HS-SPME-GC/MS分析花生油挥发性成分技术的优化

刘晓君, 金青哲, 王珊珊, 刘元法, 王兴国＊

(1.食品科学与技术国家重点实验室,江南大学,江苏无锡214122;2.江南大学食品学院,江苏无锡214122;3.山东鲁花集团有限公司,山东莱阳265200)

花生油的最佳生产工艺采用纯物理压榨制油, 通过选料、焙炒、物理压榨、最后经天然植物纤维过滤技术生产而成。“花生油纯物理压榨工艺”最大的优势就是全过程无需任何化学添加剂,保证产品安全、无污染,且只榨取第一道花生原汁,不但可以剔除花生油中悬浮物有害物质,而且更能全面保留花生的天然营养和原汁原味。花生油的香气是其感官品质的重要指标[1],因此研究和分析花生油的挥发性成分,对进一步研究花生油的风味及改进花生油加工工艺,都具有十分重要的意义,但目前国内外对花生油的挥发性成分及风味研究甚少。

固相微萃取技术(Solid phase microextraction,SPME)是加拿大Waterloo大学 Pawliszyn研究小组于1990年提出的一种新型无溶剂样品预处理技术[2],它通过采用装在注射器内的石英纤维表面上的特殊固相涂层,对样品组分进行萃取和富集,具有操作简单,成本低,效率高及选择性强等特点。此外,固相微萃取技术还可方便地与气相色谱、液相色谱等分析仪器联用,将样品萃取、富集和进样检测合为一体,可大大提高分析速度和分析方法的灵敏度。近年来,SPME被广泛地应用于植物油气味的研究[3]。国外多位学者利用SPME萃取技术对virgin olive oil的风味进行了一系列的研究,包括对其特征香气的分析[4-7],储藏期间油脂风味的变化[8],以及加工过程对香气形成的作用[9]等。奚星林,蓝芳等人[10-11]将SPME技术应用于食用油残溶检测。

作者选用鲁花集团提供的浓香压榨一级花生油为原料,采用顶空固相微萃取(HS-SPME)结合气相色谱-质谱联用(GC/MS)技术建立了花生油挥发性成分的分析方法,筛选了固相微萃取纤维头,优化了固相微萃取的操作条件,并采用 HS-SPMEGC/MS对所得挥发性成分进行了初步分析。

1 材料与方法

1.1 试验材料

压榨一级花生油,山东鲁花集团有限公司提供。

1.2 实验仪器与设备

GC-14A气相色谱仪,日本岛津公司产品;TRACE MS气相色谱质谱联用仪,美国 Finnigan质谱公司产品;PDMS、CAR-PDMS、PDMS-DVB固相微萃取头,美国Supelco公司产品;EL204电子天平,上海Mettler Toledo公司产品;85-2恒温磁力搅拌器,金坛市新航仪器厂产品。

1.3 萃取步骤及条件优化

首先将固相微萃取装置的萃取头进行老化,老化温度250℃,载气流量2 mL/min,老化时间20 min。称取3.00 g花生油于15 mL顶空瓶中,加盖密封,置于50℃恒温水浴搅拌平衡20 min。固相微萃取萃取头顶空吸附40 min后,于色谱进样口250℃解吸5 min,同时启动仪器采集数据。

根据相关文献报道[2,12],作者选择了对分析影响较大的几个因素进行单因素优化。筛选了SPME萃取头(PDMS、CAR-PDMS、PDMS-DVB),比较了搅拌与否对萃取效果的影响,并分别优化了萃取温度(40、50、60、70、80 ℃)、萃取时间(20、30、40、50、60 min)和解吸时间(2、3、4、5、6 min)。

1.4 GC-MS分析

GC条件:DB-wax色谱柱(30 m×0.25μm i.d.×0.25μm df),氦气为载气,流量 0.9 mL/min。进样口温度250℃,进样方式为不分流进样。程序升温条件如下:60℃(保留2 min)开始以5℃/min升到100 ℃,保留0.1 min,再3 ℃/min升到180 ℃,保留0.1 min,再10 ℃/min升到220 ℃,保留10 min。

