不同品種甘薯香味組分差異性分析

李 臣 王永徐 邱天越 葉夏芳 崔 鵬 陸國權(quán)

(浙江農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院；浙江省農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)改良技術(shù)研究重點實驗室；浙江農(nóng)林大學(xué)薯類作物研究所1，臨安 311300)(江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所；農(nóng)業(yè)部甘薯生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室；江蘇徐州甘薯研究中心2，徐州 221131)

甘薯[Ipomoeabatatas(L.)]，旋花科植物，是我國重要的糧食作物、飼料作物、工業(yè)原料及新能源作物[1]。近年來，隨著育種方向的改變，培育出許多專用型品種[2-7]。甘薯品質(zhì)的提高也引起育種工作者的關(guān)注。香味作為甘薯品質(zhì)的重要評價指標(biāo)，直接影響甘薯的消費量和產(chǎn)品加工。早在20世紀(jì)80年代，美國相關(guān)學(xué)者就對甘薯香味作出相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)淀粉、蛋白質(zhì)等不溶于甲醇和二氯甲烷的組分是甘薯香味形成的重要底物[8]，同時發(fā)現(xiàn)甘薯香味的形成涉及美拉德反應(yīng)、焦糖化反應(yīng)、脂類和類胡蘿卜素降解以及糖苷萜類的熱釋放以及部分酶促反應(yīng)等途徑[9]，進一步分析甘薯揮發(fā)性香味組分，發(fā)現(xiàn)麥芽酚、苯乙醛、香葉酸甲酯的香味稀釋因子最大[10]，是甘薯香味的重要組分。而國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，研究內(nèi)容較少，針對不同品種對香味的影響主要集中在玉米[11]、花生[12-13]、稻米[14-15]、南瓜[16]等農(nóng)作物。本研究以不同加工型甘薯為實驗材料，比較分析其香味組分的變化，旨在尋找甘薯營養(yǎng)成分與香味組分的相關(guān)性，探索甘薯香味組分的品種間差異，為甘薯傳統(tǒng)和分子育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本實驗選取12個不同類型甘薯品種，見表1。

表1 甘薯品種來源及品種特性

1.2 實驗設(shè)計

2016年4月1日將參試品種薯塊統(tǒng)一置于浙江農(nóng)林大學(xué)平山實驗基地智能溫室大棚育苗床消毒基質(zhì)中，進行排種育苗。6月23日分別剪取20～25 cm、健壯甘薯苗進行扦插。試驗地為校外山坳實驗基地，具體土壤性狀：pH=5.36，有機質(zhì)3.00%，水解氮含量224.48 mg/kg，速效鉀含量45.90 mg/kg，有效磷含量220.73 mg/kg；氣象條件：總降水量916.70 mm，總積溫3 161.20 ℃，總地溫3 732.50 ℃，總?cè)照臻L度703.90 h。種植采取單行高壟，壟寬50 cm，壟高30 cm，溝寬30 cm，株距30 cm。分小區(qū)種植，小區(qū)內(nèi)各品種隨機區(qū)組排列，每小區(qū)每個種植10株，小區(qū)面積23.4 m2，重復(fù)3次，以心香做保護行。10月23日統(tǒng)一收獲，每小區(qū)隨機收取5株，共15株。收獲后將薯塊分級處理，選取中等大小薯塊進行各試驗指標(biāo)測定和樣品制作。

1.3 樣品制備

粉樣制備：選取3～5個中等大小，完整無損薯塊，洗凈晾干，用切片機切成0.5 cm薄片，迅速用液氮浸泡，待冷凍透徹，轉(zhuǎn)移到冷凍干燥機中，-60～-80 ℃冷凍干燥，再用錘式旋風(fēng)磨磨粉，過80目篩，裝入自封袋，于-10 ℃冰箱內(nèi)保存，待用。

鮮樣制備：選取3個中等大小，完整無損薯塊，洗凈晾干，切成0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm的薯丁，混勻，裝入燒杯中，用封口膜密封，隨切隨用。

風(fēng)味測定樣品制備：取3個中等大小完好無損薯塊，洗凈晾干，用鋁箔紙包裹密封，置于烤箱中，上溫250 ℃，下溫200 ℃，烘烤45 min，待薯塊完全烤熟后，將3個薯塊混合均勻，取4.00 g薯泥放入20 mL萃取瓶中，進行香味物質(zhì)測定，隨烤隨測。

