气相色谱-嗅闻仪/质谱仪检测技术在食品香气物质分析中的研究进展

李超, 柯润辉, 王明, 李春媛, 王逍, 陈嘉杰, 吴奕萱

1(中国家用电器研究院，北京，100037)2(中国食品发酵工业研究院有限公司，国家食品质量监督检验中心，北京，100015)3(国家农产品保鲜工程技术研究中心，天津，300000)

对于很多食品而言，风味物质的组成和含量决定着其品质，即风味是评定食品感官质量的重要指标。食品的香气是指食品产生的各种挥发性化合物中一小部分具有致香活性的物质[1]，是食品风味的重要组成部分。食品香气的分离分析就是鉴定食品挥发性化合物中起主要作用的关键呈香成分，主要步骤包括香气物质的提取、分离分析和关键香气物质的鉴定3个方面。香气物质的分析测定不仅可以使人们获得最基本的有关食品风味的化学信息，而且还可以为人们仿香、创香、合成新型的食品风味物质提供科学依据。因此，从某一食品基质的所有挥发性化合物中区分出关键香气物质成为风味分析的一项重要任务。

近几十年来，食品香气研究常用的检测技术主要包括仪器检测(如气相质谱仪)和感官检测(如气相色谱嗅闻仪)，它们被用来分析食品中香气物质的含量和强度大小。气相色谱-质谱仪(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)是鉴定香气物质的一种有效手段，但不能衡量各成分的气味强度及对整体香气的贡献度，而气相色谱-嗅闻(gas chromatography -olfactometry,GC-O)是将人类灵敏的嗅觉能力与仪器结合[2]，可以从气味复杂的挥发性混合物中鉴别出香气物质[3]，解决MS在风味研究中的难题。GC-O/MS检测技术正是结合了人的感官评价与MS的定性技术，可对各香气物质进行良好的定性与定量，已成为食品香气研究的热点领域[4-7]。近年来，样品前处理技术的发展及全二维/多维气相色谱、飞行时间质谱等高分辨仪器的应用，更进一步提高了食品香气分析的精确度[8-9]。

本文对近5年来国内外GC-O-MS检测技术在食品香气分析领域中的相关研究进展进行回顾，以期对我国食品风味的进一步分析有所启发和借鉴。

1 香气物质的提取

香气物质的提取是GC-O/MS分析的关键环节，这一步骤是为了将所有的挥发性组分从复杂的样品基质中提取出来并富集。提取方法的不同会影响到香气分析的结果，如果想得到比较全面的香气信息，选择合适的样品制备方法至关重要。

1.1 同时蒸馏萃取

同时蒸馏萃取(simultaneous distillation extraction,SDE)是一种将水蒸气蒸馏和有机溶剂抽提结合起来的方法，即首先从样品中蒸馏出挥发性物质，再使用低沸点溶剂萃取蒸馏液。蒲丹丹等[4]用SDE结合GC-O和GC-MS比较分析广东和湖南两种熟腊肉的挥发性气味成分，揭示了两地腊肉挥发性成分的主要差异在于酚类、酯类及醛类化合物种类和含量。ZHANG等[5]采用SDE-GC-O/MS分析不同工艺豆奶的特征香气，确认(E)-2-癸醛、(E)-2-壬烯醛、2-乙酰-1-吡咯啉是豆奶中最重要的香气物质。此法适于提取半挥发性化合物，具有良好的重复性和较高的萃取量，但其高温加热的条件易造成样品风味物质的破坏或异味的生成，造成分析结果的不准确。

1.2 溶剂辅助风味蒸发

溶剂辅助风味蒸发(solvent assisted flavor evaporation,SAFE)是通过蒸馏装置和高真空泵紧密结合，利用溶剂辅助样品实现挥发性化合物和非挥发性化合物的高效分离。这种提取方式相对较温和且热敏性挥发物损失少，萃取物更接近样品原有的自然风味。XU等[6]用GC-O/MS结合SAFE在草菇中检出63个挥发性化合物，并首次发现草菇的关键香气物质二氢-β-紫罗兰酮。FENG等[7]利用SAFE-GC-O/MS分析荔枝的香气，并结合AEDA法鉴定出31种主要的香气物质。此法对复杂食品的痕量挥发物有良好的定性定量效果，但是装置比较复杂，仪器的清洗比较费时。

1.3 固相微萃取

固相微萃取(solid phase micro extraction,SPME)是一种集采样、萃取、浓缩和进样于一体的无溶剂样品微萃取新技术，仅需一根类似进样器的固相微萃取装置，通过萃取纤维上的固定相对挥发物吸附和浓缩，然后直接进样分析。由于其方便、易于自动化、灵敏度高的特性，广受食品分析工作者的青睐[10-12]。

