頂空-氣相色譜-質(zhì)譜法結(jié)合保留指數(shù)分析食品包裝用紙中揮發(fā)性氣味成分

張宜彩,林勤保*,黃湛艷,李忠,李烴

1(暨南大學(xué) 包裝工程研究所,廣東普通高校產(chǎn)品包裝與物流重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 珠海,519070) 2(珠海市食品藥品檢驗(yàn)所,廣東 珠海,519015)3(拱北海關(guān)技術(shù)中心化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室,廣東 珠海,519015)

食品質(zhì)量的提高主要體現(xiàn)在避免感官特性的改變及營養(yǎng)成分的損失[1]。其中,食品包裝材料因異味會(huì)造成食品感官特性的改變而受到人們?cè)絹碓綇V泛的關(guān)注。隨著“限塑令”政策的出臺(tái),食品包裝用紙和紙板將會(huì)成為最主要的食品包裝材料之一,這就需要食品包裝用紙和紙板符合感官特性及食品質(zhì)量安全的要求。氣味物質(zhì)一般為揮發(fā)性或半揮發(fā)性化合物,分子質(zhì)量較低,大多數(shù)在300 u以下[2]。所以,需要特別關(guān)注食品包裝用紙和紙板中揮發(fā)性氣味物質(zhì)的遷移帶來的影響,一方面是因?yàn)閾]發(fā)性氣味物質(zhì)改變食品本身的品質(zhì),影響口感；另一方面,由于部分氣味物質(zhì)本來具有一定的毒性,長期使用可能會(huì)給消費(fèi)者的健康帶來潛在威脅[3]。

為保證食品品質(zhì)和質(zhì)量安全,歐盟食品接觸材料框架法規(guī)EC No.1935/2004[4]中,明確規(guī)定了“對(duì)于材料和制品,其成分向食品的遷移量不會(huì)導(dǎo)致食品成分發(fā)生不可接受的變化或食品感官特性的劣變”。美國聯(lián)邦法規(guī)21 CFR 174《非直接食品添加劑》[5]規(guī)定,食品包裝材料不可以給所包裝食品帶來不可接受的氣味。此外,GB 4806.1—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品接觸材料及制品通用安全要求》[6]中規(guī)定“食品接觸材料及制品在推薦使用的條件下與食品接觸時(shí),遷移到食品中的物質(zhì)不應(yīng)造成食品成分、結(jié)構(gòu)或色香味等性質(zhì)的變化”。由此可見,食品接觸材料中的物質(zhì)不能改變所包裝食品本身的感官特性。

目前,針對(duì)揮發(fā)性氣味物質(zhì)的檢測(cè)技術(shù)主要有感官評(píng)價(jià)、電子鼻[7-8]、頂空-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(headspace gas chromatography-mass spectrometry,HS-GC-MS)[9-13]、固相微萃取-氣相色譜法或氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(solid phase microextraction and gas chromatography mass spectrometry,SPME-GC-MS)[14-17]及氣相色譜-嗅聞-質(zhì)譜聯(lián)用法(gas chromatography olfactometry mass spectrometry,GC-O-MS)[1,18-19]等。其中,感官評(píng)價(jià)法對(duì)感官人員的要求較高,分析過程比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且結(jié)果具有一定的主觀性；電子鼻可以快速識(shí)別出多種氣味,但是無法對(duì)單個(gè)物質(zhì)進(jìn)行鑒定；HS-GC-MS、HS-SPME-GC/MS及GC-O-MS等質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)可以相對(duì)準(zhǔn)確地對(duì)氣味物質(zhì)進(jìn)行定性定量分析,以HS-GC-MS的前處理比較簡(jiǎn)單,且儀器成本較低。因此,本實(shí)驗(yàn)采用HS-GC-MS法對(duì)食品包裝用紙和紙板中的揮發(fā)性氣味物質(zhì)進(jìn)行成分分析。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

材料：漿板3種(編號(hào)為S1～S3),食品包裝用紙16種(編號(hào)為S4～S19),由珠海某公司提供,具體信息見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品的具體信息

試劑：1 000 mg/L正構(gòu)烷烴(C7～C40)混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(色譜純),Sigma-Aldrich貿(mào)易有限公司(中國)。

