HS-SPME-GC-MS分析马铃薯挥发性风味物质

曾著莉， 魏晋梅， 牛黎莉， 汪 月， 赖兴娟， 张盛贵*

（1.甘肃农业大学 食品科学与工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学研究测试中心，甘肃 兰州 730070）

马铃薯营养价值高，且药用价值广泛[1-3]。马铃薯块茎含有丰富的碳水化合物、蛋白质、纤维素、维生素、18种人体所需的氨基酸、多种微量元素和无机盐[4]。马铃薯蛋白质与动物蛋白质相近，可消化成分高，易被人体吸收[5]。我国启动的“马铃薯主粮化”战略正是基于其优越特性，将马铃薯加工成馒头、面条等多种主食，从而把马铃薯变成继稻米、小麦和玉米之后的第四大主粮[6]。Petersen等[7]研究报道，马铃薯在储存期间几个小时内就会有似纸板般不良的风味产生，降低马铃薯产品的保质期，这一问题在马铃薯食品的气调包装存储时尤为显著，严重影响马铃薯食品的供应。风味作为食品品质的基本评价指标之一，对消费者而言越来越重要[8]，因此有必要对马铃薯的挥发性风味成分进行测定。

目前，国内外已有关于马铃薯挥发性风味物质的初步研究。杨妍等[9]在4℃贮藏24 h的马铃薯泥中检测到81.70%的己醛，较新鲜马铃薯泥中己醛含量高20.31%，表明己醛是马铃薯的重要挥发性物质。Blanda等[10]研究发现煮马铃薯特征挥发性物风味物质的形成与2-戊烯、2-己烯醛、2-庚烯醛、2-戊基呋喃和2-癸烯醛等存在相关性。膨化脱水马铃薯的挥发性风味物质中己醛、2-甲基丙醛和丙酮含量较高[11]，而烤马铃薯的挥发物风味物质包括烃、羧酸、醇、醛和酯等[12]。Deck等[13]在马铃薯片中检测到了2，5-二甲基吡嗪。Oruna-Concha认为不同品种的马铃薯之间风味物质存在差异性，是由于脂质降解反应时脂肪酶的活性和风味物质前体水平存在差异，脂质降解和美拉德反应或糖降解被确定为挥发性风味物质的主要来源[14-15]。但是，将鲜马铃薯、蒸熟马铃薯泥和贮存一段时间的马铃薯泥的挥发性风味物质进行比较的研究鲜有报道。

检测马铃薯挥发性风味物质较早的研究中常用Likens-Nickerson方法[16]，然而，这种方法所需时间较长，并且鲜马铃薯和煮马铃薯挥发性风味物质间的差异很难检测；另一方法是动态顶空取样，该方法要求很长的净化时间（21℃、15 h）[17]或较高的温度（100 ℃、1 h）[18]，2 种方法都使许多不同类型酶解和化学反应发生，而形成了不同的挥发性物质。多年来，Likens-Nickerson方法已经从原始版本进行了许多变化，但基本上是基于在高温条件下将挥发性化合物的蒸汽蒸馏，所需时间比较长[19-21]，而这个过程可能导致形成新的挥发性风味物质。1990年，Arthur和Pawliszyn引入顶空固相微萃取 （HSSPME）法替代动态顶空（DH）技术，可作为色谱分析之前的样品富集方法，这种方法已被应用到各种食品的风味分析[22-23]，与动态顶空法相比它表现出更好的精度、准确度和重复性[24]。

本文作者采用HS-SPME-GC-MS法测定鲜马铃薯、蒸熟马铃薯泥和60℃保温3 h的马铃薯泥的挥发性风味物质。通过比较不同处理马铃薯主要挥发性风味物质，初步分析风味物质的生成途径，探讨导致风味变化的原因，旨在为马铃薯的生产加工提供科学基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

陇薯3号，甘肃省田地农业科技有限责任公司提供；Agilent 6890N-5973N气相色谱-质谱联用仪（GC-MS），美国 Agilent公司产品；75 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取头，美国SUPELCO公司产品；HWS-12型数显恒温水浴锅，上海一恒科学仪器有限公司产品；FA2004B型分析天平，上海越平科学仪器有限公司产品。

