GC-MS和GC-IMS分析食用油對熟炕馬鈴薯揮發性成分的影響

夏蘭欣，周貴華，王 廣，王海波，宋波濤，吳承金，程 超

(生物資源保護與利用湖北省重點實驗室1，恩施 445000)(湖北民族大學生物科學與技術學院2，恩施 445000)(農業農村部馬鈴薯生物學與生物技術重點實驗室；園藝植物生物學教育部重點實驗室；湖北省馬鈴薯工程技術研究中心；華中農業大學3，武漢 430070)(中國南方馬鈴薯研究中心4，恩施 445000)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)又名洋芋、土豆，富含多種營養物質[1,2]，隨著馬鈴薯主糧化戰略的推進[3]，消費者對馬鈴薯加工產品的種類和感官品質提出了更高的要求[4]。蒸煮、煎炸、烘烤等是傳統的馬鈴薯產品的加工方式，這些不同加工方式生產的馬鈴薯產品的感官品質差異較大，主要是由于加工方式會影響馬鈴薯產品的主要化學反應類型和反應程度。如馬鈴薯原薯的揮發性成分主要是馬鈴薯在去皮和切分過程中，脂肪酸在脂肪氧化酶作用下產生的大量揮發性成分,如己醛、庚醛、辛醛、戊醇、2-戊基呋喃、1-戊烯-3-酮、2,4-庚二烯、2,6-壬二烯等[5,6]。蒸煮馬鈴薯檢測到的所有揮發性化合物中，脂類降解產物占22%～69%，糖降解和/或美拉德反應產物占28%～77%，但每種反應對揮發性成分的具體貢獻因馬鈴薯品種而異[5,7,8]。烘烤馬鈴薯主要風味物質是由美拉德反應和/或Strecker降解、脂質和含硫氨基酸降解形成，這使得烘烤馬鈴薯的揮發性風味物質中癸醛、香葉基丙酮、吡嗪類等物質較為豐富。油炸馬鈴薯如炸薯條的主要揮發性成分是吡嗪類物質等，這些揮發性成分85%來自糖降解和/或美拉德反應，其余化合物來自脂質降解[5,9]。

油炸產品的揮發性成分受油炸用油的類型和使用次數的影響，如Tian等[10]采用GC-MS以及電子鼻技術對菜籽油、花生油、大豆油和葵花籽油炸青蔥樣品進行分析發現，花生油油炸會使樣品產生濃郁的蔥香和油脂香味。袁桃靜[11]發現使用花生油、大豆油、玉米油、茶籽油和棕櫚油油炸羅非魚時，茶籽油炸魚與其他食用油炸魚整體特征風味差異顯著，而大豆油在反復使用過程中，炸制羅非魚的風味相比于其他食用油炸制的更穩定。

“炕洋芋”即“炕馬鈴薯”是土家族傳統食品，已成為湖北西部地區的特色名片和鄉村振興的主要支柱?！翱弧笔呛蔽鞑康貐^的方言，是介于煎與炸之間的一種特殊烹飪方式?！翱弧瘪R鈴薯分為生炕和熟炕，熟炕是將去皮馬鈴薯煮熟或半熟后放到鍋里加少量食用油炕至金黃色；生炕是去皮的生馬鈴薯加油文火炕熟；通常熟炕更容易控制產品品質?？获R鈴薯產品表皮呈金黃色，口感軟糯香甜，備受歡迎。

熟炕馬鈴薯綜合了煮制、油炕2個主要加工階段，期間發生的化學反應導致產品的風味進一步復雜化，本研究采用固相微萃取結合GC-MS和GC-IMS兩種技術對5種不同食用油炕制馬鈴薯揮發性成分進行探究分析，以期尋找食用油對炕制馬鈴薯風味品質的影響，從而為民族食品“炕”馬鈴薯產業的發展提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

