不同品种甘薯香味组分差异性分析

李 臣 王永徐 邱天越 叶夏芳 崔 鹏 陆国权

(浙江农林大学农业与食品科学学院；浙江省农产品品质改良技术研究重点实验室；浙江农林大学薯类作物研究所1，临安 311300)(江苏徐淮地区徐州农业科学研究所；农业部甘薯生物学与遗传育种重点实验室；江苏徐州甘薯研究中心2，徐州 221131)

甘薯[Ipomoeabatatas(L.)]，旋花科植物，是我国重要的粮食作物、饲料作物、工业原料及新能源作物[1]。近年来，随着育种方向的改变，培育出许多专用型品种[2-7]。甘薯品质的提高也引起育种工作者的关注。香味作为甘薯品质的重要评价指标，直接影响甘薯的消费量和产品加工。早在20世纪80年代，美国相关学者就对甘薯香味作出相关研究，发现淀粉、蛋白质等不溶于甲醇和二氯甲烷的组分是甘薯香味形成的重要底物[8]，同时发现甘薯香味的形成涉及美拉德反应、焦糖化反应、脂类和类胡萝卜素降解以及糖苷萜类的热释放以及部分酶促反应等途径[9]，进一步分析甘薯挥发性香味组分，发现麦芽酚、苯乙醛、香叶酸甲酯的香味稀释因子最大[10]，是甘薯香味的重要组分。而国内相关研究起步较晚，研究内容较少，针对不同品种对香味的影响主要集中在玉米[11]、花生[12-13]、稻米[14-15]、南瓜[16]等农作物。本研究以不同加工型甘薯为实验材料，比较分析其香味组分的变化，旨在寻找甘薯营养成分与香味组分的相关性，探索甘薯香味组分的品种间差异，为甘薯传统和分子育种提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本实验选取12个不同类型甘薯品种，见表1。

表1 甘薯品种来源及品种特性

1.2 实验设计

2016年4月1日将参试品种薯块统一置于浙江农林大学平山实验基地智能温室大棚育苗床消毒基质中，进行排种育苗。6月23日分别剪取20～25 cm、健壮甘薯苗进行扦插。试验地为校外山坳实验基地，具体土壤性状：pH=5.36，有机质3.00%，水解氮含量224.48 mg/kg，速效钾含量45.90 mg/kg，有效磷含量220.73 mg/kg；气象条件：总降水量916.70 mm，总积温3 161.20 ℃，总地温3 732.50 ℃，总日照长度703.90 h。种植采取单行高垄，垄宽50 cm，垄高30 cm，沟宽30 cm，株距30 cm。分小区种植，小区内各品种随机区组排列，每小区每个种植10株，小区面积23.4 m2，重复3次，以心香做保护行。10月23日统一收获，每小区随机收取5株，共15株。收获后将薯块分级处理，选取中等大小薯块进行各试验指标测定和样品制作。

1.3 样品制备

粉样制备：选取3～5个中等大小，完整无损薯块，洗净晾干，用切片机切成0.5 cm薄片，迅速用液氮浸泡，待冷冻透彻，转移到冷冻干燥机中，-60～-80 ℃冷冻干燥，再用锤式旋风磨磨粉，过80目筛，装入自封袋，于-10 ℃冰箱内保存，待用。

鲜样制备：选取3个中等大小，完整无损薯块，洗净晾干，切成0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm的薯丁，混匀，装入烧杯中，用封口膜密封，随切随用。

风味测定样品制备：取3个中等大小完好无损薯块，洗净晾干，用铝箔纸包裹密封，置于烤箱中，上温250 ℃，下温200 ℃，烘烤45 min，待薯块完全烤熟后，将3个薯块混合均匀，取4.00 g薯泥放入20 mL萃取瓶中，进行香味物质测定，随烤随测。

