SPME/GC-MS對(duì)4種超微粉碎雜糧粉中揮發(fā)性成分分析

樊 艷 姚軼俊 王 博 李浩麗 王立峰

(南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院；江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023)

超微粉碎技術(shù)主要是通過(guò)物理手段(利用機(jī)械或流體動(dòng)力)改變物質(zhì)的特性，使物料的粒徑達(dá)到10～25 um的超微米水平[1，2]。該技術(shù)在食品領(lǐng)域的研究起步較晚，經(jīng)過(guò)超微粉碎后的食品通常在色香味形等各方面品質(zhì)都有所提升[3]。在谷物應(yīng)用中， Rosa等[4]使用超微粉碎技術(shù)改善麩皮抗氧化的應(yīng)用價(jià)值， Niu等[5]研究超微粉技術(shù)對(duì)全麥香氣和面條產(chǎn)品的特性影響，結(jié)果表明超微粉碎可以顯著減小全麥面粉的粒徑，提高其產(chǎn)品的質(zhì)量。任順成等[6]研究發(fā)現(xiàn)，蕎麥麩皮經(jīng)超微粉碎后粒徑小，粉體均勻性好，可用于功能性食品的開(kāi)發(fā)。梅新等[7]研究表明，富含膳食纖維的產(chǎn)品經(jīng)超微粉碎后膳食纖維微粉較原粉其持油力、持水力、膨脹力等物理性質(zhì)均有較大提高，結(jié)合水力降低，具有更好的口感和吸收性，食品營(yíng)養(yǎng)更豐富。

固相微萃取(SPME)與氣質(zhì)聯(lián)用儀(GC-MS)法具有樣品前處理簡(jiǎn)單、快速、靈敏度高、無(wú)需溶劑和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[8]，是目前測(cè)定目標(biāo)物中揮發(fā)性成分的常用方法。林家永等[9]采用HS-SPME/GC-MS技術(shù)測(cè)定了稻谷的揮發(fā)性成分，發(fā)現(xiàn)其主要成分是醇類(lèi)、醛類(lèi)、酮類(lèi)、酯類(lèi)、烴類(lèi)、有機(jī)酸類(lèi)和雜環(huán)類(lèi)化合物。胡麗花等[10]采用固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用比較饅頭和面包中風(fēng)味物質(zhì)的差異，結(jié)果表明醛類(lèi)、酮類(lèi)、醇類(lèi)、酯類(lèi)、苯類(lèi)、雜環(huán)類(lèi)和烴類(lèi)是兩者共有的揮發(fā)性成分，面包中檢測(cè)到2種有機(jī)酸是饅頭里不含的。Bryant等[11]對(duì)7種香米和2種非香米進(jìn)行了分析鑒定，在檢測(cè)出的93中揮發(fā)性物質(zhì)，其中有64種鮮見(jiàn)報(bào)道。黃亞偉等[12]用HS-SPME/GC-MS對(duì)6種五常大米的氣味進(jìn)行了分析比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)揮發(fā)性物質(zhì)的不同導(dǎo)致了這6種大米存在較大的風(fēng)味差異。然而目前對(duì)超微粉碎樣品的風(fēng)味成分分析還鮮見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，本實(shí)驗(yàn)采用固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用對(duì)4種經(jīng)超微粉碎技術(shù)獲得的雜糧粉進(jìn)行揮發(fā)性成分的檢測(cè)研究，以期為產(chǎn)品的后續(xù)加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

北青3號(hào)青稞、大三棱蕎麥、天津紅紅豆、遼寧5號(hào)薏苡。

1.2 儀器與設(shè)備

7890A-5975C氣質(zhì)聯(lián)用分析儀；固相微萃取裝置：MPS多功能樣品處理平臺(tái)；萃取頭：50/30 μm DVB/CAR/PDMS；頂空瓶：20 mL；J-50超微粉碎儀。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

將4種雜糧(青稞、紅豆、蕎麥、薏苡)磨成粗粉并烘干至水分低于5%備用。開(kāi)啟氣流粉碎機(jī)，調(diào)節(jié)氣壓至1 MPa，將粗粉放入自動(dòng)喂料器，喂料速度0.5 kg/h，等待粉碎完成并收集樣品。

1.3.2 固相微萃取

稱(chēng)取3 g待測(cè)樣品置于20 mL頂空瓶?jī)?nèi)，后按編輯好的序列依序放于MPS對(duì)應(yīng)的樣品盤(pán)上，序列運(yùn)行時(shí)，MPS保溫箱溫度升至設(shè)定溫度80 ℃并平衡10 min后，機(jī)械臂抓樣品瓶置保溫箱內(nèi)進(jìn)行萃取，40 min后萃取頭在機(jī)械臂的帶動(dòng)下移到GC前進(jìn)樣口，在250 ℃解析180 s，后萃取頭隨機(jī)械臂移到GC后進(jìn)樣口在260 ℃下老化30min。

