用HS-SPME/GC-MS法分析3种不同类型山药的香气成分

韩 伟，杨晨晔，王 宁，汪佳蕾，庄义庆

（江苏省农业科学院 中心实验室，江苏 南京 210014）

山药为薯蓣科多年生缠绕性藤本薯蓣的干燥根茎，通常分为食用和药用两大类，是一种重要的滋补食品和许多中药的主要原料［1］。据记载，全世界山药品种有600余种［2］，而我国约有55种［3］，广泛分布于东北、华北、华中、西南等地区，并形成了许多地方品种，如白山药、铁棍山药、水山药、野山药、紫山药等。野山药又叫日本薯蓣，其提取物DHEA是合成人体激素的重要底物，属于天然的植物源性甾体激素［4］。紫山药，又名紫莳药，属于山药中紫红肉品种群，其含丰富的花青素［5］，相比白山药，它富含更多的营养成分。紫山药的粗蛋白平均含量为13.82 %，高于白山药的9.22 %，且紫山药富含有益于人体的Se元素，Mg、Zn、Ca、Cu等微量元素的含量均高于白山药［6］。山药不仅含有淀粉、蛋白质、脂肪酸、微量元素等营养成分［7］，还富含皂苷、多糖、尿囊素等活性成分，具有调节血糖、抗氧化、提高免疫力等功效［8-10］。

目前，品质育种是作物优良品种选育的方向之一，其中香味是风味品质构成的重要指标之一，对香气成分的分析能客观地反映不同山药的香味特点。香味研究通常应用顶空固相微萃取结合气相色谱─质谱技术（HS-SPME/GC-MS），HSSPME作为一种挥发性成分测定的常用方法，其与GC-MS联用集萃取、解析、进样和检测于一体，具有方便、快速、灵敏度高、无需溶剂等优点［11］。该技术在肉类、蔬菜、水果、菌类和茶叶、花卉等园艺作物的香气研究中被广泛应用［12-17］，为本研究的开展提供了技术基础。然而目前对山药香味的研究还比较薄弱，特别是对国内常见的不同类型山药的香味比较研究还未见报道，不利于山药的品质育种特别是风味育种的发展。只有充分了解不同类型山药的香气挥发成分的组成和含量，才能夯实山药风味研究的基础工作。因此，本文以来自不同产地的紫山药、野山药和白山药作为研究对象，采用HS-SPME结合GC-MS对其挥发性成分进行了分离鉴定，并对比分析了品种之间的差异，以期为深入了解山药的营养价值及开发深加工食品，筛选优良山药品种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料及仪器

紫山药：采自浙江瑞安；白山药：采自浙江台州；野山药：采自河南温县。将样品粉碎后，经过100目筛于70 ℃下烘干至恒重，储于干燥器中备用。手动SPME进样器，萃取纤维头为70 μm PDMS/DVB（聚二甲氧基硅烷/二乙烯基苯），购自Supelco公司；TSQ8000EVO气相色谱—质谱联用仪，购自Thermo Fisher公司；HH-4数显恒温水浴锅购自国华电器有限公司；电热鼓风干燥箱购自上海精宏实验设备有限公司；顶空采样瓶购自安捷伦公司。

1.2 试验方法

1.2.1 样品制备 取2.0 g样品放入20 mL顶空瓶中，再加3 mL饱和氯化钠溶液，迅速密封，将顶空瓶放进恒温水浴锅中，将固相微萃取进样针插入顶空瓶中，于60 ℃水浴中萃取1 h后取出，立即插入气质联用仪进样口中，解析3 min。

1.2.2 GC-MS分析条件 气相色谱条件：色谱柱为TG-5MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm）弹性石英毛细管柱；载气为高纯氦气（纯度99.999%）；载气流速为1.2 mL/min；采用不分流进样；进样口温度为250 ℃；程序升温：初始温度40 ℃保持1 min，然后以6 ℃/min升到280 ℃，保持5 min。

质谱条件：离子源为EI源，传输线温度：280℃；离子源温度：300 ℃；电子能量：70 eV；扫描范围（m/z）：40～550 amu，采用全扫描采集模式。

1.3 数据处理

定性分析：通过Xcalibur工作站与NIST 17质谱库提供的标准质谱图对照，统计匹配度大于800的成分作为鉴定结果。

定量分析：利用NIST谱图库数据处理系统按峰面积归一化法进行定量分析，求得各化合物在山药挥发性成分中的百分含量。

2 结果与分析

2.1 SPME采集条件的选取

SPME采集效率的影响因素有萃取时间、萃取温度和解析时间。萃取时间和萃取温度会影响挥发性化合物的释放和总丰度，而解析时间会影响方法的灵敏度。

2.1.1 萃取时间 挥发性化合物在纤维上的吸附是一个动态平衡过程，是样品、顶空和纤维三者之间的平衡［19］，当三者达到动态平衡时才会有最大吸附量。研究表明，随着平衡时间的延长，释放出的挥发性化合物种类和总丰度都会增加。当吸附量达到饱和时，增加就变得缓慢。通过多次试验，选取60 min为山药样品的最佳萃取时间。