1.4 測定指標(biāo)與方法

干率測定：80 ℃烘干法；淀粉含量測定采用酸解DNS法；還原糖含量測定采用DNS比色法；可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍G-250染色法；氨基酸含量測定采用茚三酮顯色法；類胡蘿卜素含量測定參照NYT 1320—2007[17]；粗脂肪含量測定參照GBT 5512—2008[18]；香味組分測定：采用頂空固相微萃取技術(shù)(HS-SPME-GC-MS)測定。測定程序：萃取頭的老化：第一次使用時，將50 μm DVB/CAR/PDMS復(fù)合萃取頭在250 ℃氣相色譜進樣口老化30 min。萃取條件：將裝有甘薯樣品的萃取瓶放置在自動進樣器上，孵化溫度70 ℃，頂空吸附萃取時間50 min，待結(jié)束后，250 ℃解吸附5 min，同時啟動儀器收集數(shù)據(jù)。氣相色譜條件：HP-5MS色譜柱(30.0 m×250 μm×0.25 μm)；載氣為氦氣，流速1.0 mL/min，進樣方式自動進樣，進樣口溫度250 ℃，接口溫度250 ℃。程序升溫過程：程序升溫過程：起始溫度為50 ℃，保持2 min，；以20 ℃/min升溫速率升至110 ℃保持1 min；以5 ℃/min升溫速率升至250 ℃保持2 min；以30 ℃/min升溫速率升至280 ℃保持1 min。質(zhì)譜條件：電離方式為EI；電子能量為70 eV；離子源溫度為250 ℃；全掃描模式(SCAN)。

1.5 主要儀器設(shè)備

Agilent Technologies 7000 GC/MSTiple Quad三重四級桿氣質(zhì)聯(lián)用儀；50/30μm DVB/CAR/PDMS StableFlex/ss(1 cm)萃取針頭；GAMMA1-16LSC冷凍干燥機；T6-新世紀(jì)紫外分光光度計。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理，SPSS 17.0進行數(shù)據(jù)分析，Originpro 8.5進行作圖。香味組分經(jīng)GC-MS分離鑒定，通過計算機檢索與NIST 98質(zhì)譜庫標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖對照匹配，匹配度大于80(最大100)的結(jié)果予以確定。用峰面積歸一化法計算相對含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種甘薯品種主要營養(yǎng)成分差異分析

實驗對不同甘薯品種的各營養(yǎng)成分進行測定。見圖1，12個不同類型甘薯品種干率分布范圍在28.15%～36.04%，不同品種之間干率差異性達到顯著水平(P<0.05)，淀粉型品種普遍高于其他類型品種。干基淀粉含量變幅在61.91%～74.50%，而不同甘薯品種生薯還原糖含量，變化范圍在0.52%～1.88%，不同品種之間甘薯還原糖含量存在顯著差異(P<0.05)。生薯可溶性蛋白含量變化幅度在5.42～14.35 mg/g，浙薯20生薯可溶性蛋白含量顯著高于其他品種。不同甘薯品種生薯氨基酸含量差異較大。生薯類胡籮卜素含量品種間變范圍為0.51～10.46 mg/100 g，鮮食型甘薯生薯類胡蘿卜素含量顯著高于淀粉型。不同甘薯品種生薯粗脂肪含量存在顯著差異(P<0.05)。不同甘薯品種烘烤熟化后，干基淀粉含均呈現(xiàn)降低趨勢。還原糖含量均呈升高趨勢?？扇苄缘鞍缀渴旎蟪尸F(xiàn)顯著下降趨勢，且下降幅度較大，主要由于可溶性蛋白受熱分解。熟化后氨基酸含量升高，農(nóng)林54熟化氨基酸含量升高幅度最大，但浙薯13和浙紫薯3號熟化后氨基酸含量卻呈現(xiàn)降低變化，這種變化可能與可溶蛋白分解與氨基酸參與美拉德反應(yīng)有關(guān)。不同甘薯品種類胡蘿卜素含量均呈現(xiàn)降低趨勢。

