3種2-丁烯醛類食用香料的穩(wěn)定性研究

楊克玉， 柴國璧， 孫世豪， 孫寶國， 黃 佳， 劉玉平

(1.北京工商大學 北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心， 北京 100048； 2.中國煙草總公司鄭州煙草研究院， 河南 鄭州 450001)

食用香料是調(diào)配食用香精的重要原料，香料的穩(wěn)定性不僅影響著香精的質(zhì)量，也影響著加香產(chǎn)品的香氣質(zhì)量；而目前我國還沒有一個通用的評價香料穩(wěn)定性的方法。筆者在文獻調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)對檸檬醛[1-2]、異硫氰酸烯丙酯[3-4]、呋喃酮[5-6]、香蘭素[7-8]、糠硫醇[9]、2-甲基-3-呋喃基硫醇[10]等有限的幾個用量大或?qū)ο憔銡庥绊懕容^大的香料的穩(wěn)定性研究報道較多；并且在研究這些香料的穩(wěn)定性時常采用模型反應[11]或從研究某個食品的香氣穩(wěn)定性開始[12]，研究中發(fā)現(xiàn)某一個或幾個對食品香氣貢獻大的成分，進而對這些關(guān)鍵香成分的穩(wěn)定性進行研究；研究過程中主要考察熱、光、氧、食品基質(zhì)的pH值等對香料的穩(wěn)定性的影響。

2-丁烯醛屬于α,β-不飽和醛，是重要的醛類香料，存在于韭菜[13]、煙氣[14]、葫蘆巴[15]、薯片、磷蝦調(diào)味料、烤咖啡和酵母提取物[16]等物質(zhì)中，具有青香、果香和堅果香，廣泛用于調(diào)配食用香精和煙用香精，可使香精的香氣透發(fā)。目前GB 2760—2014《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》中批準使用的2-丁烯醛類食品香料共有4個，分別是2-甲基-2-丁烯醛、2-苯基-2-丁烯醛、2-甲硫甲基-2-丁烯醛和3-甲基-2-丁烯醛；其中2-苯基-2-丁烯醛和3-甲基-2-丁烯醛也被列在我國煙草添加劑許可名錄中。因含硫2-丁烯醛的穩(wěn)定性與另外3種2-丁烯醛化合物的穩(wěn)定性可能不同，因此本研究僅對反-2-甲基-2-丁烯醛、2-苯基-2-丁烯醛和3-甲基-2-丁烯醛的穩(wěn)定性進行了考察。為充分了解3種2-丁烯醛在儲存過程中的穩(wěn)定性，本研究考察了溫度、相對濕度和頂空氧氣含量對其穩(wěn)定性的影響，并對儲存過程中生成的產(chǎn)物進行了初步定性，期望實驗結(jié)果對建立α,β-不飽和醛類食用香料的穩(wěn)定性評價方法以及更好地保存和充分利用這些香料提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

反-2-甲基-2-丁烯醛、2-苯基-2-丁烯醛，分析純，西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司；3-甲基-2-丁烯醛，分析純，韶遠化學科技(上海)有限公司；正構(gòu)烷烴混合物(C6～C30)，色譜純，美國Supelco公司；乙醚、濃硫酸，國藥集團化學試劑北京有限公司；高純氮氣、高純氧氣、氧氣(體積分數(shù)為21.0%、40.0%和60.0%的標準氣體)，北京銳志漢興有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

7890B- 5977A型氣- 質(zhì)聯(lián)用儀，美國安捷倫公司；BCD- 539WL型冰箱，青島海爾股份有限公司；DHG- 9011A型恒溫干燥箱，江蘇上海精宏實驗設(shè)備有限公司；50 mL Schlenk瓶，北京欣維爾玻璃儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1穩(wěn)定性實驗操作方法

