3 種烹調方式下馬鈴薯風味化合物組分構成的品種間差異比較

李凱峰，周遠平，王 瓊，郭華春

（云南農業大學農學與生物技術學院，薯類作物研究所，云南 昆明 650201）

馬鈴薯是中國第四大糧食作物，自2015年國家實施主糧戰略以來發展更為迅速。但是我國消費組成結構特殊，與歐美國家馬鈴薯加工比例占40%相比，我國鮮食消費占總產量的50%以上[1]。由于育種目標長期聚焦于高產抗病，而風味改良方面相關研究較少[2]。因此通過對風味研究進行定向改良，選育符合鮮食市場需求的專用型品種，是未來發展趨勢。

馬鈴薯香味是食品風味的重要組成，是影響消費者喜好的重要因素，探究香味的化學組成是選種改良和遺傳研究的基礎。風味化合物主要是由一系列酶促和非酶促反應共同參與產生[3]。此外馬鈴薯香味的構成易受品種、栽培技術、貯藏和烹飪方式的影響，香味物質萃取和分析方法的不同亦會導致對風味物質的鑒定存在差異[4]。

馬鈴薯鮮食烹調方式多樣，其中以沸水蒸煮最為常見，炭火烤制則是中國西南地區制作休閑小吃的主要方法，此外隨著消費者健康意識提升，空氣炸制因其非油炸的特性而備受青睞。烹飪方式影響材料在熟化過程中的含水量和受熱溫度，烘烤會使外層組織水分大量流失；微波加熱下，塊莖內外溫度均勻上升且比水煮方式更加快速[5]，但是使用空氣炸鍋利用循環空氣烘烤熟化，該過程對馬鈴薯塊莖風味化合物組成影響的相關研究較少。

馬鈴薯不同品種間脂類、氨基酸和糖類含量的差異間接影響了香味化合物的含量[6]。前人研究表明，與普通栽培種（Solanum tuberosum）相比，富利加種（S.phureja）中α-古巴烯含量更高，并對相關基因進行了定位，表明中間合成酶基因的表達同樣會影響品種間風味的組成，因此考察品種（系）間風味化合物表型差異，對遺傳材料選擇具有一定的指導意義[7-8]。

本研究通過對6 個品種（系）馬鈴薯塊莖進行不同烹飪方式的熟化處理，利用氣相色譜-質譜 （gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）聯用檢測分析樣品揮發性風味化合物成分及含量，考察各品種不同烹飪方式下風味化合物變化規律，以期為品種合理利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實驗所用的6 個馬鈴薯品種（系），包括云南省主栽品種合作88、青薯9號以及云南農業大學薯類作物研究所新審定品種滇薯23和具有推廣種植潛力的高代品系滇薯1412-T100、滇薯108和滇薯1217。塊莖材料均收獲自云南省建水縣種植基地（23°42’ N，102°42’ E，H 1 519.0 m），采收后于4 ℃統一貯藏，并于收獲后10 d內完成實驗。

內標2-甲基-3-庚酮（0.163 μg/μL）、正構烷烴（C7～C40）以及其他色譜純化合物標準品 美國Sigma-Aldrich公司；NaCl（分析純） 天津科密歐化學試劑有限公司；木炭為中溫機制，炭化溫度500 ℃，成分為95%竹蔗炭、5%玉米黏合劑，固定炭質量分數77%。

1.2 儀器與設備

7890 B/5977A GC-MS聯用儀、毛細管柱HP-5 ms（30 m×0.25 mm，0.25 μm） 美國Agilent公司；100 μm PDMS、75 μm CAR/PDMS、65 μm PDMS/DVB萃取纖維（配套手動固相微萃取裝置） 美國Sigma-Aldrich公司；KJ37D803電空氣炸鍋 浙江蘇泊爾股份有限公司；GM1850紅外線測溫儀 深圳標智儀表公司；UPW-10S去離子水處理機 北京厲元電子儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 萃取條件優化

利用固相微萃取結合GC-MS法對馬鈴薯揮發性風味物質進行檢測的方法已被廣泛采用，但是對影響萃取效率的若干因素的設置差異較大[8-9]。因此，在實驗之前對5 個影響萃取效率的因素進行分別優化，其中包括萃取纖維的類型、萃取時間、萃取溫度、平衡時間和鹽離子添加量。使用合作88與青薯9號2 個品種在蒸煮熟化后等量混合作為在不同條件下進行優化的材料，分別使用100 μm PDMS、75 μm CAR/PDMS以及65 μm PDMS/DVB 3 種規格的萃取頭在相同條件下，參考龔興旺等[10]方法進行萃取。

