GC-MS和GC-IMS分析食用油对熟炕马铃薯挥发性成分的影响

夏兰欣，周贵华，王 广，王海波，宋波涛，吴承金，程 超

(生物资源保护与利用湖北省重点实验室1，恩施 445000)(湖北民族大学生物科学与技术学院2，恩施 445000)(农业农村部马铃薯生物学与生物技术重点实验室；园艺植物生物学教育部重点实验室；湖北省马铃薯工程技术研究中心；华中农业大学3，武汉 430070)(中国南方马铃薯研究中心4，恩施 445000)

马铃薯(SolanumtuberosumL.)又名洋芋、土豆，富含多种营养物质[1,2]，随着马铃薯主粮化战略的推进[3]，消费者对马铃薯加工产品的种类和感官品质提出了更高的要求[4]。蒸煮、煎炸、烘烤等是传统的马铃薯产品的加工方式，这些不同加工方式生产的马铃薯产品的感官品质差异较大，主要是由于加工方式会影响马铃薯产品的主要化学反应类型和反应程度。如马铃薯原薯的挥发性成分主要是马铃薯在去皮和切分过程中，脂肪酸在脂肪氧化酶作用下产生的大量挥发性成分,如己醛、庚醛、辛醛、戊醇、2-戊基呋喃、1-戊烯-3-酮、2,4-庚二烯、2,6-壬二烯等[5,6]。蒸煮马铃薯检测到的所有挥发性化合物中，脂类降解产物占22%～69%，糖降解和/或美拉德反应产物占28%～77%，但每种反应对挥发性成分的具体贡献因马铃薯品种而异[5,7,8]。烘烤马铃薯主要风味物质是由美拉德反应和/或Strecker降解、脂质和含硫氨基酸降解形成，这使得烘烤马铃薯的挥发性风味物质中癸醛、香叶基丙酮、吡嗪类等物质较为丰富。油炸马铃薯如炸薯条的主要挥发性成分是吡嗪类物质等，这些挥发性成分85%来自糖降解和/或美拉德反应，其余化合物来自脂质降解[5,9]。

油炸产品的挥发性成分受油炸用油的类型和使用次数的影响，如Tian等[10]采用GC-MS以及电子鼻技术对菜籽油、花生油、大豆油和葵花籽油炸青葱样品进行分析发现，花生油油炸会使样品产生浓郁的葱香和油脂香味。袁桃静[11]发现使用花生油、大豆油、玉米油、茶籽油和棕榈油油炸罗非鱼时，茶籽油炸鱼与其他食用油炸鱼整体特征风味差异显著，而大豆油在反复使用过程中，炸制罗非鱼的风味相比于其他食用油炸制的更稳定。

“炕洋芋”即“炕马铃薯”是土家族传统食品，已成为湖北西部地区的特色名片和乡村振兴的主要支柱。“炕”是湖北西部地区的方言，是介于煎与炸之间的一种特殊烹饪方式。“炕”马铃薯分为生炕和熟炕，熟炕是将去皮马铃薯煮熟或半熟后放到锅里加少量食用油炕至金黄色；生炕是去皮的生马铃薯加油文火炕熟；通常熟炕更容易控制产品品质。炕马铃薯产品表皮呈金黄色，口感软糯香甜，备受欢迎。

熟炕马铃薯综合了煮制、油炕2个主要加工阶段，期间发生的化学反应导致产品的风味进一步复杂化，本研究采用固相微萃取结合GC-MS和GC-IMS两种技术对5种不同食用油炕制马铃薯挥发性成分进行探究分析，以期寻找食用油对炕制马铃薯风味品质的影响，从而为民族食品“炕”马铃薯产业的发展提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

“马尔科”马铃薯、菜籽油(B1)、压榨花生油(B2)、精炼大豆油(B3)、玉米油(B4)、漆油(B5)、C7～C30正构烷烃(色谱纯)、2-甲基-3-庚酮(色谱纯)，氯化钠(分析纯)、无水硫酸钠(分析纯)。

1.2 仪器与设备

手动SPME进样器，65 μm PDMS/DVB萃取纤维头，HWS12 电热恒温水浴锅，6890-5973 气质联用仪，FlavourSpec®风味分析仪，PGR-10-AS超纯水设备。

1.3 实验方法

1.3.1 炕制马铃薯的制备

马铃薯去皮，切成20 mm×10 mm×15 mm的块状，沸水煮制5～7 min，沥干，平底锅倒入食用油约30～45 mL，油热后放入沥干的马铃薯，炕制20 min至两面焦黄色，放凉备用。

