不同萃取方式下熟化马铃薯挥发性物质分析

张欣昕，张福金，康博洋，郭志刚，黄 洁

（1.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031；2.内蒙古自治区农畜产品质量安全中心，内蒙古 呼和浩特 010010）

内蒙古作为我国马铃薯重要的生产基地，常年种植面积达30万hm2，总产量达150万t，均排在全国前三位，内蒙古马铃薯的品质极具地域特色和风味，深受全国消费者喜爱。随着马铃薯种植产业链条的延伸，对马铃薯的加工品质要求越来越高。风味品质，作为马铃薯加工品质的重要评价指标之一，是直接决定马铃薯品质好坏和产品价值的首要条件，也是影响消费者购买行为的重要评判指标[1]。

马铃薯熟化加工过程中，主要发生脂质氧化和热降解反应，例如美拉德反应和斯特雷克降解反应等[2-3]。这些化学反应主要是催化氨基酸、脂肪酸和糖类的降解，生成许多含氧和含氮的杂环化合物，如醛、醇、酮、呋喃、吡嗪等，正是这些复杂的化合物共同构成了马铃薯加工后的独特和浓郁的风味，如甜味、麦芽香、焦糖香、炒坚果味、烤香、咖啡香等[4]。马铃薯风味物质的提取方法主要有同时蒸馏萃取（simultaneous distillation extraction，SDE）、溶剂直接萃取（solvent extraction，SE）、溶剂辅助风味蒸发（solvent-assisted flavor evaporation，SAFE）、超临界二氧化碳萃取（supercritical CO2fluid extraction）和顶空固相微萃取（headspacesolids-phase microextraction，HS-SPME）等[5]。其中，SDE 法是通过同时加热样品和有机溶剂至沸腾，从而提取挥发性风味物质，溶剂用量少，挥发性风味物质充分浓缩，对微量成分萃取效率较高，但对一些热敏性挥发性风味物质影响较大[6-7]。HS-SPME具有操作简单、无溶剂使用，具有快速完成挥发性风味物质采样、萃取、富集和进样等特点，但获得的化合物类别相对单一[8-9]。目前，对于马铃薯挥发性风味物质的研究相对较少，SDE和HS-SPME两种方法的比较研究鲜见报道，鉴于各种提取方法的原理不同，可能提取到的化合物有所不同，本研究以内蒙古地区特有的马铃薯品种后旗红为试验对象，采用SDE和HS-SPME两种前处理方法，并结合气相色谱-质谱联用仪开展马铃薯中挥发性风味物质的研究，并初步探索马铃薯的香气组分，为今后马铃薯香气成分的研究提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

试验材料为内蒙古乌兰察布市察右后旗格尔图镇马铃薯品种后旗红，采收后于4℃贮藏并在20 d内完成测定；试剂为国药集团化学试剂有限公司生产的二氯甲烷（分析纯）、正己烷（分析纯）和无水硫酸钠（分析纯）。

1.2 仪器与设备

6890A-5973N气质联用仪（NIST08谱库）：美国Agilent公司；手动SPME装置（配有50/30 CAR-DVBPDMS萃取头）：美国Supelco公司；SDE装置（定制）：天长市金桥分析仪器厂；旋转蒸发仪：东京理化公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备

称取2～3个新鲜样品，约500 g，清洗、去皮，切成3 cm3大小的立方体状，混匀，立即测定。

1.3.2 SDE前处理方法

称取20 g制备好的样品于1 L圆底烧瓶中，加入沸石、400 mL蒸馏水，连接SDE装置，电热套加热至微沸；另将装有30 mL二氯甲烷的圆底烧瓶，连接水浴，45℃加热，SDE装置接入冷凝水，待两侧溶液出现回流现象时，开始计时，回流萃取1.5 h。萃取结束后，等待装置完全冷却，将二氯甲烷萃取液放入装有10 g无水硫酸钠的具塞试管中脱水干燥，然后转移至KD浓缩管，置于旋转蒸发仪上40℃浓缩至1 mL后，移入上机小瓶中密封，进行GC-MS分析。在相同条件下重复3次。

