SPME和P＆T對西瓜汁香氣成分萃取條件優化及二者的比較分析

何聰聰，蘇柯冉，蘇 杭，劉 野，宋煥祿

（北京工商大學食品學院，北京市食品風味化學重點實驗室/食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，北京 100048）

我國是西瓜生產大國，產量和消費量均居世界首位。鮮榨西瓜汁以其清爽的口感、誘人的顏色以及顯著的功能性越來越受到消費者的歡迎，消費量快速增長［1］。但由于西瓜屬于熱敏性水果，加熱滅菌會使其產生強烈的“煮熟味”，嚴重影響感官品質，因此目前西瓜汁仍未實現工業化生產。目前對西瓜汁的研究仍處于實驗室階段，且加工方式的研究偏多，如采用高壓二氧化碳和高壓脈沖電場處理來進行殺菌［2－3］。

固相微萃取法（solid phase microextraction，SPME）是20世紀90年代興起的一項新技術，屬于非溶劑型選擇性萃取法，具有很高的萃取效率，已被廣泛的接受，并大量用于分析研究中［4］。張紅艷等人用SPME結合GC－MS優化了其對厚皮甜瓜的萃取效果，結果表明，厚皮甜瓜中以非極性酯類為主，同時還有醛類和醇類，且Carboxen/PDMS的萃取效果較好［5］。Riu－Aumatell等采用 SPME 結合 GC－MS 從梨汁、杏汁和桃汁中分析得到包括酯類、醛類、醇類、萜烯類和酮類在內的97種化合物［5］。吹掃捕集法（purge＆trap，P＆T）是將氣體連續通過樣品，將其中的揮發組分萃取后在吸附劑或冷肼中捕集，再進行分析測定，是一種非平衡態的連續萃取，因此又被稱為動態頂空濃縮法。1974年，Baller和 Lichtcnherg首次發表了有關吹掃捕集色譜法測定水中揮發性有機物的文章以來，一直受到環境科學與分析化學界的重視，此法也在以后水的研究得到了廣泛的應用［6］。苑金鵬等用吹掃捕集法研究了木瓜金寶蘿青101中的香氣成分，共鑒定出56種化合物，其中包括酯類、醇類、醛類及少量的烴類和其他化合物，且酯類物質占重要的地位［7］。

SPME和P＆T兩種方法在進行測定時，其萃取效果會受到萃取時間、溫度等因素的影響。為了更加充分的萃取西瓜汁香氣成分，避免萃取方法及條件對西瓜汁香氣分析的影響，本研究優化了SPME和P＆T的萃取條件，并比較了兩種方法對西瓜汁香氣成分的萃取效果，為進一步開展西瓜汁香氣活性化合物的分析提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

京欣西瓜 北京市永輝超市;系列烷烴（C7－C22）色譜純 西格瑪－奧德里奇公司（中國）。

7890A－7000型氣質聯機 配有EI離子源和NIST2.0數據處理系統，國Agilent公司;ODP2嗅聞檢測儀 德國Gerstal公司;DB－5型毛細管柱30m×0.25mm，0.25μm 美國 J＆W 公司;HH－1型超級恒溫水浴鍋 金壇市至翔科教儀器廠;40mL萃取瓶北京玻璃儀器廠;HP1858型榨汁機 飛利浦公司;手動固相微萃取進樣器50/30μmDVB/CAR/PDMS、CAR/PDMS、PDMS/DVB 美國Supelco公司;吹掃捕集自動進樣裝置 美國Teledyne Tekmar公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 西瓜汁的制備 西瓜經清洗后取瓤，用料理機破碎，過濾后的西瓜汁在4℃冷藏備用。

1.2.2 SPME操作方法 本實驗所用的萃取瓶為40mL，準確量取西瓜汁5mL，加蓋密封置于水浴鍋中，調節平衡時間和吸附時間，然后插入氣相色譜進樣口250℃條件下解析5min。

將三種纖維按照表1所示的老化時間以及老化溫度進行老化，固定萃取時間（30min）、萃取溫度（40℃），對西瓜汁樣品進行萃取。

表1 萃取纖維操作參數Table 1 Instruction for SPME fibers

平衡時間設定為:5、10、20、30、40 和 50min;萃取溫度設定為:30、40、50、60、70 和80℃。

P＆T操作方法:該方法所用的萃取瓶為40mL，準確量取西瓜汁5mL，加蓋密封，氮吹流量50mL/min，調節平衡溫度和吹掃時間，優化出最佳條件。平衡溫度設定為:30、40、50、60和 70℃;吹掃時間設定為:10，20，30，40 和 50min。

1.2.3 揮發性香氣成分分析 采用 Gas Chromatography－Olfactometry－Mass Spectrometry（GC－O－MS）系統對西瓜汁揮發性香氣成分進行分析。GC－O－MS是由7890AGC裝置、質譜和嗅聞裝置組成。樣品經進樣口解析后，經GC分離后分別進入質譜檢測器和嗅聞檢測器，分流比為1∶1。實驗人員在嗅聞口記錄所聞到的香味特征和強度。

