吹扫捕集-气相色谱/质谱联用分析玫瑰花水香气成分

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(1.兰州海关技术中心,甘肃兰州 730010; 2.西北师范大学地理与环境科学学院,甘肃兰州 730070)

玫瑰是蔷薇科蔷薇属的多年生常绿或落叶灌木,是宝贵的香料资源[1]。玫瑰花经过蒸馏后得到的天然产物主要有玫瑰精油(Rose oil)和玫瑰花水(Rose water),而玫瑰花水的产量远远高于玫瑰精油。玫瑰花水成分天然纯净,含有微量玫瑰精油成分及其他水溶性成分,香味清淡宜人,具有抗过敏、消炎、抗菌、补充皮肤水分、缓解皮肤衰老、清洁紧致皮肤等作用,可用于开发玫瑰饮料、玫瑰口服液等保健食品,是食品、化妆品和清新剂等的重要原料,具有较高的开发利用价值[2-3]。玫瑰花水香气与其质量和经济效益呈正相关,是消费者重点关注的一个指标,影响着不同人群的消费行为,同时也能体现其在加工生产、储藏运输等过程中的质量变化,是确定玫瑰花水质量优劣的主要依据。因此,了解并掌握玫瑰花水的香气成分组成,明确玫瑰花水主要化合物对其香气形成的贡献,对玫瑰花水的合理加工及利用具有重要指导意义。

目前关于玫瑰香气成分的研究也主要集中在玫瑰精油[4-8]和玫瑰花自然香气方面[9-12],而对于玫瑰花水香气成分的研究较少。如何对挥发性成分富集是玫瑰花水香气成分分析的关键。目前,对于玫瑰花水香气的富集方法常见的有固相微萃取法[13-14]、液液萃取法[15]、活性炭吸附法[16],但均存在一定的局限性。固相微萃取法由于其纤维萃取头对挥发性成分的吸附具有特异选择性,不能全面反映样品的挥发性成分组成;液液萃取法通常需消耗大量有机溶剂,危害人体健康,造成环境污染;活性炭吸附法耗时长,步骤繁杂,不利于批量检测。吹扫捕集技术(Purge&Trap,P&T)是一种复杂样品前处理技术,具有操作简单、灵敏度高、无溶剂污染、容易实现在线检测等优点,在天然植物香气提取[17-20]和食品风味分析[21-24]等方面也有应用,而至今尚无采用吹扫捕集法分析玫瑰花水香气的报道。

本研究首次采用吹扫捕集-气相色谱/质谱联用技术(PT-GC/MS)分析玫瑰花水香气成分组成,并对吹扫捕集参数进行优选,以期为玫瑰花水香气特征研究提供技术支撑,为其开发利用和产品质量控制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玫瑰花水 甘肃皓思玫瑰制品有限公司;乙酸乙酯、乙酸己酯 国药集团化学试剂有限公司;2-丁酮、苯乙醇、3-庚烯-2-酮、正己醛、月桂烯、(+)-柠檬烯、罗勒烯、(+)-玫瑰醚、(-)-玫瑰醚、芳樟醇、乙酸香茅酯、Α-松油醇、香茅醇、橙花醇、香叶醇、苯甲醇 标准品,德国Dr.Ehrenstorfer公司。

GCMS-QP2010 Ultra气相色谱/质谱联用仪 日本岛津公司;吹扫捕集浓缩仪 美国OI公司;MassworksTM质谱解析软件 美国Cerno Bioscience公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品处理 用移液枪准确吸取7.0 mL玫瑰花水于吹扫瓶中,立刻拧紧瓶盖,待进样。

1.2.2 吹扫捕集和色谱-质谱分析条件 吹扫捕集参数:吹扫流量:40 mL/min;吹扫温度:40 ℃;预热时间:2 min;吹扫时间:13 min;干吹时间:2 min;预脱附温度:180 ℃;脱附温度:190 ℃;脱附时间:2 min;烘烤温度:200 ℃;烘烤时间:8 min;传输线温度:200 ℃;载气:高纯氮气(纯度≥99.999%)。

气相色谱条件:色谱柱:HP-INNOWAX(60 m×0.250 mm×0.5 μm);程序升温:初始温度60 ℃,保持1 min,以2 ℃/min的速率升至180 ℃,再以20 ℃/min升至250 ℃/min,保持5 min;载气:高纯氦气(纯度≥99.999%);进样口温度:250 ℃;分流比:10∶1。

质谱条件:电子轰击离子源;电子能量:70 eV;传输线温度250 ℃;离子源温度:230 ℃;扫描模式:全离子扫描(Full Scan);质量扫描范围:m/z 25～500 u。