1.3.1 传统固相微萃取

传统固相微萃取分为直接浸入和顶空萃取(high-space,HS)，适用于气体、液体、固体中各类挥发性或半挥发性化合物的富集[9]，其中顶空提取物可以较为真实地反映样品自然的风味。龙倩倩等[10]利用气相色谱-嗅闻-质谱仪结合HS-SPME研究西番莲果汁挥发性物质，得到醇类、酯类、酮类、烯类化合物等62种挥发成分，判定酯类化合物是其主要香气贡献者。XU等[11]使用HS-SPME结合GC-O/MS表征发芽6 d的鹰嘴豆、扁豆和黄豆粉的挥发性成分，共鉴定出124种挥发性成分，19种特有的香气物质。但该方法在定量过程中，易受样品处理的影响，结果重复性差，且仅局限于易挥发性化合物的萃取。

1.3.2 SPME Arrow

最近推出的SPME Arrow相对于传统的SPME具有更长、更粗、更坚韧的纤维头，其纤维涂层表面积增加可附着更多的吸附材料，极大提高了吸附性能，改善了传统SPME fiber(纤维头)在使用过程中存在的极易断裂、吸附容量较小等缺陷。

SONG 等[12]比较了SPME Arrow和SPME fiber对韩国鱼露香气成分的提取效果，结果发现SPME Arrow对醇、醛和吡嗪等香气物质的提取更高效。ZIEGLER等[13]把2种葡萄酒香气物质(1,1,6-三甲基-1,2-二氢萘(TDN)和2,10,10-三甲基-6-亚甲基-1-氧杂螺[4.5]癸-7-烯)用作目标化合物评估两者的提取性能，也证实了SPME Arrow的优越。所以，SPME Arrow的出现不仅丰富了样品前处理手段的选择，还有望与GC-O-MS结合更好应用于酒类的香气分析。

1.4 搅拌棒吸附萃取

搅拌棒吸附萃取(stir bar sorptive extraction,SBSE)是分析痕量有机组分的一种优势技术。其工作原理类似于SPME萃取，但又拥有更大的吸附容量，能在自身搅拌的同时完成萃取浓缩[14]。ZHAO等[15]利用GC-O/MS结合SBSE定量分析云南香格里拉地区和宁夏贺兰山地区两种中国西拉葡萄酒的香气特征，结果表明，代表水果香气的特征化合物脂肪酸乙酯、乙酸乙酯和β-大马士酮在贺兰山西拉葡萄酒中显示出更高的香气活力值。SBSE针对含有水分的样品萃取效果确实不错，缺点是涂层上容易吸附水，对仪器有损伤。而且商品化涂层种类少，价格昂贵，选择性差。

1.5 固相萃取整体捕集萃取

Monotrap是一种新兴的、先进的吸附介质，基于高比表面积的整体硅胶技术，可实现香气物质简单快速的提取[16]。陈燕等[17]采用SDE、HS-SPME和Monorap三种萃取方式结合GC-MS对比分析了本格烧酒的香气物质，结果发现Monotrap法既能较多的提取到高沸点化合物，又能保证低沸点化合物的获得，是酒中香气物质提取的有效方法。LU等[18]使用3种Mono Trap RCC18吸附剂评估了中美鲢鱼肉特有的气味物质，共发现醛、醇、酮类等15种重要的气味化合物。MonoTrap 吸附的化合物可以使用较大量的有机溶剂洗脱，能多次进样，而且它还可以在不同仪器系统和色谱柱上面进行进样，简化了GC-O/MS分析的前处理。

1.6 多种前处理方法协同萃取

除了上面列举的前处理方法外，动态顶空和吹扫捕集[19]、液液萃取和酸碱中性组分馏分[20]等技术也在食品香气分析中有应用。为了使GC-O-MS分析结果更可靠、重复性更好，新型前处理方法蓬勃发展。但由于单一前处理技术并不总是能从复杂的样品基质中获得全面部的香气物质，通常还需采取多种前处理方法协同对样品进行萃取[17, 19-20]。SHEIBANI等[21]使用SDE和SPME结合GC-O/MS分析金选乌龙茶的香气物质，SDE法鉴定出45种香气物质，SPME法鉴定出41种香气物质。ALIM等[22]在研究酵母膏的香气物质时，呋喃、吡嗪、噻吩、噻唑和一些支链硫化物就是被SPME和SAFE协同提取的。

2 香气的分离分析

食品香气物质的分离分析主要是依靠GC结合MS和嗅闻仪(olfactory)、火焰离子化检测器(flame ionization detector,FID)、火焰光度检测器(flame photometric detector,FPD)、脉冲式火焰光度检测器(pulsed flame photometric detector,PFPD)等检测器共同完成的。随着现代分析仪器技术的发展，分离效果更高的多维/全二维气相色谱技术和高分辨质谱等技术也逐渐在本领域得到应用。