用移液槍量取3種2-丁烯醛類香料0.5 mL，置于2 mL的色譜瓶中，在避光的條件下儲存于不同溫度、濕度和頂空氧氣含量下，每2周取出一個樣品進行氣- 質(zhì)聯(lián)用分析(為了保證結(jié)果的準確性，樣品瓶一旦打開，樣品被分析以后不再做儲存實驗使用)，主要對3種2-丁烯醛的變化情況進行定性與定量分析；分析時將樣品用乙醚稀釋至體積分數(shù)為10%，每個樣品分析3次，結(jié)果取平均值。

考察的溫度分別是4(將樣品放入冰箱中)、20、40、60 ℃和80 ℃(將樣品放入恒溫干燥箱中)；考察的相對濕度為42.0%、47.0%、58.0%、72.0%和88.0%(由于不同濃度的硫酸水溶液上空濕度不同，將裝有樣品的色譜瓶敞口分別放入裝有硫酸體積濃度分別為57.0%、50.0%、39.0%、27.0%、10.0%的干燥器頂空中，2 d后將色譜瓶的蓋子蓋上)；考察頂空氣體中氧的體積含量分別為0%、21.0%、40.0%、60.0%和100%(將樣品裝入Schlenk瓶中，抽去里面的空氣，然后沖入相應體積分數(shù)的氧氣標準氣體)。

1.3.2GC-MS分析條件

為將儲存過程中生成的新物質(zhì)與相應的2-丁烯醛分開，對GC-MS的分析條件進行了優(yōu)化。

分析反-2-甲基-2-丁烯醛采用的氣相色譜條件為HP-INNO Wax毛細管柱(30.0 m×0.25 mm×0.25 μm)；升溫程序：40 ℃保持2 min，以4 ℃/min升到60 ℃，然后以20 ℃/min升到250 ℃，保持2 min。進樣量1 μL，分流比100∶1，氣化室溫度250 ℃，傳輸線溫度250 ℃，載氣為氦氣，流速1.0 mL/min。

分析3-甲基-2-丁烯醛采用的氣相色譜條件為HP-INNOWax毛細管柱(30.0 m×0.25 mm×0.25 μm)；升溫程序：40 ℃保持2 min，以5 ℃/min升到80 ℃，然后以17 ℃/min升到250 ℃，保持2 min。進樣量1 μL，分流比100∶1，氣化室溫度250 ℃，傳輸線溫度250 ℃，載氣為氦氣，流速1.0 mL/min。

分析2-苯基-2-丁烯醛采用的氣相色譜條件：采用HP-5毛細管柱(30.0 m×0.25 mm×0.25 μm)色譜；升溫程序：40 ℃保持2 min，以20 ℃/min升到150 ℃，然后以10 ℃/min升到250 ℃，保留2 min。進樣量1 μL，分流比100∶1，氣化室溫度250 ℃，傳輸線溫度250 ℃，載氣為氦氣，流速1.0 mL/min。

3個樣品分析時采用的質(zhì)譜條件為EI源，電子能量70 eV，離子源溫度230 ℃，四極桿150 ℃，全掃描模式，掃描質(zhì)量范圍為m/z50～400 u，溶劑延遲3.5 min。

1.3.3保留指數(shù)的計算

取0.2 μL C6～C30正構(gòu)烷烴的正己烷溶液，在1.3.2節(jié)的GC-MS條件下進行分析，得到C6～C30正構(gòu)烷烴的保留時間，計算保留指數(shù)的方法與參考文獻[17]相同。

1.3.4化合物的鑒定

化合物的定量方法為采用面積歸一化法進行簡單定量，尋找變化趨勢。

在對新生成的成分進行定性分析時，是將質(zhì)譜與NIST 11譜庫數(shù)據(jù)對比，匹配度大于85%時，且保留指數(shù)與文獻報道的保留指數(shù)接近時，確定此化合物。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對3種2-丁烯醛類食用香料穩(wěn)定性的影響

在相對濕度為58.0%，頂空氣體中氧的體積分數(shù)為21.0%，考察3種2-丁烯醛類食用香料在溫度為4、20、40、60 ℃和80 ℃下的它們的相對含量的變化情況(4 ℃是冰箱冷藏溫度，20 ℃是模擬室溫，40 ℃是模擬夏季高溫，60 ℃和80 ℃是模擬巴氏殺菌的溫度)，實驗結(jié)果見圖1至圖3。

