HS-SPME-GC-MS在食品揮發性物質分析中的應用

張文娟，周考文，2*

（1.北京聯合大學生物化學工程學院，北京 100023；2.生物質廢棄物資源化利用北京市重點實驗室，北京 100023）

香氣、味道和外觀是食品品質的3個重要指標。其中，揮發性化合物顯著影響食品風味，從而影響食品的整體評價，因而在食品的分析檢測中至關重要。揮發性物質存在于食品生產中的各個環節，自然存在的氣味物質、加工過程中化合物變化產生的氣味物質、貯藏過程中發生變化的揮發性物質等[1]。由于食品基質的復雜性，在分析之前通常需要進行復雜的預處理，而且較長的檢測時間可能無法滿足許多分析物的快速檢測要求，因此應用快速高效的頂空固相微萃取-氣質聯用（headspace solid-phase microextractionmass spectrometry coupled with gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME-GC-MS）對食品中揮發性物質進行定性定量分析，能夠對食品的品質進行評價和控制。

頂空固相微萃取-氣質聯用技術可以完成對復雜混合揮發性成分的分離鑒定和定性定量分析，是揮發性組分提取分析的主要方法，以檢測時間短、溶劑耗費少而廣泛應用于食品[2-4]、環境[5-6]、藥學[7-8]、醫學[9]、生物化學[10-11]、化妝品[12-13]、司法[14]等領域，并已寫入若干國內外標準。本文概述了頂空固相微萃取-氣質聯用的原理及特點，重點總結了近年來HS-SPME-GC-MS在食品揮發性物質分析中的應用情況，并對其在揮發性物質分析上的發展方向進行了展望。

1 HS-SPME-GC-MS簡述

固相微萃取（SPME）技術于1990年由加拿大Waterloo大學Pawliszyn教授的工作小組提出，是一種集采樣、萃取、濃縮、進樣于一體，簡單方便、省時省力、不需溶劑的新型綠色環保樣品前處理技術[15]。頂空固相微萃取（HS-SPME）是固相微萃取的一種，將涂覆有吸附劑的熔融石英纖維暴露在樣品上方的頂部空間中，易揮發或半揮發性化合物分布在樣品頂部空間和吸附劑之間，在這種模式下，在樣品和頂部空間之間平衡的揮發性和半揮發性化合物被纖維涂層捕獲，平衡一段時間后將纖維放入氣相色譜儀的進樣口中分析吸附的化合物。由于樣品基質不直接與涂層接觸，因此，使用HS-SPME可使提取物更純凈，選擇性更高[16]。

氣質聯用（GC-MS）技術廣泛應用于20世紀50年代后，具有高準確性、高靈敏度、高選擇性、高效率、應用范圍廣的特點。氣質聯用技術結合了兩種儀器的優勢，既有色譜強大的分離能力又具有質譜靈敏的鑒別功能。氣相色譜作為質譜儀的“分離進樣器”，常用于復雜的揮發性成分的分離與分析。質譜是“檢測器”，可以確定各化合物的分子量和官能團，再通過標準譜庫的檢索，進而實現對待測物的定量和定性分析[17-19]。HS-SPME-GC-MS技術是近幾年來揮發性成分分析的主要方法，可以實現對樣品的采集、萃取、濃縮、分離、定量和定性分析等一系列研究。經過半個世紀的發展，頂空固相微萃取-氣質聯用技術在檢測和數據采集處理方面取得了較大的提升，在食品領域的應用逐漸擴大。

2 HS-SPME-GC-MS在食品揮發性物質分析中的應用

2.1 自身特有的氣味物質

揮發性有機化合物是使食品具有獨特風味的原因。例如，成熟過程中由于食物代謝產生的酯類、醇類、醛類、萜烯、醚類等物質能賦予食品特有的芳香。但是揮發性化合物也受到其它因素的影響，尤其是原料的品種和地理位置，因而對食品中揮發性化合物進行測定可用于鑒別和區分產品。

