靜態頂空/氣相色譜－質譜聯用法測定食品接觸用紙中的揮發性氣味物質及其貢獻度分析

張珍紅，林勤保*，景 波，李 烴

（1．暨南大學 包裝工程研究所，產品包裝與物流廣東普通高校重點實驗室，廣東 珠海 519070；2．拱北海關技術中心，廣東 珠海 519020）

紙包裝材料具有輕量便于運輸、成型性和印刷適性優良等特性，是食品包裝領域中一種重要的包裝材料。近年來，隨著“限塑令”政策的出臺和全民環保意識的提升，紙張在食品包裝中應用也越來越廣泛。然而食品接觸用紙的“異味”是限制紙包裝在食品行業發展的主要原因之一[1]。我國國家標準GB 4806．8－2016[2]規定食品接觸材料遷移或擴散到食物中的成分不應改變食物的品質與風味；歐盟相關條令89/109/EEC[3]也強調：包裝材料中所有物質無論是有意添加物還是非有意添加物遷移到食品中，既不得影響食物的感官特色也不能對人體健康有害；美國食品藥品監管局（FDA）在21 CFR 174．5[4]中提到食品包裝如果被檢測存在會使食品出現異味的物質，即使該物質為可安全使用的食品添加劑，仍認定生產商違反了聯邦食品法。

目前針對食品接觸用紙中的揮發性物質分析通常采用感官測試和儀器檢測兩種方式[5]。感官測試真實模擬了消費者的直觀感受，然而這種感受是多種揮發性氣味物質共同作用的結果，難以獲悉氣味的具體組分，需要借助儀器鑒別。儀器檢測不僅包括儀器的選用，也涉及揮發性有機化合物的萃取等樣品前處理問題。傳統的揮發物萃取方式為固相萃取[6]、液液萃取[7]等，這些萃取方式過程繁雜，耗費大量的人力和物力，同時還可能引入不必要的復雜成分而影響實驗結果的準確性。靜態頂空因其優異的揮發性物質萃取能力和簡化的前處理過程，被廣泛應用于揮發性氣味物質的分析[5]。

紙包裝中的“異味”是國內外許多學者研究的焦點。Czerny等[8]將紙板中的氣味物質萃取并稀釋后采用高分辨氣相色譜－質譜儀進行分析，結果顯示紙板中存在產生臭味的化合物；Vera等[9]研究了PP、PE、紙和紙板等食品包裝材料中的異味化合物，在紙質食品包裝材料中檢出具有油脂氣味的三甲苯和具有微弱木香的萜烯，指明了紙板中油脂味的一種產生途徑；張宜彩等[10]利用頂空－氣相色譜－質譜（GC－MS）聯用法結合保留指數（RI）在19種食品包裝用紙中鑒定出可能對食品風味產生影響的36種成分，并分析各組分的氣味特性及其來源，為紙包裝“異味”溯源提供了一定的數據支撐。為縮小紙張“異味”的來源范圍，本文開展進一步深入研究，對食品接觸用紙中鑒別出的氣味物質分級，找出解決“異味”問題需要重點關注的物質，旨在為食品接觸用紙生產工藝的優化奠定基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

6種來自國內外不同供應商的食品接觸用原紙（包括直接接觸和間接接觸），編號為P1～P6，其中P1為珠海某公司生產的食品級食品接觸用紙；P2為寧波某公司生產的非食品級吸塑卡紙；P3和P4均為山東某公司的非食品級白卡紙；P5、P6為進口食品級原紙，分別生產于美國某公司和歐洲某公司。紙樣的相關信息如表1所示。

表1 實驗樣品及相關信息Table 1 Experimental samples and related informations

1.2 試劑與儀器

質量濃度為1 000 mg/L的C7～C40正構烷烴標準溶液（色譜純，美國Sigma－Aldrich公司）；正己烷（色譜純，美國Tedia試劑公司）。

7890A－5975C氣相色譜－質譜聯用儀、7697A頂空進樣器（美國Agilent公司）；AR224CN電子天平（常州奧豪斯儀器有限公司）；20 mL頂空瓶，配3．0 mm厚度的聚四氟乙烯硅膠墊片鉗口瓶蓋（美國Agilent公司）；MS－DIAL軟件，版本為Version 4．48（日本Riken可持續資源科學中心）。

1.3 儀器條件

靜態頂空條件：加熱箱（即平衡溫度）：120℃；定量閥/環：130℃；傳輸線：140℃；樣品瓶平衡時間：30 min；壓力平衡時間：0．5 min；進樣時間：0．5 min。

