基于氣相色譜-離子遷移譜技術的花生油風味成分分析方法研究

任凌云, 董 斌, 王瑞杰, 江媛媛, 楊琳琳, 劉文哲

(山東省糧油檢測中心, 濟南 250012)

我國是食用植物油消費大國,占世界脂質消耗總量的75%以上[1,2]。花生油作為花生加工主要的農副產品,因色澤淡黃、透明清亮、氣味芬芳、滋味可口的特性,深受我國消費者喜愛[3]。同時,花生油脂肪酸組成中油酸、亞油酸和亞麻酸等不飽和脂肪酸的質量分數達80%,易于人體腸道消化吸收,日益成為我國重要的食用植物油[4-6]。

隨著大眾消費水平和健康意識的提升,油脂感官品質判定中,油脂風味物質成為重要評判依據[7]。據研究,花生油的獨特濃郁風味,是由多種揮發性物質協同作用的結果,醛類和氮氧雜環化合物(吡嗪類、呋喃類等)發揮著重要作用[8-10]。而花生油VOCs的種類和含量受多方面的影響,加工原料、生產工藝、儲存環境的差異,都會導致油脂揮發性物質的變化[4,11,12]。目前,預榨浸出、高溫壓榨及冷榨等是市售花生油主要的制作工藝,濃香型花生油是花生仁經過破碎軋胚蒸炒或者整粒烘烤后,高溫壓榨而成,榨取的花生油帶有濃郁香味,并且花生油中營養成分和生理活性成分也得以保留[12-14];清香型花生油則采用低溫壓榨和低溫過濾工藝,制油工藝很大程度上保留傳統制油工藝的特點,能夠減少油料中蛋白質的變性和破壞[15,16]。在油脂的選擇上,花生油VOCs的品牌間差異性較為顯著,同品牌的不同工藝,揮發性物質保留度也不盡相同[17]。因此,研究食用油自身的揮發性物質成分組成,對調控加工食品的風味、提高人民生活品質具有重要意義[5]。

植物油脂風味檢測中,感官檢測法、常規理化指標檢測法、色譜法、光譜法等方法是國內外常用的檢測方法[18-21]。油脂生產企業感官檢測中,標準大多由技術員憑經驗和感官掌握,受自身局限性的影響,工作效率低、精準性差、產品一致性差異大[22]。如何快速實現植物油脂種類風味的科學鑒別、精準識別油脂摻假及含量的檢測、確保食用植物油風味品質一致性和穩定性,將成為質檢技術人員與生產企業品控人員共同面臨的問題,也是眾多大型油脂企業轉向現代化產業升級的重要一環[5]。

氣相色譜-離子遷移譜(GC-IMS)技術中,氣相色譜(GC)能夠實現樣品的高效分離,離子遷移光譜(IMS)作為痕量快速分析檢測技術,可以通過氣相中不同的氣相離子在電場中遷移速度的差異對化學物質進行表征,具有靈敏度高、操作簡單、分析時間短、檢測成本低的特性[23],使得GC-IMS成為食用植物油的風味分析以及摻假測定、分類等問題新的解決方式。簡易快捷、分辨率高、準確性好的特點使其已廣泛應用于農業食品安全和質量控制領域[24,25]。

研究以GC-IMS技術為基礎,對不同種類花生油進行風味成分分析,確定各食用植物油中的關鍵風味物質并分析其共性和差異,深入探究油脂風味與工藝、原料等因素的關系,以期為食用植物油特征香氣的表征分析及食品風味加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及試劑

實驗所用的2種香型成品花生油,2種工藝的原料油總共39個樣品,均來自山東臨沂,詳細信息見表1。

表1 花生油樣品信息

標準物質：2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮,純度均≥99%。

注：Ⅰ、Ⅱ為同種工藝、不同批次的產品。

1.2 儀器與設備

FlavourSpec 1H1-00053型氣相色譜離子遷移譜,CTC-PAL自動進樣裝置,石英毛細管柱,FS-SE-54-CB-1 (15 m×0.53 mm,0.5 μm);感量0.001 g電子天平。

1.3 GC-IMS 測定條件

1.3.1 頂空進樣條件

頂空孵化溫度：90 ℃;孵化時間：5 min;加熱方式：振蕩加熱;頂空進樣針溫度：75 ℃;進樣量：500 μL,不分流模式;載氣：高純氮氣 (純度≥ 99.999%);清洗時間：0.5 min。

1.3.2 GC條件

色譜柱：含5%苯基的二甲基聚硅氧烷的毛細管柱,柱長15 m,內徑0.53 mm,膜厚1.0 μm,或相當者;進樣口溫度：80 ℃;進樣模式：不分流模式;柱溫：60 ℃;載氣：氮氣(N2);流速：2.0 mL/min,保持2 min;2.0 mL/min線性上升至100 mL/min。

