电子鼻结合气相色谱-质谱联用技术分析贮存条件对马铃薯面包挥发性成分的影响

孙 莹，苗榕芯，江连洲

（1.哈尔滨商业大学旅游与烹饪学院，黑龙江 哈尔滨 150000；2.东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

马铃薯营养丰富，含有人体必需氨基酸、膳食纤维、蛋白质，同时含有较高的碳水化合物、多种维生素及胡萝卜素等营养成分[1]，是全球第四大粮食作物[2]。2015年农业部把马铃薯主粮化列为重要议程，鼓励研制和生产符合国民饮食习惯的马铃薯主粮化产品[3]。将马铃薯全粉和小麦粉混合制成马铃薯面包，有利于提高蛋白质的功效[4]，增加营养价值，并且能够使面包的品质得到改善[5]。将马铃薯全粉添加到面包中，可研制出风味和品质良好的马铃薯面包[6]。由于风味物质是食品感官检验的重要指标，而面包风味的形成主要来自微生物发酵、酶反应以及烘烤热反应等[7]，在不同方式贮藏过程中挥发性风味物质极易发生变化。因此，比较不同贮藏方式和贮藏时间马铃薯面包挥发性风味物质变化，是评价马铃薯面包品质的重要指标之一。

电子鼻技术采用传感器阵列获得被分析物质的响应信号，利用参数模型技术将响应信号处理成数据，获得指纹图谱[8]，对样品整体风味信息的分析，具有操作简单、灵敏度高等特点[9]，广泛应用于食品各个领域[10-13]。顶空固相微萃取-气相色谱-质谱（headspace solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME-GC-MS）联用法是一种对样品的挥发性成分进行分离、鉴定的新型方法，可对样品进行采集、萃取、浓缩和进样处理，可实现风味物质定性定量分析，在食品挥发性成分测定方面应用广泛[14-15]。将两者结合可以实现微观分析与宏观处理相结合的马铃薯面包风味的综合分析。

目前，国内外对于面包挥发性风味的研究较多，Tatsuro等[16]利用静态HS-SPME-GC-MS和感官评价白面包中的风味化合物，发现仪器和感官分析结果不同，主要高估了醇类物质对风味品质的影响。Flander等[17]在面包中加入燕麦全粉和小麦面粉，可增强面包风味。齐琳娟等[18]研究小麦麸皮和大豆粉对面包风味的影响，小麦麸皮面包风味物质共87 种，总含量减少11.36%，但使麸皮面包香味更浓郁，全脂大豆粉面包风味物质共89 种，总含量增加9.89%，且影响风味的物质含量均增加。但对于不同贮藏时间和贮藏方式处理后马铃薯面包挥发性物质变化进行分析和研究较少。

本实验以马铃薯面包为对象，利用电子鼻结合HSSPME-GC-MS探讨不同贮藏时间和贮藏方式下马铃薯面包中挥发性风味化合物构成及其特征变化，弥补感官评价识别度低的缺点，为其品质控制与新鲜度评价提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黄油 惠州市年年丰粮油有限公司；即发性活性干酵母、绵白糖 安琪酵母股份有限公司；精制盐营口盐业有限责任公司；全脂奶粉 内蒙古伊利实业集团股份有限公司；马铃薯全粉 上海今良食品技术有限公司；高筋小麦粉 河北金沙河集团；鸡蛋 哈尔滨市家乐福超市。

1.2 仪器与设备

16/13豪华型食品发酵箱 广州市澳联斯厨具有限公司；SGB-3Y烤箱 广州三麦烤箱有限公司；Inose型智鼻 上海瑞玢国际贸易有限公司；MP5002电子天平上海恒平科学仪器有限公司；BCD-216SDGK冰箱青岛海尔股份有限公司；7890A-5975C GC-MS联用仪美国安捷伦公司；Combi PAL顶空萃取装置 瑞士CTC公司。

