頂空-氣相色譜-質譜法結合保留指數(shù)分析食品包裝用紙中揮發(fā)性氣味成分

張宜彩,林勤保*,黃湛艷,李忠,李烴

1(暨南大學 包裝工程研究所,廣東普通高校產品包裝與物流重點實驗室,廣東 珠海,519070) 2(珠海市食品藥品檢驗所,廣東 珠海,519015)3(拱北海關技術中心化學分析實驗室,廣東 珠海,519015)

食品質量的提高主要體現(xiàn)在避免感官特性的改變及營養(yǎng)成分的損失[1]。其中,食品包裝材料因異味會造成食品感官特性的改變而受到人們越來越廣泛的關注。隨著“限塑令”政策的出臺,食品包裝用紙和紙板將會成為最主要的食品包裝材料之一,這就需要食品包裝用紙和紙板符合感官特性及食品質量安全的要求。氣味物質一般為揮發(fā)性或半揮發(fā)性化合物,分子質量較低,大多數(shù)在300 u以下[2]。所以,需要特別關注食品包裝用紙和紙板中揮發(fā)性氣味物質的遷移帶來的影響,一方面是因為揮發(fā)性氣味物質改變食品本身的品質,影響口感；另一方面,由于部分氣味物質本來具有一定的毒性,長期使用可能會給消費者的健康帶來潛在威脅[3]。

為保證食品品質和質量安全,歐盟食品接觸材料框架法規(guī)EC No.1935/2004[4]中,明確規(guī)定了“對于材料和制品,其成分向食品的遷移量不會導致食品成分發(fā)生不可接受的變化或食品感官特性的劣變”。美國聯(lián)邦法規(guī)21 CFR 174《非直接食品添加劑》[5]規(guī)定,食品包裝材料不可以給所包裝食品帶來不可接受的氣味。此外,GB 4806.1—2016《食品安全國家標準 食品接觸材料及制品通用安全要求》[6]中規(guī)定“食品接觸材料及制品在推薦使用的條件下與食品接觸時,遷移到食品中的物質不應造成食品成分、結構或色香味等性質的變化”。由此可見,食品接觸材料中的物質不能改變所包裝食品本身的感官特性。

目前,針對揮發(fā)性氣味物質的檢測技術主要有感官評價、電子鼻[7-8]、頂空-氣相色譜-質譜聯(lián)用法(headspace gas chromatography-mass spectrometry,HS-GC-MS)[9-13]、固相微萃取-氣相色譜法或氣相色譜-質譜聯(lián)用法(solid phase microextraction and gas chromatography mass spectrometry,SPME-GC-MS)[14-17]及氣相色譜-嗅聞-質譜聯(lián)用法(gas chromatography olfactometry mass spectrometry,GC-O-MS)[1,18-19]等。其中,感官評價法對感官人員的要求較高,分析過程比較費時費力,且結果具有一定的主觀性；電子鼻可以快速識別出多種氣味,但是無法對單個物質進行鑒定；HS-GC-MS、HS-SPME-GC/MS及GC-O-MS等質譜聯(lián)用技術可以相對準確地對氣味物質進行定性定量分析,以HS-GC-MS的前處理比較簡單,且儀器成本較低。因此,本實驗采用HS-GC-MS法對食品包裝用紙和紙板中的揮發(fā)性氣味物質進行成分分析。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

材料：漿板3種(編號為S1～S3),食品包裝用紙16種(編號為S4～S19),由珠海某公司提供,具體信息見表1。

表1 實驗樣品的具體信息

試劑：1 000 mg/L正構烷烴(C7～C40)混合標準溶液(色譜純),Sigma-Aldrich貿易有限公司(中國)。

1.2 儀器與設備

7890A-5975C氣相色譜-質譜儀、7697A頂空進樣器、20 mL頂空瓶,Agilent公司(美國)；AR224CN電子天平,奧豪斯儀器有限公司(中國)；DRK203B測厚儀,德瑞克儀器有限公司(中國)。

1.3 靜態(tài)頂空-氣質條件

平衡溫度150 ℃；定量環(huán)160 ℃；傳輸線170 ℃；平衡時間30 min；GC循環(huán)時間45 min；進樣時間0.5 min；壓力平衡時間0.5 min。

氣相色譜-質譜條件：

(1)氣相條件：HP-5MS色譜柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm)；后進樣口250 ℃；離子源230 ℃；四級桿150 ℃；傳輸線：80 ℃；載氣為氦氣；流速1.0 mL/min；分流比為10∶1；升溫程序,初始溫度40 ℃,保持2 min,以10 ℃/min的速度升至280 ℃,保持6 min。

