基于气相色谱-离子迁移谱的不同加工工艺紫薯风味特性

李盼盼，庞林江，吴列洪，王芳，程林润，张富仙，陆国权*

(1.浙江农林大学 农业与食品科学学院，浙江 杭州 311300； 2.浙江省农业科学院 作物与核技术利用研究所，浙江 杭州 310021； 3.宁波市农业科学研究院，浙江 宁波 315040； 4.金华市农业科学研究院，浙江 金华 321017； 5.衢州市农业科学研究院，浙江 衢州 324000)

紫薯又名黑薯，旋花科番薯属植物，薯皮呈紫黑色，薯肉呈紫色至深紫色，富含花青素等活性物质，深受消费者欢迎，可通过烤、蒸、煮等方式食用[1]。不同的加工方法赋予紫薯不同的口感和风味，紫薯风味物质的差异是区分紫薯不同加工产品质量特征的重要指征[2-3]。国外关于紫薯风味物质的研究较多，但国内相关研究甚少。随着生活水平的提高，人们对紫薯感官品质的要求也越来越严格，芳香浓郁、口感好的紫薯产品更受消费者欢迎。风味物质具有不稳定性[4]，极易受到环境因素的影响，因此，紫薯产品风味物质的形成会因加工方式不同而产生差异[5]。

以往关于紫薯风味物质的研究大多基于气相色谱、气质联用的方式开展。气相色谱-离子迁移谱(GC-IMS)是一种用于分析样品中挥发性化合物的检测方法。该方法利用气相色谱突出的分离特点，对样品进行预先分离，使混合物成为单一组分后再进入IMS检测器进行检测。GC-IMS技术发挥了气相色谱的高分离性和离子迁移谱的高灵敏性，产生长处相互叠加的分析效果，具有分析快速、操作简单、灵敏度高等优点[6]，克服了传统气质联用技术在测定挥发性组分上的缺陷。

以浙紫薯3号为试验材料，采用GC-IMS技术，分析经不同工艺加工后紫薯风味物质种类和含量的变化，以鉴定紫薯特征风味物质，构建指纹图谱，为紫薯加工后风味品质的损耗与调控机理研究提供基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

供试材料浙紫薯3号由浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所提供。供试仪器为FlavourSpec®气相离子迁移谱联用仪(德国G.A.S.)。

1.2 检测条件

顶空孵化温度80 ℃，孵化时间15 min，孵化转速为500 r·min-1。载气为氮气，载气程序是在20 min内从初始2 mL线性上升到150 mL，IMS温度为45 ℃。色谱柱柱温60 ℃，运行时间20 min，进样针温度85 ℃，进样体积500 μL。

1.3 样品处理

新鲜紫薯洗净，分别经烤、蒸、煮、榨汁工艺处理，相应编号为Z0、Z1、Z2、Z3。将各紫薯样品破碎后，分别称取2 g，置于20 mL顶空瓶中，80 ℃孵育15 min，进样500 μL。

1.4 软件分析

FlavourSpec®仪器配套的分析软件包括LAV(Laboratory Analytical Viewer)和3款插件，以及GC-IMS Library Search，可以从不同角度对样品进行分析。使用LAV查看分析图谱，对挥发性有机物进行定量分析；使用Reporter和Gallery Plot插件对样品三维图谱和指纹图谱进行差异分析；使用Dynamic PCA插件开展动态主成分分析；使用GC-IMS Library Search软件内置的NIST数据库和IMS数据库对物质进行定性分析。

2 结果与分析

2.1 气相离子迁移谱分析

如图1所示，水平方向表征离子迁移时间，竖直方向表征气相色谱保留时间。在反应离子峰(RIP峰)两侧的每一个点代表一种挥发性有机物，颜色代表物质的浓度，白色表示浓度较低，红色表示浓度较高，颜色越深表示浓度越大。从图1可以直观看出，烤紫薯的挥发性有机物较多，蒸、煮紫薯的气相离子迁移谱相似，而紫薯汁的挥发性有机物较少。

图1 经不同加工处理的紫薯气相离子迁移结果

2.2 紫薯中挥发性有机物的定性分析

进一步运用G.A.S.公司的内置NIST气相保留指数数据库与IMS迁移时间数据库资料，根据挥发性物质气相色谱保留时间和IMS迁移时间对挥发性组分进行定性分析，共定性检出24种挥发性物质(表1)，包括醛类化合物6种，占25.00%；酮类化合物4种，占16.67%；醇类化合物9种，占37.50%；酯类化合物2种，占8.33%；烃类化合物1种，占4.17%；杂环类化合物2种，占8.33%。由此可见，紫薯中的挥发性有机物主要是醇、醛，及酮类化合物。