1.3 方法

1.3.1 马铃薯面包的制作

高筋小麦粉、马铃薯粉和奶粉混合后，加入白糖→加入鸡蛋、温水和溶解好的干酵母→揉制面团→加入黄油和盐，并将黄油和盐全部揉进面团→整形→醒发→入烤箱烘焙→冷却

马铃薯面包制作配方：高筋粉85.0 g、马铃薯全粉15.0 g、糖17.0 g、奶粉4.0 g、水46.0 g、酵母1.4 g、鸡蛋10.0 g、盐1.0 g、黄油6.0 g。每个面团50.0 g，醒发60 min，烤箱上火170 ℃，下火160 ℃，烘烤15 min。

1.3.2 马铃薯面包的贮藏

以烘烤当天记为实验第1天，烘烤成型后，一批置于室温4 h后进行测量，即为常温贮藏第1天数据，后常温贮藏9 d；另一批置于冰箱（2 ℃）冷藏4 h，为冷藏第1天数据，后密封冷藏保存9 d分别测量数据。

1.3.3 电子鼻测定

分别在第1、2、3、4、5、6、7、8、9天对冷藏和常温贮藏马铃薯面包样品进行电子鼻检测。分别取样品2.0 g置于50 mL顶空瓶中，加盖密封，室温放置30 min，待样品的挥发性成分至平衡状态后，插入电子鼻探头吸取顶端空气分析测定其挥发性物质。电子鼻测定参数：清洗时间120 s，样品准备时间10 s，测定时间60 s，载气流速150 mL/min，每组样品测定5 次。

1.3.4 HS-SPME-GC-MS分析马铃薯面包贮藏过程中挥发性风味物质

1.3.4.1 挥发性成分风味物质的提取

准确称取1.0 g面包样品，放入15 mL SPME样品瓶中，盖好瓶盖，在60 ℃水浴中平衡20 min。后将萃取头在GC进样口250 ℃老化30 min去除杂峰，插入装有2 cm-50/30 μm DVB纤维头的手动进样器，顶空萃取40 min。萃取完成后，迅速移出萃取头，立即插入GC-MS进样口，以不分流模式热解吸挥发物3 min，进行GC-MS联机分析。

1.3.4.2 挥发性风味化合物的分析

GC条件：色谱柱为HP-5MS 5% Phenyl Methyl Silox石英毛细管柱（30 m×250 μm，0.25 μm）；进样口温度250 ℃；升温程序：初始柱温40 ℃，保持2 min，以6 ℃/min升温至120 ℃，保持5 min，再以10 ℃/min升至250 ℃，保持8 min；载气（He）流量1.23 mL/min；柱前压力10 psi；不分流进样，溶剂延迟1 min。

1.3.4.3 挥发性风味化合物的定性定量分析

所得GC-MS检测结果通过计算机NIST 2008谱库和人工检索处理，并利用C8～C20正构烷烃的保留时间计算各个色谱峰的保留指数，参考相关文献定性鉴定检出成分，确定挥发性物质的化学组成，统计匹配度大于80（最大值100）和纯度较高的挥发性成分，按峰面积归一法计算各化学成分的相对含量。

1.4 数据处理

用电子鼻系统配套的软件，对马铃薯面包常温和冷藏贮藏1～9 d样品测定的电子鼻挥发性成分数据进行主成分分析（principle component analysis，PCA）、线性判别分析（linear discriminant analysis，LDA）和判别因子分析（discriminat function analysis，DFA），其他数据统计分析使用Excel软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 电子鼻对不同贮藏方式和贮藏时间马铃薯面包的区分

2.1.1 PCA

由图1a可知，常温贮藏9 d马铃薯面包主成分1和主成分2贡献率分别为78.7%和18.8%，总贡献率为97.5%，大于95%，干扰较小，说明该方法有效且能很好地反映样品的整体信息，即可以代表样品挥发性风味的主要特征，每组样品测定数据均呈较小的三角形，说明电子鼻数据的稳定性和重复性好。马铃薯面包的挥发性成分随贮藏时间的延长而变化，且不同贮藏时间的马铃薯面包气味响应值没有重叠区域，因此可将常温贮藏样品较好地进行区分。由图1b所示，冷藏9 d马铃薯面包主成分1贡献率为88.4%，主成分2贡献率为9.3%，总贡献率为97.7%，说明该方法有效，足以收集特征信息，且响应值没有重叠。