MS条件:电离方式 EI,离子源温度200℃,电子能量70 eV,灯丝发射电流200μA,接口温度250℃,扫描质量范围为32～402。

GC-MS分析结果由计算机谱库NIST和WILL Y检索定性分析,同时利用面积归一法计算定性的挥发性成分的相对含量。

2 结果与分析

2.1 萃取方式的选择

固相微萃取可采取直接固相微萃取法或顶空固相微萃取法,萃取方式的选择取决于被萃取物质的状态、性质及挥发性。油脂中挥发性成分的测定多采用顶空固相微萃取法,即可避免油脂样品基质中大分子和非挥发性物质对SPME的损坏,减少干扰,延长萃取头寿命,又可对挥发性成分进行有效的分析。

2.2 萃取头的选择

马传国等人[13]认为吡嗪类物质是花生油烘烤和浓香花生风味的主要来源。因此,选择花生油挥发性成分的总峰面积和总峰个数、及花生油风味主要来源的吡嗪类物质峰面积作为分析依据。

作者对常用的3种商业SPME萃取头PDMS、PDMS-DVB和CAR-PDMS涂层进行了优化选择。萃取头的选择依据相似相溶原理,PDMS适合分析非极性挥发性物质,PDMS-DVB适合分析极性挥发性物质,CAR-PDMS适合分析气体硫化物、挥发性有机物[14]。

由图1可以看出,相比其他两种涂层,PDMSDVB吸附的挥发性成分量较多,富集效果较好,因此选择PDMS-DVB为实验用萃取头。

2.3 搅拌的影响

搅拌可促进萃取并相应地减少萃取时间,使分析物快速达到萃取平衡。磁力搅拌形式广泛应用于SPME。本实验比较了磁力搅拌与否对花生油挥发性成分萃取的影响。

从图2可以看出,搅拌状态下的总峰面积和主峰面积变化不大,而总峰个数由原来的28增加至41,效果非常明显。因此,选择磁力搅拌状态。

图1 不同萃取头对萃取效果的影响Fig.1 Comparison of different SPMEfibers on extraction of volatiles in peanut oil

图2 搅拌对萃取效果的影响Fig.2 Effect of stirring on extraction of volatiles in peanut oil

2.4 萃取温度的选择

萃取温度对SPME法的影响具有双重效应:通常升高温度时,液体内分子热运动加快,有利于提高分析物在顶空的分配,缩短平衡时间、加快分析速度;但升高温度会使分析物在涂层与基质中的分配系数降低,涂层对分析物的吸附量减小,影响SPME法的灵敏度。所以在使用SPME时应选择最佳工作温度。

图3明显地反映了萃取温度对富集风味成分的影响具有两面性:随着萃取温度的升高,虽然总峰个数不断上升,但主峰面积在50℃达到最高点后开始下降,而总峰面积在60℃后也开始下降。也可能是加热过程中脂肪酸分解产生了低分子的醛酮酸类物质,使得总峰个数和面积略有上升,而与风味物质分子竞争吸附,导致主峰面积下降。综合考虑,50℃时检出的主峰效果最好,且萃取的样品量足用于 GC-MS分析,因此选用50℃作为花生油挥发性成分的萃取温度。

2.5 萃取时间的选择

萃取时间即萃取达到平衡所需的时间,由待分析物的分配系数、物质的扩散速率、样品基质、样品体积、不同萃取头膜厚和吸附能力以及涂层的物理化学性质等因素决定[2]。一般萃取过程均在刚开始时吸附量迅速增加,出现一转折点后上升就很缓慢。在分析挥发性有机物时,一般平衡时间较短,10 min之内即可达到最高吸附量;而分析复杂基质及半挥发性有机物时,平衡所需时间至少为30～60 min。因此,可根据实际操作目的及对灵敏度的需求不同,适当缩短萃取时间。

