GC-MS法分析不同牛奶香精中的挥发性物质
2021-11-04徐红斌张申平张妮周静
徐红斌，张申平，张妮，周静
上海市质量监督检验技术研究院（上海 200233）
各式各样的乳及乳制品成为人们日常膳食的主要构成之一，因为鲜乳、巴氏杀菌乳或者超高温灭菌乳的风味物质含量很低[1-2]，市场中出现的“特浓奶”“香浓奶”等产品需要借助奶味香精增强特征风味。市售牛奶香精主要有液体和固体2类，因配方不同，所含风味物质的种类和质量分数各不相同[3]。牛奶香精的制备方法主要有单体香精调配、天然萃取物调制、奶油酶解物调制等[4-6]。
对风味物质的分析主要采用气相色谱-质谱联用方法[7-10]，样品的前处理方法及进样方式主要有溶剂萃取-液体进样、直接顶空进样、固相微萃取（solid phase micro-extraction，SPME）进样[11-13]。根据风味物质极性由弱到强，风味物质的分离所使用的毛细管气相色谱柱分别有DB-5MS[14]、VF-1701MS[15]、DBWAX[16]等。对于目标化合物的定量分析，靶向筛查及定量需要标准物质进样，外标法或者内标法定量分析；非靶向筛查需要借助已建立的化合物质谱信息库进行检索，主要是NIST谱库，根据目标峰面积可得到各个化合物的质量分数。对牛奶香精中挥发性物质的研究较少，早期研究中王蓓等[3]比较不同牛奶香精和稀奶油中的挥发性物质，结果发现调配香精的主要成分是以丁酸酯为代表的酯类，另外壬醛、丁酸等低相对分子质量的醛、酸类质量分数也达到30%以上。牛奶香精配方多种多样，加强牛奶香精风味物质研究对奶味香精基料与调香工艺的研究具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
5个市售牛奶香精（2个固体、3个液体）分别标记为CW-S、PJ-S、CW-L、PJ-L、CX-L；无水乙醇（色谱纯，德国Merck）；氯化钠，无水硫酸钠（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。
1.2 仪器与设备
GCMS-QP2010Ultra气相色谱-质谱联用仪（配AOC-6000自动进样器，日本岛津公司）；涡旋振荡器（德国heidolph）；电子天平（感量0.01 g，德国Mettler Toledo公司）。
1.3 样品前处理方法
1.3.1 液体进样
液体香精直接用无水乙醇按质量分数0.25%稀释，用适量无水硫酸钠干燥后上机；称取0.125 g固体香精用25 mL水溶解，取10 mL香精溶液加入2 g NaCl，均质混匀，用20 mL乙醚分2次萃取，合并上层萃取液并用乙醚定容至25 mL，用适量无水硫酸钠干燥后上机。
1.3.2 直接顶空进样
分别称取1 g牛奶香精于20 mL顶空进样瓶中，加入陶瓷均质子。于70 ℃振荡30 min，进样量1 mL。
1.3.3 SPME进样
在饲喂期间，如果饲料的成分单一，蛋白质不足、氨基酸与精氨酸等严重缺乏、维生素的比例不当、盐分不足等，都将给鸡带来营养不足的问题。
样品称取同顶空进样。采用75 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取头，使用前在老化仪中200 ℃老化5 min，样品在振荡器中于70 ℃加热5 min后，插入萃取头，吸附30 min，进样口脱附2 min。
1.4 仪器方法
1.4.1 色谱方法
Stabil-WAX（30 m×0.25 mm，0.25 μm）色谱柱，柱流量1.20 mL/min，分流比33∶1，溶剂延迟3 min。程序升温：70 ℃保持1 min，10 ℃/min升至120 ℃，保持0.5 min，以4 ℃/min升至205 ℃，以20 ℃/min升至250 ℃，保持3 min。
1.4.2 质谱方法
离子源温度230 ℃，接口温度250 ℃，电离电压70 eV，全扫描模式m/z42～500。
1.5 数据处理
试验数据分析采用GC-MS Solution软件，利用NIST17谱库进行检索定性，取相似度大于90的化合物作为鉴定结果，按面积归一化法计算质量分数，使用Origin 9.0软件绘图。
2 结果与分析
2.1 不同色谱柱对牛奶香精分析的影响
毛细管色谱柱固定液的种类和厚度直接影响化合物的分离和保留能力。以顶空进样为例，考察DB-5MS、VF-1701MS、Stabil-WAX这3种色谱柱对牛奶香精中风味物质的分离情况，结果如图1所示。Stabil-WAX色谱柱分离得到的化合物数量高于DB-5MS和VF-1701MS色谱柱，其中PJ-S和CW-S这2个固体香精分别鉴定出27种和23种化合物，PJ-L、CW-L、CX-L分别鉴定出13，7和11种化合物，说明Stabil-WAX色谱柱更有利于牛奶香精中化合物的分析。如图2所示，2个固体香精中主要含有酯、酸、醇、酮、内酯5类化合物。PJ-S样品中主要的酯类物质有乙酰丙酸乙酯（30.48%）、丁酰乳酸丁酯（7.89%）、辛酸乙酯（7.32%）、月桂酸乙酯（5.09%）；内酯类化合物主要有γ-辛内酯（8.69%）、γ-壬内酯（5.71%）和δ-癸内酯（2.98%）；值得注意的是，乙基麦芽酚质量分数也达到7.58%，是主要的风味物质之一。相比而言，CW-S样品中鉴定出的化合物个数有所减少，但主要的风味物质种类与PJ-S样品相近，乙基麦芽酚质量分数为17.53%，是主要风味物质，另外正丁酸、γ-壬内酯质量分数也分别达到27.14%和10.65%。总体而言，以聚乙二醇为填料的Stabil-WAX色谱柱比较适用于牛奶香精中风味物质的分析，后续研究采用Stabil-WAX色谱柱。