GC－MS條件：Agilent HP－5MS色譜柱（30 m×0．25 mm，0．25μm）；后進樣口：220℃；離子源：230℃；四極桿：150℃；傳輸線：280℃；載氣：高純氦（99．99%）；壓力：46 718．8 Pa；隔墊吹掃流量：3．0 mL/min；隔墊吹掃流量模式：標準；進樣模式：不分流；升溫程序：初始溫度35℃，保持2 min，以5℃/min升至70℃，恒溫保持2 min，再以10℃/min升至260℃，保持5 min。

電離方式：EI；電離能量：70 eV；溶劑延遲：4 min；采集方式：全掃描；質量掃描范圍：m/z35～550 aum。

1.4 實驗方法

1.4.1 樣品處理將紙樣分別剪成面積約為25 mm2的正方形碎片，混合均勻。準確稱取2．0 g紙樣（精確至0．001 g）置于20 mL頂空瓶中，密封后待測。每種樣品3個平行，并設置空白對照。為避免樣品受到污染，整個過程應迅速有效。

1.4.2 保留指數的計算吸取0．1 mL質量濃度為1 000 mg/L的C7～C40正構烷烴標準溶液，置于10 mL容量瓶中，用正己烷定容至10 mg/L。

快速量取100μL質量濃度為10 mg/L的正構烷烴標準溶液于頂空瓶內，密封后待測。由于本實驗中GC?MS升溫程序是非線性的，在兩個線性升溫之間設有恒溫平臺，因此分別利用Van Den Dool等[11]推算的線性升溫公式（式1）和恒溫公式（式2）計算紙樣中升溫段和恒溫段中各化合物的RI。

上式中，Z表示在目標組分之前流出的具有最大碳數的正構烷烴的含碳數，一般≥4；Tx表示目標組分流出時的保留時間；TZ表示碳原子個數為Z的正構烷烴的保留時間，TZ+1表示碳原子個數為Z+1的正構烷烴的保留時間。

1.4.3 揮發性成分分析定性分析[10]：借助保留指數定性是目前國際上鑒別揮發性化合物的一種公認的有效手段[12－13]。計算每個未知色譜峰下匹配度值大于80的參考物質的保留指數RIx，通過與文獻在相同實驗條件下所測定該物質的參考保留指數值對比，確定未知色譜峰對應的揮發性物質，以上定性步驟借助MS?DIAL軟件完成，為避免柱流失對實驗結果的影響，將各樣品扣除空白。將定性出的揮發性物質在網站https：//www．chemicalbook．com/查詢其CAS號，再根據CAS號利用化合物氣味信息檢索網站http：//www．flavornet．org/flavornet．html或查閱相關文獻，確定揮發性物質中可能會對人體造成感官影響或危害的成分的氣味特征。

半定量分析：對每個化合物的響應峰利用峰面積歸一法得到其相對含量，定量結果以百分數表示，并用Microsoft Excel 2016計算平均值和標準偏差。

1.4.4 相對氣味活性值評價氣味貢獻度根據文獻[14]，本實驗采用綜合考慮各組分相對含量和感覺閾值2種指標的相對氣味活性值（ROAV）評價不同揮發性氣味物質的貢獻度。將每種紙樣中最高的ROAV定為100，并按式3計算紙樣中其他組分的ROAVx。

式中，c%x、c%1分別為目標組分和ROAV最高組分的相對含量，dx、d1分別為目標組分和ROAV最高組分的感覺閾值。一般認定ROAV≥1時，該化合物為主體氣味物質，對總體氣味起決定性作用；而0．1≤ROAV＜1的組分則為輔助氣味物質，對總體氣味起輔助或修飾作用[14]。

2 結果與討論

2.1 靜態頂空條件的優化

在頂空進樣中樣品瓶的平衡溫度與時間將直接影響檢測效率和檢測結果。通過查閱文獻[9－10,15]以及考慮到此類包裝用紙在整個生命周期過程可能經歷的生產、使用及存儲條件，選擇不同的平衡溫度（80、100、120℃）與平衡時間（20、30、40 min）優化頂空條件。

因在預實驗中發現P5、P6兩種紙樣中的揮發性物質更為豐富，選取此兩種紙樣先固定30 min平衡時間對平衡溫度進行優化。圖1為P6樣品在不同平衡溫度下的總離子流圖，可以看出80℃下待測化合物的響應較差，揮發性成分難以揮發出來，而隨著溫度的升高，揮發性物質的響應峰值明顯上升，萃取效率也大幅提升。考慮到紙和紙板在生產過程中的最高溫度可達125℃，主要在120℃左右浮動，為確保實驗結果的真實性，選擇樣品平衡溫度為120℃。

