頂空固相微萃取氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)在谷物食品中的應(yīng)用研究進展

苗榕芯，孫瑩，*，石長波，江連洲

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)旅游與烹飪學(xué)院，黑龍江哈爾濱150000；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150000）

食品的風(fēng)味是區(qū)分食品品質(zhì)的重要特征，風(fēng)味因素極大影響人們對食品的接受度，因此，對食品中風(fēng)味物質(zhì)的研究是廣大食品生產(chǎn)者、研究者和消費者關(guān)注的熱點[1-2]。風(fēng)味物質(zhì)作為食品感官評價指標(biāo)之一，在食品制作過程中提高和改善食品風(fēng)味，可為食品工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。食品風(fēng)味物質(zhì)分析包括揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)提取、風(fēng)味成分定性定量分析以及不同成分對整體風(fēng)味的貢獻率三方面。由于食品中揮發(fā)性風(fēng)味化合物組成成分復(fù)雜、性質(zhì)不穩(wěn)定并且相對分子質(zhì)量較小，基于這些特點，對食品揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的檢測通常應(yīng)用頂空固相微萃取（headspace-solid phase microextraction，HS-SPME） 結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）聯(lián)用技術(shù)，可以完成對食品中復(fù)雜揮發(fā)性成分提取、定性和定量分析[3-6]。該技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于食品[7]、木材[8]、微生物[9]、醫(yī)學(xué)[10]等領(lǐng)域中。

我國是谷物食品消費大國，谷物包括大米、小麥、玉米、黑米、蕎麥等精糧和雜糧，以及通過加工生產(chǎn)制成的饅頭、餅干、面包等食品[11]。谷物食品揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)成分復(fù)雜，種類繁多，既是谷物食品味道形成的主要因素，又是消費者對谷物食品品質(zhì)和接受度評價的重要指標(biāo)。通過國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，谷物中風(fēng)味成分包括烴類、脂類、芳香類、醛類等數(shù)百種物質(zhì)[12]，風(fēng)味物質(zhì)的閾值、含量和種類極大的決定著谷物食品的食味。本文通過簡述頂空固相微萃取氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)的原理和特點、樣品檢測前處理、定性定量分析，重點介紹近年來HS-SPME-GC-MS 在谷物食品中揮發(fā)性物質(zhì)分析中的應(yīng)用進展，同時探討了谷物食品氣味分析未來的發(fā)展方向，為谷物的培育以及谷物食品的制作、研發(fā)提供支持。

1 頂空固相微萃取氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)簡述

1.1 HS-SPME技術(shù)簡述

固相微萃取（soid-phase microextration，SPME）是20 世紀(jì)90 年代提出的一種新型樣品前處理技術(shù)，最早由加拿大Waterloo 大學(xué)Pawliszyn 教授及其同事首次進行開發(fā)研究。HS-SPME 屬固相萃取方法的一種，根據(jù)相似相溶原理，是將吸附涂層（萃取纖維）暴露在樣品上方，對樣品中揮發(fā)性甚至難揮發(fā)性物質(zhì)進行富集待測[13-15]。萃取時包括兩個步驟，首先被分析組分穿過液相擴散到氣相中去，然后被分析組分從氣相轉(zhuǎn)移到固相中去。由于第二步驟速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一步驟，所以，氣味從液相進入氣相成為控制的關(guān)鍵，導(dǎo)致?lián)]發(fā)性物質(zhì)比半揮發(fā)性物質(zhì)萃取更容易[16]。頂空固相微萃取可直接對樣品進行處理，與傳統(tǒng)樣品前處理方法相比，該技術(shù)具有操作方法簡單、效率高、成分分析準(zhǔn)確、重現(xiàn)性好、應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點[17-18]。圖1 為頂空固相微萃取裝置。

