黑菊芋中揮發(fā)性物質(zhì)的GC-MS分析

姬妍茹，魏連會(huì)，楊賀晴，楊慶麗，孫宇峰，劉宇峰，董艷

(1.黑龍江省科學(xué)院大慶分院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)，哈爾濱 150040)

黑菊芋中揮發(fā)性物質(zhì)的GC-MS分析

姬妍茹1，魏連會(huì)1，楊賀晴2，楊慶麗1，孫宇峰1，
劉宇峰1，董艷1

(1.黑龍江省科學(xué)院大慶分院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)，哈爾濱 150040)

采用同時(shí)蒸餾萃取方法提取鮮菊芋和黑菊芋的揮發(fā)性風(fēng)味成分，并運(yùn)用 GS-MS對(duì)加工前后的菊芋揮發(fā)性成分進(jìn)行分析鑒定。從鮮菊芋和黑菊芋樣品中各分離出81，88個(gè)色譜峰，以烴類化合物為主，相對(duì)含量分別為59.74%，87.35%。2種樣品中共有的烴類化合物26種、二硫醚類化合物3種以及苯乙醛、異氟酮、2-異丙基-5-甲基-1-庚醇，構(gòu)成了菊芋的主要風(fēng)味成分；新增成分L-抗壞血酸棕櫚酸二酯增加了黑菊芋的香氣并賦予其一定的抗氧化作用。

黑菊芋；揮發(fā)性成分；GC-MS

菊芋(Jerusalemartichoke)又名洋姜、鬼子姜，是一種菊科向日葵屬宿根性多年生草本植物，原產(chǎn)自北美洲[1]，目前在我國(guó)各地均有廣泛種植。菊芋性甘、涼，具有清熱涼血、利水祛濕的功效，不僅可以入藥，也可食用。塊莖富含菊糖，具有降血脂、雙向調(diào)控血糖、改善腸道、防治便秘等功能，民間通常用來(lái)腌制醬菜，也可直接生食或烹調(diào)食用。為了增加菊芋的經(jīng)濟(jì)附加值，近年來(lái)科研人員不斷開(kāi)展深加工方面的研究，將菊芋制成茶包[2]，加工成飲料或者釀制成酒供飲用[3,4]。本課題組依據(jù)美拉德反應(yīng)原理，利用獨(dú)特的齒變式加熱工藝將新鮮菊芋塊莖加工成為黑菊芋，為菊芋的深加工開(kāi)辟了一條新途徑。該產(chǎn)品色澤黝黑，富有光澤，口感酸甜軟Q,類似果脯，也被稱為“黑菊芋脯”[5]。以菊芋塊莖為原料生產(chǎn)黑菊芋國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)報(bào)道，本試驗(yàn)采用同時(shí)蒸餾萃取法提取出鮮菊芋和黑菊芋中揮發(fā)性成分，并進(jìn)行了GC-MS分析，探討了菊芋加工前后揮發(fā)性成分的變化情況，為黑菊芋新產(chǎn)品的研制和開(kāi)發(fā)提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 原料與試劑

菊芋 江蘇省沛縣晨玉特種蔬菜營(yíng)銷公司；二氯甲烷、氯化鈉(分析純) 天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；無(wú)水硫酸鈉(分析純) 天津市永大化學(xué)試劑廠。

1.1.2 儀器與設(shè)備

黑菊芋生產(chǎn)設(shè)備 黑龍江省科學(xué)院大慶分院機(jī)電研究所；ME204E型分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；同時(shí)蒸餾萃取裝置 鄭州興華玻璃儀器廠；HH-1型恒溫水浴鍋 金壇市盛藍(lán)儀器制造有限公司；電熱套 山東鄄城華魯電熱儀器有限公司；R201型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海申勝生物技術(shù)有限公司；Agilent7890 AGC-70000BMS氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國(guó)Agilent公司。

1.2 方法

1.2.1 黑菊芋的制作

將鮮菊芋塊莖洗凈吹干后，裝入密封耐高溫塑料袋，放入加工設(shè)備中，按照設(shè)定程序運(yùn)行16天后，顏色變?yōu)楹诤稚俳?jīng)烘干降低水分至30%左右，得到成品黑菊芋脯，4 ℃左右保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 菊芋揮發(fā)性成分的提取