1.3 数据处理

玫瑰花水香气组分鉴定,首先将检测到的质谱信息与NIST11质谱数据库中数据进行匹配,并配合手动检索校对信息,正反匹配度大于800(最大值为1000)的成分作为定性结果,再利用MassworksTM质谱解析软件和标准物质进行定性结果确认。采用面积归一化法计算相对含量。

2 结果与分析

2.1 吹扫捕集参数优化

依据总峰面积及总峰面积与峰数的比值对吹扫捕集参数进行优化。总峰面积反映不同条件下主要峰的变化情况;总峰面积与峰数的比值可以反映出萃取条件对所检测到的峰数的影响,使优化过程能对那些量少的成分负责[25]。

2.1.1 样品量优化 样品量从1.0 mL开始,每增加1.0 mL测定一次,其他参数不变。样品量单因素优化结果显示(图1),样品量对玫瑰花水香气的测定有很大影响,随着样品量的增加,其总峰面积和总峰面积与峰数的比值均称呈上升趋势。样品量在1.0～6.0 mL时,总峰面积和总峰面积与峰数的比值的上升速率较慢,样品量6.0～9.0 mL时,总峰面积和总峰面积与峰数的比值上升速率较快。但在样品量8.0～9.0 mL时,玫瑰花水香气组分的总离子流图中,响应较高的峰,其质谱图均已饱和,如芳樟醇、α-松油醇、香茅醇的谱图均饱和,不利于定量。样品量低不利于微量香气组分的测定,但高的样品量会造成含量较高的香气组分在测定中质谱图饱和,影响定量的准确性。所以综合考虑检测效率及检测结果,样品量选择7.0 mL较佳。

图1 样品量对测定结果的影响Fig.1 Effects of sample quantity on determination results

2.1.2 吹扫温度优化 吹扫温度从20 ℃开始,每增加10 ℃测定一次,研究吹扫温度对香气组分吹扫效率的影响。如图2所示,随着温度的升高,香气组分的总峰面积和总峰面积与峰数的比值缓慢增加,这说明升高吹扫温度可促进香气组分从水中释放出来,但温度过高,吹扫出的水蒸气量增加,会导致水蒸气进入冷阱管中,影响捕集的效率,同时也会影响色谱柱和质谱仪的使用寿命。此外,40 ℃接近人体体温,测定的玫瑰花水中香气组分的表现与其在人体感官系统中的表现有一致性,故本实验选择40 ℃为最佳吹扫温度。

图2 吹扫温度对测定结果的影响Fig.2 Effects of blowing temperature on determination results

2.1.3 吹扫时间优化 吹扫时间从7.0 min开始,每增加2.0 min测定一次,其他参数不变。从图3可看出,吹扫时间过短时,玫瑰花水中的香气组分不能被完全吹出,随着吹扫时间的增加,吹扫趋于完全。吹扫时间延长,总峰面积和总峰面积与峰数的比值均有提高,说明香气组分的响应和微量香气组分的数量都有所增加,但在13和15 min时检测到的总峰个数分别为89和91个,香气组分的峰个数增加不明显,且在15 min时,其谱图出现峰饱和的情况,所以从检测效率和定量准确性角度考虑,确定最佳吹扫时间为13 min。

图3 吹扫时间对测定结果的影响Fig.3 Effects of blowing time on determination results

2.2 不同品种的玫瑰花水香气成分分析

按照优化后的吹扫捕集参数对玫瑰花水香气组分进行GC-MS分离鉴定,得到玫瑰花水香气成分的总离子流图(见图4)。GC-MS谱图利用NIST 11标准谱库检索对香气组分进行初步定性,然后用MassworksTM质谱解析软件对GC-MS谱图进行校正,测定各组分的模拟精准分子量,结合相关文献和标准物质,对玫瑰花水香气组分进一步确定,最终得到玫瑰花水香气组分的定性结果,并按照峰面积归一化法计算各组分的相对百分比含量,结果见表1。

图4 玫瑰花水GC-MS总离子流图Fig.4 Total ion flow chart of rose water GC-MS注:a为苦水玫瑰花水;b为大马士革玫瑰花水。

表1 玫瑰花水香气组分鉴定结果及相对含量Table 1 Identification results and relative contents of aroma components in rose water

续表

注:Nd代表未检出。

苦水玫瑰花水和大马士革玫瑰花水共鉴定出71种香气组分,其中苦水玫瑰花水69种,大马士革玫瑰花水61种,玫瑰精油香气特征性组分的香茅醇、橙花醇和香叶醇在玫瑰花水中均有鉴定出[26]。两种玫瑰花水检测出的主要香气成分按官能团的不同可以分为7类,醇类、酮类、醛类、萜烯类、酯类、醚类、其他类。由表1看出,两种玫瑰花水的香气在种类和含量上均存在差异,二者共有成分包括乙醇、3-庚烯-2-酮、2-庚酮等59种,苦水玫瑰花水特有成分有异戊酸丁酯、庚醛、1-甲基庚基乙酸酯、2,3-二甲基-1-丁醇、2-庚醇、2-壬酮、苄甲醚、2-壬醇、2-十一酮、2,6-二甲基-5,7-辛二烯-2-醇10种,相对总含量为4.15%;大马士革玫瑰花水特有成分有1,4-桉叶素、(±)-2,3-樟脑二醇2种,相对总含量为0.54%。