圖1 不同溫度下反-2-甲基-2-丁烯醛相對含量的變化Fig.1 Trends of relative content of E-2-methyl-2-butenal at different temperature

圖2 不同溫度下3-甲基-2-丁烯醛相對含量的變化Fig.2 Trends of relative content of 3-methyl-2-butenal at different temperature

圖3 不同溫度下2-苯基-2-丁烯醛相對含量的變化Fig.3 Trends of relative content of 3-phenyl-2-butenal at different temperature

對比圖1至圖3，可以看出隨著儲存時間的延長，它們的相對含量總體呈下降趨勢，在所考察的5個溫度下，4 ℃和20 ℃下3種2-丁烯醛的相對含量變化較小，較低的溫度有利于2-丁烯醛的儲存；而40 ℃、60 ℃和80 ℃下相對含量變化較大，尤其是20周以后反-2-甲基-2-丁烯醛和3-甲基-2-丁烯醛的相對含量下降速度較快，其中反-2-甲基-2-丁烯醛在80 ℃儲存20周后幾乎不能被檢測到。醛類化合物中由于含有醛基，是有機化合物中比較活潑的一類物質(zhì)，在氧氣存在下它們?nèi)菀装l(fā)生氧化反應生成酸。在所考察的3種2-丁烯醛中最穩(wěn)定的是2-苯基-2-丁烯醛，最不穩(wěn)定的是反-2-甲基-2-丁烯醛；這與它們自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，由于2-苯基-2-丁烯醛中的苯基可以與2-丁烯醛形成更大的共軛體系，有利于其穩(wěn)定。

所得結(jié)果也說明這類香料如果打開包裝后即使再蓋好蓋子，在室溫下其保質(zhì)期約20周左右，其含量在90%左右。為延長這類香料的保質(zhì)期，從儲存的角度考慮，應將它們儲存在低溫環(huán)境中。由于這類香料不耐高溫，在調(diào)配耐高溫香精時應少量使用這類香料。

2.2 相對濕度對3種2-丁烯醛類食用香料穩(wěn)定性的影響

基于室溫為20 ℃，頂空氣體中氧氣的體積分數(shù)為21.0%，考察3種2-丁烯醛類食用香料在相對濕度為42.0%、47.0%、58.0%、72.0%和88.0%(42.0%、47.0%、58.0%是模擬冬春秋季節(jié)的濕度，72%和88%是模擬夏季的濕度)下它們的相對含量的變化情況，所得結(jié)果見圖4至圖6。

圖5 不同相對濕度下3-甲基-2-丁烯醛相對含量的變化Fig.5 Trends of relative content of 3-methyl-2-butenal at different relative humidity

圖6 不同相對濕度下2-苯基-2-丁烯醛相對含量的變化Fig. 6 Trends of relative content of 2-phenyl-2-butenal at different relative humidity

從圖4至圖6可以看出，隨著儲存時間的延長，3種2-丁烯醛的相對含量都降低，但不同相對濕度下它們的相對含量變化差別不是很大(尤其是在儲存前20周)；在3種2-丁烯醛中最穩(wěn)定的仍然是2-苯基-2-丁烯醛，前20周在不同相對濕度下它們的相對含量幾乎沒有變化，因此這類香料對其儲存環(huán)境的相對濕度要求不高。在3種2-丁烯醛體系中，第1次測得相對含量較第2次低，其中的原因是在考察相對濕度對它們的穩(wěn)定性的影響時，為了保證樣品瓶頂空的相對濕度達到實驗需要值，將樣品瓶放入干燥器時樣品敞口放置了2 d，并且在取樣分析前沒有將樣品放在振蕩器上振勻。這些實驗數(shù)據(jù)也表明樣品瓶中上面的樣品更容易變化，測定前應該搖勻。