1.3.3 HS-SPME前处理方法

称取5 g制备好的样品于100 mL顶空瓶，再加入20 mL蒸馏水，于100℃水浴中加热30 min，冷却待测。萃取纤维头于气相色谱的进样口老化，老化温度为250℃，时间5 min，老化后插入装有样品的顶空瓶中吸附40 min，萃取后的纤维头在GC-MS上解吸附5 min，进行GC-MS分析。在相同条件下重复3次。

1.3.4 GC-MS仪器条件

SDE方法色谱条件：色谱柱为HP-5 ms（30.00 m×0.25 mm×0.25 μm）毛细管柱，进样量为 1 μL，分流流量为10 mL/min，分流比为20∶1，溶剂延迟 3 min。进样口温度为280℃。初始温度60℃保持2 min，随后以 5℃/min升温至 300℃，保持6 min。

HS-SPME方法色谱条件：色谱柱同SDE方法，不分流进样，进样口温度为250℃，初始温度60℃保持2 min，随后以5℃/min升温至280℃，保持8 min。

质谱条件：电子轰击离子源（EI），电子能量70 eV。传输线温度：250℃，离子源温度 230℃，四极杆温度150℃。扫描范围50～600 m/z。

1.4 数据处理

定性分析：通过原始数据与NIST谱库匹配进行定性，每个峰使用软件自动进行背景校正，选择匹配度大于80%作为物质鉴定依据。

定量分析：采用峰面积归一化法定量，计算各挥发性风味物质峰面积与总面积之比，确定各物质的相对含量。

2 结果与分析

2.1 SDE法鉴定的马铃薯挥发性风味物质

用SDE法对马铃薯样品进行前处理，利用GC-MS进行分析，定性和定量结果见表1。通过GC-MS定性，SDE法检测出的挥发性风味物质有24种，主要是醛类、醇类、酮类、烷烃类、酯类、酸类和杂环化合物。其中，醛类、醇类和杂环化合物鉴定物质较多，相对含量分别占挥发性风味物质总量的44.27%、23.79%和18.35%；其次是酮类、烷烃类和酯类物质，相对含量分别占挥发性风味物质总量的1.00%以上；酸类物质相对含量最低，为0.83%。相对含量最高的物质是苯乙醛，相对含量为11.40%；其次是3-己醇、3-甲硫基丙醛 、5-甲基呋喃醛、2-乙基-3-甲基吡嗪、2-乙基-3，6-二甲基吡嗪、壬醛、L-薄荷醇、2，4-癸二烯醛，相对含量超过5.00%。由此可见，SDE法中醛类、醇类和杂环化合物是构成熟化马铃薯中挥发性气味的主要物质。

表1 SDE法提取马铃薯挥发性风味物质的分析结果Table 1 Analysis results of potato volatile flavor compounds extracted by SDE

2.2 HS-SPME法鉴定的马铃薯挥发性风味物质

HS-SPME法检测出的挥发性风味物质有29种（表2），主要是醛类、醇类、酮类、杂环化合物和其他物质。其中醛类物质鉴定种类最多，占鉴定物质种类总数的41.40%，相对含量占挥发性风味物质总量的73.57%；醇类物质和杂环化合物相对含量接近，占挥发性风味物质总量的12.05%和11.40%。相对含量最高的物质是3-甲硫基丙醛，达18.20%；其次是庚醛、苯乙醛、5-甲基呋喃醛、壬醛和戊醛，相对含量分别为12.20%、9.96%、8.60%、6.60%和5.90%。由此可见，HS-SPME法中醛类物质是构成熟化后马铃薯中挥发性气味的主要成分。

