气味指纹图谱技术在食品挥发性气味分析中的应用

谢 晶，佟 懿

（上海海洋大学食品学院，上海201306）

气味指纹图谱技术在食品挥发性气味分析中的应用

谢 晶，佟 懿

（上海海洋大学食品学院，上海201306）

气味指纹图谱技术是采用现代分析仪器，得到能够反映样品挥发性气味物质的特征性色谱、光谱以及其他图谱的数据资料的技术。本文主要对建立食品气味指纹图谱的几种最新技术以及研究现状做了详细的介绍。

指纹图谱，挥发性物质，SPME，GC/MS，GC-O，电子鼻

大多数食品，特别是新鲜水产品在捕捞、加工、贮存和运输过程中，受到外界环境、微生物和酶等因素的作用，其品质会发生变化。随着水产品贮存时间的延长，会很快导致蛋白质的自溶分解，以及由于某些微生物生长和代谢生成胺、硫化物、醇、醛、酮、有机酸等，产生不良气味［1-2］。挥发性气味对食品整体品质的评价起着重要作用，其中水产品挥发性气味对其品质的影响尤为显著。通过对水产品特征挥发性物质的测定，能够判断水产品的鲜度和腐败阶段。水产品在加工、贮藏、流通以及销售过程中品质的变化可将气味指纹图谱技术与感官品评的方法相结合，对水产品品质进行综合评价。因此，研究建立水产品的挥发性气味指纹图谱对于监控其品质变化是十分有效的。国内一些学者［3-6］已将气味识别技术引入到水产品品质的评价中，通过准确地提取、分析鲜活水产品及水产制品中的挥发性气味成分，为其品质变化的评价提供可靠、稳定、专属的判断依据。本文主要对建立食品气味指纹图谱的方法以及研究现状做了详细的介绍，旨在为研究食品，特别是水产品与鲜活度（品质）特征指标高度相关的挥发性代谢物质，建立水产品的挥发物指纹图谱数据库，实现对其品质直观、快速的识别提供理论基础。

1 指纹图谱技术概述

“标准指纹图谱”是指在固定的分析方法（包括仪器配置、操作条件、色谱柱及分离条件等）下，能够稳定、真实、全面地反映分析对象个性特征的唯一性图谱。整体性和模糊性是指纹图谱的基本属性。同时指纹图谱还具有专属性、可量化性、稳定性、重现性、有效性、模糊性等特征［7-9］。指纹图谱技术研究是建立在现代仪器分析、数学统计手段以及计算机模拟方法的基础之上的。

1.1 指纹图谱在中药材中的研究

指纹图谱技术在中药材上的应用比较广泛。中药是依靠其所含的多种化学成分发挥综合的医疗作用［10］。中药指纹图谱是将某种（或某产地）中药材或中成药经适当的处理后，采用一定的分析手段，即可得到的能够标志该中药材或中成药特征的色谱或光谱的图谱［11］。在不可能将中药复杂成分都搞清的情况下，指纹图谱的作用主要是反映复杂成分的植物中药材及其制剂内在质量的均一性和稳定性［12］。

目前，以指纹图谱作为中成药、草药提取物这类含有混合物质群的质量控制方法，己经成为目前国际共识［13-15］的方法。并且植物药物的指纹图谱已有一些相关的报道，魏刚［16］等利用气相色谱-质谱（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC/MS）技术对阳春砂仁的挥发性成分进行分析，建立了阳春砂仁挥发油特征指纹图谱“数字化”信息模式。曹进［17］等对桅子药材中的脂溶性成分和挥发油进行了GC/MS分析，并建立了相应的气相指纹图谱。近年来许多学者利用指纹图谱技术的特点，将指纹图谱技术引入食品风味研究领域中，对白酒［18］、葡萄酒［19］、干酪［20］、香醋［21］等食品进行了气味识别，为更多食品指纹图谱的建立提供了基础理论和实验依据。

