HS-SPME和GC-MS聯(lián)用法對甘薯醋揮發(fā)性香氣成分的分析

喬羽，王如福*，于迪，邢曉瑩，李江涌，張懷敏

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山西晉中030801）

HS-SPME和GC-MS聯(lián)用法對甘薯醋揮發(fā)性香氣成分的分析

喬羽，王如福*，于迪，邢曉瑩，李江涌，張懷敏

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山西晉中030801）

采用頂空固相微萃取和氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析了甘薯醋液中的揮發(fā)性香氣成分。結(jié)果表明，從甘薯醋液中檢測并鑒定出49種化合物。其中酸類9種（61.96%）、酯類9種（9.89%）、醇類9種（8.98%）、雜環(huán)類化合物11種（8.22%）、醛類2種（2.04%）、酚類1種（0.09%）、酮類4種（0.08%）及其他化合物4種（4.72%）。含量較高的乙酸和5-氨基頡草酸、2,3-丁二醇和乙醇、乙酸乙酯和L（-）-乳酸乙酯以及2,3,5,6-四甲基吡嗪是形成甘薯醋風(fēng)味特征的主要物質(zhì)。

甘薯醋；頂空固相微萃取；揮發(fā)性香氣成分

甘薯又名甜薯、地瓜、紅薯，其營養(yǎng)豐富，富含淀粉、糖類、蛋白質(zhì)、維生素、纖維素以及各種氨基酸，是人們?nèi)粘ｏ嬍持袀涫軞g迎的食物之一。近年來甘薯因具有抗癌、抗氧化及增強(qiáng)免疫力等多種保健功能而吸引了科研工作者廣泛關(guān)注。日本國立癌癥預(yù)防研究所公布的數(shù)據(jù)顯示，甘薯在20種抗癌食品中排名首位，被譽(yù)為“抗癌之王”[1]。此外，甘薯的淀粉含量較高，且含有豐富的營養(yǎng)成分，是釀造食醋的理想原料。以甘薯為原料釀制而成的甘薯醋，其醋中揮發(fā)性香味成分是評價(jià)甘薯醋品質(zhì)的重要指標(biāo)，也是與其他品種食醋相區(qū)別的關(guān)鍵。然而，被人熟知的甘薯醋產(chǎn)品相對匱乏，甘薯醋中揮發(fā)性香味成分的的研究隨之相對較少。

固相微萃取（solid-phase microextraction，SPME）技術(shù)，是一種比較成熟的樣品前處理技術(shù)，具有靈敏度高、成本低、所需樣品量少，重現(xiàn)性及線性好等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于提取食品基質(zhì)中揮發(fā)性和半揮發(fā)化合物[2-5]，其中頂空固相微萃取法適用于提取含有一定揮發(fā)性成分的待測組分，特別是含有高分子質(zhì)量干擾物的樣品[6]。本研究通過采用頂空固相微萃取氣質(zhì)聯(lián)用（head space-solid phase mi croextraction-gas chromatography-mass spectrometry，HPSPME-GC-MS）法對以甘薯為原料，同大曲共同發(fā)酵，并配有特殊的熏醅工藝釀制而成的甘薯醋液易揮發(fā)成分進(jìn)行分析，以期為甘薯醋的香氣特征研究提供科學(xué)依據(jù)，為甘薯醋風(fēng)味品質(zhì)的提高提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯：山西省晉中市祁縣地區(qū)；大曲：山西某醋廠；NaCl（分析純）：天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

VF-5MS色譜柱（30m×0.25mm×0.25μm）、Varian8400固相微萃取進(jìn)樣器、TRACE-ISQ型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀：美國賽默飛世爾科技有限公司；75 μm聚二甲基硅氧烷萃取纖維頭（polydimethylsiloxane，PDMS）、20μL頂空進(jìn)樣瓶：美國Supelco公司；BS210S型電子天平：北京賽多利斯天平有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 甘薯醋的制作工藝

操作要點(diǎn)：

原料處理：采用流水洗凈新鮮甘薯，去皮切片。將甘薯片平鋪在蒸籠上，蒸煮1.5 h。蒸煮后的甘薯片搗碎成漿狀。同時(shí)將大曲與等質(zhì)量的溫水（25℃）混合后室溫放置2 h。

