HS-SPME-GC/MS分析花生油揮發(fā)性成分技術的優(yōu)化

劉曉君, 金青哲, 王珊珊, 劉元法, 王興國＊

(1.食品科學與技術國家重點實驗室,江南大學,江蘇無錫214122;2.江南大學食品學院,江蘇無錫214122;3.山東魯花集團有限公司,山東萊陽265200)

花生油的最佳生產(chǎn)工藝采用純物理壓榨制油, 通過選料、焙炒、物理壓榨、最后經(jīng)天然植物纖維過濾技術生產(chǎn)而成?！盎ㄉ图兾锢韷赫スに嚒弊畲蟮膬?yōu)勢就是全過程無需任何化學添加劑,保證產(chǎn)品安全、無污染,且只榨取第一道花生原汁,不但可以剔除花生油中懸浮物有害物質(zhì),而且更能全面保留花生的天然營養(yǎng)和原汁原味?；ㄉ偷南銡馐瞧涓泄倨焚|(zhì)的重要指標[1],因此研究和分析花生油的揮發(fā)性成分,對進一步研究花生油的風味及改進花生油加工工藝,都具有十分重要的意義,但目前國內(nèi)外對花生油的揮發(fā)性成分及風味研究甚少。

固相微萃取技術(Solid phase microextraction,SPME)是加拿大Waterloo大學 Pawliszyn研究小組于1990年提出的一種新型無溶劑樣品預處理技術[2],它通過采用裝在注射器內(nèi)的石英纖維表面上的特殊固相涂層,對樣品組分進行萃取和富集,具有操作簡單,成本低,效率高及選擇性強等特點。此外,固相微萃取技術還可方便地與氣相色譜、液相色譜等分析儀器聯(lián)用,將樣品萃取、富集和進樣檢測合為一體,可大大提高分析速度和分析方法的靈敏度。近年來,SPME被廣泛地應用于植物油氣味的研究[3]。國外多位學者利用SPME萃取技術對virgin olive oil的風味進行了一系列的研究,包括對其特征香氣的分析[4-7],儲藏期間油脂風味的變化[8],以及加工過程對香氣形成的作用[9]等。奚星林,藍芳等人[10-11]將SPME技術應用于食用油殘溶檢測。

作者選用魯花集團提供的濃香壓榨一級花生油為原料,采用頂空固相微萃取(HS-SPME)結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC/MS)技術建立了花生油揮發(fā)性成分的分析方法,篩選了固相微萃取纖維頭,優(yōu)化了固相微萃取的操作條件,并采用 HS-SPMEGC/MS對所得揮發(fā)性成分進行了初步分析。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

壓榨一級花生油,山東魯花集團有限公司提供。

1.2 實驗儀器與設備

GC-14A氣相色譜儀,日本島津公司產(chǎn)品;TRACE MS氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀,美國 Finnigan質(zhì)譜公司產(chǎn)品;PDMS、CAR-PDMS、PDMS-DVB固相微萃取頭,美國Supelco公司產(chǎn)品;EL204電子天平,上海Mettler Toledo公司產(chǎn)品;85-2恒溫磁力攪拌器,金壇市新航儀器廠產(chǎn)品。

1.3 萃取步驟及條件優(yōu)化

首先將固相微萃取裝置的萃取頭進行老化,老化溫度250℃,載氣流量2 mL/min,老化時間20 min。稱取3.00 g花生油于15 mL頂空瓶中,加蓋密封,置于50℃恒溫水浴攪拌平衡20 min。固相微萃取萃取頭頂空吸附40 min后,于色譜進樣口250℃解吸5 min,同時啟動儀器采集數(shù)據(jù)。

根據(jù)相關文獻報道[2,12],作者選擇了對分析影響較大的幾個因素進行單因素優(yōu)化。篩選了SPME萃取頭(PDMS、CAR-PDMS、PDMS-DVB),比較了攪拌與否對萃取效果的影響,并分別優(yōu)化了萃取溫度(40、50、60、70、80 ℃)、萃取時間(20、30、40、50、60 min)和解吸時間(2、3、4、5、6 min)。

1.4 GC-MS分析

GC條件:DB-wax色譜柱(30 m×0.25μm i.d.×0.25μm df),氦氣為載氣,流量 0.9 mL/min。進樣口溫度250℃,進樣方式為不分流進樣。程序升溫條件如下:60℃(保留2 min)開始以5℃/min升到100 ℃,保留0.1 min,再3 ℃/min升到180 ℃,保留0.1 min,再10 ℃/min升到220 ℃,保留10 min。