1.3.3 氣質(zhì)聯(lián)用測(cè)定條件

色譜條件：載氣為He(高純，≥99.999%)，流速1.0mL/min；進(jìn)樣口溫度為250 ℃，不分流進(jìn)樣；DB-5MS石英毛細(xì)管柱(30 m×250 μm×0.25 μm，美國(guó)Agilent公司)，程序升溫為初溫60 ℃保持4 min，以5 ℃/min升至200 ℃，保持5 min，再以10 ℃/min升至240 ℃，保持5 min，后運(yùn)行溫度260 ℃，2 min。

質(zhì)譜條件：氣相和質(zhì)譜接口溫度為280 ℃，離子源為EI，離子源溫度為230 ℃，四級(jí)桿溫度為150 ℃，電子能量為70 eV，采集模式為全掃描，掃描質(zhì)量范圍為30～450 amu。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理由Agilent軟件MSD ChemStation E.02.01.1177完成，利用NIST08.L譜庫(kù)對(duì)各組分峰的MS圖譜進(jìn)行檢索，將可能的結(jié)果與檢測(cè)圖譜作比較，并結(jié)合色譜峰保留規(guī)律和譜圖解析對(duì)各組分峰加以確認(rèn)，采用峰面積歸一化法進(jìn)行相對(duì)含量的定量，用EXCEL 2007和OriginPro9.0處理數(shù)據(jù)。為確保定量的準(zhǔn)確性，用MSD ChemStation中的性能報(bào)告計(jì)算得到各組份的分離度R，計(jì)算公式：

式中：(2.35/2)為性能報(bào)告中使用的分離度的計(jì)算系數(shù)；tR1為組分1的保留時(shí)間；tR2為組分2的保留時(shí)間；W1為組分1的半峰寬；W2為組分2的半峰寬。

2 結(jié)果與討論

2.1 SPME測(cè)定條件優(yōu)化

選擇萃取溫度(50、60、70、80、90 ℃)，平衡時(shí)間(5、10、20、40、60 min)，萃取時(shí)間(10、25、40、55、70 min)，解析時(shí)間(120、180、300、360、420 s)分別考察其對(duì)總峰面積的影響。結(jié)果顯示(圖1)，80 ℃之前隨著萃取溫度升高，總峰面積增加，80 ℃時(shí)達(dá)到最大，隨后又開(kāi)始下降，這與文獻(xiàn)報(bào)道一致。SPME是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，萃取效率與待測(cè)物質(zhì)在各相之間的分配系數(shù)有關(guān)，萃取溫度過(guò)低，使得揮發(fā)性物質(zhì)不能很好被萃取出來(lái)，造成揮發(fā)性物質(zhì)含量偏低，數(shù)量偏少[13]，在一定的溫度范圍內(nèi)，當(dāng)萃取溫度升高時(shí)，揮發(fā)性物質(zhì)釋放出來(lái)的物質(zhì)和總豐度隨之增多，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，萃取頭的分配系數(shù)降低，固相吸附量減小[9,12]。

圖1 SPME測(cè)定條件對(duì)總峰面積的影響

待測(cè)樣品在加熱后位于頂空瓶上端的氣相部分，其各組分的分壓不僅會(huì)隨溫度變動(dòng)，而且還與平衡時(shí)間相關(guān)[9,14-16]，結(jié)果顯示總峰面積在10、40 min兩個(gè)平衡時(shí)間點(diǎn)都處于峰谷處，但從趨勢(shì)走向來(lái)判斷，10 min是總峰面積最大的平衡時(shí)間點(diǎn)。

由于萃取時(shí)間會(huì)受到待分析物的分配系數(shù)、物質(zhì)的擴(kuò)散速率等多因素影響[14-17]，影響目標(biāo)物在涂層中的平衡，延長(zhǎng)萃取時(shí)間有利于達(dá)到平衡，因此本實(shí)驗(yàn)還對(duì)萃取時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明總峰面積隨著萃取時(shí)間的增加而增加，40 min時(shí)達(dá)到最大值，之后開(kāi)始呈下降趨勢(shì)并逐漸趨于平緩，這可能是因?yàn)檩腿r(shí)間過(guò)長(zhǎng)，競(jìng)爭(zhēng)吸附會(huì)造成小分子物質(zhì)的脫附[18]。