采用同時(shí)蒸餾萃取法提取鮮菊芋和黑菊芋中的揮發(fā)性成分。首先進(jìn)行裝置的預(yù)清潔， 在萃取裝置的兩端分別加入300 mL蒸餾水和60 mL二氯甲烷，蒸餾2 h，保證儀器清潔。然后分別稱取鮮菊芋和黑菊芋樣品55 g(精確至0.1 mg)，用刀切成小片后再用研缽磨碎，倒入同時(shí)蒸餾萃取裝置的500 mL圓底燒瓶中，再加入11.0 g左右氯化鈉、適量蒸餾水和沸石，用可控溫的電熱套加熱。在100 mL圓底燒瓶中加入30 mL二氯甲烷，連接到裝置的另一端。浸泡在 45 ℃恒溫水浴中。連續(xù)蒸餾萃取2 h。合并“U”形管和100 mL圓底燒瓶中的二氯甲烷萃取液，-40 ℃低溫冷凍過(guò)夜，用無(wú)水硫酸鈉除去溶劑中殘存的水，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀揮發(fā)溶劑濃縮提取物至2 mL，過(guò)0.22 μm濾膜后，4 ℃冷藏備用。

1.2.3 GC-MS分析條件

1.2.3.1 色譜條件

色譜柱：HP-5MS(30 m×250 μm×0.25 μm)；載氣為氦氣，1.0 mL/min；柱初溫 50 ℃，保溫 2 min，以4 ℃/min的升溫速率升至 220 ℃，用時(shí)30 min；進(jìn)樣口溫度250 ℃；分流比10∶1；進(jìn)樣量 1 μL。

1.2.3.2 質(zhì)譜條件

EI離子源，電子能量 70 eV；電子倍增器電壓1635 V；質(zhì)量掃描范圍 30～450 amu，離子源溫度230 ℃；傳輸線溫度240 ℃；四極桿溫度150 ℃。

1.2.4 GC-MS數(shù)據(jù)處理

通過(guò)計(jì)算機(jī)檢索，同時(shí)利用Agilent 7000B質(zhì)譜庫(kù)相互匹配進(jìn)行定性分析。本試驗(yàn)對(duì)質(zhì)譜庫(kù)中化合物相似度低于75%(最大值為100%)的組分標(biāo)為未鑒定出，各組分相對(duì)含量按照峰面積歸一化法計(jì)算[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 菊芋揮發(fā)性物質(zhì)種類及成分

根據(jù)GC-MS總離子圖見(jiàn)圖1和圖2將各個(gè)色譜峰對(duì)應(yīng)的質(zhì)譜進(jìn)行檢索及人工解析，確定其物質(zhì)種類，見(jiàn)表1。

圖1 鮮菊芋揮發(fā)性成分的總離子流圖Fig.1 The total ion chromatogram of volatile compounds of fresh Jerusalem artichoke

圖2 黑菊芋揮發(fā)性成分的總離子圖Fig.2 The total ion chromatogram of volatile compounds of black Jerusalem artichoke

揮發(fā)性成分類別鮮菊芋黑菊芋組分(種)相對(duì)含量(%)組分(種)相對(duì)含量(%)脂肪烴及其衍生物4557．896584．77芳香烴及其衍生物21．8552．58醇類810．7710．33酚類10．11--醛類20．8921．83酮類10．1910．36醚類61．9631．18胺類11．11--酯類21．0811．09酸類519．4--合計(jì)7395．258892．14

注：“-”表示樣品中未檢測(cè)到該化合物。

從菊芋中鑒定出的揮發(fā)性物質(zhì)數(shù)量為鮮菊芋73種、黑菊芋88種，各占總峰面積的95.25%和92.14%。從揮發(fā)性成分看，鮮菊芋中含有烴類、醇類、醚類、醛類、酮類、酯類、酸類、酚類和胺類9類化合物，黑菊芋中含有烴類、醇類、醚類、醛類、酮類、酯類6類化合物，揮發(fā)性成分在類別上有所減少。

2.2 加工前后揮發(fā)性物質(zhì)的變化

由表1可知，菊芋中鑒定出的主要成分為碳?xì)浠衔?，加工前后有較大變化，其中鮮菊芋、黑菊芋中脂肪烴分別占總峰面積的57.89%和84.77%，芳香烴分別占總峰面積的1.85%和2.58%，醇類物質(zhì)分別占總峰面積的10.77%和0.33%，醛類物質(zhì)分別占總峰面積的0.89%和1.83%。加工后烴類物質(zhì)含量有所增加，黑菊芋中的脂肪烴比鮮菊芋高出26.88個(gè)百分點(diǎn)，芳香烴高出0.73個(gè)百分點(diǎn)，醇類含量明顯下降，降了10.44個(gè)百分點(diǎn)。鮮菊芋中檢測(cè)出的酸類、酚類和胺類化合物在黑菊芋中沒(méi)有檢出，尤以酸類減少明顯，由19.4%到未檢出。

表2 菊芋加工前后揮發(fā)性成分的種類及相對(duì)含量Table 2 The types and relative content of volatile compounds of Jerusalem artichoke before and after processing treatment

