HS-SPME和GC-MS联用法对甘薯醋挥发性香气成分的分析

乔羽，王如福*，于迪，邢晓莹，李江涌，张怀敏

（山西农业大学食品科学与工程学院，山西晋中030801）

HS-SPME和GC-MS联用法对甘薯醋挥发性香气成分的分析

乔羽，王如福*，于迪，邢晓莹，李江涌，张怀敏

（山西农业大学食品科学与工程学院，山西晋中030801）

采用顶空固相微萃取和气相色谱质谱联用技术分析了甘薯醋液中的挥发性香气成分。结果表明，从甘薯醋液中检测并鉴定出49种化合物。其中酸类9种（61.96%）、酯类9种（9.89%）、醇类9种（8.98%）、杂环类化合物11种（8.22%）、醛类2种（2.04%）、酚类1种（0.09%）、酮类4种（0.08%）及其他化合物4种（4.72%）。含量较高的乙酸和5-氨基颉草酸、2,3-丁二醇和乙醇、乙酸乙酯和L（-）-乳酸乙酯以及2,3,5,6-四甲基吡嗪是形成甘薯醋风味特征的主要物质。

甘薯醋；顶空固相微萃取；挥发性香气成分

甘薯又名甜薯、地瓜、红薯，其营养丰富，富含淀粉、糖类、蛋白质、维生素、纤维素以及各种氨基酸，是人们日常饮食中备受欢迎的食物之一。近年来甘薯因具有抗癌、抗氧化及增强免疫力等多种保健功能而吸引了科研工作者广泛关注。日本国立癌症预防研究所公布的数据显示，甘薯在20种抗癌食品中排名首位，被誉为“抗癌之王”[1]。此外，甘薯的淀粉含量较高，且含有丰富的营养成分，是酿造食醋的理想原料。以甘薯为原料酿制而成的甘薯醋，其醋中挥发性香味成分是评价甘薯醋品质的重要指标，也是与其他品种食醋相区别的关键。然而，被人熟知的甘薯醋产品相对匮乏，甘薯醋中挥发性香味成分的的研究随之相对较少。

固相微萃取（solid-phase microextraction，SPME）技术，是一种比较成熟的样品前处理技术，具有灵敏度高、成本低、所需样品量少，重现性及线性好等优点，现已广泛应用于提取食品基质中挥发性和半挥发化合物[2-5]，其中顶空固相微萃取法适用于提取含有一定挥发性成分的待测组分，特别是含有高分子质量干扰物的样品[6]。本研究通过采用顶空固相微萃取气质联用（head space-solid phase mi croextraction-gas chromatography-mass spectrometry，HPSPME-GC-MS）法对以甘薯为原料，同大曲共同发酵，并配有特殊的熏醅工艺酿制而成的甘薯醋液易挥发成分进行分析，以期为甘薯醋的香气特征研究提供科学依据，为甘薯醋风味品质的提高提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

甘薯：山西省晋中市祁县地区；大曲：山西某醋厂；NaCl（分析纯）：天津市光复科技发展有限公司。

1.2 仪器与设备

VF-5MS色谱柱（30m×0.25mm×0.25μm）、Varian8400固相微萃取进样器、TRACE-ISQ型气相色谱-质谱联用仪：美国赛默飞世尔科技有限公司；75 μm聚二甲基硅氧烷萃取纤维头（polydimethylsiloxane，PDMS）、20μL顶空进样瓶：美国Supelco公司；BS210S型电子天平：北京赛多利斯天平有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 甘薯醋的制作工艺

操作要点：

原料处理：采用流水洗净新鲜甘薯，去皮切片。将甘薯片平铺在蒸笼上，蒸煮1.5 h。蒸煮后的甘薯片捣碎成浆状。同时将大曲与等质量的温水（25℃）混合后室温放置2 h。

酒精发酵：将大曲与浆状原料混合，加入温水（25℃）搅拌。将混合物置于23～28℃的环境中，敞口发酵3 d，每天早晚搅拌两次，从第4天开始封口发酵12 d。

醋酸发酵：用铁锹将酒醪与麸皮、谷糠、稻壳拌匀，使醋醅的水分含量为60%～65%。醋酸发酵时间控制在10 d左右，每天要对醋醅进行倒缸。定期测量其醋醅的酸含量，直至其含量达到5.0%以上，酸度升高缓慢且醋醅品温逐渐降至35℃以下，即醋酸发酵结束。将60%的醋醅拌入2%的食盐，压实，并在醋醅表面撒上一层食盐。