2.3 頂空氣體中氧氣的體積分數(shù)對3種2-丁烯醛類食用香料穩(wěn)定性的影響

在溫度為20 ℃，相對濕度為58.0%的條件下，將樣品裝入Schlenk瓶中，設(shè)置頂空氣體中氧氣的體積分數(shù)分別為0%、21.0%、40.0%、60.0%和100%(0%模擬惰性環(huán)境，采用高純氮氣；21.0%模擬空氣，100%為純氧氣；為了尋找整體變化趨勢，也考察了氧的體積分數(shù)為40.0%和60.0%)，考察氧氣的體積分數(shù)對3種2-丁烯醛的相對含量的影響，所得結(jié)果見圖7至圖9。

圖7 不同頂空氣體氧含量下反-2-甲基-2-丁烯醛相對含量的變化Fig.7 Trends of relative content of E-2-methyl-2-butenal at different content of oxygen on headspace

圖8 不同頂空氣體氧含量下3-甲基-2-丁烯醛相對含量的變化Fig.8 Trends of relative content of 3-methyl-2-butenal at different content of oxygen on headspace

從圖7至圖9可以看出，雖然隨著儲存時間的延長，它們的相對含量整體呈下降趨勢；但是與不同儲存溫度和不同相對濕度下的相對含量的變化趨勢相比，不同氧含量下的相對含量降低更快；在儲存20周后2-甲基-2-丁烯醛和3-甲基-2-丁烯醛的相對含量都低于50%。頂空氣體中氧氣的體積分數(shù)高，有利于醛的氧化反應發(fā)生，使得更多的醛被氧化成酸；實驗結(jié)果也表明這類香料應該保存在惰性氛圍中。在使用這類食用香料時，如果將包裝打開，建議在12周內(nèi)用完；如果沒有用完，應該在剩余的香料中沖入惰性氣體進行保存。

2.4 儲存過程中2-丁烯醛類食用香料主要產(chǎn)物的鑒定

在不同的儲存條件下，2-丁烯醛類食用香料由于環(huán)境的影響，如溫度、濕度及含氧量，會發(fā)生一些變化，生成一些新物質(zhì)。為確定新生成的物質(zhì)，通過質(zhì)譜及保留指數(shù)(采用兩種色譜柱)對它們進行了初步定性，所得結(jié)果見表1至表3。

圖9 不同頂空氣體氧含量下2-苯基-2-丁烯醛相對含量的變化Fig.9 Trends of relative content of 2-phenyl-2-butenal at different content of oxygen on headspace

表1 反-2-甲基-2-丁烯醛儲存過程中產(chǎn)生的物質(zhì)

*保留指數(shù)文獻值來自http:∥webbook.nist.gov/chemistry/cas-ser.html；“—”表示保留指數(shù)未見報道。

表2 3-甲基-2-丁烯醛儲存過程中產(chǎn)生的物質(zhì)

*保留指數(shù)文獻值來自http:∥webbook.nist.gov/chemistry/cas-ser.html;“—”表示保留指數(shù)未見報道。

反-2-甲基-2-丁烯醛在儲存過程中主要發(fā)生氧化反應，生成了反-2-甲基-2-丁烯酸；由于順-2-甲基-2-丁烯醛的能量比反-2-甲基-2-丁烯醛的能量高1～2 kcal/mol[18]，反-2-甲基-2-丁烯醛更穩(wěn)定；但是在儲存過程中隨著溫度等條件的變化，會有少量反-2-甲基-2-丁烯醛獲得能量轉(zhuǎn)變成順-2-甲基-2-丁烯醛，順-2-甲基-2-丁烯醛被氧化生成了順-2-甲基-2-丁烯酸。隨著儲存時間的延長，除生成的酸外還生成了少量的2-甲基-2-丁烯酸乙酯、反-2-甲基-2-丁烯酸3-氧代-2-丁醇酯、2,3,4,5-四甲基-2-環(huán)戊烯-1-酮等，但它們的相對含量都在1%以下；關(guān)于它們的形成機理未見文獻報道，尚需進一步研究。