1.2.3.1 GC條件 DB－5毛細管柱（30m×0.25mm，0.25μm），程序升溫:初始溫度，40℃，保持 3min，以5℃/min升溫到200℃，保持0min，再以10℃/min升溫到250℃，保持3min。后運行3min。載氣（He），恒定流速為1.2mL/min，進樣口溫度250℃，分流比10∶1。

1.2.3.2 質譜條件 電子轟擊（electron impact，EI）離子源，電子能量70eV，傳輸線溫度280℃，離子源溫度為230℃，四極桿溫度為150℃，質量掃描范圍m/z 40～250。

1.2.3.3 嗅覺檢測器 接口溫度為220℃。檢測時為了防止實驗員鼻腔干燥通入濕潤的空氣。用預處理后的樣品及標準香味化合物對3位評價員培訓后進行實驗，評價員在嗅覺檢測口記錄下聞到氣味的時間，香味特性及香氣強度。

2 結果與分析

2.1 吹掃捕集法（Purge＆Trap）萃取條件的優化

2.1.1 吹掃溫度的選擇 通過圖1中的5組數據的對比可以看出，吹掃平衡的溫度從30～70℃過程中，西瓜汁香氣成分總峰面積共經歷了2個階段:30～50℃區間，峰面積呈穩定上升區，吸附量隨著溫度的升高呈現緩慢增加的趨勢，這是由于溫度的升高，香氣物質從基質中析出的速度也增加;50～70℃區間，峰面積呈緩慢下降趨勢，這可能由于溫度的升高，也加速了一些化合物在纖維頭中解析的速度。

圖1 P＆T不同加熱溫度對西瓜汁萃取結果的影響Fig.1 Effect of Purge＆Trap fiber incubation temperature on watermelon juice

由于西瓜汁是“熱敏性”水果，其香氣物質易受到溫度的影響，隨著溫度的升高，可能帶來香氣化合物分解等不利影響。因此，確保SPME纖維吸附更多的香氣物質，同時也保持系統分析的穩定性，最終選取了峰面積最大的50℃作為吹掃平衡的最優溫度。

2.1.2 吹掃時間的選擇 通過圖2中五組數據的比較，得到萃取物的總峰面積隨時間變化的趨勢:10～20min之間，峰面積緩慢增加;20～30min之間，峰面積增加的速度上升，隨著時間的延長，在萃取纖維達到飽和之前，香氣成分的吸附量也隨之增加;在30min時，峰面積達到最大值;30～40min之間，峰面積又有下降的趨勢;40～50min之間，峰面積又隨時間的延長而增加，這可能是由于基質中揮發性較差的物質也逐漸開始吸附的原因。30～50min之間峰面積有波動的現象，在保證實驗效率和實驗穩定性的基礎上，最終選取了30min作為吹掃的最佳時間。

圖2 P＆T不同吹掃時間對西瓜汁萃取結果的影響Fig.2 Effect of Purge＆Trap fiber incubation on time on watermelon juice

2.2 固相微萃取法萃取條件的優化

2.2.1 萃取纖維的選擇 從表2可以看出，西瓜汁中的主要香氣化合物多是醇類、烯醛類、醛類、酮類等物質。而且纖維CAR/DVB/PDMS萃取的化合物有32種，PDMD/DVB萃取出22種，CAR/PDMS萃取出21種，則CAR/DVB/PDMS纖維萃取的化合物明顯多于PDMD/DVB和CAR/PDMS。

從圖3可以看出，CAR/DVB/PDMS比 PDMD/DVB和CAR/PDMS萃取得到的化合物總峰面積數大。PDMD/DVB和CAR/PDMS對烯醇類物質，如順－3－壬烯醇和反，順－3，6－壬二烯醇的吸附明顯小于CAR/DVB/PDMS對這兩種物質的吸附，但是有研究表明，順－3－壬烯醇和反，順－3，6－壬二烯醇對西瓜中的青香有較大的貢獻度［8］。這可能和纖維圖層對物質的選擇性有關。PDMD/DVB對相對分子量為50～300的揮發性胺類和硝基芳香類化合物的吸附能力較強，CAR/PDMS對氣體和相對分子質量為30～225的小分子吸附能力較強，而CAR/DVB/PDMS則對相對分子質量為40～275的揮發性和半揮發性的香氣物質的吸附能力較強［9］。CAR/DVB/PDMS對反－2－壬烯醛的吸附也大于PDMD/DVB和CAR/PDMS對該物質的吸附。此外，因在黃瓜中濃度較高而有“黃瓜醛”之稱的反，順－2，6－壬二烯醛，只在CAR/DVB/PDMS上面有吸附。這些C9系列的醇類和醛類是西瓜汁的重要香氣物質［8－10］。因此，綜合考慮對萃取西瓜汁香氣化合物的種類、數量以及峰面積來看，選擇CAR/DVB/PDMS纖維作為西瓜汁前處理較優纖維，被用于優化萃取條件的研究。

