HS-SPME-GC-MS在食品挥发性物质分析中的应用

张文娟，周考文，2*

（1.北京联合大学生物化学工程学院，北京 100023；2.生物质废弃物资源化利用北京市重点实验室，北京 100023）

香气、味道和外观是食品品质的3个重要指标。其中，挥发性化合物显著影响食品风味，从而影响食品的整体评价，因而在食品的分析检测中至关重要。挥发性物质存在于食品生产中的各个环节，自然存在的气味物质、加工过程中化合物变化产生的气味物质、贮藏过程中发生变化的挥发性物质等[1]。由于食品基质的复杂性，在分析之前通常需要进行复杂的预处理，而且较长的检测时间可能无法满足许多分析物的快速检测要求，因此应用快速高效的顶空固相微萃取-气质联用（headspace solid-phase microextractionmass spectrometry coupled with gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME-GC-MS）对食品中挥发性物质进行定性定量分析，能够对食品的品质进行评价和控制。

顶空固相微萃取-气质联用技术可以完成对复杂混合挥发性成分的分离鉴定和定性定量分析，是挥发性组分提取分析的主要方法，以检测时间短、溶剂耗费少而广泛应用于食品[2-4]、环境[5-6]、药学[7-8]、医学[9]、生物化学[10-11]、化妆品[12-13]、司法[14]等领域，并已写入若干国内外标准。本文概述了顶空固相微萃取-气质联用的原理及特点，重点总结了近年来HS-SPME-GC-MS在食品挥发性物质分析中的应用情况，并对其在挥发性物质分析上的发展方向进行了展望。

1 HS-SPME-GC-MS简述

固相微萃取（SPME）技术于1990年由加拿大Waterloo大学Pawliszyn教授的工作小组提出，是一种集采样、萃取、浓缩、进样于一体，简单方便、省时省力、不需溶剂的新型绿色环保样品前处理技术[15]。顶空固相微萃取（HS-SPME）是固相微萃取的一种，将涂覆有吸附剂的熔融石英纤维暴露在样品上方的顶部空间中，易挥发或半挥发性化合物分布在样品顶部空间和吸附剂之间，在这种模式下，在样品和顶部空间之间平衡的挥发性和半挥发性化合物被纤维涂层捕获，平衡一段时间后将纤维放入气相色谱仪的进样口中分析吸附的化合物。由于样品基质不直接与涂层接触，因此，使用HS-SPME可使提取物更纯净，选择性更高[16]。

气质联用（GC-MS）技术广泛应用于20世纪50年代后，具有高准确性、高灵敏度、高选择性、高效率、应用范围广的特点。气质联用技术结合了两种仪器的优势，既有色谱强大的分离能力又具有质谱灵敏的鉴别功能。气相色谱作为质谱仪的“分离进样器”，常用于复杂的挥发性成分的分离与分析。质谱是“检测器”，可以确定各化合物的分子量和官能团，再通过标准谱库的检索，进而实现对待测物的定量和定性分析[17-19]。HS-SPME-GC-MS技术是近几年来挥发性成分分析的主要方法，可以实现对样品的采集、萃取、浓缩、分离、定量和定性分析等一系列研究。经过半个世纪的发展，顶空固相微萃取-气质联用技术在检测和数据采集处理方面取得了较大的提升，在食品领域的应用逐渐扩大。

2 HS-SPME-GC-MS在食品挥发性物质分析中的应用

2.1 自身特有的气味物质

挥发性有机化合物是使食品具有独特风味的原因。例如，成熟过程中由于食物代谢产生的酯类、醇类、醛类、萜烯、醚类等物质能赋予食品特有的芳香。但是挥发性化合物也受到其它因素的影响，尤其是原料的品种和地理位置，因而对食品中挥发性化合物进行测定可用于鉴别和区分产品。

