马铃薯(Solanum tuberosum L.)别名土豆、洋芋等,全球年产量约3.7亿t,据统计马铃薯全球食用人群超过了10亿[1]。随着马铃薯“主粮化”战略的提出[2],马铃薯加工产品品质特性备受关注,尤其是马铃薯产品的风味品质直接影响其适口性和消费者的可接受性[3]。
目前马铃薯加工产品品类中,薯条、薯片、薯泥是生产与消费的主导类型,这些大多采用油炸和蒸煮的方式加工,随着消费需求的多元化和相关生产加工技术与设备的改进,开发更多元、更健康、风味及营养更丰富的马铃薯食品,成为了马铃薯食品开发的新趋势[4]。“炕洋芋”是土家族传统美食,特别是在以湖北恩施为中心的武陵山区享有盛誉,因其焦香可口,软糯香甜,在当地深受大众喜爱。“炕”是湖北西部地区的方言,是介于煎与炸之间的一种特殊烹饪方式,有生炕和熟炕两种,熟炕是首先将马铃薯煮制半熟,再用少量油炕熟的加工方式[5],因其品质易控而被广泛采用。
马铃薯的品种差异和栽培方式会影响其风味组成[6]。如DUCKHAM等[7]测定了11种烘烤马铃薯的风味,发现脂肪降解和美拉德反应产生的风味物质分别占总产量的22%～69%和28%～77%,并且品种间化合物的产量和相对气味活度值(relative odor activity value,ROAV)差异会导致感知风味的差异。李凯峰等[8]测定了7个品种马铃薯空气炸制风味,发现华颂7号香味更加浓郁,冀张薯12号烘烤风味最为明显。
马铃薯是湖北省主要粮食作物,鄂西山区的马铃薯产量占湖北省种植面积的3/4以上,当地独特的地理资源禀赋,形成了“恩施土豆”等区域农产品公用品牌,2019年“恩施土豆”入选地理标志保护产品和国家地理标志证明商标,被授予“最受消费者喜爱的中国农产品区域公用品牌”[9],但不同品种的“恩施土豆”加工产品的风味特性尚不清晰。因此,本文以恩施地区15种马铃薯为材料,按照传统熟炕工艺加工,利用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用(headspace solid-phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry,SPME-GC-MS)和气相离子迁移谱(gas chromatography-ion mobility spectrometry,GC-IMS)[10]2种分析技术,对熟炕马铃薯的挥发性成分进行定性定量检测,确定对熟炕马铃薯产香贡献显著的物质,利用主成分和聚类分析探究品种对熟炕马铃薯挥发性成分的影响,从而为马铃薯选种、特色鲜明的马铃薯产品的加工提供科技支撑。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
鄂薯3(e3)、鄂薯5(e5)、中薯5(z5)、鄂薯6(e6)、鄂薯7(e7)、鄂薯8(e8)、鄂薯10(e10)、鄂薯11(e11)、鄂薯12(e12)、鄂薯13(e13)、鄂薯14(e13)、鄂薯16(e16)、鄂薯17(e17)、Mira、南中110(n110),由湖北省恩施州南方马铃薯研究中心的种植基地提供;菜籽油,金龙鱼醇香菜籽油。
正构烷烃(C7～C30)、内标物2-甲基-3-庚酮(色谱级标准品),Sigma-Aldrich公司;氯化钠、无水硫酸钠(分析纯),国药集团化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
手动SPME进样器、65 μm PDMS/DVB纤维头,美国 Supelco 公司;HWS12 电热恒温水浴锅,上海恒科学仪器有限公司;6890-5973 气质联用仪,美国 Agilent 公司;BS224S 电子天平,北京赛多利斯科学仪器有限公司;FlavourSpec®风味分析仪,山东海能科学仪器有限公司;PGR-10-AS超纯水设备,武汉品冠仪器设备有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 不同品种熟炕马铃薯的制备
