基于SPME-GC-MS分析和比较荞麦籽粒不同部位挥发性成分

刘东旭，田忠华，赵悦琳，刘畅，于雷*

1. 吉林农业大学食品科学与工程学院（长春 130118）；2. 长春高新技术产业开发区预防保健中心（长春 130012）

荞麦又名三角麦、乌麦，在全世界广泛种植[1]。中国是荞麦的主要生产国之一，种植面积和产量均为世界第一[2]。荞麦富含蛋白质、淀粉、脂肪、膳食纤维等营养成分，氨基酸组成丰富，营养价值高于其他大宗粮食作物[3]。荞麦具有药用价值，含有丰富的黄酮类化合物和多酚等生物活性成分，具有抗氧化、降血糖和预防糖尿病等作用[4]。荞麦可分为鞑靼荞麦（Fagopyrum tataricumGaertn）和普通荞麦（Fagopyrumesculentum Moench）2种[5]。普通荞麦籽粒经研磨制成荞麦面粉，可制作多种中国传统美食，如荞麦面条、荞麦饸饹及荞麦馒头等。荞麦壳和麸皮是荞麦籽粒的加工副产物，含有大量膳食纤维、多糖及黄酮等成分，具有很高的开发价值，却经常被废弃。

关于荞麦壳和麸皮的研究主要集中于生物活性物质或膳食纤维等成分的提取。路静静等[6]从荞麦籽粒不同部位提取黄酮类化合物，并且比较其抗氧化能力。结果发现，荞麦壳抗氧化能力最好，其次是荞麦麸皮，荞麦面粉抗氧化能力较弱。杨芙莲等[7]利用荞麦壳提取膳食纤维研制咀嚼片。荞麦具有特殊的芳香气味，特别是荞麦壳和麸皮，然而关于荞麦挥发性成分的研究却较少。李凤等[8]通过蒸馏法提取出金荞麦挥发油，利用气质联用仪对挥发性成分进行分析鉴定。分析结果表明，金荞麦挥发油主要由单萜和倍半萜烯类化合物及其含氧衍生物构成，己醛、2-羟基-对茴香醛及α-萜品醇等成分含量较高。Janes等[9]通过蒸馏的方法提取荞麦挥发性成分，发现水杨酸是荞麦香气的重要成分。

试验以普通荞麦壳、粉和麸皮为原料，通过固相微萃取的方式提取挥发性成分，通过气质联用仪分离鉴定荞麦不同部位的挥发性物质。采用峰值面归一法计算挥发性成分相对含量，并且计算相对气味活度值，确定对主体风味影响较大的关键风味成分，以期明确荞麦不同部位特征风味，为其应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

普通荞麦面粉、荞麦壳、荞麦麸皮（内蒙古赤峰食品加工厂）；C7-C30饱和烷烃标准品（美国Sigma- Aldrich公司）。

1.2 主要仪器与设备

Agilent 5975型气相色谱-质谱仪（美国安捷伦公司）；固相微萃取装置，65 μm CAR/PDMS/DVB萃取头（美国Supelco公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 样品预处理

荞麦壳和荞麦麸皮经粉碎研磨，过孔径0.180 mm筛。

1.3.2 固相微萃取条件

称取2 g样品至15 mL顶空萃取瓶中，用隔垫迅速封口。顶空瓶于60 ℃水浴条件下预热平衡10 min。将SPME萃取针头插入顶空瓶，60 ℃水浴条件下，顶空萃取 60 min。迅速将萃取针插入气相色谱仪进样口，260 ℃条件下解吸30 s后，拔出萃取针头，进行GC-MS检测。

1.3.3 GC-MS条件

气相色谱条件：毛细管柱为HP-1701（30 m× 0.25 mm，0.25 μm）；前进样口温度260 ℃；载气（He）；流速1.0 mL/min；不分流模式进样；程序升温：柱温初始50 ℃，保持4 min，以3 ℃/min升至100 ℃，以10 ℃/min升至260 ℃，保持10 min。

质谱条件：离子源温度230 ℃，四极杆温度150 ℃；电子能量70 eV；质量扫描范围m/z 50～550。

1.3.4 荞麦挥发性成分的定性和定量

1.3.4.1 定性分析

挥发性成分采用NIST 05质谱数据库，结合标准化合物保留指数（RI）进行对比鉴定。RI[10]为根据目标挥发性化合物出峰时间与相同条件下烷烃的出峰时间，通过式（1）计算。

式中：n和n+1分别为目标化合物x出峰前后的正构烷烃所含碳原子数目；Tx为未知化合物的保留时间，min；Tn为较目标化合物所含碳原子数少1个的烷烃的保留时间，min；Tn+1为较目标化合物所含碳原子数多1个的烷烃的保留时间，min。