酒精發(fā)酵：將大曲與漿狀原料混合，加入溫水（25℃）攪拌。將混合物置于23～28℃的環(huán)境中，敞口發(fā)酵3 d，每天早晚攪拌兩次，從第4天開始封口發(fā)酵12 d。

醋酸發(fā)酵：用鐵鍬將酒醪與麩皮、谷糠、稻殼拌勻，使醋醅的水分含量為60%～65%。醋酸發(fā)酵時(shí)間控制在10 d左右，每天要對醋醅進(jìn)行倒缸。定期測量其醋醅的酸含量，直至其含量達(dá)到5.0%以上，酸度升高緩慢且醋醅品溫逐漸降至35℃以下，即醋酸發(fā)酵結(jié)束。將60%的醋醅拌入2%的食鹽，壓實(shí)，并在醋醅表面撒上一層食鹽。

熏醅：取40%醋醅放入熏醅鍋中，熏醅5 d，每天倒醅一次。

淋醋：將下鹽3 d后的白醅（沒經(jīng)過熏醅工藝）用沸水浸泡，6 h后，將其置于白淋池中進(jìn)行淋醋，即為白淋醋。將煮沸后的白淋醋浸泡熏后的醋醅，浸泡6 h后其將其置于熏醅淋池中進(jìn)行淋醋，過濾所得醋液即為甘薯醋。

1.3.2 揮發(fā)性成分風(fēng)味物質(zhì)的提取[7-8]

采樣前對PDMS、PDMS/DVB和CAR/PDMS/DVB三種萃取頭進(jìn)行測試，選取萃取效果較優(yōu)的PDMS萃取頭插入GC-MS的進(jìn)樣口中，于250℃老化并進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)，直至無色譜峰出現(xiàn)。準(zhǔn)確移取5.0 mL甘薯醋樣置于20 mL頂空瓶中，加入1 g NaCl溶解，用帶有硅橡膠隔墊的瓶蓋密封。將進(jìn)樣瓶放入孵化爐，孵化爐攪拌速度100 r/min，孵化溫度為45℃保持30 min，將老化的PDMS萃取頭插入頂空瓶中，使之與液面保持1.5 cm的距離，推出纖維頭頂空吸附40 min。萃取后直接進(jìn)樣，在進(jìn)樣口溫度250℃解吸5 min。

1.3.3 GC-MS參數(shù)條件[8-9]

色譜條件：VF-5MS色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；載氣為氦氣（He）；流速：1 mL/min；不分流進(jìn)樣；進(jìn)樣口溫度：250℃；程序升溫：40℃保持10 min，以5℃/min升至140℃，保持5 min，然后以10℃/min升至230℃，保持15 min。

質(zhì)譜條件：電子電離（electron ionization，EI）源；接口溫度250℃，離子源溫度230℃，電子能量70 eV，質(zhì)量掃描范圍為35～500 m/z。

1.3.4 定性與定量分析

通過質(zhì)譜分析，檢索美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（National Institute ofStandardsandTechnology，NIST）譜庫進(jìn)行比對，結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行人工譜圖解析，確認(rèn)各易揮發(fā)性成分的結(jié)構(gòu)，按峰面積歸一化法進(jìn)行定量分析，計(jì)算出各成分相應(yīng)的相對百分含量。

2 結(jié)果與分析

采用HS-SPME和GC-MS聯(lián)用技術(shù)對甘薯醋的易揮發(fā)成分進(jìn)行了分析，甘薯醋液香氣成分GC-MS檢測總離子流色譜圖見圖1，甘薯醋各香氣成分分析結(jié)果見表1。

圖1 甘薯醋液香氣成分GC-MS檢測總離子流色譜圖Fig.1 Total ion chromatogram of aroma components of sweet potato vinegar analysis by GC-MS

表1 甘薯醋香氣成分分析結(jié)果Table 1 Analysis results of aroma components in sweet potato vinegar

續(xù)表

由表1可知，在甘薯醋液中一共檢測出49揮發(fā)性物質(zhì)，有酸類、醇類、酯類、醛類、酮類、酚類和雜環(huán)類化合物等，占總易揮發(fā)成分總量的95.22%。其中酸類、醇類、酯類、雜環(huán)化合物的種類較多。從風(fēng)味成分的相對含量分析可知，酸類化合物相對含量中最高，為61.96%，構(gòu)成了甘薯醋主要風(fēng)味成分。在甘薯醋中被檢測到的其余成分的相對含量分別是醇類8.98%、酯類9.89%、醛類2.04%、酮類0.08%、酚類0.09%、雜環(huán)化合物8.22%、其他化合物3.96%。