2.1.1 果蔬及果蔬制品

石灿焕等[20]在成熟的贵州正安野木瓜中鉴定出65种挥发性化合物，主要为酯类和醇类，其中正-3-己烯醇的含量最高，是正安野木瓜特有的青叶香气的主要成分，试验中还检测出乙酸叶醇酯、D-柠檬酸、二氢烯醇和α-紫罗兰醇等芳香化合物。Chen等[21]研究结果表明，己酸、己醛、（E）-2-己醛、（Z）-2-庚醛、苯甲醛和（E）-2-壬醛是枣香气的主要成分，并且首次在骏枣中分离出异丁酸和丁酸，在木枣、圆枣、梨枣中鉴定出（E，E）-2，4-庚二烯醛、（E，E）-2，4-癸二烯醛和十二烷醛。张静等[22]在番茄中鉴定出75种香气成分，其中包括21种醇、24种醛、11种酮、10种酯、3种呋喃、2种酚和少量物质其他，其中顺-3-己烯醛和2-异丁基硫咪唑是新鲜番茄特殊的风味化合物。郭凤领等[23]在高山根韭菜中鉴定出31种挥发性化合物，其中二烯丙基三硫醚和甲基烯丙基三硫醚是最主要的挥发性风味物质。Qiu等[24]对萨摩柑桔和甜橙柑桔纯果汁及4种比例的混合果汁进行分析，结果表明主要挥发性成分为柠檬烯、瓦伦烯和β-月桂烯。果汁中特定的挥发性香气含量与两种柑橘类水果的混合比例无关。Perestrelo等[25]首次使用HS-SPME/GC-MS方法建立了马德拉岛不同地区的苹果酒的挥发性特征，共鉴定出107种属于不同化学家族的挥发性化合物，即41种酯类、21种醇类、24种萜类化合物、13种酸、3种羰基化合物、4种内酯和1种挥发性酚。Cheng等[26]检测了新疆6个葡萄干品种的挥发性成分。总共鉴定出80种化合物。包括醇醛、萜类、呋喃、酯、酸和吡嗪，其中氧化玫瑰、芳樟醇氧化物A、芳樟醇氧化物B、3，7-二甲基-1，5-辛二烯-3，7-二醇、2-庚醇和 3-辛烯-2-酮首次在葡萄干果中被检测出。

2.1.2 肉、蛋、奶制品

朱青云等[27]研究了青海省不同产地牦牛肉的挥发性风味成分，在牦牛背最长肌、股二头肌和肋间肌3个部位的肉中共检测出34种挥发性成分，其中十六醛、十八醛、壬醛、苯甲醛、正辛醇、2，3-戊二酮、3-羟基-2-丁酮、己酸8种化合物是主要的挥发性风味成分。卫惠萍等[28]在自制的咸鸡蛋蛋黄中鉴定出43种挥发性成分，按含量的多少依次为醛类、呋喃、醇类，其中乙酸乙酯对风味的贡献最大。贺红军等[29]分析紫薯酸奶和普通酸奶挥发性风味物质差异，得出紫薯酸奶中芳香杂环化合物和萜类化合物种类多于普通酸奶，橙花醇、愈创木酚和香草醛是紫薯酸奶的特色风味成分。Milosavljevic＇等[30]在两种不同类型的意大利奶酪中鉴定出73种挥发性化合物，主要为短链和中链脂肪酸、醇、酯和酮，并且首次在干酪样品中检测出2-羟基-4-甲基戊酸甲酯。

2.1.3 农副产品及其它

Lim等[31]对韩国和中国的大米进行区分，得出韩国白米样品中2,4-二甲基-1-癸烯、4-甲基-1-十一碳烯和1-癸烯的浓度更高，1-癸烯具有令人愉悦的气味。Wodood等[32]通过HS-SPME/GC-MS分析冬小麦挥发性化合物的特征，实现真正区分小麦品种和地理起源。Cecchi等[33]应用HS-SPME-GC-MS定量方法对来自3个不同橄榄油市场的1 217个油样品进行了评估，同时认证来自全球前5个生产国的原始橄榄油的地理起源。薛蓓等[34]对松口蘑和红菇蜡伞香气成分进行比较研究，得出松口蘑特有的挥发性成分有2（5H）-呋喃酮、3-苯丙醇、正己酸乙酯、萜品烯和异松油烯等14种化合物，红菇蜡伞特有的挥发性化合物有2-丁基-2-辛烯醛、甲基庚烯酮、丁醇、异丁酸、邻甲酚和乙二醇单丁醚等16种化合物。

2.2 食品加工产生的挥发性物质

对食品原材料进行加工，会对食品产生好或坏的影响，由于受加工条件、加工方式、微生物或酶的影响，挥发性物质会发生不同程度的变化，原挥发性物质尤其是一些化学性质不太稳定的成分，或形成新的化合物，或由于对加工方式的不耐受而消失。对不同加工方式生产的食品挥发性成分进行分析，有助于加工工艺的优化和新产品的开发研究。常见的加工方式有热处理、干燥焙烤和腌制。