圖1 典型紙樣（P6）在不同平衡溫度下的總離子流圖Fig．1 Total ion chromatograms of typical paper sample（P6）at different equilibrium temperatures temperature：a．80℃；b．100℃；c．120℃

在平衡溫度120℃下，考察了平衡時間分別為20、30、40 min時的色譜響應。結果顯示，平衡時間為20 min時，紙樣中含量較低的揮發性化合物未被完全富集，導致得到的色譜峰數量少，且響應低，而30 min與40 min檢測出的色譜峰差異不大。因此綜合考慮富集效果和效率，選擇平衡時間為30 min。

2.2 不同紙樣中揮發性氣味物質分析

基于優化的條件，對不同紙樣進行揮發性氣味物質的分析，典型紙樣的總離子流色譜圖見圖2。6種原紙中共檢出119種化合物，其中采用MS－DIAL定性了106種揮發性和半揮發性有機化合物，包括醛類、酮類、酯類、醇類、胺類、醚類、羧酸類、烷烴類、烯烴類、環烷烴、環烯烴、芳香烴、雜環類以及含有溴、氯等雜元素化合物等14類。根據化合物氣味譜庫，鑒別出包括醛類、酮類、醇類、烷烴類、芳香烴類、烯烴類、雜環類、酯類、醚類和羧酸類等51種揮發性氣味物質（表2）。整體上，P5、P6中含有的揮發性氣味成分較為豐富，這兩種紙樣均為化學漿。檢測到的揮發性氣味成分的氣味閾值及6種原紙中上述物質的ROAV值見表3。

圖2 典型紙樣（P6）的總離子流圖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種原紙中的揮發性氣味成分及其相對含量（n=3）Table 2 Volatile flavor components and their relative contents in the six base papers（n=3）

（續表2）

（續表2）

表3 6種原紙中揮發性氣味成分的相對氣味活性值Table 3 Relative odor activity values of volatile flavor components in the six base papers

（續表3）

由表2～3可知，在原紙的揮發性氣味物質中，醛類化合物種類最多。醛類化合物的生成途徑通常為不飽和脂肪酸的裂解或氧化[17]。食品接觸用紙在生產過程中采用熱磨或化學試劑蒸煮等物理或化學手段制漿，使針葉林、草類植物等原材料中的不飽和脂肪酸（如油酸）發生熱降解和氧化反應，產生了各種醛類物質。本研究檢出的醛類物質及其氣味貢獻主要如下：①（E）-2-己烯醛：因其具有蘋果和綠葉的清香也被命名為葉醛，僅在P5中檢出，相對含量小，且ROAV值為0．01，為輔助氣味物質，對P5紙樣的總體氣味起到修飾作用。葉醛存在于蘋果、番茄等果蔬中，同時因其優異的抗菌性能被應用于果蔬的保鮮中[18]。②庚醛：6種原紙均檢出庚醛，其在P5中的相對含量較高，同時在P3、P4中的ROAV值均超過1，是構成P3、P4中紙味的關鍵氣味成分。庚醛具有較強的刺激性氣味，當其濃度較低時表現為脂肪和柑橘香氣，另外其本身的酸腐味會給食品接觸用紙帶來負面的感官評價，是造成紙張“異味”組分中值得重點關注的物質之一。③苯甲醛和壬醛：在6種原紙中均有檢出，苯甲醛在不同紙樣中的相對含量比例較高，均在2．77%及以上，同時其閾值較高，是除P5外其余紙樣中重要的關鍵氣味物質，其氣味特點中和了杏仁的苦澀味、焦糖的焦甜味和櫻桃的鮮香，它天然存在于植物中，其含量可能與造紙原材料所選用的植物種類有關；壬醛是紙和紙板中常見的氣味化合物[9]，在6種原紙中的ROAV非常高，是對紙味影響很大的關鍵的主體氣味化合物，表現為脂肪香、柑橘香以及嫩綠植物的清香。④（E）-2-壬烯醛和（E，E）-2，4-壬二烯醛：同為含有碳碳雙鍵的不飽和C9醛，具有相似的油脂味和植物清香，二者均為紙味中的主體氣味成分，尤其是后者的ROAV值為100，是最關鍵的氣味物質，僅在P1、P5和P6 3種食品級原紙中檢出。可同時表現出肥皂味、橘子檸檬味和脂肪味的癸醛為紙樣中的關鍵氣味組分，這類氣味會使人產生一定的排斥感。綜上，氣味化合物在不同種類紙樣中的貢獻度有較大差異，在食品接觸用紙中主要的關鍵揮發性醛類氣味物質為（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]中這些醛類物質被允許添加在食品用香料中；而在FDA法規[21]中以上物質僅壬醛被列為可添加的合成香料。