2.1 气相色谱-嗅闻-质谱仪

GC-O/MS检测技术凭借GC-O和GC-MS的强大分析能力成为研究食品香气的有力工具，但仍需要2次进样才能对香味活性物质定性定量。为了实现食品中香味活性物质更方便、更快速的分析，又出现了一种集合GC-O、GC-MS两种设备特性的新仪器气相色谱-嗅闻-质谱仪(gas chromatography-olfactometry-mass spectrometry，GC-O-MS)。在使用GC-O-MS仪器分析时，一次进样便可同时达到嗅闻与MS分析的目的，实现香气物质的快速检测。目前GC-O-MS也逐渐投入食品香气研究，如豆奶[5]和西番莲果汁[10]的香气鉴定、黑大蒜的关键香气物质的表征[23]、脐橙果酒和脐橙蒸馏白酒的香气物质的比较[24]等。

2.2 GC-O-MS和其他检测器联用

在分析过程中，还发现存在部分物质的含量低于GC-MS检测限，但其阈值较低可通过GC-O明显闻到其特征香气。为了避免遗漏重要香气成分，通常还选择其他检测器结合GC-O-MS共同分析。FID是一种高灵敏度通用型检测器，而且响应快，对碳氢化合物敏感，适用于挥发性烃类和许多含碳化合物的高通量检测。SANDNER 等[25]用GC-FID、GC-MS、GC-O分析肉桂芽的挥发性成分，发现了高含量的肉桂醛，其浓度可达40 mg/g。FPD和PFPD可选择性检测一些含硫、磷等具备香气活性的化合物。ZHU等[26]采用GC-MS、GC-O结合GC-FPD分析3种乌龙茶汤中的挥发性物质，共检测到含硫化合物13种。PFPD拥有比FPD更低的检测限，特别适于白酒里含硫和磷化合物的检测[27]。但这2种火焰光度检测器可能会受到烃类化合物淬灭的影响导致结果的不准，而硫化学发光检测器(sulfur chemilecminescence detector,SCD)是目前公认的检测硫最灵敏、选择性最宽的检测器，很少受到烃类化合物的干扰[28]。此外还有其他高灵敏度检测器可供香气活性成分的检测，比如适用于分析氮、磷化合物的氮磷检测器[29]。

2.3 多维/全二维气相色谱

气相色谱分析中化合物的共洗脱现象，使复杂样品中单个气味活性分子的识别变得复杂。多维气相色谱(multi-dimensional gas chromatography,MDGC)是结合2个或多个色谱柱，通过多孔阀开关或无阀柱进行压力平衡调节，实现正吹、反吹或切割等，为复杂挥发性混合物的分离提供了进一步的改进，有助于区分气味影响化合物和背景干扰，是一种集样品进行预处理、分离和富集3个功能于一体的技术，在痕量气体分析中被广泛应用[30]。全二维气相色谱(comprehensive two-dimensional gas chromato -graphy,GC×GC)将相互独立且分离机理不同的两根色谱柱串联，一维柱流出的每一个馏分经调制器迅速传送到二维色谱柱进一步分离，可在短时间内提供更全面的香气成分信息[31]。GC×GC的高灵敏度和高分辨率弥补了传统一维色谱不能完全分离和峰容量不足的缺陷，使质谱的定性更加精确，满足食品香味物质复杂化学混合物的分离分析[32]。

STEINGASS等[33]采用HS-SPME/GC×GC-qMS对早期绿色成熟阶段、收获后成熟阶段和商业货架期结束时的绿色成熟果实与完全成熟时收获的空运菠萝的挥发性成分比较，鉴定出酯、萜类、醇、醛、2-酮、游离脂肪酸和其他γ-和δ-内酯等290多种挥发性成分。CAPOBIANGO等[34]首次使用MDGC和GC×GC耦合FID、MS和O分析SPME提取的香蕉酒挥发性成分，鉴定出香蕉酒特征香气的主要组成成分为3-甲基丁烷-1-醇、3-甲基丁烷-1-醇乙酸酯、2-苯乙酸苯乙酯和苯乙醇。GC-O仅仅基于与商业数据库匹配的MS来识别气味活性化合物是不够的，效率太低。多维/全二维气相色谱可以极大地提高GC-O的分析能力，成为未来食品香气研究领域的重大发展方向。