1.2 GC-MS技術(shù)簡述

圖1 頂空固相微萃取裝置Fig.1 Head space solid phase microextraction sampling apparatus

氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)出現(xiàn)于20 世紀(jì)50 年代后期，是通過氣相色譜儀、質(zhì)譜儀以及兩個儀器之間的裝置接口組成，兩種儀器均是通過氣相分離分析技術(shù)對樣品氣味進行分析，檢測時所需環(huán)境大致相同均為氣體，對物質(zhì)靈敏度的感應(yīng)能力也相似，因此，在聯(lián)用時儀器的結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變[19]。對樣品分析檢測時，食品中的有機物質(zhì)以色譜柱的形式分離后，對待測品揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)感應(yīng)靈敏，在樣品為較低濃度時仍可以準(zhǔn)確的分析出[20]。GC-MS 聯(lián)用技術(shù)彌補了單個儀器分析時的不足，既有色譜強大的分離功能又具備質(zhì)譜靈敏的鑒別功能，因此它具有高準(zhǔn)確性、高靈敏度、高選擇性，高效率、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點。分析出的結(jié)果可知道化合物的分子式、對樣品氣味的貢獻率和相對分子質(zhì)量等指標(biāo)，便于分析樣品揮發(fā)性物質(zhì)的特點。經(jīng)過半個多世紀(jì)發(fā)展，氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)日益成熟，功能日趨完善，在分離、檢測和數(shù)據(jù)采集處理方面的整體性能有很大提高。

HS-SPME-GC-MS 是近幾年新型的對檢測樣品的揮發(fā)性成分進行分離、鑒定的方法，可對樣品進行采集、萃取、濃縮和進樣處理，從而使得樣品的分析操作過程簡單、靈敏度高、重復(fù)性好，是一種樣品風(fēng)味分析時極為有效的檢測方法，在食品領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸擴大[21-22]。在食品中最早的應(yīng)用是對果蔬的氣味分析，近年來，隨著美國SUPELCO 公司大力推廣商用萃取頭，HS-SPME-GC-MS 的應(yīng)用范圍也在逐漸擴大，如在谷物食品分析中的廣泛應(yīng)用。因此，本文重點介紹其在谷物食品中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)檢測的應(yīng)用。

2 HS-SPME-GC-MS在谷物食品風(fēng)味分析中的應(yīng)用進展

自古以來就有“五谷為養(yǎng)”的說法，可以看出我國對谷物的重視程度，谷物不僅是主要糧食來源而且營養(yǎng)價值是人體不可缺少的。它經(jīng)烹飪過后具有特殊的香味，深受人們喜愛，人的嗅覺能感受到的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，主要為揮發(fā)的醛類和碳?xì)漕惖然衔?。利用HS-SPME-GC-MS 對谷物食品風(fēng)味物質(zhì)進行分析，可為評價改良谷物食品的風(fēng)味品質(zhì)奠定基礎(chǔ)以及為谷物的培育種植提供依據(jù)。

2.1 谷物原料

氣味可判斷谷物的新陳程度，谷物儲藏過程中霉變的程度可危害人體健康，因此，對谷物原料氣味的研究，對消費者選購谷物具有重要作用。Xia 等[23]研究發(fā)芽可提高糙米的營養(yǎng)價值，但是破壞了糙米獨特的風(fēng)味，而高水壓處理后可提高營養(yǎng)及風(fēng)味，因此，利用HS-SPME-GC-MS 分析糙米在37 ℃發(fā)芽36 h 后經(jīng)100、300、500 MPa 高水壓下處理 15 min 風(fēng)味物質(zhì)變化，結(jié)果表明糙米發(fā)芽過程中總揮發(fā)性組分顯著性減少，在高水壓處理后大大提高了糙米風(fēng)味成分，特別是特征性氣味，包括醛、酮和醇。A Griglione 等[24]用HS-SPME-GC-MS 對6 個意大利優(yōu)質(zhì)稻品種的揮發(fā)性成分進行研究，確定其指紋圖譜并鑒定了化學(xué)成分。Starr 等[25]對不同品種小麥游離態(tài)揮發(fā)性化合物的含量及類別進行分析，鑒別出游離態(tài)揮發(fā)性化合物共72 種，并且發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地和品種小麥的風(fēng)味具有顯著性差異，可用來區(qū)分不同種類的小麥作物。Bryant 等[26]探究不同稻米品種對揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的影響，對7 種香米和2 種非香米貯藏前后芳香物質(zhì)研究，得出揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)93 種，其中64 種在稻米氣味研究中未曾報道，16 種芳香物質(zhì)只存在于香米中，大多數(shù)揮發(fā)性氣味存在新鮮大米體內(nèi)。Azarnia S 等[27]研究貯藏條件對豌豆揮發(fā)性風(fēng)味的影響，分別在4、22 ℃和37 ℃下保存12 個月，采用頂空固相微萃取氣相色譜質(zhì)譜法對揮發(fā)性風(fēng)味化合物進行提取和鑒定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在4 ℃保存下碳?xì)浠衔?、酮類和酯類相?7 ℃貯存下含量高，其中1-己醇、己醛、苯乙烯、2-丁酮、二甲基硫化物、3-甲烯、乙酸乙酯和2，3-二乙基-5-甲基吡嗪是豌豆中最豐富的化合物，此研究有助于改善豌豆貯藏條件。Tananuwong 等[28]測定不同貯藏條件下有機香米揮發(fā)性物質(zhì)的，發(fā)現(xiàn)真空包裝的香米在室溫保存2 個月后己醛、2-戊基呋喃、1-辛醇等含量顯著增加，僅有少數(shù)物質(zhì)含量減少，由此表明香米在真空保存下效果較好。

