基于頂空GC×GC-TOF/MS的兩種等級(jí)菜籽油特征揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的研究

周 茜，黃 倩，王 紅，郭 娜，劉 暢，董福全，江吉周

(1.湖北省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，湖北 武漢 430061；2.武漢工程大學(xué) 環(huán)境生態(tài)與生物工程學(xué)院、化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430205)

0 引言

菜籽油，又稱菜油，是我國(guó)四大食用植物油之一，其年均總產(chǎn)量約占國(guó)產(chǎn)食用植物油產(chǎn)量的1/3[1-3]。菜籽油具有特殊的“青氣味”，屬于典型的風(fēng)味油，深受中國(guó)老百姓的喜愛(ài)。菜籽油的風(fēng)味來(lái)源于菜籽油中的醛類、酮類、酚類、雜環(huán)類、酯類、醇類、烴類、酸類和含硫類等揮發(fā)性物質(zhì)[4-7]。其中醛類、醇類、雜環(huán)類、含硫類等是菜籽油香氣來(lái)源[8]。

菜籽油的香氣特征是產(chǎn)品品質(zhì)的主要影響因素之一，也是重要的感官品質(zhì)指標(biāo)。近年來(lái)，越來(lái)越多的科研工作者開(kāi)展菜籽油風(fēng)味物質(zhì)的研究工作。然而，菜籽油生產(chǎn)工藝復(fù)雜，原料品種、制油工藝和精煉程度的不同，均會(huì)造成產(chǎn)品中風(fēng)味成分的差異[9-11]。周琦等[12]利用GC-MS考察了微波壓榨菜籽油中具有焙烤風(fēng)味的揮發(fā)性物質(zhì)的變化規(guī)律。王茜茜等[13]研究了菜籽油儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)菜籽油中揮發(fā)性成分組成變化的影響。但不同精煉程度的菜籽油的主要揮發(fā)性物質(zhì)還未被深入研究。

氣相色譜是最常用于檢測(cè)菜籽油中香氣成分的分析手段[13-16]。求海強(qiáng)等[17]利用溶液蒸餾的方法富集菜籽油中的揮發(fā)性化合物，并用GC-MS進(jìn)行了測(cè)定，共檢測(cè)到46種揮發(fā)性成分，并定性出28種。然而，影響菜籽油風(fēng)味的揮發(fā)性物質(zhì)通常具有含量低、組成復(fù)雜的特點(diǎn)。若使用常規(guī)的一維氣相進(jìn)行分析，存在較多重疊峰，易造成有效信息的丟失。近年來(lái)，全二維氣相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜(GC×GC-TOF/MS)引起了人們的關(guān)注。它將兩根分離機(jī)理不同而又相互獨(dú)立的色譜柱串聯(lián)，讓化合物經(jīng)歷兩次分離，可獲得高分辨率、高峰容量和高靈敏度。該技術(shù)已被廣泛用于分析成分復(fù)雜的樣品，如白酒、茶葉、椰子油等樣品[18-21]。周琦等利用GC×GC-TOF/MS對(duì)三種不同基因型菜籽為原料的冷榨菜籽油的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行了分析，鑒定出156種揮發(fā)性成分[22]。但論文并沒(méi)有對(duì)菜籽油的等級(jí)進(jìn)行探討。菜籽油的等級(jí)也是評(píng)價(jià)菜籽油質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。然而，目前鮮有利用GC×GC-TOF/MS探究不同等級(jí)菜籽油揮發(fā)性成分的研究。

本文采用頂空GC×GC-TOF/MS對(duì)兩種等級(jí)菜籽油的風(fēng)味成分進(jìn)行分離鑒定，對(duì)其特征風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行深入的解析，研究的風(fēng)味物質(zhì)參數(shù)指標(biāo)可以為菜籽油品質(zhì)評(píng)定、摻偽鑒別提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與材料

實(shí)驗(yàn)所用菜籽油均購(gòu)自本地大型超市，生產(chǎn)時(shí)間相近，到達(dá)實(shí)驗(yàn)室后干燥避光保存。7890二維氣相色譜儀(美國(guó)Agilent公司)；全二維氣相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(美國(guó)Leco公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

1.2.1油樣制備。取2 mL菜籽油放入頂空瓶(20 mL)中，密封。

1.2.2儀器條件。GC×GC-TOF/MS(Pegasus 4D，安捷倫7890B，Leco，USA)；一維色譜柱：HP-5 MS UI(Agilent，30 m×250 μm×0.25 μm)，二維色譜柱：Rxi-17Sil MS(2 m×150 μm×0.15 μm)。一維色譜柱程序升溫：初始爐溫為40 ℃，維持2 min，以5 ℃/min速率升至200 ℃，保持1 min。二維柱比一維柱的溫度高10 ℃，調(diào)制器溫度比一維柱溫高15 ℃；分流比為10∶1；載氣為氦氣，流速為1.0 mL/min。