“馬爾科”馬鈴薯、菜籽油(B1)、壓榨花生油(B2)、精煉大豆油(B3)、玉米油(B4)、漆油(B5)、C7～C30正構烷烴(色譜純)、2-甲基-3-庚酮(色譜純)，氯化鈉(分析純)、無水硫酸鈉(分析純)。

1.2 儀器與設備

手動SPME進樣器，65 μm PDMS/DVB萃取纖維頭，HWS12 電熱恒溫水浴鍋，6890-5973 氣質聯用儀，FlavourSpec?風味分析儀，PGR-10-AS超純水設備。

1.3 實驗方法

1.3.1 炕制馬鈴薯的制備

馬鈴薯去皮，切成20 mm×10 mm×15 mm的塊狀，沸水煮制5～7 min，瀝干，平底鍋倒入食用油約30～45 mL，油熱后放入瀝干的馬鈴薯，炕制20 min至兩面焦黃色，放涼備用。

1.3.2 炕制馬鈴薯的揮發性成分的GC-MS檢測1.3.2.1 頂空固相微萃取

首先將65 μm PDMS/DVB纖維萃取頭插入氣相色譜-質譜聯用儀進樣口老化30 min，進樣口溫度為250 ℃。取3 g樣品，經充分研磨均勻，加入1 μL質量濃度為20.4 μg/μL的2-甲基-3-庚酮內標液置于15 mL頂空萃取瓶中，萃取條件參照李凱峰等[12]方法，加入10% NaCl，1.5 g無水Na2SO4，立即用聚四氟乙烯/硅橡膠隔墊密封。將頂空瓶置于50 ℃恒溫水浴鍋中平衡20 min后推出已老化好的萃取纖維頭吸附50 min，待萃取完成后，于GC-MS進樣口解析5 min，每組實驗重復3次。

1.3.2.2 GC-MS 測定條件

色譜條件：色譜柱為DB-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)石英毛細管柱；載氣為He，流速1 mL/min，進樣口溫度為250 ℃，升溫程序：初始溫度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；不分流進樣。

質譜條件：接口溫度250 ℃，離子源溫度230 ℃，電子能量70 eV，質量掃描范圍30～450 amu，無溶劑延遲[13]。

1.3.3 炕制馬鈴薯揮發性成分的GC-IMS檢測

樣品處理：取5 g均勻研磨后的樣品置于20 mL頂空瓶中。

自動頂空進樣條件：孵育溫度50 ℃，孵育時間15 min，孵化轉速500 r/min，進樣針溫度85 ℃，進樣量500 μL。

GC-IMS條件：色譜柱為MXT-5，L-15 m，ID-0.53 mm，FT-4 μm，柱溫60 ℃，漂移氣N2，IMS溫度：45 ℃，載氣流速程序：初始2 mL/min，保持2 min，10 min內線性增至10 mL/min，20 min內線性增至100 mL/min，25 min線性增至150 mL/min，運行時間25 min。

1.3.4 定性及定量分析

GC-MS定性方法：將C7～C30正構烷烴混合物單獨進樣，進樣量為1 μL。GC-MS檢測結果通過計算機檢索譜庫Wiley及NIST14.L處理，保留匹配度大于80%的成分，并結合保留指數(RI)定性。RI[14,15]按公式計算。

式中：N為正構烷烴的碳原子數；Tx、TN+n、TN分別為待測化合物保留時間、原子數為N+n的正構烷烴保留時間和碳原子數為N的正構烷烴保留時間/min。

GC-MS定量方法：選用2-甲基-3-庚酮為內標物，測定炕制馬鈴薯中壬醛、癸醛、2-乙基-3,6-二甲基吡嗪、2-正戊基呋喃和反式-2,4-癸二烯醛對2-甲基-3-庚酮相應響應因子。其他含氧雜環類化合物按呋喃類響應因子計算[16]。

式中：A0與Ai分別為標品 i 和內標物0的峰面積；mi與m0分別為標品 i 和內標物 0的含量/μg。

以2-甲基-3-庚酮為內標物，根據化合物及內標物峰面積比值計算揮發性成分含量[17，18]。

式中：C為待測化合物的含量/μg/kg；Fi為各化合物相對質量校正因子；Ax為待測化合物離子峰面積；C0為內標物含量/μg；A0為內標物離子峰面積；m為待測化合物的質量。

