静态顶空/气相色谱－质谱联用法测定食品接触用纸中的挥发性气味物质及其贡献度分析

张珍红，林勤保*，景 波，李 烃

（1．暨南大学 包装工程研究所，产品包装与物流广东普通高校重点实验室，广东 珠海 519070；2．拱北海关技术中心，广东 珠海 519020）

纸包装材料具有轻量便于运输、成型性和印刷适性优良等特性，是食品包装领域中一种重要的包装材料。近年来，随着“限塑令”政策的出台和全民环保意识的提升，纸张在食品包装中应用也越来越广泛。然而食品接触用纸的“异味”是限制纸包装在食品行业发展的主要原因之一[1]。我国国家标准GB 4806．8－2016[2]规定食品接触材料迁移或扩散到食物中的成分不应改变食物的品质与风味；欧盟相关条令89/109/EEC[3]也强调：包装材料中所有物质无论是有意添加物还是非有意添加物迁移到食品中，既不得影响食物的感官特色也不能对人体健康有害；美国食品药品监管局（FDA）在21 CFR 174．5[4]中提到食品包装如果被检测存在会使食品出现异味的物质，即使该物质为可安全使用的食品添加剂，仍认定生产商违反了联邦食品法。

目前针对食品接触用纸中的挥发性物质分析通常采用感官测试和仪器检测两种方式[5]。感官测试真实模拟了消费者的直观感受，然而这种感受是多种挥发性气味物质共同作用的结果，难以获悉气味的具体组分，需要借助仪器鉴别。仪器检测不仅包括仪器的选用，也涉及挥发性有机化合物的萃取等样品前处理问题。传统的挥发物萃取方式为固相萃取[6]、液液萃取[7]等，这些萃取方式过程繁杂，耗费大量的人力和物力，同时还可能引入不必要的复杂成分而影响实验结果的准确性。静态顶空因其优异的挥发性物质萃取能力和简化的前处理过程，被广泛应用于挥发性气味物质的分析[5]。

纸包装中的“异味”是国内外许多学者研究的焦点。Czerny等[8]将纸板中的气味物质萃取并稀释后采用高分辨气相色谱－质谱仪进行分析，结果显示纸板中存在产生臭味的化合物；Vera等[9]研究了PP、PE、纸和纸板等食品包装材料中的异味化合物，在纸质食品包装材料中检出具有油脂气味的三甲苯和具有微弱木香的萜烯，指明了纸板中油脂味的一种产生途径；张宜彩等[10]利用顶空－气相色谱－质谱（GC－MS）联用法结合保留指数（RI）在19种食品包装用纸中鉴定出可能对食品风味产生影响的36种成分，并分析各组分的气味特性及其来源，为纸包装“异味”溯源提供了一定的数据支撑。为缩小纸张“异味”的来源范围，本文开展进一步深入研究，对食品接触用纸中鉴别出的气味物质分级，找出解决“异味”问题需要重点关注的物质，旨在为食品接触用纸生产工艺的优化奠定基础。

1 实验部分

1.1 实验材料

6种来自国内外不同供应商的食品接触用原纸（包括直接接触和间接接触），编号为P1～P6，其中P1为珠海某公司生产的食品级食品接触用纸；P2为宁波某公司生产的非食品级吸塑卡纸；P3和P4均为山东某公司的非食品级白卡纸；P5、P6为进口食品级原纸，分别生产于美国某公司和欧洲某公司。纸样的相关信息如表1所示。

表1 实验样品及相关信息Table 1 Experimental samples and related informations

1.2 试剂与仪器

质量浓度为1 000 mg/L的C7～C40正构烷烃标准溶液（色谱纯，美国Sigma－Aldrich公司）；正己烷（色谱纯，美国Tedia试剂公司）。

7890A－5975C气相色谱－质谱联用仪、7697A顶空进样器（美国Agilent公司）；AR224CN电子天平（常州奥豪斯仪器有限公司）；20 mL顶空瓶，配3．0 mm厚度的聚四氟乙烯硅胶垫片钳口瓶盖（美国Agilent公司）；MS－DIAL软件，版本为Version 4．48（日本Riken可持续资源科学中心）。

1.3 仪器条件

静态顶空条件：加热箱（即平衡温度）：120℃；定量阀/环：130℃；传输线：140℃；样品瓶平衡时间：30 min；压力平衡时间：0．5 min；进样时间：0．5 min。