熏醅：取40%醋醅放入熏醅锅中，熏醅5 d，每天倒醅一次。

淋醋：将下盐3 d后的白醅（没经过熏醅工艺）用沸水浸泡，6 h后，将其置于白淋池中进行淋醋，即为白淋醋。将煮沸后的白淋醋浸泡熏后的醋醅，浸泡6 h后其将其置于熏醅淋池中进行淋醋，过滤所得醋液即为甘薯醋。

1.3.2 挥发性成分风味物质的提取[7-8]

采样前对PDMS、PDMS/DVB和CAR/PDMS/DVB三种萃取头进行测试，选取萃取效果较优的PDMS萃取头插入GC-MS的进样口中，于250℃老化并进行空白实验，直至无色谱峰出现。准确移取5.0 mL甘薯醋样置于20 mL顶空瓶中，加入1 g NaCl溶解，用带有硅橡胶隔垫的瓶盖密封。将进样瓶放入孵化炉，孵化炉搅拌速度100 r/min，孵化温度为45℃保持30 min，将老化的PDMS萃取头插入顶空瓶中，使之与液面保持1.5 cm的距离，推出纤维头顶空吸附40 min。萃取后直接进样，在进样口温度250℃解吸5 min。

1.3.3 GC-MS参数条件[8-9]

色谱条件：VF-5MS色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；载气为氦气（He）；流速：1 mL/min；不分流进样；进样口温度：250℃；程序升温：40℃保持10 min，以5℃/min升至140℃，保持5 min，然后以10℃/min升至230℃，保持15 min。

质谱条件：电子电离（electron ionization，EI）源；接口温度250℃，离子源温度230℃，电子能量70 eV，质量扫描范围为35～500 m/z。

1.3.4 定性与定量分析

通过质谱分析，检索美国国家标准技术研究所（National Institute ofStandardsandTechnology，NIST）谱库进行比对，结合有关文献进行人工谱图解析，确认各易挥发性成分的结构，按峰面积归一化法进行定量分析，计算出各成分相应的相对百分含量。

2 结果与分析

采用HS-SPME和GC-MS联用技术对甘薯醋的易挥发成分进行了分析，甘薯醋液香气成分GC-MS检测总离子流色谱图见图1，甘薯醋各香气成分分析结果见表1。

图1 甘薯醋液香气成分GC-MS检测总离子流色谱图Fig.1 Total ion chromatogram of aroma components of sweet potato vinegar analysis by GC-MS

表1 甘薯醋香气成分分析结果Table 1 Analysis results of aroma components in sweet potato vinegar

续表

由表1可知，在甘薯醋液中一共检测出49挥发性物质，有酸类、醇类、酯类、醛类、酮类、酚类和杂环类化合物等，占总易挥发成分总量的95.22%。其中酸类、醇类、酯类、杂环化合物的种类较多。从风味成分的相对含量分析可知，酸类化合物相对含量中最高，为61.96%，构成了甘薯醋主要风味成分。在甘薯醋中被检测到的其余成分的相对含量分别是醇类8.98%、酯类9.89%、醛类2.04%、酮类0.08%、酚类0.09%、杂环化合物8.22%、其他化合物3.96%。

酸类化合物是醋酸发酵过程中的主要产物，构成了甘薯醋主要的挥发性风味成分，具有明显的呈香呈味作用。在山甘薯醋中检测到酸类化合物9种，从表1可以看出，乙酸是山甘薯醋所有挥发性成分中含量最高的一种化合物，相对含量为54.82%，具有强烈的刺激气味，是甘薯醋的主要呈酸物质；除乙酸外，其他检出的酸类化合物相对含量较小，依次为5-氨基颉草酸（3.87%）、己酸（1.24%）、2-甲基丁酸（1.03%）、正戊酸（0.42%）、异戊酸（0.26%），异丁酸（0.25%）、α-酮戊二酸（0.17%）、庚酸（0.14%）、3-羟基丁酸（0.01%）。其中己酸呈特殊的似干酪和椰子油的香甜气味[10]；2-甲基丁酸呈愉快的水果香气；异丁酸呈强烈的哈败气味和干酪味[10]；正戊酸和异戊酸呈令人不愉快的气味[11]；庚酸呈脂肪样气味。它们和乙酸刺激的尖酸气味相互调和，构成了甘薯醋的主体香味。此外，在甘薯醋中检测到一定量的α-酮戊二酸，α-酮戊二酸是微生物三羧酸循环中重要的代谢中间产物，目前已被开发为膳食补充品，可作为运动营养饮料的成分。