酸類化合物是醋酸發(fā)酵過程中的主要產(chǎn)物，構(gòu)成了甘薯醋主要的揮發(fā)性風(fēng)味成分，具有明顯的呈香呈味作用。在山甘薯醋中檢測到酸類化合物9種，從表1可以看出，乙酸是山甘薯醋所有揮發(fā)性成分中含量最高的一種化合物，相對含量為54.82%，具有強(qiáng)烈的刺激氣味，是甘薯醋的主要呈酸物質(zhì)；除乙酸外，其他檢出的酸類化合物相對含量較小，依次為5-氨基頡草酸（3.87%）、己酸（1.24%）、2-甲基丁酸（1.03%）、正戊酸（0.42%）、異戊酸（0.26%），異丁酸（0.25%）、α-酮戊二酸（0.17%）、庚酸（0.14%）、3-羥基丁酸（0.01%）。其中己酸呈特殊的似干酪和椰子油的香甜氣味[10]；2-甲基丁酸呈愉快的水果香氣；異丁酸呈強(qiáng)烈的哈敗氣味和干酪味[10]；正戊酸和異戊酸呈令人不愉快的氣味[11]；庚酸呈脂肪樣氣味。它們和乙酸刺激的尖酸氣味相互調(diào)和，構(gòu)成了甘薯醋的主體香味。此外，在甘薯醋中檢測到一定量的α-酮戊二酸，α-酮戊二酸是微生物三羧酸循環(huán)中重要的代謝中間產(chǎn)物，目前已被開發(fā)為膳食補(bǔ)充品，可作為運(yùn)動(dòng)營養(yǎng)飲料的成分。

醇類是酒精發(fā)酵階段的主要產(chǎn)物，有9種醇類化合物在甘薯醋中被檢測到，分別是異戊醇（0.54%）、3-甲基丁醇（1.02%）、2,3-丁二醇（5.11%）、糠醇（0.10%）、乙醇（1.75%）、1-辛烯-3-醇（0.07%）、芳樟醇（0.06%）、苯乙醇（0.30%）、α-松油醇（0.03%）。異戊醇和3-甲基丁醇都呈令人不愉快的氣味；糠醇呈微弱香氣，有焦香味；乙醇呈淡淡的醇香和刺激味；苯乙醇是苯丙氨酸經(jīng)Strecker降解產(chǎn)生醛后進(jìn)一步還原后生成[12-13]，這種化合物目前已被鑒定為酒中主要的芳香族化合物[14]，呈花香、玫瑰香[15]；松油醇呈海桐花、紫丁香、鈴蘭等愉快的花香味。

酯類在食醋的香味貢獻(xiàn)中起著極為重要的作用，是評價(jià)食醋品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。甘薯醋中檢測到9種酯類化合物，乙酸乙酯（很強(qiáng)的酯香、果香）和乳酸乙酯（特殊的朗姆酒、水果和奶油香氣）含量相對較高；與乙酸苯乙酯（花香、果香和威士忌酒香氣）、乙酸糠酯（果香、藥香和辛香）、己酸乙酯（曲香、菠蘿香）、3-羥基丁酸乙酯（果香、葡萄香、青香和白酒香）等酯類物質(zhì)糅合在一起，賦予了甘薯醋的獨(dú)特風(fēng)味。酯類主要形成于醋酸發(fā)酵階段，固態(tài)醋醅的環(huán)境有利于酯類化合物的形成[16]。

醛類、酮類、酚類物質(zhì)共檢測出7種，含量相對較高的有糠醛（甜香、木香和焦糖香氣）、苯甲醛（特殊的杏仁味）?？啡┦怯晌逄继墙?jīng)微生物發(fā)酵生成木糖，木糖再分解為糠醛，也可在高溫條件下由Strecker降解反應(yīng)而來[12]。由于甘薯醋的制作過程中采用了熏醅工藝，長時(shí)間的高溫有利于糠醛的生成。苯甲醛可能來自苯甲醇的氧化，微生物對苯丙氨酸、酚類物質(zhì)以及苯乙酸和羥基苯甲酸等物質(zhì)的作用產(chǎn)生[17]。雖然醛類、酮類、酚類物質(zhì)種類少，相對含量低，但對甘薯醋的獨(dú)特風(fēng)味的形成也有一定的影響。