从图4来看,在20～40 min范围内,随着萃取时间延长,总峰面积、主峰面积和总峰个数增加,40 min时达到最大。此后,继续延长萃取时间,吸附量变化不大。由此可见,40 min时动态平衡达到最佳状态,因此选择最佳萃取时间为40 min。

图3 萃取温度对萃取效果的影响Fig.3 Effect of temperature on extraction of volatiles in peanut oil

图4 萃取时间对萃取效果的影响Fig.4 Effect of extraction time on extraction of volatiles in peanut oil

2.6 解吸时间的选择

在同一解吸温度下,待测组分解吸完全程度与解吸时间直接相关。解吸不完全不仅会影响方法的灵敏度,而且会污染后续样品,但长时间高温解吸会缩短萃取纤维的寿命。

由图5可以看出,总峰面积、主峰面积和总峰个数均5 min时达到最大,5 min后几乎没有增长。在一定的时间内,温度升高可使解吸加快,但会缩短SPME萃取纤维的使用寿命,因此选取5 min作为解吸时间。

2.7 花生油挥发性成分分析

按照优化的 HS-SPME萃取条件对花生油进行分析,将花生油挥发性成分进行吸附后在进样口解吸,经 GC-MS分离鉴定,得到花生油挥发性成分的总离子流图(见图6)。图6经由NIST和WILL Y软件进行质谱检索,鉴定结果列于表1。

图5 解吸时间对萃取效果的影响Fig.5 Effect of desorption time on extraction of volatiles in peanut oil

图6 花生油挥发性物质总离子流图Fig.6 GC-MS chromatogram of volatiles extracted from peanut oil by HS-SPME

表1 花生油挥发性风味物质GC-MS分析结果Tab.1 Major volatile compounds extracted from peanut oil by HS-SPME-GC/MS

续表1

续表1

除去少量分析时萃取头带来的硅氧烷类杂质峰及增塑剂污染杂质峰[15,16],通过 GC-MS鉴定出的花生油挥发性物质有53种,占总检出化合物的86.23%,主要为吡嗪、吡啶、呋喃、吡咯等含 N、O杂环化合物,及少量醛、酮、醇、酸、酯及烃类化合物。其中烷基吡嗪类物质含量最高,有7种,占总挥发性成分的32.89%,分别为甲基吡嗪(3.90%)、2,5-二 甲 基 吡 嗪 (17.12%)、2,6-二 甲 基吡 嗪(3.63%)、2,3-二甲基吡嗪(0.68%)、2,3,5-三甲基吡嗪(3.80%)、3-乙基-2,5-二甲基吡嗪(3.30%)、2-乙酰基-3-甲基吡嗪(0.46%)。吡嗪类化合物是美拉德反应的中间产物,具有强烈的烤香和坚果味香气[17],是花生油坚果香气和烘焙风味的主要呈味物质。吡啶类化合物体现青香和坚果香味。呋喃类化合物带来多种果香味,如乙酰基呋喃具有葡萄酒酿香,呋喃酮类具有草莓、苹果等香味。众多化合物体现出不同的特征香味。因此,花生油的香味并不是由一种或几种化合物来体现,而是由多种成分协同作用而来。

3 结 语

作者优化了花生油挥发性成分分析的 HSSPME的萃取条件:样品量不是显著影响因素,可称取3.00 g花生油进行分析,采用 PDMS-DVB萃取头,在磁力搅拌条件下,萃取温度50℃,萃取时间40 min,解吸时间 5 min。同时建立了 HSSPME-GC/MS测定花生油挥发性成分的分析方法,并对花生油挥发性成分进行了初步分析。

实验表明HS-SPME-GC/MS分析技术在油脂分析领域是一项快速、稳定、高效的新型检测技术,除了用于挥发性成分分析,对于油脂其他分析,如残溶检测、通过挥发物测定判断油脂氧化程度等都很有借鉴意义。

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