《Food Chemistry》：Temporal volatile profile and yield dynamic of ginger in relation to climatic variation during harvest
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生姜挥发性成分与产量动态关系研究表明，通过HS-SPME-GC-MS分析发现其成熟过程中累计71种芳香物质，以单萜烯（73%-78%）为主，其中zingiberene浓度超30%。干物质积累与温度、光照平衡相关，中期收获（9月22日至11月24日）时质量增长最快。研究建立生姜风味时空指纹图谱，揭示挥发性物质动态变化与产量形成的协同机制。
乔丹|魏维宁|任永正|马一格|方宇杰|姜俊|魏丽娟|孙涛|魏守辉|刘一清
中国湖北省长江大学园艺与园林学院香料与园艺植物种质创新与利用重点实验室，荆州434025
摘要
挥发性香气是评估生姜（Zingiber officinale）风味特性和采收标准的关键指标。为了探讨香气质量与生姜经济产量之间的协同关系，在采收过程中对挥发性成分和重量进行了连续动态监测。从根茎成熟过程的10个阶段中鉴定出71种芳香成分。挥发性物质的总量和含量均表现出先慢后快再慢的明显增长趋势。萜类化合物是主要的香气成分类别，占总挥发物的73%至78%。姜烯对生姜香气的感官质量贡献最大，其浓度超过30%。逐步降温和平衡光照有助于促进干物质的积累，这是提高采收中期质量和产量的关键因素。本研究建立了生姜的时间特征风味指纹图谱，为确定高产量和优质生姜的最佳采收期提供了理论依据。
引言
生姜（Zingiber officinale Roscoe）是一种具有代表性的药用和食用植物，在全球农业生产及食品系统中发挥着重要作用（J. Chen等人，2023）。亚洲一直主导着全球生姜的生产，中国和印度是主要的生产和出口国（Chen等人，2024；Di等人，2022；FAO，2024；Koh等人，2025）。由于生姜作为烹饪调味品、功能性食品成分和药用原料的广泛应用，市场需求持续增长，使其成为一种具有经济价值的农产品（Ebeye等人，2025；Tolentino等人，2025）。此外，生姜根茎富含生物活性成分，包括挥发油和辛辣化合物，这些成分具有抗氧化、抗菌和抗炎作用，对其食品质量和健康应用具有重要意义（Al-Dhahli等人，2020；Li等人，2021；Wang, Jiang等人，2025）。
挥发性化合物是决定生姜香气质量和消费者感知的关键因素。这些低分子量的次生代谢物主要储存在生姜根茎的油细胞中，对生姜的特征风味有重要贡献（Abugu等人，2025；Sheikh，2023）。生姜的挥发性成分以萜类化合物为主，醇类和酯类作为次要成分，而萜类化合物主导了整体香气组成（Johnson等人，2021）。这些萜类化合物通过(MVA)和甲基赤藓糖醇(MEP)磷酸途径合成，这影响了它们在植物组织中的差异积累（Bergman等人，2024）。除了感官重要性外，单萜类和倍半萜类还被发现参与植物的防御和应激反应（Huang等人，2025；Wong等人，2023），几种代表性化合物如姜烯、α-姜黄烯、β-榄烯和蒎烯因其多样的生物活性而受到关注（Borgonetti等人，2023；Chen等人，2025；Ferreira，2022；Ghoushi等人，2024；Gopalsamy等人，2025）。
目前关于生姜挥发性化合物的研究主要集中在分析方法优化、生物活性成分的鉴定及其利用潜力上（Hasibuan等人，2025；Koch等人，2025；Shukla等人，2019）。在这方面，顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱（HS-SPME-GC–MS）已被广泛确立为一种可靠的生姜挥发性成分分析技术（Han等人，2025）。先前的研究表明，样品预处理、采样位置和农艺措施会影响挥发性成分的组成。例如，空气干燥、不去皮处理和有机栽培可增加生姜中的萜类含量（An等人，2016；Jia等人，2025；Liang等人，2023）。此外，挥发性成分的积累还受品种和产地等内在因素以及温度、光照和湿度等环境变量的影响（Manochai等人，2010；Yang等人，2025）。尽管在葡萄和番荔枝等水果中已经广泛研究了挥发性成分的发育变化（Liu等人，2022；Mo等人，2025），但在田间条件下针对生姜连续采收阶段挥发性成分动态变化的研究仍然有限。特别是，挥发性成分积累与根茎产量形成以及采收过程中的环境条件之间的关联尚不完全清楚。
本研究首先使用HS-SPME-GC–MS技术鉴定和量化了生姜中的挥发性化合物，然后根据化学功能团对其进行了分类，并进一步研究了代表性化合物的质量谱及其变化趋势。通过应用多元统计分析方法，可以进一步确定最佳采收期。最后，通过相关性分析整合了产量、挥发性化合物和气象因素，以识别影响品质形成和产量变化的潜在气候因素。本研究不仅建立了生姜的时间特征风味指纹图谱，还为确定实现高产量和优质生姜的最佳采收期提供了理论依据。
实验设计
实验材料选用了“丰头”生姜。每个根茎平均含有50克种子，每个根茎上有一个健壮的芽，在25°C和70%相对湿度条件下萌发35至40天。2024年4月15日，将萌发长度约为1.5厘米、基部宽度约为1.0厘米的根茎种植在湖北省荆州市长江大学农业科技创新园（30°36′08″N, 112°05′01″E）。所有植株同时种植在同一实验条件下
不同采收阶段生姜根茎的形态特征和生物量测定
所有形态分析均采用生长状况相似的根茎进行，包括生长旺盛、高度相近且无病虫害症状的根茎。在这些条件下，生姜根茎在采收过程中的外观和形态发生了明显的变化（图1A）。总体而言，从9月22日到11月24日，根茎的生长呈现先慢后快再稳定的趋势。
根茎产量通过鲜重（FW）和干重（DW）进行评估。鲜重
不同采收阶段生姜根茎产量的变化
与叶类或果实类蔬菜不同，生姜主要以其根茎为栽培对象，其产量由水分含量和干物质积累决定，干物质包括碳水化合物、蛋白质和微量元素。在本研究中，根茎的水分含量在采收过程中逐渐从93.1%下降到90.2%，而干物质含量持续增加。这种趋势表明干物质的积累速度快于水分的吸收，导致水分含量相对下降。
结论
本研究使用HS-SPME-GC–MS技术全面鉴定和量化了生姜根茎在整个采收期的挥发性化合物，并分析了挥发性成分谱、产量和关键气象因素之间的相关性。结果表明，从9月22日到11月24日，挥发性化合物的数量和含量显著增加。萜类化合物是生姜根茎中的主要香气成分，其中姜烯等化合物的含量较高。
作者贡献声明
乔丹：撰写初稿、数据整理。魏维宁：软件操作、方法学设计。任永正：方法学设计、数据整理。马一格：方法学设计、数据整理。方宇杰：软件操作、实验研究。姜俊：软件操作、数据整理。魏丽娟：撰写、审稿与编辑。孙涛：资源获取、资金筹集。魏守辉：撰写、审稿与编辑、方法学设计。刘一清：验证、项目管理、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国湖北省国际科学技术合作项目（2025EHA015）、湖北省自然科学基金（2025AFB402）、国际合作项目（2025EHA066）以及重庆市永川区自然科学基金项目（2024yc-cxfz30091）的支持。