1.3.2 炕制马铃薯的挥发性成分的GC-MS检测1.3.2.1 顶空固相微萃取

首先将65 μm PDMS/DVB纤维萃取头插入气相色谱-质谱联用仪进样口老化30 min，进样口温度为250 ℃。取3 g样品，经充分研磨均匀，加入1 μL质量浓度为20.4 μg/μL的2-甲基-3-庚酮内标液置于15 mL顶空萃取瓶中，萃取条件参照李凯峰等[12]方法，加入10% NaCl，1.5 g无水Na2SO4，立即用聚四氟乙烯/硅橡胶隔垫密封。将顶空瓶置于50 ℃恒温水浴锅中平衡20 min后推出已老化好的萃取纤维头吸附50 min，待萃取完成后，于GC-MS进样口解析5 min，每组实验重复3次。

1.3.2.2 GC-MS 测定条件

色谱条件：色谱柱为DB-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)石英毛细管柱；载气为He，流速1 mL/min，进样口温度为250 ℃，升温程序：初始温度50 ℃，保持2 min，以10 ℃/min升到200 ℃，保持1 min，再以2 ℃/min升到250 ℃，保持2 min；不分流进样。

质谱条件：接口温度250 ℃，离子源温度230 ℃，电子能量70 eV，质量扫描范围30～450 amu，无溶剂延迟[13]。

1.3.3 炕制马铃薯挥发性成分的GC-IMS检测

样品处理：取5 g均匀研磨后的样品置于20 mL顶空瓶中。

自动顶空进样条件：孵育温度50 ℃，孵育时间15 min，孵化转速500 r/min，进样针温度85 ℃，进样量500 μL。

GC-IMS条件：色谱柱为MXT-5，L-15 m，ID-0.53 mm，FT-4 μm，柱温60 ℃，漂移气N2，IMS温度：45 ℃，载气流速程序：初始2 mL/min，保持2 min，10 min内线性增至10 mL/min，20 min内线性增至100 mL/min，25 min线性增至150 mL/min，运行时间25 min。

1.3.4 定性及定量分析

GC-MS定性方法：将C7～C30正构烷烃混合物单独进样，进样量为1 μL。GC-MS检测结果通过计算机检索谱库Wiley及NIST14.L处理，保留匹配度大于80%的成分，并结合保留指数(RI)定性。RI[14,15]按公式计算。

式中：N为正构烷烃的碳原子数；Tx、TN+n、TN分别为待测化合物保留时间、原子数为N+n的正构烷烃保留时间和碳原子数为N的正构烷烃保留时间/min。

GC-MS定量方法：选用2-甲基-3-庚酮为内标物，测定炕制马铃薯中壬醛、癸醛、2-乙基-3,6-二甲基吡嗪、2-正戊基呋喃和反式-2,4-癸二烯醛对2-甲基-3-庚酮相应响应因子。其他含氧杂环类化合物按呋喃类响应因子计算[16]。

式中：A0与Ai分别为标品 i 和内标物0的峰面积；mi与m0分别为标品 i 和内标物 0的含量/μg。

以2-甲基-3-庚酮为内标物，根据化合物及内标物峰面积比值计算挥发性成分含量[17，18]。

式中：C为待测化合物的含量/μg/kg；Fi为各化合物相对质量校正因子；Ax为待测化合物离子峰面积；C0为内标物含量/μg；A0为内标物离子峰面积；m为待测化合物的质量。

GC-IMS定性方法：采用仪器自带软件LAV(Laboratory Analytical Viewer)以及GC×IMS Library Search软件内置的NIST数据库和IMS数据库可对物质进行定性分析。同时结合3款插件(Reporter插件、Gallery Plot插件、Dynamic PCA插件)可从不同角度进行样品分析。

挥发性成分相对质量分数=

1.4 数据处理

用Excel 2019软件对实验数据进行统计；用Origin 2018软件对实验数据进行作图；利用气相离子迁移谱中Reporter插件绘制差异谱图；Gally Plot插件进行指纹图谱比对；Simca 14.1进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 5种食用油熟炕马铃薯挥发性成分的GC-MS分析

使用HS-SPME-GC-MS检测5种食用油炕制马铃薯的挥发性成分，具体结果见表1和图1。由表1可以看出，共鉴定出24种挥发性化合物，其中醛类、吡嗪类、烷烃类、酮类、酯类、呋喃类各有6、5、4、3、5、1种。图1说明不同食用油炕制的马铃薯挥发性成分含量差别较大，菜籽油炕制的马铃薯挥发性成分为醛类>吡嗪类>酮类>烷烃类；花生油炕制的马铃薯为吡嗪类>醛类>酮类>酯类>呋喃类>烷烃类；大豆油炕制的为吡嗪类>醛类>酮类>呋喃类>烷烃类；玉米油炕制的吡嗪类>醛类>酯类>呋喃类>烷烃类；漆油炕制的醛类>酮类>酯类>烷烃类，由此可见漆油炕制马铃薯的挥发性成分与其他4种食用油的有显著差异，未检测到吡嗪类化合物，而其他4种食用油炕制的马铃薯均是醛类、吡嗪类占主导地位，在鉴定出的挥发性成分中醛类、吡嗪类占80%～88%。