1.3.2 樣品預處理

馬鈴薯洗凈，晾干，切瓣（9 cm×5 cm×3 cm），取200 g樣品分別于3 種條件下進行熟化處理。

傳統炭烤處理：無煙木炭預熱至300 ℃后，埋入帶皮切塊的馬鈴薯塊10 min，待皮層出現炭化后，夾出放于木炭灰表面使用余溫燒制20 min，刮去黑色的炭化層，剪取塊莖表面1～1.5 mm厚樣品，充分剪碎后混合。

空氣炸處理：空氣炸鍋100 ℃預熱10 min后放入馬鈴薯塊，并于150 ℃恒溫加熱30 min，剪取表面1～1.5 mm厚樣品，充分剪碎后混合。

沸水蒸煮處理：切塊后的馬鈴薯于沸水蒸氣條件下蒸制30 min，去皮后充分混合，快速制泥。

1.3.3 樣品制備

3 種萃取纖維頭在第1次使用前，分別于GC進樣口老化，老化溫度為250 ℃，時間30 min，每次進樣后，再于進樣口老化10 min。

經預處理后的材料，取3 g加入1 μL質量濃度為0.163 μg/μL的2-甲基-3-庚酮作為內標物質于25 mL頂空瓶中，用聚四氟乙烯隔墊密封后于優化過的萃取條件下進行萃取，每個組合進行3 次重復，各重復所用材料獨立重新制備。萃取后的纖維在250 ℃的GC-MS聯用儀進樣口中解吸附5 min，進行GC-MS分析。

1.3.4 GC-MS測定

GC條件：HP-5ms毛細管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；載氣為氦氣，不分流進樣，流速1.2 mL/min；升溫條件：初始溫度40 ℃，保持3 min，以5 ℃/min升溫至200 ℃，再以10 ℃/min升至230 ℃，保持5 min。

MS條件：電子電離源；電子能量70 eV；傳輸線溫度280 ℃；離子源溫度230 ℃；四極桿溫度150 ℃；質量掃描范圍m/z33～550；溶劑延遲時間1 min。

1.4 數據處理

化合物定性：分別使用Agilent ChemStation軟件以及XCMS完成峰對齊和矯正，對利用metGC和ChemStation識別到的潛在峰經過NIST14比對，過濾保留正反匹配均大于800的峰，對過濾后結果使用保留指數（retention index，RI）法進行篩選，對篩選后的結果結合人工譜圖解析和標樣質譜圖比對進行化合物定性。

化合物定量按下式計算[11]：

式中：C為未知化合物含量/（μg/g）；Ci為內標物質質量/μg；S為未知化合物定量離子峰面積；Si為內標物定量離子峰面積；m為樣品質量/g。

數據采用SPSS軟件進行雙因素方差分析，對F值顯著（P＜0.05）的成分使用Fisher檢驗法進行處理間的兩兩比較，隨后使用R進行數據歸一化及偏最小二乘-判別分析。

2 結果與分析

2.1 萃取條件優化結果

預實驗使用75 μm CAR/PDMS纖維頭萃取到147 個潛在成分峰，而100 μm PDMS以及65 μm PDMS/DVB纖維則分別獲得了56 個和74 個潛在成分峰。因此，選用75 μm CAR/PDMS對揮發性風味物質進行提取效果更好。隨后，在使用75 μm CAR/PDMS基礎上，使用單變量法分別考察萃取溫度（20、30、40、50 ℃和60 ℃）、鹽離子添加量（0、0.3、0.6、0.9 g和1.2 g）、平衡時間（0、10、20、30 min和40 min）和萃取時間（10、20、30、40 min和50 min）4 個因素對萃取量的影響[12]，如圖1a所示，隨著萃取時間的延長，萃取量在40 min時達到最高，但是萃取時間繼續延長后，萃取量大幅下降。萃取溫度（圖1b）的升高有助于萃取量的提高，但是在50 ℃時基本達到最大，并趨于穩定；隨著平衡時間（圖1c）的延長，萃取量表現上升的趨勢，在30 min時萃取量達到最高；鹽離子的添加有助于提高萃取效率，但是過量會使基質黏度增加，進而影響揮發性成分在頂空和基質中的分配；如圖1d所示，于25 mL樣品瓶中，取樣量為3 g、NaCl添加量為0.3 g時，萃取總量最大。因此理想萃取條件：萃取頭類型為75 μm CAR/PDMS、NaCl添加量0.3 g、萃取溫度50 ℃、平衡時間30 min、萃取時間40 min。