1.2 指纹图谱在食品中的应用

指纹图谱技术在食品中应用就是将该技术与食品的质量控制与品质检测联系起来，对食品的品质进行整体的评价。食品指纹图谱指把食品特有品质（如香气、元素组成等）通过特定的信息化处理后能对产品身份进行分析识别的技术，这种识别具有唯一性，可用于产品真假的识别和产品质量优劣判别［22］。传统分析食品风味变化的方法一般是通过感官评定或个别成分的分析来评价食品的风味及品质，但是通过感官评定来分析食品品质的变化受人为等外界因素的影响较大。而个别成分的分析不能反映食品的整体品质的变化情况，而指纹图谱技术的应用可以解决这些问题，使食品的品质评定更加准确。

随着近代色谱分析技术的飞速发展，一些常用于中药气味分析的先进手段越来越多地被应用到食品气味变化分析中。国内外的学者利用固相微萃取（Solid Phase Microextraction，SPME）技术、SPME-GC/ MS联用技术、气相-氢离子火焰（Gas Chromatography-Flame Ionization Detector，GC-FID）技术、气相色谱-嗅闻（Gas Chromatography-Olfactometry，GC-O）技术以及电子鼻（Electric-Nose）等技术对扇贝［23］、鲢鱼［4］、橄榄油［24］、咖啡豆［25］、新鲜猪肉［26］的挥发性气味做了分析，这些研究证明了应用食品气味指纹图谱能够很好地反映食品中挥发性气味物质的变化与其品质变化的关联性。另外，利用色谱技术能够对食品挥发性气味做出精确的分析，对食品的贮藏、加工及产品品质的控制起到指导作用。

1.3 气味指纹图谱在水产品挥发物质中的应用

水产品中挥发性化合物形成的原因，主要是由于贮藏过程中水产品肉中发生的美拉德反应及脂肪氧化生成了羰基和羟基化合物，而这些化合物含量的变化对确定水产品品质起着十分重要的作用。建立水产品的气味挥发性指纹图谱，便可从气味角度对水产品或水产制品品质的变化程度进行分析。

目前国内学者较多研究了淡水鱼类的挥发性气味的组成和变化，国外学者则对贮藏加工的鱼贝类海产品及水产品的挥发物质变化研究较为深入，章超桦等［27］用气相色谱-嗅觉感官实验（GC-Sniffing）的方法，确定了新鲜鱼肉的气味成分多是由挥发性羰基化合物和醇造成的，特别是挥发性羰基化合物易产生原生的、浓郁的香味，而挥发性醇则产生品质较为柔和的气味。陈俊卿等［28］通过优化 SPME及GC/MS条件，建立了HS-SPME-GC-MS分析鉴定鲜活白鲢的挥发性气味成分的方法，确定了27种挥发性成分为白鲢特有的气味成分。周益奇等［5］采用同时蒸馏萃取法提取鲤鱼中的挥发和半挥发性有机物，用GC/MS分析获得了鲤鱼腥味化合物的质谱图，鉴定了鲤鱼中腥味和疑似腥味化合物，并确认己醛、庚醛和2，4-二烯癸醛为鱼腥味化合物。一系列的研究表明，利用气味指纹图谱技术分析水产品挥发性气味物质的成分与变化能很好地反映水产品品质变化。此方法与传统理化、感官分析法的获得结果相比较有着很高的匹配度，其结果可信度较高，对检测控制水产品品质有着重要的参考价值。

2 构建食品气味指纹图谱的主要技术

2.1 固相微萃取（SPME）技术

SPME是由加拿大Waterloo大学Pawliszyn及其合作者于1990年提出的［29］。SPME技术具有简便、快速、经济安全、无溶剂、选择性好且灵敏度高的特点，可直接与 GC/MS、高效液相色谱（High-Performance Liquid Chromatography，HPLC）、毛细管电泳仪（Capillary Electrophoresis，CE）等分析仪器联用，集采样、萃取、浓缩、进样于一体，大大加快了分析检测的速度［30］。据统计，关于SPME的出版物已达416种，将近50%是关于环境监测问题的，食品和植物方面的应用达20%［31］。