表2 HS-SPME法提取马铃薯挥发性风味物质的分析结果Table 2 Analysis results of potato volatile flavor compounds extracted by HS-SPME

2.3 SDE和HS-SPME两种方法提取的挥发性风味物质的比较

采用两种前处理方法从蒸马铃薯中提取并鉴定出53种挥发性风味物质，两种方法共同鉴定出的物质有10种，分别为3-甲硫基丙醛、3-己醇、糠醇、甲基环戊烯醇酮、5-甲基呋喃醛、苯乙醛、庚醛、壬醛、2，4-癸二烯醛、1-［4-（2-羟基丙-2-基）苯基］乙醇，主要以醛类为主；从相对含量上看，3-甲硫基丙醛、5-甲基呋喃醛、苯乙醛、壬醛的相对含量都在5.00%以上。研究表明，3-甲硫基丙醛主要来源于Strecker降解反应[10]；苯乙醛、壬醛等主要来源于脂质的降解反应，例如壬醛是油酸的降解产物。这些化合物均具有特殊香味，如3-甲硫基丙醛有酱香、红烧肉香味，苯乙醛有杏仁香，壬醛有玫瑰、柑橘香味等[11]，这些物质共同作用产生特有的马铃薯香气。

两种前处理方法鉴定的物质见表3，SDE法鉴定的化合物类别为7类，鉴定化合物类别较丰富醛类、醇类和杂环化合物鉴定物质占比较多，相对含量分别占挥发性风味物质总量的44.27%、23.79%和18.34%。其次是酮类、烷烃类和酯类物质，相对含量为1.00%以上，酸类物质相对含量最低，为0.83%，而HS-SPME法鉴定的化合物类别为5类，烷烃类、酯类和酸类均未检出，且有其他类别物质被鉴定到。相同类别的物质在数量和相对含量上也有所不同，HS-SPME法中醛类物质相对含量占总挥发物的73.57%，远大于SDE法；HS-SPME法中杂环化合物数量比SDE法多，但相对含量低于SDE法；而HS-SPME法中醇类比SDE法丰富，但相对含量不及SDE法。

表3 SDE法和HS-SPME法提取马铃薯挥发性风味物质的比较Table 3 Comparison of potato volatile compounds extracted by SDE and HS-SPME

从两种前处理方法鉴定的差异物质的含量上看，SDE法中鉴定到相对含量较高的化合物，在HS-SPME法中未检出，如在SDE法鉴定到的2-乙基-3-甲基吡嗪和2-乙基-3，6-二甲基吡嗪的相对含量分别为7.22%和6.91%，而在HS-SPME法中未检出。这可能由于吡嗪类物质的产生与温度变化关系较大，随着处理温度升高，相关化学反应进行更彻底，香气组分含量也会发生较大变化，但温度过高，样品可能产生焦糊味[12]。而在HS-SPME法鉴定到的戊醛、己醛、2-乙基呋喃等物质，在SDE法中未检出，其原因可能与这些物质沸点较低有关[13]。

