3 种烹调方式下马铃薯风味化合物组分构成的品种间差异比较

李凯峰，周远平，王 琼，郭华春

（云南农业大学农学与生物技术学院，薯类作物研究所，云南 昆明 650201）

马铃薯是中国第四大粮食作物，自2015年国家实施主粮战略以来发展更为迅速。但是我国消费组成结构特殊，与欧美国家马铃薯加工比例占40%相比，我国鲜食消费占总产量的50%以上[1]。由于育种目标长期聚焦于高产抗病，而风味改良方面相关研究较少[2]。因此通过对风味研究进行定向改良，选育符合鲜食市场需求的专用型品种，是未来发展趋势。

马铃薯香味是食品风味的重要组成，是影响消费者喜好的重要因素，探究香味的化学组成是选种改良和遗传研究的基础。风味化合物主要是由一系列酶促和非酶促反应共同参与产生[3]。此外马铃薯香味的构成易受品种、栽培技术、贮藏和烹饪方式的影响，香味物质萃取和分析方法的不同亦会导致对风味物质的鉴定存在差异[4]。

马铃薯鲜食烹调方式多样，其中以沸水蒸煮最为常见，炭火烤制则是中国西南地区制作休闲小吃的主要方法，此外随着消费者健康意识提升，空气炸制因其非油炸的特性而备受青睐。烹饪方式影响材料在熟化过程中的含水量和受热温度，烘烤会使外层组织水分大量流失；微波加热下，块茎内外温度均匀上升且比水煮方式更加快速[5]，但是使用空气炸锅利用循环空气烘烤熟化，该过程对马铃薯块茎风味化合物组成影响的相关研究较少。

马铃薯不同品种间脂类、氨基酸和糖类含量的差异间接影响了香味化合物的含量[6]。前人研究表明，与普通栽培种（Solanum tuberosum）相比，富利加种（S.phureja）中α-古巴烯含量更高，并对相关基因进行了定位，表明中间合成酶基因的表达同样会影响品种间风味的组成，因此考察品种（系）间风味化合物表型差异，对遗传材料选择具有一定的指导意义[7-8]。

本研究通过对6 个品种（系）马铃薯块茎进行不同烹饪方式的熟化处理，利用气相色谱-质谱 （gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）联用检测分析样品挥发性风味化合物成分及含量，考察各品种不同烹饪方式下风味化合物变化规律，以期为品种合理利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

实验所用的6 个马铃薯品种（系），包括云南省主栽品种合作88、青薯9号以及云南农业大学薯类作物研究所新审定品种滇薯23和具有推广种植潜力的高代品系滇薯1412-T100、滇薯108和滇薯1217。块茎材料均收获自云南省建水县种植基地（23°42’ N，102°42’ E，H 1 519.0 m），采收后于4 ℃统一贮藏，并于收获后10 d内完成实验。

内标2-甲基-3-庚酮（0.163 μg/μL）、正构烷烃（C7～C40）以及其他色谱纯化合物标准品 美国Sigma-Aldrich公司；NaCl（分析纯） 天津科密欧化学试剂有限公司；木炭为中温机制，炭化温度500 ℃，成分为95%竹蔗炭、5%玉米黏合剂，固定炭质量分数77%。

1.2 仪器与设备

7890 B/5977A GC-MS联用仪、毛细管柱HP-5 ms（30 m×0.25 mm，0.25 μm） 美国Agilent公司；100 μm PDMS、75 μm CAR/PDMS、65 μm PDMS/DVB萃取纤维（配套手动固相微萃取装置） 美国Sigma-Aldrich公司；KJ37D803电空气炸锅 浙江苏泊尔股份有限公司；GM1850红外线测温仪 深圳标智仪表公司；UPW-10S去离子水处理机 北京厉元电子仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 萃取条件优化

利用固相微萃取结合GC-MS法对马铃薯挥发性风味物质进行检测的方法已被广泛采用，但是对影响萃取效率的若干因素的设置差异较大[8-9]。因此，在实验之前对5 个影响萃取效率的因素进行分别优化，其中包括萃取纤维的类型、萃取时间、萃取温度、平衡时间和盐离子添加量。使用合作88与青薯9号2 个品种在蒸煮熟化后等量混合作为在不同条件下进行优化的材料，分别使用100 μm PDMS、75 μm CAR/PDMS以及65 μm PDMS/DVB 3 种规格的萃取头在相同条件下，参考龚兴旺等[10]方法进行萃取。

