会有所不同。在IBS时期，竹笋的挥发性化合物主要以醛类、简单酮类、杂环类化合物为主，MBS时期，则以醇类、不饱和醛类、酯类为主，到了LBS时期，醛类、醇类酮类、呋喃类酯类及含氮/硫化合物交织(见表2)。醛类物质是“绿色”、“青草”以及“果香”等香气的重要贡献者[11] [12]，其相对含量在所有品种中均随竹笋发育程度的增加整体呈上升趋势。醇类作为不饱和脂肪酸的氧化过程的副产物[13]，具有蘑菇味、清香、果香、酯香[11]。
Table 2. Identification of volatile compounds in bamboo shoots at different growth Stages based on GC-IMS
表2. 基于GC-IMS不同生长时期竹笋的挥发性化合物识别
时期 |
特征风味化合物 |
潜在风味贡献 |
IBS |
E-2-壬烯醛、E-2-己烯醛、2-己烯醛、庚醛、己醛、
戊醛、丙醛、乙缩醛、2-辛酮、丙酮、噻吩 |
青鲜草本香、清新果香、微弱焦香 |
MBS |
1-辛烯-3-醇、1-己醇、1-丙醇、乙醇、E-2-辛烯醛、
乙酸乙酯 |
蘑菇鲜香、温润醇香、明亮果香酯香 |
LBS |
苯甲醛、(E, Z)-2,6-壬二烯醛、(E, E)-2,4-庚二烯醛、
E-2-庚烯醛、E-2-戊烯醛、丙烯醛、癸醛、壬醛、
辛醛、3-甲基丁醛、丁醛、2-甲基丙醛、芳樟醇、
Z-2-戊烯-1-醇、1-戊醇、3-甲基-3-丁烯-1-醇、
3-甲基-1-丁醇、1-戊烯-3-醇、1-丁醇、2-甲基-1-丙醇、3-戊醇、1-辛烯-3-酮、2-庚酮、1-戊烯-3-酮、2-戊酮、2-丁酮、2-戊基呋喃、2-乙基呋喃、丁酸乙酯、
乙酸甲酯、2,6-二甲基-3-乙基吡嗪、吡嗪、二甲基硫醚 |
杏仁香、青鲜花香、醇厚脂香、优雅花香、坚果焦香、清甜果香、微弱烘烤香与硫香 |
4. 讨论
本实验采用GC-IMS对不同生长阶段的竹笋进行挥发性物质的组分及其含量进行测定，通过测量固态或液态样品中的挥发性顶空成分。共鉴定出64种挥发性物质分为乙醇、醛、酮、酯、醚、吡嗪、呋喃七类挥发性物质。
挥发性物质在竹笋的不同生长过程中受到多种因素的影响，如竹笋的光合作用、糖代谢以及一些生化途径(如脂肪酸的代谢、类萜的合成等)。与此同时竹笋中挥发性物质也影响着这些反应。挥发性物质的合成依赖于竹笋生长过程中的光合作用和糖代谢等提供碳骨架、能量等[14]。从而影响挥发性物质的产量和种类。不饱和脂肪酸通过氧化作用生成醛类和醇类等挥发性物质(如乙醇、戊醇等)这些醇类物质可以使竹笋散发青叶和青苹果的气息[10]。类萜物质是竹笋挥发性物质的重要组成部分[7]。
不同的挥发物在不同阶段的含量各不相同使得竹笋的各个阶段的口感、风味各不相同，不同挥发性物质的组合和相互作用为竹笋带来丰富的风味层次，使竹笋的口感更加立体和富有变化。
5. 结论
综上，各个阶段的竹笋中挥发性物质种类多样，本研究主要利用GC-IMS技术阐述了不同生长阶段竹笋中挥发性物质的组分以及含量的变化，为进一步理解竹笋在不同生长阶段的挥发性物质的动态变化以及风味形成的机制提供了参考和思路，为竹笋的品质调控以及相关食品工业的发展提供理论依据以及数据支持，从而推动育竹笋相关研究的发展。
基金项目
2023年度湖南省大学生创新训练计划(4350)；2024年度湖南省大学生创新训练计划(5921)。
NOTES
*通讯作者。