SPME/GC-MS联用分析六种香辛料挥发性成分
2018-09-15袁华伟尹礼国徐洲王卫吉莉莉
袁华伟，尹礼国*，徐洲，王卫，吉莉莉
(1.宜宾学院 生命科学与食品工程学院，四川 宜宾 644000；2.固态发酵资源利用四川省重点实验室，四川 宜宾 644000；3.肉类加工四川省重点实验室，成都 610106)
香辛料不仅具有增加香气、消除异味的作用，而且具有一定的保健功能，广泛应用于食品行业[1-3]。作为食品加工的原材料，香辛料在肉制品中起调味、防腐和抗氧化等作用[4-6]；在泡菜加工生产中影响微生物的生长及泡菜的质量[7-9]。不同品种的香辛料香味差异较大，香辛料散发出的香味是由其中含有的各种具有芳香气味的挥发性物质共同作用的结果[10]。香辛料的挥发性物质是影响其香气的重要因素，因此研究香辛料挥发性香气成分及主体风味物质，对推动香辛料加工利用都具有十分重要的意义。
对食品挥发性成分的分析常用固相微萃取-气质联用方法[11]。固相微萃取技术集采样、萃取、浓缩和进样于一体，能够快速、高效地进行样品的分析[12,13]，已经广泛应用于香辛料提取的精油化学成分分析[14-16]，而对香辛料挥发性成分研究较少[17-19]。本研究使用固相微萃取结合气相色谱-质谱法对八角、大蒜、桂皮、花椒、生姜、山奈等6种常用香辛料的香气成分进行分析和鉴定，可为香辛料的加工利用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 实验材料
八角(产于广西金秀)、大蒜(产于四川宜宾)、桂皮(产于广西防城)、花椒(产于四川汉源)、生姜(产于四川宜宾)、山奈(产于广西平南)：购于四川省宜宾市绿源超市，要求样品无腐烂变质。
1.2 仪器与设备
5975C-7890A气相色谱-质谱联用仪 美国安捷伦公司；65 μm PDMS/DVB萃取头、15 mL顶空钳口样品瓶、手动SPME进样器 Supleco公司；78HW-1恒温加热磁力搅拌器 杭州仪表电机有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 顶空固相微萃取
1.3.1.1 样品处理
称取0.50 g捣碎的香辛料粉，加入顶空样品瓶中，加入4 mL超纯水并摇匀，放置于恒温磁力搅拌器上，进行水浴30 min，将萃取针放入样品瓶中，在不同的温度条件下萃取不同的时间，然后把萃取头退回，拔出萃取针。平衡与萃取过程中均进行磁力搅拌，搅拌速度为100 r/min。将萃取针插入气相色谱仪进样口，推出纤维头250 ℃热解吸5 min后，开始进行分析，老化萃取头20 min后拔出萃取针。
1.3.1.2 萃取温度的选择
分别在40，45，50，55，60 ℃条件下萃取经GC-MS检测后通过比较色谱峰的总面积和个数确定最佳的萃取温度。
1.3.1.3 萃取时间的优化
在最优温度条件下分别萃取20，25，30，35，40 min，经GC-MS检测后通过比较色谱峰的总面积和个数确定最佳的萃取时间。
1.3.2 GC-MS检测
1.3.2.1 色谱条件
色谱柱为HP-5MS(5% Phenyl Methyl Silox，30 m×0.25 mm，0.25 μm)弹性石英毛细管柱。初始温度40 ℃，保持3 min，以5 ℃/min升温至100 ℃，3 ℃/min升温至175 ℃，10 ℃/min升温至215 ℃，保持10 min，不分流。气化室温度250 ℃。
1.3.2.2 质谱条件
电子轰击离子源(EI)，电子能量70 eV，离子源温度230 ℃；接口温度250 ℃；质量扫描范围： 35～400 m/z。
1.4 定性定量分析
1.4.1 定性
选择NIST 11.L质谱数据库对各色谱峰进行定性分析，筛除匹配度小于80%的物质，选择匹配度最高的物质作为定性结果。通过CAS号在www.ichemistry.cn网站上查询中英文名称。
1.4.2 定量
以峰面积归一化法确定不同原料中各化合物的相对百分比。
2 结果与分析
2.1 顶空固相微萃取条件的优化
2.1.1 萃取温度的选择
不同萃取温度条件下6种香辛料的混合样色谱分析的结果见图1。
图1 不同萃取温度对色谱分析的影响Fig.1 Effects of different extraction temperatures on chromatographic analysis
萃取温度低于50 ℃时，色谱峰数量较少，这可能是香辛料中的挥发性成分挥发速度慢导致的。萃取温度升高时，萃取峰的数量也低于50 ℃条件下的有效峰个数，可能是温度过高导致挥发性物质在萃取头涂层中吸附量下降导致的。温度对萃取头的萃取效果有双重影响，温度升高时，有利于分析物在基质中的扩散，缩短萃取时间，但升高温度也会使分析物在涂层中的分配系数降低，导致吸附量减小，影响萃取头的灵敏度。50 ℃条件下的萃取峰数量最多，色谱图的总面积也最大，说明香辛料的挥发性物质在50 ℃条件下萃取效果最佳。因此，选择50 ℃作为香辛料挥发性香气成分的萃取温度。
2.1.2 萃取时间的选择
6种香辛料的混合样在50 ℃条件下萃取不同的时间的色谱分析结果见图2。
图2 不同萃取时间对色谱分析的影响Fig.2 Effects of different extraction time on chromatographic analysis