1.3.2 样品预处理

马铃薯洗净，晾干，切瓣（9 cm×5 cm×3 cm），取200 g样品分别于3 种条件下进行熟化处理。

传统炭烤处理：无烟木炭预热至300 ℃后，埋入带皮切块的马铃薯块10 min，待皮层出现炭化后，夹出放于木炭灰表面使用余温烧制20 min，刮去黑色的炭化层，剪取块茎表面1～1.5 mm厚样品，充分剪碎后混合。

空气炸处理：空气炸锅100 ℃预热10 min后放入马铃薯块，并于150 ℃恒温加热30 min，剪取表面1～1.5 mm厚样品，充分剪碎后混合。

沸水蒸煮处理：切块后的马铃薯于沸水蒸气条件下蒸制30 min，去皮后充分混合，快速制泥。

1.3.3 样品制备

3 种萃取纤维头在第1次使用前，分别于GC进样口老化，老化温度为250 ℃，时间30 min，每次进样后，再于进样口老化10 min。

经预处理后的材料，取3 g加入1 μL质量浓度为0.163 μg/μL的2-甲基-3-庚酮作为内标物质于25 mL顶空瓶中，用聚四氟乙烯隔垫密封后于优化过的萃取条件下进行萃取，每个组合进行3 次重复，各重复所用材料独立重新制备。萃取后的纤维在250 ℃的GC-MS联用仪进样口中解吸附5 min，进行GC-MS分析。

1.3.4 GC-MS测定

GC条件：HP-5ms毛细管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；载气为氦气，不分流进样，流速1.2 mL/min；升温条件：初始温度40 ℃，保持3 min，以5 ℃/min升温至200 ℃，再以10 ℃/min升至230 ℃，保持5 min。

MS条件：电子电离源；电子能量70 eV；传输线温度280 ℃；离子源温度230 ℃；四极杆温度150 ℃；质量扫描范围m/z33～550；溶剂延迟时间1 min。

1.4 数据处理

化合物定性：分别使用Agilent ChemStation软件以及XCMS完成峰对齐和矫正，对利用metGC和ChemStation识别到的潜在峰经过NIST14比对，过滤保留正反匹配均大于800的峰，对过滤后结果使用保留指数（retention index，RI）法进行筛选，对筛选后的结果结合人工谱图解析和标样质谱图比对进行化合物定性。

化合物定量按下式计算[11]：

式中：C为未知化合物含量/（μg/g）；Ci为内标物质质量/μg；S为未知化合物定量离子峰面积；Si为内标物定量离子峰面积；m为样品质量/g。

数据采用SPSS软件进行双因素方差分析，对F值显著（P＜0.05）的成分使用Fisher检验法进行处理间的两两比较，随后使用R进行数据归一化及偏最小二乘-判别分析。

2 结果与分析

2.1 萃取条件优化结果

预实验使用75 μm CAR/PDMS纤维头萃取到147 个潜在成分峰，而100 μm PDMS以及65 μm PDMS/DVB纤维则分别获得了56 个和74 个潜在成分峰。因此，选用75 μm CAR/PDMS对挥发性风味物质进行提取效果更好。随后，在使用75 μm CAR/PDMS基础上，使用单变量法分别考察萃取温度（20、30、40、50 ℃和60 ℃）、盐离子添加量（0、0.3、0.6、0.9 g和1.2 g）、平衡时间（0、10、20、30 min和40 min）和萃取时间（10、20、30、40 min和50 min）4 个因素对萃取量的影响[12]，如图1a所示，随着萃取时间的延长，萃取量在40 min时达到最高，但是萃取时间继续延长后，萃取量大幅下降。萃取温度（图1b）的升高有助于萃取量的提高，但是在50 ℃时基本达到最大，并趋于稳定；随着平衡时间（图1c）的延长，萃取量表现上升的趋势，在30 min时萃取量达到最高；盐离子的添加有助于提高萃取效率，但是过量会使基质黏度增加，进而影响挥发性成分在顶空和基质中的分配；如图1d所示，于25 mL样品瓶中，取样量为3 g、NaCl添加量为0.3 g时，萃取总量最大。因此理想萃取条件：萃取头类型为75 μm CAR/PDMS、NaCl添加量0.3 g、萃取温度50 ℃、平衡时间30 min、萃取时间40 min。