(2)質譜條件：電離方式為EI；電離能量70 eV；溶劑延遲2 min；質量掃描范圍(m/z)35～550。

1.4 實驗方法

1.4.1 樣品處理

將樣品剪成規(guī)格約5 mm×5 mm,分別準確稱取2 g樣品(精確至0.01 g),放入20 mL頂空進樣瓶中,迅速密封,待測定。每種樣品采取3個平行。

1.4.2 保留指數(shù)的計算

取正構烷烴標準品準確稀釋至10 mg/L,取100 μL至頂空瓶中,迅速密封,按照實驗條件進行上機檢測及分析,利用NIST 17譜庫進行檢索,并記錄各自正構烷烴的保留時間,采用線性升溫公式(1)[20]計算樣品中各組分的保留指數(shù)。

(1)

式中：RIc,保留指數(shù)計算值；n,正構烷烴的碳數(shù)；tx,被測組分的保留時間,min；tn,碳數(shù)為n的正構烷烴的保留時間,min；tn+1,碳數(shù)為n+1的正構烷烴的保留時間,min。

2 結果與分析

2.1 頂空進樣條件的優(yōu)化

考慮到樣品中有防油紙,可能會被放置在微波爐等高溫條件下使用,因過高的溫度可能會引起樣品中化合物發(fā)生氧化及降解[9],所以選擇平衡溫度為150 ℃,分別設置平衡時間為10、20、30、40 min,隨著時間的延長,樣品中化合物的響應值也隨之增加,但在30和40 min條件下,對應的各種化合物的種類及響應基本一致。為了節(jié)省時間和成本,最終確定平衡溫度為150 ℃,平衡時間為30 min。

2.2 食品包裝紙中揮發(fā)性氣味物質的成分分析

利用建立的HS-GC-MS方法,分別對19種食品包裝用紙中揮發(fā)性氣味物質進行分析。其中,樣品S7的總離子流圖如圖1所示。利用NIST17檢索庫對各個樣品的譜圖進行識別、匹配,每個色譜峰選取匹配度最高的5個化合物,依公式(1)計算其RI值(記為RIc),并通過查閱相關文獻及網(wǎng)站(http://webbook.nist.gov/chemistry/)得到RI參考值(記為RIf),兩者進行比對,以質譜圖和保留指數(shù)匹配度最高的化合物來確定揮發(fā)性化合物,接著查閱氣味物質網(wǎng)站(https://www.flavornet.org/),篩選確定出19種樣品中的揮發(fā)性氣味物質。最后,采用峰面積歸一法計算各組分的相對含量,其定量結果為3次平行實驗的平均值,如表2所示。

圖1 樣品S7總離子流圖

19種食品包裝用紙中通過譜庫檢索及結合保留指數(shù)共檢測出113種揮發(fā)性化合物,通過氣味物質譜庫檢索及查閱相關文獻,最終確定出36種揮發(fā)性氣味物質(見表2),分別為醛類、羧酸類、酮類、烯烴類、呋喃類、醇類,酚類及含硫化合物共8大類。其中,醛類化合物共17種(相對含量70.46%),羧酸類化合物共3種(相對含量18.90%),酮類化合物共6種(相對含量3.45%),烯烴類化合物共4種(相對含量2.73%),呋喃類化合物共1種(相對含量1.64%),醇類化合物共3種(相對含量1.15%),酚類化合物共1種(相對含量0.83%),含硫化合物共1種(相對含量0.85%),相對標準偏差為2.4%～9.7%。

表2 食品包裝用紙中氣味物質成分分析

糠醛在本實驗中檢測出的相對含量占比最高,比值為38.95%,具有杏仁味、面包香、木香及烘烤食品的氣味[21-22]。它的生成途徑主要有2種：一是木糖在酸性條件下分子內脫水環(huán)化而成；二是由5-羥甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural,5-HMF)受熱裂解生成。雖然5-HMF具有良好的生物學作用,如抗過敏、體外抗氧化等[23-24],但同時具有一定的基因毒性、致突變性、致癌性和酶抑制作用[25-26]。目前對于5-HMF的安全性尚存在較大爭議,但是避免食品包裝材料在高溫條件下使用,可以提高其安全性。

此外,醛類化合物還包括苯甲醛、己醛、庚醛、辛醛、(E)-2-辛烯醛、壬醛、癸醛、枯茗醛、(E)-2-癸醛、十一醛、十二醛、十三醛、十四醛、十五醛和十八醛。苯甲醛具有甜味、果香、杏仁味或櫻桃味,這主要取決于其濃度高低,低濃度的苯甲醛多表現(xiàn)為杏仁香,而高濃度的苯甲醛則會產生水果香[27]。苯甲醛在回收紙或紙板中含量相對較高[2],它還可以作為涂料或油墨的組成成分[1]。己醛、庚醛、辛醛、(E)-2-辛烯醛、壬醛、癸醛、(E)-2-癸醛等具有相似的氣味特征,主要為脂肪香、肥皂味或柑橘味,它們可能是造成食品包裝用紙出現(xiàn)脂肪味等氣味的來源。特別地,庚醛具有強烈而不愉快、刺鼻性的氣味,其貢獻較大[28]。此外,壬醛在所有樣品中檢出率較高,相對含量也較高,其本身具有的脂肪香和柑橘香,對食品包裝用紙的氣味貢獻值相對較大?？蒈?、十一醛、十二醛分別表現(xiàn)為酸臭味、辛辣味及蠟味,這些氣味均會對所包裝食品的氣味產生負面影響。而十四醛、十五醛具有花香的清新香氣,一定濃度下可以讓被包裝食品的氣味更加飽滿。研究表明,16個碳原子以上的醛類、羧酸類、醇類和酯類等物質在食品中正常的濃度范圍內幾乎沒有氣味[29],所以十八醛對于樣品的感官貢獻較小。

