基于顶空GC×GC-TOF/MS的两种等级菜籽油特征挥发性风味物质的研究

周 茜，黄 倩，王 红，郭 娜，刘 畅，董福全，江吉周

(1.湖北省产品质量监督检验研究院，湖北 武汉 430061；2.武汉工程大学 环境生态与生物工程学院、化学与环境工程学院，湖北 武汉 430205)

0 引言

菜籽油，又称菜油，是我国四大食用植物油之一，其年均总产量约占国产食用植物油产量的1/3[1-3]。菜籽油具有特殊的“青气味”，属于典型的风味油，深受中国老百姓的喜爱。菜籽油的风味来源于菜籽油中的醛类、酮类、酚类、杂环类、酯类、醇类、烃类、酸类和含硫类等挥发性物质[4-7]。其中醛类、醇类、杂环类、含硫类等是菜籽油香气来源[8]。

菜籽油的香气特征是产品品质的主要影响因素之一，也是重要的感官品质指标。近年来，越来越多的科研工作者开展菜籽油风味物质的研究工作。然而，菜籽油生产工艺复杂，原料品种、制油工艺和精炼程度的不同，均会造成产品中风味成分的差异[9-11]。周琦等[12]利用GC-MS考察了微波压榨菜籽油中具有焙烤风味的挥发性物质的变化规律。王茜茜等[13]研究了菜籽油储存时间对菜籽油中挥发性成分组成变化的影响。但不同精炼程度的菜籽油的主要挥发性物质还未被深入研究。

气相色谱是最常用于检测菜籽油中香气成分的分析手段[13-16]。求海强等[17]利用溶液蒸馏的方法富集菜籽油中的挥发性化合物，并用GC-MS进行了测定，共检测到46种挥发性成分，并定性出28种。然而，影响菜籽油风味的挥发性物质通常具有含量低、组成复杂的特点。若使用常规的一维气相进行分析，存在较多重叠峰，易造成有效信息的丢失。近年来，全二维气相色谱-飞行时间质谱(GC×GC-TOF/MS)引起了人们的关注。它将两根分离机理不同而又相互独立的色谱柱串联，让化合物经历两次分离，可获得高分辨率、高峰容量和高灵敏度。该技术已被广泛用于分析成分复杂的样品，如白酒、茶叶、椰子油等样品[18-21]。周琦等利用GC×GC-TOF/MS对三种不同基因型菜籽为原料的冷榨菜籽油的挥发性风味物质进行了分析，鉴定出156种挥发性成分[22]。但论文并没有对菜籽油的等级进行探讨。菜籽油的等级也是评价菜籽油质量的重要指标之一。然而，目前鲜有利用GC×GC-TOF/MS探究不同等级菜籽油挥发性成分的研究。

本文采用顶空GC×GC-TOF/MS对两种等级菜籽油的风味成分进行分离鉴定，对其特征风味物质进行深入的解析，研究的风味物质参数指标可以为菜籽油品质评定、掺伪鉴别提供理论支持。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

实验所用菜籽油均购自本地大型超市，生产时间相近，到达实验室后干燥避光保存。7890二维气相色谱仪(美国Agilent公司)；全二维气相色谱-飞行时间质谱仪(美国Leco公司)。

1.2 实验条件

1.2.1油样制备。取2 mL菜籽油放入顶空瓶(20 mL)中，密封。

1.2.2仪器条件。GC×GC-TOF/MS(Pegasus 4D，安捷伦7890B，Leco，USA)；一维色谱柱：HP-5 MS UI(Agilent，30 m×250 μm×0.25 μm)，二维色谱柱：Rxi-17Sil MS(2 m×150 μm×0.15 μm)。一维色谱柱程序升温：初始炉温为40 ℃，维持2 min，以5 ℃/min速率升至200 ℃，保持1 min。二维柱比一维柱的温度高10 ℃，调制器温度比一维柱温高15 ℃；分流比为10∶1；载气为氦气，流速为1.0 mL/min。

气相色谱进样口温度为200 ℃，传输线温度为225 ℃，调制周期是浓缩一维柱流出的分析物冷吹到二维柱时间，为4 s。

萃取进样条件：CTC自动进样器进样体积为1 mL，萃取温度为150 ℃，萃取时间为30 min，搅拌速率为100 r/min，间隔时间为搅拌5 s停2 s。进样针的温度为150 ℃，吹扫时间为30 s。气相运行时间为55 min。

Pegasus 4D飞行时间质谱为采集系统。电子轰击离子化的质谱电压为70 eV．样品成分进入检测器部分延迟30 s，离子收集范围35～600 u。离子源温度为230 ℃。

1.2.3数据处理方法。初始数据由ChromaTOFTM工作站预处理。提取信噪比高于10，相似度大于500的色谱峰进行搜库定性分析。其余数据处理用Matlab软件辅助完成。

2 结果和讨论

2.1 分析条件优化

2.1.1 样品用量的选择。实验考察了不同样品用量对实验的影响。选定1、2、3、4 mL菜籽油分别进行分析。结果表明，2 mL样品时，得到的色谱峰面积值大，且不会出现峰重叠和拖尾现象，满足实验要求。

2.1.2 萃取温度的选择。温度对萃取过程有双重影响。对于顶空而言，一方面，温度升高，分析物的扩散系数增大，扩散速度加快，有利于分析物脱离复杂的基体进入顶空气相，缩短平衡时间。但另一方面，温度升高会导致分配系数减小，且会造成色谱柱流失或样品瓶隔垫中物质溶出，干扰实验。因此，在实际操作中，温度的选择应两者兼顾。