图1 总萃取量随萃取条件变化Fig.1 Optimization of extraction conditions

2.2 挥发性成分分析

3 种不同烹饪条件下，6 个品种中共检出挥发性化合物58 种，其中包括醇类3 种（5.2%）、酚类1 种（1.7%）、醛类27 种（46.6%）、酮类8 种（13.8%）、吡嗪类10 种（17.2%）、呋喃类3 种（5.2%）、芳香烃类4 种（6.9%）以及酯类和醚类各1 种（1.7%）。不同熟化方式会导致材料含水量存在差异，因此统一将定量结果折算为干基。随后将折算结果按烹饪方式和品种两因素分组，分别对烹饪方式效应和品种效应进行分析。

2.2.1 烹饪方式主效应和品种主效应分析

表1 3 种烹饪方式下6 个马铃薯品种主要检出化合物Table 1 Main compounds detected in six potato cultivars cooked by three different methods

续表1

虽然材料在3 种熟化过程中未进行去皮处理，但分析的样品均为不包含表皮的薯肉。各品种检测结果按照烹饪方式分组平均，以考察烹饪方式效应对挥发性化合物构成的影响。随后，参考Oruna-Concha等[13]方法将检出化合物根据来源不同，按脂类降解、糖降解与美拉德反应（不包括含硫氨基酸）、含硫化合物和其他共分为4 类。如表1所示，检出化合物中脂类降解产物33 种，糖类降解和美拉德反应产物共16 种。

脂类降解产物在不同烹饪方式下含量变化明显，其沸水蒸煮条件下的总含量分别是传统炭烤以及空气炸制的9.3～89.9 倍和14.7～94.8 倍。这种沸水蒸煮高于传统炭烤和空气炸制的特点，同样表现在不同熟化方式后块茎含水量的差异上，结果表明：当鲜薯平均含水量为（79.5±4.2）%时，沸水蒸煮后样品含水量增加至（86±0.9）%，高于传统炭烤的（37±1.2）%和空气炸制的（19±2.2）%。因此，烹饪过程中水分流失的程度可能与脂类降解产物含量的变化相关[22-23]。

对由糖降解和美拉德反应产生的物质来说，其总量受不同烹饪方式影响而导致的差异较脂类降解产物小，但是表现出传统炭烤中含量最多，空气炸制次之，沸水蒸煮最少的特点。传统炭烤方式下，产物总含量是空气炸制的4.5～12.5 倍和沸水蒸煮的5.7～14.8 倍。

挥发性风味化合物含量变化受烹饪过程的影响，更直接地体现在不同熟化方式下脂类降解产物总量与糖降解和美拉德产物总量比值的增加上。两者含量的差异从传统炭烤方式的0.08～1.29 倍、空气炸制的0.28～1.58 倍，增至沸水蒸煮方式的6.2～130.6 倍。这种显著的扩大，与Oruna-Concha等[13]在对不同熟化方式下马铃薯挥发性组分构成比例变化规律研究中的结果一致。此外，就特定烹饪方式而言，两大分类产物总含量之比在组内的波动，表明除烹饪方式因素外，品种效应也参与了香气指纹图谱的构成。

表2 6 个品种中挥发性风味化合物含量Table 2 Contents of volatile flavor compounds in six potato cultivars

表2为按品种分组后，方差分析结果差异显著（P＜0.05）的13 种物质，其中2-庚酮是由亚油酸氧化分解产生的甲基酮类物质，甲基酮类一般具有独特的果香，在品种合作88中（脂肪质量分数0.74%）其含量显著高于品种青薯9号（脂肪质量分数0.6%），此外，包括反-2-壬烯醛、反,反-2,4-癸二烯醛、萘、壬醛、癸醛、十二醛共7 种脂肪降解产物的含量在2 个品种间差异显著。

在品种间，与糖类降解和美拉德反应相关的产物差异显著的共3 种。新育成品种滇薯23中，1-辛醇、2-甲基呋喃含量显著高于其他品种。合作88还原糖质量分数为0.296%，高于青薯9号（还原糖质量分数0.2%），该品种中2-甲基呋喃含量显著高于后者，但少于品种滇薯23（还原糖质量分数0.318%）。