1.2 方法

1.2.1 样品制备 鲜马铃薯的制备：称取新鲜、无病害的马铃薯约1000 g，清洗，去皮，切成1 mm厚的碎粒，混匀，称取10 g置于150 mL顶空瓶中，30 min内进行分析。

马铃薯泥的制备：称取新鲜、无病害的马铃薯约1000 g，清洗，常压下蒸煮30 min，使其充分熟化，并快速制泥，取10 g马铃薯泥装入150 mL的顶空瓶中，30 min内进行分析。

60℃保温3 h马铃薯泥的制备：称取新鲜、无病害的马铃薯约1000 g，清洗，常压下蒸煮30 min，使其充分熟化，并快速制泥，取新鲜马铃薯泥10 g放入150 mL顶空瓶中，置于60℃的恒温水浴锅内3 h后进行GC-MS检测。

1.2.2 SPME程序 将装有样品的样品瓶在40℃恒温水浴预热25 min，将萃取头插入瓶中吸附1 h，取出萃取头后插入GC-MS进样口，解析10 min[25]。

1.2.3 GC-MS分析 色谱条件：色谱柱为OV 1701柱（60 m×0.25 mm×0.5 μm）；起始温度 70 ℃，保持10 min，然后以 2.0℃/min升到 100℃，接着以5.0℃/min升到220℃，保留5 min；进样口温度250 ℃；载气为 He，流速 1 mL/min；分流比 10∶1。

质谱条件：电离方式为EI，电子能量70 eV，离子源温度为230℃，四级杆温度150℃；质量扫描范围 50～450 m/z。

1.2.4 数据处理 定性：化合物经计算机检索与NIST 05质谱库进行对比，仅报道匹配度大于800（最大值为1000）的鉴定结果；定量：采用面积归一化法计算各组分的峰面积相对百分含量。

2 结果与讨论

2.1 鲜马铃薯挥发性风味物质

鲜马铃薯的风味成分经GC-MS分析，共得到70个峰（见图1），经鉴定得到 30种化合物（见表1），包括碳氢化合物、醇类、醛类、酮类、酯类、酚类和呋喃类。其中碳氢化合物相对含量最多，包括4种烷烃 （37.86%），2 种烯烃 （7.13%）；5 种醛类（20.49%）；9 种醇类 （15.57%）；2 种酯类化合物（11.94%）；3种呋喃化合物 （2.86%）；2种酮类化合物（2.57%）和3种酚类化合物（1.59%）。由此可见烃类、醇类和醛类是鲜马铃薯中的主要挥发性风味物质。

鲜马铃薯中相对含量较高的挥发性风味物质依次是甲基环戊烷（25.74%）、2-甲基丁醛（8.96%）、3-甲基苯酚甲酯（8.95%）、2-甲基-2-丁烯（7.07%）、正己烷（5.86%）、正戊烷（5.93%）、己醛（5.27%）、2-甲基丁醇（3.14%）、异戊醛（3.47%）、水杨酸甲酯（2.99%）、 正戊基呋喃 （2.50%）、1-辛烯-3-醇（2.42%）、1-戊烯-3-酮 （2.29%） 和反-2-辛烯醛（2.21%）。

图1 鲜马铃薯挥发性风味物质GC-MS总离子流色谱图Fig.1 Total ion current chromatography of volatile compounds in fresh potato

表1 鲜马铃薯中挥发性物质Table 1 Volatile compounds in fresh potato

2.2 蒸熟马铃薯泥挥发性风味物质

蒸熟马铃薯泥的风味成分经GC-MS分析，共得到70个峰（见图2），经鉴定得到31种化合物（见表2）。包括醛类、醇类、呋喃类、碳水化合物、酮类、酚类、酯类和甲硫化合物。其中醛类化合物相对含量最多，包括19种，占总检出物质98.172%；3种醇类 （0.654%）；4种呋喃化合物 （0.574%）；2种烯烃（0.322%）；2种酮类化合物（0.141%）；1种酚类化合物（0.068%）；1种酯类化合物（0.045%）和1种甲硫基化合物（0.023%）。由此可见醛类、呋喃类和醇类是马铃薯泥中的主要挥发性风味物质。