马铃薯去皮,切成均匀20 mm×10 mm×15 mm的块状,锅中加入蒸馏水,水沸腾后放入块状马铃薯,煮制5 min后取出沥水,取直径28 cm的平底锅,倒入菜籽油约30 mL,油起泡时放入马铃薯炕制20 min至金黄色即可,中间注意要不断翻动马铃薯,放凉备用。
1.3.2 不同品种熟炕马铃薯的GC-MS测定
1.3.2.1 SPME-GC-MS分析
首先将65 μm PDMS/DVB纤维萃取头插入GC-MS进样口老化30 min,进样口温度为250 ℃。取3 g样品,研磨均匀,加入1 μL质量浓度为0.020 4 g/mL的2-甲基-3-庚酮内标液置于15 mL顶空萃取瓶中[11],加入质量分数为10%的NaCl溶液,1.5 g无水Na2SO4,立即用聚四氟乙烯/硅橡胶隔垫密封。将顶空瓶置于50 ℃恒温水浴锅中平衡20 min后推出已老化好的萃取纤维头吸附50 min,待萃取完成后,于GC-MS进样口解析5 min,每组试验重复3次。
色谱条件:色谱柱为DB-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)石英毛细管柱,载气为He,流速为1 mL/min,进样口温度为250 ℃,升温程序:初始温度50 ℃,保持2 min,以10 ℃/min升到200 ℃,保持1 min,再以2 ℃/min升到250 ℃,保持2 min,不分流进样。
质谱条件:接口温度250 ℃,离子源温度230 ℃,电子能量70 eV,质量扫描范围30～450 u,无溶剂延迟。
1.3.2.2 定性方法
将C7～C30正构烷烃混合物单独进样,进样量为1 μL。GC-MS检测结果通过计算机检索谱库Wiley及NIST14.L处理,保留匹配度>80%的成分,并结合保留指数(retention index,RI)定性。RI按公式(1)计算[12-13]:
(1)
式中:N为正构烷烃的碳原子数;Tx、TN+n、TN分别为待测化合物保留时间、原子数为N+n的正构烷烃保留时间、碳原子数为N的正构烷烃保留时间,min。
1.3.2.3 定量方法
采用内标法[14-15],以2-甲基-3-庚酮为内标物,根据化合物及内标物峰面积比值计算挥发性成分含量,如公式(2)所示:
(2)
式中:C为挥发性物质含量,μg/kg;C0为内标物含量,μg;Ax为待测化合物离子峰面积;A0为内标物离子峰面积;m为待测化合物的质量。
1.3.2.4 香气活度值(odor activity value,OAV)分析
各化合物的OAV为待测化合物含量与该化合物在常温下水中的阈值的比值,依据公式(3)[16]计算各物质的OAV:
(3)
式中:C为挥发性物质含量,μg/kg;OT为该化合物在水中的阈值,μg/kg。
1.3.3 不同品种熟炕马铃薯的GC-IMS测定
1.3.3.1 GC-IMS条件
取5 g粉碎后的样品置于20 mL顶空瓶中。孵育温度50 ℃;孵育时间15 min;孵化转速500 r/min;进样针温度85 ℃;进样量500 μL。色谱柱为MXT-5,L-15 m,ID-0.53 mm,FT-4 μm;柱温60 ℃;漂移气N2;IMS温度:45 ℃;载气流速程序:初始2 mL/min,保持2 min,10 min内线性增至10 mL/min,10～20 min 内线性增至100 mL/min,20～25 min线性增至150 mL/min,运行时间25 min[17]。
1.3.3.2 定性方法
采用仪器自带软件LAV(Laboratory Analytical Viewer)以及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,同时结合三款插件(Reporter插件、Gallery Plot插件、Dynamic PCA插件)从不同角度进行样品分析。
1.3.3.3 定量方法
采用面积归一化法测定挥发性成分相对含量,按公式(4)计算:
挥发性成分相对含量
(4)
1.4 数据处理