解析時(shí)間影響方法的靈敏性，解析不完全會(huì)對(duì)下個(gè)樣品造成污染，而解析時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，又會(huì)影響萃取頭的壽命，故選擇最佳的解析時(shí)間具有重要的意義[12]。結(jié)果表明總峰面積在180、360 s都處于峰谷處，但從趨勢(shì)的走向來(lái)判斷，180 s時(shí)是總峰面積最大的解析時(shí)間點(diǎn)。綜上所述，本實(shí)驗(yàn)的最佳條件為：萃取溫度80 ℃，平衡時(shí)間10 min，萃取時(shí)間40 min，解析時(shí)間180 s。

2.2 精密度實(shí)驗(yàn)

結(jié)合GC-MS對(duì)4種超微粉碎雜糧粉(紅豆、青稞、蕎麥和薏苡)分別重復(fù)測(cè)試6次。由表1可知，總峰面積的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.89%～5.05%，說(shuō)明本方法具有較好的精密度。

表1 4種超微粉碎雜糧粉揮發(fā)性成分精密度實(shí)驗(yàn)(n=6)

注：總峰面積沒(méi)有扣除硅氧化合物和空白樣品的面積。

2.3 揮發(fā)成分的鑒定和分析

分析4種超微粉碎雜糧粉(紅豆、青稞、蕎麥和薏苡)中的揮發(fā)性成分，得到總離子流色譜圖(圖2)和部分組分的質(zhì)譜圖(圖3)，可以看出樣品成分復(fù)雜。另外，空白樣品在TIC圖上也有顯示物質(zhì)，在計(jì)算相對(duì)含量時(shí)對(duì)應(yīng)保留時(shí)間將其扣除。

表2列出了11種超微粉碎雜糧粉的11種共有揮發(fā)性成分的分離度，基本都在1.0以上，分離度達(dá)到98%。

圖2 4種超微粉碎雜糧粉的揮發(fā)性成分的總離子流色譜(TIC)圖

組分名稱(chēng)青稞蕎麥紅豆薏苡壬醛1.191.251.231.34正十二烷1.241.351.221.16癸醛1.571.581.531.451-甲基萘1.401.331.511.562,3-二甲基萘1.181.221.241.303’-甲氧基-2,2’-二硝基苯乙炔0.960.981.011.01(Z)-6,10-二甲基-5,9-十一碳烯-2-酮1.130.781.061.102,6-二叔丁基對(duì)甲酚1.551.671.691.60環(huán)十四烷0.951.001.011.02棕櫚酸甲酯16.1514.8517.366.20棕櫚酸乙酯18.2416.8920.0718.74

根據(jù)公式：

測(cè)定各樣品組分峰質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果如表3所示。

圖3 部分組分的質(zhì)譜圖

類(lèi)別化合物青稞蕎麥紅豆薏苡含量匹配度含量匹配度含量匹配度含量匹配度有機(jī)酸類(lèi)醇類(lèi)2-氨基-5-甲基苯甲酸--3.05810.1181--醇類(lèi)4-甲基-1-戊醇0.4672------正己醇0.58720.9772--2.1678叔十六硫醇0.6872----0.58802-乙基己醇--0.9482----(1α,2β,5α)-5-甲基-2-(1-甲基乙基)-環(huán)己醇--0.2180----反式-2-十二烯-1-醇--5.0383----4,7,7-三甲基雙環(huán)[4.1.0]庚烷-3-醇--1.7286----1,14-二十二烷二醇--0.9289----1-二十八烷醇--0.1680----苯乙醇----0.6294--十一醇----5.3382--Z,Z-2,13-十八碳二烯-1-醇----2.8674--[1R-(1α,3β,4α,6α)]-4,7,7-三甲基-雙環(huán)[4.1.0]庚烷-3-醇----1.6081--苯甲醇------0.4980反式-2-十二烯-1-醇------3.15801-十六烷醇------2.29742-乙基-2-甲基十三醇------0.1891醛類(lèi)苯甲醛0.3290------壬醛7.09841.88824.90829.1487反式-2-壬醛0.9972------癸醛1.52871.14841.25831.6291(Z)-7-十六碳烯醛----3.2790--硬尾醛----0.6190--反式-2-癸烯醛------1.3974酮類(lèi)3,5-辛二烯-2-酮2.9695--3.2970--(Z)-6,10-二甲基-5,9-十一碳烯-2-酮2.56922.78872.70832.3987環(huán)三癸酮------2.33804-甲基-7-丙-2-基-1,3,4,5,6,7,8-八氫萘-2-酮------1.0581酯類(lèi)2-氯乙酸壬酯3.9991------6-十四磺酸鈉丁酯0.6474------乙酸正十七烷基酯2.0390------亞硫酸,十八烷基2-丙酯0.7788------鄰苯二甲酸正丁異辛酯1.0790------棕櫚酸甲酯0.23860.75940.35910.4383棕櫚酸乙酯0.22930.80930.43810.5487五氟丙酸壬酯--11.8083--3.93862-溴乙酸癸酯--1.0291----草酸-6-乙基-3-基異丁基酯--0.4982----五氟丙酸十一酯--0.6082----七氟丁酸,正十四酯--2.3086----五氟丙酸十五酯--1.7284--1.3778五氟丙酸非癸酯--0.35830.5683--鄰苯二甲酸酯--0.99861.9286--14-十八碳烯酸甲酯--0.2089----油酸乙酯--0.2091----1,1,2-三甲基-2-亞硝基丙基碳酸乙酯----1.7478--三氯乙酸十一酯----0.4576--雙(6-乙基-3-基)草酸酯----0.5983--亞硫酸丁基十一酯----1.4686--七氟丁酸十五烷酯----2.2586--11,13-二甲基-12-十四烷-1-乙酸乙酯----0.88930.7189亞硫酸丁基庚酯----3.0374--