2.2.1 热处理

Giannetti等[35]通过对79种工业生产和手工酿制的比尔森风格啤酒进行分析，得出挥发性特征能够表征不同工艺条件下生产的啤酒，工业产品由于巴氏杀菌等热处理破坏了芳香族和萜烯类等不耐热化合物，而手工酿制啤酒中这些化合物含量较高。孙静等[36]对生鲜及热处理大眼金枪鱼进行挥发性成分差异的分析，在热处理大眼金枪鱼的样品中鉴定出47种挥发性物质，多于生鲜样品（36种），醛类、呋喃类为热处理大眼金枪鱼的主要挥发性风味物质。周明珠等[37]研究了复热处理对鲈鱼挥发性成分的变化，结果表明，复热处理加速了鱼肉的脂肪氧化和酸败，复热处理后的鱼肉挥发性成分中醛类物质和1-辛烯-3-醇的含量比冷藏时高。王太军等[38]对小麦麸皮和热处理后小麦麸皮的挥发性成分进行了检测，结果表明，热处理后的小麦麸皮中对风味有副作用的稠环类物质含量降低，烷烃和烯烃类减少，醛类和酮类物质生成。

2.2.2 干燥和焙烤处理

Dong等[39]研究了不同干燥方式，常温干燥（roomtemperature drying，RTD）、太阳能干燥（solar drying，SD）、热泵干燥（heat pump drying，HPD）、热风干燥（hot-air drying，HAD）、冷冻干燥（freeze drying，FD）对咖啡豆香气和风味特性的影响。在RTD、SD、HPD、HAD和FD不同处理后的样品中分别鉴定出约111、109、102、93和90种挥发性化合物。对于RTD和SD样品，共检测到11种呋喃，其中RTD样品中的呋喃浓度最高。由于长时间暴露在高温空气中会导致风味物质前体的损失，HPD和HAD中的挥发物数量减少。FD显著降低了总挥发性化合物的种类。Yang等[40]从新鲜的金针菇中鉴定出4种代表性的风味化合物，即酮、醇、醛和烃。酮和醇类是新鲜金针菇中的主要挥发性化合物，其中66.69%和12.58%的化合物分别是3-辛酮和3-辛醇。金针菇的挥发性风味物质在60℃干燥过程中明显发生了变化。6 h～12 h是干燥的金针菇特征风味发展的关键干燥时期，在该过程中新鲜的金针菇的酮、醛和醇转化为干金针菇的酯、酸和烃。Gong等[41]对佐治亚州的原始山核桃和3个烤山核桃样品的挥发物进行分析测定，结果表明，焙烤显著影响了山核桃的挥发性，在焙烤样品中共鉴定出63种风味活性化合物，包括在未加工的山核桃中未检出的9种化合物。在焙烤样品中，醛、酮和吡嗪生成量会明显增加。有机酸、烷烃和醇的浓度也大大增加。吡嗪类是美拉德反应的重要指示剂，仅在焙烤样品中发现，并在整个焙烤时间内持续增加。此外，烃衍生物随焙烤过程进行显著增加，这可能是非挥发性脂质降解的结果。

2.2.3 腌制

Shen等[42]在腌制干芥末中鉴定出15种主要挥发性化合物包括十四烷、2-苯基乙醇、2，6-二甲基（丙-2-基）苯酚、苯甲醛、2-苯乙醛、癸醛、（E）-2-苯基丁-2-烯、2，6-二叔丁基环己-2,5-二烯-1，4-二酮、庚酸、辛酸、壬酸、4，4，7a-三甲基-6，7-二氢-5H-1-苯并呋喃-2-酮、呋喃-2-甲醛、2，5-二甲基吡嗪和3-苯基丙腈。郑炯等[43]对腌制麻竹笋挥发性成分进行鉴定分析，结果表明4-甲基-苯酚、苯酚、苯甲醛、己醛、壬醛、2-庚烯醛、2，3-丁二醇、1-辛烯-3-醇、芳樟醇、乙酸、柠檬烯、环庚烷腈等是腌制麻竹笋主要的挥发性成分。