含硫化合物分类中的甲硫基丙醛在品种间差异显著，品种青薯9号中其含量显著高于品种合作88，甲硫基丙醛主要来源于含硫氨基酸的Strecker裂解，而前期实验测定结果表明，青薯9号中含硫氨基酸总含量为25.13 mg/100 g（干基），高于品种合作88（24.66 mg/g（干基））。因此，品种效应对部分挥发性风味化合物构成的影响，可能是由品种间初生代谢产物差异所致。

2.2.2 偏最小二乘-判别分析结果

图2 3种烹饪方式下6 个马铃薯品种偏最小二乘-判别分析Fig.2 PLS-DA score plots of six potato cultivars cooked by three different methods

为从58 种检测化合物中进一步寻找影响不同烹饪方式下特征风味构成的关键化合物，采用偏最小二乘-判别分析对数据进行分析。如图2a所示，3 种烹饪方式下的样品独立聚集在不同的象限，该模型的累计解释率为78.5%。主成分1很好地将沸水蒸煮与其他烹饪方式分开，图2b所示为筛选出的变量投影重要性（variable importance in projection，VIP）值大于1的主要差异化合物，其中6 种化合物在沸水蒸煮条件下含量最高。反-2-庚烯醛为12-亚油酸氢过氧化物裂解产物[24-25]，其与2-月桂烯醛、2,4-十一烷二烯醛、反-十二烯醛等物质主要贡献的香味特征为果香、脂肪香；3-辛烯-2-酮具有蘑菇香；而2-戊基呋喃具有青香，被认为与风味强度呈反比[8]。因此，分别计算各品种在沸水蒸煮条件下3-辛烯-2-酮和4 种醛类总含量与2-戊基呋喃含量的比值，作为评价品种风味特征强弱的潜在指标。各品种（系）计算结果分别为3.98（合作88）、5.56（滇薯23）、4.73（滇薯108）、6.05（青薯9号）、4.36（滇薯1412-T100）、3.89（滇薯1217）。其中青薯9号比值较高，认为该品种较适合沸水蒸煮的烹饪方式，而品系滇薯1217比值最低，在沸水蒸煮过程中，构成的风味特征可能相对较弱。

由于图2a对空气炸制和传统炭烤解释程度较低，无法代表2 种烹饪方式下的主要差异特征。因此需剔除沸水蒸煮方式处理后对空气炸制和传统炭烤组间差异进行独立分析，结果如图3a所示，该模型累计解释率为62.7%，主成分1可将空气炸制和传统炭烤2 种方式较好地分离；图3b为筛选出的VIP值大于1的主要差异化合物，空气炸制熟化方式下共7 种化合物含量最高，壬醛和十二醛具有果香、脂肪香；甲硫基丙醛是马铃薯中的特征风味物质，但Morris等[8]发现甲硫基丙醛含量与风味强度呈反比；而己醛同样会导致不良风味的产生[26]；2-甲基萘具有泥土味和刺激性气味，可在生马铃薯块茎中检出，主要来源于脂类的氧化裂解[13]；此外邻苯二甲酸二丁酯、萘均具有不同程度的刺激性气味[25,27]。这5 种化合物含量过高可能会对风味品质产生负面影响，因此分别计算空气炸制方式下各品种中壬醛和十二醛总含量与其他5 种化合物的总含量之比，即6.08（合作88）、0.83（滇薯23）、0.41（滇薯108）、0.39（青薯9号）、0.28（滇薯1412-T100）、0.26（滇薯1217）。其中合作88含量比最高，因此该品种更适合空气炸制的烹饪方式，而品系滇薯1217比值最低，空气炸制熟化方式下风味品质可能相对较差。2,5-二甲基吡嗪具有巧克力味和烤马铃薯味；6-甲基2-乙基吡嗪具有坚果味和烘培香气；2,5-二甲-3-乙基-吡嗪具有杏仁和炒可可豆的香味；吡嗪类物质气味阈值较低，Starowicz等[28]发现包括3-甲基-2-乙基吡嗪，2,3,5-三甲基吡嗪在内的吡嗪类物质往往与令人满意和愉快的特征气味有关。如图4所示，新品系滇薯1412-T100含量最高，因此该品系与传统的炭烤品种合作88号相比，更加适合传统炭烤的烹饪方式。

图4 6 个品种吡嗪类风味化合物总含量Fig.4 Total contents of pyrazine compounds in six potato cultivars