2.1.1 果蔬及果蔬制品

石燦煥等[20]在成熟的貴州正安野木瓜中鑒定出65種揮發性化合物，主要為酯類和醇類，其中正-3-己烯醇的含量最高，是正安野木瓜特有的青葉香氣的主要成分，試驗中還檢測出乙酸葉醇酯、D-檸檬酸、二氫烯醇和α-紫羅蘭醇等芳香化合物。Chen等[21]研究結果表明，己酸、己醛、（E）-2-己醛、（Z）-2-庚醛、苯甲醛和（E）-2-壬醛是棗香氣的主要成分，并且首次在駿棗中分離出異丁酸和丁酸，在木棗、圓棗、梨棗中鑒定出（E，E）-2，4-庚二烯醛、（E，E）-2，4-癸二烯醛和十二烷醛。張靜等[22]在番茄中鑒定出75種香氣成分，其中包括21種醇、24種醛、11種酮、10種酯、3種呋喃、2種酚和少量物質其他，其中順-3-己烯醛和2-異丁基硫咪唑是新鮮番茄特殊的風味化合物。郭鳳領等[23]在高山根韭菜中鑒定出31種揮發性化合物，其中二烯丙基三硫醚和甲基烯丙基三硫醚是最主要的揮發性風味物質。Qiu等[24]對薩摩柑桔和甜橙柑桔純果汁及4種比例的混合果汁進行分析，結果表明主要揮發性成分為檸檬烯、瓦倫烯和β-月桂烯。果汁中特定的揮發性香氣含量與兩種柑橘類水果的混合比例無關。Perestrelo等[25]首次使用HS-SPME/GC-MS方法建立了馬德拉島不同地區的蘋果酒的揮發性特征，共鑒定出107種屬于不同化學家族的揮發性化合物，即41種酯類、21種醇類、24種萜類化合物、13種酸、3種羰基化合物、4種內酯和1種揮發性酚。Cheng等[26]檢測了新疆6個葡萄干品種的揮發性成分。總共鑒定出80種化合物。包括醇醛、萜類、呋喃、酯、酸和吡嗪，其中氧化玫瑰、芳樟醇氧化物A、芳樟醇氧化物B、3，7-二甲基-1，5-辛二烯-3，7-二醇、2-庚醇和 3-辛烯-2-酮首次在葡萄干果中被檢測出。

2.1.2 肉、蛋、奶制品

朱青云等[27]研究了青海省不同產地牦牛肉的揮發性風味成分，在牦牛背最長肌、股二頭肌和肋間肌3個部位的肉中共檢測出34種揮發性成分，其中十六醛、十八醛、壬醛、苯甲醛、正辛醇、2，3-戊二酮、3-羥基-2-丁酮、己酸8種化合物是主要的揮發性風味成分。衛惠萍等[28]在自制的咸雞蛋蛋黃中鑒定出43種揮發性成分，按含量的多少依次為醛類、呋喃、醇類，其中乙酸乙酯對風味的貢獻最大。賀紅軍等[29]分析紫薯酸奶和普通酸奶揮發性風味物質差異，得出紫薯酸奶中芳香雜環化合物和萜類化合物種類多于普通酸奶，橙花醇、愈創木酚和香草醛是紫薯酸奶的特色風味成分。Milosavljevic＇等[30]在兩種不同類型的意大利奶酪中鑒定出73種揮發性化合物，主要為短鏈和中鏈脂肪酸、醇、酯和酮，并且首次在干酪樣品中檢測出2-羥基-4-甲基戊酸甲酯。

2.1.3 農副產品及其它

Lim等[31]對韓國和中國的大米進行區分，得出韓國白米樣品中2,4-二甲基-1-癸烯、4-甲基-1-十一碳烯和1-癸烯的濃度更高，1-癸烯具有令人愉悅的氣味。Wodood等[32]通過HS-SPME/GC-MS分析冬小麥揮發性化合物的特征，實現真正區分小麥品種和地理起源。Cecchi等[33]應用HS-SPME-GC-MS定量方法對來自3個不同橄欖油市場的1 217個油樣品進行了評估，同時認證來自全球前5個生產國的原始橄欖油的地理起源。薛蓓等[34]對松口蘑和紅菇蠟傘香氣成分進行比較研究，得出松口蘑特有的揮發性成分有2（5H）-呋喃酮、3-苯丙醇、正己酸乙酯、萜品烯和異松油烯等14種化合物，紅菇蠟傘特有的揮發性化合物有2-丁基-2-辛烯醛、甲基庚烯酮、丁醇、異丁酸、鄰甲酚和乙二醇單丁醚等16種化合物。

2.2 食品加工產生的揮發性物質

對食品原材料進行加工，會對食品產生好或壞的影響，由于受加工條件、加工方式、微生物或酶的影響，揮發性物質會發生不同程度的變化，原揮發性物質尤其是一些化學性質不太穩定的成分，或形成新的化合物，或由于對加工方式的不耐受而消失。對不同加工方式生產的食品揮發性成分進行分析，有助于加工工藝的優化和新產品的開發研究。常見的加工方式有熱處理、干燥焙烤和腌制。