2.1.2 萃取温度 研究表明，在水浴100 ℃范围内，当温度升高时，SPME萃取能力增强，释放出来的挥发性化合物种类和总丰度会随之增加；但温度过高时，会使萃取头的分配系数降低，吸附量减小［18］。通过多次试验，选取60 ℃为山药的最佳萃取温度。

2.1.3 解析时间 研究表明，解析时间会影响方法的灵敏度，解析时间过短会污染下一个样品，而解析时间过长会影响萃取头的使用寿命。选取最佳解析时间非常重要，通常解析时间为2～5 min，峰数和主峰面积会不断增加，3 min后，峰数变化不大，故选取3 min为最佳解析时间。

2.2 山药中的挥发性成分

利用顶空固相微萃取结合气相色谱─质谱方法对3种山药的挥发性成分进行了分析比较，分别测得了白山药、野山药和紫山药的总离子流色谱图（图1）。按照上述条件对3种山药样品进行测定，不同类别的山药在挥发性成分组成上基本相同，但是在含量上存在较大差别。检测出的主要挥发性成分及相对含量见表1。

图1 3种山药挥发性成分总离子流色谱图

表1 山药各类挥发性成分及相对含量

2.2.1 挥发性成分构成特征 对各类化合物分析得到，白山药、野山药和紫山药中鉴定出的化合物种类相同，共含有31种挥发性成分，其中醇类18种、烃类8种、酸类1种、酯类1种、酚类1种、醌类1种、醛类1种。其中烃类化合物占整个挥发性化合物比例最大，相对含量白山药为36.73%，野山药为43.48%，紫山药为35.95%；山药中有着更多含量的醇类化合物，白山药为35.41%，野山药为20.63%，紫山药为33.67%；苯甲醛是山药挥发性醛类的主要成分，其相对含量白山药为15.44%，野山药为10.42%，紫山药为16.09%，它们与酯类共同构成山药香味的重要因素。除烃类化合物外，山药中质量分数超过1%的有苯甲醇，相对含量白山药为21.13%，野山药为4.87%，紫山药为18.98%；2-丁基-1-辛醇相对含量白山药为2.73%，野山药为3.30%，紫山药为2.67%；2-乙基-2-丙基-1-己醇相对含量野山药为1.21%；2，2-二甲基-1-辛醇相对含量野山药为1.18%；4-乙基-1-辛炔-3-醇相对含量野山药为1.00%；2-辛基-1-十二醇相对含量野山药为1.13%，紫山药为1.02%；2，4，7，9-四甲基-5-癸炔-4，7-二醇相对含量白山药为2.80%，野山药为1.46%，紫山药为2.85%；乙酸相对含量白山药为9.47%，野山药为21.92%，紫山药为11.39%；苯甲醛相对含量白山药为15.44%，野山药为10.42%，紫山药为16.09%，这些是构成山药的主要成分。

2.2.2 挥发性成分含量差异 山药挥发性香气组分对比见图2，3种类型山药的香气组分中均以烷烃占主导位置，其中十一烷相对含量白山药为21.52%，野山药为24.10%，紫山药为21.65%，以紫山药中含量最多。通常，少量的烷烃具有令人愉悦的青草芳香味，但总体阈值较高，赋予的香味值会较少［20］。醇类是山药中又一类重要化合物，在鉴定出的醇类化合物中，苯甲醇相对含量白山药为21.13%，紫山药为18.98%，而在野山药中仅为4.87%，含量偏低。芳香族类化合物具有幽雅的水果香、花香和甜香，香味较为突出，具有香气阈值低和难挥发的特点［21］。此外，乙酸相对含量白山药为9.47%，紫山药为11.39%，而在野山药中含量最多，达21.92%，可见野山药的酸味更显著。

图2 3种山药挥发性香气组分对比

3 结论

本实验通过HS-SPME/GC-MS技术对3种不同类型山药中的挥发性成分进行了分析，共鉴定出挥发性化合物31种，3种山药中的挥发性成分种类基本相似，但其主要挥发性成分和含量存在差别。苯甲醇在野山药中的含量低于白山药和紫山药，而乙酸在野山药中的含量高于白山药和紫山药。苯甲醇和苯甲醛可能是山药香气的主要贡献化合物。后续在山药香味育种过程中，可以把主要香味物质的含量作为参考指标进行品种选育及资源筛选，进一步分析某些特征香味物质的代谢分子基础，结合基因编辑和分子标记方法，调控其化合物含量，从而实现山药香味特征的改变。本研究结果可为后续山药香味特征的研究及品质育种提供参考。