3-甲基-2-丁烯醛在儲存過程中除發(fā)生氧化反應生成3-甲基-2-丁烯酸外，還生成了2,6,6-三甲基-1,3-環(huán)己二烯-1-甲醛，并且在80 ℃下儲存時隨著儲存時間的延長其相對含量超過6%，曾有文獻報道可采用3-甲基-2-丁烯醛為原料合成2,6,6-三甲基-1,3-環(huán)己二烯-1-甲醛[19]。在儲存過程中還鑒定出了4-甲基-2(5H)-呋喃酮，并且有文獻報道3-甲基-2-丁烯醛可通過氧化成環(huán)生成4-甲基-2(5H)-呋喃酮[20]。除以上產(chǎn)物外還有少量的2-甲基丙酸乙酯、6-甲基-3,5-戊二烯-2-酮等產(chǎn)物。

表3 2-苯基-2-丁烯醛儲存過程中產(chǎn)生的新物質(zhì)

*保留指數(shù)文獻值來自http:∥webbook.nist.gov/chemistry/cas-ser.html，“—”表示保留指數(shù)未見報道。

2-苯基-2-丁烯醛雖然比較穩(wěn)定，但是在儲存過程中也生成一些新的物質(zhì)，主要物質(zhì)是2-甲基-3-苯基-2-丙烯酸和苯丙酮；2-苯基-2-丁烯醛發(fā)生氧化反應沒有生成2-苯基-2-丁烯酸，而是生成了2-甲基-3-苯基-2-丙烯酸，其形成機理需進一步研究。除上述主要產(chǎn)物外，還生成了苯甲醛、苯酚、苯乙醛、苯乙酮、聯(lián)二苯等降解產(chǎn)物。

通過對3種2-丁烯醛在儲存過程中形成的產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)鑒定可知，主要的產(chǎn)物是通過發(fā)生氧化反應生成的酸及進一步降解而生成的產(chǎn)物；為了增加2-丁烯醛類食用香料的穩(wěn)定性，防止氧化產(chǎn)物的形成，可采取3種辦法，一是盡可能將它們儲存在低溫環(huán)境中；二是將這類食用香料保存在惰性氛圍中，如向容器中充入氮氣、氦氣或二氧化碳；三是在不影響其香氣和使用的情況下可嘗試向其中添加微量食用抗氧化劑，如BHT、BHA、TBHQ、維生素E等。

3 結(jié) 論

采用氣相色譜- 質(zhì)譜聯(lián)用儀考察了儲存溫度、相對濕度和頂空氣體中氧氣的體積分數(shù)對反-2-甲基-2-丁烯醛、3-甲基-2-丁烯醛和2-苯基-2-丁烯醛在儲存過程中穩(wěn)定性影響。在考察的3種因素中對3種2-丁烯醛類食用香料的穩(wěn)定性影響大小依次為頂空氣體中氧氣的體積分數(shù)、儲存溫度和相對濕度；可利用這些因素對香料的穩(wěn)定性進行初步評價。在3種2-丁烯醛類食用香料中比較穩(wěn)定的是2-苯基-2-丁烯醛、2-甲基-2-丁烯醛和3-甲基-2-丁烯醛的穩(wěn)定性接近。盛裝2-丁烯醛類香料的容器頂空中含有空氣時，在室溫下儲存20周，其含量降到90%左右；為了增加2-丁烯醛類食用香料的穩(wěn)定性，延長其保質(zhì)期，應將它們儲存在低溫、惰性氛圍中。反-2-甲基-2-丁烯醛和3-甲基-2-丁烯醛在儲存過程中產(chǎn)生的主要物質(zhì)分別是反-2-甲基-2-丁烯酸和3-甲基-2-丁烯酸；而2-苯基-2-丁烯醛在儲存過程中產(chǎn)生的主要物質(zhì)是2-甲基-3-苯基-2-丙烯酸和苯丙酮。在使用過程中為了保證2-丁烯醛類香料的質(zhì)量，包裝打開后建議在12周內(nèi)用完；這類香料不耐高溫，在調(diào)配耐高溫香精時應該少量使用。