目前国内外所用的 SPME装置大多为美国Supelco公司的专利产品，也有自行研发的简易装置，效果也较为理想。SPME装置形状类似于一个微量进样器，很小巧，由萃取头（biber）和手柄（Holder）两部分构成。根据有机物与溶剂之间“相似相溶”的原理，利用萃取头表面的色谱固定相的吸附作用，将组分从样品基质中萃取富集起来，完成样品的前处理过程。使用时，先将萃取头鞘插入样品瓶中，推动手柄杆使萃取头伸出，进行萃取。萃取有两种方式，一种是直接插入样品中进行萃取，即浸入方式（Direct Immersion，DI）；另一种是将萃取头置于样品上空萃取，即顶空方式（Head Space，HS）。在达到或接近平衡后即萃取完成，缩回萃取头，并转移至气相色谱进样器中，推出萃取头完成解吸、色谱分析，整个过程90min即可完成。

SPME联用技术的检出限为ng/g～pg/g级，相对标准偏差＜30%，线性范围为3～5个数量级。这种技术特点对食品风味成分，尤其是痕量成分的检测具有明显的技术优势，在实际研究中得以替代传统的顶空技术（Head Space，HS）、（氮气）扫捕集法、固相萃取、同时蒸馏萃取法和超临界流体萃取法等技术方法而广泛应用。田怀香［32］等人采用HS-SPME制备样品，利用GC/MS分离鉴定了金华火腿的挥发性风味物质，得出金华火腿的挥发性风味物质中含量较高的是醛、酸和酮类化合物，还有一些含硫或杂环化合物。Nigel［33］等人分别使用75μm Carboxen/ PDMS、65μm PDMS/DVB和65μm Carbowax/DVB三种涂层厚度不同的SPME萃取头测定了熟制火鸡中己醛的挥发性含量，并证明75μm Carboxen/PDMS对己醛的检测响应度、线性相关度以及测定精确度较之其它两种萃取头相对较好。SPME很好地解决了食品挥发性成分物质提取的难题，利用色谱技术便可进一步对食品挥发性成分物质做出精确的分析和鉴定。

2.2 气质联用色谱（GC/MS）技术

色谱法（Chromatography）是分析化学领域中发展最快、应用最广的分析方法之一。这是因为现代色谱法具有分离和分析两种功能，能排除组分间的相互干扰，逐个将组分进行定性、定量分析。而且还可以制备纯组分。因此，食品的气味指纹图谱构建过程中，色谱法尤其是GC/MS联用是首选的方法。

气相色谱虽然具有很强的分离和分析化合物能力，但它对未知化合物定性能力差，而质谱对未知化合物具有独特的鉴别能力，几乎能检出全部化合物，并能给出相应的结构信息。因此借助气相色谱较强的分离能力与质谱仪的鉴定物质的能力相结合，组成气相色谱-质谱联用仪可以很好地完成对于气味指纹图谱的构建工作。一方面，气相色谱将食品中挥发性气味物质分离成一种纯物质或2～3个组分的混合物，是质谱理想的“进样器”；另一方面，质谱很好地弥补了气相色谱所用检测器，如FID，热导检测器（Thermal Conductivity Detector，TCD），电子捕获检测器（electron capture detector，ECD）等分析物质时的局限性，更精确地鉴定了食品中挥发性组分，是气相色谱理想的“检测器”。将GC与MS联用，彼此扬长避短，无疑是复杂混合物分离和检测的有力工具。

杨华［34］等人采用静态HS-GC/MS技术初步鉴定了养殖大黄鱼的挥发性成分组成，并证明醛类、酮类和胺类是养殖大黄鱼的主要腥味成分，确定了2，4，7-癸三烯醛、4-庚烯醛、2，6-壬二烯醛是养殖大黄鱼关键性的腥味物质。Iglesias［35］等人运用 HSSPME-GC/MS联用技术测定了大西洋竹荚鱼肌肉在氧化过程中相关的挥发性成分，并与传统的化学指标脂类过氧化值做了相关性研究，研究确定了大西洋竹荚鱼肌肉氧化酸败的主要挥发性成分是1-戊烯-3-醇、2，3-戊二酮或1-辛烯-3-醇。研究证明HS-SPME-GC/MS联用技术对监测大西洋竹荚鱼肌肉在氧化过程中的挥发性成分是一种快速、廉价、方便、灵敏度高的方法。

GC/MS法的优点是发挥了气相色谱法对复杂混合物的高效分离特长及质谱在鉴定化合物中的高分辨能力，实现了多组分混合物的一次性定性、定量分析。尽管GC/MS法在气味分析中占有优势地位，但单纯依靠MS难于判断食品中的挥发性成分在其整体的风味中的贡献值及其重要性，毕竟挥发性成分化合物单体在整体风味中的贡献取决于其阈值及绝对含量。