用Excel 2019、SPSS 26.0软件对实验数据进行处理,用Origin 2018、SIMCA14.0以及TBtools软件进行作图;利用气相离子迁移谱中Reporter插件绘制二维俯视图和差异谱图,Gally Plot插件进行指纹图谱比对,Dynamic PCA插件进行主成分分析。
2 结果与分析
2.1 不同品种熟炕马铃薯的GC-MS分析
利用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用技术测定15种熟炕马铃薯的挥发性成分,结果如附表1(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.041974,下同)所示。15种熟炕马铃薯中分离出了39种挥发性成分,包括醛类8种、吡嗪类9种、烷烃类6种、酯类9种、酮类2种、呋喃类1种、其他类4种。由附表1可以看出,不同品种熟炕马铃薯的挥发性物质种类存在明显差异,其中醛类、吡嗪类、酯类等在品种间差异较大,e5、e10、z5、n110酯类占比高于其他品种,e7、e8、e11、e13、Mira、n110中醛类物质占比高于其他品种,e3、e6、e12、e14、e17、Mira的吡嗪类占比高于其他品种。
表1 不同品种熟炕马铃薯挥发性化合物OAV
Table 1 OAV of main compounds in Shu-kang potatoes of different varieties
注:“—”表示未检出;a:风味阈值通过网站查询:https://www.vcf-online.nl/,参考阈值基质为水;b:香气描述参照网站查询:http://www.femaflavor.org/。
化合物阈值a/(μg/kg)e3e5z5e6e7e8e10e11e12e13e14e16e17Miran110气味描述b壬醛1254.8812.987.0713.07226.8549.737.2141.826.122.4127.1442.8124.2751.35188.94花香、青草香反式-2,4-癸二烯醛102.49——0.044.410.47—0.510.140.120.080.260.070.3817.95油炸香反,反-2,4-庚二烯醛1544.63——2.66156.7635.4—23.23—12.1214.48——39.34260.72芳香、花香正癸醛714.190.62—0.878.212.28—1.060.760.671.65—0.851.64—柑橘香、花香苯乙醛4—————23.24—————————青香、花香反式-2-癸烯醛17————6.79——0.74———1.63—0.7950.77柑橘香2-乙基-3,6-二甲基吡嗪585.93————8.66————12.143.23—8.2—烤土豆香、奶油香2-乙基-6-甲基吡嗪402.32———3.01——————————坚果香2,5-二甲基吡嗪1 7000.46———0.18———0.030.030.11—0.010.06—坚果、花生香2-乙基-(5或6)-甲基吡嗪16—————8.31————10.082.55—8.03—烤香、坚果香异丁酸丁酯80——————0.26————————果香丁酸丁酯400—0.03—0.05———————————果香2-壬酮11—0.5—0.7——0.65—0.33—————64.03奶香、果香4-辛酮6————3.83——————————甜香、脂香2-正戊基呋喃64.36———6.17——1.841.91——1.38—2.21—奶油香、脂香4-乙烯基-2-甲氧基苯酚34.17—————————————230.79咖喱香、烤香
为了更加直观地了解不同品种熟炕马铃薯的挥发性成分差异,对其进行主成分分析和聚类分析,结果如图1、图2所示。由图1可知,第一和第二主成分累计贡献率为68.2%,说明通过主成分分析能够获取表征样品挥发性成分中的大部分信息。沿着第一主成分正半轴方向,e3、e14、e16、e7、e11、Mira、e13、e8距离较近,即8个品种的熟炕马铃薯风味物质种类较为相似,其中e7、e11和Mira距离最为相近,说明这3种熟炕马铃薯挥发性成分相似度很高。