GC-IMS定性方法：采用儀器自帶軟件LAV(Laboratory Analytical Viewer)以及GC×IMS Library Search軟件內置的NIST數據庫和IMS數據庫可對物質進行定性分析。同時結合3款插件(Reporter插件、Gallery Plot插件、Dynamic PCA插件)可從不同角度進行樣品分析。

揮發性成分相對質量分數=

1.4 數據處理

用Excel 2019軟件對實驗數據進行統計；用Origin 2018軟件對實驗數據進行作圖；利用氣相離子遷移譜中Reporter插件繪制差異譜圖；Gally Plot插件進行指紋圖譜比對；Simca 14.1進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 5種食用油熟炕馬鈴薯揮發性成分的GC-MS分析

使用HS-SPME-GC-MS檢測5種食用油炕制馬鈴薯的揮發性成分，具體結果見表1和圖1。由表1可以看出，共鑒定出24種揮發性化合物，其中醛類、吡嗪類、烷烴類、酮類、酯類、呋喃類各有6、5、4、3、5、1種。圖1說明不同食用油炕制的馬鈴薯揮發性成分含量差別較大，菜籽油炕制的馬鈴薯揮發性成分為醛類>吡嗪類>酮類>烷烴類；花生油炕制的馬鈴薯為吡嗪類>醛類>酮類>酯類>呋喃類>烷烴類；大豆油炕制的為吡嗪類>醛類>酮類>呋喃類>烷烴類；玉米油炕制的吡嗪類>醛類>酯類>呋喃類>烷烴類；漆油炕制的醛類>酮類>酯類>烷烴類，由此可見漆油炕制馬鈴薯的揮發性成分與其他4種食用油的有顯著差異，未檢測到吡嗪類化合物，而其他4種食用油炕制的馬鈴薯均是醛類、吡嗪類占主導地位，在鑒定出的揮發性成分中醛類、吡嗪類占80%～88%。

圖1 5種食用油炕制馬鈴薯揮發性風味成分比較

表1 5種食用油炕制馬鈴薯揮發性風味化合物含量/μg/kg

在醛類化合物中，(反，反)-2,4-庚二烯醛是菜籽油炕制馬鈴薯的獨有揮發性物質，壬醛、正癸醛、反反2,4-癸二烯醛的含量顯著高于其他4種食用油，而(反,反)-2,4-癸二烯醛的增加，使產品具有了強烈的油炸氣味[19]。苯乙醛和反式2-癸烯醛是花生油炕制馬鈴薯獨有揮發性化合物。吡嗪具有典型的“土豆味”，尤其是2-乙基-3,6-二甲基吡嗪具有堅果、烤土豆味[5]；玉米油炕制馬鈴薯吡嗪類化合物顯著高于其他4種。以上說明食用油的種類對炕制馬鈴薯的揮發性化合物組成有很大的影響。

對表1的數據進行熱圖聚類和相關性分析并作圖，見圖2和圖3，由圖2可以看出，隨著平方歐式距離的增加，5種食用油炕制的馬鈴薯被分為4類，B3和B4最為接近，其次是B1、B2、B5，此聚類結果與圖3的相關性圖一致。對5種食用油炕制馬鈴薯的揮發性成分的含量進行PLS-DA分析，具體結果見圖4和圖5，第1和第2主成分累計貢獻率是73.6%，B2和B5炕制的馬鈴薯產品在第一主成分上從左向右可以很明顯區分，但B1、B3和 B4在第一和第二主成分上均不能很好區分，說明三者的主要揮發性成分相似，這與圖2的結果一致。原因可能是實驗所用的5種食用油，漆油的飽和脂肪酸含量遠高于其他4種食用油，因此由其炕制的馬鈴薯風味與其他4種油炕制的差異也最大；大豆油和玉米油相對氣味較菜籽油和花生油的弱[11]，因此二者炕制的馬鈴薯風味非常接近；菜籽油、花生油中特有的關鍵風味物質分別為醛類和吡嗪類[11]，而醛類關鍵風味物質與大豆油和玉米油炕制的馬鈴薯非常接近。