雜環(huán)化合物是在甘薯醋中所檢測到種類較多的一類化合物。它們主要是微生物發(fā)酵而成，或者是Strecker降解產(chǎn)物縮合和熏醅工藝中的Maillard反應(yīng)而成[18]。其中四甲基吡嗪（堅(jiān)果香、可可、花生、咖啡樣香氣）具有降血壓和改善冠心病癥狀等功能[19]。有研究表明，3-甲基噁唑、吡嗪類和呋喃類物質(zhì)可能和醋整體的抗氧化活性有關(guān)[20-21]。此外在甘薯醋中檢測到一定量的膽堿，膽堿是人類食品中常用的添加劑，具有促進(jìn)腦發(fā)育和提高記憶能力，促進(jìn)脂肪代謝，降低血清膽固醇的功能。這些在一定程度上賦予了甘薯醋的保健價(jià)值。

3 結(jié)論

本研究采用頂空固相微萃取和氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)對甘薯醋中揮發(fā)性成分進(jìn)行了分析，共檢測鑒定出49種成分，酸類9種（61.96%）、酯類9種（9.89%）、醇類9種（8.98%）、雜環(huán)類化合物11種（8.22%）、醛類2種（2.04%）、酚類1種（0.09%）、酮類4種（0.08%）及其他化合物4種（4.72%）。通過本研究初步確定酸類化合物、醇類化合物、酯類化合物和雜環(huán)類化合物相對含量較高，是構(gòu)成甘薯醋香氣的主體成分。

揮發(fā)性成分對甘薯醋氣味輪廓的貢獻(xiàn)不僅與含量有關(guān)，也與其閾值有關(guān)，香氣活性值（aroma activity value，OAV）更能反映化合物對樣品整個(gè)氣味輪廓的貢獻(xiàn)度。下一步可以探究使用氣相色譜-嗅聞（gas chromatography-olfactometry，GC-O）技術(shù)結(jié)合氣-質(zhì)聯(lián)用（GC-MS）技術(shù)的方法，將甘薯醋中的關(guān)鍵氣味活性化合物進(jìn)行定性定量分析。甘薯醋的獨(dú)特風(fēng)味是由多種化合物共同作用構(gòu)成的。由于揮發(fā)性香味成分本身為不穩(wěn)定的微量物質(zhì)，除受本身特性影響外，甘薯醋的香氣成分種類和含量受甘薯品種、發(fā)酵工藝、釀造環(huán)境等多種因素的影響。因此，研究甘薯醋的主要香氣成分及其形成機(jī)理，為甘薯醋實(shí)際生產(chǎn)中的產(chǎn)品風(fēng)味分析提供了重要的數(shù)據(jù)信息和理論依據(jù)，為更好地控制影響甘薯醋香氣形成的因素，生產(chǎn)出品質(zhì)優(yōu)良的甘薯醋產(chǎn)品奠定理論基礎(chǔ)。

[1]渠琛玲，玉崧成，付雷.甘薯的營養(yǎng)保健及其加工現(xiàn)狀[J].農(nóng)產(chǎn)品加工，2010（10）：74-76.

[2]KATAOKA H,LORD H L,PAWLISZYN J.Evolution of solid-phasemicroextraction technology[J].J Chromatogr A,2000,880:35-62.

[3]STASHENKO E E,MARTINEZ J R.Sampling volatile compounds from natural products with headspace/solid-phase microextraction[J].J Biochem Biophys Methods,2007,70(2):235-242.

[4]RISTICEVIC S,NIRI V H,PAWLISZYN J,et al.Recent developments in solid-phase microextraction[J].Anal Bioanal Chem,2009,393(3): 781-795.

[5]黃江艷，李秀娟，潘思軼.固相微萃取技術(shù)在食品風(fēng)味分析中的應(yīng)用[J].食品科學(xué)2012，33（7）：289-298.

