顶空-气相色谱-质谱法结合保留指数分析食品包装用纸中挥发性气味成分

张宜彩,林勤保*,黄湛艳,李忠,李烃

1(暨南大学 包装工程研究所,广东普通高校产品包装与物流重点实验室,广东 珠海,519070) 2(珠海市食品药品检验所,广东 珠海,519015)3(拱北海关技术中心化学分析实验室,广东 珠海,519015)

食品质量的提高主要体现在避免感官特性的改变及营养成分的损失[1]。其中,食品包装材料因异味会造成食品感官特性的改变而受到人们越来越广泛的关注。随着“限塑令”政策的出台,食品包装用纸和纸板将会成为最主要的食品包装材料之一,这就需要食品包装用纸和纸板符合感官特性及食品质量安全的要求。气味物质一般为挥发性或半挥发性化合物,分子质量较低,大多数在300 u以下[2]。所以,需要特别关注食品包装用纸和纸板中挥发性气味物质的迁移带来的影响,一方面是因为挥发性气味物质改变食品本身的品质,影响口感；另一方面,由于部分气味物质本来具有一定的毒性,长期使用可能会给消费者的健康带来潜在威胁[3]。

为保证食品品质和质量安全,欧盟食品接触材料框架法规EC No.1935/2004[4]中,明确规定了“对于材料和制品,其成分向食品的迁移量不会导致食品成分发生不可接受的变化或食品感官特性的劣变”。美国联邦法规21 CFR 174《非直接食品添加剂》[5]规定,食品包装材料不可以给所包装食品带来不可接受的气味。此外,GB 4806.1—2016《食品安全国家标准 食品接触材料及制品通用安全要求》[6]中规定“食品接触材料及制品在推荐使用的条件下与食品接触时,迁移到食品中的物质不应造成食品成分、结构或色香味等性质的变化”。由此可见,食品接触材料中的物质不能改变所包装食品本身的感官特性。

目前,针对挥发性气味物质的检测技术主要有感官评价、电子鼻[7-8]、顶空-气相色谱-质谱联用法(headspace gas chromatography-mass spectrometry,HS-GC-MS)[9-13]、固相微萃取-气相色谱法或气相色谱-质谱联用法(solid phase microextraction and gas chromatography mass spectrometry,SPME-GC-MS)[14-17]及气相色谱-嗅闻-质谱联用法(gas chromatography olfactometry mass spectrometry,GC-O-MS)[1,18-19]等。其中,感官评价法对感官人员的要求较高,分析过程比较费时费力,且结果具有一定的主观性；电子鼻可以快速识别出多种气味,但是无法对单个物质进行鉴定；HS-GC-MS、HS-SPME-GC/MS及GC-O-MS等质谱联用技术可以相对准确地对气味物质进行定性定量分析,以HS-GC-MS的前处理比较简单,且仪器成本较低。因此,本实验采用HS-GC-MS法对食品包装用纸和纸板中的挥发性气味物质进行成分分析。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

材料：浆板3种(编号为S1～S3),食品包装用纸16种(编号为S4～S19),由珠海某公司提供,具体信息见表1。

表1 实验样品的具体信息

试剂：1 000 mg/L正构烷烃(C7～C40)混合标准溶液(色谱纯),Sigma-Aldrich贸易有限公司(中国)。

1.2 仪器与设备

7890A-5975C气相色谱-质谱仪、7697A顶空进样器、20 mL顶空瓶,Agilent公司(美国)；AR224CN电子天平,奥豪斯仪器有限公司(中国)；DRK203B测厚仪,德瑞克仪器有限公司(中国)。

1.3 静态顶空-气质条件

平衡温度150 ℃；定量环160 ℃；传输线170 ℃；平衡时间30 min；GC循环时间45 min；进样时间0.5 min；压力平衡时间0.5 min。

气相色谱-质谱条件：

(1)气相条件：HP-5MS色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm)；后进样口250 ℃；离子源230 ℃；四级杆150 ℃；传输线：80 ℃；载气为氦气；流速1.0 mL/min；分流比为10∶1；升温程序,初始温度40 ℃,保持2 min,以10 ℃/min的速度升至280 ℃,保持6 min。