2.4 飞行时间质谱

飞行时间质谱技术(time of flight mass spectrometer,TOFMS)克服分辨率低的难关，有助于质荷比(m/z)近似离子的区别和高精准定性，每进一次进样都可以全谱采集样本中所有的m/z离子，是扫描速度最快的质谱。ZHOU等[35,36]采用GC×GC、TOFMS和GC-O相结合的方法表征镇江香醋的香气成分，初步鉴定出360个化合物，在数量上最丰富的是酮，还检测到大量的酯、呋喃及其衍生物、醛和醇，其中约有一半的气味活性物质首次在镇江香醋中被鉴定出。TOFMS与GC、GC×GC、MDGC联用，表现出分辨率高、色谱结构清晰等优点，非常适用于分析食品中复杂挥发性成分[35]。

3 关键香气物质的鉴定

3.1 OAV法筛选关键香气活性化合物

鉴定关键香气时，常用到几种GC-O分析方法包括时间强度法、芳香萃取稀释法(aroma extraction dilution analysis,AEDA)、频率检测法等判断化合物对整体风味的贡献。但是嗅闻评价员的嗅觉偏差可能会造成分析结果的不可靠，因此引入香气活力值(odor activity value,OAV)，即气味成分的浓度与其气味阈值的比值，定量表征食品中香气物质的贡献度。OAV大于1表明该香气物质有利于整体香气且值越高贡献越大，此法被广泛用于酒类、水果、肉类等领域[37]。

但是现有定量技术的局限性和嗅闻的偏差，可能会使OAV的计算并不十分精准。为了使得到的关键香气结果更可靠，OAV有时不会单独使用。陈光静等[38]应用采用OAV结合气味强度值在强异味薏米中鉴定出12种异味成分，分别为己醛、庚醛、2-庚烯醛、辛醛、反-2-辛烯醛、壬醛、反-2-壬烯醛、癸醛、2-癸烯醛、己酸、2-壬酮和 6-十一酮。ZHANG等[39]通过AEDA结合OAV表征皮蛋黄的关键气味活性化合物，对具有FD因子≥16的22种气味进行了定量，并计算它们的OAV，筛选出19种OAV≥1的气味是对皮蛋黄的特征香气有很大贡献的。

3.2 香气重组和缺失试验进一步确认关键香气化合物

此外，OAV 最大的化合物是不是关键香气成分还需通过香气重组(recombination)和缺失试验(omission test)验证。如果重组后的感官结果与原样品不一样或相似度不高，则需要重新鉴定；如果缺失某个化合物后会导致显著的香气变化，则认为该化合物为关键香气物质。

XIAO等[40]用AEDA-GC-O结合OAV法研究腐乳中的关键香气物质，通过香气重组和缺失试验证实，丁酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、己酸乙酯、(E,E)-2，4-癸二烯醛等OAV最大的成分对商业腐乳的特征香气贡献最大。LIU等[41]对北京烤鸭胸皮和胸肌中鉴定出的18种OAV大于1的香气化合物进行重组，其感官评价表明己醛、庚醛、辛醛、壬醛、甲醛、2-糠基硫醇、二甲基三硫、1-辛烯-3-醇和(E,E)-2,4-十二烯醛对其特征香气有显著贡献，而缺失试验进一步表明2-糠基硫醇和二甲基三硫对烤鸭的香气有显著的促进作用。但是重组香气物质较多，逐一缺失时，会造成工作量特别是闻香工作量太大。但为了探究关键香气成分，仍需要计算OAV，并进行香气重组与缺失试验。

4 香味研究中的化学计量法

食品中挥发性成分复杂，在香气分析过程中会产生大量的多指标结果，处理香气物质结构和活性的关系变得非常重要。化学计量分析法可以降低数据处理的复杂程度(如主成分分析)，帮助我们提取可靠有效的数据信息[42]。

NIU等[43]研究5种中国樱桃酒的酯之间的感官相互作用，选择樱桃酒中7种酯类挥发性化合物进行添加/缺失试验，主成分分析表明，这7种酯的添加对果味、花香、甜味和发酵香气强度都有显著影响。XU等[11]对扁豆和黄豌豆在6 d的发芽过程中挥发性成分的变化进行表征时，主成分分析和系统聚类分析从复杂的数据中分析出扁豆和黄豌豆粉具有相似的芳香属性。XIAO等[44]利用GC-O/MS对6种茴香的关键香气进行研究，偏最小二乘回归分析发现麻辣、木质、青草、发霉和清新的感官属性与香气物质有很好的协同性，此外聚类分析根据6种茴香之间的相似性将之分成3个主要类群。

5 结论

GC-O/MS检测技术作为一种有效分析食品香气的工具，实现了香气物质的快速检测以及关键香气物质的鉴定，被广泛应用于产品不同产地、品种、工艺的香气变化研究，为产品的品质提高、工艺改进、产地溯源、真伪鉴别等提供理论支持。随着新型样品萃取富集技术和MDGC、TOFMS等高分离度、高分辨率仪器在食品香气分析中的逐步应用，为发现更多的、更低浓度香气物质提供了可能，将极大推动食品风味学的发展。