2.2.2 萃取時間的選擇 通過圖4可以看出，在5～50min的萃取時間內，峰面積呈穩定增加趨勢，但增加速率逐漸下降，40min后峰面積增加速率接近0，即峰面積幾乎不增加，這是由于達到一定的點位后吸附的峰面積上升就會緩慢，直至達到飽和狀態，峰面積不再增加。

此前Frank和Majcher等人分別用SPME對奶酪香氣和薯片香氣的實驗結論指出，萃取時間在20min時，固相微萃取有可能沒有達到萃取平衡［11－12］。為了減少系統誤差，提高分析精度，最終選取了40min為優化萃取時間。

2.2.3 萃取溫度的選擇 通過圖5中6組數據的對比，得到香氣化合物總峰面積的變化趨勢。可以看出，30～50℃之間峰面積呈穩定增加，在一定的范圍內，香氣成分的析出增加;在50～60℃之間，峰面積突躍上升，峰面積的增加速率先大后小，最終在60℃時，速率為零，峰面積達到最大值;在60～80℃之間，峰面積又呈下降趨勢。在50～60℃范圍內，香氣化合物的吸附量急劇增加，但增加的速率先大后小，呈不穩定現象。隨著溫度的升高，峰面積下降，這可能有以下兩種解釋:一方面，溫度升高會引起部分“熱敏性”物質的分解和促進香氣化合物的解析;另一方面可能是由于隨著溫度的升高，西瓜汁中的水分蒸發，水蒸氣也吸附在萃取頭的纖維上，萃取頭在氣相進樣口250℃的高溫下解析，水分瞬間化成蒸汽，隨載氣進入柱子中，影響氣相的性能，并且會引起基線上浮。因此，最終選取了峰面積穩定上升的最高溫度50℃作為優化的平衡溫度。

表2 固相微萃取/氣相色譜－質譜分析西瓜汁中的揮發性化合物Table 2 Compounds identified in watermelon juice by SPME/GC－MS

圖3 SPME纖維對西瓜汁中香氣化合物萃取結果的影響Fig.3 Effect of SPME fibers on flavor compounds in watermelon juice

圖4 SPME不同萃取時間對西瓜汁萃取結果的影響Fig.4 Effect of SPME fiber incubation on time on watermelon juice

圖5 SPME不同萃取溫度對西瓜汁萃取結果的影響Fig.5 Effect of SPME fiber incubation temperature on watermelon juice

2.3 固相微萃取法和吹掃捕集法的比較

P＆T和SPME是香氣化合物分析中兩種常用的頂空方法，不同的是前者是動態的，后者是靜態的。對于不同的物質，兩者有不同的萃取效果，所以對于復雜基質的樣品也是一樣的。對于眾多的食品樣品，并不是某一種方法可以通用。對于鮮榨西瓜汁樣品，P＆T和SPME（萃取條件用上文中優化的條件）的萃取效果如表3。

通過表3可以看出，P＆T和SPME檢測到的香氣化合物包括醇類、醛類、烯醛類、酮類、呋喃等物質。之前有研究表明，西瓜汁中的主要香氣是C6和C9系列的醇類和醛類（包含烯醛類和醛類）［8，10，13］。P＆T檢測到28種香氣化合物，SPME檢測到37種香氣物質。此外，P＆T法檢測到順－3－壬烯醇（清香、動物脂味）和反－2－壬烯醛（瓜味、清香）的峰面積比SPME的低很多，P＆T中的6－甲基－5－庚烯－2－酮的峰面積幾乎是SPME中的一半。但P＆T中的壬醛、反，順－3，6－壬二烯醇和己醛的峰面積略高于SPME的。兩種方法對醇類、烯醛類、醛類、酮類以及其他化合物萃取的峰面積之和的對比見圖6。

圖6 兩種前處理方法分析得到的西瓜汁中香氣化合物的種類和百分含量Fig.6 The categories and percentages of the aroma volatiles in the watermelon juice identified using two different pretreatment methods

通過圖6可以看出，SPME對西瓜汁中的香氣物質的萃取效果優于P＆T，尤其是烯醛類的峰面積，SPME明顯高于P＆T。這可能與P＆T中的吸附材料有關。因此，從二者檢測到香氣化合物的種類、數量以及峰面積等綜合考慮，SPME更合適用于西瓜汁香氣成分的檢測。

3 結論

本文對西瓜汁前處理方法中的SPME和P＆T的萃取效果進行了優化，為后續西瓜汁香氣成分的鑒定奠定了基礎。該研究結果表明，西瓜汁醛類（包含烯醛和醛）和醇類，同時還有酮類和呋喃等物質。纖維CAR/DVB/PDMS對萃取的香氣化合物數量較多，相對含量最高，且對特征香氣化合物的吸附能力強，特征香氣化合物的相對含量和峰面積也最高。PDMD/DVB和CAR/PDMS對烯醛和烯醇的吸附能力較弱，峰面積較低，其中PDMD/DVB對醛類的吸附能力也較弱。同時，通過對兩種方法萃取效果的比較看出，P＆T對烯醛的吸附較弱，且該類化合物對西瓜汁的香氣具有重要作用，故SPME對西瓜汁中香氣物質的吸附由于P＆T。

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