图1 不同品种熟炕马铃薯GC-MS数据的主成分分析
Fig.1 Principal component analysis of GC-MS data from different varieties of Shu-kang potatoes
图2 不同品种熟炕马铃薯GC-MS数据的聚类分析
Fig.2 Cluster analysis of GC-MS data from different varieties of Shu-kang potatoes
图2的聚类热图能更加直观看出不同样品每种挥发性成分含量的差异,依据欧式距离可将15种马铃薯分为五类,e7和e11最为接近,e3和e14相对于其他品种较为接近,此聚类结果与图1结果相似。图2中15种不同熟炕马铃薯的挥发性成分含量较高的物质有:反,反-2,4-庚二烯醛、2-乙基-5-甲基吡嗪、异丁酸丁酯、2,5-二甲基吡嗪、壬醛和2-壬酮等。
在主成分分析和聚类分析基础上,对挥发性成分进行了香气活度分析,结果见表1。由表1可以看出,13种成分对熟炕马铃薯风味有贡献(OAV>1),包括壬醛、反,反-2,4-庚二烯醛、正癸醛、2-乙基-3,6-二甲基吡嗪、2-正戊基呋喃以及4-乙烯基-2-甲氧基苯酚等,而壬醛是15种熟炕马铃薯的共有的挥发性成分。通常OAV>10属于重要挥发性成分[18],15种熟炕马铃薯中虽然都具有壬醛,但不同品种的壬醛的OAV有很大差异,且反式-2,4-癸二烯醛仅对e3、e7、n110的风味有贡献(OAV>1)。由表1可以看出,e7、e11、Mira中含有的挥发性成分比较相似,尤其是壬醛、反,反-2,4-庚二烯醛、正癸醛、2-正戊基呋喃均具有较高的OAV,综合呈现为花香与酯香。在e3和e14中,除了壬醛、反,反-2,4-庚二烯醛、正癸醛外,2-乙基-3,6-二甲基吡嗪类物质的OAV也较高,因此在e3和e14中除了花香和脂香外,增加了烤香味。
2.2 不同品种熟炕马铃薯的GC-IMS分析
利用GC-IMS数据库对熟炕马铃薯挥发性成分进行分析,共检测出46种挥发性成分,具体结果见附表2,其中醛类30种,醇类3种,酮类6种,吡嗪类2种,酯类2种,呋喃类3种。不同品种熟炕马铃薯挥发性成分含量较高的是醛类物质,与GC-MS结果一致。
为更加明显比较不同样品间挥发性成分的差异,以熟炕马铃薯e3挥发性成分作为参比,扣除其他品种的绘制差异化图谱,如果扣减后的背景为白色,则挥发性成分与e3一致,红色代表该物质浓度高于参比,蓝色代表该物质浓度低于参比[19],具体结果见图3。由图3可见,e10、e16及e17大部分挥发性成分含量较e3低,而e7、e11和Mira中的挥发性成分含量较e3高。
图3 不同品种熟炕马铃薯的气相离子迁移谱差异对比图(以e3的谱图作参比)
Fig.3 Comparison of differences in gas phase ion mobility spectra of different varieties of Shu-kang potatoes (reference to e3 spectra)
为了更加直观比较15种熟炕马铃薯挥发性成分差异,选取变化比较明显的信号峰生成指纹图谱[20],如图4所示,通过比较可以看出,图中A框内的是15种熟炕马铃薯都能检测出来且含量未发生较大变动的挥发性成分,主要包括异戊醛单体、异戊醛二聚体、丙酮、2-甲基丁醛单体、2-甲基丁醛二聚体等。B框内的是熟炕e3特征挥发性成分,包括2-庚酮二聚体、丙醇、2-乙酰基呋喃单体、2-丁酮、乙偶姻单体和乙偶姻二聚体等。C框内如3-甲硫基丙醛单体、3-甲硫基丙醛二聚体、2-异丁醛为n110的特征挥发性成分。熟炕e7、e11及Mira中均含有D、E、F框内的成分,如苯甲醛、庚醛单体和庚醛二聚体、(反,反)-2,4-庚二烯醛单体和(反,反)-2,4-庚二烯醛二聚体、壬醛单体和壬醛二聚体等25种物质。