比较图1a和1b可知，PCA图差异很大。其原因可能是马铃薯面包贮藏的温度不同，体内微生物总数量及酶活力有很大不同，因此出现异味的速率不同，然而酶活力及微生物作用与水分活度密切相关，在低温条件下面包水分活度下降速率低于常温面包，减缓面包腐败变质[19-20]。由此看来，利用电子鼻结合PCA对不同贮藏期马铃薯面包挥发性成分的测定可行。

城市里还有一种东西让人无法忍受，那就是无处不在的恶臭味。西瓜皮、各种腐败的食物、死老鼠、宠物的尸体等，在烈日和高温的烘烤下发酵、蒸腾。

图1 常温贮藏（a）和冷藏贮藏（b）9 d马铃薯面包电子鼻响应值的PCAFig.1 PCA of E-nose responses to potato bread stored at room temperature (a) and under cold conditions (b)

2.1.2 LDA

从图2a可以看出，常温贮藏1～9 d马铃薯面包样品判别式LD1和判别式LD2的总贡献率为97.8%。从图2b可知，冷藏贮藏样品判别式LD1和判别式LD2的总贡献率为97.8%。从2 种贮藏方式不同贮藏期三角形的分布来看，不同贮藏时间样品互不重叠，区别明显，说明该方法可有效地区分不同贮藏期马铃薯面包样品的挥发性气味。常温和冷藏贮藏第2、3、4、5、6天呈梯队变化，说明这几天马铃薯面包挥发性气味变化较小，具有相似的挥发性成分，而第7、8、9天风味速率变化较大，说明这3 d挥发性成分变化剧烈，可能发生变质现象。这种现象的出现是由于不同贮藏期面包老化速率不同，随贮藏时间延长，面包中自由水减少，结合水增加，水分含量及状态对面包老化速率有显著影响[21-22]。因此，常温和冷藏条件下不同贮藏时间的面包，其挥发性气味有很大差别。比较图1与图2可知，采用LDA区分效果明显优于PCA。

图2 常温贮藏（a）和冷藏贮藏（b）9 d马铃薯面包电子鼻响应值的LDAFig.2 LDA of E-nose responses to potato bread stored at room temperature (a) and under cold conditions (b)

2.1.3 DFA

图3 常温贮藏（a）和冷藏贮藏（b）9 d马铃薯面包的DFAFig.3 DFA of potato bread stored at room temperature (a) and under cold conditions (b)

由图3可知，常温和冷藏贮藏1～9 d的样品分别有各自的区域且不重叠，模型效果良好，可用于对未知样品进行判别。依据建立的DFA模型，对常温贮藏第8天和冷藏贮藏第1天马铃薯面包检验品进行判别，从图3可知，常温第8天和冷藏第1天检验品落在相应组别中，判别结果良好。因此可以采用DFA方法建立不同贮藏期马铃薯面包识别模型，可对未知贮藏期马铃薯面包进行有效识别。而常温贮藏第5、6、8、9天主要集中在DF1正半轴，其余天数集中在DF1负半轴；冷藏贮藏1～9 d全部集中在DF1负半轴，冷藏和常温贮藏马铃薯面包气味之间有明显差异。

2.2 贮藏方式和时间对马铃薯面包挥发性风味物质种类的影响

图4 常温第1天（a）、常温第6天（b）和冷藏第6天（c）马铃薯面包挥发性成分总离子图Fig.4 Total ion current chromatograms of volatile components of potato bread on the first (a) and sixth (b) day of storage at room temperature and on the sixth day of storage under cold conditions (c)

表1 不同贮藏方式和时间的马铃薯面包挥发性风味物质种类及相对含量Table1 Relative content of each class of volatile flavor compounds in potato bread at different storage times under different conditions

