基于SPME-GC-MS萃取荸荠挥发性风味物质研究

李官丽，伍淑婕，罗秀娟，林亚南，黎小椿*，罗杨合，*

（1.贺州学院食品科学与工程技术研究院，广西 贺州 542899；2.广西科技大学生物与化学工程学院，广西 柳州 545006）

我国荸荠的产量占全球95%以上。因荸荠的外形和颜色像马蹄，在广西和广东等地称之为马蹄。荸荠果肉脆嫩多汁，清甜可口，具有独特的清香风味[1-2]。食品风味常靠感官评价，但感官评价极易受品评员感情、情绪和偏好的影响[2-3]。因此，采用现代仪器分析方法分析荸荠风味物质，可将抽象的感觉量化为相关数据，对研究荸荠独特风味具有重要意义。目前，挥发性风味物质提取技术主要有同时蒸馏萃取法（simultaneous distillation extraction，SDE）[4]、溶剂萃取法（solvent extraction，SE）[5]、动态顶空制样法（dynamic headspace sampling，DHS）[6]、固相微萃取法（solid phase microextraction，SPME）[7]等。SPME 是目前应用最广泛的样品前处理技术，具有简便、快速、高效、绿色环保等优点。SPME萃取头状表面涂渍一层具有吸附剂的熔融高分子聚合物，涂层材料的种类、厚度对萃取效果影响很大，故需要通过优化萃取条件来尽可能吸附更多的物质[6-7]。固相微萃取结合气相色谱-质谱技术（solidphase microextraction combined with gas chromatography-mass spectrometry，SPME-GC-MS） 可实现对复杂样品或多组分混合物中未知样品的定性定量分析，具有可靠、灵敏度高、无需溶剂、更接近样品真实性等特点，已成为各种领域挥发性风味物质分析的必备检测手段[8-9]。本文采用SPME-GC-MS优化荸荠挥发性成分萃取方法，并结合气味活度值确定荸荠主要挥发性风味物质，为我国特色农产品荸荠风味研究提供重要参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

荸荠（桂蹄2号，产自广西贺州）：市售，挑选新鲜、无腐烂、无病虫害、大小均匀为试验材料；2，4，6-三甲基吡啶（98.0%）：上海甄准生物科技有限公司；氦气（纯度≥99.999%）：贺州华嗵实验仪器贸易有限公司。

1.2 仪器与设备

MR Hei-Tec（CN）磁力搅拌器：德国 Heidolph 公司；JJ 1000型电子天平：常熟市双杰测试仪器厂；PTX-FA110S电子天平：美国康州HZ电子科技有限公司；TRACE 1300-ISQQD GC-MS联用仪：美国Agilent公司；固相微萃取手动进样手柄、20 mL固相微萃取顶空瓶、50/30 μmDVB/CAR/PDMS Gray（二乙烯基苯/碳分子筛/聚二乙基硅氧烷）萃取头、85 μm PA White（聚丙烯酸酯）萃取头、100 μm PDMS Red（聚二乙基硅氧烷）萃取头、75 μm CAR/PDMS Black（碳分子筛/聚二乙基硅氧烷）萃取头、65 μm CAR/PDMS Blue（碳分子筛/聚二乙基硅氧烷）萃取头：美国Supelco公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

将新鲜荸荠洗净、削皮后用破碎机破碎30 s，迅速称取一定量样品置于20 mL顶空瓶中，封口，将老化好的萃取头置于转速为100 r/min的恒温磁力搅拌器中萃取，萃取结束后立即插入GC-MS联用仪解吸。每组样品3个平行。

1.3.2 SPME萃取条件的优化

1.3.2.1 单因素试验

以新鲜荸荠为原料，选取对萃取效果影响较大的因素，进行单因素试验。以化合物含量和总峰数为主要考察指标，研究萃取头（50/30 μm DVB/CAR/PDMS Gray、85 μm PA White、100 μm PDMS Red、75 μm CAR/PDMS Black、65 μm CAR/PDMS Blue）、萃取温度（50、60、70、80、90 ℃）、萃取时间（30、35、40、45、50 min）、解吸时间（1、2、3、4、5 min）、样品量（3、4、5、6、7 g）对萃取效果的影响。考察某一单因素时，其他固定条件：萃取头 65 μm CAR/PDMS Blue、萃取温度 60℃、样品用量5 g、萃取时间为40 min、解吸时间为3 min。