3 讨论

SDE法和HS-SPME法萃取的挥发性成分在数量上较接近，但获得的挥发性化合物不尽相同。本研究发现，SDE法鉴定的化合物类别为7类，而HS-SPME法鉴定的化合物类别为5类，烃类、酯类和酸类在HS-SPME中均未鉴定到。这说明SDE法适合提取中、高沸点的挥发性化合物，而HS-SPME法适用于提取低沸点的挥发性化合物。朱晓凤等[14]利用SDE和HS-SPME结合GC-MS分析了霍山黄大茶香气成分，结果发现，SDE法得到的醇类相对含量高于HS-SPME法，而HS-SPME法鉴定的多为中、低沸点且分子质量较小的呋喃杂环类、脂肪醛等，如2-乙基呋喃、戊醛、己醛等，与本研究结果一致。付钦宝等[15]研究发现，由于SDE法样品前处理中经过长时间高温，热不稳定化合物相对含量较少，但对于在高温下产生的2-乙基-3-甲基吡嗪等吡嗪类物质提取效率较高，这与本研究结果一致。曾著莉等[16]利用HS-SPME-GC-MS分析了蒸熟的马铃薯泥，鉴定获得31种挥发性风味物质，主要以醛类物质为主，也与本研究结果相近。SDE法和HS-SPME法在相同物质上的提取效率也有所差异，魏育坤等[17]比较了SDE法和HS-SPME法对大黄鱼挥发性化合物的提取，研究发现，HS-SPME法提取到的低沸点的挥发性化合物壬醛，含量达1 376.84 ng/g，但经SDE法提取到的壬醛含量较低（89.74 ng/g）。本研究中，SDE法鉴定到的3-甲硫基丙醛相对含量为8.46%，而HS-SPME法相对含量为18.20%，与魏育坤等研究结论相似。余丽等[18]利用SDE法和SPME法分析了苦荞的挥发性风味物质，SDE法鉴定出的酯类、酸类化合物种类和相对含量高于SPME法，如SDE法鉴定出邻苯二甲酸二异丁酯相对含量为45.80%，而HS-SPME法鉴定出的该物质含量只有2.42%，也与本研究结果相似。

熟化马铃薯的香气主要是加工过程中发生一系列复杂的生化反应而产生的，REDDIVARI等[19]研究认为，熟化马铃薯的风味变化取决于脂质氧化物以及其化合物反应，如氨基酸脱氨、脱羧生成相应醛的斯特雷克降解反应等。王榛等[20]和ORUNA-CONCHA等[21]的研究也发现，熟化马铃薯的挥发性化合物中，脂类降解产物约占22%～69%，糖降解和美拉德反应产物约占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。MORRIS等[22]研究还发现，熟化马铃薯时，块茎组织被逐步加热，促进脂氧合酶的脂质氧化反应，故其脂质衍生的风味包含热降解和酶氧化产物，例如2，4-癸二烯醛、庚醛、壬醛、苯乙醛等，对熟化马铃薯香气成分有重要作用，本研究中也发现壬醛和苯乙醛在SDE法和HS-SPME法中提取的相对含量均比较高，可能是关键香气成分。GUMBMANN等[23]研究认为，熟化马铃薯的特征挥发性风味是由甲硫醇和甲硫基丙醛通过甲硫氨酸降解形成的，在适度的稀释浓度下有马铃薯的香气，3-甲硫基丙醛通常被认为是马铃薯的特征风味物质，本研究中HS-SPME法提取鉴定到的3-甲硫基丙醛相对含量最高，对样品的香气贡献最大。杨妍等[24]研究认为，芳香族和呋喃类化合物可能是由马铃薯细胞中还原糖降解产生的，芳香族化合物含量较少，但有些是形成杂环化合物的重要中间体，对马铃薯香气形成起到了不可忽视的作用。3-呋喃甲醛是还原糖与胺之间的相互作用产生的，2-戊基呋喃是美拉德反应的重要产物之一。李凯峰等[25]的研究得出3-呋喃甲醛和2-戊基呋喃在HS-SPME法提取下均检出，与本研究结果一致。

4 结论

以SDE法和HS-SPME法两种萃取方式结合GC－MS对熟化马铃薯挥发性风味物质进行了分析，两种方法共鉴定出53种挥发性风味物质，其中，SDE法鉴定出24种，HS-SPME鉴定出29种，两种方法在提取物质和提取效率上具有差异，HS-SPME法鉴定到的化合物数量较多，特征香气成分的提取效率更高。两种方法共同鉴定物质以醛类为主，被认为是熟化马铃薯的主体风味成分，其中，3-甲硫基丙醛、5-甲基呋喃醛、苯乙醛和壬醛相对含量较高，初步认为是马铃薯的关键香气成分。