氣味指紋圖譜技術(shù)在食品揮發(fā)性氣味分析中的應(yīng)用

謝 晶，佟 懿

（上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海201306）

氣味指紋圖譜技術(shù)在食品揮發(fā)性氣味分析中的應(yīng)用

謝 晶，佟 懿

（上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海201306）

氣味指紋圖譜技術(shù)是采用現(xiàn)代分析儀器，得到能夠反映樣品揮發(fā)性氣味物質(zhì)的特征性色譜、光譜以及其他圖譜的數(shù)據(jù)資料的技術(shù)。本文主要對建立食品氣味指紋圖譜的幾種最新技術(shù)以及研究現(xiàn)狀做了詳細(xì)的介紹。

指紋圖譜，揮發(fā)性物質(zhì)，SPME，GC/MS，GC-O，電子鼻

大多數(shù)食品，特別是新鮮水產(chǎn)品在捕撈、加工、貯存和運(yùn)輸過程中，受到外界環(huán)境、微生物和酶等因素的作用，其品質(zhì)會發(fā)生變化。隨著水產(chǎn)品貯存時(shí)間的延長，會很快導(dǎo)致蛋白質(zhì)的自溶分解，以及由于某些微生物生長和代謝生成胺、硫化物、醇、醛、酮、有機(jī)酸等，產(chǎn)生不良?xì)馕叮?-2］。揮發(fā)性氣味對食品整體品質(zhì)的評價(jià)起著重要作用，其中水產(chǎn)品揮發(fā)性氣味對其品質(zhì)的影響尤為顯著。通過對水產(chǎn)品特征揮發(fā)性物質(zhì)的測定，能夠判斷水產(chǎn)品的鮮度和腐敗階段。水產(chǎn)品在加工、貯藏、流通以及銷售過程中品質(zhì)的變化可將氣味指紋圖譜技術(shù)與感官品評的方法相結(jié)合，對水產(chǎn)品品質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)。因此，研究建立水產(chǎn)品的揮發(fā)性氣味指紋圖譜對于監(jiān)控其品質(zhì)變化是十分有效的。國內(nèi)一些學(xué)者［3-6］已將氣味識別技術(shù)引入到水產(chǎn)品品質(zhì)的評價(jià)中，通過準(zhǔn)確地提取、分析鮮活水產(chǎn)品及水產(chǎn)制品中的揮發(fā)性氣味成分，為其品質(zhì)變化的評價(jià)提供可靠、穩(wěn)定、專屬的判斷依據(jù)。本文主要對建立食品氣味指紋圖譜的方法以及研究現(xiàn)狀做了詳細(xì)的介紹，旨在為研究食品，特別是水產(chǎn)品與鮮活度（品質(zhì)）特征指標(biāo)高度相關(guān)的揮發(fā)性代謝物質(zhì)，建立水產(chǎn)品的揮發(fā)物指紋圖譜數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對其品質(zhì)直觀、快速的識別提供理論基礎(chǔ)。

1 指紋圖譜技術(shù)概述

“標(biāo)準(zhǔn)指紋圖譜”是指在固定的分析方法（包括儀器配置、操作條件、色譜柱及分離條件等）下，能夠穩(wěn)定、真實(shí)、全面地反映分析對象個性特征的唯一性圖譜。整體性和模糊性是指紋圖譜的基本屬性。同時(shí)指紋圖譜還具有專屬性、可量化性、穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、有效性、模糊性等特征［7-9］。指紋圖譜技術(shù)研究是建立在現(xiàn)代儀器分析、數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)手段以及計(jì)算機(jī)模擬方法的基礎(chǔ)之上的。

1.1 指紋圖譜在中藥材中的研究

指紋圖譜技術(shù)在中藥材上的應(yīng)用比較廣泛。中藥是依靠其所含的多種化學(xué)成分發(fā)揮綜合的醫(yī)療作用［10］。中藥指紋圖譜是將某種（或某產(chǎn)地）中藥材或中成藥經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幚砗?，采用一定的分析手段，即可得到的能夠?biāo)志該中藥材或中成藥特征的色譜或光譜的圖譜［11］。在不可能將中藥復(fù)雜成分都搞清的情況下，指紋圖譜的作用主要是反映復(fù)雜成分的植物中藥材及其制劑內(nèi)在質(zhì)量的均一性和穩(wěn)定性［12］。

