頂空/氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用結(jié)合化學(xué)計量學(xué)分析金屬油墨印刷紙制品中氣味物質(zhì)

景 波，楊青華，林勤保

（暨南大學(xué) 包裝工程研究所，產(chǎn)品包裝與物流廣東普通高校重點實驗室，廣東 珠海 519070）

不同紙漿層經(jīng)過打漿、抄造、壓光、填料等工藝后，賦予紙板一定的表面及抗壓性能，再經(jīng)過涂布等后續(xù)處理，使得紙板具有良好印刷適性［1］。金屬油墨是包含不同金屬顏料配比的油墨，經(jīng)印刷干燥后可使紙制品包裝表面或圖案上具有金屬光澤，以提升質(zhì)感吸引消費者。然而，食品經(jīng)過印刷紙制材料包裝后產(chǎn)生的異味問題，造成了消費者食品感官特性的厭惡，需引起廣泛關(guān)注。紙和紙板中的揮發(fā)性有機化合物十分復(fù)雜，其中醛類物質(zhì)（如庚醛等）具有較低的氣味閾值［2］，在包裝前后的長時間內(nèi)均易被消費者感知［3］。油墨中的復(fù)雜組分，特別是不同組分的金屬油墨，膠印后在金屬氧化或結(jié)膜干燥過程中容易產(chǎn)生較強刺激的氣味，包裝制品也比普通油墨印刷具有更明顯的氣味。因此，金屬油墨印刷的紙包裝制品帶來的異味問題也需要引起重點關(guān)注。

眾多學(xué)者研究了紙材料中的揮發(fā)性物質(zhì)。Wiik等［4］使用氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）法分析紙張中的醛類氣味物質(zhì)［2］，并將己醛作為氣味指標(biāo)研究其在紙張氣味變化中的應(yīng)用。Pugh［5］對比了添加銅粉的化學(xué)熱磨機械漿（CTMP）紙板在不同溫度下不同時間內(nèi)氣味物質(zhì)的變化，檢出己醛、（E）-2-辛烯醛、戊醛等多種醛類物質(zhì)；Landy等［6］通過靜態(tài)頂空和固相微萃取法分析了不同批次的印刷和非印刷巧克力包裝用標(biāo)簽紙，發(fā)現(xiàn)4-苯基-1-環(huán)己烯是非印刷紙張乳膠氣味的主要來源，且10余種醛類和酮類氣味物質(zhì)來源于印刷油墨樹脂的氧化。Donetzhuber 等［7］測定了歐洲產(chǎn)的原生纖維和回收纖維紙張中醛類、醇類、酮類、烷烴類等揮發(fā)性物質(zhì)的遷移情況，發(fā)現(xiàn)原生纖維紙板中印刷紙樣的化合物數(shù)量比未印刷紙樣多32%。張珍紅等［8］采用靜態(tài)頂空/氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測定6種食品接觸用紙中的揮發(fā)性氣味物質(zhì)并進行貢獻度分析，鑒別出51 種揮發(fā)性氣味成分，包括醛類、酮類、醇類、烷烴類、芳香烴類、烯烴類、雜環(huán)類、酯類、醚類、羧酸類等10 大類。本文對多種紙制品包裝材料，包括不同來源的原紙板及3 種金屬油墨印刷后紙板中的揮發(fā)性物質(zhì)進行頂空/氣相色譜-質(zhì)譜（HS/GC-MS）分析，并對部分關(guān)鍵氣味物質(zhì)建立化學(xué)計量學(xué)模型，分析其在不同紙板樣品中的分布差異性。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

3種白卡紙原紙板分別來源于美國、中國和瑞典，編號為P1～P3；3種金屬油墨分別由兩個廠家提供，分為單、雙組分，對應(yīng)印刷白卡紙及信息見表1，均符合相關(guān)地區(qū)食品接觸包裝材料的法規(guī)要求。

表1 實驗中紙板樣品的信息Table 1 Informations of the card paperboard samples used in the present study

