HS-SPME-GC-MS在食品揮發(fā)性物質(zhì)分析中的應(yīng)用

張文娟，周考文，2*

（1.北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院，北京 100023；2.生物質(zhì)廢棄物資源化利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100023）

香氣、味道和外觀是食品品質(zhì)的3個(gè)重要指標(biāo)。其中，揮發(fā)性化合物顯著影響食品風(fēng)味，從而影響食品的整體評(píng)價(jià)，因而在食品的分析檢測(cè)中至關(guān)重要。揮發(fā)性物質(zhì)存在于食品生產(chǎn)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，自然存在的氣味物質(zhì)、加工過程中化合物變化產(chǎn)生的氣味物質(zhì)、貯藏過程中發(fā)生變化的揮發(fā)性物質(zhì)等[1]。由于食品基質(zhì)的復(fù)雜性，在分析之前通常需要進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理，而且較長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間可能無法滿足許多分析物的快速檢測(cè)要求，因此應(yīng)用快速高效的頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用（headspace solid-phase microextractionmass spectrometry coupled with gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME-GC-MS）對(duì)食品中揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行定性定量分析，能夠?qū)κ称返钠焚|(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)和控制。

頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)可以完成對(duì)復(fù)雜混合揮發(fā)性成分的分離鑒定和定性定量分析，是揮發(fā)性組分提取分析的主要方法，以檢測(cè)時(shí)間短、溶劑耗費(fèi)少而廣泛應(yīng)用于食品[2-4]、環(huán)境[5-6]、藥學(xué)[7-8]、醫(yī)學(xué)[9]、生物化學(xué)[10-11]、化妝品[12-13]、司法[14]等領(lǐng)域，并已寫入若干國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)。本文概述了頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用的原理及特點(diǎn)，重點(diǎn)總結(jié)了近年來HS-SPME-GC-MS在食品揮發(fā)性物質(zhì)分析中的應(yīng)用情況，并對(duì)其在揮發(fā)性物質(zhì)分析上的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 HS-SPME-GC-MS簡(jiǎn)述

固相微萃?。⊿PME）技術(shù)于1990年由加拿大Waterloo大學(xué)Pawliszyn教授的工作小組提出，是一種集采樣、萃取、濃縮、進(jìn)樣于一體，簡(jiǎn)單方便、省時(shí)省力、不需溶劑的新型綠色環(huán)保樣品前處理技術(shù)[15]。頂空固相微萃取（HS-SPME）是固相微萃取的一種，將涂覆有吸附劑的熔融石英纖維暴露在樣品上方的頂部空間中，易揮發(fā)或半揮發(fā)性化合物分布在樣品頂部空間和吸附劑之間，在這種模式下，在樣品和頂部空間之間平衡的揮發(fā)性和半揮發(fā)性化合物被纖維涂層捕獲，平衡一段時(shí)間后將纖維放入氣相色譜儀的進(jìn)樣口中分析吸附的化合物。由于樣品基質(zhì)不直接與涂層接觸，因此，使用HS-SPME可使提取物更純凈，選擇性更高[16]。

氣質(zhì)聯(lián)用（GC-MS）技術(shù)廣泛應(yīng)用于20世紀(jì)50年代后，具有高準(zhǔn)確性、高靈敏度、高選擇性、高效率、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)。氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)結(jié)合了兩種儀器的優(yōu)勢(shì)，既有色譜強(qiáng)大的分離能力又具有質(zhì)譜靈敏的鑒別功能。氣相色譜作為質(zhì)譜儀的“分離進(jìn)樣器”，常用于復(fù)雜的揮發(fā)性成分的分離與分析。質(zhì)譜是“檢測(cè)器”，可以確定各化合物的分子量和官能團(tuán)，再通過標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)的檢索，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物的定量和定性分析[17-19]。HS-SPME-GC-MS技術(shù)是近幾年來?yè)]發(fā)性成分分析的主要方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的采集、萃取、濃縮、分離、定量和定性分析等一系列研究。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)在檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集處理方面取得了較大的提升，在食品領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大。