图1 5种食用油炕制马铃薯挥发性风味成分比较

表1 5种食用油炕制马铃薯挥发性风味化合物含量/μg/kg

在醛类化合物中，(反，反)-2,4-庚二烯醛是菜籽油炕制马铃薯的独有挥发性物质，壬醛、正癸醛、反反2,4-癸二烯醛的含量显著高于其他4种食用油，而(反,反)-2,4-癸二烯醛的增加，使产品具有了强烈的油炸气味[19]。苯乙醛和反式2-癸烯醛是花生油炕制马铃薯独有挥发性化合物。吡嗪具有典型的“土豆味”，尤其是2-乙基-3,6-二甲基吡嗪具有坚果、烤土豆味[5]；玉米油炕制马铃薯吡嗪类化合物显著高于其他4种。以上说明食用油的种类对炕制马铃薯的挥发性化合物组成有很大的影响。

对表1的数据进行热图聚类和相关性分析并作图，见图2和图3，由图2可以看出，随着平方欧式距离的增加，5种食用油炕制的马铃薯被分为4类，B3和B4最为接近，其次是B1、B2、B5，此聚类结果与图3的相关性图一致。对5种食用油炕制马铃薯的挥发性成分的含量进行PLS-DA分析，具体结果见图4和图5，第1和第2主成分累计贡献率是73.6%，B2和B5炕制的马铃薯产品在第一主成分上从左向右可以很明显区分，但B1、B3和 B4在第一和第二主成分上均不能很好区分，说明三者的主要挥发性成分相似，这与图2的结果一致。原因可能是实验所用的5种食用油，漆油的饱和脂肪酸含量远高于其他4种食用油，因此由其炕制的马铃薯风味与其他4种油炕制的差异也最大；大豆油和玉米油相对气味较菜籽油和花生油的弱[11]，因此二者炕制的马铃薯风味非常接近；菜籽油、花生油中特有的关键风味物质分别为醛类和吡嗪类[11]，而醛类关键风味物质与大豆油和玉米油炕制的马铃薯非常接近。

图2 5种食用油炕制马铃薯挥发性成分GC-MS数据的热图聚类

图3 5种食用油炕制马铃薯挥发性成分GC-MS数据的相关性图

图4 5种食用油炕制马铃薯挥发性成分GC-MS数据的PLS-DA得分图

在前期PLS-DA分析的基础上，对GC-MS数据进行VIP值分析，由图5可以看出，2-乙基-(5或6)-甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、反，反-2,4-庚二烯醛、壬醛、正癸醛、丁酸丁酯、4-辛酮、香叶基丙酮、2-正戊基呋喃等8种成分对炕制马铃薯的风味影响最大，VIP均>1。吡嗪和呋喃类化合物主要是由Maillard褐变和Strecker降解反应生成，醛类如直链醛类则主要是由于脂肪酸的氧化形成[20]。实验所用的5种食用油由于所含脂肪酸种类不同，导致生成的主要风味物质种类有差异，但B3和B4即大豆油和玉米油炕制的马铃薯挥发性成分相似性较高，这与袁桃静[11]报道的大豆油和玉米油整体气味差异较小和徐星[21]报道的大豆油、玉米油氧化产物的风味相似的结果吻合。

图5 5种食用油炕制马铃薯挥发性成分GC-MS数据的PLS-DA的VIP图

2.2 5种食用油熟炕马铃薯挥发性成分的GC-IMS分析

利用Vocal软件内置NIST数据库和IMS数据库对5种食用油炕制马铃薯挥发性成分分析，结果见表2。5种不同炕制马铃薯样品中共定性出了46种挥发性香气成分，包括醛类30种，醇类3种，酮类6种，吡嗪类2种，酯类2种，呋喃类3种。不同食用油炕制马铃薯主要挥发性成分是醛类，这与GC-MS的分析结果比较一致。

表2 GC-IMS挥发性成分相对质量分数/%

以炕制马铃薯B1挥发性物质作为参比，扣除其他食用油的背景绘制差异化谱图，具体见图6。如扣减后的背景为白色，则挥发性化合物与B1一致，如果为红色则代表该物质浓度高于参比，蓝色代表低于参比[22]。由图6可看出不同样品中高浓度挥发性成分出峰时间均主要集中在0～200 s，样品B3和B4在保留时间为250～800 s内检测出来的挥发性成分较相似；且B5中大部分化合物浓度较B1低，而B2中大部分挥发性物质浓度较B1高。

图6 气相离子迁移谱差异对比图(以B1做对比)