酮類屬于羰基化合物，在食品接觸用紙中種類較多，共檢出10種酮類物質。酮類一般由脂類物質或氨基酸降解產生[17,22]。在6種原紙中P6的酮類物質種類最多，相對含量最高，為17．19%，其中，1-辛烯-3-酮的金屬味會對P6總體氣味產生負面影響；甜奶油味的2，3-辛二酮是亞油酸經脂氧合酶氧化的產物[17]。食品接觸用紙中主要的關鍵酮類氣味物質有：肥皂味的2-庚酮（P5、P6中）、甜辣味的環己酮（P2、P4中）和帶有霉味、苦杏仁味及花香的苯乙酮（P4、P6中），它們在大部分紙樣中均有檢出。P5中檢出的異噻唑啉酮，具有刺鼻的化學試劑味、金屬味和燒焦味，會引起與紙接觸的食品風味變化。異噻唑啉酮具有一定的毒性，主要來源于造紙過程中添加的異噻唑啉酮類殺菌防腐劑，是需要重點關注的氣味組分[23]。

醇類物質僅在P2、P5和P6中檢出，P2中檢出的2-乙基己醇是關鍵氣味成分，有類似玫瑰花的香味和未成熟綠色植物的清香。2-乙基己醇是生產消泡劑的原材料，還常用于紙張上漿[24]。P5和P6均檢出的帶有刺激性化學味的正庚醇、蘑菇味的1-辛烯-3-醇和具有油脂香及花香的十二醇是紙中的輔助氣味化合物，對紙味的直接貢獻小。P5還發現了有負面氣味特征的辛醇，它表現為化學試劑味、金屬味和燒焦味，是主要的輔助氣味物質。紙中含有該成分可能與生產商采用辛醇作為紙漿消泡劑有關[25]。

原紙中還檢出C13～C18的正構烷烴，它們均含有烷烴特有的味道，正十八烷是P4、P5和P6中的關鍵氣味組分。紙中正構烷烴來源于造紙必需原料煤焦油，同樣在造紙廢水中也發現了這類物質[26]。苯乙烯的ROAV值很高，是產生紙味的關鍵氣味物質之一，具有刺激性的汽油味和香醋味。苯乙烯常在造紙工業中作為濕部的增強劑和助流助濾劑以及干部的表面施膠劑（如苯乙烯－馬來酸酐聚合物（SM）表面施膠劑）的合成原料[27－28]。因此，無論是保證食品接觸用紙的安全還是解決紙“異味”問題，苯乙烯均是實際生產加工中值得重點關注的對象。萘存在于所有紙樣中，僅為P4的主體氣味成分，但其ROAV值均大于0．1，為其他紙樣中的重要輔助氣味成分，因此其焦油味對紙的總體氣味貢獻度相對較高。食品接觸用紙中的萘是在采用植物纖維原料造紙時，原料中木質素的苯丙烷基團之間的醚鍵在水解過程中發生斷裂而產生[29]。

在6種紙中均檢出2-正戊基呋喃，其是紙中的關鍵氣味揮發性化合物，有奶油和青豆味。2-正戊基呋喃廣泛存在于各種熱加工食物中，其來源有：碳水化合物的熱裂解反應[30]；脂類（如亞油酸、亞麻酸）的熱氧化[31]。

紙中也檢出具有水果香氣和沁人花香的庚酸甲酯、甲酸庚酯、丙位辛內酯和辛酸正丁酯4種酯類，二丁醚和新癸酸也有類似香氣，雖然未查閱到其相關閾值，但它們達到一定量時可能會使與食品接觸用紙接觸的食品風味更佳，也可能與食品發生拮抗作用而惡化食品的風味。

在確定的51種揮發性氣味物質中，（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檢出的紙樣中的最小相對氣味活性值分別為100、30．77、18．16、2．05、2．04、1．86和1．06，均大于1，因此這7種物質是6種食品接觸用紙中的關鍵氣味成分，對食品接觸用紙的紙味起決定性作用。

3 結 論

本文以6種食品接觸用原紙為樣品，利用靜態頂空提取紙樣中的揮發性有機化合物，借助MSDIAL軟件結合NIST14質譜庫和色譜保留指數對GC－MS檢測結果定性，通過ROAV評價揮發性氣味物質的貢獻度。結果發現：食品接觸用紙中對紙味有重要貢獻的關鍵揮發性氣味物質為（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，是在生產實踐中解決食品接觸用紙“異味”需重點關注的物質。本研究結果能對食品接觸用紙行業開展工藝改進和揮發性氣味物質檢測提供技術支持。