本实验样品马铃薯面包为未添加防腐剂产品，结合感官评价和电子鼻分析结果，马铃薯面包在常温第1天品质最优，常温和冷藏第6天品质发生较大的变化。电子鼻虽能看出样品之间差别，但无法显示马铃薯面包中挥发性物质发生变化的情况，因此，采用HS-SPME-GC-MS技术比较常温第1天、常温第6天和冷藏第6天3 种马铃薯面包挥发性物质变化，不同贮藏期下马铃薯面包的主要挥发性成分总离子见图4，分析结果如表1所示。

从图4可知，常温第1天、冷藏和常温贮藏第6天马铃薯面包的谱图峰发生极大的变化，包括挥发性风味化合物的种类不同，每种风味化合物的相对含量也有很大的差异。

如表1所示，常温第1天马铃薯面包样品共检测出17 种风味化合物，经常温和冷藏2 种方式贮藏6 d后，风味化合物分别变为14 种和4 种，其中只有1 种物质（甲氧基-苯基-肟）为3 种面包共有。在常温第1天马铃薯面包样品中，酯类物质相对含量较高，为57.298%，而常温和冷藏第6天时，相对含量较高的物质分别是醇类和醚类，分别为54.016%和69.143%。在所检测出的风味物质中，醇类、酯类和烃类所占比例较大且种类较多。常温第1天马铃薯面包醇类物质相对含量为2.922%，经过常温贮藏后变为54.016%，增加17.5 倍，而冷藏后为19.407%，增加5.6 倍。常温第1天样品中酯类化合物57.298%，冷藏后消失，常温贮藏后下降82.7%，为9.940%。原样品中烃类化合物23.366%，冷藏后消失，常温后变为6.364%。以上结果说明，随贮藏时间延长，马铃薯面包挥发性成分差异较大，风味物质种类和含量降低。

2.3 贮藏方式和时间对马铃薯面包挥发性风味物质成分的影响

2.3.1 醇类物质

表2 不同贮藏方式和时间的马铃薯面包挥发性风味成分及相对含量Table2 Volatile flavor compositions of potato bread at different storage times under different conditions

续表2

醇类物质主要产生于脂肪氧化、酯类化合物分解和醛类化合物还原[24]，马铃薯面包中油脂含量较高，因此脂质的氧化分解是醇类物质生成的重要反应。大部分醇类物质的感知阈值较高，常伴有芳香、植物香、酸败味和土气味，样品中的醇均为不饱和醇，而不饱和醇的阈值相对较低，对马铃薯风味的贡献率较高，可赋予面包马铃薯的香气[25]。如表2所示，常温第1天马铃薯面包中为苯乙醇，含量为2.922%，苯乙醇有清纯的玫瑰花香，该物质也是我国规定允许使用的香料，被广泛应用于花香油、化妆品香精和食用香精中[26]；冷藏第6天为二甲基硅烷二醇，相对含量为19.407%；常温贮藏第6天为苏式-3-溴-2-戊醇、1-氯-2-丙醇、二甲基硅烷二醇和D-薄荷醇，相对含量为54.016%。2 种方式贮藏6 d后，醇类物质含量大幅升高，这主要是由于二甲基硅烷二醇的出现引起的，因而猜测该醇可能是造成贮存后期马铃薯面包气味产生变化的主要成分。

2.3.2 酯类物质

酯类化合物是酸、醇在高温作用下生成的产物，为面包带来果香气和奶气[27]，贮藏后酯类含量降低，说明马铃薯面包风味品质下降。从表2可以看出，常温第1天马铃薯面包样品中醇类和酸类物质的比例都很低，但是酯类的比例却最高，而常温贮藏第6天样品中醇类和酸类物质比例较高，酯类化合物比例却不高，因此，醇类和酸类的含量不与酯类含量成正比，其可能和醇、酸的种类有关。常温第1天马铃薯面包中最主要的酯类物质为苯二羧酸甲基丙酯，占样品酯类总量的76.287%以上，其中O2-丁基O1-（2-甲基丙基）苯-1,2-二羧酸酯和（+）-D-乳酸乙酯仅在常温贮藏第6天样品中检测出，说明样品在贮藏过程中合成新的酯类物质，但是贮藏条件不同合成的物质也有很大差别。