1.2 儀器與設(shè)備

7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜儀、7697A頂空進(jìn)樣器、20 mL頂空瓶,Agilent公司(美國)；AR224CN電子天平,奧豪斯儀器有限公司(中國)；DRK203B測(cè)厚儀,德瑞克儀器有限公司(中國)。

1.3 靜態(tài)頂空-氣質(zhì)條件

平衡溫度150 ℃；定量環(huán)160 ℃；傳輸線170 ℃；平衡時(shí)間30 min；GC循環(huán)時(shí)間45 min；進(jìn)樣時(shí)間0.5 min；壓力平衡時(shí)間0.5 min。

氣相色譜-質(zhì)譜條件：

(1)氣相條件：HP-5MS色譜柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm)；后進(jìn)樣口250 ℃；離子源230 ℃；四級(jí)桿150 ℃；傳輸線：80 ℃；載氣為氦氣；流速1.0 mL/min；分流比為10∶1；升溫程序,初始溫度40 ℃,保持2 min,以10 ℃/min的速度升至280 ℃,保持6 min。

(2)質(zhì)譜條件：電離方式為EI；電離能量70 eV；溶劑延遲2 min；質(zhì)量掃描范圍(m/z)35～550。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 樣品處理

將樣品剪成規(guī)格約5 mm×5 mm,分別準(zhǔn)確稱取2 g樣品(精確至0.01 g),放入20 mL頂空進(jìn)樣瓶中,迅速密封,待測(cè)定。每種樣品采取3個(gè)平行。

1.4.2 保留指數(shù)的計(jì)算

取正構(gòu)烷烴標(biāo)準(zhǔn)品準(zhǔn)確稀釋至10 mg/L,取100 μL至頂空瓶中,迅速密封,按照實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行上機(jī)檢測(cè)及分析,利用NIST 17譜庫進(jìn)行檢索,并記錄各自正構(gòu)烷烴的保留時(shí)間,采用線性升溫公式(1)[20]計(jì)算樣品中各組分的保留指數(shù)。

(1)

式中：RIc,保留指數(shù)計(jì)算值；n,正構(gòu)烷烴的碳數(shù)；tx,被測(cè)組分的保留時(shí)間,min；tn,碳數(shù)為n的正構(gòu)烷烴的保留時(shí)間,min；tn+1,碳數(shù)為n+1的正構(gòu)烷烴的保留時(shí)間,min。

2 結(jié)果與分析

2.1 頂空進(jìn)樣條件的優(yōu)化

考慮到樣品中有防油紙,可能會(huì)被放置在微波爐等高溫條件下使用,因過高的溫度可能會(huì)引起樣品中化合物發(fā)生氧化及降解[9],所以選擇平衡溫度為150 ℃,分別設(shè)置平衡時(shí)間為10、20、30、40 min,隨著時(shí)間的延長,樣品中化合物的響應(yīng)值也隨之增加,但在30和40 min條件下,對(duì)應(yīng)的各種化合物的種類及響應(yīng)基本一致。為了節(jié)省時(shí)間和成本,最終確定平衡溫度為150 ℃,平衡時(shí)間為30 min。

2.2 食品包裝紙中揮發(fā)性氣味物質(zhì)的成分分析

利用建立的HS-GC-MS方法,分別對(duì)19種食品包裝用紙中揮發(fā)性氣味物質(zhì)進(jìn)行分析。其中,樣品S7的總離子流圖如圖1所示。利用NIST17檢索庫對(duì)各個(gè)樣品的譜圖進(jìn)行識(shí)別、匹配,每個(gè)色譜峰選取匹配度最高的5個(gè)化合物,依公式(1)計(jì)算其RI值(記為RIc),并通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)及網(wǎng)站(http://webbook.nist.gov/chemistry/)得到RI參考值(記為RIf),兩者進(jìn)行比對(duì),以質(zhì)譜圖和保留指數(shù)匹配度最高的化合物來確定揮發(fā)性化合物,接著查閱氣味物質(zhì)網(wǎng)站(https://www.flavornet.org/),篩選確定出19種樣品中的揮發(fā)性氣味物質(zhì)。最后,采用峰面積歸一法計(jì)算各組分的相對(duì)含量,其定量結(jié)果為3次平行實(shí)驗(yàn)的平均值,如表2所示。