1.2 試劑與儀器

正構(gòu)烷烴（C7～C40）混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 mg/L，色譜純），購于Sigma-Aldrich 貿(mào)易有限公司（中國）。7890A-5975C 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、7697A 頂空進樣器（美國Agilent公司）；AR224CN 電子天平（常州奧豪斯儀器有限公司）；DRK203B 型測厚儀（濟南德瑞克儀器有限公司）；20 mL 頂空瓶（美國Agilent公司）；MS-DIAL軟件，版本Version 4.48（日本Riken可持續(xù)資源科學(xué)中心）。

1.3 儀器條件

頂空條件：平衡溫度：150 ℃，定量環(huán)溫度：160 ℃，傳輸線溫度：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。

GC 條件：Agilent HP-5MS 色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），后進樣口溫度：250 ℃；離子源溫度：230 ℃；四極桿溫度：150 ℃；傳輸線溫度：280 ℃；載氣：氦氣，流速1.0 mL/min；進樣量：1 mL，不分流；升溫程序：初始溫度40 ℃，保持2 min，以10 ℃/min升至280 ℃，保持6 min。

MS 條件：電離方式：EI；電離能量：70 eV；溶劑延遲：3 min；質(zhì)量掃描范圍：m/z35～550。

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 碎片，分別準(zhǔn)確稱取2 g（精確至0.01 g），放入20 mL頂空進樣瓶中迅速密封，待測定。每種樣品平行測定3次。

1.4.2 保留指數(shù)計算取正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)品稀釋至10 mg/L，取100 μL至頂空瓶中迅速密封，按上述實驗條件進行檢測，利用MassHunter 工作站的NIST 17 譜庫檢索，并記錄正構(gòu)烷烴的出峰信息及保留時間，采用線性升溫公式計算樣品中各組分的保留指數(shù)（RI），用于準(zhǔn)確定性［9-10］。

式中：n為正構(gòu)烷烴的碳數(shù)；tx為被測組分的保留時間，min；tn表示碳數(shù)為n的正構(gòu)烷烴的保留時間，min；tn+1表示碳數(shù)為n+1 的正構(gòu)烷烴的保留時間，min。

1.4.3 相對氣味活性值評價方法利用相對氣味活性值（Relative odour activity value，ROAV）評價氣味物質(zhì)對樣品整體氣味的貢獻程度［11］。將樣品中具有最高ROAV 的物質(zhì)定義為參照物質(zhì)，其ROAV 為100，并以此計算其他組分的ROAV。當(dāng)化合物的ROAV ≥1 時，認為該物質(zhì)是樣品氣味的主要貢獻物質(zhì)，對整體氣味起決定性作用；當(dāng)0.1 ≤ROAV ＜1 時，該組分則為輔助氣味物質(zhì)，起輔助或修飾作用［11］。本文重點關(guān)注ROAV值大于10的關(guān)鍵揮發(fā)氣味物質(zhì)。

式中：c%x為某組分的相對含量；c%t為氣味活度值最高組分的相對含量；dx為某組分的氣味閾值；dt為氣味活度值最高組分的氣味閾值。

1.5 MS-DIAL篩查定性

利用MS-DIAL（http：//prime.psc.riken.jp/compms/msdial/main.html）軟件對GC-MS分析得到的樣本數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、解卷積，結(jié)合保留指數(shù)和NIST 庫準(zhǔn)確定性。設(shè)置數(shù)據(jù)類型為“Centroid data”，質(zhì)量數(shù)分析范圍為40～600 Da，最小峰高設(shè)置為2 000。在保留指數(shù)的容差值為20，質(zhì)荷比容差值為0.5 Da條件下，當(dāng)EI相似性閾值為70%，且綜合得分在80%以上時，本文認為所匹配物質(zhì)定性準(zhǔn)確。

2 結(jié)果與討論

2.1 紙板樣品中揮發(fā)性物質(zhì)分析

利用HS/GC-MS 法分別對12 種印刷與非印刷紙板樣品中的揮發(fā)性化合物進行分析，其中樣品P1G1 的總離子流圖如圖1 所示。利用MS-DIAL 軟件對樣品數(shù)據(jù)解卷積處理，通過將數(shù)據(jù)質(zhì)譜信息與NIST質(zhì)譜庫中的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜進行比較，結(jié)合化合物的保留指數(shù)對比，準(zhǔn)確定性所有揮發(fā)性有機化合物并導(dǎo)出數(shù)據(jù)矩陣用于分析，采用峰面積歸一法計算各組分的相對含量，通過查閱文獻及相關(guān)氣味物質(zhì)網(wǎng)站（https：//www.flavornet.org/），篩選出氣味物質(zhì)及其特征描述［9］，利用氣味物質(zhì)相對含量及其在空氣中的氣味閾值計算出不同紙樣中氣味物質(zhì)的相對氣味活性值［12］。