1.3.2.2 正交试验设计

综合单因素试验结果，选择萃取温度、萃取时间、样品量、解吸时间设计四因素三水平L9（34）正交试验，确定SPME分离富集挥发性成分的条件。

表1 正交试验因素水平Table 1 The factors and levels of orthogonal experiments

1.3.3 SPME-GC-MS分析条件

SPME条件：萃取头在使用前应在GC进样口老化一定时间（65 μm CAR/PDMS Blue萃取头在280℃老化35 min，85 μm PA White萃取头在 280℃老化 60 min，50/30 μm DVB/CAR/PDMS Gray萃取头在270℃老化30 min，100 μm PDMS Red、75 μm CAR/PDMS Black 萃取头分别在250℃老化30 min）。

GC条件：色谱柱为TG-5MS型色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；进样口温度为 250℃；载气为高纯He（纯度≥99.999%）；流速为 1.000 mL/min；分流方式：不分流进样；程序升温：初始温度45℃，保持2 min，以4℃/min上升到250℃，保持3 min。

MS条件：电离方式为电子轰击（elector ionization，EI）模式；电离能量70 eV；离子源温度230℃；接口温度280℃；扫描方式为全扫描监测模式，质量扫描范围3 m/z～500 m/z。

1.4 定性与定量分析

定性方法：挥发性气味物质采用Xcalibar软件进行分析，将检测到的质谱信息与Library-Mainlib标准普库相匹配，仅报道正反匹配度均超过800或有一个超过900（最大值为1 000）的挥发性风味物质。

定量方法：参考程华峰等[10]的方法采用内标法定量，以 2，4，6-三甲基吡啶作内标物，按式（1）计算各挥发性物质的含量。

式中：V1为挥发物的峰面积；V2为内标的峰面积；0.2为内标的含量，μg。

1.5 气味活度值评价方法

采用气味活度值（odor activity value，OAV）评价各化合物对总体风味的贡献[11-12]，通过式（2）计算OAV。

式中：C为挥发性风味物质的浓度，ng/g；T为挥发性风味物质的气味阈值，ng/g。

1.6 数据处理

采用Origin8.5及SPSS20.0软件进行数据处理和绘图，采用Excel 2016软件对荸荠中挥发性物质测定结果进行分析。

2 结果与分析

2.1 荸荠挥发性物质萃取条件优化

2.1.1 固相微萃取头对萃取效果的影响

萃取头是固相微萃取装置的核心部件。根据相似相溶原理，萃取头富集能力的差异取决于涂层的极性、厚度和挥发性物质的极性、沸点和分配系数等因素，选择合适的萃取头可富集更多挥发性物质[13]。PA型萃取头适宜极性半挥发性化合物，DVB/CAR/PDMS型萃取头对非极性和混合极性化合物富集能力较强，PDMS型萃取头对非极性挥发性物质萃取效果较好，CAR/PDMS型萃取头对小分子化合物萃取效果较好[14-15]。当萃取温度60℃、萃取时间40 min、解吸时间3 min、样品量5 g时，不同型号萃取头对荸荠挥发性物质萃取效果见图1。

图1 萃取头对荸荠挥发性物质萃取效果的影响Fig.1 Effect of extraction head on the extraction effect of volatile substances from CWC

从化合物含量来看，65 μm CAR/PDMS Blue萃取头所得到挥发性物质含量最多，其余依次为85 μm PA White、100 μm PDMS Red、75 μm CAR/PDMS Black、50/30 μm DVB/CAR/PDMS Gray。从总峰数来看，65 μm CAR/PDMS Blue＞85 μm PA White＞50/30 μm DVB/CAR/PDMS Gray ＞100 μm PDMS Red ＞75 μm CAR/PDMS Black。由此可知，65 μm CAR/PDMS Blue型萃取头吸附荸荠挥发性物质种类和含量最多，故选取85 μm CAR/PDMS Blue萃取头进行检测。