1.3.3 IMS 條件

遷移管：長98 mm,溫度45 ℃;遷移電壓：500 V/cm;漂移氣：高純氮氣(N2);流速：150 mL/min;IMS 探測器溫度：45 ℃。

1.4 實驗方法

1.4.1 IMS用混合標準溶液配制

將6種標準物質混合(質量比為1∶1∶1∶1∶1∶1),以水為溶劑,配制成質量濃度為100 ng/mL的混合標準溶液,儲存于冰箱(0～4 ℃)中,測試時用來校準當時實驗方法下的氣相色譜保留指數。

1.4.2 試樣制備

樣品的采集和前處理過程應避免試樣污染,低溫保存,分析時取出,自然恢復至室溫待用。準確稱取花生油樣2 g (精確至 0.01 g)于20 mL頂空進樣瓶中,用手輕微搖勻后密封。保持頂空進樣瓶直立,待分析。

1.4.3 樣品測定

待氣相色譜-離子遷移譜(GC-IMS)聯用儀準備就緒后,將制備好的花生油試樣上機分析后,測得揮發性化學成分的峰體積。對譜圖中各峰經計算機數據系統檢索及核對NIST保留指數數據庫及IMS遷移時間數據庫,對揮發性化學成分進行定性,采用體積歸一法進行定量。

1.5 揮發性風味成分相似度

試樣中揮發性風味成分的相對質量分數按式(1)計算：

(1)

試樣中風味成分相似度按式(2)計算：

(2)

式中：Mi,j為i、j2個樣品的風味成分相似度/%;X(a)i為i樣品a成分峰體積的相對質量分數/%;X(a)j為j樣品a成分峰體積的相對質量分數/%;n為試樣中風味成分的數量。

1.6 重復性

在重復性條件下2次獨立測試結果,對于相對質量分數大于5%的組分,相對標準偏差不大于10%,對于相對質量分數1%～5%的組分,相對標準偏差不大于15%,對于相對質量分數小于1%的組分,相對標準偏差不大于20%。

2 結果與分析

2.1 花生油樣品揮發性有機物指紋圖譜對比

采用GC-IMS對38個花生油樣品進行分析,得到74種揮發性有機物(VOCs),利用內置Gallery Plot 插件對醇、醛、酮類等VOCs種類進行明確,結果如圖1所示。其中,每一行代表樣品中完整的VOCs信息,每一列是同種VOCs在不同樣品中的信號峰,顏色深淺代表濃度含量高低,通過縱向比較,可以直觀反映不同類型樣品之間VOCs種類和含量的差異。

圖1 38個樣品揮發性有機物Gallery Plot指紋圖譜

2.2 不同類型花生油樣品揮發性有機物指紋圖譜對比

將4種類型油脂中分別選取第1個批次的第1個樣品(Ⅰ-1號樣品)進行分析,每個樣品重復分析9次,驗證方法的重復性和不同工藝間VOCs差異。選取花生油的主要風味物質吡嗪類、呋喃類、糠醛類、噻唑類等15種VOCs進行標記,利用 GC-IMS Library Search 軟件對標記位置進行檢索,每種物質特征峰對應的化學信息具體如表2所示。

表2 15個特征峰化合物信息

將選取的 15 個特征信號峰進行Gallery Plot指紋圖譜比對,對不同VOCs對應的特征峰進行分類排序,結果如圖2所示。油樣VOCs組內結果差異較小,結果較為平行,說明方法的重復性良好;組間揮發性物質的種類和含量差異較大,濃香型花生油VOCs的種類和含量最高,烘烤型次之,蒸炒型和清香型油脂VOCs種類和含量較少。其中,濃香型花生油15種VOCs含量明顯較高,因此具有風味濃郁的特性。烘烤型花生油含有13種VOCs含量較多,2-乙酰基吡嗪、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪的含量較低。蒸炒型花生油中吡嗪的含量最高,同時含有2-乙酰基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪(單體、)、N-甲基吡咯酮等VOCs。清香型花生油中僅有2,5-二甲基吡嗪(單體)、5-甲基糠醛(單體)、吡嗪等3種物質特征峰突出,但VOCs含量較低。說明工藝間的差異將會直接導致成品油脂VOCs的不同,但正是這些風味物質的差異,為不同種類植物油的鑒別以及同種植物油之間的差異區分提供了可能。