目前，以指紋圖譜作為中成藥、草藥提取物這類含有混合物質(zhì)群的質(zhì)量控制方法，己經(jīng)成為目前國際共識［13-15］的方法。并且植物藥物的指紋圖譜已有一些相關(guān)的報(bào)道，魏剛［16］等利用氣相色譜-質(zhì)譜（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC/MS）技術(shù)對陽春砂仁的揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，建立了陽春砂仁揮發(fā)油特征指紋圖譜“數(shù)字化”信息模式。曹進(jìn)［17］等對桅子藥材中的脂溶性成分和揮發(fā)油進(jìn)行了GC/MS分析，并建立了相應(yīng)的氣相指紋圖譜。近年來許多學(xué)者利用指紋圖譜技術(shù)的特點(diǎn)，將指紋圖譜技術(shù)引入食品風(fēng)味研究領(lǐng)域中，對白酒［18］、葡萄酒［19］、干酪［20］、香醋［21］等食品進(jìn)行了氣味識別，為更多食品指紋圖譜的建立提供了基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1.2 指紋圖譜在食品中的應(yīng)用

指紋圖譜技術(shù)在食品中應(yīng)用就是將該技術(shù)與食品的質(zhì)量控制與品質(zhì)檢測聯(lián)系起來，對食品的品質(zhì)進(jìn)行整體的評價(jià)。食品指紋圖譜指把食品特有品質(zhì)（如香氣、元素組成等）通過特定的信息化處理后能對產(chǎn)品身份進(jìn)行分析識別的技術(shù)，這種識別具有唯一性，可用于產(chǎn)品真假的識別和產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)劣判別［22］。傳統(tǒng)分析食品風(fēng)味變化的方法一般是通過感官評定或個別成分的分析來評價(jià)食品的風(fēng)味及品質(zhì)，但是通過感官評定來分析食品品質(zhì)的變化受人為等外界因素的影響較大。而個別成分的分析不能反映食品的整體品質(zhì)的變化情況，而指紋圖譜技術(shù)的應(yīng)用可以解決這些問題，使食品的品質(zhì)評定更加準(zhǔn)確。

隨著近代色譜分析技術(shù)的飛速發(fā)展，一些常用于中藥氣味分析的先進(jìn)手段越來越多地被應(yīng)用到食品氣味變化分析中。國內(nèi)外的學(xué)者利用固相微萃?。⊿olid Phase Microextraction，SPME）技術(shù)、SPME-GC/ MS聯(lián)用技術(shù)、氣相-氫離子火焰（Gas Chromatography-Flame Ionization Detector，GC-FID）技術(shù)、氣相色譜-嗅聞（Gas Chromatography-Olfactometry，GC-O）技術(shù)以及電子鼻（Electric-Nose）等技術(shù)對扇貝［23］、鰱魚［4］、橄欖油［24］、咖啡豆［25］、新鮮豬肉［26］的揮發(fā)性氣味做了分析，這些研究證明了應(yīng)用食品氣味指紋圖譜能夠很好地反映食品中揮發(fā)性氣味物質(zhì)的變化與其品質(zhì)變化的關(guān)聯(lián)性。另外，利用色譜技術(shù)能夠?qū)κ称窊]發(fā)性氣味做出精確的分析，對食品的貯藏、加工及產(chǎn)品品質(zhì)的控制起到指導(dǎo)作用。

1.3 氣味指紋圖譜在水產(chǎn)品揮發(fā)物質(zhì)中的應(yīng)用

水產(chǎn)品中揮發(fā)性化合物形成的原因，主要是由于貯藏過程中水產(chǎn)品肉中發(fā)生的美拉德反應(yīng)及脂肪氧化生成了羰基和羥基化合物，而這些化合物含量的變化對確定水產(chǎn)品品質(zhì)起著十分重要的作用。建立水產(chǎn)品的氣味揮發(fā)性指紋圖譜，便可從氣味角度對水產(chǎn)品或水產(chǎn)制品品質(zhì)的變化程度進(jìn)行分析。