MS條件:電離方式 EI,離子源溫度200℃,電子能量70 eV,燈絲發(fā)射電流200μA,接口溫度250℃,掃描質(zhì)量范圍為32～402。

GC-MS分析結(jié)果由計算機譜庫NIST和WILL Y檢索定性分析,同時利用面積歸一法計算定性的揮發(fā)性成分的相對含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 萃取方式的選擇

固相微萃取可采取直接固相微萃取法或頂空固相微萃取法,萃取方式的選擇取決于被萃取物質(zhì)的狀態(tài)、性質(zhì)及揮發(fā)性。油脂中揮發(fā)性成分的測定多采用頂空固相微萃取法,即可避免油脂樣品基質(zhì)中大分子和非揮發(fā)性物質(zhì)對SPME的損壞,減少干擾,延長萃取頭壽命,又可對揮發(fā)性成分進行有效的分析。

2.2 萃取頭的選擇

馬傳國等人[13]認為吡嗪類物質(zhì)是花生油烘烤和濃香花生風味的主要來源。因此,選擇花生油揮發(fā)性成分的總峰面積和總峰個數(shù)、及花生油風味主要來源的吡嗪類物質(zhì)峰面積作為分析依據(jù)。

作者對常用的3種商業(yè)SPME萃取頭PDMS、PDMS-DVB和CAR-PDMS涂層進行了優(yōu)化選擇。萃取頭的選擇依據(jù)相似相溶原理,PDMS適合分析非極性揮發(fā)性物質(zhì),PDMS-DVB適合分析極性揮發(fā)性物質(zhì),CAR-PDMS適合分析氣體硫化物、揮發(fā)性有機物[14]。

由圖1可以看出,相比其他兩種涂層,PDMSDVB吸附的揮發(fā)性成分量較多,富集效果較好,因此選擇PDMS-DVB為實驗用萃取頭。

2.3 攪拌的影響

攪拌可促進萃取并相應地減少萃取時間,使分析物快速達到萃取平衡。磁力攪拌形式廣泛應用于SPME。本實驗比較了磁力攪拌與否對花生油揮發(fā)性成分萃取的影響。

從圖2可以看出,攪拌狀態(tài)下的總峰面積和主峰面積變化不大,而總峰個數(shù)由原來的28增加至41,效果非常明顯。因此,選擇磁力攪拌狀態(tài)。

圖1 不同萃取頭對萃取效果的影響Fig.1 Comparison of different SPMEfibers on extraction of volatiles in peanut oil

圖2 攪拌對萃取效果的影響Fig.2 Effect of stirring on extraction of volatiles in peanut oil

2.4 萃取溫度的選擇

萃取溫度對SPME法的影響具有雙重效應:通常升高溫度時,液體內(nèi)分子熱運動加快,有利于提高分析物在頂空的分配,縮短平衡時間、加快分析速度;但升高溫度會使分析物在涂層與基質(zhì)中的分配系數(shù)降低,涂層對分析物的吸附量減小,影響SPME法的靈敏度。所以在使用SPME時應選擇最佳工作溫度。

圖3明顯地反映了萃取溫度對富集風味成分的影響具有兩面性:隨著萃取溫度的升高,雖然總峰個數(shù)不斷上升,但主峰面積在50℃達到最高點后開始下降,而總峰面積在60℃后也開始下降。也可能是加熱過程中脂肪酸分解產(chǎn)生了低分子的醛酮酸類物質(zhì),使得總峰個數(shù)和面積略有上升,而與風味物質(zhì)分子競爭吸附,導致主峰面積下降。綜合考慮,50℃時檢出的主峰效果最好,且萃取的樣品量足用于 GC-MS分析,因此選用50℃作為花生油揮發(fā)性成分的萃取溫度。

2.5 萃取時間的選擇

萃取時間即萃取達到平衡所需的時間,由待分析物的分配系數(shù)、物質(zhì)的擴散速率、樣品基質(zhì)、樣品體積、不同萃取頭膜厚和吸附能力以及涂層的物理化學性質(zhì)等因素決定[2]。一般萃取過程均在剛開始時吸附量迅速增加,出現(xiàn)一轉(zhuǎn)折點后上升就很緩慢。在分析揮發(fā)性有機物時,一般平衡時間較短,10 min之內(nèi)即可達到最高吸附量;而分析復雜基質(zhì)及半揮發(fā)性有機物時,平衡所需時間至少為30～60 min。因此,可根據(jù)實際操作目的及對靈敏度的需求不同,適當縮短萃取時間。