GC－MS条件：Agilent HP－5MS色谱柱（30 m×0．25 mm，0．25µm）；后进样口：220℃；离子源：230℃；四极杆：150℃；传输线：280℃；载气：高纯氦（99．99%）；压力：46 718．8 Pa；隔垫吹扫流量：3．0 mL/min；隔垫吹扫流量模式：标准；进样模式：不分流；升温程序：初始温度35℃，保持2 min，以5℃/min升至70℃，恒温保持2 min，再以10℃/min升至260℃，保持5 min。

电离方式：EI；电离能量：70 eV；溶剂延迟：4 min；采集方式：全扫描；质量扫描范围：m/z35～550 aum。

1.4 实验方法

1.4.1 样品处理将纸样分别剪成面积约为25 mm2的正方形碎片，混合均匀。准确称取2．0 g纸样（精确至0．001 g）置于20 mL顶空瓶中，密封后待测。每种样品3个平行，并设置空白对照。为避免样品受到污染，整个过程应迅速有效。

1.4.2 保留指数的计算吸取0．1 mL质量浓度为1 000 mg/L的C7～C40正构烷烃标准溶液，置于10 mL容量瓶中，用正己烷定容至10 mg/L。

快速量取100µL质量浓度为10 mg/L的正构烷烃标准溶液于顶空瓶内，密封后待测。由于本实验中GC−MS升温程序是非线性的，在两个线性升温之间设有恒温平台，因此分别利用Van Den Dool等[11]推算的线性升温公式（式1）和恒温公式（式2）计算纸样中升温段和恒温段中各化合物的RI。

上式中，Z表示在目标组分之前流出的具有最大碳数的正构烷烃的含碳数，一般≥4；Tx表示目标组分流出时的保留时间；TZ表示碳原子个数为Z的正构烷烃的保留时间，TZ+1表示碳原子个数为Z+1的正构烷烃的保留时间。

1.4.3 挥发性成分分析定性分析[10]：借助保留指数定性是目前国际上鉴别挥发性化合物的一种公认的有效手段[12－13]。计算每个未知色谱峰下匹配度值大于80的参考物质的保留指数RIx，通过与文献在相同实验条件下所测定该物质的参考保留指数值对比，确定未知色谱峰对应的挥发性物质，以上定性步骤借助MS−DIAL软件完成，为避免柱流失对实验结果的影响，将各样品扣除空白。将定性出的挥发性物质在网站https：//www．chemicalbook．com/查询其CAS号，再根据CAS号利用化合物气味信息检索网站http：//www．flavornet．org/flavornet．html或查阅相关文献，确定挥发性物质中可能会对人体造成感官影响或危害的成分的气味特征。

半定量分析：对每个化合物的响应峰利用峰面积归一法得到其相对含量，定量结果以百分数表示，并用Microsoft Excel 2016计算平均值和标准偏差。

1.4.4 相对气味活性值评价气味贡献度根据文献[14]，本实验采用综合考虑各组分相对含量和感觉阈值2种指标的相对气味活性值（ROAV）评价不同挥发性气味物质的贡献度。将每种纸样中最高的ROAV定为100，并按式3计算纸样中其他组分的ROAVx。

式中，c%x、c%1分别为目标组分和ROAV最高组分的相对含量，dx、d1分别为目标组分和ROAV最高组分的感觉阈值。一般认定ROAV≥1时，该化合物为主体气味物质，对总体气味起决定性作用；而0．1≤ROAV＜1的组分则为辅助气味物质，对总体气味起辅助或修饰作用[14]。

2 结果与讨论

2.1 静态顶空条件的优化

在顶空进样中样品瓶的平衡温度与时间将直接影响检测效率和检测结果。通过查阅文献[9－10,15]以及考虑到此类包装用纸在整个生命周期过程可能经历的生产、使用及存储条件，选择不同的平衡温度（80、100、120℃）与平衡时间（20、30、40 min）优化顶空条件。

因在预实验中发现P5、P6两种纸样中的挥发性物质更为丰富，选取此两种纸样先固定30 min平衡时间对平衡温度进行优化。图1为P6样品在不同平衡温度下的总离子流图，可以看出80℃下待测化合物的响应较差，挥发性成分难以挥发出来，而随着温度的升高，挥发性物质的响应峰值明显上升，萃取效率也大幅提升。考虑到纸和纸板在生产过程中的最高温度可达125℃，主要在120℃左右浮动，为确保实验结果的真实性，选择样品平衡温度为120℃。

图1 典型纸样（P6）在不同平衡温度下的总离子流图Fig．1 Total ion chromatograms of typical paper sample（P6）at different equilibrium temperatures temperature：a．80℃；b．100℃；c．120℃