目前國內(nèi)學(xué)者較多研究了淡水魚類的揮發(fā)性氣味的組成和變化，國外學(xué)者則對貯藏加工的魚貝類海產(chǎn)品及水產(chǎn)品的揮發(fā)物質(zhì)變化研究較為深入，章超樺等［27］用氣相色譜-嗅覺感官實(shí)驗(yàn)（GC-Sniffing）的方法，確定了新鮮魚肉的氣味成分多是由揮發(fā)性羰基化合物和醇造成的，特別是揮發(fā)性羰基化合物易產(chǎn)生原生的、濃郁的香味，而揮發(fā)性醇則產(chǎn)生品質(zhì)較為柔和的氣味。陳俊卿等［28］通過優(yōu)化 SPME及GC/MS條件，建立了HS-SPME-GC-MS分析鑒定鮮活白鰱的揮發(fā)性氣味成分的方法，確定了27種揮發(fā)性成分為白鰱特有的氣味成分。周益奇等［5］采用同時(shí)蒸餾萃取法提取鯉魚中的揮發(fā)和半揮發(fā)性有機(jī)物，用GC/MS分析獲得了鯉魚腥味化合物的質(zhì)譜圖，鑒定了鯉魚中腥味和疑似腥味化合物，并確認(rèn)己醛、庚醛和2，4-二烯癸醛為魚腥味化合物。一系列的研究表明，利用氣味指紋圖譜技術(shù)分析水產(chǎn)品揮發(fā)性氣味物質(zhì)的成分與變化能很好地反映水產(chǎn)品品質(zhì)變化。此方法與傳統(tǒng)理化、感官分析法的獲得結(jié)果相比較有著很高的匹配度，其結(jié)果可信度較高，對檢測控制水產(chǎn)品品質(zhì)有著重要的參考價(jià)值。

2 構(gòu)建食品氣味指紋圖譜的主要技術(shù)

2.1 固相微萃?。⊿PME）技術(shù)

SPME是由加拿大Waterloo大學(xué)Pawliszyn及其合作者于1990年提出的［29］。SPME技術(shù)具有簡便、快速、經(jīng)濟(jì)安全、無溶劑、選擇性好且靈敏度高的特點(diǎn)，可直接與 GC/MS、高效液相色譜（High-Performance Liquid Chromatography，HPLC）、毛細(xì)管電泳儀（Capillary Electrophoresis，CE）等分析儀器聯(lián)用，集采樣、萃取、濃縮、進(jìn)樣于一體，大大加快了分析檢測的速度［30］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，關(guān)于SPME的出版物已達(dá)416種，將近50%是關(guān)于環(huán)境監(jiān)測問題的，食品和植物方面的應(yīng)用達(dá)20%［31］。

目前國內(nèi)外所用的 SPME裝置大多為美國Supelco公司的專利產(chǎn)品，也有自行研發(fā)的簡易裝置，效果也較為理想。SPME裝置形狀類似于一個微量進(jìn)樣器，很小巧，由萃取頭（biber）和手柄（Holder）兩部分構(gòu)成。根據(jù)有機(jī)物與溶劑之間“相似相溶”的原理，利用萃取頭表面的色譜固定相的吸附作用，將組分從樣品基質(zhì)中萃取富集起來，完成樣品的前處理過程。使用時(shí)，先將萃取頭鞘插入樣品瓶中，推動手柄桿使萃取頭伸出，進(jìn)行萃取。萃取有兩種方式，一種是直接插入樣品中進(jìn)行萃取，即浸入方式（Direct Immersion，DI）；另一種是將萃取頭置于樣品上空萃取，即頂空方式（Head Space，HS）。在達(dá)到或接近平衡后即萃取完成，縮回萃取頭，并轉(zhuǎn)移至氣相色譜進(jìn)樣器中，推出萃取頭完成解吸、色譜分析，整個過程90min即可完成。

SPME聯(lián)用技術(shù)的檢出限為ng/g～pg/g級，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差＜30%，線性范圍為3～5個數(shù)量級。這種技術(shù)特點(diǎn)對食品風(fēng)味成分，尤其是痕量成分的檢測具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，在實(shí)際研究中得以替代傳統(tǒng)的頂空技術(shù)（Head Space，HS）、（氮?dú)猓卟都?、固相萃取、同時(shí)蒸餾萃取法和超臨界流體萃取法等技術(shù)方法而廣泛應(yīng)用。田懷香［32］等人采用HS-SPME制備樣品，利用GC/MS分離鑒定了金華火腿的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，得出金華火腿的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)中含量較高的是醛、酸和酮類化合物，還有一些含硫或雜環(huán)化合物。Nigel［33］等人分別使用75μm Carboxen/ PDMS、65μm PDMS/DVB和65μm Carbowax/DVB三種涂層厚度不同的SPME萃取頭測定了熟制火雞中己醛的揮發(fā)性含量，并證明75μm Carboxen/PDMS對己醛的檢測響應(yīng)度、線性相關(guān)度以及測定精確度較之其它兩種萃取頭相對較好。SPME很好地解決了食品揮發(fā)性成分物質(zhì)提取的難題，利用色譜技術(shù)便可進(jìn)一步對食品揮發(fā)性成分物質(zhì)做出精確的分析和鑒定。