随着萃取时间的增加，萃取峰面积增加，有效峰数量也增加，当萃取时间超过30 min时，萃取峰面积开始减少，但对有效峰数量影响不大。因此，选择30 min作为香辛料挥发性成分的萃取时间。
通过对八角、大蒜、桂皮、花椒、生姜、山奈的挥发性物质成分进行分析，其GC-MS总离子图谱见图3。
2.2 常用香辛料挥发性香气成分的总离子流图
图3 6种香辛料挥发性成分的总离子流图Fig.3 Total ion chromatogram of volatile components in six spices samples
由图3可知，6种香辛料挥发性风味物质的总离子流图有明显的差别，其保留时间和有效峰个数都有明显的不同，表明不同的香辛料含有的挥发性风味物质不同。
2.3 常用香辛料的挥发性香气成分
2.3.1 八角挥发性成分分析
表1 八角挥发性成分分析结果Table 1 Analysis results of volatile components in star anise
续 表
由表1可知，检测到八角中的挥发性成分54种，其中萜烯类33种(43.12%)，醇类6种(9.23%)，醚类3种(42.92%)，醛类2种(3.71%)，芳香族化合物8种(9.29%)，其他2种(0.061%)。萜烯类与醚类的总含量相差不大，但醚类所含的种类较少。含量最高的物质是反式茴香脑(32.21%)，其次是d-毕澄茄烯(16.71%)、茴香脑(10.59%)、α-衣兰油烯(9.76%)。
2.3.2 大蒜挥发性成分分析
表2 大蒜挥发性成分分析结果Table 2 Analysis results of volatile components in garlic
续 表
由表2可知，检测到大蒜中的挥发性成分24种，其中硫醚9种(81.17%)，噻吩3种(6.13%)，酯类2种(5.94%)，含硫化合物9种(2.55%)，其他1种(4.19%)。硫醚类的种类最多，总含量也最大。含量最高的物质是二烯丙基三硫醚(57.17%)，其次是二烯丙基四硫醚(11.54%)、甲基-1-丙烯基二硫醚(5.90%)、甲基-2-丙烯基二硫醚(4.40%)。
2.3.3 桂皮挥发性成分分析
表3 桂皮挥发性成分分析结果Table 3 Analysis results of volatile components in cinnamon
续 表
由表3可知，检测到桂皮中的挥发性成分33种，其中萜烯类24种(45.76%)，醛类3种(47.74%)，醇类2种(0.71%)，醚类2种(2.61%)，芳香族化合物2种(2.64%)。萜烯类的种类最多，醛类的种类较少，但其总含量仅次于萜烯类。含量最高的物质是桂皮醛(33.05%)，其次是d-毕澄茄烯(16.17%)、α-衣兰油烯(11.12%)、肉桂醛(10.96%)。桂皮中的主要挥发性成分为桂皮醛。
2.3.4 花椒挥发性成分分析
表4 花椒挥发性成分分析结果Table 4 Analysis results of volatile components in pepper
续 表
由表4可知，检测到花椒中的挥发性成分58种，其中萜烯类28种(55.10%)，醇类10种(42.69%)，烃类10种(1.14%)，醛类6种(0.42%)，酮类2种(0.62%)，酯类2种(0.019%)。萜烯类的种类最多，醇类的种类较少，但其总含量仅次于萜烯类。含量最高的物质是芳樟醇(41.33%)，其次是β-水芹烯(20.64%)、d-柠檬烯(19.03%)、d-吉玛烯(4.31%)。
2.3.5 生姜挥发性成分分析
表5 生姜挥发性成分分析结果Table 5 Analysis results of volatile components in ginger
续 表
续 表
由表5可知，检测到生姜中的挥发性成分73种，其中萜烯类54种(88.51%)，醇类5种(2.83%)，醛类6种(7.68%)，醚类4种(0.32%)，酮类2种(0.31%)，其他2种(0.059%)。萜烯类的种类最多，其总含量也最多。含量最高的物质是α-姜烯(21.87%)，其次是β-倍半水芹烯(14.06%)、α-姜黄烯(7.86%)、β-没药烯(7.15%)。
2.3.6 山奈挥发性成分分析
表6 山奈挥发性成分分析结果Table 6 Analysis results of volatile components in Rhizoma kaempferiae
续 表
续 表
由表6可知，检测到山奈中的挥发性成分63种，其中萜烯类32种(10.67%)，酯类3种(46.50%)，醇类6种(5.46%)，酮类3种(0.22%)，醚类4种(2.76%)，醛类2种(0.37%)，烃类13种(33.98%)。萜烯类的种类最多，其次是烃类，但酯类、烃类的总含量高，萜烯类的总含量较少。含量最高的物质是对-甲氧基肉桂酸乙酯(31.95%)，其次是2-异丙基-4a,8-二甲基-1,2,3,4,4a,5,6,7-八氢萘(29.99%)、肉桂酸乙酯(14.53%)、桉叶油醇(4.37%)。
3 结论
通过对6种香辛料的挥发性成分进行测定，其种类和数量差异较大。八角、桂皮、花椒、生姜、山奈挥发性成分中种类最多的为萜烯类，但含量最多的物质分别是反式茴香脑、桂皮醛、芳樟醇、α-姜烯、对-甲氧基肉桂酸乙酯。大蒜挥发性成分中种类最多的为硫醚类化合物，含量最多的是二烯丙基三硫醚。另外，烃类、酮类等物质含量虽然低但对香辛料的香气同样具有重要影响，所有这些物质组合在一起构成了香辛料的独特气味。