圖1 總萃取量隨萃取條件變化Fig.1 Optimization of extraction conditions

2.2 揮發性成分分析

3 種不同烹飪條件下，6 個品種中共檢出揮發性化合物58 種，其中包括醇類3 種（5.2%）、酚類1 種（1.7%）、醛類27 種（46.6%）、酮類8 種（13.8%）、吡嗪類10 種（17.2%）、呋喃類3 種（5.2%）、芳香烴類4 種（6.9%）以及酯類和醚類各1 種（1.7%）。不同熟化方式會導致材料含水量存在差異，因此統一將定量結果折算為干基。隨后將折算結果按烹飪方式和品種兩因素分組，分別對烹飪方式效應和品種效應進行分析。

2.2.1 烹飪方式主效應和品種主效應分析

表1 3 種烹飪方式下6 個馬鈴薯品種主要檢出化合物Table 1 Main compounds detected in six potato cultivars cooked by three different methods

續表1

雖然材料在3 種熟化過程中未進行去皮處理，但分析的樣品均為不包含表皮的薯肉。各品種檢測結果按照烹飪方式分組平均，以考察烹飪方式效應對揮發性化合物構成的影響。隨后，參考Oruna-Concha等[13]方法將檢出化合物根據來源不同，按脂類降解、糖降解與美拉德反應（不包括含硫氨基酸）、含硫化合物和其他共分為4 類。如表1所示，檢出化合物中脂類降解產物33 種，糖類降解和美拉德反應產物共16 種。

脂類降解產物在不同烹飪方式下含量變化明顯，其沸水蒸煮條件下的總含量分別是傳統炭烤以及空氣炸制的9.3～89.9 倍和14.7～94.8 倍。這種沸水蒸煮高于傳統炭烤和空氣炸制的特點，同樣表現在不同熟化方式后塊莖含水量的差異上，結果表明：當鮮薯平均含水量為（79.5±4.2）%時，沸水蒸煮后樣品含水量增加至（86±0.9）%，高于傳統炭烤的（37±1.2）%和空氣炸制的（19±2.2）%。因此，烹飪過程中水分流失的程度可能與脂類降解產物含量的變化相關[22-23]。

對由糖降解和美拉德反應產生的物質來說，其總量受不同烹飪方式影響而導致的差異較脂類降解產物小，但是表現出傳統炭烤中含量最多，空氣炸制次之，沸水蒸煮最少的特點。傳統炭烤方式下，產物總含量是空氣炸制的4.5～12.5 倍和沸水蒸煮的5.7～14.8 倍。

揮發性風味化合物含量變化受烹飪過程的影響，更直接地體現在不同熟化方式下脂類降解產物總量與糖降解和美拉德產物總量比值的增加上。兩者含量的差異從傳統炭烤方式的0.08～1.29 倍、空氣炸制的0.28～1.58 倍，增至沸水蒸煮方式的6.2～130.6 倍。這種顯著的擴大，與Oruna-Concha等[13]在對不同熟化方式下馬鈴薯揮發性組分構成比例變化規律研究中的結果一致。此外，就特定烹飪方式而言，兩大分類產物總含量之比在組內的波動，表明除烹飪方式因素外，品種效應也參與了香氣指紋圖譜的構成。

表2 6 個品種中揮發性風味化合物含量Table 2 Contents of volatile flavor compounds in six potato cultivars

表2為按品種分組后，方差分析結果差異顯著（P＜0.05）的13 種物質，其中2-庚酮是由亞油酸氧化分解產生的甲基酮類物質，甲基酮類一般具有獨特的果香，在品種合作88中（脂肪質量分數0.74%）其含量顯著高于品種青薯9號（脂肪質量分數0.6%），此外，包括反-2-壬烯醛、反,反-2,4-癸二烯醛、萘、壬醛、癸醛、十二醛共7 種脂肪降解產物的含量在2 個品種間差異顯著。

在品種間，與糖類降解和美拉德反應相關的產物差異顯著的共3 種。新育成品種滇薯23中，1-辛醇、2-甲基呋喃含量顯著高于其他品種。合作88還原糖質量分數為0.296%，高于青薯9號（還原糖質量分數0.2%），該品種中2-甲基呋喃含量顯著高于后者，但少于品種滇薯23（還原糖質量分數0.318%）。