1.4 测定指标与方法

干率测定：80 ℃烘干法；淀粉含量测定采用酸解DNS法；还原糖含量测定采用DNS比色法；可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝G-250染色法；氨基酸含量测定采用茚三酮显色法；类胡萝卜素含量测定参照NYT 1320—2007[17]；粗脂肪含量测定参照GBT 5512—2008[18]；香味组分测定：采用顶空固相微萃取技术(HS-SPME-GC-MS)测定。测定程序：萃取头的老化：第一次使用时，将50 μm DVB/CAR/PDMS复合萃取头在250 ℃气相色谱进样口老化30 min。萃取条件：将装有甘薯样品的萃取瓶放置在自动进样器上，孵化温度70 ℃，顶空吸附萃取时间50 min，待结束后，250 ℃解吸附5 min，同时启动仪器收集数据。气相色谱条件：HP-5MS色谱柱(30.0 m×250 μm×0.25 μm)；载气为氦气，流速1.0 mL/min，进样方式自动进样，进样口温度250 ℃，接口温度250 ℃。程序升温过程：程序升温过程：起始温度为50 ℃，保持2 min，；以20 ℃/min升温速率升至110 ℃保持1 min；以5 ℃/min升温速率升至250 ℃保持2 min；以30 ℃/min升温速率升至280 ℃保持1 min。质谱条件：电离方式为EI；电子能量为70 eV；离子源温度为250 ℃；全扫描模式(SCAN)。

1.5 主要仪器设备

Agilent Technologies 7000 GC/MSTiple Quad三重四级杆气质联用仪；50/30μm DVB/CAR/PDMS StableFlex/ss(1 cm)萃取针头；GAMMA1-16LSC冷冻干燥机；T6-新世纪紫外分光光度计。

1.6 数据处理

采用Excel 2007进行数据整理，SPSS 17.0进行数据分析，Originpro 8.5进行作图。香味组分经GC-MS分离鉴定，通过计算机检索与NIST 98质谱库标准质谱图对照匹配，匹配度大于80(最大100)的结果予以确定。用峰面积归一化法计算相对含量。

2 结果与分析

2.1 不同品种甘薯品种主要营养成分差异分析

实验对不同甘薯品种的各营养成分进行测定。见图1，12个不同类型甘薯品种干率分布范围在28.15%～36.04%，不同品种之间干率差异性达到显著水平(P<0.05)，淀粉型品种普遍高于其他类型品种。干基淀粉含量变幅在61.91%～74.50%，而不同甘薯品种生薯还原糖含量，变化范围在0.52%～1.88%，不同品种之间甘薯还原糖含量存在显著差异(P<0.05)。生薯可溶性蛋白含量变化幅度在5.42～14.35 mg/g，浙薯20生薯可溶性蛋白含量显著高于其他品种。不同甘薯品种生薯氨基酸含量差异较大。生薯类胡箩卜素含量品种间变范围为0.51～10.46 mg/100 g，鲜食型甘薯生薯类胡萝卜素含量显著高于淀粉型。不同甘薯品种生薯粗脂肪含量存在显著差异(P<0.05)。不同甘薯品种烘烤熟化后，干基淀粉含均呈现降低趋势。还原糖含量均呈升高趋势。可溶性蛋白含量熟化后呈现显著下降趋势，且下降幅度较大，主要由于可溶性蛋白受热分解。熟化后氨基酸含量升高，农林54熟化氨基酸含量升高幅度最大，但浙薯13和浙紫薯3号熟化后氨基酸含量却呈现降低变化，这种变化可能与可溶蛋白分解与氨基酸参与美拉德反应有关。不同甘薯品种类胡萝卜素含量均呈现降低趋势。