注：不同小寫字母表示P<0.05水平上差異顯著。

2.2 不同品種甘薯品種香味組分差異分析

通過氣相-質(zhì)譜聯(lián)用測定了甘薯烘烤熟化后的香味組分，將香味物質(zhì)分為芳香族類、醛類、烯類及萜烯類、醇類、烷烴類、酮類、呋喃、吡喃及肼類等7類。芳香族和呋喃化合物可能是由細(xì)胞間還原糖降解產(chǎn)生的，芳香族化合物含量較少，但其是形成雜環(huán)化合物的重要中間體，對香味的形成起到至關(guān)重要作用[19]；醛類一般具有奶油、脂肪、香草以及清香等氣味，其風(fēng)味閾值較低[20]；酮類物質(zhì)主要來自于脂肪氧化和美拉德反應(yīng)，其閾值遠(yuǎn)高于其同分異構(gòu)體的醛類，一般認(rèn)為對風(fēng)味貢獻不大，主要對其他風(fēng)味物質(zhì)起輔助作用[21]；醇類物質(zhì)，在感官分析上具有較高的閾值，但其香氣活性值(OAV)值均較低，一般認(rèn)為來自于脂肪氧化[21]；烷烴類化合物主要來自脂肪酸烷氧自由基的均裂產(chǎn)生，其閾值較高[22]；而呋喃類化合物，如2-正戊基呋喃主要來自美拉德反應(yīng)、氨基酸和硫胺素的降解反應(yīng)[23]。各香味組分相對含量如表2所示，不同品種甘薯的芳香族類變化范圍在0.88%～11.06%，徐薯22芳香族類相對含量最高，浙薯20其相對含量最低。醛類的變化范圍在2.33%～12.47%,心香醛類的相對含量最高為12.47%，農(nóng)林54其醇類相對含量最低。烯類及萜烯類在甘薯香味組分中所占的比例最大，變化范圍在14.84%～64.96%，不同品種之間變化幅度較大，浙紫薯1號烯類及萜烯類相對含量顯著高于其他品種，為64.96%，而浙薯20期相對含量最低。浙紫薯3號最高，徐薯22醇類相對含量最低，而浙薯20和商薯19未檢測出醇類。甘薯香味烷烴類相對含量變化幅度為0.41%～5.54%，淀粉類甘薯品種浙薯20、浙薯75、徐薯22以及商薯19顯著比其他類型甘薯品種較高，分別相對含量為5.54%、1.83%、1.46%和2.85%。而淀粉型甘薯品種其酮類相對含量顯著低于其他類型品種，其中浙薯20、浙薯75以及商薯19未檢測出酮類，徐薯22酮類相對含量為0.10%。呋喃、吡喃及肼類變化范圍為1.83%～9.25%，廣薯87和農(nóng)林54在檢測過程中未檢出。

表2 不同品種甘薯熟化后香味組分相對含量

對香味物質(zhì)進一步分析結(jié)果如表3，12個甘薯品種香味組分中存在5種共有組分，分別為苯乙醛、苯甲醛、葵醛、β-愈創(chuàng)木烯和石竹烯。根據(jù)前人研究表明苯乙醛為甘薯重要的香味組分[10]，在12個不同類型品種中，心香苯乙醛相對含量最高為7.68%，浙薯20的相對含量最低，為0.20%。而苯甲醛不同品種間的變化幅度為0.47%～4.76%，相對含量最高為徐薯22，浙薯70次之，浙紫薯1號相對含量最低。葵醛的相對含量變化范圍在0.59%～3.48%之間。而β-愈創(chuàng)木烯和石竹烯相對含量變化范圍分別為0.11%～8.51%和0.05%～2.23%，農(nóng)林54的β-愈創(chuàng)木烯相對含量最高，浙薯259 β-愈創(chuàng)木烯相對含量最低；浙薯70石竹烯相對含量最高，而商薯19其相對含量最低。

表3 不同品種甘薯熟化后香味共有組分相對含量

2.3 營養(yǎng)成分與香味組分相關(guān)性分析

為了研究甘薯熟化前后主要營養(yǎng)成分的變化與甘薯烘烤熟化香味組分的相關(guān)性，分別對營養(yǎng)成分和甘薯香味組分和香味共有組分進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表4和表5所示，甘薯干率與烘烤熟化后香味組分的芳香族類呈顯著正相關(guān)性，同時生薯的氨基酸含量與醇類存在顯著正相關(guān)性，其他營養(yǎng)成分與甘薯香味組分相關(guān)性較差。進一步對甘薯香味共有組分進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)甘薯生薯淀粉含量與β-愈創(chuàng)木烯呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，而熟薯類胡蘿卜素含量與其呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.735。同時，生薯粗脂肪含量與石竹烯相對含量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，但熟薯粗脂肪含量分別于苯乙醛和葵醛呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)和顯著正相關(guān)。粗脂肪的變化量與苯乙醛相對含量呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)。結(jié)果表明，甘薯營養(yǎng)成分與甘薯熟化后香味組分或香味共有組分存在顯著相關(guān)性。