移取2 mL油样置于20 mL样品瓶中，萃取温度选择范围为100、120、150、180 ℃，萃取30 min后，插入GC进样口进样。比较在上述萃取温度下的萃取效果(看主峰面积和总峰个数)，结果见图1。如图1所示，温度升高，样品中主峰面积和总峰个数逐渐增大，达到150 ℃后，增速趋于平缓。温度继续升高，主峰面积增大不明显。综合考虑主峰面积和杂质干扰的影响，我们选择150 ℃作为萃取温度。萃取温度为150 ℃时，检出的主峰效果最好，干扰峰少，且萃取的样品量足以满足GC×GC-TOF/MS的灵敏度。

图1 不同萃取温度下的萃取效果

图2 不同平衡时间对萃取效果的影响

2.1.3 萃取时间的选择。萃取时间也是萃取过程中的重要影响因素。萃取时间增大，萃取的物质含量越高。但实际检测中常需要兼顾分析速度和分析的灵敏度，可根据萃取量-萃取时间曲线确定最佳萃取时间。

移取2 mL油样置于20 mL样品瓶中，萃取温度设为150 ℃，分别顶空萃取10、20、30、40、50 min，然后快速插入GC进样口。比较在不同萃取时间下对分析物的萃取效果(看主峰面积和总峰个数)，结果见图2。如图2所示，在10～30 min内，随着萃取时间的延长，萃取量明显增加。但在萃取30 min后，主峰面积及总峰个数均无明显变化。且在30 min后会萃取了少量硅胶垫片中的物质。因此，选择30 min为最佳萃取时间。综上所述，本实验中优化后顶空的最终条件为：样品体积为2 mL，萃取温度为150 ℃，萃取时间为30 min。

2.1.4 GC×GC条件优化。菜籽油中的挥发性成分包括醛类、醇类、烯烃类、杂环类、苯环类等物质。鉴于菜籽油中物质以非极性或弱极性组分为主，我们选用非极性柱作为起主分离作用的第一维色谱柱。目标物在一维柱上按沸点高低分离。同时，选用液膜较薄、柱长较短的中等极性柱作为第二维柱，组分按官能团极性大小分布，结合程序升温，实现正交分离。最终选择的柱系统为：HP-5 MS UI(30 m×250 μm×0.25 μm)+ Rxi-17Sil MS(2 m×150 μm×0.15 μm)。二维调制周期设为4 s，起到多次切割一维流出组分，且不与上周期流出组成重叠的作用。

采用二维GC×GC后，可以得到更多的化合物组分信息，许多在传统一维色谱中部分重叠或完全重叠的组分可得到进一步分离。例如，由图3可以看出，使用GC×GC-TOFMS可有效解决一维气质分辨能力不足的问题。如图所示，3-甲基-1-丁醇丙酸酯与4-甲基-戊酸乙酯、十一酮与3-辛烯-1-醇-乙酸酯一维保留时间相同，若使用一维色谱将无法分离，而使用二维色谱后，两者可在二维时间上实现分离(如图4所示)。同时，经过调制器聚焦后，样品峰的信噪比提高，经调制后的峰高比没有调制的峰高增强了15～22倍。如图4所示，经过调制后，样品整体信号由55 000增至580 000，增强十多倍。

综上所述，HS-GC×GC-TOF/MS优化条件见表1。

图3 GC×GC-TOFMS分离的优异性

2.2 两种等级(一级和三级)菜籽油挥发性风味物质研究

菜籽油的原料品种及产地、精炼程度和加工工艺均会影响其风味物质的组成。在优化的条件下，通过HS-GC×GC-TOF/MS进样，结合TOFMS的数据库检索和自动峰识别功能，我们定性分析了7种三级菜籽油和7种一级菜籽油中的挥发性物质。结果表明，不同菜籽油检测出的挥发性组分存在差异。我们对两种等级菜籽油中检出率大于50%的组分进行进一步分析。三级菜籽油中共有70种组分，其中醛类17种，醇类5种，酸类5种，酮类7种，烷烃类11种，硫苷降解产物15种，杂环类9种，苯环类1种。一级菜籽油中共有40种组分，包括醛类12种，醇类5种，酸类3种，酮类1种，烷烃类13种，硫苷降解产物3种，杂环类1种，苯环类2种，详细组分信息见表2、表3。结果表明，三级菜籽油主要呈味物质是醛类、杂环类和硫苷降解产物，而一级菜籽油主要贡献风味物质是醛类。硫苷降解产物是十字花科植物所特有的重要风味物质，是菜籽油具有特有的菜青味和辛辣味的原因之一。三级菜籽油中发现了大量硫苷降解产物。但一级油中硫氰类种类明显减少，这可能是一级油中的硫氰类物质在精炼工序中被除去。同样，精炼程度越高，以吡嗪类为主的杂环类物质越少，菜籽油的烤香味越淡。

表1 HS-GC×GC-TOF/MS相关参数

表2 一级菜籽油主要挥发性成分汇总

表3 三级菜籽油主要挥发性成分汇总

3 结论

本研究采用HS-GC×GC-TOF/MS法对两种等级菜籽油(一级和三级)的挥发性风味物质进行了分析。结果表明，菜籽油等级不同，风味物质组成不同。三级菜籽油特征风味物质由硫氰类、吡嗪、醛类、酸类组成，主要呈现烤香味、青草香味、脂肪香味。一级菜籽油特征物质为醛类。一级菜籽油经过精炼后，挥发性物质从种类和含量上都明显减少，硫氰类、吡嗪类表现尤为明显。一级菜籽油主要呈现淡油脂味。

实验表明，GC×GC-TOF/MS适合测定菜籽油之类的复杂样品。利用全二维技术可以综合评价菜籽油的特征风味物质，对建立菜籽油乃至食用油香气图谱，分析呈香机理，构建质量评价体系具有重要意义。