續(xù) 表

續(xù) 表

注：“-”表示樣品中未檢測(cè)到該化合物。

由表2可知，鮮菊芋和黑菊芋中都含有的烴類化合物有26種，其中相對(duì)含量較高的有2,3,3-三甲基己烷、2,7,10-三甲基十二烷、4,6二甲基十二烷、正廿一碳烷等。菊芋加工前后均含有芳香烴萘和丁基羥基甲苯，相對(duì)含量變化不是很大，推測(cè)應(yīng)該是菊芋的風(fēng)味物質(zhì)成分。鮮菊芋中相對(duì)含量最高的是β-紅沒(méi)藥烯(14.3%)，它也是菊芋地上部分的主要揮發(fā)性成分，具有溫暖的木香、柑橘香、花香、果香、青香和甜潤(rùn)的香脂香氣。黑菊芋相對(duì)含量最高的是17α(H),21β(H)-28,30-雙降藿烷(14.44%)。

共鑒定出7種醇類化合物，順-1,4-環(huán)辛二醇、2-丁基1-辛醇、順式澳白檀醇、順式α-白檀油烯醇、18-溴代正十八烷醇、2,2,4三甲基-3-(3,8,12,16四甲基十七烷-3,7,11,15四烯基)環(huán)己醇和E,E,Z-1,3,12-十九烷三烯基-5,14-二醇。加工成黑菊芋后只保留了2-異丙基-5-甲基-1-庚醇。

醛類化合物閾值通常比其他化合物低，且具有脂肪香味，在鮮菊芋和黑菊芋中分別鑒定出2種，鮮菊芋中含有苯乙醛(0.78%)和壬醛(0.11%)，黑菊芋中含有苯乙醛(0.63%)和3-呋喃甲醛(1.20%)。苯乙醛具有類似風(fēng)信子的香氣，稀釋后具有水果的甜香氣，是菊芋的特征性風(fēng)味物質(zhì)之一，張艷[7]也從腌制菊芋中鑒定出此成分。壬醛具有玫瑰、柑橘等香氣，在紅茶、綠茶中也含有此種物質(zhì)。3-呋喃甲醛應(yīng)該是菊糖水解后在菊芋中有機(jī)酸的催化作用下經(jīng)高溫產(chǎn)生的[8]，具有杏仁氣味。

酮類化合物只檢出異氟爾酮，在鮮菊芋和黑菊芋中相對(duì)含量分別為0.19%和0.36%，異氟爾酮是一種揮發(fā)性酮，帶有薄荷香和樟腦味，曾在杜氏鹽藻中發(fā)現(xiàn)且含量較高[9]，應(yīng)該對(duì)菊芋的特征風(fēng)味有所貢獻(xiàn)。

醚類化合物在鮮菊芋中檢出6種，黑菊芋中檢出3種，經(jīng)鑒定都與雙異十二烷基二硫醚相似，只是相似程度有所不同，加工前后醚類化合物的總體相對(duì)含量分別為1.95%和1.17%，略有減少，硫醚類化合物會(huì)產(chǎn)生一定的刺激性氣味，含量減少對(duì)于黑菊芋形成良好的風(fēng)味有一定幫助。

本試驗(yàn)中在鮮菊芋中檢測(cè)到1種胺類物質(zhì)為己內(nèi)酰胺(1.11%)，但是在黑菊芋中沒(méi)有檢測(cè)到，有文獻(xiàn)記載在菊芋發(fā)酵酒中含有該物質(zhì)，只是含量較少(0.1%)，可能是己內(nèi)酰胺不耐高溫，在加熱過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌衔铩?/p>