醇类是酒精发酵阶段的主要产物，有9种醇类化合物在甘薯醋中被检测到，分别是异戊醇（0.54%）、3-甲基丁醇（1.02%）、2,3-丁二醇（5.11%）、糠醇（0.10%）、乙醇（1.75%）、1-辛烯-3-醇（0.07%）、芳樟醇（0.06%）、苯乙醇（0.30%）、α-松油醇（0.03%）。异戊醇和3-甲基丁醇都呈令人不愉快的气味；糠醇呈微弱香气，有焦香味；乙醇呈淡淡的醇香和刺激味；苯乙醇是苯丙氨酸经Strecker降解产生醛后进一步还原后生成[12-13]，这种化合物目前已被鉴定为酒中主要的芳香族化合物[14]，呈花香、玫瑰香[15]；松油醇呈海桐花、紫丁香、铃兰等愉快的花香味。

酯类在食醋的香味贡献中起着极为重要的作用，是评价食醋品质的一个重要指标。甘薯醋中检测到9种酯类化合物，乙酸乙酯（很强的酯香、果香）和乳酸乙酯（特殊的朗姆酒、水果和奶油香气）含量相对较高；与乙酸苯乙酯（花香、果香和威士忌酒香气）、乙酸糠酯（果香、药香和辛香）、己酸乙酯（曲香、菠萝香）、3-羟基丁酸乙酯（果香、葡萄香、青香和白酒香）等酯类物质糅合在一起，赋予了甘薯醋的独特风味。酯类主要形成于醋酸发酵阶段，固态醋醅的环境有利于酯类化合物的形成[16]。

醛类、酮类、酚类物质共检测出7种，含量相对较高的有糠醛（甜香、木香和焦糖香气）、苯甲醛（特殊的杏仁味）。糠醛是由五碳糖经微生物发酵生成木糖，木糖再分解为糠醛，也可在高温条件下由Strecker降解反应而来[12]。由于甘薯醋的制作过程中采用了熏醅工艺，长时间的高温有利于糠醛的生成。苯甲醛可能来自苯甲醇的氧化，微生物对苯丙氨酸、酚类物质以及苯乙酸和羟基苯甲酸等物质的作用产生[17]。虽然醛类、酮类、酚类物质种类少，相对含量低，但对甘薯醋的独特风味的形成也有一定的影响。

杂环化合物是在甘薯醋中所检测到种类较多的一类化合物。它们主要是微生物发酵而成，或者是Strecker降解产物缩合和熏醅工艺中的Maillard反应而成[18]。其中四甲基吡嗪（坚果香、可可、花生、咖啡样香气）具有降血压和改善冠心病症状等功能[19]。有研究表明，3-甲基噁唑、吡嗪类和呋喃类物质可能和醋整体的抗氧化活性有关[20-21]。此外在甘薯醋中检测到一定量的胆碱，胆碱是人类食品中常用的添加剂，具有促进脑发育和提高记忆能力，促进脂肪代谢，降低血清胆固醇的功能。这些在一定程度上赋予了甘薯醋的保健价值。

3 结论

本研究采用顶空固相微萃取和气质联用技术对甘薯醋中挥发性成分进行了分析，共检测鉴定出49种成分，酸类9种（61.96%）、酯类9种（9.89%）、醇类9种（8.98%）、杂环类化合物11种（8.22%）、醛类2种（2.04%）、酚类1种（0.09%）、酮类4种（0.08%）及其他化合物4种（4.72%）。通过本研究初步确定酸类化合物、醇类化合物、酯类化合物和杂环类化合物相对含量较高，是构成甘薯醋香气的主体成分。

挥发性成分对甘薯醋气味轮廓的贡献不仅与含量有关，也与其阈值有关，香气活性值（aroma activity value，OAV）更能反映化合物对样品整个气味轮廓的贡献度。下一步可以探究使用气相色谱-嗅闻（gas chromatography-olfactometry，GC-O）技术结合气-质联用（GC-MS）技术的方法，将甘薯醋中的关键气味活性化合物进行定性定量分析。甘薯醋的独特风味是由多种化合物共同作用构成的。由于挥发性香味成分本身为不稳定的微量物质，除受本身特性影响外，甘薯醋的香气成分种类和含量受甘薯品种、发酵工艺、酿造环境等多种因素的影响。因此，研究甘薯醋的主要香气成分及其形成机理，为甘薯醋实际生产中的产品风味分析提供了重要的数据信息和理论依据，为更好地控制影响甘薯醋香气形成的因素，生产出品质优良的甘薯醋产品奠定理论基础。

[1]渠琛玲，玉崧成，付雷.甘薯的营养保健及其加工现状[J].农产品加工，2010（10）：74-76.

[2]KATAOKA H,LORD H L,PAWLISZYN J.Evolution of solid-phasemicroextraction technology[J].J Chromatogr A,2000,880:35-62.