2 HS-SPME-GC-MS在食品揮發(fā)性物質(zhì)分析中的應(yīng)用

2.1 自身特有的氣味物質(zhì)

揮發(fā)性有機(jī)化合物是使食品具有獨(dú)特風(fēng)味的原因。例如，成熟過程中由于食物代謝產(chǎn)生的酯類、醇類、醛類、萜烯、醚類等物質(zhì)能賦予食品特有的芳香。但是揮發(fā)性化合物也受到其它因素的影響，尤其是原料的品種和地理位置，因而對(duì)食品中揮發(fā)性化合物進(jìn)行測(cè)定可用于鑒別和區(qū)分產(chǎn)品。

2.1.1 果蔬及果蔬制品

石燦煥等[20]在成熟的貴州正安野木瓜中鑒定出65種揮發(fā)性化合物，主要為酯類和醇類，其中正-3-己烯醇的含量最高，是正安野木瓜特有的青葉香氣的主要成分，試驗(yàn)中還檢測(cè)出乙酸葉醇酯、D-檸檬酸、二氫烯醇和α-紫羅蘭醇等芳香化合物。Chen等[21]研究結(jié)果表明，己酸、己醛、（E）-2-己醛、（Z）-2-庚醛、苯甲醛和（E）-2-壬醛是棗香氣的主要成分，并且首次在駿棗中分離出異丁酸和丁酸，在木棗、圓棗、梨棗中鑒定出（E，E）-2，4-庚二烯醛、（E，E）-2，4-癸二烯醛和十二烷醛。張靜等[22]在番茄中鑒定出75種香氣成分，其中包括21種醇、24種醛、11種酮、10種酯、3種呋喃、2種酚和少量物質(zhì)其他，其中順-3-己烯醛和2-異丁基硫咪唑是新鮮番茄特殊的風(fēng)味化合物。郭鳳領(lǐng)等[23]在高山根韭菜中鑒定出31種揮發(fā)性化合物，其中二烯丙基三硫醚和甲基烯丙基三硫醚是最主要的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)。Qiu等[24]對(duì)薩摩柑桔和甜橙柑桔純果汁及4種比例的混合果汁進(jìn)行分析，結(jié)果表明主要揮發(fā)性成分為檸檬烯、瓦倫烯和β-月桂烯。果汁中特定的揮發(fā)性香氣含量與兩種柑橘類水果的混合比例無關(guān)。Perestrelo等[25]首次使用HS-SPME/GC-MS方法建立了馬德拉島不同地區(qū)的蘋果酒的揮發(fā)性特征，共鑒定出107種屬于不同化學(xué)家族的揮發(fā)性化合物，即41種酯類、21種醇類、24種萜類化合物、13種酸、3種羰基化合物、4種內(nèi)酯和1種揮發(fā)性酚。Cheng等[26]檢測(cè)了新疆6個(gè)葡萄干品種的揮發(fā)性成分?？偣茶b定出80種化合物。包括醇醛、萜類、呋喃、酯、酸和吡嗪，其中氧化玫瑰、芳樟醇氧化物A、芳樟醇氧化物B、3，7-二甲基-1，5-辛二烯-3，7-二醇、2-庚醇和 3-辛烯-2-酮首次在葡萄干果中被檢測(cè)出。