(2)质谱条件：电离方式为EI；电离能量70 eV；溶剂延迟2 min；质量扫描范围(m/z)35～550。

1.4 实验方法

1.4.1 样品处理

将样品剪成规格约5 mm×5 mm,分别准确称取2 g样品(精确至0.01 g),放入20 mL顶空进样瓶中,迅速密封,待测定。每种样品采取3个平行。

1.4.2 保留指数的计算

取正构烷烃标准品准确稀释至10 mg/L,取100 μL至顶空瓶中,迅速密封,按照实验条件进行上机检测及分析,利用NIST 17谱库进行检索,并记录各自正构烷烃的保留时间,采用线性升温公式(1)[20]计算样品中各组分的保留指数。

(1)

式中：RIc,保留指数计算值；n,正构烷烃的碳数；tx,被测组分的保留时间,min；tn,碳数为n的正构烷烃的保留时间,min；tn+1,碳数为n+1的正构烷烃的保留时间,min。

2 结果与分析

2.1 顶空进样条件的优化

考虑到样品中有防油纸,可能会被放置在微波炉等高温条件下使用,因过高的温度可能会引起样品中化合物发生氧化及降解[9],所以选择平衡温度为150 ℃,分别设置平衡时间为10、20、30、40 min,随着时间的延长,样品中化合物的响应值也随之增加,但在30和40 min条件下,对应的各种化合物的种类及响应基本一致。为了节省时间和成本,最终确定平衡温度为150 ℃,平衡时间为30 min。

2.2 食品包装纸中挥发性气味物质的成分分析

利用建立的HS-GC-MS方法,分别对19种食品包装用纸中挥发性气味物质进行分析。其中,样品S7的总离子流图如图1所示。利用NIST17检索库对各个样品的谱图进行识别、匹配,每个色谱峰选取匹配度最高的5个化合物,依公式(1)计算其RI值(记为RIc),并通过查阅相关文献及网站(http://webbook.nist.gov/chemistry/)得到RI参考值(记为RIf),两者进行比对,以质谱图和保留指数匹配度最高的化合物来确定挥发性化合物,接着查阅气味物质网站(https://www.flavornet.org/),筛选确定出19种样品中的挥发性气味物质。最后,采用峰面积归一法计算各组分的相对含量,其定量结果为3次平行实验的平均值,如表2所示。

图1 样品S7总离子流图

19种食品包装用纸中通过谱库检索及结合保留指数共检测出113种挥发性化合物,通过气味物质谱库检索及查阅相关文献,最终确定出36种挥发性气味物质(见表2),分别为醛类、羧酸类、酮类、烯烃类、呋喃类、醇类,酚类及含硫化合物共8大类。其中,醛类化合物共17种(相对含量70.46%),羧酸类化合物共3种(相对含量18.90%),酮类化合物共6种(相对含量3.45%),烯烃类化合物共4种(相对含量2.73%),呋喃类化合物共1种(相对含量1.64%),醇类化合物共3种(相对含量1.15%),酚类化合物共1种(相对含量0.83%),含硫化合物共1种(相对含量0.85%),相对标准偏差为2.4%～9.7%。

表2 食品包装用纸中气味物质成分分析

糠醛在本实验中检测出的相对含量占比最高,比值为38.95%,具有杏仁味、面包香、木香及烘烤食品的气味[21-22]。它的生成途径主要有2种：一是木糖在酸性条件下分子内脱水环化而成；二是由5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural,5-HMF)受热裂解生成。虽然5-HMF具有良好的生物学作用,如抗过敏、体外抗氧化等[23-24],但同时具有一定的基因毒性、致突变性、致癌性和酶抑制作用[25-26]。目前对于5-HMF的安全性尚存在较大争议,但是避免食品包装材料在高温条件下使用,可以提高其安全性。

此外,醛类化合物还包括苯甲醛、己醛、庚醛、辛醛、(E)-2-辛烯醛、壬醛、癸醛、枯茗醛、(E)-2-癸醛、十一醛、十二醛、十三醛、十四醛、十五醛和十八醛。苯甲醛具有甜味、果香、杏仁味或樱桃味,这主要取决于其浓度高低,低浓度的苯甲醛多表现为杏仁香,而高浓度的苯甲醛则会产生水果香[27]。苯甲醛在回收纸或纸板中含量相对较高[2],它还可以作为涂料或油墨的组成成分[1]。己醛、庚醛、辛醛、(E)-2-辛烯醛、壬醛、癸醛、(E)-2-癸醛等具有相似的气味特征,主要为脂肪香、肥皂味或柑橘味,它们可能是造成食品包装用纸出现脂肪味等气味的来源。特别地,庚醛具有强烈而不愉快、刺鼻性的气味,其贡献较大[28]。此外,壬醛在所有样品中检出率较高,相对含量也较高,其本身具有的脂肪香和柑橘香,对食品包装用纸的气味贡献值相对较大。枯茗醛、十一醛、十二醛分别表现为酸臭味、辛辣味及蜡味,这些气味均会对所包装食品的气味产生负面影响。而十四醛、十五醛具有花香的清新香气,一定浓度下可以让被包装食品的气味更加饱满。研究表明,16个碳原子以上的醛类、羧酸类、醇类和酯类等物质在食品中正常的浓度范围内几乎没有气味[29],所以十八醛对于样品的感官贡献较小。