紫薯中含有大量的碳水化合物。紫薯熟化过程中产生挥发性成分的主要途径就是碳水化合物的热降解，其中，美拉德反应和焦糖化反应是重要的热降解反应[7-8]。醇类化合物是甘薯挥发性组分中的一类重要化合物，由图2可直观看出，加工紫薯中醇类化合物含量最丰富的是糠醇、1-辛烯-3-醇、2-己醇。醇类物质在感官分析上具有较高的阈值，一般认为来自于脂肪氧化[9]，可以产生特殊芳香味。醛类化合物来自氨基酸代谢或脂肪酸氧化[10]。加工紫薯中的醛类化合物主要有丙醛、3-甲基丁醛、苯甲醛、苯乙醛。酮类化合物有丙酮、2-丁酮、2,3-丁二酮，酮类挥发性有机物主要来自脂肪氧化和美拉德反应[11-12]，对紫薯呈香具有辅助作用。加工紫薯中的酯类、烃类和杂环类化合物的含量相对较少，主要有乙酸丁酯、2-甲基丁烷、2-乙酰噻唑，其中，酯类物质来自氨基酸、糖与脂质生物合成的前体物质，主要是乙酸丁酯；烃类物质主要来自脂肪酸烷氧自由基的均裂，是形成杂环类呈味物质的中间体[13]，主要有2-甲基丁烷；杂环类化合物主要是2-乙酰噻唑。这些都是重要的食品呈味物质，具有强烈的果香味，对紫薯的香味形成具有积极作用。

表1 紫薯样品挥发组分的定性结果

化合物序号同表1。图2 紫薯的气相离子迁移谱图定性结果

2.3 紫薯中挥发性有机物指纹图谱对比

从图3可以看出每种样品的完整挥发性有机物信息和样品之间挥发性有机物的差异。观察不同加工紫薯的挥发性有机物指纹图谱可以发现，烤紫薯的挥发性有机物较多，图中A区域的风味物质在Z0中的浓度远远大于其他样品，可作为特征物质用于辨别烤薯，其风味物质主要有2-乙酰噻唑、1-辛烯-3-醇、2-甲基丁烷等。烤紫薯中的呈味物质主要是醇类，缺少酮类、醛类及酯类风味物质，可能是因为烤紫薯的加工温度直接影响了紫薯内的酶促反应[14-15]，进而影响了挥发性风味组分在定性、定量上的差异。蒸薯与煮薯的风味物质相似，图中B区域的风味物质在Z1中的浓度远远大于其他样品，可作为特征物质用于辨别蒸薯。煮薯的风味物质含量较少，可能是因为薯块在水中加热时抑制了与风味物质合成有关的酶的活性，使酶催化下形成香气物质的过程不能进行[16]，因而不具有特征风味。紫薯汁的挥发性有机物与其他样品明显不同，图中C区域的风味物质浓度在Z3中的浓度远大于其他样品，可作为特征物质用于辨别紫薯汁，其风味物质主要是乙酸丁酯，因而紫薯汁具有类似水果的清香味。

图3 不同工艺加工的紫薯中挥发性有机物的指纹

3 讨论

GC-IMS 作为一种新的联用技术，充分发挥了GC的分离效率和IMS灵敏度的优势，可用于食品、农产品中挥发性痕量有机成分的检测，且具有无需样品前处理、操作简单、快速无损的优点。本试验采用G.A.S.公司的FlavourSpec®气相离子迁移谱联用仪，在未进行样品前处理的前提下，直接孵化4个加工紫薯样品，顶空进样后快速检测挥发性有机组分，通过自身携带的功能软件可给出样品的气相离子迁移谱图，可直观看出紫薯样品指纹图谱间的差异。采用气相色谱-离子迁移谱联用技术检测经不同工艺加工的紫薯中风味物质的差异，共定性识别出24种挥发性物质，包括醇类、醛类、酮类、酯类、烃类和杂环类，以醇类、醛类和酮类化合物为主。加工紫薯风味物质的形成与美拉德反应、焦糖化反应等热降解反应有关。由加工后紫薯的挥发性有机物指纹图谱分析可知，焙烤后紫薯的风味物质较多，蒸紫薯和煮紫薯的风味物质相似，紫薯汁有其特有的风味物质。找出经不同工艺加工的紫薯中风味物质的差异，在实际生产中结合感官评价选择具体的紫薯加工工艺，可进一步优化工艺条件，实现不同的成香目标，从而达到紫薯产品的最佳风味品质效果。