2.1.2 肉、蛋、奶制品

朱青云等[27]研究了青海省不同產(chǎn)地牦牛肉的揮發(fā)性風(fēng)味成分，在牦牛背最長(zhǎng)肌、股二頭肌和肋間肌3個(gè)部位的肉中共檢測(cè)出34種揮發(fā)性成分，其中十六醛、十八醛、壬醛、苯甲醛、正辛醇、2，3-戊二酮、3-羥基-2-丁酮、己酸8種化合物是主要的揮發(fā)性風(fēng)味成分。衛(wèi)惠萍等[28]在自制的咸雞蛋蛋黃中鑒定出43種揮發(fā)性成分，按含量的多少依次為醛類、呋喃、醇類，其中乙酸乙酯對(duì)風(fēng)味的貢獻(xiàn)最大。賀紅軍等[29]分析紫薯酸奶和普通酸奶揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)差異，得出紫薯酸奶中芳香雜環(huán)化合物和萜類化合物種類多于普通酸奶，橙花醇、愈創(chuàng)木酚和香草醛是紫薯酸奶的特色風(fēng)味成分。Milosavljevic＇等[30]在兩種不同類型的意大利奶酪中鑒定出73種揮發(fā)性化合物，主要為短鏈和中鏈脂肪酸、醇、酯和酮，并且首次在干酪樣品中檢測(cè)出2-羥基-4-甲基戊酸甲酯。

2.1.3 農(nóng)副產(chǎn)品及其它

Lim等[31]對(duì)韓國(guó)和中國(guó)的大米進(jìn)行區(qū)分，得出韓國(guó)白米樣品中2,4-二甲基-1-癸烯、4-甲基-1-十一碳烯和1-癸烯的濃度更高，1-癸烯具有令人愉悅的氣味。Wodood等[32]通過HS-SPME/GC-MS分析冬小麥揮發(fā)性化合物的特征，實(shí)現(xiàn)真正區(qū)分小麥品種和地理起源。Cecchi等[33]應(yīng)用HS-SPME-GC-MS定量方法對(duì)來自3個(gè)不同橄欖油市場(chǎng)的1 217個(gè)油樣品進(jìn)行了評(píng)估，同時(shí)認(rèn)證來自全球前5個(gè)生產(chǎn)國(guó)的原始橄欖油的地理起源。薛蓓等[34]對(duì)松口蘑和紅菇蠟傘香氣成分進(jìn)行比較研究，得出松口蘑特有的揮發(fā)性成分有2（5H）-呋喃酮、3-苯丙醇、正己酸乙酯、萜品烯和異松油烯等14種化合物，紅菇蠟傘特有的揮發(fā)性化合物有2-丁基-2-辛烯醛、甲基庚烯酮、丁醇、異丁酸、鄰甲酚和乙二醇單丁醚等16種化合物。

2.2 食品加工產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)

對(duì)食品原材料進(jìn)行加工，會(huì)對(duì)食品產(chǎn)生好或壞的影響，由于受加工條件、加工方式、微生物或酶的影響，揮發(fā)性物質(zhì)會(huì)發(fā)生不同程度的變化，原揮發(fā)性物質(zhì)尤其是一些化學(xué)性質(zhì)不太穩(wěn)定的成分，或形成新的化合物，或由于對(duì)加工方式的不耐受而消失。對(duì)不同加工方式生產(chǎn)的食品揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，有助于加工工藝的優(yōu)化和新產(chǎn)品的開發(fā)研究。常見的加工方式有熱處理、干燥焙烤和腌制。

2.2.1 熱處理

Giannetti等[35]通過對(duì)79種工業(yè)生產(chǎn)和手工釀制的比爾森風(fēng)格啤酒進(jìn)行分析，得出揮發(fā)性特征能夠表征不同工藝條件下生產(chǎn)的啤酒，工業(yè)產(chǎn)品由于巴氏殺菌等熱處理破壞了芳香族和萜烯類等不耐熱化合物，而手工釀制啤酒中這些化合物含量較高。孫靜等[36]對(duì)生鮮及熱處理大眼金槍魚進(jìn)行揮發(fā)性成分差異的分析，在熱處理大眼金槍魚的樣品中鑒定出47種揮發(fā)性物質(zhì)，多于生鮮樣品（36種），醛類、呋喃類為熱處理大眼金槍魚的主要揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)。周明珠等[37]研究了復(fù)熱處理對(duì)鱸魚揮發(fā)性成分的變化，結(jié)果表明，復(fù)熱處理加速了魚肉的脂肪氧化和酸敗，復(fù)熱處理后的魚肉揮發(fā)性成分中醛類物質(zhì)和1-辛烯-3-醇的含量比冷藏時(shí)高。王太軍等[38]對(duì)小麥麩皮和熱處理后小麥麩皮的揮發(fā)性成分進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明，熱處理后的小麥麩皮中對(duì)風(fēng)味有副作用的稠環(huán)類物質(zhì)含量降低，烷烴和烯烴類減少，醛類和酮類物質(zhì)生成。

