运用HS-GC-IMS与HS-SPME-GC-MS综合评估不同提取技术对周皮柑（Citrus reticulata cv. Manau Gan）挥发油成分及其生物活性的影响

《Frontiers in Nutrition》：Unraveling the volatile profile and bioactivity of Zhoupigan (Citrus reticulata cv. Manau Gan) essential oil via HS-GC-IMS and HS-SPME-GC-MS: a comprehensive evaluation of different extraction techniques

本研究运用多种现代分析技术系统比较了蒸汽蒸馏(SD)与超临界流体萃取(SFE)两种方法对周皮柑果皮挥发油(ZJPEO)的影响。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、电子鼻(E-nose)、顶空气相色谱-离子迁移谱(HS-GC-IMS)和顶空固相微萃取气相色谱-质谱(HS-SPME-GC-MS)对两种萃取油(SDEO与SFEO)的挥发性成分进行了全面表征，并评估了其体外抗氧化与抗菌活性。研究揭示了提取方法能显著影响挥发油的化学组成、风味特征和生物活性，为优化周皮柑资源的高效、高值化与可持续利用提供了科学依据。

　　

引言

柑橘是世界上种植最广泛的水果之一。周皮柑，又称“藏橘”或“石头柑”，是一种独特的中国柑橘品种，其果皮富含挥发油。然而，周皮柑果皮挥发油(ZJPEO)的化学组成和生物活性尚未被充分了解，这限制了其有效利用。提取方法是影响植物挥发油成分和功能的关键步骤。蒸汽蒸馏(SD)是应用最广泛的方法之一，但其长时间加热可能导致热敏性成分降解。而超临界流体萃取(SFE)作为一种绿色现代技术，可在较低温度下高效萃取，保护热敏物质。然而，不同提取方法如何具体影响ZJPEO的化学组成、风味和生物活性，仍需深入研究。本研究旨在系统地比较SD和SFE对ZJPEO的影响，为其加工工艺优化和高价值产品开发提供科学依据。

材料与方法

研究所用的周皮柑于2023年12月采自中国四川省甘孜藏族自治州得荣县。ZJPEO通过SD和SFE两种方法制备，分别得到SDEO和SFEO。采用多种分析技术对两种挥发油进行表征：利用FTIR分析其功能基团；通过E-nose分析整体气味轮廓；通过高灵敏度的HS-GC-IMS和HS-SPME-GC-MS全面鉴定和定量挥发性有机物(VOCs)。此外，在体外评估了样品的抗氧化能力（通过DPPH、ABTS自由基清除和FRAP总抗氧化力测定）以及抗菌活性（通过测量抑菌圈直径、最小抑菌浓度(MIC)和最小杀菌浓度(MBC)测定，靶菌为金黄色葡萄球菌和大肠杆菌）。

结果与讨论

傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析

FTIR光谱显示，SDEO和SFEO的红外吸收峰位相似，表明其主要功能基团一致，均包含丰富的醇类、萜类、烷烃和醛类化合物。光谱峰强度存在细微差异，这提示两种萃取方法可能在特定成分的含量上有所不同。例如，SFEO在O-H（羟基）伸缩振动区域的吸收峰更强，暗示其可能含有更多醇类成分。

电子鼻(E-nose)分析

E-nose雷达图显示，SDEO和SFEO的传感器响应模式存在差异。主成分分析(PCA)也清晰地将其划分为两个独立的簇，证实两种萃取油在整体气味特征上存在显著差异，提取方法显著影响了ZJPEO的风味轮廓。

顶空气相色谱-离子迁移谱(HS-GC-IMS)分析

通过HS-GC-IMS技术，在两种ZJPEO中鉴定出63种VOCs。成分分析显示，醛类、酯类和萜类化合物是主要贡献者。差异对比图和指纹图谱直观地展示了不同提取方法导致的VOCs浓度差异。PCA分析进一步确认了SDEO和SFEO在挥发性成分谱上的显著分离。基于变量重要性投影(VIP) > 1的标准，识别出五种关键差异VOCs，包括壬醛-D、辛醛-M、异亚丙基丙酮-M、(E)-2-己烯醛和甲酸甲酯-M，这些成分可作为区分两种萃取油的潜在标志物。

顶空固相微萃取气相色谱-质谱(HS-SPME-GC-MS)分析

HS-SPME-GC-MS共检测到1250种VOCs，其中萜类化合物种类最多，其次是酯类和酮类。PCA和正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)清晰地表明，SDEO和SFEO的VOCs谱存在根本性差异。筛选出334种差异VOCs，其中萜类和酯类是主要类别，它们很可能对ZJPEO的特有香气和生物活性起到关键作用。KEGG通路富集分析进一步指出，这些差异VOCs在倍半萜和三萜类化合物的生物合成途径中显著富集。风味轮分析显示，与SDEO相比，SFEO的风味特征更加多元和浓郁，表现出更强的甜味、青香、木香、花香、草药香、果香、蜡质香、辛辣味、柑橘味和香脂味。

生物活性评价

抗氧化活性评价

在相同浓度下，SFEO对DPPH和ABTS自由基的清除能力均显著强于SDEO。SFEO的半抑制浓度(IC₅₀)值更低，表明其抗氧化效率更高。同样，在FRAP测定中，SFEO的总抗氧化能力也显著优于SDEO。这些结果表明，SFE萃取法能更好地保留或提取具有抗氧化活性的成分。

抗菌活性评价

体外抗菌实验表明，两种ZJPEO对测试菌株（金黄色葡萄球菌和大肠杆菌）均表现出抑制作用。其中，SFEO显示出更强的抗菌潜力，表现为更大的抑菌圈直径以及更低的MIC和MBC值。这表明SFEO中可能含有更高浓度或更具活性的抗菌成分。

结论

本研究通过整合多种分析技术，全面揭示了蒸汽蒸馏(SD)和超临界流体萃取(SFE)对周皮柑果皮挥发油化学组成、风味特征和生物活性的显著影响。研究发现，SFE是一种更优的提取方法，所获得的SFEO不仅含有更丰富多样的生物活性萜类和酯类化合物，展现出更强的甜、青、木等复杂风味，而且在抗氧化和抗菌活性方面均显著优于SDEO。该研究为优化ZJPEO的提取工艺、建立科学的质量控制体系以及开发高附加值的周皮柑相关功能性产品（如天然食品防腐剂、香料和化妆品添加剂）提供了坚实的理论基础和实践指导，有力促进了这种独特柑橘资源的高效、可持续利用和价值提升。