2.3 气相色谱-嗅闻法（GC-O）

GC-O通过将特征色谱峰与多组分挥发性混合物相关联，从而对食品中的挥发性呈味物质进行测定。GC-O是根据香味化合物中的香味强度或对总体香气的贡献来进行排序的，它可以解决MS在检测香味化合物时遇到的一些难题。

GC-O的原理非常简单，在气相色谱柱末端安装分流口，分流样品组分一部分进入检测器（如FID、MS等），另一部分进入嗅味检测仪中。流入检测器中的组分经分析后得到相应的色谱峰，流入嗅味检测仪的组分由人进行嗅觉识别，通过气味评价员对闻到的挥发性气味记录与检测器测得的色谱峰相结合，从而获得对食品气味的关键挥发性成分。

马晓佩［36］等利用GC-O对所制成米饮料的挥发性风味成分的变化进行了测定，实验表明烘烤后原料制作的饮料，由于在烘烤过程中淀粉、蛋白、脂肪受热后发生一定的降解，再经过酶的作用，产生了大量的吡嗪类风味物质，这些成分赋予饮料浓郁的烘烤香气。江新业［37］等人利用气相色谱-嗅闻技术中的芳香萃取物稀释方法并结合GC/MS技术，鉴别了北京烤鸭的关键芳香化合物。

2.4 电子鼻（Electric Nose）技术

电子鼻是模仿人和动物的鼻子，被用于分析、识别、检测复杂气味和挥发性成分的新型器，与常用的分析仪器（如色谱仪、光谱仪等）相比，电子鼻具有客观、准确、快捷地评价气味，并且重复性好的特点。

电子鼻的气味感知部件往往采用多个具有不同选择性的气敏传感器组成阵列，利用其对多种气体的交叉敏感性，将不同的气味分子在其表面的作用转化为方便计算的与时间相关的可测物理信号组，来实现混合气体分析。电子鼻已被广泛应用于食品品质测定中，国内外一系列研究表明［38-39］，电子鼻是对食品挥发性气味分析的客观“嗅觉”仪器，能够辅助专家快速地对食品品质进行系统化与科学化的气味监测、鉴别、判断和分析。对于水产品而言，随着贮藏时间的延长和新鲜度的下降，其挥发性成分将发生明显变化，气味也与鲜活时的品质有着显著区别。用基于气敏传感器阵列的电子鼻系统对水产品进行检测，可以获得水产品的气味指纹图谱数据，从而得到其新鲜程度方面的信息。

3 结论

从研究现状来看，现代气味分析仪器的迅速发展为食品挥发性气味图谱的建立提供了可靠的分析手段。食品挥发性气味图谱的研究，特别是对于水产品挥发性气味指纹图谱研究能直观地提供水产品品质变化的整体信息，较好地体现水产品挥发性成分的复杂性和相关性。因此，水产品气味指纹图谱的研究必将成为评价水产品品质重要依据之一。但在我国水产品贮藏过程中挥发性气味变化图谱的研究尚处于起步阶段，还需进一步加强基础研究。本文主要对建立食品气味指纹图谱的方法以及研究现状做了详细的介绍，可以为今后研究食品，尤其是水产品与鲜活度（品质）特征指标高度相关的挥发性代谢物质，以及建立水产品的挥发物指纹图谱数据库提供参考。

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Application of olfactometric fingerprint in the analysis of volatile compounds in food

XIE Jing，TONG Yi
（College of Food Science&Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China）

The application of fingerprint in food odour analysis，which is based on advanced analysis instrument，represents to be a valuable technique to characterize odour-active，as well as character impact compounds，responsible for the characterizing odour of a food sample.The article reviewed the technique of establishment of olfactometric fingerprint，which can be applied to volatile compounds of food analysis.

fingerprint；volatile compound；SPME；GC/MS；GC-O；electric nose

TS201.1

A

1002-0306（2011）01-0309-04

2009-02-06

谢晶（1968-），女，教授，主要从事食品质量与安全控制技术的研究。

“十一五”国家科技支撑计划重点项目课题（2006BAD30B03）；上海市教委第五期重点学科资助。