關(guān)于酯類化合物，本試驗(yàn)在鮮菊芋中檢測(cè)到2-乙基己基-十二烷基亞硫酸酯(0.30%)和鄰苯二甲酸丁基-十四烷基酯(0.78%)2種，但是在黑菊芋中并沒(méi)有這2種化合物，只檢測(cè)到L-抗壞血酸二棕櫚酸酯(1.09%)。酯類可由無(wú)機(jī)酸或有機(jī)酸與醇進(jìn)行酯化反應(yīng)縮水而成，本試驗(yàn)中在鮮菊芋中檢測(cè)到5種酸和7種醇，在黑菊芋中只檢測(cè)到少量的2-異丙基-5-甲基-1-庚醇，加工成黑菊芋后5種酸全部消失，其中包括相對(duì)含量4.03%的棕櫚酸，推測(cè)是與醇類反應(yīng)生成了L-抗壞血酸二棕櫚酸酯。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)同時(shí)蒸餾萃取結(jié)合氣質(zhì)聯(lián)用法對(duì)菊芋加工前后的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行分析，菊芋經(jīng)高溫密封加熱后，揮發(fā)性成分類別減少，但是數(shù)量有所增加，其中碳?xì)浠衔锵鄬?duì)含量占總揮發(fā)性成分較大，主要來(lái)自于烷烴和烯烴受熱后，發(fā)生了系列化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生某些新的物質(zhì)，但是由于烴類物質(zhì)的閾值較高，對(duì)于鮮菊芋和黑菊芋的風(fēng)味差異不會(huì)產(chǎn)生極大的影響。羰基化合物主要包括醛類、酮類，是菊芋主要的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，加工成黑菊芋后醛類物質(zhì)相對(duì)含量有所提高，成分也略有改變，苯乙醛一直存在，壬醛消失，增加了3-呋喃甲醛，這幾種物質(zhì)都具有香甜氣味，因此不會(huì)改變菊芋的原有風(fēng)味。酮類物質(zhì)也被認(rèn)為是低閾值揮發(fā)性成分，菊芋加工前后檢測(cè)到的共同也是唯一的酮類化合物異氟爾酮，在黑菊芋中相對(duì)含量略有提高，這對(duì)菊芋原有風(fēng)味的保持有較大幫助。醇類物質(zhì)順-1,4-環(huán)辛二醇、2-丁基1-辛醇、順式澳白檀醇、順式α-白檀油烯醇、18-溴代正十八烷醇、2,2,4三甲基-3-(3,8,12,16-四甲基十七烷-3,7,11,15-四烯基)環(huán)己醇和E,E,Z-1,3,12-十九烷三烯基-5,14-二醇經(jīng)加工后均未檢測(cè)出，因加工前后菊芋的整體香氣沒(méi)有明顯改變，推測(cè)其特征氣味與這7種醇類物質(zhì)相關(guān)性不大。值得一提的是黑菊芋中仍保留一定含量的二硫醚類化合物和新產(chǎn)生的L-抗壞血酸二棕櫚酸酯對(duì)黑菊芋的功效有極大貢獻(xiàn)。二硫醚類化合物存在于大量的天然產(chǎn)物中，在抗細(xì)菌、抗真菌、抗腫瘤等許多方面都有良好的生物活性[10-12]。L-抗壞血酸棕櫚酸酯是一種極重要的抗壞血酸衍生物，是一種脂溶性抗氧化劑，具有抗氧化及防止血管硬化、治療敗血癥的藥理作用，明顯優(yōu)于其他同類抗氧化劑，是近幾年國(guó)際上認(rèn)可的一種新型食品添加劑，只需微量加入，就能起到抗氧化和保鮮作用，延長(zhǎng)食品貯存時(shí)間，并能增加食品的色、香、味和營(yíng)養(yǎng)，且無(wú)毒無(wú)害，安全可靠[13]，這也是黑菊芋加工過(guò)程中無(wú)需添加任何防腐劑就可以保證一定保質(zhì)期的原因之一。

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IdentificationofVolatileCompoundsinBlackJerusalemartichokebyGC-MS

JI Yan-ru1, WEI Lian-hui1, YANG He-qing2, YANG Qing-li1,SUN Yu-feng1, LIU Yu-feng1, DONG Yan1

(1.Daqing Branch of Heilongjiang Academy of Sciences,Daqing 163319,China;2.Heilongjiang University of Chinese Medicine,Harbin 150040,China)

The simultaneous distillation-extraction (SDE) is used for extracting the volatile substances in freshJerusalemartichokeand blackJerusalemartichoke. The gas chromatography-mass spectrometry(GC-MS) is employed to analyze the volatile substances of freshJerusalemartichokeand blackJerusalemartichoke. 81,88 chromatographic peaks are separated from volatile substances in freshJerusalemartichokeand blackJerusalemartichoke. There are 26 kinds of hydrocarbon compounds in the two samples. These compounds account for 59.74% and 87.35% in freshJerusalemartichokeand blackJerusalemartichokerespectively.The main volatile compounds ofJerusalemartichokeare 3 kinds of disulfide compounds, phenylacetaldehyde, isophorone and 2-isopropyl-5-methyl-1-heptanol.The new ingredient L-ascorbyl palmitic acid diester increases the aroma of blackJerusalemartichokeand gives it a certain antioxidant effect.

blackJerusalemartichoke；volatile compounds；GC-MS

TS207.3

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.11.026

1000-9973(2017)11-0117-06

2017-05-15

黑龍江省院所基本應(yīng)用技術(shù)研究專項(xiàng)(ZNBZ2017DQ01)

姬妍茹(1971-)，女，黑龍江五常人，副研究員，碩士，研究方向：食品生物技術(shù)。