1.3.4.2 半定量分析

计算挥发性化合物总峰值面积，采用峰值面积归一法计算各化合物相对含量。

1.3.5 计算相对气味活度值

参考刘登勇等[11]的方法，通过式（2）计算挥发性成分的相对气味活度值，确定其对荞麦壳、粉、麸皮主体风味的影响能力。

式中：ROVA为气体相对气味活度值；CA、TA为物质A的相对百分含量及其感觉阈值；Cstan、Tstan为对样品主体风味贡献最大的成分的相对百分含量（以壬醛为标准物质）及其对应的感觉阈值。ROVA值越大，则该成分对样品主体风味贡献越大。

1.3.6 数据处理

表格采用Microsoft Excel 2010软件制作，柱状图采用Origin 2018软件制作。

2 结果与分析

2.1 荞麦不同部位挥发性成分分析

经GC-MS分析后，通过与NIST 05质谱数据库对比分析，对挥发性成分进行鉴别定性。结果如表1所示，共检测出67种成分；普通荞麦壳、粉、麸皮中分别有26，28和34种挥发性物质。图4和图5为荞麦不同部位挥发性成分的种类及相对含量，可知荞麦壳中醛类化合物含量较多，荞麦麸皮和荞麦面粉中烷烃类物质含量较多。

荞麦壳中含4种醛类（24.38%）、荞麦面粉中含2种（1.03%）、麸皮中含4种（4.19%）。醛类物质阈值较低，对风味影响较大[12]，故荞麦壳和麸皮气味较浓郁。其中，壬醛和正己醛在壳、粉、麸皮中皆有检出，在壳中含量最高，壬醛占11.74%，正己醛占6.47%。壬醛具有油脂味道和甜橙气息[13]，正己醛在浓度较低时具有青草味道和水果香气[14]，二者对荞麦整体风味影响较大。苯甲醛（0.89%）和癸醛（5.28%）仅在荞麦壳中被检测出，癸醛赋予荞麦壳水果香，苯甲醛具有杏仁味甜香[15]。Janes等[16]从新鲜荞麦籽粒中提取挥发性成分，发现己醛、癸醛和水杨醛对荞麦风味有关键作用。王娟等[17]提取苦荞中的挥发性成分，发现对苦荞提取物的风味影响较大的成分包括苯甲醛、苯甲醇、苯乙醛等，苯甲醛是苦荞提取物的关键风味成分之一。由此可知，醛类化合物对荞麦主体风味影响较大，荞麦壳和麸皮中醛类物质相对含量较荞麦面粉中含量高，气味较浓郁，主要呈甜橙气息和青草香气。

酮是羰基化合物的主要基团之一，挥发性的酮类很可能是脂质或氨基酸降解的产物[18]。荞麦中酮类化合物种类相对较少，荞麦面粉中未检测出酮类成分，荞麦壳和麸皮中含有酮类数量分别为4种和1种，相对含量分别为7.61%和0.86%。香叶基丙酮在荞麦壳中含量较高，占3.54%。酮类阈值较醛类物质高，不易被感知，对风味特征影响不大。

醇类化合物检测出4种，其中正辛醇和DL-薄荷醇含量较高，仅在荞麦壳中检出，相对含量分别为1.15%和5.22%。正辛醇带有柑橘和玫瑰香气[19]，荞麦壳的风味有一定贡献。

图4结果表明，荞麦中种类最多的挥发性成分是烃类物质，共检测出39种烃类化合物，其中荞麦壳、粉、麸皮中分别含有7，22和23种烃类，相对含量为11.29%，51.48%和44.06%。麸皮中检测到的烃类物质多为烯萜类成分，主要是（-）-β-荜澄茄油烯、（+）-柠檬烯及月桂烯等，相对含量分别为6.15%，4.7%和1.18%。Prosen等[20]提取荞麦全籽粒中的挥发性成分，发现柠檬烯具有较高的气味活度值。β-环柠檬醛和σ-杜松烯在荞麦中也被检测到，麸皮含有0.62%的β-环柠檬醛，荞麦面粉中含有0.88%的σ-杜松烯。马宁等[21]发现谷物的风味除了与某些特殊香气官能团有关，还与挥发性物质的碳链结构有关，随着碳链的不饱和程度提高，谷物的香气也随之馥郁。烯萜类物质属于不饱和化合物，通常具有芳香气味，并且容易在氧化等条件下，转化为阈值较低的醛类化合物，从而对风味产生影响。（-）-β-荜澄茄油烯主要存在于中药荜澄茄中，具有令人愉悦的樟木香，（+）-柠檬烯和月桂烯呈现新鲜橙子的气息。因此，荞麦麸皮和荞麦面粉含有丰富的烃类成分，呈甜橙香、樟木香。