2.2.2 干燥和焙烤處理

Dong等[39]研究了不同干燥方式，常溫干燥（roomtemperature drying，RTD）、太陽(yáng)能干燥（solar drying，SD）、熱泵干燥（heat pump drying，HPD）、熱風(fēng)干燥（hot-air drying，HAD）、冷凍干燥（freeze drying，F(xiàn)D）對(duì)咖啡豆香氣和風(fēng)味特性的影響。在RTD、SD、HPD、HAD和FD不同處理后的樣品中分別鑒定出約111、109、102、93和90種揮發(fā)性化合物。對(duì)于RTD和SD樣品，共檢測(cè)到11種呋喃，其中RTD樣品中的呋喃濃度最高。由于長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫空氣中會(huì)導(dǎo)致風(fēng)味物質(zhì)前體的損失，HPD和HAD中的揮發(fā)物數(shù)量減少。FD顯著降低了總揮發(fā)性化合物的種類。Yang等[40]從新鮮的金針菇中鑒定出4種代表性的風(fēng)味化合物，即酮、醇、醛和烴。酮和醇類是新鮮金針菇中的主要揮發(fā)性化合物，其中66.69%和12.58%的化合物分別是3-辛酮和3-辛醇。金針菇的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)在60℃干燥過程中明顯發(fā)生了變化。6 h～12 h是干燥的金針菇特征風(fēng)味發(fā)展的關(guān)鍵干燥時(shí)期，在該過程中新鮮的金針菇的酮、醛和醇轉(zhuǎn)化為干金針菇的酯、酸和烴。Gong等[41]對(duì)佐治亞州的原始山核桃和3個(gè)烤山核桃樣品的揮發(fā)物進(jìn)行分析測(cè)定，結(jié)果表明，焙烤顯著影響了山核桃的揮發(fā)性，在焙烤樣品中共鑒定出63種風(fēng)味活性化合物，包括在未加工的山核桃中未檢出的9種化合物。在焙烤樣品中，醛、酮和吡嗪生成量會(huì)明顯增加。有機(jī)酸、烷烴和醇的濃度也大大增加。吡嗪類是美拉德反應(yīng)的重要指示劑，僅在焙烤樣品中發(fā)現(xiàn)，并在整個(gè)焙烤時(shí)間內(nèi)持續(xù)增加。此外，烴衍生物隨焙烤過程進(jìn)行顯著增加，這可能是非揮發(fā)性脂質(zhì)降解的結(jié)果。

2.2.3 腌制

Shen等[42]在腌制干芥末中鑒定出15種主要揮發(fā)性化合物包括十四烷、2-苯基乙醇、2，6-二甲基（丙-2-基）苯酚、苯甲醛、2-苯乙醛、癸醛、（E）-2-苯基丁-2-烯、2，6-二叔丁基環(huán)己-2,5-二烯-1，4-二酮、庚酸、辛酸、壬酸、4，4，7a-三甲基-6，7-二氫-5H-1-苯并呋喃-2-酮、呋喃-2-甲醛、2，5-二甲基吡嗪和3-苯基丙腈。鄭炯等[43]對(duì)腌制麻竹筍揮發(fā)性成分進(jìn)行鑒定分析，結(jié)果表明4-甲基-苯酚、苯酚、苯甲醛、己醛、壬醛、2-庚烯醛、2，3-丁二醇、1-辛烯-3-醇、芳樟醇、乙酸、檸檬烯、環(huán)庚烷腈等是腌制麻竹筍主要的揮發(fā)性成分。