为了更加直观比较5种食用油炕制马铃薯挥发性成分差异，选取变化比较明显的信号峰生成指纹图谱[23]。如图7所示，通过比较可以看出B2大部分挥发性物质浓度较高，B3和B4的挥发性物质较为相似，图7 1号区域物质是B1炕制马铃薯主要风味物质，主要是E,E-2,4-庚二烯醛。2号区域物质戊醛、2-甲基丙醛、己醛、辛醛、壬醛、E-2-戊醛、乙偶姻、戊醇、E-2-己醛、2-庚酮、2-戊基呋喃、E-2-辛醛和E-2-壬醛等为B2炕制马铃薯主要风味物质。3号区域物质甲基吡嗪和2-乙酰呋喃等为B3主要风味物质。4号区域物质3-甲硫基丙醛等代表B5主要风味物质，且其他挥发性成分在B5炕制马铃薯含量很低。B1、B2、B3和B4都有图5区域物质，包括丙酮、2-甲基丁醛和异戊醛，图中方框内物质浓度远高于其他样品，可作为区分样品间差异的特征挥发性风味成分。

图7 5种食用油炕制马铃薯Gallery plot指纹谱图

选取不同炕制马铃薯所有挥发性物质的信号峰进行主成分和指纹图谱相似度分析，结果如图8、图9所示。图8的第1和第2主成分累计贡献率达78.6%，说明主成分分析能充分表示出不同炕制马铃薯样品大部分挥发性成分信息，随着主成分1从左到右可以将B5、B2与其他3种区分开来，但B1、B3、B4无论在PC1还是PC2方向距离都非常近，与图9的指纹图谱相似性结果一致，图9中样品间距离越小的，样品差异越不明显[24]，说明二者风味非常相似，难以区分，这与GC-MS的分析结果一致。

图8 5种食用油炕制马铃薯主成分分析分析

图9 5种食用油炕制马铃薯指纹图谱的相似度分析

3 结论

本实验同时利用GC-MS和GC-IMS 2种技术测定了5种食用油炕制马铃薯的挥发性化合物。在5种食用油炕制马铃薯样品中GC-MS鉴定出挥发性成分24种，包括醛类6种(40.94%)，吡嗪类5种(43.89%)、烷烃类4种(0.35%)，酮类3种(7.54%)、酯类5种(4.71%)、呋喃类1种(2.56%)。GC-IMS鉴定出46种挥发性风味物质，主要包括醛类30种(65.03%)，醇类3种(0.66%)，酮类6种(21.75%)，吡嗪类2种(1.27%)，酯类2种(1.66%)，呋喃类3种(2.03%)。对比分析GC-MS和GC-IMS的测定结果发现，二者共同检测出来的挥发性成分有醛类、吡嗪类、酯类、酮类、呋喃类，但GC-MS、GC-IMS分别单独检测出了烷烃类和醇类物质，且共同检测出的挥发性成分中各种物质含量有差异。可能是由于GC-MS和GC-IMS测定原理有差异，GC-IMS的测定依赖于挥发性有机物的质子亲和力，由于烷烃类物质的质子亲和力弱于水，因此GC-IMS无法检测烷烃类物质，此外FlavourSpec®风味分析仪测定时直接进样，样品不需要进行富集处理；但本实验GC-MS测定结合了固相微萃取，样品的挥发性成分经萃取头富集后再进行测定，而选择的萃取头种类对检测的挥发性物质种类和含量有很大影响，本实验前期主要以萃取的风味物质的总量和种类为指标优化的萃取头，从而导致GC-MS和GC-IMS检测出的挥发性成分种类和含量有所差异。虽然二者测定的挥发性成分种类不同，但对各自的数据进行统计分析后发现5种食用油对炕制马铃薯整体风味的影响是相同的。

实验中利用GC-MS和GC-IMS检测出了典型的煮土豆、油炸及烘烤土豆的相关挥发性成分，如(反,反)-2,4-癸二烯醛、2-戊基呋喃、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪、2-乙基-3,6-二甲基吡嗪等物质，这些挥发性成分主要来自于脂质氧化、Strecker降解、糖、脂肪降解和/或美拉德反应，这也说明熟炕马铃薯生产工艺相对复杂，涉及的化学反应类型多样，因此产品的挥发性成分也多样。因此通过实验可初步确定熟炕马铃薯的挥发性成分主要源于3个方面，一是马铃薯煮制过程可能发生的脂肪氧化和Strecker降解；二是在炕制过程，食用油自身及其炕制过程食用油氧化、降解产生的挥发性成分在马铃薯产品中的渗透；三是马铃薯在油炕阶段自身发生的糖、脂肪降解和/或美拉德反应；但具体的挥发性成分产生机制仍有待于进一步研究。