由此可以看出，利用HS-SPME-GC-MS 可以準(zhǔn)確清楚地分析出谷物原料的揮發(fā)性風(fēng)味成分，谷物中的醇、酮、含苯衍生物、碳?xì)浠衔铩㈦s環(huán)、酚和酸，醛類化合物是主要揮發(fā)性成分構(gòu)成谷物食品特有的青香、花香、米香味。并且可知，不同產(chǎn)地、不同品種、不同成熟期的谷物揮發(fā)性風(fēng)味化合物的成分和含量有很大差別。

2.2 HS-SPME-GC-MS谷物加工食品風(fēng)味分析研究進展

谷物食品大多是通過谷物及其他原料組合加工制成，我國對谷物食品的研制越來越重視，谷物食品的生產(chǎn)方向是利用完整的谷物種子，制成的產(chǎn)品經(jīng)加工后做成系列產(chǎn)品的全谷物食品，其含有多種營養(yǎng)物質(zhì)，可預(yù)防慢性疾病[29-31]。其風(fēng)味物質(zhì)的產(chǎn)生可能是源于加工過程中熱作用和生化反應(yīng)所產(chǎn)生的烴類、酯類、酸類、羰基類、芳香及雜環(huán)化合物等賦予谷物食品特有的風(fēng)味。

2.2.1 谷物加工固體食品

谷物加工固體食品因其獨特的風(fēng)味深受消費者的喜愛，如面包、餅干、谷物棒、面條等。為了解不同谷物食品的風(fēng)味差異性，通過其揮發(fā)性成分的測定，確定不同谷物食品之間特殊性風(fēng)味化合物，有針對性的對谷物加工固體食品進行適當(dāng)?shù)谋４?、加工等處理?/p>

MB Mariani 等[32]利用頂空固相微萃取結(jié)合氣相色譜質(zhì)譜技術(shù)對意大利小麥面食的揮發(fā)性成分分析，目的鑒別不同品種小麥面食，共檢測風(fēng)味物質(zhì)23 種。Flander 等[33]在面包中加入燕麥全粉和小麥面粉，利用HS-SPME-GC-MS 測定風(fēng)味物質(zhì)，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)面包相比，加入燕麥全粉和小麥面粉烘培出的面包揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)成分更豐富。曾著莉[34]采用HSSPME-GC-MS 分析以小麥粉為主要原料的馬鈴薯面條的風(fēng)味，共檢測到30 種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，主要物質(zhì)為醛類，其中包括己醛（53.315 %）、壬醛（11.898%）、庚醛（2.911%）、癸醛（2.428%）等。吳香香等[35]利用電子鼻結(jié)合HS-SPME-GC-MS 檢測全營養(yǎng)高濃縮型食用菌餅干風(fēng)味成分，分析發(fā)現(xiàn)全營養(yǎng)餅干具有更豐富的風(fēng)味成分，檢測出揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)51 種，主要為中長鏈和長鏈烷烴類、醛類和醇類，相比普通餅干含量顯著提升。H Shin 等[36]研究發(fā)酵食品，如餅干，利用HS-SPME 結(jié)合GC-MS 技術(shù)可檢測其揮發(fā)性有害物質(zhì)甲醛的含量。