圖2 5種食用油炕制馬鈴薯揮發性成分GC-MS數據的熱圖聚類

圖3 5種食用油炕制馬鈴薯揮發性成分GC-MS數據的相關性圖

圖4 5種食用油炕制馬鈴薯揮發性成分GC-MS數據的PLS-DA得分圖

在前期PLS-DA分析的基礎上，對GC-MS數據進行VIP值分析，由圖5可以看出，2-乙基-(5或6)-甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、反，反-2,4-庚二烯醛、壬醛、正癸醛、丁酸丁酯、4-辛酮、香葉基丙酮、2-正戊基呋喃等8種成分對炕制馬鈴薯的風味影響最大，VIP均>1。吡嗪和呋喃類化合物主要是由Maillard褐變和Strecker降解反應生成，醛類如直鏈醛類則主要是由于脂肪酸的氧化形成[20]。實驗所用的5種食用油由于所含脂肪酸種類不同，導致生成的主要風味物質種類有差異，但B3和B4即大豆油和玉米油炕制的馬鈴薯揮發性成分相似性較高，這與袁桃靜[11]報道的大豆油和玉米油整體氣味差異較小和徐星[21]報道的大豆油、玉米油氧化產物的風味相似的結果吻合。

圖5 5種食用油炕制馬鈴薯揮發性成分GC-MS數據的PLS-DA的VIP圖

2.2 5種食用油熟炕馬鈴薯揮發性成分的GC-IMS分析

利用Vocal軟件內置NIST數據庫和IMS數據庫對5種食用油炕制馬鈴薯揮發性成分分析，結果見表2。5種不同炕制馬鈴薯樣品中共定性出了46種揮發性香氣成分，包括醛類30種，醇類3種，酮類6種，吡嗪類2種，酯類2種，呋喃類3種。不同食用油炕制馬鈴薯主要揮發性成分是醛類，這與GC-MS的分析結果比較一致。

表2 GC-IMS揮發性成分相對質量分數/%

以炕制馬鈴薯B1揮發性物質作為參比，扣除其他食用油的背景繪制差異化譜圖，具體見圖6。如扣減后的背景為白色，則揮發性化合物與B1一致，如果為紅色則代表該物質濃度高于參比，藍色代表低于參比[22]。由圖6可看出不同樣品中高濃度揮發性成分出峰時間均主要集中在0～200 s，樣品B3和B4在保留時間為250～800 s內檢測出來的揮發性成分較相似；且B5中大部分化合物濃度較B1低，而B2中大部分揮發性物質濃度較B1高。

圖6 氣相離子遷移譜差異對比圖(以B1做對比)

為了更加直觀比較5種食用油炕制馬鈴薯揮發性成分差異，選取變化比較明顯的信號峰生成指紋圖譜[23]。如圖7所示，通過比較可以看出B2大部分揮發性物質濃度較高，B3和B4的揮發性物質較為相似，圖7 1號區域物質是B1炕制馬鈴薯主要風味物質，主要是E,E-2,4-庚二烯醛。2號區域物質戊醛、2-甲基丙醛、己醛、辛醛、壬醛、E-2-戊醛、乙偶姻、戊醇、E-2-己醛、2-庚酮、2-戊基呋喃、E-2-辛醛和E-2-壬醛等為B2炕制馬鈴薯主要風味物質。3號區域物質甲基吡嗪和2-乙酰呋喃等為B3主要風味物質。4號區域物質3-甲硫基丙醛等代表B5主要風味物質，且其他揮發性成分在B5炕制馬鈴薯含量很低。B1、B2、B3和B4都有圖5區域物質，包括丙酮、2-甲基丁醛和異戊醛，圖中方框內物質濃度遠高于其他樣品，可作為區分樣品間差異的特征揮發性風味成分。