氣相色譜進(jìn)樣口溫度為200 ℃，傳輸線溫度為225 ℃，調(diào)制周期是濃縮一維柱流出的分析物冷吹到二維柱時(shí)間，為4 s。

萃取進(jìn)樣條件：CTC自動(dòng)進(jìn)樣器進(jìn)樣體積為1 mL，萃取溫度為150 ℃，萃取時(shí)間為30 min，攪拌速率為100 r/min，間隔時(shí)間為攪拌5 s停2 s。進(jìn)樣針的溫度為150 ℃，吹掃時(shí)間為30 s。氣相運(yùn)行時(shí)間為55 min。

Pegasus 4D飛行時(shí)間質(zhì)譜為采集系統(tǒng)。電子轟擊離子化的質(zhì)譜電壓為70 eV．樣品成分進(jìn)入檢測(cè)器部分延遲30 s，離子收集范圍35～600 u。離子源溫度為230 ℃。

1.2.3數(shù)據(jù)處理方法。初始數(shù)據(jù)由ChromaTOFTM工作站預(yù)處理。提取信噪比高于10，相似度大于500的色譜峰進(jìn)行搜庫(kù)定性分析。其余數(shù)據(jù)處理用Matlab軟件輔助完成。

2 結(jié)果和討論

2.1 分析條件優(yōu)化

2.1.1 樣品用量的選擇。實(shí)驗(yàn)考察了不同樣品用量對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。選定1、2、3、4 mL菜籽油分別進(jìn)行分析。結(jié)果表明，2 mL樣品時(shí)，得到的色譜峰面積值大，且不會(huì)出現(xiàn)峰重疊和拖尾現(xiàn)象，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2.1.2 萃取溫度的選擇。溫度對(duì)萃取過(guò)程有雙重影響。對(duì)于頂空而言，一方面，溫度升高，分析物的擴(kuò)散系數(shù)增大，擴(kuò)散速度加快，有利于分析物脫離復(fù)雜的基體進(jìn)入頂空氣相，縮短平衡時(shí)間。但另一方面，溫度升高會(huì)導(dǎo)致分配系數(shù)減小，且會(huì)造成色譜柱流失或樣品瓶隔墊中物質(zhì)溶出，干擾實(shí)驗(yàn)。因此，在實(shí)際操作中，溫度的選擇應(yīng)兩者兼顧。

移取2 mL油樣置于20 mL樣品瓶中，萃取溫度選擇范圍為100、120、150、180 ℃，萃取30 min后，插入GC進(jìn)樣口進(jìn)樣。比較在上述萃取溫度下的萃取效果(看主峰面積和總峰個(gè)數(shù))，結(jié)果見(jiàn)圖1。如圖1所示，溫度升高，樣品中主峰面積和總峰個(gè)數(shù)逐漸增大，達(dá)到150 ℃后，增速趨于平緩。溫度繼續(xù)升高，主峰面積增大不明顯。綜合考慮主峰面積和雜質(zhì)干擾的影響，我們選擇150 ℃作為萃取溫度。萃取溫度為150 ℃時(shí)，檢出的主峰效果最好，干擾峰少，且萃取的樣品量足以滿足GC×GC-TOF/MS的靈敏度。

圖1 不同萃取溫度下的萃取效果

圖2 不同平衡時(shí)間對(duì)萃取效果的影響

2.1.3 萃取時(shí)間的選擇。萃取時(shí)間也是萃取過(guò)程中的重要影響因素。萃取時(shí)間增大，萃取的物質(zhì)含量越高。但實(shí)際檢測(cè)中常需要兼顧分析速度和分析的靈敏度，可根據(jù)萃取量-萃取時(shí)間曲線確定最佳萃取時(shí)間。

移取2 mL油樣置于20 mL樣品瓶中，萃取溫度設(shè)為150 ℃，分別頂空萃取10、20、30、40、50 min，然后快速插入GC進(jìn)樣口。比較在不同萃取時(shí)間下對(duì)分析物的萃取效果(看主峰面積和總峰個(gè)數(shù))，結(jié)果見(jiàn)圖2。如圖2所示，在10～30 min內(nèi)，隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，萃取量明顯增加。但在萃取30 min后，主峰面積及總峰個(gè)數(shù)均無(wú)明顯變化。且在30 min后會(huì)萃取了少量硅膠墊片中的物質(zhì)。因此，選擇30 min為最佳萃取時(shí)間。綜上所述，本實(shí)驗(yàn)中優(yōu)化后頂空的最終條件為：樣品體積為2 mL，萃取溫度為150 ℃，萃取時(shí)間為30 min。

2.1.4 GC×GC條件優(yōu)化。菜籽油中的揮發(fā)性成分包括醛類、醇類、烯烴類、雜環(huán)類、苯環(huán)類等物質(zhì)。鑒于菜籽油中物質(zhì)以非極性或弱極性組分為主，我們選用非極性柱作為起主分離作用的第一維色譜柱。目標(biāo)物在一維柱上按沸點(diǎn)高低分離。同時(shí)，選用液膜較薄、柱長(zhǎng)較短的中等極性柱作為第二維柱，組分按官能團(tuán)極性大小分布，結(jié)合程序升溫，實(shí)現(xiàn)正交分離。最終選擇的柱系統(tǒng)為：HP-5 MS UI(30 m×250 μm×0.25 μm)+ Rxi-17Sil MS(2 m×150 μm×0.15 μm)。二維調(diào)制周期設(shè)為4 s，起到多次切割一維流出組分，且不與上周期流出組成重疊的作用。