3 讨 论

烹饪方式对马铃薯块茎挥发性风味物质产生的影响，主要来源于不同烹饪方式下热效应的差异，Wilson等[5]研究了相同种植环境下相同烹饪方式过程中块茎水分和温度的变化，烤炉烘烤时薯肉始终处于高温环境；沸煮条件下，水被加热至沸腾需要时间，因此材料经沸煮的时间仅为前者的一半，在这两种方式下，热量主要是通过传导和对流的方式在烹饪介质（空气或水）与薯肉间进行传递的；在烤炉烘烤的方式下，热辐射也是热传递的方式之一。而在本实验中，为尽量减少不同烹饪方式造成的加热时间不平衡的影响，在使用电空气炸锅加热前，对炉腔进行充分的预热，沸水蒸煮实验中预先加热，大量可见蒸汽出现后再进行蒸煮。此外还对3 种条件下的薯块材料均进行了切块处理，保证了实验材料体积/表面积比的相对一致性。与西式电烤箱烤制相比，中式传统炭烤所采用的将薯块直接埋入木炭与灰烬之中，其热量传递的主要方式是热传导。而空气炸制则主要是通过风扇辅助的热对流完成热量的传递，与西式电烤烤制类似。Oruna-Concha等[13]发现，电子烤箱烘烤过程中，大量水分从块茎中流失，且流失速度与烹饪时间呈正比。而且流失水分中的一半以上来源于块茎最外侧3 mm左右的组织，这一壳层快速的形成低含水量区域。通过空气炸锅进行炸制的过程与电子烤箱烘烤类似，加热后的空气在块茎周围产生快速循环的热流，一方面保持腔内温度恒定于150 ℃，另一方面则可以迅速将块茎表层蒸发的水分带走[29]，与传统炭烤相比，表层水分流失更加迅速。此外因为空气炸制方式下的块茎受热环境温度恒定，且与传统炭烤相比较低，所以材料表面不会出现过度炭化。

含水量是影响美拉德反应的因素之一，在传统炭烤过程中，块茎水分的减少使得经由该途径产生的物质含量与沸水蒸煮相比更高。空气炸制下的块茎，其表面会形成和传统炭烤一样的易碎壳层，壳层的温度介于含水层的最高温度100 ℃和外界环境温度150 ℃（空气炸制）之间，主要产物为吡嗪类化合物（本实验中共检出10 种）；其中，2,3-二甲基吡嗪等含量在传统炭烤的方式下远高于空气炸制。与空气炸制相比，因为在对薯肉取样前已经刮去了表层炭化组织，所以传统炭烤样品中的吡嗪类物质可能来自对表皮炭化组织中产物的吸附和原位产生。此外在传统炭烤熟化过程中，虽然木炭燃烧充分，但是干馏而成的木炭中含有其他杂质成分。因此燃烧木炭的烟气中除了会释放碳氧、硫氧化合物外，还有酚类、羰基类和多苯环烃等[30]。2-甲氧基苯酚可由纤维素、半纤维素分解而成，其在传统炭烤方式下含量显著高于其他熟化方式。此外包括2-甲基萘、1,6-二甲基萘等物质含量也均有所升高，虽然差异未达到显著水平。这些成分中的一部分可能来自于对加热所使用木炭中成分的吸附。因此传统炭烤方式下独特风味的构成，可能是受熏烤过程影响的结果。通过分析不同品种间挥发性成分含量的变化，发现品种所代表的遗传效应与烹饪方式效应相比，在对处理间变异的解释上贡献要小。品种合作88和其他品种相比，部分醛类物质含量更高，这可能是与该品种具有相对较高的脂肪含量有关[31]。

4 结 论

使用75 μm CAR/PDMS纤维头在平衡温度50 ℃条件下，将NaCl添加量为0.3 g的样品平衡30 min后萃取40 min是兼顾含量和效率的较为优化的萃取条件。影响马铃薯风味构成的主要因素为烹调方式，沸水蒸煮条件下，由脂类降解产生的醛类物质含量高于空气炸制与传统炭烤。传统炭烤条件下，美拉德反应产物含量高于沸水蒸煮。遗传差异导致的脂肪和氨基酸含量的不同，可能是造成品种间脂类降解醛类和含硫氨基酸降解产物差异的原因。结合已有文献中对挥发性组分和感官评价的分析，提出不同品种（系）的烹饪方式建议，即品种青薯9号适合沸水蒸煮熟化，合作88适合空气炸制，而品种滇薯1412-T100在传统炭烤条件下表现更佳。