2.3 加工過程中揮發(fā)性物質(zhì)的變化

陳霞等[44]對(duì)蕎麥揮發(fā)性成分在加工前和加工后的含量和種類進(jìn)行了分析，加工過程中因醇類物質(zhì)的揮發(fā)，使得加工后的揮發(fā)性成分減少，但也有一些痕量成分在磨粉期間揮發(fā)出來。燕雯等[45]研究了小麥加工過程中揮發(fā)性成分的變化，小麥經(jīng)面粉、面團(tuán)、饅頭的一系列加工過程，揮發(fā)性成分發(fā)生了明顯的改變，含量較高的烴類物質(zhì)相對(duì)含量急劇下降，醇類物質(zhì)在蒸制過程中因揮發(fā)而減少，而在加工過程中醛類和環(huán)類物質(zhì)有所增加。為提高發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量，何嘉敏等[46]對(duì)果蔬汁發(fā)酵前后的揮發(fā)性成分進(jìn)行鑒定分析，益生菌發(fā)酵對(duì)復(fù)合果蔬汁香氣成分的影響較大，發(fā)酵使得27種揮發(fā)性成分增加，其中包括醇類、酚類和酯類等，并且發(fā)酵后的果蔬汁中鑒定出乙基香蘭素和異丁基噻唑。韋璐等[47]研究了低溫發(fā)酵條件下，香蕉果酒不同發(fā)酵過程中揮發(fā)性物質(zhì)的變化，結(jié)果表明，揮發(fā)性成分的種類由發(fā)酵前期的57種降至發(fā)酵末期的51種，其中醇類、酚類和酸類物質(zhì)逐漸增加，烷烴、羰基類和酯類物質(zhì)先增加后減少。鄭炯等[48]對(duì)麻竹筍進(jìn)行了為期63 d的腌制并進(jìn)行了揮發(fā)性成分的檢測(cè)，在腌制過程中共檢測(cè)出74種揮發(fā)性成分，其中隨腌制時(shí)間延長(zhǎng)揮發(fā)性物質(zhì)含量增加的有苯酚類、酮類和烷烴類，含量降低的有烯烴類、醇類和酯類，且呈先增加后減少的趨勢(shì)。為了驗(yàn)證揮發(fā)性化合物可以用來表征精煉橄欖果渣油（refined plive-pomace oil,ROPO）油脂質(zhì)的氧化程度，Ben等[49]對(duì)精煉橄欖果渣油在油炸過程中的揮發(fā)性成分進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明，油炸過程中醛的含量增加，酯和酮含量減少。

2.4 貯藏過程中揮發(fā)性物質(zhì)的變化

食物在貯藏期間極易發(fā)生腐敗變質(zhì)，造成營(yíng)養(yǎng)成分的損失，還會(huì)出現(xiàn)食品安全問題。無論自身發(fā)生化學(xué)或生化反應(yīng)，還是微生物作用造成的腐敗變質(zhì)，都會(huì)發(fā)出一些令人厭惡氣味。揮發(fā)性化合物作為表征食物新鮮度的指標(biāo)，可通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來確定最佳的儲(chǔ)存條件和貨架期。