2.2.1 熱處理

Giannetti等[35]通過對79種工業生產和手工釀制的比爾森風格啤酒進行分析，得出揮發性特征能夠表征不同工藝條件下生產的啤酒，工業產品由于巴氏殺菌等熱處理破壞了芳香族和萜烯類等不耐熱化合物，而手工釀制啤酒中這些化合物含量較高。孫靜等[36]對生鮮及熱處理大眼金槍魚進行揮發性成分差異的分析，在熱處理大眼金槍魚的樣品中鑒定出47種揮發性物質，多于生鮮樣品（36種），醛類、呋喃類為熱處理大眼金槍魚的主要揮發性風味物質。周明珠等[37]研究了復熱處理對鱸魚揮發性成分的變化，結果表明，復熱處理加速了魚肉的脂肪氧化和酸敗，復熱處理后的魚肉揮發性成分中醛類物質和1-辛烯-3-醇的含量比冷藏時高。王太軍等[38]對小麥麩皮和熱處理后小麥麩皮的揮發性成分進行了檢測，結果表明，熱處理后的小麥麩皮中對風味有副作用的稠環類物質含量降低，烷烴和烯烴類減少，醛類和酮類物質生成。

2.2.2 干燥和焙烤處理

Dong等[39]研究了不同干燥方式，常溫干燥（roomtemperature drying，RTD）、太陽能干燥（solar drying，SD）、熱泵干燥（heat pump drying，HPD）、熱風干燥（hot-air drying，HAD）、冷凍干燥（freeze drying，FD）對咖啡豆香氣和風味特性的影響。在RTD、SD、HPD、HAD和FD不同處理后的樣品中分別鑒定出約111、109、102、93和90種揮發性化合物。對于RTD和SD樣品，共檢測到11種呋喃，其中RTD樣品中的呋喃濃度最高。由于長時間暴露在高溫空氣中會導致風味物質前體的損失，HPD和HAD中的揮發物數量減少。FD顯著降低了總揮發性化合物的種類。Yang等[40]從新鮮的金針菇中鑒定出4種代表性的風味化合物，即酮、醇、醛和烴。酮和醇類是新鮮金針菇中的主要揮發性化合物，其中66.69%和12.58%的化合物分別是3-辛酮和3-辛醇。金針菇的揮發性風味物質在60℃干燥過程中明顯發生了變化。6 h～12 h是干燥的金針菇特征風味發展的關鍵干燥時期，在該過程中新鮮的金針菇的酮、醛和醇轉化為干金針菇的酯、酸和烴。Gong等[41]對佐治亞州的原始山核桃和3個烤山核桃樣品的揮發物進行分析測定，結果表明，焙烤顯著影響了山核桃的揮發性，在焙烤樣品中共鑒定出63種風味活性化合物，包括在未加工的山核桃中未檢出的9種化合物。在焙烤樣品中，醛、酮和吡嗪生成量會明顯增加。有機酸、烷烴和醇的濃度也大大增加。吡嗪類是美拉德反應的重要指示劑，僅在焙烤樣品中發現，并在整個焙烤時間內持續增加。此外，烴衍生物隨焙烤過程進行顯著增加，這可能是非揮發性脂質降解的結果。

2.2.3 腌制

Shen等[42]在腌制干芥末中鑒定出15種主要揮發性化合物包括十四烷、2-苯基乙醇、2，6-二甲基（丙-2-基）苯酚、苯甲醛、2-苯乙醛、癸醛、（E）-2-苯基丁-2-烯、2，6-二叔丁基環己-2,5-二烯-1，4-二酮、庚酸、辛酸、壬酸、4，4，7a-三甲基-6，7-二氫-5H-1-苯并呋喃-2-酮、呋喃-2-甲醛、2，5-二甲基吡嗪和3-苯基丙腈。鄭炯等[43]對腌制麻竹筍揮發性成分進行鑒定分析，結果表明4-甲基-苯酚、苯酚、苯甲醛、己醛、壬醛、2-庚烯醛、2，3-丁二醇、1-辛烯-3-醇、芳樟醇、乙酸、檸檬烯、環庚烷腈等是腌制麻竹筍主要的揮發性成分。