圖1 典型樣品（P1G1）中揮發(fā)性化合物的總離子流圖Fig.1 Total ion chromatogram of volatile compounds in typical paper sample（P1G1）

12 種紙樣板中共檢出63 種揮發(fā)性物質(zhì)，其中烷烴類化合物6 種，烯烴類化合物5 種，醛類化合物16種，酮類化合物12種，醇類9種，以及呋喃類等化合物。如圖2所示，3種原紙板中，醇類、芳香烴類化合物以及其他類中的酯類等物質(zhì)的相對含量均較低。醛類和烷烴類化合物在P1紙樣中相對含量更高，分別為13.23%和9.18%，部分其他類物質(zhì)在P1 中同樣具有較高的相對含量，如呋喃類（7.33%）；而P3樣板中主要有醛類和酮類化合物，相對含量分別為12.60%、17.19%。結(jié)果表明，3類原紙板中醛酮類化合物的含量更高，其次是烷烴類化合物，與Donetzhuber等［7］的研究結(jié)果相似。

圖2 原紙樣中不同種類揮發(fā)性化合物的相對含量Fig.2 Categories and their relative contents of volatile compounds in raw paperboard samples

在鑒定出的46種揮發(fā)性化合物中，根據(jù)氣味閾值和網(wǎng)站共篩選出41種影響油墨印刷紙板及其原紙板感官的氣味物質(zhì)，如表2所示。12種紙樣中共同檢出多種化合物，包括十四烷、十八烷、庚醛、苯甲醛、壬醛、2-庚酮、苯乙酮等醛酮類物質(zhì)，以及2-戊基呋喃等。在P1G1、P1G2、P1G3樣板中檢出且未在P1原紙樣中檢出的物質(zhì)有正庚烯、苯乙烯、4-苯基-1-環(huán)己烯、2-甲基-3-戊醇、2-乙基己醇、正癸醇、葑酮、2-癸酮、十一醛、乙苯、棕櫚酸甲酯等；在P2原紙樣板及印刷紙板中，有較多醛酮類化合物未在印刷后的紙板中檢出，如正辛醛、（E）-2-壬烯醛、癸醛等物質(zhì)；在P3G1、P3G2、P3G3樣板中檢出但未在P3紙板檢出的物質(zhì)有十六烷、正庚烯、4-苯基-1-環(huán)己烯、（E）-2-庚烯醛、2-乙基己醇等；而在原紙板中同樣單獨檢出某些化合物，如（E）-2-壬烯醛、（E，E）-2，4-壬二烯醛、十一醛、十二醛等物質(zhì)。

表2 紙板樣品中對氣味物質(zhì)及其相對氣味活性值的分析結(jié)果Table 2 Analysis results of odour compounds and relative odour activity value in all paperboard samples

（續(xù)表2）

（續(xù)表2）

對樣板中揮發(fā)性化合物種類和樣本間進行熱圖分析對比，如圖3所示，在印刷3種不同組分金屬油墨（G1、G2、G3）后，紙板樣品中的醛類物質(zhì)、呋喃類化合物明顯增加，醇類、酮類和酯類化合物的相對含量略微增加，苯環(huán)化合物、酯類的相對含量無明顯變化，而烷烴類化合物略微減少。P1紙板印刷油墨G3后，呋喃類化合物的相對含量達到22.07%，這一顯著的含量變化同樣出現(xiàn)在其余兩種G3油墨印刷后紙板（P2G3、P3G3）中。此外，相比原紙板，P3G3中呋喃類化合物的相對含量為21.94%，P2G3中呋喃類的相對含量為9.66%。紙樣P1G1、P1G2 中醛類物質(zhì)的相對總含量分別為13.58%、16.51%，而P3G1、P3G2中醛類化合物的相對含量分別為21.24%、24.22%。P1原紙板相比另外兩種原紙板，呋喃類化合物的相對含量更高，而在P3 樣板中酮類化合物的相對含量更高（為17.19%），單組分油墨G3中呋喃類化合物的含量略高，而單組分G1油墨和雙組分G2油墨中醛類化合物的含量較高。結(jié)果表明，不同原紙板及其油墨印刷紙之間的化合物具有明顯差異。在相同原紙板樣品中，如P1G1、P1G2、P1G3 之間呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，而不同原紙板間的差異較為不同，所有P1 和P3 非印刷和印刷紙板中檢出更多的醛類化合物，而在P2原紙板中恰恰相反，無法在其印刷紙板中相應(yīng)檢出，這可能是原紙板的影響，檢出化合物更多。3種原紙板的生產(chǎn)差異及不同廠家的油墨、生產(chǎn)工藝，均可能是導(dǎo)致醛類、酮類以及呋喃類化合物含量差異較明顯的原因。