圖2 4種類型花生油樣品中15種主要揮發性有機物Gallery Plot指紋圖譜

2.3 不同類型花生油揮發性有機物聚類分析

將4個類型的油脂Ⅰ-1號樣品分析所得的15種VOCs進行主成分分析,選取前 2 個主成分得分繪制樣本數據的散點圖。PCA圖可以用于將樣品聚類分析,圖中距離越近說明樣品越相似,根據聚集程度可對產品的一致性進行評價,以及快速確定未知樣品的種類,分析結果如圖3所示。第一、第二主成分的貢獻率分別為71%和17%,總貢獻率為88%,大于85%,表明經 PCA 變換后的數據能夠反映原始數據的大部分信息。每種類型的油脂均有對應的聚類簇,且組內數據點較為集中,說明油脂的自身整體風味輪廓較為相似;組間濃香型、烘烤型油脂與清香型、蒸炒型油脂相聚較遠,說明加工工藝的差異造成揮發性物質的不同;不同工藝類型的油脂間無明顯交叉,表明該方法使GC-IMS能夠對不同工藝的油脂進行科學良好區分。

圖3 4種類型花生油樣品聚類分析圖(PCA)

2.4 不同原料的花生油揮發性有機指紋圖譜對比

對39個樣品的揮發性有機物進行分析,選取15種變化明顯的特征離子峰指紋圖譜進行對比,探究同類型產品不同原料間VOCs的差異,結果如圖4所示。組間原料差異對同類型產品的VOCs影響明顯。濃香型成品油NX-Ⅰ系列中5-甲基糠醛、甲基吡嗪、N-甲基吡咯酮、三甲基吡嗪、2-糠硫醇等VOCs響應強度明顯高于NX-Ⅱ系列,烘烤型原料油中呈現出相同的特性,表明NX-Ⅰ產品的花生油風味更加濃郁。蒸炒型原料油中,組間風味成分差異較小,但加工后的QX-Ⅰ系列成品油中2-戊基呋喃、N-甲基吡咯酮、三甲基吡嗪等VOC的含量和濃度高于QX-Ⅱ產品。同時,原料油脂VOCs的種類和響應強度都明顯優于成品油脂,表明在加工過程中存在VOCs的損失。

圖4 不同原料油脂樣品揮發性指紋圖譜

2.5 不同原料花生油揮發性有機物聚類分析

為了方便主觀分析,通過 LAV 內置 Dynamic PCA 插件以原有 VOCs 種類的高維數組為變量進行數據降維壓縮,對不同原料的花生油樣品進行特征差異可視化動態分析,結果如圖5所示。第一、第二主成分的總貢獻率為88%,表明二維平面數據點圖分布包含原有變量絕大部分信息,直接反映油脂樣品組內和組間的VOCs差異性。各樣品組內樣品較為集中,除ZC-Ⅰ、ZC-Ⅱ外,均能將各組物質VOCs分開, NX-Ⅰ、NX-Ⅱ、HK-Ⅰ、HK -Ⅱ、ZC-Ⅰ、ZC-Ⅱ的簇間距離較近,表明風味輪廓較為相似,而QX-Ⅰ、QX-Ⅱ相距較遠,表明其VOCs的種類和含量較少,PCA的結果與圖4指紋圖譜呈現相同趨勢。

圖5 不同原料花生油樣品聚類分析圖(PCA)

2.6 花生油揮發性風味成分相似度

用GC-IMS對相同原料、不同工藝的烘烤型、蒸炒型原料油及清香型、濃香型成品油進行揮發性有機物質相似度檢測,驗證GC-IMS檢測的精準度和區分性。圖6中橫、縱坐標為樣品名稱,橫縱坐標交叉處的圓點為2個油脂產品揮發性風味成分相似度,圓點越大、顏色越深,相似度越高。不同類型油脂的揮發性有機物相似度匹配矩陣的結果表明,同類型油脂間揮發性有機物相似度極高,相似度大多在90%以上,標準值取85%,說明GC-IMS檢測的精準性和靈敏度以及油脂生產工藝的穩定;不同類型的油脂間烘烤型原料油與濃香型成品油的揮發性風味成分相似度較高,蒸炒型原料油和清香型成品油揮發性風味成分相似度較好,結果與揮發性風味成分聚類分析圖(圖3)呈現一致性。

圖6 4種不同類型樣品揮發性有機物相似度匹配矩陣圖

3 結論

采用氣相色譜-離子遷移譜(GC-IMS)對烘烤型、蒸炒型的原料油以及清香型、濃香型成品油的揮發性風味成分分析方法進行研究,油脂樣品不需前處理,實現了不同工藝、不用原料油脂產品VOCs的快速準確分離測定,檢測方法分離度高、準確性好,相同工藝花生油風味成分相似度在85%以上。同時,油脂生產工藝和原料的差異會對產品的VOCs產生影響,并且原料油中VOCs的種類和含量明顯高于成品油脂,表明加工過程會造成VOCs的損失;烘烤型、蒸炒型原料油中VOCs差異較小,但濃香型和清香型成品油中,VOCs的差異顯著。