图1 不同色谱柱对牛奶香精分析的影响
图2 2个固体牛奶香精的主要风味物质种类
2.2 不同进样方法对牛奶香精分析的影响
样品前处理方法对风味物质的分析至关重要，因牛奶香精中主要风味物质的质量分数较高，液体进样时需要将样品稀释较大倍数，以防止超过色谱柱负荷。另外，固相微萃取是风味物质分析的主要方法，该方法利用不同型号的固相微萃取头可富集不同极性的化合物，尤其适用于低质量分数风味物质的鉴定。文献中使用的萃取头主要有DVB/CAR/PDMS[17]、CAR/PDMS[3]、PDMS/DVB[1]、PDMS[1]。其中，以二乙烯基苯、碳分子筛、聚二甲基硅氧烷三合一的DVB/CAR/PDMS萃取头适用于极性范围较广的样品。
以PJ-S固体香精样品为例，采用溶剂萃取-液体进样的方式共鉴定出5种物质，直接顶空进样和SPME法分别鉴定出27种风味物质，远高于液体进样方试。但后2种方法鉴定出的风味物质质量分数和种类略有差异，如直接顶空进样中质量分数前三的物质分别是乙酰丙酸乙酯（30.48%）、γ-辛内酯（8.69%）和丁酰乳酸丁酯（7.89%），而SPME法中质量分数前三的物质分别是δ-十二内酯（9.44%）、香兰素（9.29%）和乙基麦芽酚（9.25%），这是因为化合物的挥发能力及萃取头的吸附选择性不同。同一厂家的固体香精和液体香精产品成分略有差异，SPME法中PJ-S和PJ-L的总离子流图如图3所示。
图3 SPME法中PJ-S和PJ-L的总离子流图
2.2.1 香精PJ-S的风味特征
香精PJ-S共鉴定出27种风味物质，其中内酯类物质质量分数最高，达到38.1%；酯类化合物质量分数居于第二，达到23.74%，这2类物质均具有清新的水果、奶油香气，气味清爽柔和，是PJ-S样品奶香气的主要贡献成分。另外，醛类物质质量分数达到17.59%，主要是乙基香兰素（8.3%）和香兰素（9.29%）；酸类物质主要是辛酸（5.05%）和正癸酸（2.9%），总体质量分数达到8.96%；值得注意的是，该样品中乙基麦芽酚质量分数达到9.25%，仅低于δ-十二内酯（9.44%）和香兰素（9.29%）。
2.2.2 香精CW-S的风味特征
香精CW-S共鉴定出23种风味物质，主要风味物质较PJ-S有明显变化。5种内酯类物质的质量分数总体达到41.31%，是主要挥发性物质，γ-壬内酯（12.31%）和δ-壬内酯（11.84%）质量分数均超过10%。酸类和酯类质量分数较为接近，分别为16.8%和15.49%，主要是正癸酸、己酸肝、癸酸乙酯和4-羟乙基噻唑-5-甲基-4-乙酯。该样品中乙基麦芽酚质量分数达到21.07%，远高于2种壬内酯化合物，是最主要的风味物质。
2.2.3 香精PJ-L的风味特征
香精PJ-L与PJ-S属于同一厂家，但鉴定出的化合物种类略有降低，为21种，相较于样品PJ-S减少6种。主要的物质是作为溶剂的丙二醇，质量分数达到82.58%，其余化合物以酯类居多，质量分数达到9.54%，主要是癸酸乙酯（7.14%）。可能是溶剂体积分数过高导致化合物在固相微萃取头上的竞争吸附，使得除溶剂分子之外的化合物质量分数降低，尤其是在固体香精中质量分数较高的乙基麦芽酚，在PJ-L液体香精中质量分数仅为0.17%。
2.2.4 香精CW-L的风味特征
香精CW-L同样属于液体香精，共鉴定出16种化合物。但该产品中溶剂丙二醇质量分数有所降低，为47.85%。主要的风味物质是内酯类和酯类，分别达到26.26%和14.11%，其中γ-癸内酯（9.48%）和三醋酸甘油酯（13.63%）质量分数较高。乙基麦芽酚的质量分数有所上升，达到5.16%，略低于γ-癸内酯和三醋酸甘油酯，是主要的风味物质。
2.2.5 香精CX-L的风味特征
香精CX-L与香精CW-L的构成比较接近，溶剂丙二醇质量分数达81.87%。主要的风味构成是酯类和内酯类物质，质量分数分别达到9.91%和5.07%，以癸酸乙酯（7.7%）和γ-壬内酯（3.47%）居多。但该香精中未鉴定出乙基麦芽酚。
采用SPME法对5种牛奶香精的分析结果如表1所示。
表1 5个牛奶香精样品的主要挥发成分
3 结论
5个牛奶香精样品经3种不同方式进样、GC-MS分离检测，使用SPME-GC-MS法分别鉴定出27，23，21，16和20种挥发性物质。其中，乙酰丙酸乙酯、正癸酸、γ-壬内酯、δ-壬内酯、γ-十一内酯、δ-十二内酯、乙基麦芽酚检出频率和质量分数较高，香精PJ-S中香兰素和乙基香兰素质量分数也较高，杂环化合物4-甲基-5-（β-羟乙基）噻唑在4个香精中均有检出，这10种化合物可作为牛奶香精的特征风味物质。