2.1.2 萃取温度对萃取效果的影响

萃取温度对目标物的萃取效果具有双重影响。在一定范围内，温度升高挥发性物质的分子运动速率加快，使其在两相中迅速达到平衡，可有效提高萃取效率。但SPME是一个放热过程，长时间高温萃取会使固定相发生分解，从而降低固定相与样品的分配系数，影响萃取头对目标化合物的吸附。因此，选择合适的萃取温度可有效提高后续分析的灵敏度[16]。萃取温度对荸荠挥发性物质萃取效果的影响见图2。

图2 萃取温度对荸荠挥发性物质萃取效果的影响Fig.2 Effect of extraction temperatures on the extraction of volatile compounds from CWC

由图2可知，当选择65 μm CAR/PDMS Blue萃取头、萃取时间40 min、解吸时间3 min、样品量5 g时，随着萃取温度的升高，挥发性物质总峰数和含量先呈递增趋势，当达到80℃时化合物含量和总峰数基本趋于稳定。虽然90℃时挥发性物质总峰数略有增加，但温度过高会使部分不稳定物质发生异构化或降解，不能较好反映荸荠的真实风味特征。此外，高温会缩短萃取头使用寿命[17]。综合考虑，选取80℃作为最佳萃取温度。

2.1.3 萃取时间对萃取效果的影响

当气固两相达到吸附与解吸动态分配平衡时，固相微萃取有最大吸附量。萃取时间是指两相达到平衡时所需的时间[14]。萃取时间对荸荠挥发性物质萃取效果的影响见图3。

图3 萃取时间对荸荠挥发性物质萃取效果的影响Fig.3 Effect of extraction time on the extraction of volatile compounds from CWC

由图3可知，当选择65 μm CAR/PDMS Blue萃取头、萃取温度80℃、解吸时间3 min、样品量5 g时，在25 min～30 min内挥发性物质含量和总峰数略有下降，到30 min～35 min内挥发性物质含量和总峰数呈急剧增加趋势，35 min时达到最大值，说明此时萃取头已达到饱和状态。继续延长萃取时间，会导致某些不稳定化合物从萃取头解吸，反而使荸荠挥发性物质含量和种类呈下降趋势[18]。综合考虑，选取35 min为最佳萃取时间。

2.1.4 解吸时间对萃取效果的影响

解吸时间对萃取头的解吸程度和萃取效果影响较大。若解析时间过长，萃取头在高温下使用寿命缩短，导致大量硅氧化物脱落降低目标物含量，影响检测效率。反之则可能导致解吸不完全而污染下一个样品的分析检测，影响分析结果的准确性[19-20]。解吸时间对荸荠挥发性物质萃取效果的影响见图4。

图4 解吸时间对荸荠挥发性物质萃取效果的影响Fig.4 Effect of desorption time on the extraction of volatile compounds from CWC

由图4可知，当选择65 μm CAR/PDMS Blue萃取头、萃取温度80℃、萃取时间35 min、样品量5 g时，解吸时间为2 min时荸荠挥发性物质含量和总峰数达到最大，随后两者均在减小，说明此时已基本上完全解吸，故选取2 min作为最佳解吸时间。

2.1.5 样品量对萃取效果的影响

样品量对荸荠挥发性物质萃取效果的影响见图5。

图5 样品量对荸荠挥发性物质萃取效果的影响Fig.5 Effect of sample amount on the extraction of volatile compounds from CWC

由图5可以看出，当选择65 μm CAR/PDMS Blue萃取头、萃取温度80℃、萃取时间35 min、解吸时间2 min时，样品量在3 g～7 g内荸荠的挥发性物质含量与总峰数整体上随着样品量的增大呈先升后降的变化趋势，当样品用量为5 g时达到最大值，继续增加样品量则出现下降趋势。这是因为样品量过多时，一方面会使样品受热不均匀萃取头无法过量吸附，另一方面萃取头容易接触到样品造成污染[21]。故选取样品量为5 g较为适宜。