2.2 氣質(zhì)聯(lián)用色譜（GC/MS）技術(shù)

色譜法（Chromatography）是分析化學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的分析方法之一。這是因?yàn)楝F(xiàn)代色譜法具有分離和分析兩種功能，能排除組分間的相互干擾，逐個將組分進(jìn)行定性、定量分析。而且還可以制備純組分。因此，食品的氣味指紋圖譜構(gòu)建過程中，色譜法尤其是GC/MS聯(lián)用是首選的方法。

氣相色譜雖然具有很強(qiáng)的分離和分析化合物能力，但它對未知化合物定性能力差，而質(zhì)譜對未知化合物具有獨(dú)特的鑒別能力，幾乎能檢出全部化合物，并能給出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)信息。因此借助氣相色譜較強(qiáng)的分離能力與質(zhì)譜儀的鑒定物質(zhì)的能力相結(jié)合，組成氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀可以很好地完成對于氣味指紋圖譜的構(gòu)建工作。一方面，氣相色譜將食品中揮發(fā)性氣味物質(zhì)分離成一種純物質(zhì)或2～3個組分的混合物，是質(zhì)譜理想的“進(jìn)樣器”；另一方面，質(zhì)譜很好地彌補(bǔ)了氣相色譜所用檢測器，如FID，熱導(dǎo)檢測器（Thermal Conductivity Detector，TCD），電子捕獲檢測器（electron capture detector，ECD）等分析物質(zhì)時(shí)的局限性，更精確地鑒定了食品中揮發(fā)性組分，是氣相色譜理想的“檢測器”。將GC與MS聯(lián)用，彼此揚(yáng)長避短，無疑是復(fù)雜混合物分離和檢測的有力工具。

楊華［34］等人采用靜態(tài)HS-GC/MS技術(shù)初步鑒定了養(yǎng)殖大黃魚的揮發(fā)性成分組成，并證明醛類、酮類和胺類是養(yǎng)殖大黃魚的主要腥味成分，確定了2，4，7-癸三烯醛、4-庚烯醛、2，6-壬二烯醛是養(yǎng)殖大黃魚關(guān)鍵性的腥味物質(zhì)。Iglesias［35］等人運(yùn)用 HSSPME-GC/MS聯(lián)用技術(shù)測定了大西洋竹莢魚肌肉在氧化過程中相關(guān)的揮發(fā)性成分，并與傳統(tǒng)的化學(xué)指標(biāo)脂類過氧化值做了相關(guān)性研究，研究確定了大西洋竹莢魚肌肉氧化酸敗的主要揮發(fā)性成分是1-戊烯-3-醇、2，3-戊二酮或1-辛烯-3-醇。研究證明HS-SPME-GC/MS聯(lián)用技術(shù)對監(jiān)測大西洋竹莢魚肌肉在氧化過程中的揮發(fā)性成分是一種快速、廉價(jià)、方便、靈敏度高的方法。

GC/MS法的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)揮了氣相色譜法對復(fù)雜混合物的高效分離特長及質(zhì)譜在鑒定化合物中的高分辨能力，實(shí)現(xiàn)了多組分混合物的一次性定性、定量分析。盡管GC/MS法在氣味分析中占有優(yōu)勢地位，但單純依靠MS難于判斷食品中的揮發(fā)性成分在其整體的風(fēng)味中的貢獻(xiàn)值及其重要性，畢竟揮發(fā)性成分化合物單體在整體風(fēng)味中的貢獻(xiàn)取決于其閾值及絕對含量。

2.3 氣相色譜-嗅聞法（GC-O）

GC-O通過將特征色譜峰與多組分揮發(fā)性混合物相關(guān)聯(lián)，從而對食品中的揮發(fā)性呈味物質(zhì)進(jìn)行測定。GC-O是根據(jù)香味化合物中的香味強(qiáng)度或?qū)傮w香氣的貢獻(xiàn)來進(jìn)行排序的，它可以解決MS在檢測香味化合物時(shí)遇到的一些難題。

GC-O的原理非常簡單，在氣相色譜柱末端安裝分流口，分流樣品組分一部分進(jìn)入檢測器（如FID、MS等），另一部分進(jìn)入嗅味檢測儀中。流入檢測器中的組分經(jīng)分析后得到相應(yīng)的色譜峰，流入嗅味檢測儀的組分由人進(jìn)行嗅覺識別，通過氣味評價(jià)員對聞到的揮發(fā)性氣味記錄與檢測器測得的色譜峰相結(jié)合，從而獲得對食品氣味的關(guān)鍵揮發(fā)性成分。