图4 不同品种熟炕马铃薯Gallery Plot指纹谱图
Fig.4 Gallery plot fingerprint spectrum of different varieties of Shu-kang potatoes
对不同品种熟炕马铃薯的GC-IMS的挥发性成分进行偏最小二乘法判别分析(partial least squares discriminant analysis,PLS-DA)和聚类分析。如图5所示,第一主成分贡献率为50.7%,第二主成分的贡献率为22.2%,这2个主成分能够充分说明样品间挥发性成分差异。沿着第一主成分正半轴方向,e7、e11、Mira数据点比较集中,表明3种熟炕马铃薯挥发性成分较为相似,这与GC-MS检测结果相同;沿着第二主成分方向e12和e13挥发性物质较为接近。
图5 GC-IMS的PLS-DA得分图
Fig.5 Partial least squares discriminant analysis score plot of GC-IMS
图6为通过欧式距离分析的GC-IMS的聚类热图,依据欧式距离可将15种马铃薯被分为三大类,其中e7、e11和Mira聚为一类,e3、e14和n110聚为一类,其他品种聚为一类。当欧式距离为3.9时,e5、e10聚为一类;当欧式距离为4.57时,z5、e8和e6聚为一类,说明其成分相似。
图6 GC-IMS的聚类热图
Fig.6 Clustering heat map of GC-IMS
3 结论
本文利用HS-SPME-GC-MS和GC-IMS 2种方法对15种熟炕马铃薯挥发性风味物质进行了测定分析。HS-SPME-GC-MS共鉴定出了39种化合物,包括醛类8种、吡嗪类9种、烷烃类6种、酯类9种、酮类2种、呋喃类1种、其他类4种,其中n110的总挥发性风味物质含量最高,其次为e7。GC-IMS共检测出46种挥发性成分,其中醛类30种,醇类3种,酮类6种,吡嗪类2种,酯类2种,呋喃类3种。对比GC-IMS和GC-MS的检测结果发现二者在挥发性成分种类上有些差异,如GC-MS检测到的烷烃类物质在GC-IMS中并未检测到,GC-IMS检测到的硫化物在GC-MS中未检测到,这可能是因为GC-IMS检测出的集中在C3～C9的小分子且含量低的挥发性成分,且IMS对高电负性或高质子亲和力官能团结构的物质具有高灵敏度,如氨基、巯基、卤素基团以及含不饱和键结构的醛、酮、醚等有机化合物和芳香族化合物[21],烷烃类物质的质子亲和力比较弱,故GC-IMS无法检测烷烃类物质;而GC-MS检测成分主要集中在C8以上且高挥发性成分[22]。因此,GC-MS与GC-IMS检测结果具有互补性,二者相结合,使得检测出来的挥发性成分更全面、更广泛。
通过对GC-MS测定结果进行聚类及主成分分析可知,e7、e11和Mira的聚在一起,OAV>1的成分主要包括壬醛、反,反-2,4-庚二烯醛、正癸醛、2-正戊基呋喃,此类熟炕马铃薯呈现花香和脂香。同样对GC-IMS测定数据进行主成分和聚类分析,也发现熟炕的e7、e11、Mira中挥发性成分相似度高,其中的苯甲醛、庚酮、反,反-2,4-庚二烯酸、庚醛、辛醛、壬醛、反式-2-戊醛和2-戊基呋喃等相似度高,该结果与GC-MS聚类结果基本吻合。此外GC-MS聚类显示,e3、e14风味也相似,主要风味贡献物质包括壬醛、反,反-2,4-庚二烯醛、正癸醛、2-正戊基呋喃、2-乙基-3,6-二甲基吡嗪,此类熟炕马铃薯在花香和脂香基础上增加了烤香味。
通过以上分析可以看出,不同品种马铃薯采用相同的熟炕工艺,加工产品的挥发性成分不同,可能是基于以下两方面的原因,首先马铃薯品种差异导致其化学成分也略有不同,即挥发性成分的前体物质不同;其次由于熟炕马铃薯加工过程涉及煮制与熟炕,加工过程中发生的化学反应类型及程度可能也有差异。具体品种对熟炕马铃薯挥发性成分影响的机制尚需进一步探究。
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