王奔[50]對(duì)貯藏期間小黃魚的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，揮發(fā)性物質(zhì)與小黃魚的腐敗變質(zhì)關(guān)系密切，揮發(fā)性物質(zhì)種類和含量隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，醛類和酮類的相對(duì)比例明顯升高，少量醛類物質(zhì)會(huì)使小黃魚產(chǎn)生清香的氣味，然而較高濃度的醛類會(huì)使小黃魚發(fā)出異味，酮類物質(zhì)增多也會(huì)使小黃魚產(chǎn)生腥臭味。在貯藏第7天檢測(cè)出三甲胺等胺類物質(zhì)，此時(shí)表示小黃魚腐敗變質(zhì)嚴(yán)重。Cheng等[51]研究了楊梅貯藏期間揮發(fā)性物質(zhì)的變化，新鮮的楊梅中，揮發(fā)性物質(zhì)包括辛醛、3，7-二甲基-1，6-辛二烯-3-醇、乙酸、甲酯、α-蒎烯、莰烯、D-檸檬烯、蛇麻烯和2-甲基戊烯。貯藏一段時(shí)間后，由于揮發(fā)物變化導(dǎo)致變質(zhì)楊梅果實(shí)中有強(qiáng)烈的異味，例如壬醛、乙醇、3-甲基-1-丁醇、苯乙基醇、（Z）-3-壬烯-1-醇、（E，Z）-3，6-壬二烯-1-醇、（E）-2-壬烯-1-醇、α-terpinenol和二氫-5-戊基-2（3H）-呋喃酮等成分變化。Xu等[52]研究了4種食用油關(guān)鍵揮發(fā)性物質(zhì)在貯藏期間的變化，在室溫（25℃）存儲(chǔ)過程中，關(guān)鍵的揮發(fā)性氧化化合物的形成受到不同氧化過程的影響。醛是食用油在存儲(chǔ)過程中氧化產(chǎn)生的主要揮發(fā)性物質(zhì)，菜籽油中己醛和庚醛的相對(duì)含量隨氧化水平的增加而增加，同時(shí)，戊醛、辛酸、壬醛和癸醛的相對(duì)含量先升高后降低。對(duì)于花生油，己醛和壬醛的含量增加。對(duì)于大豆油，氧化過程中己醛、庚醛和壬醛的相對(duì)含量增加。對(duì)于亞麻籽油，庚醛和壬醛含量增加，因此揮發(fā)性氧化化合物可作為檢測(cè)環(huán)境存儲(chǔ)過程中食用油氧化程度的標(biāo)志物。牟青松等[53]檢測(cè)了花椒貯藏期間揮發(fā)性成分的變化，由于自身的新陳代謝，花椒儲(chǔ)存期間揮發(fā)性物質(zhì)的種類和相對(duì)含量發(fā)生了變化，既有原組分的消失也有新成分的出現(xiàn)，烯烴類物質(zhì)減少了，產(chǎn)生了桉樹腦、檸檬烯和吉馬烯D等。

3 展望

HS-SPME-GC-MS以快速簡(jiǎn)便、溶劑消耗少和準(zhǔn)確性好等特點(diǎn)成為科研工作者普遍采用的分析檢測(cè)方法，隨著對(duì)基礎(chǔ)理論不斷地深入研究，頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)揮發(fā)性物質(zhì)的提取分析，并取得了很好的成果。近年來，相關(guān)食品揮發(fā)性物質(zhì)的研究報(bào)道逐年增加，頂空固相微萃取與氣相-質(zhì)譜法結(jié)合應(yīng)用于食品自身特有風(fēng)味物質(zhì)的檢測(cè)加工及貯藏過程中揮發(fā)性物質(zhì)變化的研究也取得了較好的成就。然而食品是一種非常復(fù)雜的基質(zhì)，揮發(fā)性物質(zhì)種類及不穩(wěn)定因素繁多，所以頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)未來的發(fā)展方向應(yīng)集中于纖維涂層的研究、萃取頭的選擇、萃取分離條件的優(yōu)化及多種萃取方式聯(lián)用的開發(fā)研究，從而擴(kuò)大HS-SPME-GC-MS技術(shù)的應(yīng)用范圍，為食品的研究開發(fā)作出貢獻(xiàn)。