從圖4來看,在20～40 min范圍內(nèi),隨著萃取時間延長,總峰面積、主峰面積和總峰個數(shù)增加,40 min時達到最大。此后,繼續(xù)延長萃取時間,吸附量變化不大。由此可見,40 min時動態(tài)平衡達到最佳狀態(tài),因此選擇最佳萃取時間為40 min。

圖3 萃取溫度對萃取效果的影響Fig.3 Effect of temperature on extraction of volatiles in peanut oil

圖4 萃取時間對萃取效果的影響Fig.4 Effect of extraction time on extraction of volatiles in peanut oil

2.6 解吸時間的選擇

在同一解吸溫度下,待測組分解吸完全程度與解吸時間直接相關。解吸不完全不僅會影響方法的靈敏度,而且會污染后續(xù)樣品,但長時間高溫解吸會縮短萃取纖維的壽命。

由圖5可以看出,總峰面積、主峰面積和總峰個數(shù)均5 min時達到最大,5 min后幾乎沒有增長。在一定的時間內(nèi),溫度升高可使解吸加快,但會縮短SPME萃取纖維的使用壽命,因此選取5 min作為解吸時間。

2.7 花生油揮發(fā)性成分分析

按照優(yōu)化的 HS-SPME萃取條件對花生油進行分析,將花生油揮發(fā)性成分進行吸附后在進樣口解吸,經(jīng) GC-MS分離鑒定,得到花生油揮發(fā)性成分的總離子流圖(見圖6)。圖6經(jīng)由NIST和WILL Y軟件進行質(zhì)譜檢索,鑒定結(jié)果列于表1。

圖5 解吸時間對萃取效果的影響Fig.5 Effect of desorption time on extraction of volatiles in peanut oil

圖6 花生油揮發(fā)性物質(zhì)總離子流圖Fig.6 GC-MS chromatogram of volatiles extracted from peanut oil by HS-SPME

表1 花生油揮發(fā)性風味物質(zhì)GC-MS分析結(jié)果Tab.1 Major volatile compounds extracted from peanut oil by HS-SPME-GC/MS

續(xù)表1

續(xù)表1

除去少量分析時萃取頭帶來的硅氧烷類雜質(zhì)峰及增塑劑污染雜質(zhì)峰[15,16],通過 GC-MS鑒定出的花生油揮發(fā)性物質(zhì)有53種,占總檢出化合物的86.23%,主要為吡嗪、吡啶、呋喃、吡咯等含 N、O雜環(huán)化合物,及少量醛、酮、醇、酸、酯及烴類化合物。其中烷基吡嗪類物質(zhì)含量最高,有7種,占總揮發(fā)性成分的32.89%,分別為甲基吡嗪(3.90%)、2,5-二 甲 基 吡 嗪 (17.12%)、2,6-二 甲 基吡 嗪(3.63%)、2,3-二甲基吡嗪(0.68%)、2,3,5-三甲基吡嗪(3.80%)、3-乙基-2,5-二甲基吡嗪(3.30%)、2-乙酰基-3-甲基吡嗪(0.46%)。吡嗪類化合物是美拉德反應的中間產(chǎn)物,具有強烈的烤香和堅果味香氣[17],是花生油堅果香氣和烘焙風味的主要呈味物質(zhì)。吡啶類化合物體現(xiàn)青香和堅果香味。呋喃類化合物帶來多種果香味,如乙?；秽哂衅咸丫漆勏?呋喃酮類具有草莓、蘋果等香味。眾多化合物體現(xiàn)出不同的特征香味。因此,花生油的香味并不是由一種或幾種化合物來體現(xiàn),而是由多種成分協(xié)同作用而來。

3 結(jié) 語

作者優(yōu)化了花生油揮發(fā)性成分分析的 HSSPME的萃取條件:樣品量不是顯著影響因素,可稱取3.00 g花生油進行分析,采用 PDMS-DVB萃取頭,在磁力攪拌條件下,萃取溫度50℃,萃取時間40 min,解吸時間 5 min。同時建立了 HSSPME-GC/MS測定花生油揮發(fā)性成分的分析方法,并對花生油揮發(fā)性成分進行了初步分析。

實驗表明HS-SPME-GC/MS分析技術在油脂分析領域是一項快速、穩(wěn)定、高效的新型檢測技術,除了用于揮發(fā)性成分分析,對于油脂其他分析,如殘溶檢測、通過揮發(fā)物測定判斷油脂氧化程度等都很有借鑒意義。

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