玫瑰花水香气成分分类比较结果如图5所示,苦水、大马士革玫瑰花水中醇类化合物相对含量较高,共鉴定出30种,其相对含量分别占整体香气成分的50.94%、88.60%。醇类化合物是玫瑰的主体香气成分,此类化合物的含量决定了玫瑰花水的品质[13]。苦水玫瑰花水中香气成分相对含量较高的醇类有乙醇(21.97%)、芳樟醇(10.61%)、香茅醇(6.78%)、2-庚醇(1.88%)、正庚醇(1.52%);大马士革玫瑰花水中香气成分相对含量较高的醇类有乙醇(14.31%)、芳樟醇(14.11%)、Α-松油醇(4.87%)、正己醇(1.71%)、香茅醇(1.57%);其中香茅醇呈甜玫瑰香,芳樟醇呈绿茶清香,苯乙醇更具有香甜的蜂蜜味,是玫瑰花水中玫瑰香气的主要来源。此外,香茅醇、芳樟醇相对含量较高,这与苗潇潇等[14]报道的玫瑰花露的主体香气有香茅醇、芳樟醇结论相一致。

图5 两种玫瑰花水香气成分分类分析Fig.5 Classification analysis of two kinds of rose water aroma components

8种酮类物质被鉴定出来,苦水玫瑰花水和大马士革玫瑰花水中相对总含量分别为9.56%、9.30%,其中2-壬酮(0.23%)、2-十一酮(0.04%)是苦水玫瑰花水特有的成分。醛类物质在两种玫瑰花水中的种类、含量均存在差异,苦水玫瑰花水中醛类物质鉴定出5种,相对含量之和为1.38%,庚醛(0.25%)是特有成分;大马士革玫瑰花水中鉴定出4种,相对含量之和为1.51%。其中,正己醛具有清香和草香。两种玫瑰花水醚类物质差异明显,共鉴定出4种。苦水玫瑰花水(13.78%)醚类物质含量明显高于大马士革玫瑰花水(5.87%),其中玫瑰花水中的清香成分主要是玫瑰醚。

此外,酯类和萜烯类各化合物也是玫瑰花水香气组分中的重要组成成分。11种酯类物质被识别,苦水玫瑰花水香气含11种,相对含量为2.78%;大马士革玫瑰花水香气含9种,相对含量为2.28%;其中异戊酸丁酯(0.07%)、1-甲基庚基乙酸酯(0.08%)是苦水玫瑰花水特有成分。萜烯类化合物是玫瑰头香的必要组成部分[4],共鉴定出9种,其中1,4-桉叶素(0.49%)是大马士革玫瑰花水特有成分。

除了醇类、酮类、醛类、萜烯类、酯类、醚类物质外,还有一些酸类和杂环类化合物在玫瑰花水香气成分含量差别较大,苦水和大马士革玫瑰花水对含量分别为0.83%和8.20%,现有文献对这类物质的来源鲜有报道,故其来源需待进一步研究确定。以上讨论表明,两种玫瑰花水的香气存在差异。

3 结论

建立了吹扫捕集-气相色谱质谱联用测定玫瑰花水香气成分的方法。吹扫捕集优化后的参数为:样品量7.0 mL,吹扫温度40 ℃,吹扫时间13 min。吹扫捕集技术用于玫瑰水香气组分分析操作简单,浓缩富集效率高,真实全面地反映了玫瑰花水香气成分的构成。苦水玫瑰花水与大马士革玫瑰花水香气在种类和含量上存在差异。吹扫捕集-GC/MS法结合MassworksTM质谱解析软件共鉴定出玫瑰花水香气成分71种,苦水玫瑰花水69种,大马士革玫瑰花水61种,水玫瑰花水特有成分有异戊酸丁酯、庚醛、1-甲基庚基乙酸酯、2,3-二甲基-1-丁醇、2-庚醇、2-壬酮、苄甲醚、2-壬醇、2-十一酮、2,6-二甲基-5,7-辛二烯-2-醇10种;大马士革玫瑰花水特有成分有1,4-桉叶素、(±)-2,3-樟脑二醇2种。实验结果为玫瑰花水香气特征及其开发利用提供了一定的理论依据。