2.2.2 谷物加工液體食品

谷物加工食品除固體食品外還包括液體食品如高粱釀造的白酒、小麥發(fā)酵制成的啤酒、谷物奶、谷物飲料等。M Riu-Aumatell 等[37]對低醇和無醇啤酒的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進行比較，采用頂空固相微萃取氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析兩種啤酒中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)定性和定量的差異，酯類（乙酸異戊酯、己酸乙酯、辛酸乙酯）、醇類（1-辛醇、癸醇、異丁醇、異戊醇）和脂肪酸（己酸和辛酸）在酒精啤酒中含量價高，主要來自于麥芽衍生化合物和焙燒過程，如桃花心精油中的芳樟醇、β-胡蘆烯和α-松油醇是啤酒的特征風(fēng)味物質(zhì)。SG Da 等[38]開發(fā)了提取、鑒定和定量15 種巴西啤酒樣品香味最高和最低閾值的方法，利用HS-SPME-GC-MS 以及HSGC-ECD 相結(jié)合的評價方法，所用物質(zhì)閾值均在人體感官閾值范圍以下，包括乙酸乙酯相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD）平均值4.2%，乙酸異戊酯RSD 平均值3.4%，己酸乙酯RSD 均值3.1%和2，3-丁二酮RSD 均值2.9%，證明此方法可檢驗啤酒的風(fēng)味物質(zhì)。馬曉佩等[39]研究烘烤對米飲料風(fēng)味的影響，利用HS-SPME-GC-MS 檢測米飲料揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的變化，試驗結(jié)果表明，相對于未烘烤的米飲料，烘烤后樣品中淀粉、蛋白和脂肪在熱作用下發(fā)生降解，又經(jīng)酶催化產(chǎn)生大量吡嗪類風(fēng)味物質(zhì)，使米飲料具有濃郁的烘烤香氣。Dong 等[40]利用 HS-SPME-GC-MS 對不同品種大麥釀造的啤酒進行檢測，分析出游離態(tài)風(fēng)味化合物共41 種，主要包括乙醛、庚醛、辛醛、壬醛、異戊醇、2-甲基丙醛、環(huán)戊醇、己醛、2，3-丁二酮、3-甲基丁醛、乙酸等化學(xué)物質(zhì)為大麥經(jīng)釀造后主要的香氣特征化合物。

2.2.3 加工工藝對谷物食品風(fēng)味影響

雖然不同谷物產(chǎn)品的特征風(fēng)味物質(zhì)不同，但同一種谷物食品不同加工工藝對其風(fēng)味的影響極大，饅頭、面包和餅干等谷食品在制作過程中醒發(fā)的時間和溫度、酵母的種類、蒸制和烘烤的時間、溫度都會使谷物食品具有獨特的風(fēng)味。例如微波加熱相比傳統(tǒng)加熱方式所用時間短，更多的保留谷物食品的營養(yǎng)物質(zhì)，風(fēng)味也有很大不同，微波加熱方式對谷物食品油脂的破壞力小，但食品油炸風(fēng)味化合物所占整個風(fēng)味成分比例也較小，香味因子不易揮發(fā)，更有利于食品香味物質(zhì)的保留[41]。

王寧[42]運用HS-SPME-GC-MS 研究干酵母饅頭與傳統(tǒng)酵子饅頭的風(fēng)味物質(zhì)，意在找出兩種面包特有的風(fēng)味物質(zhì)，通過比較分析干酵母饅頭、加堿和未加堿酵子饅頭樣品中的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，3 種面包分別共檢測出36、43 和36 種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，主要由酯類、醇類、醛類烴類以及芳香族化合物構(gòu)成。Jurkovic N等[43]不同種類小麥酸面包揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，主要包括醇類、酯類以及羥基類成分，且面包之間氣味種類差別較大。影響谷物食品風(fēng)味物質(zhì)的主要因素包括：面粉本身的風(fēng)味、谷物食品在發(fā)酵過程中微生物的生化反應(yīng)、酶的作用、在熟制過程中不同程度的熱作用等[12]。王丹等[44]比較蕎麥和小麥在不同發(fā)酵劑作用下發(fā)酵過程中產(chǎn)生香氣成分的差異，研究表明，酵母和乳酸菌發(fā)酵蕎麥和小麥后，香氣成分有明顯差異。在發(fā)酵過程中，香氣成分隨著發(fā)酵時間延長而發(fā)生轉(zhuǎn)化。

2.2.4 谷物食品儲存過程中氣味變化

谷物食品的香味是評價風(fēng)味品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，谷物食品隨著貯藏時間的延長香味消失，導(dǎo)致其香味趨于平淡，失去新鮮感[45]。大多谷物加工食品原料谷物粉中含有較高的脂肪但多為不飽和脂肪、較容易酸敗、變性，且麩皮層含有豐富的活化酶，影響谷物加工食品的保質(zhì)期，對谷物粉進行穩(wěn)定性處理，可顯著提高貯藏期、營養(yǎng)價值和風(fēng)味品質(zhì)[46-47]。