19种样品中,仅S12未被检测出乙酸。乙酸浓度过高会产生酸臭、辛辣、刺激性气味[30],对被包装食品的气味影响较大,是重要的气味关注物质。甲酸具有相似的性质。壬酸具有青草味的感官特征,且仅在S7中有所检出,说明对整体食品包装材料的贡献值较小。此外,由表2可知,样品S1中乙酸的相对含量最高,这主要是由于S1是机械浆,生产工艺不同于化学浆S2、S13,直接将木材通过机械方法研磨成纤维,导致这一过程中可能会有大量的乙酸残留。同时这也充分证明食品包装用纸中的乙酸主要来自于纸浆原材料。

2-乙基-1-己醇具有青草香味,通常用来作为溶剂或者是制备增塑剂的前体物质[1]。由表2可以看出,样品S7中2-乙基-1-己醇的相对含量最高。此外,萜品醇,2-戊基呋喃分别具有薄荷香味及青草香味。

苯乙酮、2-庚酮、2-十一酮等这些酮类物质一般具有花香味、水果香或奶香味,其中,2-十一酮被认为是重要的牛奶奶香的来源[31],所以这些物质在奶制品中具有积极作用,可以使其口感更加饱满。

样品中还检测到了几种烯烃,分别是苯乙烯、长叶烯、δ-杜松烯和α-二去氢菖蒲烯。苯乙烯具有香料味,长叶烯、δ-杜松烯和α-二去氢菖蒲烯具有木香味,而且长叶烯是组成植物(如松树)树脂中的天然成分,是生产纸和纸板的原材料[1]。这些物质对食品包装用纸呈现出木质香味产生了直接作用。

最后2种气味物质分别为具有洋葱气味的二硫化物和具有草本味的愈创木酚。二硫化物是奶酪等奶制品中重要的香气成分[32],而愈创木酚主要出现在烟熏制品中,通常被认为是烟熏气味的关键气味物质[33],本实验的样品中出现这2种化合物,可能是因为设置平衡温度相对严苛所致。

研究显示,食品包装用纸或纸板的气味是由大量的挥发性气味化合物组成。木材主要由纤维素、半纤维素和木质素组成[33]。在实际生产及使用过程中,纤维素的主要热解产物是糠醛、糠醇和呋喃酮等,半纤维素的热解产物中酮类和呋喃类物质含量较高,而木质素主要热解生成酚类物质[34]。除了储存及使用温度,水分及储存时间同样对食品包装用纸或纸板中挥发性气味物质的产生具有重要影响。研究表明,在浸湿纸和纸板的过程中会释放出更多的活性气味化合物,这是因为水分可以与纸或纸板内部的气味物质发生溶解作用,从而更容易引起被包装食品内部发生气味变化[35-36]。

3 结论

本实验采用HS-GC-MS法快速检测19种食品包装用纸/纸板中挥发性气味成分,通过计算保留指数进行准确定性分析,采用峰面积归一法得到定量结果。共检测出36种挥发性气味成分,主要包括醛类物质17种,酮类化合物6种,烯烃类化合物4种,羧酸类化合物3种,醇类化合物3种,呋喃类化合物1种,酚类化合物1种及含硫化合物1种。其中,糠醛、苯甲醛、2-戊基呋喃、乙酸、2-乙基-1-己醇、苯乙烯等挥发性气味物质检出率较高,其相对含量也较高。由本实验结果可知,在高温使用条件下,食品包装用纸中存在的挥发性气味物质的种类较多且相对含量也较高。这些气味物质往往因具有挥发性而易迁移到食品中,从而可能会引起所包装食品的品质发生劣变,给消费者带来较差的感官体验,甚至可能会丧失对品牌的信心,此外,部分气味物质本身具有一定的毒性,可能会给人体健康带来潜在的危害。因此,尽量避免高温条件下使用食品接触用纸以及在生产过程中减少存在潜在危害性物质的添加，对于提高食品接触用纸的安全性及保障人们的健康具有重要意义。