在平衡温度120℃下，考察了平衡时间分别为20、30、40 min时的色谱响应。结果显示，平衡时间为20 min时，纸样中含量较低的挥发性化合物未被完全富集，导致得到的色谱峰数量少，且响应低，而30 min与40 min检测出的色谱峰差异不大。因此综合考虑富集效果和效率，选择平衡时间为30 min。

2.2 不同纸样中挥发性气味物质分析

基于优化的条件，对不同纸样进行挥发性气味物质的分析，典型纸样的总离子流色谱图见图2。6种原纸中共检出119种化合物，其中采用MS－DIAL定性了106种挥发性和半挥发性有机化合物，包括醛类、酮类、酯类、醇类、胺类、醚类、羧酸类、烷烃类、烯烃类、环烷烃、环烯烃、芳香烃、杂环类以及含有溴、氯等杂元素化合物等14类。根据化合物气味谱库，鉴别出包括醛类、酮类、醇类、烷烃类、芳香烃类、烯烃类、杂环类、酯类、醚类和羧酸类等51种挥发性气味物质（表2）。整体上，P5、P6中含有的挥发性气味成分较为丰富，这两种纸样均为化学浆。检测到的挥发性气味成分的气味阈值及6种原纸中上述物质的ROAV值见表3。

图2 典型纸样（P6）的总离子流图Fig．2 Total ion chromatogram of typical paper sample（P6）the peak numbers denoted were the same as those in Table 2

表2 6种原纸中的挥发性气味成分及其相对含量（n=3）Table 2 Volatile flavor components and their relative contents in the six base papers（n=3）

（续表2）

（续表2）

表3 6种原纸中挥发性气味成分的相对气味活性值Table 3 Relative odor activity values of volatile flavor components in the six base papers

（续表3）

由表2～3可知，在原纸的挥发性气味物质中，醛类化合物种类最多。醛类化合物的生成途径通常为不饱和脂肪酸的裂解或氧化[17]。食品接触用纸在生产过程中采用热磨或化学试剂蒸煮等物理或化学手段制浆，使针叶林、草类植物等原材料中的不饱和脂肪酸（如油酸）发生热降解和氧化反应，产生了各种醛类物质。本研究检出的醛类物质及其气味贡献主要如下：①（E）-2-己烯醛：因其具有苹果和绿叶的清香也被命名为叶醛，仅在P5中检出，相对含量小，且ROAV值为0．01，为辅助气味物质，对P5纸样的总体气味起到修饰作用。叶醛存在于苹果、番茄等果蔬中，同时因其优异的抗菌性能被应用于果蔬的保鲜中[18]。②庚醛：6种原纸均检出庚醛，其在P5中的相对含量较高，同时在P3、P4中的ROAV值均超过1，是构成P3、P4中纸味的关键气味成分。庚醛具有较强的刺激性气味，当其浓度较低时表现为脂肪和柑橘香气，另外其本身的酸腐味会给食品接触用纸带来负面的感官评价，是造成纸张“异味”组分中值得重点关注的物质之一。③苯甲醛和壬醛：在6种原纸中均有检出，苯甲醛在不同纸样中的相对含量比例较高，均在2．77%及以上，同时其阈值较高，是除P5外其余纸样中重要的关键气味物质，其气味特点中和了杏仁的苦涩味、焦糖的焦甜味和樱桃的鲜香，它天然存在于植物中，其含量可能与造纸原材料所选用的植物种类有关；壬醛是纸和纸板中常见的气味化合物[9]，在6种原纸中的ROAV非常高，是对纸味影响很大的关键的主体气味化合物，表现为脂肪香、柑橘香以及嫩绿植物的清香。④（E）-2-壬烯醛和（E，E）-2，4-壬二烯醛：同为含有碳碳双键的不饱和C9醛，具有相似的油脂味和植物清香，二者均为纸味中的主体气味成分，尤其是后者的ROAV值为100，是最关键的气味物质，仅在P1、P5和P6 3种食品级原纸中检出。可同时表现出肥皂味、橘子柠檬味和脂肪味的癸醛为纸样中的关键气味组分，这类气味会使人产生一定的排斥感。综上，气味化合物在不同种类纸样中的贡献度有较大差异，在食品接触用纸中主要的关键挥发性醛类气味物质为（E，E）-2，4-壬二烯醛、壬醛、癸醛、（E）-2-壬烯醛和苯甲醛，在GB 2760−2014[19]和（EU）No．872/2012[20]中这些醛类物质被允许添加在食品用香料中；而在FDA法规[21]中以上物质仅壬醛被列为可添加的合成香料。