2.2 正交试验结果与分析

正交试验结果如表2所示。

表2 正交试验结果及极差分析Table 2 Orthogonal test results and range analysis

由表2可知，以荸荠中挥发性物质的总峰数和化合物含量为评价指标时，各因素主次顺序均为萃取温度＞萃取时间＞样品量＞解吸时间，因此选择D因素作为误差进行方差分析。从表3可知，萃取温度、萃取时间对总峰数和化合物含量均具有显著性影响（P＜0.05），对统计学有重要意义；但是样品量对结果的影响不显著（P＞0.05），无统计学意义。

表3 方差分析结果Table 3 Results of analysis of variance

将最优组合A2B3C1D3、A2B3C1D1与正交试验（表2）中萃取效果最好的第6组（A2B3C1D2）试验结果进行比较验证，得到最优组合A2B3C1D1总峰数为65，化合物含量464.10 ng/g，均比A2B3C1D3（总峰数为62，化合物含量421.36ng/g）组合和A2B3C1D2（总峰数为64，化合物含量430.24ng/g）组合的总峰数和化合物含量大，最终确定的最优组合为A2B3C1D1，即选用萃取温度为80℃，萃取时间为40 min，样品量为4 g，解吸时间为1 min。

2.3 荸荠挥发性成分分析

根据上述所得最优萃取条件，对荸荠挥发性物质进行分析，所得色谱峰分离效果良好，结果见图6。

图6 荸荠挥发性成分总离子流图Fig.6 Total ion flow of volatile components of CWC

通过SPME-GC-MS分析得到的荸荠挥发性物质共65种，其中烃类化合物种类最丰富，共检出19种（含量20.64%），其次是醇类13种（含量18.42%）、醛类12种（含量 38.68%）、酯类 10种（含量16.28%）、其他类6种（含量3.73%）、酸类3种（含量1.70%）、酮类2种（含量0.55%）。由此可见，醛类化合物含量最高。

荸荠挥发性物质SPME-GC-MS分析结果见表4。

表4 荸荠挥发性物质SPME-GC-MS分析结果Table 4 SPME-GC-MS analysis results of the volatile substance of CWC

续表4 荸荠挥发性物质SPME-GC-MS分析结果Continue table 4 SPME-GC-MS analysis results of the volatile substance of CWC

醛类主要来源于脂肪的氧化降解，主要呈现花香、脂香及果香味。在所检测到的挥发性成分中含量高且嗅觉阈值极低，对荸荠总体风味有重要贡献[10]。由表4可见，本文共检测到12种醛类，其中含量最高的壬醛是油酸氧化产物，占挥发性物质总含量的17.50%，其气味阈值为1 μg/kg，具有令人愉快的花香、果香和清香，但也常被认为是土腥味的重要成分。含量第二高的癸醛具有浓郁的水果香气、甜香气以及花香，其气味阈值较低，为2 μg/kg，对荸荠风味有重要的贡献。此外，（E，E）-2，4-壬二烯醛、反式-2-癸烯醛含量也较高，分别呈现明显的脂肪香气、肉香味的气味[10]，对荸荠的风味有较大贡献。

烃类被认为不具有香气的化合物，且其气味阈值较高，对风味的贡献较小[21]，但也有少量烯烃或芳香族化合物除外。如在荸荠中检出含量较高的D-柠檬烯、柠檬烯环氧化物，它们属于单环单萜类化合物，具有典型的新鲜橙子香味和柠檬香味[22]，对荸荠的香气有一定的贡献。

酯类主要由游离脂肪酸和脂肪醇经酯化形成，主要呈现脂香、芳香的气味，但其气味阈值较高，对荸荠总体风味贡献不大[22]。在荸荠中检测到含量较高的原膜散酯主要呈现甜香味，含量第二高的棕榈酸乙酯具有奶油香、脂香味，但棕榈酸乙酯的气味阈值较高，为1 500 μg/kg[11]，因此其对荸荠风味影响不大。