荞麦中酯类成分相对较少，检测出4种酯类——2, 2, 4-三甲基戊二醇异丁酯和二氢猕猴桃内酯存在于荞麦麸皮中，相对含量分别为0.88%和0.22%；丙酸异戊酯和丁酸丁酯存在于荞麦壳中，相对含量分别为2.62%和0.64%。酯类化合物具有水果香，使整体风味清甜[22]。

此外，在荞麦壳和麸皮中还检测出2-正戊基呋喃，含量分别为3.14%和2.32%。呋喃类化合物主要来源于植物细胞中的还原糖降解，有些是形成杂环化合物的重要中间体，对香气形成起到重要作用。

图1 荞麦壳挥发性成分GC-MS总离子流色谱图

图2 荞麦麸皮挥发性成分GC-MS总离子流色谱图

图3 荞麦面粉挥发性成分GC-MS总离子流色谱图

表1 荞麦壳、粉和麸皮中的挥发性成分及含量

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接表1

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接表1

序号 保留指数 保留时间/min 化合物名称 挥发性成分相对峰值面积/%荞麦壳 荞麦麸皮 荞麦面粉61 1 141 9.771 邻-异丙基苯 - 1.45 0.46 62 1 327 12.036 1-甲基-1-(2-丙烯基) 苯 - - 1.58 63 1 423 13.377 1-亚甲基-1H-茚 0.97 - -64 1 555 15.075 1-(1, 5-二甲基乙基)-4-甲基苯 - - 1.60 65 1 762 17.592 (1, 1, 4, 6, 6-五甲基庚基) 苯 2.07 - -66 1 947 19.412 3, 4-二甲基-1, 1-联苯 0.26 - -67 2 021 20.144 2-(对甲基甲苯) -对二甲苯 0.27 - -注: -表示未检出

图4 荞麦壳、麸皮和荞麦面粉中挥发性化合物的种类

图5 荞麦壳、麸皮和荞麦面粉中挥发性化合物的相对含量

2.2 荞麦不同部位关键风味成分

物质含量一定时，阈值越小越容易被人体察觉[23]。采用相对气味活度值（ROAV）法，可以有效地评价各挥发性化合物对于主体风味的贡献能力。选取壬醛作为标准，将其ROAV值定义为100，ROAV值越大，则该挥发性成分对主体风味贡献越大，ROAV值大于1的成分称作关键风味成分。

表2是荞麦各部分主要挥发性成分及其阈值和气味特征。对荞麦主体风味贡献较大的挥发性成分大多数是醛类和烃类化合物。特别是醛类化合物，阈值较低，容易被人体感知，对荞麦风味影响较大。这些挥发性成分主要赋予荞麦柑橘味、青草味、水果味及坚果味，荞麦壳及麸皮所包含的关键风味成分较多。

在荞麦壳中，关键风味成分按ROAV值从高到低排列依次为壬醛、癸醛、正己醛和2-正戊基呋喃。荞麦麸皮中则为壬醛、正己醛、2-正戊基呋喃、β-环柠檬醛和月桂烯。荞麦面粉中为壬醛和正己醛。ROAV值小于1且大于0.1的挥发性化合物有苯甲醛、苯乙酮、香叶基丙酮、辛醇、松油烯、正十二烷、正十四烷和丁酸丁酯。以上挥发性化合物对荞麦不同部位的主体风味起到较大贡献。因此，荞麦的特殊风味主要由壬醛、癸醛、正己醛、2-正戊基呋喃和β-环柠檬醛构成。陈霞等[28]也得到类似结论，得出荞麦中主要风味成分为醛类、烷烃类和醇类，含量较高的风味化合物有己醛、壬醛、癸醛和2, 2, 4, 6, 6-五甲基庚烷。余丽等[29]发现苦荞中壬醛（8.66%）和癸醛（5.26%）含量较多。

表2 荞麦挥发性成分的阈值及ROAV值[24-27]

3 结论

通过固相微萃取结合气质联用的方法，分别对普通荞麦壳、粉、麸皮中的挥发性成分进行分析。通过计算挥发性成分的相对气味活度值，得到对主体风味影响较大的关键风味物质。鉴定出挥发性成分67种，其中荞麦壳中26种、荞麦面粉中28种、荞麦麸皮中34种。壬醛、癸醛和正己醛是荞麦壳的主要风味成分；壬醛和正己醛是荞麦面粉的主要风味成分；壬醛、正己醛、2-正戊基呋喃和β-环柠檬醛是荞麦麸皮的主要风味成分。结果表明，荞麦不同部位的挥发性成分种类和风味存在差异，荞麦特殊风味的浓郁程度明显不同。荞麦麸皮中挥发性成分含量较高且阈值低，气味最浓郁，其次是荞麦壳，荞麦面粉的风味相对较淡薄。试验结果为荞麦壳、麸皮等加工副产物的开发和应用提供理论依据。