圖7 5種食用油炕制馬鈴薯Gallery plot指紋譜圖

選取不同炕制馬鈴薯所有揮發性物質的信號峰進行主成分和指紋圖譜相似度分析，結果如圖8、圖9所示。圖8的第1和第2主成分累計貢獻率達78.6%，說明主成分分析能充分表示出不同炕制馬鈴薯樣品大部分揮發性成分信息，隨著主成分1從左到右可以將B5、B2與其他3種區分開來，但B1、B3、B4無論在PC1還是PC2方向距離都非常近，與圖9的指紋圖譜相似性結果一致，圖9中樣品間距離越小的，樣品差異越不明顯[24]，說明二者風味非常相似，難以區分，這與GC-MS的分析結果一致。

圖8 5種食用油炕制馬鈴薯主成分分析分析

圖9 5種食用油炕制馬鈴薯指紋圖譜的相似度分析

3 結論

本實驗同時利用GC-MS和GC-IMS 2種技術測定了5種食用油炕制馬鈴薯的揮發性化合物。在5種食用油炕制馬鈴薯樣品中GC-MS鑒定出揮發性成分24種，包括醛類6種(40.94%)，吡嗪類5種(43.89%)、烷烴類4種(0.35%)，酮類3種(7.54%)、酯類5種(4.71%)、呋喃類1種(2.56%)。GC-IMS鑒定出46種揮發性風味物質，主要包括醛類30種(65.03%)，醇類3種(0.66%)，酮類6種(21.75%)，吡嗪類2種(1.27%)，酯類2種(1.66%)，呋喃類3種(2.03%)。對比分析GC-MS和GC-IMS的測定結果發現，二者共同檢測出來的揮發性成分有醛類、吡嗪類、酯類、酮類、呋喃類，但GC-MS、GC-IMS分別單獨檢測出了烷烴類和醇類物質，且共同檢測出的揮發性成分中各種物質含量有差異?？赡苁怯捎贕C-MS和GC-IMS測定原理有差異，GC-IMS的測定依賴于揮發性有機物的質子親和力，由于烷烴類物質的質子親和力弱于水，因此GC-IMS無法檢測烷烴類物質，此外FlavourSpec?風味分析儀測定時直接進樣，樣品不需要進行富集處理；但本實驗GC-MS測定結合了固相微萃取，樣品的揮發性成分經萃取頭富集后再進行測定，而選擇的萃取頭種類對檢測的揮發性物質種類和含量有很大影響，本實驗前期主要以萃取的風味物質的總量和種類為指標優化的萃取頭，從而導致GC-MS和GC-IMS檢測出的揮發性成分種類和含量有所差異。雖然二者測定的揮發性成分種類不同，但對各自的數據進行統計分析后發現5種食用油對炕制馬鈴薯整體風味的影響是相同的。

實驗中利用GC-MS和GC-IMS檢測出了典型的煮土豆、油炸及烘烤土豆的相關揮發性成分，如(反,反)-2,4-癸二烯醛、2-戊基呋喃、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪、2-乙基-3,6-二甲基吡嗪等物質，這些揮發性成分主要來自于脂質氧化、Strecker降解、糖、脂肪降解和/或美拉德反應，這也說明熟炕馬鈴薯生產工藝相對復雜，涉及的化學反應類型多樣，因此產品的揮發性成分也多樣。因此通過實驗可初步確定熟炕馬鈴薯的揮發性成分主要源于3個方面，一是馬鈴薯煮制過程可能發生的脂肪氧化和Strecker降解；二是在炕制過程，食用油自身及其炕制過程食用油氧化、降解產生的揮發性成分在馬鈴薯產品中的滲透；三是馬鈴薯在油炕階段自身發生的糖、脂肪降解和/或美拉德反應；但具體的揮發性成分產生機制仍有待于進一步研究。