图2 蒸熟马铃薯泥香气成分GC－MS总离子流色谱图Fig.2 Total ion current chromatography of volatile compounds in potato puree steamed

表2 蒸熟马铃薯泥中挥发性物质Table 2 Volatile compounds in potato puree steamed

蒸熟马铃薯泥中相对含量较高的挥发性风味物质依次是己醛（88.92%）、戊醛（3.437%）、（Z）-2-庚烯醛（2.077%）、壬醛（0.748%）、丙醛（0.696%）、1-戊醇 （0.363%）、2-乙基呋喃 （0.288%）、癸醛（0.240%）和 2-戊基呋喃（0.228%）。

2.3 60℃下保温3 h的马铃薯泥挥发性风味物质

60℃下保温3 h马铃薯泥的风味成分经GCMS分析，共得到70个峰（见图3），经鉴定得到37种化合物（见表3），括醛类、醇类、呋喃类、碳水化合物、酮类、酚类、酯类和甲硫化合物。其中包括18种醛类化合物，占总检出物质98.228%；3种醇类（0.339%）；4 种呋喃化合物 （0.672%）；1 种烯烃（0.019%）；1 种烷烃 （0.008%）；5 种酮类化合物（0.525%）；3种酚类化合物（0.093%）；1种酯类化合物（0.008%）和1种甲硫基化合物（0.110%）。由此可见醛类、呋喃类和醇类是60℃下保温3 h马铃薯泥中的主要挥发性风味物质。

60℃下保温3 h马铃薯泥中相对含量较高的挥发性风味物质依次是己醛 （89.461%）、戊醛（1.469%）、（Z）-2-庚烯醛（2.819%）、壬醛（0.309%）、1-戊醇（0.181%）、2-戊基呋喃（0.420%）、2-乙基呋喃（0.201%）和癸醛（0.062%）。

图3 60℃下保温3 h马铃薯泥香气成分GC－MS总离子流色谱图Fig.3 Total ion current chromatography of volatile compounds in potato puree stored at 60℃for 3 h

表3 60℃下保温3 h马铃薯泥中挥发性物质Table 3 Volatile compounds in potato puree stored at 60℃for 3 h

续表3

有研究表明，蒸煮后的马铃薯不良风味大多在前4 h产生（60℃下放置）[7]，试验中为了得到马铃薯的自然风味物质，样品处理时不添加任何其他物质，为避免挥发物的浓度降低，选择30 min内和60℃保温3 h后测定。蒸熟马铃薯泥和60℃下保温3 h马铃薯泥中有27种相同的挥发性风味物质，而马铃薯泥与鲜马铃薯之间的挥发性风味物质存在较大的差异。Galliard发现熟马铃薯泥和鲜马铃薯的挥发性风味几乎完全不同，本试验结果与此结论一致。鲜马铃薯的脂氧合酶（LOX）含量非常高，其催化不饱和脂肪酸氧化[26]。这些反应在细胞被破坏时发生[27]，例如通过去皮或切割，可能产生了一些有效的芳香化合物[28]。煮马铃薯时，虽然外层的酶已经被灭活，但在冷的中心层和热的外层之间的受损组织区中酶促反应仍然发生[17]。Petersen[7]研究发现新鲜和蒸煮马铃薯中共有28种挥发性风味物质，并得出结论：煮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Strecker降解反应[29]。Morris研究认为核糖核酸、糖、脂质和氨基酸是鲜马铃薯挥发性风味主要前体物质[30]。而烹饪中风味前体物质因发生美拉德反应生成的RNA降解产物、脂质及糖等对挥发性风味起关键作用[31]，这与Oruna-Concha的研究结果极为相近，Oruna-Concha还发现蒸煮时马铃薯块茎组织被逐步加热，为脂氧合酶（LOX）促使的脂质氧化提供了充足条件。故其脂质衍生的风味包含热降解和酶氧化2种产物[15]。Josephson[32]也认为，多种脂类物质的氧化共同形成风味物质。1-戊烯-3-酮[33]、2-戊基呋喃[34]和1-戊醇[35]在鲜马铃薯的挥发性风味物质中浓度较高，它们是由脂氧合酶引发反应的产物，本文结论与此研究结果一致。Petersen[36]研究表明鲜马铃薯和煮马铃薯共有乙醇、己醛和（E）-9-十八烯，此结果与本文结论略有差异，可能是原料的品种、地域和测定方法的不同引起的。Solms认为马铃薯风味化合物含量和感官品质与品种、栽培条件、贮藏条件及加工方法等有关，表现出基因型特异性[37]。