2.3 加工過程中揮發性物質的變化

陳霞等[44]對蕎麥揮發性成分在加工前和加工后的含量和種類進行了分析，加工過程中因醇類物質的揮發，使得加工后的揮發性成分減少，但也有一些痕量成分在磨粉期間揮發出來。燕雯等[45]研究了小麥加工過程中揮發性成分的變化，小麥經面粉、面團、饅頭的一系列加工過程，揮發性成分發生了明顯的改變，含量較高的烴類物質相對含量急劇下降，醇類物質在蒸制過程中因揮發而減少，而在加工過程中醛類和環類物質有所增加。為提高發酵產品的質量，何嘉敏等[46]對果蔬汁發酵前后的揮發性成分進行鑒定分析，益生菌發酵對復合果蔬汁香氣成分的影響較大，發酵使得27種揮發性成分增加，其中包括醇類、酚類和酯類等，并且發酵后的果蔬汁中鑒定出乙基香蘭素和異丁基噻唑。韋璐等[47]研究了低溫發酵條件下，香蕉果酒不同發酵過程中揮發性物質的變化，結果表明，揮發性成分的種類由發酵前期的57種降至發酵末期的51種，其中醇類、酚類和酸類物質逐漸增加，烷烴、羰基類和酯類物質先增加后減少。鄭炯等[48]對麻竹筍進行了為期63 d的腌制并進行了揮發性成分的檢測，在腌制過程中共檢測出74種揮發性成分，其中隨腌制時間延長揮發性物質含量增加的有苯酚類、酮類和烷烴類，含量降低的有烯烴類、醇類和酯類，且呈先增加后減少的趨勢。為了驗證揮發性化合物可以用來表征精煉橄欖果渣油（refined plive-pomace oil,ROPO）油脂質的氧化程度，Ben等[49]對精煉橄欖果渣油在油炸過程中的揮發性成分進行了檢測，結果表明，油炸過程中醛的含量增加，酯和酮含量減少。

2.4 貯藏過程中揮發性物質的變化

食物在貯藏期間極易發生腐敗變質，造成營養成分的損失，還會出現食品安全問題。無論自身發生化學或生化反應，還是微生物作用造成的腐敗變質，都會發出一些令人厭惡氣味。揮發性化合物作為表征食物新鮮度的指標，可通過實時監測來確定最佳的儲存條件和貨架期。

王奔[50]對貯藏期間小黃魚的揮發性物質進行檢測，結果表明，揮發性物質與小黃魚的腐敗變質關系密切，揮發性物質種類和含量隨貯藏時間的延長而增加，醛類和酮類的相對比例明顯升高，少量醛類物質會使小黃魚產生清香的氣味，然而較高濃度的醛類會使小黃魚發出異味，酮類物質增多也會使小黃魚產生腥臭味。在貯藏第7天檢測出三甲胺等胺類物質，此時表示小黃魚腐敗變質嚴重。Cheng等[51]研究了楊梅貯藏期間揮發性物質的變化，新鮮的楊梅中，揮發性物質包括辛醛、3，7-二甲基-1，6-辛二烯-3-醇、乙酸、甲酯、α-蒎烯、莰烯、D-檸檬烯、蛇麻烯和2-甲基戊烯。貯藏一段時間后，由于揮發物變化導致變質楊梅果實中有強烈的異味，例如壬醛、乙醇、3-甲基-1-丁醇、苯乙基醇、（Z）-3-壬烯-1-醇、（E，Z）-3，6-壬二烯-1-醇、（E）-2-壬烯-1-醇、α-terpinenol和二氫-5-戊基-2（3H）-呋喃酮等成分變化。Xu等[52]研究了4種食用油關鍵揮發性物質在貯藏期間的變化，在室溫（25℃）存儲過程中，關鍵的揮發性氧化化合物的形成受到不同氧化過程的影響。醛是食用油在存儲過程中氧化產生的主要揮發性物質，菜籽油中己醛和庚醛的相對含量隨氧化水平的增加而增加，同時，戊醛、辛酸、壬醛和癸醛的相對含量先升高后降低。對于花生油，己醛和壬醛的含量增加。對于大豆油，氧化過程中己醛、庚醛和壬醛的相對含量增加。對于亞麻籽油，庚醛和壬醛含量增加，因此揮發性氧化化合物可作為檢測環境存儲過程中食用油氧化程度的標志物。牟青松等[53]檢測了花椒貯藏期間揮發性成分的變化，由于自身的新陳代謝，花椒儲存期間揮發性物質的種類和相對含量發生了變化，既有原組分的消失也有新成分的出現，烯烴類物質減少了，產生了桉樹腦、檸檬烯和吉馬烯D等。

3 展望

HS-SPME-GC-MS以快速簡便、溶劑消耗少和準確性好等特點成為科研工作者普遍采用的分析檢測方法，隨著對基礎理論不斷地深入研究，頂空固相微萃取-氣質聯用技術已廣泛應用于各行各業揮發性物質的提取分析，并取得了很好的成果。近年來，相關食品揮發性物質的研究報道逐年增加，頂空固相微萃取與氣相-質譜法結合應用于食品自身特有風味物質的檢測加工及貯藏過程中揮發性物質變化的研究也取得了較好的成就。然而食品是一種非常復雜的基質，揮發性物質種類及不穩定因素繁多，所以頂空固相微萃取-氣質聯用技術未來的發展方向應集中于纖維涂層的研究、萃取頭的選擇、萃取分離條件的優化及多種萃取方式聯用的開發研究，從而擴大HS-SPME-GC-MS技術的應用范圍，為食品的研究開發作出貢獻。