19種樣品中,僅S12未被檢測出乙酸。乙酸濃度過高會產生酸臭、辛辣、刺激性氣味[30],對被包裝食品的氣味影響較大,是重要的氣味關注物質。甲酸具有相似的性質。壬酸具有青草味的感官特征,且僅在S7中有所檢出,說明對整體食品包裝材料的貢獻值較小。此外,由表2可知,樣品S1中乙酸的相對含量最高,這主要是由于S1是機械漿,生產工藝不同于化學漿S2、S13,直接將木材通過機械方法研磨成纖維,導致這一過程中可能會有大量的乙酸殘留。同時這也充分證明食品包裝用紙中的乙酸主要來自于紙漿原材料。

2-乙基-1-己醇具有青草香味,通常用來作為溶劑或者是制備增塑劑的前體物質[1]。由表2可以看出,樣品S7中2-乙基-1-己醇的相對含量最高。此外,萜品醇,2-戊基呋喃分別具有薄荷香味及青草香味。

苯乙酮、2-庚酮、2-十一酮等這些酮類物質一般具有花香味、水果香或奶香味,其中,2-十一酮被認為是重要的牛奶奶香的來源[31],所以這些物質在奶制品中具有積極作用,可以使其口感更加飽滿。

樣品中還檢測到了幾種烯烴,分別是苯乙烯、長葉烯、δ-杜松烯和α-二去氫菖蒲烯。苯乙烯具有香料味,長葉烯、δ-杜松烯和α-二去氫菖蒲烯具有木香味,而且長葉烯是組成植物(如松樹)樹脂中的天然成分,是生產紙和紙板的原材料[1]。這些物質對食品包裝用紙呈現(xiàn)出木質香味產生了直接作用。

最后2種氣味物質分別為具有洋蔥氣味的二硫化物和具有草本味的愈創(chuàng)木酚。二硫化物是奶酪等奶制品中重要的香氣成分[32],而愈創(chuàng)木酚主要出現(xiàn)在煙熏制品中,通常被認為是煙熏氣味的關鍵氣味物質[33],本實驗的樣品中出現(xiàn)這2種化合物,可能是因為設置平衡溫度相對嚴苛所致。

研究顯示,食品包裝用紙或紙板的氣味是由大量的揮發(fā)性氣味化合物組成。木材主要由纖維素、半纖維素和木質素組成[33]。在實際生產及使用過程中,纖維素的主要熱解產物是糠醛、糠醇和呋喃酮等,半纖維素的熱解產物中酮類和呋喃類物質含量較高,而木質素主要熱解生成酚類物質[34]。除了儲存及使用溫度,水分及儲存時間同樣對食品包裝用紙或紙板中揮發(fā)性氣味物質的產生具有重要影響。研究表明,在浸濕紙和紙板的過程中會釋放出更多的活性氣味化合物,這是因為水分可以與紙或紙板內部的氣味物質發(fā)生溶解作用,從而更容易引起被包裝食品內部發(fā)生氣味變化[35-36]。

3 結論

本實驗采用HS-GC-MS法快速檢測19種食品包裝用紙/紙板中揮發(fā)性氣味成分,通過計算保留指數(shù)進行準確定性分析,采用峰面積歸一法得到定量結果。共檢測出36種揮發(fā)性氣味成分,主要包括醛類物質17種,酮類化合物6種,烯烴類化合物4種,羧酸類化合物3種,醇類化合物3種,呋喃類化合物1種,酚類化合物1種及含硫化合物1種。其中,糠醛、苯甲醛、2-戊基呋喃、乙酸、2-乙基-1-己醇、苯乙烯等揮發(fā)性氣味物質檢出率較高,其相對含量也較高。由本實驗結果可知,在高溫使用條件下,食品包裝用紙中存在的揮發(fā)性氣味物質的種類較多且相對含量也較高。這些氣味物質往往因具有揮發(fā)性而易遷移到食品中,從而可能會引起所包裝食品的品質發(fā)生劣變,給消費者帶來較差的感官體驗,甚至可能會喪失對品牌的信心,此外,部分氣味物質本身具有一定的毒性,可能會給人體健康帶來潛在的危害。因此,盡量避免高溫條件下使用食品接觸用紙以及在生產過程中減少存在潛在危害性物質的添加，對于提高食品接觸用紙的安全性及保障人們的健康具有重要意義。