采用二維GC×GC后，可以得到更多的化合物組分信息，許多在傳統(tǒng)一維色譜中部分重疊或完全重疊的組分可得到進(jìn)一步分離。例如，由圖3可以看出，使用GC×GC-TOFMS可有效解決一維氣質(zhì)分辨能力不足的問(wèn)題。如圖所示，3-甲基-1-丁醇丙酸酯與4-甲基-戊酸乙酯、十一酮與3-辛烯-1-醇-乙酸酯一維保留時(shí)間相同，若使用一維色譜將無(wú)法分離，而使用二維色譜后，兩者可在二維時(shí)間上實(shí)現(xiàn)分離(如圖4所示)。同時(shí)，經(jīng)過(guò)調(diào)制器聚焦后，樣品峰的信噪比提高，經(jīng)調(diào)制后的峰高比沒(méi)有調(diào)制的峰高增強(qiáng)了15～22倍。如圖4所示，經(jīng)過(guò)調(diào)制后，樣品整體信號(hào)由55 000增至580 000，增強(qiáng)十多倍。

綜上所述，HS-GC×GC-TOF/MS優(yōu)化條件見(jiàn)表1。

圖3 GC×GC-TOFMS分離的優(yōu)異性

2.2 兩種等級(jí)(一級(jí)和三級(jí))菜籽油揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)研究

菜籽油的原料品種及產(chǎn)地、精煉程度和加工工藝均會(huì)影響其風(fēng)味物質(zhì)的組成。在優(yōu)化的條件下，通過(guò)HS-GC×GC-TOF/MS進(jìn)樣，結(jié)合TOFMS的數(shù)據(jù)庫(kù)檢索和自動(dòng)峰識(shí)別功能，我們定性分析了7種三級(jí)菜籽油和7種一級(jí)菜籽油中的揮發(fā)性物質(zhì)。結(jié)果表明，不同菜籽油檢測(cè)出的揮發(fā)性組分存在差異。我們對(duì)兩種等級(jí)菜籽油中檢出率大于50%的組分進(jìn)行進(jìn)一步分析。三級(jí)菜籽油中共有70種組分，其中醛類17種，醇類5種，酸類5種，酮類7種，烷烴類11種，硫苷降解產(chǎn)物15種，雜環(huán)類9種，苯環(huán)類1種。一級(jí)菜籽油中共有40種組分，包括醛類12種，醇類5種，酸類3種，酮類1種，烷烴類13種，硫苷降解產(chǎn)物3種，雜環(huán)類1種，苯環(huán)類2種，詳細(xì)組分信息見(jiàn)表2、表3。結(jié)果表明，三級(jí)菜籽油主要呈味物質(zhì)是醛類、雜環(huán)類和硫苷降解產(chǎn)物，而一級(jí)菜籽油主要貢獻(xiàn)風(fēng)味物質(zhì)是醛類。硫苷降解產(chǎn)物是十字花科植物所特有的重要風(fēng)味物質(zhì)，是菜籽油具有特有的菜青味和辛辣味的原因之一。三級(jí)菜籽油中發(fā)現(xiàn)了大量硫苷降解產(chǎn)物。但一級(jí)油中硫氰類種類明顯減少，這可能是一級(jí)油中的硫氰類物質(zhì)在精煉工序中被除去。同樣，精煉程度越高，以吡嗪類為主的雜環(huán)類物質(zhì)越少，菜籽油的烤香味越淡。

表1 HS-GC×GC-TOF/MS相關(guān)參數(shù)

表2 一級(jí)菜籽油主要揮發(fā)性成分匯總

表3 三級(jí)菜籽油主要揮發(fā)性成分匯總

3 結(jié)論

本研究采用HS-GC×GC-TOF/MS法對(duì)兩種等級(jí)菜籽油(一級(jí)和三級(jí))的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，菜籽油等級(jí)不同，風(fēng)味物質(zhì)組成不同。三級(jí)菜籽油特征風(fēng)味物質(zhì)由硫氰類、吡嗪、醛類、酸類組成，主要呈現(xiàn)烤香味、青草香味、脂肪香味。一級(jí)菜籽油特征物質(zhì)為醛類。一級(jí)菜籽油經(jīng)過(guò)精煉后，揮發(fā)性物質(zhì)從種類和含量上都明顯減少，硫氰類、吡嗪類表現(xiàn)尤為明顯。一級(jí)菜籽油主要呈現(xiàn)淡油脂味。

實(shí)驗(yàn)表明，GC×GC-TOF/MS適合測(cè)定菜籽油之類的復(fù)雜樣品。利用全二維技術(shù)可以綜合評(píng)價(jià)菜籽油的特征風(fēng)味物質(zhì)，對(duì)建立菜籽油乃至食用油香氣圖譜，分析呈香機(jī)理，構(gòu)建質(zhì)量評(píng)價(jià)體系具有重要意義。