注：不同小写字母表示P<0.05水平上差异显著。

2.2 不同品种甘薯品种香味组分差异分析

通过气相-质谱联用测定了甘薯烘烤熟化后的香味组分，将香味物质分为芳香族类、醛类、烯类及萜烯类、醇类、烷烃类、酮类、呋喃、吡喃及肼类等7类。芳香族和呋喃化合物可能是由细胞间还原糖降解产生的，芳香族化合物含量较少，但其是形成杂环化合物的重要中间体，对香味的形成起到至关重要作用[19]；醛类一般具有奶油、脂肪、香草以及清香等气味，其风味阈值较低[20]；酮类物质主要来自于脂肪氧化和美拉德反应，其阈值远高于其同分异构体的醛类，一般认为对风味贡献不大，主要对其他风味物质起辅助作用[21]；醇类物质，在感官分析上具有较高的阈值，但其香气活性值(OAV)值均较低，一般认为来自于脂肪氧化[21]；烷烃类化合物主要来自脂肪酸烷氧自由基的均裂产生，其阈值较高[22]；而呋喃类化合物，如2-正戊基呋喃主要来自美拉德反应、氨基酸和硫胺素的降解反应[23]。各香味组分相对含量如表2所示，不同品种甘薯的芳香族类变化范围在0.88%～11.06%，徐薯22芳香族类相对含量最高，浙薯20其相对含量最低。醛类的变化范围在2.33%～12.47%,心香醛类的相对含量最高为12.47%，农林54其醇类相对含量最低。烯类及萜烯类在甘薯香味组分中所占的比例最大，变化范围在14.84%～64.96%，不同品种之间变化幅度较大，浙紫薯1号烯类及萜烯类相对含量显著高于其他品种，为64.96%，而浙薯20期相对含量最低。浙紫薯3号最高，徐薯22醇类相对含量最低，而浙薯20和商薯19未检测出醇类。甘薯香味烷烃类相对含量变化幅度为0.41%～5.54%，淀粉类甘薯品种浙薯20、浙薯75、徐薯22以及商薯19显著比其他类型甘薯品种较高，分别相对含量为5.54%、1.83%、1.46%和2.85%。而淀粉型甘薯品种其酮类相对含量显著低于其他类型品种，其中浙薯20、浙薯75以及商薯19未检测出酮类，徐薯22酮类相对含量为0.10%。呋喃、吡喃及肼类变化范围为1.83%～9.25%，广薯87和农林54在检测过程中未检出。

表2 不同品种甘薯熟化后香味组分相对含量

对香味物质进一步分析结果如表3，12个甘薯品种香味组分中存在5种共有组分，分别为苯乙醛、苯甲醛、葵醛、β-愈创木烯和石竹烯。根据前人研究表明苯乙醛为甘薯重要的香味组分[10]，在12个不同类型品种中，心香苯乙醛相对含量最高为7.68%，浙薯20的相对含量最低，为0.20%。而苯甲醛不同品种间的变化幅度为0.47%～4.76%，相对含量最高为徐薯22，浙薯70次之，浙紫薯1号相对含量最低。葵醛的相对含量变化范围在0.59%～3.48%之间。而β-愈创木烯和石竹烯相对含量变化范围分别为0.11%～8.51%和0.05%～2.23%，农林54的β-愈创木烯相对含量最高，浙薯259 β-愈创木烯相对含量最低；浙薯70石竹烯相对含量最高，而商薯19其相对含量最低。

表3 不同品种甘薯熟化后香味共有组分相对含量

2.3 营养成分与香味组分相关性分析

为了研究甘薯熟化前后主要营养成分的变化与甘薯烘烤熟化香味组分的相关性，分别对营养成分和甘薯香味组分和香味共有组分进行相关性分析，结果如表4和表5所示，甘薯干率与烘烤熟化后香味组分的芳香族类呈显著正相关性，同时生薯的氨基酸含量与醇类存在显著正相关性，其他营养成分与甘薯香味组分相关性较差。进一步对甘薯香味共有组分进行相关性分析，发现甘薯生薯淀粉含量与β-愈创木烯呈现显著负相关，而熟薯类胡萝卜素含量与其呈极显著正相关，相关系数为0.735。同时，生薯粗脂肪含量与石竹烯相对含量呈现显著负相关，但熟薯粗脂肪含量分别于苯乙醛和葵醛呈现显著负相关和显著正相关。粗脂肪的变化量与苯乙醛相对含量呈现极显著负相关。结果表明，甘薯营养成分与甘薯熟化后香味组分或香味共有组分存在显著相关性。