[3]STASHENKO E E,MARTINEZ J R.Sampling volatile compounds from natural products with headspace/solid-phase microextraction[J].J Biochem Biophys Methods,2007,70(2):235-242.

[4]RISTICEVIC S,NIRI V H,PAWLISZYN J,et al.Recent developments in solid-phase microextraction[J].Anal Bioanal Chem,2009,393(3): 781-795.

[5]黄江艳，李秀娟，潘思轶.固相微萃取技术在食品风味分析中的应用[J].食品科学2012，33（7）：289-298.

[6]胡国栋.固相微萃取技术的进展及其在食品分析中应用的现状[J].色谱，2009，27（1）：1-8.

[7]李江涌，王如福，焦玉双.山西老陈醋熏醅前后香气成分的变化分析[J].中国酿造，2016，35（9）：47-50.

[8]郝红梅，张生万，郭彩霞，等.顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用法分析山楂果醋易挥发成分[J].食品科学，2016，37（2）：138-141.

[9]张霁红，张永茂，曾朝珍，等.发酵苹果醋挥发性成分的GC/MS分析[J].酿酒科技，2013（5）：94-96.

[10]解华东，布丽君，李志西，等.岐山高粱醋陈化期香气成分研究[J].西北农林科技大学学报，2008，36（10）：168-172.

[11]张辉，杨慧敏，周文化.椰子果露酒的香气成分分析[J].食品与机械，2014，30（1）：45-50.

[12]孙宗保，赵杰文，邹小波，等.镇江香醋特征香气成分加工过程中的变化和形成机理分析[J].中国食品学报，2010，10（3）：120-127.

[13]王丽丽，任长忠，李再贵，等.传统工艺生产的燕麦醋香气成分分析[J].农产品加工·学刊，2011（1）：68-70.

[14]李弘文，王旭苹，杨小兰.不同熏醅工艺对山西老陈醋香气成分的影响[J].食品科学，2015，36（20）：90-94.

[15]MARA J S,ALVES M A,MARQUES J C.Changes in volatile composition of Madeira wines during their oxidative aging[J].Anal Chim Acta,2006,563(1):188-197.

[16]CHARLES M,MARTIN B,GINIES C,et al.Potent aroma compounds of two red wine vinegars[J].J Agr Food Chem,2000,48(1):70-77.

[17]GENOVESE A,GAMBUTI A,PIOMBINO P.Sensory properties and aroma compounds of sweet Fiano wine[J].Food Chem,2007,103(4): 1228-1236.

[18]黄达明，杨勇，张志才.不同发酵期和陈酿期镇江香醋香气成分的变化[J].中国酿造，2008，27（9）：56-61.

[19]黄群，麻成金，余佶，等.湘西原香醋香气成分的GC-MS分析[J].食品科学，2009，30（24）：260-261.

[20]WANG A,ZHANG J,LI Z.Correlation of volatile and nonvolatile components with the toal antioxidant capacity of tartary buckwheat vinegar: Influence of the thermal processing[J].Food Res Int,2012,49(1):65-71.

[21]朱宏.山西老陈醋挥发性成分和流变性质的研究[D].北京：中国农业大学，2016.

Analysis of volatile aroma components in sweet potato vinegar by HS-SPME and GC-MS

QIAO Yu,WANG Rufu*,YU Di,XING Xiaoying,LI Jiangyong,ZHANG Huaimin
(College of Food Science and Engineering,Shanxi Agricultural University,Jinzhong 030801,China)

The volatile aroma components of sweet potato vinegar were analyzed by HS-SPME and GC-MS.Results showed that a total of 49 compounds were isolated and identified,including 9 kinds of acid compounds(61.96%),9 kinds of ester compounds(9.89%),9 kinds of alcohols (8.98%),11 kinds of phenolic compounds(8.22%),2 kinds of aldehyde compounds(2.04%),1 kind of phenol compounds(0.09%),4 kinds of ketone compounds(0.08%),and other compounds(4.72%).The higher contents of acetic acid,5-aminoacetic acid,2,3-butanediol and ethanol,ethyl acetate andL(-)-ethyl lactate and 2,3,5,6-tetramethylpyrazine were the main compounds of sweet potato vinegar flavor characteristics.

sweet potato vinegar;HS-SPME;volatile aroma components

TS264.2

0254-5071（2017）07-0178-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.07.038

2017-05-02

山西省重点研发项目（2015-TN-10）

乔羽（1991-），女，硕士研究生，研究方向为食品科学。

*通讯作者：王如福（1960-），男，教授，博士，研究方向为发酵食品工艺、果蔬采后生理及贮运技术。