含硫化合物分類中的甲硫基丙醛在品種間差異顯著，品種青薯9號中其含量顯著高于品種合作88，甲硫基丙醛主要來源于含硫氨基酸的Strecker裂解，而前期實驗測定結果表明，青薯9號中含硫氨基酸總含量為25.13 mg/100 g（干基），高于品種合作88（24.66 mg/g（干基））。因此，品種效應對部分揮發性風味化合物構成的影響，可能是由品種間初生代謝產物差異所致。

2.2.2 偏最小二乘-判別分析結果

圖2 3種烹飪方式下6 個馬鈴薯品種偏最小二乘-判別分析Fig.2 PLS-DA score plots of six potato cultivars cooked by three different methods

為從58 種檢測化合物中進一步尋找影響不同烹飪方式下特征風味構成的關鍵化合物，采用偏最小二乘-判別分析對數據進行分析。如圖2a所示，3 種烹飪方式下的樣品獨立聚集在不同的象限，該模型的累計解釋率為78.5%。主成分1很好地將沸水蒸煮與其他烹飪方式分開，圖2b所示為篩選出的變量投影重要性（variable importance in projection，VIP）值大于1的主要差異化合物，其中6 種化合物在沸水蒸煮條件下含量最高。反-2-庚烯醛為12-亞油酸氫過氧化物裂解產物[24-25]，其與2-月桂烯醛、2,4-十一烷二烯醛、反-十二烯醛等物質主要貢獻的香味特征為果香、脂肪香；3-辛烯-2-酮具有蘑菇香；而2-戊基呋喃具有青香，被認為與風味強度呈反比[8]。因此，分別計算各品種在沸水蒸煮條件下3-辛烯-2-酮和4 種醛類總含量與2-戊基呋喃含量的比值，作為評價品種風味特征強弱的潛在指標。各品種（系）計算結果分別為3.98（合作88）、5.56（滇薯23）、4.73（滇薯108）、6.05（青薯9號）、4.36（滇薯1412-T100）、3.89（滇薯1217）。其中青薯9號比值較高，認為該品種較適合沸水蒸煮的烹飪方式，而品系滇薯1217比值最低，在沸水蒸煮過程中，構成的風味特征可能相對較弱。

由于圖2a對空氣炸制和傳統炭烤解釋程度較低，無法代表2 種烹飪方式下的主要差異特征。因此需剔除沸水蒸煮方式處理后對空氣炸制和傳統炭烤組間差異進行獨立分析，結果如圖3a所示，該模型累計解釋率為62.7%，主成分1可將空氣炸制和傳統炭烤2 種方式較好地分離；圖3b為篩選出的VIP值大于1的主要差異化合物，空氣炸制熟化方式下共7 種化合物含量最高，壬醛和十二醛具有果香、脂肪香；甲硫基丙醛是馬鈴薯中的特征風味物質，但Morris等[8]發現甲硫基丙醛含量與風味強度呈反比；而己醛同樣會導致不良風味的產生[26]；2-甲基萘具有泥土味和刺激性氣味，可在生馬鈴薯塊莖中檢出，主要來源于脂類的氧化裂解[13]；此外鄰苯二甲酸二丁酯、萘均具有不同程度的刺激性氣味[25,27]。這5 種化合物含量過高可能會對風味品質產生負面影響，因此分別計算空氣炸制方式下各品種中壬醛和十二醛總含量與其他5 種化合物的總含量之比，即6.08（合作88）、0.83（滇薯23）、0.41（滇薯108）、0.39（青薯9號）、0.28（滇薯1412-T100）、0.26（滇薯1217）。其中合作88含量比最高，因此該品種更適合空氣炸制的烹飪方式，而品系滇薯1217比值最低，空氣炸制熟化方式下風味品質可能相對較差。2,5-二甲基吡嗪具有巧克力味和烤馬鈴薯味；6-甲基2-乙基吡嗪具有堅果味和烘培香氣；2,5-二甲-3-乙基-吡嗪具有杏仁和炒可可豆的香味；吡嗪類物質氣味閾值較低，Starowicz等[28]發現包括3-甲基-2-乙基吡嗪，2,3,5-三甲基吡嗪在內的吡嗪類物質往往與令人滿意和愉快的特征氣味有關。如圖4所示，新品系滇薯1412-T100含量最高，因此該品系與傳統的炭烤品種合作88號相比，更加適合傳統炭烤的烹飪方式。

圖4 6 個品種吡嗪類風味化合物總含量Fig.4 Total contents of pyrazine compounds in six potato cultivars