早期的研究认为煮马铃薯泥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，甲硫基丙醛拥有温和的香气，通常被描述为煮马铃薯稀释液的风味，是马铃薯重要的挥发性化合物[38]，与本文结论一致。试验中鲜马铃薯中未检测出庚烯醛，Petersen认为低浓度的庚烯醛 （0.1~0.4 ppb）呈现出类似煮马铃薯的特征挥发性风味，特别是冷的煮马铃薯中，高浓度的庚烯醛（大于0.7 ppb）会使新鲜马铃薯泥出现明显陈腐风味，戊醛、己醛、壬醛、（E）-2-辛烯醛、（E，E）-2，4-庚二烯醛、（E）-2-壬烯醛、（E，E）-2，4-壬二烯醛、（E，E）-2，4-癸二烯醛对蒸煮马铃薯的不良风味产生潜在的作用，因此，脂质氧化产生的醛类与蒸煮马铃薯不良风味有关[7]。

Galliard等[39]研究发现马铃薯中亚油酸和亚麻酸的质量分数分别占总脂肪酸的51%~60%和13%~24%。在煮马铃薯时因为较高的温度会加速亚油酸或亚麻酸自动氧化反应的进程[40]。亚油酸经氢过氧化物裂解酶（HPL）作用产生氢过氧化物，氢过氧化物进一步分解为己醛（13-氢过氧化物产生）和2，4-癸二烯醛（9-氢过氧化物产生）[41]。Josephson等[17]采用动态顶空技术分析了煮马铃薯的挥发性风味物质，发现含有较高的2，4-癸二烯醛的逆羟醛缩合反应产物己醛和（E）-2-辛烯醛，煮后马铃薯细胞破碎后由不饱和脂肪酸的脂氧合酶引发该反应。此外，Josephson发现蒸煮马铃薯的挥发性物质中，己醛含量增加，而 2，4-癸二烯醛和（E）-2-辛烯醛下降，这些变化是由于降解反应，其中2，4-癸二烯醛首先分解为（E）-2-辛烯醛，其随后转化为己醛。本研究发现醛类占总化合物的比重最大，蒸熟马铃薯泥样为98.172%，60℃下保温3 h马铃薯泥为98.228%，其中己醛的相对含量最高，分别为88.92%和89.461%；2，4-癸二烯醛的相对含量分别为0.046%和 0.086%；（E）-2-辛烯醛的相对含量分别是0.926%和1.409%，因此己醛对马铃薯泥的特征风味形成起主要作用，这一结论与Josephson的结论一致。 由于 2，4-癸二烯醛的阈值（0.07 μg/kg）较己醛（4.5 μg/kg）低得多[42-43]，所以虽然相对含量较低，但对马铃薯风味影响显著。

Blanda[10]研究表明马铃薯的特征挥发性风味物质还与戊烯、己醛、庚醛、戊基呋喃和存在相关性。而芳香族化合物可能是由还原糖降解产生的，含量较少，但有些是形成杂环化合物的重要中间体，对马铃薯挥发性物质形成起到不可忽视的作用。脂降解产生的酯类化合物含量较低，一般认为对马铃薯泥挥发性物质无特殊贡献[15]。

3 结语

本试验在鲜马铃薯中鉴定得到30种挥发性风味物质，其中碳氢化合物最多，包括4种烷烃，2种烯烃。鲜马铃薯中起主要作用的挥发性风味物质烃类、醇类和醛类，其中甲基环戊烷相对含量较高，占总检出物的25.74%。在蒸熟马铃薯泥和60℃下保温3 h的马铃薯泥中分别得到31种和37种化合物，其中醛类化合物最多，分别为19种和18种，其相对含量分别为98.172%、98.228%。其中最主要醛是己醛，分别占总检出物的88.92%和89.461%。醛类、呋喃类和醇类是马铃薯泥中的主要挥发性风味物质。鲜马铃薯和蒸熟马铃薯泥中的风味物质存在很大差异。