圖1 樣品S7總離子流圖

19種食品包裝用紙中通過譜庫檢索及結(jié)合保留指數(shù)共檢測(cè)出113種揮發(fā)性化合物,通過氣味物質(zhì)譜庫檢索及查閱相關(guān)文獻(xiàn),最終確定出36種揮發(fā)性氣味物質(zhì)(見表2),分別為醛類、羧酸類、酮類、烯烴類、呋喃類、醇類,酚類及含硫化合物共8大類。其中,醛類化合物共17種(相對(duì)含量70.46%),羧酸類化合物共3種(相對(duì)含量18.90%),酮類化合物共6種(相對(duì)含量3.45%),烯烴類化合物共4種(相對(duì)含量2.73%),呋喃類化合物共1種(相對(duì)含量1.64%),醇類化合物共3種(相對(duì)含量1.15%),酚類化合物共1種(相對(duì)含量0.83%),含硫化合物共1種(相對(duì)含量0.85%),相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.4%～9.7%。

表2 食品包裝用紙中氣味物質(zhì)成分分析

糠醛在本實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)出的相對(duì)含量占比最高,比值為38.95%,具有杏仁味、面包香、木香及烘烤食品的氣味[21-22]。它的生成途徑主要有2種：一是木糖在酸性條件下分子內(nèi)脫水環(huán)化而成；二是由5-羥甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural,5-HMF)受熱裂解生成。雖然5-HMF具有良好的生物學(xué)作用,如抗過敏、體外抗氧化等[23-24],但同時(shí)具有一定的基因毒性、致突變性、致癌性和酶抑制作用[25-26]。目前對(duì)于5-HMF的安全性尚存在較大爭(zhēng)議,但是避免食品包裝材料在高溫條件下使用,可以提高其安全性。

此外,醛類化合物還包括苯甲醛、己醛、庚醛、辛醛、(E)-2-辛烯醛、壬醛、癸醛、枯茗醛、(E)-2-癸醛、十一醛、十二醛、十三醛、十四醛、十五醛和十八醛。苯甲醛具有甜味、果香、杏仁味或櫻桃味,這主要取決于其濃度高低,低濃度的苯甲醛多表現(xiàn)為杏仁香,而高濃度的苯甲醛則會(huì)產(chǎn)生水果香[27]。苯甲醛在回收紙或紙板中含量相對(duì)較高[2],它還可以作為涂料或油墨的組成成分[1]。己醛、庚醛、辛醛、(E)-2-辛烯醛、壬醛、癸醛、(E)-2-癸醛等具有相似的氣味特征,主要為脂肪香、肥皂味或柑橘味,它們可能是造成食品包裝用紙出現(xiàn)脂肪味等氣味的來源。特別地,庚醛具有強(qiáng)烈而不愉快、刺鼻性的氣味,其貢獻(xiàn)較大[28]。此外,壬醛在所有樣品中檢出率較高,相對(duì)含量也較高,其本身具有的脂肪香和柑橘香,對(duì)食品包裝用紙的氣味貢獻(xiàn)值相對(duì)較大。枯茗醛、十一醛、十二醛分別表現(xiàn)為酸臭味、辛辣味及蠟味,這些氣味均會(huì)對(duì)所包裝食品的氣味產(chǎn)生負(fù)面影響。而十四醛、十五醛具有花香的清新香氣,一定濃度下可以讓被包裝食品的氣味更加飽滿。研究表明,16個(gè)碳原子以上的醛類、羧酸類、醇類和酯類等物質(zhì)在食品中正常的濃度范圍內(nèi)幾乎沒有氣味[29],所以十八醛對(duì)于樣品的感官貢獻(xiàn)較小。

19種樣品中,僅S12未被檢測(cè)出乙酸。乙酸濃度過高會(huì)產(chǎn)生酸臭、辛辣、刺激性氣味[30],對(duì)被包裝食品的氣味影響較大,是重要的氣味關(guān)注物質(zhì)。甲酸具有相似的性質(zhì)。壬酸具有青草味的感官特征,且僅在S7中有所檢出,說明對(duì)整體食品包裝材料的貢獻(xiàn)值較小。此外,由表2可知,樣品S1中乙酸的相對(duì)含量最高,這主要是由于S1是機(jī)械漿,生產(chǎn)工藝不同于化學(xué)漿S2、S13,直接將木材通過機(jī)械方法研磨成纖維,導(dǎo)致這一過程中可能會(huì)有大量的乙酸殘留。同時(shí)這也充分證明食品包裝用紙中的乙酸主要來自于紙漿原材料。