酮类属于羰基化合物，在食品接触用纸中种类较多，共检出10种酮类物质。酮类一般由脂类物质或氨基酸降解产生[17,22]。在6种原纸中P6的酮类物质种类最多，相对含量最高，为17．19%，其中，1-辛烯-3-酮的金属味会对P6总体气味产生负面影响；甜奶油味的2，3-辛二酮是亚油酸经脂氧合酶氧化的产物[17]。食品接触用纸中主要的关键酮类气味物质有：肥皂味的2-庚酮（P5、P6中）、甜辣味的环己酮（P2、P4中）和带有霉味、苦杏仁味及花香的苯乙酮（P4、P6中），它们在大部分纸样中均有检出。P5中检出的异噻唑啉酮，具有刺鼻的化学试剂味、金属味和烧焦味，会引起与纸接触的食品风味变化。异噻唑啉酮具有一定的毒性，主要来源于造纸过程中添加的异噻唑啉酮类杀菌防腐剂，是需要重点关注的气味组分[23]。

醇类物质仅在P2、P5和P6中检出，P2中检出的2-乙基己醇是关键气味成分，有类似玫瑰花的香味和未成熟绿色植物的清香。2-乙基己醇是生产消泡剂的原材料，还常用于纸张上浆[24]。P5和P6均检出的带有刺激性化学味的正庚醇、蘑菇味的1-辛烯-3-醇和具有油脂香及花香的十二醇是纸中的辅助气味化合物，对纸味的直接贡献小。P5还发现了有负面气味特征的辛醇，它表现为化学试剂味、金属味和烧焦味，是主要的辅助气味物质。纸中含有该成分可能与生产商采用辛醇作为纸浆消泡剂有关[25]。

原纸中还检出C13～C18的正构烷烃，它们均含有烷烃特有的味道，正十八烷是P4、P5和P6中的关键气味组分。纸中正构烷烃来源于造纸必需原料煤焦油，同样在造纸废水中也发现了这类物质[26]。苯乙烯的ROAV值很高，是产生纸味的关键气味物质之一，具有刺激性的汽油味和香醋味。苯乙烯常在造纸工业中作为湿部的增强剂和助流助滤剂以及干部的表面施胶剂（如苯乙烯－马来酸酐聚合物（SM）表面施胶剂）的合成原料[27－28]。因此，无论是保证食品接触用纸的安全还是解决纸“异味”问题，苯乙烯均是实际生产加工中值得重点关注的对象。萘存在于所有纸样中，仅为P4的主体气味成分，但其ROAV值均大于0．1，为其他纸样中的重要辅助气味成分，因此其焦油味对纸的总体气味贡献度相对较高。食品接触用纸中的萘是在采用植物纤维原料造纸时，原料中木质素的苯丙烷基团之间的醚键在水解过程中发生断裂而产生[29]。

在6种纸中均检出2-正戊基呋喃，其是纸中的关键气味挥发性化合物，有奶油和青豆味。2-正戊基呋喃广泛存在于各种热加工食物中，其来源有：碳水化合物的热裂解反应[30]；脂类（如亚油酸、亚麻酸）的热氧化[31]。

纸中也检出具有水果香气和沁人花香的庚酸甲酯、甲酸庚酯、丙位辛内酯和辛酸正丁酯4种酯类，二丁醚和新癸酸也有类似香气，虽然未查阅到其相关阈值，但它们达到一定量时可能会使与食品接触用纸接触的食品风味更佳，也可能与食品发生拮抗作用而恶化食品的风味。

在确定的51种挥发性气味物质中，（E，E）-2，4-壬二烯醛、癸醛、壬醛、（E）-2-壬烯醛、苯乙烯、2-正戊基呋喃和正十八烷在其有检出的纸样中的最小相对气味活性值分别为100、30．77、18．16、2．05、2．04、1．86和1．06，均大于1，因此这7种物质是6种食品接触用纸中的关键气味成分，对食品接触用纸的纸味起决定性作用。

3 结 论

本文以6种食品接触用原纸为样品，利用静态顶空提取纸样中的挥发性有机化合物，借助MSDIAL软件结合NIST14质谱库和色谱保留指数对GC－MS检测结果定性，通过ROAV评价挥发性气味物质的贡献度。结果发现：食品接触用纸中对纸味有重要贡献的关键挥发性气味物质为（E，E）-2，4-壬二烯醛、壬醛、癸醛、（E）-2-壬烯醛、2-正戊基呋喃、正十八烷和苯乙烯，是在生产实践中解决食品接触用纸“异味”需重点关注的物质。本研究结果能对食品接触用纸行业开展工艺改进和挥发性气味物质检测提供技术支持。