馬曉佩［36］等利用GC-O對所制成米飲料的揮發(fā)性風(fēng)味成分的變化進(jìn)行了測定，實(shí)驗(yàn)表明烘烤后原料制作的飲料，由于在烘烤過程中淀粉、蛋白、脂肪受熱后發(fā)生一定的降解，再經(jīng)過酶的作用，產(chǎn)生了大量的吡嗪類風(fēng)味物質(zhì)，這些成分賦予飲料濃郁的烘烤香氣。江新業(yè)［37］等人利用氣相色譜-嗅聞技術(shù)中的芳香萃取物稀釋方法并結(jié)合GC/MS技術(shù)，鑒別了北京烤鴨的關(guān)鍵芳香化合物。

2.4 電子鼻（Electric Nose）技術(shù)

電子鼻是模仿人和動物的鼻子，被用于分析、識別、檢測復(fù)雜氣味和揮發(fā)性成分的新型器，與常用的分析儀器（如色譜儀、光譜儀等）相比，電子鼻具有客觀、準(zhǔn)確、快捷地評價(jià)氣味，并且重復(fù)性好的特點(diǎn)。

電子鼻的氣味感知部件往往采用多個具有不同選擇性的氣敏傳感器組成陣列，利用其對多種氣體的交叉敏感性，將不同的氣味分子在其表面的作用轉(zhuǎn)化為方便計(jì)算的與時(shí)間相關(guān)的可測物理信號組，來實(shí)現(xiàn)混合氣體分析。電子鼻已被廣泛應(yīng)用于食品品質(zhì)測定中，國內(nèi)外一系列研究表明［38-39］，電子鼻是對食品揮發(fā)性氣味分析的客觀“嗅覺”儀器，能夠輔助專家快速地對食品品質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)化與科學(xué)化的氣味監(jiān)測、鑒別、判斷和分析。對于水產(chǎn)品而言，隨著貯藏時(shí)間的延長和新鮮度的下降，其揮發(fā)性成分將發(fā)生明顯變化，氣味也與鮮活時(shí)的品質(zhì)有著顯著區(qū)別。用基于氣敏傳感器陣列的電子鼻系統(tǒng)對水產(chǎn)品進(jìn)行檢測，可以獲得水產(chǎn)品的氣味指紋圖譜數(shù)據(jù)，從而得到其新鮮程度方面的信息。

3 結(jié)論

從研究現(xiàn)狀來看，現(xiàn)代氣味分析儀器的迅速發(fā)展為食品揮發(fā)性氣味圖譜的建立提供了可靠的分析手段。食品揮發(fā)性氣味圖譜的研究，特別是對于水產(chǎn)品揮發(fā)性氣味指紋圖譜研究能直觀地提供水產(chǎn)品品質(zhì)變化的整體信息，較好地體現(xiàn)水產(chǎn)品揮發(fā)性成分的復(fù)雜性和相關(guān)性。因此，水產(chǎn)品氣味指紋圖譜的研究必將成為評價(jià)水產(chǎn)品品質(zhì)重要依據(jù)之一。但在我國水產(chǎn)品貯藏過程中揮發(fā)性氣味變化圖譜的研究尚處于起步階段，還需進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)研究。本文主要對建立食品氣味指紋圖譜的方法以及研究現(xiàn)狀做了詳細(xì)的介紹，可以為今后研究食品，尤其是水產(chǎn)品與鮮活度（品質(zhì)）特征指標(biāo)高度相關(guān)的揮發(fā)性代謝物質(zhì)，以及建立水產(chǎn)品的揮發(fā)物指紋圖譜數(shù)據(jù)庫提供參考。

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Application of olfactometric fingerprint in the analysis of volatile compounds in food

XIE Jing，TONG Yi
（College of Food Science&Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China）

The application of fingerprint in food odour analysis，which is based on advanced analysis instrument，represents to be a valuable technique to characterize odour-active，as well as character impact compounds，responsible for the characterizing odour of a food sample.The article reviewed the technique of establishment of olfactometric fingerprint，which can be applied to volatile compounds of food analysis.

fingerprint；volatile compound；SPME；GC/MS；GC-O；electric nose

TS201.1

A

1002-0306（2011）01-0309-04

2009-02-06

謝晶（1968-），女，教授，主要從事食品質(zhì)量與安全控制技術(shù)的研究。

“十一五”國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目課題（2006BAD30B03）；上海市教委第五期重點(diǎn)學(xué)科資助。