2-乙基-1-己醇具有青草香味,通常用來作為溶劑或者是制備增塑劑的前體物質(zhì)[1]。由表2可以看出,樣品S7中2-乙基-1-己醇的相對(duì)含量最高。此外,萜品醇,2-戊基呋喃分別具有薄荷香味及青草香味。

苯乙酮、2-庚酮、2-十一酮等這些酮類物質(zhì)一般具有花香味、水果香或奶香味,其中,2-十一酮被認(rèn)為是重要的牛奶奶香的來源[31],所以這些物質(zhì)在奶制品中具有積極作用,可以使其口感更加飽滿。

樣品中還檢測(cè)到了幾種烯烴,分別是苯乙烯、長葉烯、δ-杜松烯和α-二去氫菖蒲烯。苯乙烯具有香料味,長葉烯、δ-杜松烯和α-二去氫菖蒲烯具有木香味,而且長葉烯是組成植物(如松樹)樹脂中的天然成分,是生產(chǎn)紙和紙板的原材料[1]。這些物質(zhì)對(duì)食品包裝用紙呈現(xiàn)出木質(zhì)香味產(chǎn)生了直接作用。

最后2種氣味物質(zhì)分別為具有洋蔥氣味的二硫化物和具有草本味的愈創(chuàng)木酚。二硫化物是奶酪等奶制品中重要的香氣成分[32],而愈創(chuàng)木酚主要出現(xiàn)在煙熏制品中,通常被認(rèn)為是煙熏氣味的關(guān)鍵氣味物質(zhì)[33],本實(shí)驗(yàn)的樣品中出現(xiàn)這2種化合物,可能是因?yàn)樵O(shè)置平衡溫度相對(duì)嚴(yán)苛所致。

研究顯示,食品包裝用紙或紙板的氣味是由大量的揮發(fā)性氣味化合物組成。木材主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成[33]。在實(shí)際生產(chǎn)及使用過程中,纖維素的主要熱解產(chǎn)物是糠醛、糠醇和呋喃酮等,半纖維素的熱解產(chǎn)物中酮類和呋喃類物質(zhì)含量較高,而木質(zhì)素主要熱解生成酚類物質(zhì)[34]。除了儲(chǔ)存及使用溫度,水分及儲(chǔ)存時(shí)間同樣對(duì)食品包裝用紙或紙板中揮發(fā)性氣味物質(zhì)的產(chǎn)生具有重要影響。研究表明,在浸濕紙和紙板的過程中會(huì)釋放出更多的活性氣味化合物,這是因?yàn)樗挚梢耘c紙或紙板內(nèi)部的氣味物質(zhì)發(fā)生溶解作用,從而更容易引起被包裝食品內(nèi)部發(fā)生氣味變化[35-36]。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用HS-GC-MS法快速檢測(cè)19種食品包裝用紙/紙板中揮發(fā)性氣味成分,通過計(jì)算保留指數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確定性分析,采用峰面積歸一法得到定量結(jié)果。共檢測(cè)出36種揮發(fā)性氣味成分,主要包括醛類物質(zhì)17種,酮類化合物6種,烯烴類化合物4種,羧酸類化合物3種,醇類化合物3種,呋喃類化合物1種,酚類化合物1種及含硫化合物1種。其中,糠醛、苯甲醛、2-戊基呋喃、乙酸、2-乙基-1-己醇、苯乙烯等揮發(fā)性氣味物質(zhì)檢出率較高,其相對(duì)含量也較高。由本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在高溫使用條件下,食品包裝用紙中存在的揮發(fā)性氣味物質(zhì)的種類較多且相對(duì)含量也較高。這些氣味物質(zhì)往往因具有揮發(fā)性而易遷移到食品中,從而可能會(huì)引起所包裝食品的品質(zhì)發(fā)生劣變,給消費(fèi)者帶來較差的感官體驗(yàn),甚至可能會(huì)喪失對(duì)品牌的信心,此外,部分氣味物質(zhì)本身具有一定的毒性,可能會(huì)給人體健康帶來潛在的危害。因此,盡量避免高溫條件下使用食品接觸用紙以及在生產(chǎn)過程中減少存在潛在危害性物質(zhì)的添加，對(duì)于提高食品接觸用紙的安全性及保障人們的健康具有重要意義。