2.3 加工过程中挥发性物质的变化

陈霞等[44]对荞麦挥发性成分在加工前和加工后的含量和种类进行了分析，加工过程中因醇类物质的挥发，使得加工后的挥发性成分减少，但也有一些痕量成分在磨粉期间挥发出来。燕雯等[45]研究了小麦加工过程中挥发性成分的变化，小麦经面粉、面团、馒头的一系列加工过程，挥发性成分发生了明显的改变，含量较高的烃类物质相对含量急剧下降，醇类物质在蒸制过程中因挥发而减少，而在加工过程中醛类和环类物质有所增加。为提高发酵产品的质量，何嘉敏等[46]对果蔬汁发酵前后的挥发性成分进行鉴定分析，益生菌发酵对复合果蔬汁香气成分的影响较大，发酵使得27种挥发性成分增加，其中包括醇类、酚类和酯类等，并且发酵后的果蔬汁中鉴定出乙基香兰素和异丁基噻唑。韦璐等[47]研究了低温发酵条件下，香蕉果酒不同发酵过程中挥发性物质的变化，结果表明，挥发性成分的种类由发酵前期的57种降至发酵末期的51种，其中醇类、酚类和酸类物质逐渐增加，烷烃、羰基类和酯类物质先增加后减少。郑炯等[48]对麻竹笋进行了为期63 d的腌制并进行了挥发性成分的检测，在腌制过程中共检测出74种挥发性成分，其中随腌制时间延长挥发性物质含量增加的有苯酚类、酮类和烷烃类，含量降低的有烯烃类、醇类和酯类，且呈先增加后减少的趋势。为了验证挥发性化合物可以用来表征精炼橄榄果渣油（refined plive-pomace oil,ROPO）油脂质的氧化程度，Ben等[49]对精炼橄榄果渣油在油炸过程中的挥发性成分进行了检测，结果表明，油炸过程中醛的含量增加，酯和酮含量减少。

2.4 贮藏过程中挥发性物质的变化

食物在贮藏期间极易发生腐败变质，造成营养成分的损失，还会出现食品安全问题。无论自身发生化学或生化反应，还是微生物作用造成的腐败变质，都会发出一些令人厌恶气味。挥发性化合物作为表征食物新鲜度的指标，可通过实时监测来确定最佳的储存条件和货架期。

王奔[50]对贮藏期间小黄鱼的挥发性物质进行检测，结果表明，挥发性物质与小黄鱼的腐败变质关系密切，挥发性物质种类和含量随贮藏时间的延长而增加，醛类和酮类的相对比例明显升高，少量醛类物质会使小黄鱼产生清香的气味，然而较高浓度的醛类会使小黄鱼发出异味，酮类物质增多也会使小黄鱼产生腥臭味。在贮藏第7天检测出三甲胺等胺类物质，此时表示小黄鱼腐败变质严重。Cheng等[51]研究了杨梅贮藏期间挥发性物质的变化，新鲜的杨梅中，挥发性物质包括辛醛、3，7-二甲基-1，6-辛二烯-3-醇、乙酸、甲酯、α-蒎烯、莰烯、D-柠檬烯、蛇麻烯和2-甲基戊烯。贮藏一段时间后，由于挥发物变化导致变质杨梅果实中有强烈的异味，例如壬醛、乙醇、3-甲基-1-丁醇、苯乙基醇、（Z）-3-壬烯-1-醇、（E，Z）-3，6-壬二烯-1-醇、（E）-2-壬烯-1-醇、α-terpinenol和二氢-5-戊基-2（3H）-呋喃酮等成分变化。Xu等[52]研究了4种食用油关键挥发性物质在贮藏期间的变化，在室温（25℃）存储过程中，关键的挥发性氧化化合物的形成受到不同氧化过程的影响。醛是食用油在存储过程中氧化产生的主要挥发性物质，菜籽油中己醛和庚醛的相对含量随氧化水平的增加而增加，同时，戊醛、辛酸、壬醛和癸醛的相对含量先升高后降低。对于花生油，己醛和壬醛的含量增加。对于大豆油，氧化过程中己醛、庚醛和壬醛的相对含量增加。对于亚麻籽油，庚醛和壬醛含量增加，因此挥发性氧化化合物可作为检测环境存储过程中食用油氧化程度的标志物。牟青松等[53]检测了花椒贮藏期间挥发性成分的变化，由于自身的新陈代谢，花椒储存期间挥发性物质的种类和相对含量发生了变化，既有原组分的消失也有新成分的出现，烯烃类物质减少了，产生了桉树脑、柠檬烯和吉马烯D等。

3 展望

HS-SPME-GC-MS以快速简便、溶剂消耗少和准确性好等特点成为科研工作者普遍采用的分析检测方法，随着对基础理论不断地深入研究，顶空固相微萃取-气质联用技术已广泛应用于各行各业挥发性物质的提取分析，并取得了很好的成果。近年来，相关食品挥发性物质的研究报道逐年增加，顶空固相微萃取与气相-质谱法结合应用于食品自身特有风味物质的检测加工及贮藏过程中挥发性物质变化的研究也取得了较好的成就。然而食品是一种非常复杂的基质，挥发性物质种类及不稳定因素繁多，所以顶空固相微萃取-气质联用技术未来的发展方向应集中于纤维涂层的研究、萃取头的选择、萃取分离条件的优化及多种萃取方式联用的开发研究，从而扩大HS-SPME-GC-MS技术的应用范围，为食品的研究开发作出贡献。