3 討 論

烹飪方式對馬鈴薯塊莖揮發性風味物質產生的影響，主要來源于不同烹飪方式下熱效應的差異，Wilson等[5]研究了相同種植環境下相同烹飪方式過程中塊莖水分和溫度的變化，烤爐烘烤時薯肉始終處于高溫環境；沸煮條件下，水被加熱至沸騰需要時間，因此材料經沸煮的時間僅為前者的一半，在這兩種方式下，熱量主要是通過傳導和對流的方式在烹飪介質（空氣或水）與薯肉間進行傳遞的；在烤爐烘烤的方式下，熱輻射也是熱傳遞的方式之一。而在本實驗中，為盡量減少不同烹飪方式造成的加熱時間不平衡的影響，在使用電空氣炸鍋加熱前，對爐腔進行充分的預熱，沸水蒸煮實驗中預先加熱，大量可見蒸汽出現后再進行蒸煮。此外還對3 種條件下的薯塊材料均進行了切塊處理，保證了實驗材料體積/表面積比的相對一致性。與西式電烤箱烤制相比，中式傳統炭烤所采用的將薯塊直接埋入木炭與灰燼之中，其熱量傳遞的主要方式是熱傳導。而空氣炸制則主要是通過風扇輔助的熱對流完成熱量的傳遞，與西式電烤烤制類似。Oruna-Concha等[13]發現，電子烤箱烘烤過程中，大量水分從塊莖中流失，且流失速度與烹飪時間呈正比。而且流失水分中的一半以上來源于塊莖最外側3 mm左右的組織，這一殼層快速的形成低含水量區域。通過空氣炸鍋進行炸制的過程與電子烤箱烘烤類似，加熱后的空氣在塊莖周圍產生快速循環的熱流，一方面保持腔內溫度恒定于150 ℃，另一方面則可以迅速將塊莖表層蒸發的水分帶走[29]，與傳統炭烤相比，表層水分流失更加迅速。此外因為空氣炸制方式下的塊莖受熱環境溫度恒定，且與傳統炭烤相比較低，所以材料表面不會出現過度炭化。

含水量是影響美拉德反應的因素之一，在傳統炭烤過程中，塊莖水分的減少使得經由該途徑產生的物質含量與沸水蒸煮相比更高。空氣炸制下的塊莖，其表面會形成和傳統炭烤一樣的易碎殼層，殼層的溫度介于含水層的最高溫度100 ℃和外界環境溫度150 ℃（空氣炸制）之間，主要產物為吡嗪類化合物（本實驗中共檢出10 種）；其中，2,3-二甲基吡嗪等含量在傳統炭烤的方式下遠高于空氣炸制。與空氣炸制相比，因為在對薯肉取樣前已經刮去了表層炭化組織，所以傳統炭烤樣品中的吡嗪類物質可能來自對表皮炭化組織中產物的吸附和原位產生。此外在傳統炭烤熟化過程中，雖然木炭燃燒充分，但是干餾而成的木炭中含有其他雜質成分。因此燃燒木炭的煙氣中除了會釋放碳氧、硫氧化合物外，還有酚類、羰基類和多苯環烴等[30]。2-甲氧基苯酚可由纖維素、半纖維素分解而成，其在傳統炭烤方式下含量顯著高于其他熟化方式。此外包括2-甲基萘、1,6-二甲基萘等物質含量也均有所升高，雖然差異未達到顯著水平。這些成分中的一部分可能來自于對加熱所使用木炭中成分的吸附。因此傳統炭烤方式下獨特風味的構成，可能是受熏烤過程影響的結果。通過分析不同品種間揮發性成分含量的變化，發現品種所代表的遺傳效應與烹飪方式效應相比，在對處理間變異的解釋上貢獻要小。品種合作88和其他品種相比，部分醛類物質含量更高，這可能是與該品種具有相對較高的脂肪含量有關[31]。

4 結 論

使用75 μm CAR/PDMS纖維頭在平衡溫度50 ℃條件下，將NaCl添加量為0.3 g的樣品平衡30 min后萃取40 min是兼顧含量和效率的較為優化的萃取條件。影響馬鈴薯風味構成的主要因素為烹調方式，沸水蒸煮條件下，由脂類降解產生的醛類物質含量高于空氣炸制與傳統炭烤。傳統炭烤條件下，美拉德反應產物含量高于沸水蒸煮。遺傳差異導致的脂肪和氨基酸含量的不同，可能是造成品種間脂類降解醛類和含硫氨基酸降解產物差異的原因。結合已有文獻中對揮發性組分和感官評價的分析，提出不同品種（系）的烹飪方式建議，即品種青薯9號適合沸水蒸煮熟化，合作88適合空氣炸制，而品種滇薯1412-T100在傳統炭烤條件下表現更佳。