2.3.3 烃类物质

常温第1天马铃薯面包中有5 种烃类化合物，相对含量为23.366%，高于贮藏后样品中烃类的含量和种类。由于烃类物质具有较高的芳香阈值，不具有风味活性，对样品整体风味的贡献率较小[28]，但其含量丰富，且有些是产生杂环化合物的重要中间体，有利于提升马铃薯面包的整体风味品质[29]。常温第1天样品烃类相对含量为23.366%，约占总化合物含量的25.698%，其中α-异松油烯属于单萜类化合物，赋予面包微甜的柑橘香气[30]；而冷藏后烃类物质几乎消失，常温贮藏后烃类相对含量为6.364%，说明贮藏后马铃薯面包整体风味下降。

2.3.4 醚、酮、醛、酸类物质

醛类是酵母在较高温度下形成的副产物，常温第1天马铃薯面包中相对含量为3.732%，冷藏后为2.416%，其含量比较小，但由于其风味阈值较低，是面包重要风味物质之一，根据碳链长度差异性，C3～C9醛具有青香、蜡香和脂肪香，C10～C12醛具有花香和柑橘香[29]。常温第1天样品中检测出壬醛和反式-2,4-癸二烯醛，壬醛具有较尖锐的蜜蜡花香、油脂气味和甜橙气息，在贮藏后未检测出，可能是在贮藏过程中该物质挥发。酮类物质是脂肪氧化产生的，其阈值范围远高于同分异构体醛类，对整体风味贡献率较小，所以此类物质并不是马铃薯面包风味主要贡献物。常温第6天，3-甲硫基-2-丁酮相对含量为3.543%，据研究表明酮类化合物会赋予面包焦糊气味[30]。其他类型的面包风味检测中并未出现醛类，其主要是由马铃薯中醇类与淀粉反应生成的[31]。因此，马铃薯面包与其他类面包相比可出现独特的香味。从表2可以看出，酸类物质仅在常温贮藏第6天出现，为十六烷酸和肉豆蔻酸，其相对含量分别为7.089%和1.551%。

2.3.5 其他类

其他类包括杂环及含氮化合物，香气阈值较低，3 种马铃薯面包杂环及含氮化合物含量变化不大，面包在烘焙过程中发生一系列复杂的物理、化学反应包括美拉德反应、焦糖化反应、热降解作用等，随时间延长，这类物质不会消失。甲氧基-苯基-肟是一种含氮类化合物，具有霉味[32]，相对含量由1.790%（常温第1天）分别增加到7.035%（冷藏第6天）和7.460%（常温第6天），说明马铃薯面包在贮藏过程中品质劣变。这一结论与电子鼻PCA和LDA结论相符。

3 结 论

利用HS-SPME-GC-MS对常温第1天、冷藏第6天和常温第6天马铃薯面包挥发性物质进行检测分析，共检测出28 种挥发性物质。3 种马铃薯面包挥发性物质含量和种类差别较大，其中常温第1天马铃薯面包以酯类为主要挥发性成分，可赋予面包果香和奶香，贮藏后含量大量减少，说明样品贮藏后风味品质下降，冷藏和常温贮藏第6天分别以醚类和醇类为主要挥发性成分。贮藏后二甲基硅烷二醇、二甲醚、苯二羧酸甲基丙酯和反式-1-甲基-4-（1-甲基乙烯基）-环己烷这些有机物含量差别较大，可能是造成马铃薯面包挥发性气味不同的主要原因。这一结果符合电子鼻PCA和LDA结果，PCA和LDA均能有效地将不同贮藏期的马铃薯面包区分开来，同时利用DFA方法建立马铃薯面包不同贮藏期识别库模型，判别效果良好，但是利用电子鼻技术不能对挥发性成分进行定性定量分析，结合HS-SPME-GC-MS技术可分析影响面包风味变化主要化合物，这将为马铃薯面包不同贮藏期鉴别、合理加工及品质控制提供参考。