表4 干率及营养成分与甘薯香味组分相关性分析

表5 各营养成分与甘薯香味共有组分相关性分析

对甘薯营养成分变化量进行系统聚类分析，结果如图2，聚类分析将12个不同类型甘薯品种分为3类：浙紫薯1号、浙薯75、广薯87、农林54、浙薯13、徐薯22、浙薯259、商薯19为第一类；浙薯70、浙紫薯3号、心香为第二类；浙薯20为第三类。此外，将甘薯熟化后香味组分进行主成分分析，得到三个主成分，按照三个主成分将不同类型甘薯品种进行散点聚类，结果如图3，不同甘薯品种被分为4类：浙紫薯1号、浙薯75、广薯87、农林54、浙薯13、徐薯22、浙薯259、商薯19为第一类；浙紫薯3号、心香为第二类；浙薯20为第三类；浙薯70为第四类。将两种聚类结果进行比对发现，不同甘薯品种分类具有显著相似性，说明甘薯营养成分变化量与甘薯熟化后香味组分变化存在显著相关性。

经过对不同品种甘薯营养成分变化量进一步主成分分析，提取3个主成分，解释77.55%的总方差。对营养成分变化量主成分分析成分矩阵进行分析，结果如表6所示，淀粉变化量对主成分1的贡献率最大，系数为0.869；氨基酸变化量对主成分2的贡献率最大，系数为0.680；而脂肪变化量对主成分3贡献率最大，系数为0.645，类胡箩卜素变化量次之，系数为0.601。结果表明，淀粉变化量、氨基酸变化量及脂肪变化量对甘薯香味组分变化贡献最大。淀粉、氨基酸以及脂肪分别为美拉德反应与脂肪热降解的底物，进一步证明美拉德反应与脂肪热降解是甘薯香味形成的重要途径。

图2 甘薯营养成分变化量聚类分析

图3 甘薯香味组分散点聚类分析

表6 营养成分变化量主成分分析成份矩阵

3 讨论

甘薯的营养成分含量品种间差异较大，不同营养成分品种间变异系数存在差异，干率、淀粉、粗蛋白等变异系数在20%，而粗脂肪、还原糖变异系数超过50%[24]。同时，甘薯烘烤熟化后，各营养成分的品种间变化量也有所不同。根据Wang 等[10]对甘薯烘烤香味形成途径的相关研究发现，甘薯香味的形成涉及美拉德反应、焦糖化反应、脂类和类胡萝卜素降解以及糖苷萜类的热释放等途径，其中美拉德反应和焦糖化反应起到最主要的作用。因此，涉及上述反应的相关营养成分的变化会直接影响甘薯香味物质的形成。本试验发现，淀粉、可溶性蛋白含量、类胡萝卜素含量，在烘烤熟化后均呈现下降趋势，且品种间变化量存在差异，但还原糖含量呈现上升趋势；在烘烤熟化后，粗脂肪、氨基酸含量品种间变化趋势存在降低和上升两种趋势，可能与不同品种基因型差异有关。氨基酸变化趋势可能与可溶性蛋白受热分解和参与美拉德反应相关。同时，前人研究发现麦芽酚、苯乙醛、香叶酸甲酯等香气释放因子最大，是甘薯重要香味组分[10]。但本研究在所有甘薯品种中仅发现苯乙醛为所有甘薯共有香味组分，麦芽酚和香叶酸甲酯均未检测出，通过对甘薯取样、烘烤方式以及香味测定仪器和程序等比较，发现在甘薯样品烘烤、取样以及香味测定等方面均存在不同，可能导致结果不同。

4 结论

本研究结果表明，甘薯烘烤熟化后，香味组分品种间存在差异，不同加工类型之间也存在差异，淀粉型甘薯醇类和酮类相对含量少于其他类型。除此，同种加工类型的甘薯品种间也存在差异性。同时，试验发现甘薯的干率与芳香族相对含量呈现显著相关性，生薯氨基酸含量也与醇类存在显著相关性，粗脂肪以及类胡萝卜素变化量等均与甘薯香味共有组分存在显著或极显著相关性，说明甘薯生薯各营养成分以及其熟化后的变化量对甘薯香味组分均存在影响。根据主成分分析和聚类分析也进一步证明这一结论。在今后甘薯育种和产品加工时，可根据控制和调节甘薯各营养成分的变化量调控甘薯熟化后的香味组分的变化，对甘薯产业发展和育种具有重要指导意义。