續(xù)表3

續(xù)表3

注：相對(duì)含量是扣除空白樣品和硅氧化合物后計(jì)算得到的；-表明未檢出或質(zhì)量分?jǐn)?shù)<0.1%。

注：1為有機(jī)酸類(lèi)；2為飽和烷烴類(lèi)；3為不飽和烴類(lèi)；4為雜環(huán)類(lèi)和其他化合物。圖4 4種超微粉碎雜糧粉中各類(lèi)風(fēng)味化合物的相對(duì)含量

由表3和圖4可知，青稞中共檢測(cè)到48種組分，其中不飽和烴類(lèi)(35.0%)、雜環(huán)類(lèi)和其他化合物(16.3%)以及飽和烷烴類(lèi)(12.3%)是主要成分；蕎麥共檢測(cè)到50種風(fēng)味化合物，主要組分為雜環(huán)類(lèi)和其他化合物27.1%、酯類(lèi)21.3%、苯環(huán)類(lèi)13.2%；紅豆中共檢測(cè)到46種風(fēng)味成分，雜環(huán)類(lèi)和其他化合物24.5%、苯環(huán)類(lèi)16.3%、不飽和烴類(lèi)15.6%和酯類(lèi)12.4%為主要風(fēng)味化合物；薏苡中共檢測(cè)到47種組分，主要組分為雜環(huán)類(lèi)和其他化合物24.3%、酯類(lèi)20.1%、苯環(huán)類(lèi)12.3%和醛類(lèi)12.1%。由表3可知，本實(shí)驗(yàn)從青稞、蕎麥、紅豆和薏苡4 種超微粉碎雜糧粉中共鑒定出127種揮發(fā)性成分，其中，酯類(lèi)29種、雜環(huán)類(lèi)和其他化合物21種、不飽和烴類(lèi)20種、醇類(lèi)17種、飽和烷烴類(lèi)17種、苯環(huán)類(lèi)9種、醛類(lèi)7種、酮類(lèi)4種、醚類(lèi)3種、有機(jī)酸類(lèi)1種；共有的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)有11種，分別是壬醛、癸醛、(Z)-6,10-二甲基-5,9-十一碳烯-2-酮、棕櫚酸甲酯、棕櫚酸乙酯、正十二烷、環(huán)十四烷、3’-甲氧基-2,2’-二硝基苯乙炔、2,6-二叔丁基對(duì)甲酚、1-甲基萘、2,3-二甲基萘，絕大多數(shù)組分的匹配度超過(guò)80%，其余也多在70%以上。

3 結(jié)論

比較萃取溫度、平衡時(shí)間、萃取時(shí)間和解析時(shí)間4個(gè)單因素對(duì)超微粉碎雜糧粉中揮發(fā)性成分的影響，得出最佳SPME條件為萃取溫度80 ℃、平衡時(shí)間10 min、萃取時(shí)間40 min、解析時(shí)間180 s。用GC-MS從青稞、蕎麥、紅豆和薏苡4 種超微粉碎雜糧粉中檢測(cè)到并鑒定出的揮發(fā)性成分共127種，雜環(huán)類(lèi)和其他化合物(92.2%)含量最高，其次是酯類(lèi)(53.8%)、苯環(huán)類(lèi)(41.8%)化合物。其中共有的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)有11種，分別是壬醛、癸醛、(Z)-6,10-二甲基-5,9-十一碳烯-2-酮、棕櫚酸甲酯、棕櫚酸乙酯、正十二烷、環(huán)十四烷、3’-甲氧基-2,2’-二硝基苯乙炔、2,6-二叔丁基對(duì)甲酚、1-甲基萘、2,3-二甲基萘。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同品種的雜糧經(jīng)超微粉碎制得到的雜糧粉既有總體相似度，又存在個(gè)體差異，后期可將SPME/GC-MS分析技術(shù)將分析對(duì)象擴(kuò)大至同一品種不同產(chǎn)地或不同品類(lèi)的揮發(fā)性成分比較。