表4 干率及營養(yǎng)成分與甘薯香味組分相關(guān)性分析

表5 各營養(yǎng)成分與甘薯香味共有組分相關(guān)性分析

對甘薯營養(yǎng)成分變化量進行系統(tǒng)聚類分析，結(jié)果如圖2，聚類分析將12個不同類型甘薯品種分為3類：浙紫薯1號、浙薯75、廣薯87、農(nóng)林54、浙薯13、徐薯22、浙薯259、商薯19為第一類；浙薯70、浙紫薯3號、心香為第二類；浙薯20為第三類。此外，將甘薯熟化后香味組分進行主成分分析，得到三個主成分，按照三個主成分將不同類型甘薯品種進行散點聚類，結(jié)果如圖3，不同甘薯品種被分為4類：浙紫薯1號、浙薯75、廣薯87、農(nóng)林54、浙薯13、徐薯22、浙薯259、商薯19為第一類；浙紫薯3號、心香為第二類；浙薯20為第三類；浙薯70為第四類。將兩種聚類結(jié)果進行比對發(fā)現(xiàn)，不同甘薯品種分類具有顯著相似性，說明甘薯營養(yǎng)成分變化量與甘薯熟化后香味組分變化存在顯著相關(guān)性。

經(jīng)過對不同品種甘薯營養(yǎng)成分變化量進一步主成分分析，提取3個主成分，解釋77.55%的總方差。對營養(yǎng)成分變化量主成分分析成分矩陣進行分析，結(jié)果如表6所示，淀粉變化量對主成分1的貢獻率最大，系數(shù)為0.869；氨基酸變化量對主成分2的貢獻率最大，系數(shù)為0.680；而脂肪變化量對主成分3貢獻率最大，系數(shù)為0.645，類胡籮卜素變化量次之，系數(shù)為0.601。結(jié)果表明，淀粉變化量、氨基酸變化量及脂肪變化量對甘薯香味組分變化貢獻最大。淀粉、氨基酸以及脂肪分別為美拉德反應(yīng)與脂肪熱降解的底物，進一步證明美拉德反應(yīng)與脂肪熱降解是甘薯香味形成的重要途徑。

圖2 甘薯營養(yǎng)成分變化量聚類分析

圖3 甘薯香味組分散點聚類分析

表6 營養(yǎng)成分變化量主成分分析成份矩陣

3 討論

甘薯的營養(yǎng)成分含量品種間差異較大，不同營養(yǎng)成分品種間變異系數(shù)存在差異，干率、淀粉、粗蛋白等變異系數(shù)在20%，而粗脂肪、還原糖變異系數(shù)超過50%[24]。同時，甘薯烘烤熟化后，各營養(yǎng)成分的品種間變化量也有所不同。根據(jù)Wang 等[10]對甘薯烘烤香味形成途徑的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，甘薯香味的形成涉及美拉德反應(yīng)、焦糖化反應(yīng)、脂類和類胡蘿卜素降解以及糖苷萜類的熱釋放等途徑，其中美拉德反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)起到最主要的作用。因此，涉及上述反應(yīng)的相關(guān)營養(yǎng)成分的變化會直接影響甘薯香味物質(zhì)的形成。本試驗發(fā)現(xiàn)，淀粉、可溶性蛋白含量、類胡蘿卜素含量，在烘烤熟化后均呈現(xiàn)下降趨勢，且品種間變化量存在差異，但還原糖含量呈現(xiàn)上升趨勢；在烘烤熟化后，粗脂肪、氨基酸含量品種間變化趨勢存在降低和上升兩種趨勢，可能與不同品種基因型差異有關(guān)。氨基酸變化趨勢可能與可溶性蛋白受熱分解和參與美拉德反應(yīng)相關(guān)。同時，前人研究發(fā)現(xiàn)麥芽酚、苯乙醛、香葉酸甲酯等香氣釋放因子最大，是甘薯重要香味組分[10]。但本研究在所有甘薯品種中僅發(fā)現(xiàn)苯乙醛為所有甘薯共有香味組分，麥芽酚和香葉酸甲酯均未檢測出，通過對甘薯取樣、烘烤方式以及香味測定儀器和程序等比較，發(fā)現(xiàn)在甘薯樣品烘烤、取樣以及香味測定等方面均存在不同，可能導(dǎo)致結(jié)果不同。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，甘薯烘烤熟化后，香味組分品種間存在差異，不同加工類型之間也存在差異，淀粉型甘薯醇類和酮類相對含量少于其他類型。除此，同種加工類型的甘薯品種間也存在差異性。同時，試驗發(fā)現(xiàn)甘薯的干率與芳香族相對含量呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，生薯氨基酸含量也與醇類存在顯著相關(guān)性，粗脂肪以及類胡蘿卜素變化量等均與甘薯香味共有組分存在顯著或極顯著相關(guān)性，說明甘薯生薯各營養(yǎng)成分以及其熟化后的變化量對甘薯香味組分均存在影響。根據(jù)主成分分析和聚類分析也進一步證明這一結(jié)論。在今后甘薯育種和產(chǎn)品加工時，可根據(jù)控制和調(diào)節(jié)甘薯各營養(yǎng)成分的變化量調(diào)控甘薯熟化后的香味組分的變化，對甘薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展和育種具有重要指導(dǎo)意義。