S Plessas 等[48]用兩種混合發(fā)酵劑制作面包，采用HS-SPME-GC-MS 技術(shù)對貯藏過程中揮發(fā)物變化進行分析，并結(jié)合消費者喜好評價貯藏過程中對面包的喜愛程度，結(jié)果表明，不同類型面包揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)存在差異，在貯藏5 d 后揮發(fā)物種類和含量顯著減少。沈飛[49]運用電子鼻和HS-SPME-GC-MS 技術(shù)，對糧食制品貯藏過程中霉菌的生長過程產(chǎn)生的特征風(fēng)味化合物判別分析，表明不同霉菌風(fēng)味成分存在顯著性差異，為霉菌樣品區(qū)分提供參考。已有人研究得出，谷物制品在儲藏過程中，受儲藏條件影響最大的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)為酸酯類[50]。孫瑩等[51]應(yīng)用頂空固相微萃取技術(shù)（HS-SPME）和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）考察貯存對馬鈴薯面包風(fēng)味的影響，試驗表明：馬鈴薯面包共檢測出28 種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，經(jīng)貯藏后，揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)含量和種類發(fā)生明顯變化。

3 HS-SPME-GC-MS在谷物食品應(yīng)用中存在問題

用于谷物食品風(fēng)味物質(zhì)萃取、富集方法主要有4種：固相微萃取、同時蒸餾萃取、吹掃捕集法、超臨界流體萃取；物質(zhì)定量的技術(shù)主要有氣質(zhì)聯(lián)用、氣相色譜離子遷移譜、氣相色譜-嗅聞法和電子鼻檢測法。HSSPME-GC-MS 與其他方法相比除具有簡單、高效率、無溶劑、選擇性好、自動化的優(yōu)點外，還具有涂層易破損，使用壽命短，體積大等缺點。為使HS-SPME-GCMS 技術(shù)在谷物食品檢測中具有更好的應(yīng)用前景，應(yīng)該對儀器進行深入的改進，比如萃取頭使用期限短、成本高，應(yīng)更換適宜的材料；檢測和定量分析時操作復(fù)雜，時間長，未做到無損檢測，都需要今后改進。HSSPME-GC-MS 在谷物食品檢測程度不夠深入，在今后的應(yīng)用開發(fā)中應(yīng)注重對谷物食品有更深層次的研究。如包一楓[52]以全谷物燕麥、大麥、青稞為原料，采用焙烤、磨漿、雙酶解的方法制備富含豐富β-葡聚糖全谷物酶解液，利用HS-SPME-GC-MS 測定其揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)種類，研究表明，其揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)主要含有酸類6 種、酯類9 種、酮類5 種及烷烴類4 種，酸類物質(zhì)隨著全谷物酶解液添加量的增加總含量呈下降趨勢，酯類、酮類、烷烴類含量基本不變，可為糖尿病患者食用的低GI 食物提供參考。姚惠等[53]提取蕎麥、大麥、小麥、水稻4 種全谷物中酚類物質(zhì)，測定其總酚和總黃酮含量以及通過體外法測定4 種谷物抗氧化能力和抗Caco-2 細(xì)胞增殖能力，為谷物酚類化合物的深入研究提供參考。

4 展望

HS-SPME-GC-MS 技術(shù)自研發(fā)以來已應(yīng)用到各行各業(yè)風(fēng)味品質(zhì)檢測當(dāng)中，隨著基礎(chǔ)理論研究的不斷深入，該技術(shù)分析谷物食品風(fēng)味物質(zhì)已經(jīng)成為總的發(fā)展趨勢，并在谷物食品揮發(fā)性風(fēng)味檢測的各個方面取得了很好的成果。由于谷物食品風(fēng)味研究對食品市場有重要的影響作用，因此，將HS-SPME-GC-MS 應(yīng)用到谷物食品風(fēng)味鑒別中具有更高的實際價值，并在谷物食品多方面風(fēng)味檢測取得成就。今后HS-SPMEGC-MS 在谷物食品分析上的應(yīng)用可從以下幾個方面繼續(xù)展開研究工作：谷物食品的風(fēng)味物質(zhì)種類繁多，選擇高靈敏度萃取頭、優(yōu)化萃取和分離條件，達到高效準(zhǔn)確分析樣品的效果。由于谷物食品一般都為硬質(zhì)顆粒，容易損壞萃取頭，未來需研制穩(wěn)定性更高，使用壽命更長的萃取頭載體和萃取涂層。加強谷物食品樣品處理和分析的無縫對接，對于難揮發(fā)的物質(zhì)應(yīng)考慮借助超臨界流體萃取和其他萃取方法相結(jié)合的方式，以大大提高頂空固相微萃取萃取效率，擴大該技術(shù)的應(yīng)用范圍。HS-SPME-GC-MS 將在谷物食品研究開發(fā)中發(fā)揮更重要的作用，具有廣闊的發(fā)展前景。