[6]胡國棟.固相微萃取技術(shù)的進(jìn)展及其在食品分析中應(yīng)用的現(xiàn)狀[J].色譜，2009，27（1）：1-8.

[7]李江涌，王如福，焦玉雙.山西老陳醋熏醅前后香氣成分的變化分析[J].中國釀造，2016，35（9）：47-50.

[8]郝紅梅，張生萬，郭彩霞，等.頂空固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法分析山楂果醋易揮發(fā)成分[J].食品科學(xué)，2016，37（2）：138-141.

[9]張霽紅，張永茂，曾朝珍，等.發(fā)酵蘋果醋揮發(fā)性成分的GC/MS分析[J].釀酒科技，2013（5）：94-96.

[10]解華東，布麗君，李志西，等.岐山高粱醋陳化期香氣成分研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36（10）：168-172.

[11]張輝，楊慧敏，周文化.椰子果露酒的香氣成分分析[J].食品與機(jī)械，2014，30（1）：45-50.

[12]孫宗保，趙杰文，鄒小波，等.鎮(zhèn)江香醋特征香氣成分加工過程中的變化和形成機(jī)理分析[J].中國食品學(xué)報(bào)，2010，10（3）：120-127.

[13]王麗麗，任長忠，李再貴，等.傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的燕麥醋香氣成分分析[J].農(nóng)產(chǎn)品加工·學(xué)刊，2011（1）：68-70.

[14]李弘文，王旭蘋，楊小蘭.不同熏醅工藝對山西老陳醋香氣成分的影響[J].食品科學(xué)，2015，36（20）：90-94.

[15]MARA J S,ALVES M A,MARQUES J C.Changes in volatile composition of Madeira wines during their oxidative aging[J].Anal Chim Acta,2006,563(1):188-197.

[16]CHARLES M,MARTIN B,GINIES C,et al.Potent aroma compounds of two red wine vinegars[J].J Agr Food Chem,2000,48(1):70-77.

[17]GENOVESE A,GAMBUTI A,PIOMBINO P.Sensory properties and aroma compounds of sweet Fiano wine[J].Food Chem,2007,103(4): 1228-1236.

[18]黃達(dá)明，楊勇，張志才.不同發(fā)酵期和陳釀期鎮(zhèn)江香醋香氣成分的變化[J].中國釀造，2008，27（9）：56-61.

[19]黃群，麻成金，余佶，等.湘西原香醋香氣成分的GC-MS分析[J].食品科學(xué)，2009，30（24）：260-261.

[20]WANG A,ZHANG J,LI Z.Correlation of volatile and nonvolatile components with the toal antioxidant capacity of tartary buckwheat vinegar: Influence of the thermal processing[J].Food Res Int,2012,49(1):65-71.

[21]朱宏.山西老陳醋揮發(fā)性成分和流變性質(zhì)的研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

Analysis of volatile aroma components in sweet potato vinegar by HS-SPME and GC-MS

QIAO Yu,WANG Rufu*,YU Di,XING Xiaoying,LI Jiangyong,ZHANG Huaimin
(College of Food Science and Engineering,Shanxi Agricultural University,Jinzhong 030801,China)

The volatile aroma components of sweet potato vinegar were analyzed by HS-SPME and GC-MS.Results showed that a total of 49 compounds were isolated and identified,including 9 kinds of acid compounds(61.96%),9 kinds of ester compounds(9.89%),9 kinds of alcohols (8.98%),11 kinds of phenolic compounds(8.22%),2 kinds of aldehyde compounds(2.04%),1 kind of phenol compounds(0.09%),4 kinds of ketone compounds(0.08%),and other compounds(4.72%).The higher contents of acetic acid,5-aminoacetic acid,2,3-butanediol and ethanol,ethyl acetate andL(-)-ethyl lactate and 2,3,5,6-tetramethylpyrazine were the main compounds of sweet potato vinegar flavor characteristics.

sweet potato vinegar;HS-SPME;volatile aroma components

TS264.2

0254-5071（2017）07-0178-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.07.038

2017-05-02

山西省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2015-TN-10）

喬羽（1991-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)。

*通訊作者：王如福（1960-），男，教授，博士，研究方向?yàn)榘l(fā)酵食品工藝、果蔬采后生理及貯運(yùn)技術(shù)。