圖3 紙板樣本中揮發(fā)性物質(zhì)種類的熱圖可視化Fig.3 Heatmap visualization of volatile compound categories in paperboard samples

2.2 紙板樣中關(guān)鍵氣味物質(zhì)分析

本文重點考察樣板中所有ROAV在10以上的19種高氣味物質(zhì)，認為它們是紙樣氣味的最主要貢獻物質(zhì)。如圖4 所示，在所有紙樣中，壬醛、（E，E）-2，4-壬二烯醛、（E）-2-壬烯醛和癸醛具有明顯較高的相對氣味活性值。壬醛在P2 原紙板及其印刷紙板中的相對含量較高，因此盡管壬醛的氣味閾值較高，也容易被人們感知。（E，E）-2，4-壬二烯醛、（E）-2-壬烯醛和癸醛的氣味閾值相對較低，在低濃度下也會引起人們的察覺，此類物質(zhì)感官評價具有相似的氣味特征，主要為脂肪香、肥皂味或柑橘味，可能是造成油墨印刷紙板出現(xiàn)脂肪味等異味的主要來源。Wiik 等［2］研究認為紙張包裝材料中的醛類物質(zhì)可能來源于紙張本身、溶解在纖維原料中及吸附在紙張纖維表面的揮發(fā)性化合物。

圖4 紙板樣本中關(guān)鍵氣味物質(zhì)（ROAV ＞10）的三維柱狀圖Fig.4 Three-dimensional bar graph of odour substances（ROAV ＞10）in paperboard samples

此外，醛酮類化合物還有苯甲醛、正辛醛、（E，E）-2，4-庚二烯醛、十二醛、2-庚酮以及2-壬酮。苯甲醛的感官評價為甜味、果香、杏仁味或櫻桃味，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(chǎn)生水果香［13］。苯甲醛可作為涂料或油墨的組成成分［14］，在G2 雙組分油墨中含量更加明顯。正辛醛在兩種單組分油墨中均有檢出，主要表現(xiàn)為芳香氣味和油脂味，十二醛表現(xiàn)出辛辣味及蠟的氣味，2-庚酮和2-壬酮具有肥皂般的氣味，而這些物質(zhì)會對紙板包裝產(chǎn)生負面影響。

正癸醇呈現(xiàn)輕微的花香，主要表現(xiàn)出油脂和蠟的感官氣味；1-辛烯-3-醇則具有類似蘑菇的香味，乙苯和苯乙烯具有油脂味和刺激性氣味，乙苯可能是生產(chǎn)過程中的殘留，一般用于苯乙烯合成，而苯乙烯是造紙工業(yè)中常用的濕部增強劑、表面施膠劑等助劑合成原料［15-16］；十八烷有明顯的烷烴味，通常來源于造紙時的必需原料煤焦油，在工業(yè)造紙廢水中也發(fā)現(xiàn)這類烷烴物質(zhì)［17］。2-戊基呋喃具有明顯的青豆和奶油香味，而2-丁基呋喃則表現(xiàn)出強烈的刺激性氣味，來源于碳水化合物的熱裂解及脂類的氧化降解等［18］。