醇类来源于脂肪酸氧化，气味阈值一般为500μg/kg～20 000 μg/kg[23]，但 1-辛烯-3-醇较为特殊，它是亚油酸的氢过氧化物降解产物，其阈值仅为1 μg/kg，表现出类似蘑菇香气和泥土的气味，对荸荠总体风味具有重要贡献[24]。其他含量较高的醇类物质如正辛醇、1-壬醇、E，E，Z-1，3，12-癸三烯-5，14-二醇，主要呈现脂香、青草香、花香，但它们阈值较高对荸荠风味贡献不大。

酸类和酮类物质气味阈值均明显高于同分异构体的醛类，对风味物质的影响较小。其中，香叶基丙酮主要贡献独特的蜡味、木香和热带水果香，但其气味阈值较高，对荸荠风味影响不大[25]；酸类化合物是醛进一步氧化的产物，且其气味阈值较高，对荸荠整体的挥发性风味有微弱的调节作用[23]。

醚类、呋喃类、酚类物质是美拉德反应的产物，这些化合物的存在会使荸荠的风味更加浓郁、饱满[25]。六氢-4，6，6，7，8，8-六甲基-环戊并[G]-2-苯并吡喃赋予荸荠浓郁的果香味，辛基十四烷基醚通常也呈现出令人愉悦的香甜味，4-乙烯基-2-甲氧基苯酚主要贡献木香、焦香以及烟熏味，1，2-苯异噻唑具有清香、坚果香、烤香、蔬菜香，但它们含量较低，对荸荠风味贡献不大。甲氧基-苯基肟具有霉味、肉香味，有文献指出甲氧基苯基等苯类物质是从受污染的环境中富集而来，表明荸荠生长环境对其风味也有一定的影响[23]。

2.4 荸荠特征挥发性风味物质分析

食品的特征风味是由挥发性物质在风味体系中的含量与气味阈值共同决定[11]。一般认为，OAV≥1，说明该物质对总体风味有重要贡献，在一定范围内其值越大表明该化合物对整体风味的贡献越大；0.1＜OAV＜1，说明该物质对总体风味有修饰作用[11，26]。通过查阅相关书籍和文献[16-19，22-27]共找到17种挥发性气味阈值，通过公式（2）求出各挥发性气味物质的OAV值，结果见表5。

表5 荸荠挥发性成分的气味活度值Table 5 Odor activity value of the volatile components of CWC

由表 5 可知，（E，E）-2，4-壬二烯醛在荸荠样品中的OAV值最大，为253.67，具有肉香、烤香[24]，对荸荠样品的香气贡献最大。其次，壬醛、癸醛、反式-2-癸烯醛在荸荠样品中的OAV值也较大，主要呈现青草味、甜香味和典型的水果香气[10]，对荸荠特征风味具有重要贡献。2-十一烯醛、正己醛、十二醛、1-辛烯-3-醇这4种香气物质在荸荠样品中1＜OAV＜10，主要呈现清香、脂香、蘑菇香气以及柑橘香味[26-28]，对荸荠样品的香气具有重要贡献。0.1＜OAV＜1的有5种，分别是反-2-辛烯醛、十一醛、苯乙醛、正辛醇、D-柠檬烯，说明这些挥发性物质对荸荠香气有一定的修饰作用。综上所述，荸荠的特征挥发性风味物质为（E，E）-2，4-壬二烯醛、壬醛、癸醛、反式-2-癸烯醛，它们共同赋予新鲜荸荠特有的清香和果香。

3 结论

本研究基于SPME-GC-MS技术分析荸荠的最优SPME 参数：65 μm CAR/PDMS Blue萃取头，萃取温度为80℃，萃取时间为40 min，样品量为4 g，解吸时间为1 min。在此最优条件下检出65种化合物，其中烃类最多，为19种（含量20.64%），其次是醇类13种（含量18.42%）、醛类12种（含量38.68%）、酯类10种（含量16.28%）、其他类6种（含量3.73%）、酸类3种（含量1.70%）、酮类2种（含量0.55%）。可见，醛类化合物含量最高，达到38.68%，表明醛类是荸荠主要香气成分。通过计算OAV值确定荸荠的特征挥发性风味物质为（E，E）-2，4-壬二烯醛、壬醛、癸醛、反式-2-癸烯醛，它们共同赋予新鲜荸荠特有的清香和果香。