2.3 化學(xué)計量學(xué)分析

通過化學(xué)計量學(xué)進行探索性數(shù)據(jù)分析，以驗證上述篩選氣味物質(zhì)對表征原紙板與油墨印刷紙板樣之間差異的效果［19］。主成分分析（PCA）可對數(shù)據(jù)矩陣進行合理化方差處理，以降低數(shù)據(jù)的復(fù)雜性和維數(shù)［20］；而正交偏最小二乘判別分析（OPLS-DA）是基于偏最小回歸算法和正交信號矯正進行監(jiān)督式差異性分析，以此探索不同樣品組間及樣品組內(nèi)部的差異［21］；層次聚類分析（HCA）能夠?qū)⒕哂邢嗨谱兓淖兞繕錉罹垲?，呈現(xiàn)樣本之間的關(guān)聯(lián)性。

分別對19 種篩選物質(zhì)建立OPLS-DA、PCA 及HCA 分析模型（如圖5），結(jié)果表明ROAV 大于10 的氣味物質(zhì)所起的區(qū)別效果有限。OPLS-DA 模型和PCA 模型能夠一定程度解釋不同原紙中氣味物質(zhì)的含量差異性，但效果并不顯著。如圖5所示，P1、P2及其印刷紙板樣品分布相對集中，而P3及印刷紙板的OPLS-DA 相對分散不均勻，表明篩選的氣味物質(zhì)在P1、P2原紙板及油墨印刷紙板中的相對氣味活性值具有差異，能夠區(qū)分這兩種原紙及其印刷紙板。200 次預(yù)測檢驗結(jié)果為R2 =（0.0，0.443），Q2=（0.0，-0.446），部分預(yù)測值略高于實際值，出現(xiàn)了過擬合現(xiàn)象，說明該OPLS-DA 模型對區(qū)分能力的解釋性有限。HCA 聚類分析說明P1、P2 紙板及其油墨印刷紙板間具有較好的相關(guān)性，而P3 紙板樣品之間的相關(guān)性較差，與OPLS-DA、PCA模型的結(jié)果相互印證。

圖5 氣味物質(zhì)（ROAV ＞10）的OPLS-DA得分圖（A）、200 次置換檢驗圖（B）、PCA得分圖（C）與HCA圖（D）Fig.5 OPLS-DA score plot（A），permutation tests of 200 times（B），PCA score plot（C）and HCA plot（D）of odour substances（ROAV ＞10）

綜上對所有紙板樣品進行揮發(fā)性化合物分析，共檢出41種氣味物質(zhì)，其中ROAV大于10的氣味物質(zhì)有19種。原紙板中醛酮類氣味物質(zhì)，如壬醛、（E，E）-2，4-壬二烯醛、（E）-2-壬烯醛和癸醛等，主要影響整體的感官評價。在干燥過程中金屬組分的氧化作用，導(dǎo)致金屬油墨產(chǎn)生更多醛酮類化合物。在不同組分油墨印刷后，其醛酮類化合物原料對紙制品的氣味有著重要貢獻，呈現(xiàn)出強烈的脂肪味。同時某些風(fēng)味物質(zhì)，如正癸醇、1-辛烯-3-醇、2-戊基呋喃等，表現(xiàn)出較為愉悅的氣味影響。而建立的PCA、OPLS-DA 及HCA 模型表明，對紙板氣味具有明顯貢獻的物質(zhì)并不能很好區(qū)分3 種原紙板及其金屬油墨印刷紙板，僅在P1、P2原紙及其印刷紙板間具有較好差異。

3 結(jié) 論

本文通過頂空/氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法結(jié)合相對氣味活性值分析3 種原紙板及3 組金屬油墨印刷紙板的氣味物質(zhì)，并利用化學(xué)計量學(xué)分析不同原紙板及其印刷紙板之間的差異性。3 種不同產(chǎn)地原紙板中的氣味物質(zhì)存在差異，如醛酮類、呋喃類等，而不同組分的油墨會由于原料差異及氧化干燥過程，釋放出更多壬醛、（E，E）-2，4-壬二烯醛、癸醛等醛酮類物質(zhì)以及2-戊基呋喃等氣味物質(zhì)，對紙板的感官評價產(chǎn)生影響。OPLS-DA、PCA 及HCA 模型表明，這些氣味物質(zhì)在不同原紙板及其金屬油墨印刷紙板中廣泛分布。本文結(jié)果可為分析和改善金屬油墨在紙制品上的應(yīng)用及其氣味影響提供研究基礎(chǔ)。