固相微萃取技术在食品分析领域中的应用

孙 婕，张 华，尹国友，杨 鑫

（1.河南城建学院生物工程系，河南 平顶山 467044；2.哈尔滨工业大学食品科学与工程学院，哈尔滨 150090）

传统的样品前处理方法有液液萃取（Liquidliquid extraction,LLE）、索氏萃取（Soxhlet extraction,Solexhet-E）、层析、蒸馏、小柱富集、顶空法和固相萃取（Solid phase extraction，SPE）。但它们普遍存在使用大量有机溶剂、处理时间长、操作步骤繁琐、容易使易挥发组分丢失、产生较大误差等缺点。使用有机溶剂还会造成环境的污染。九十年代中期出现的加速溶剂萃取的方法虽然有着无与伦比的优点，却由于其设备价格昂贵，在我国的应用受到了一定的限制。而集萃取、浓缩、解吸、进样于一体的固相微萃取（Solid phase microextraction，SPME）以固相萃取为基础，保留其全部优点，摒弃了需要柱填充物和使用有机溶剂进行解吸的弊病，具有简单、快速、好的线性范围和高灵敏度、费用少、易于自动化等一系列优点，而且是新型的、环境友好的样品前处理技术。

1 SPM E基本原理

SPME主要针对样品中微量或痕量有机物进行分析，与色谱柱的原理很相似，根据有机物与溶剂之间“相似相溶”的原则，利用石英纤维表面的色谱固定相对分析组分的吸附作用，将组分从试样基质中萃取出来，并逐渐富集，完成试样前处理过程[1]。

SPME有两种萃取方式，一种是将萃取纤维直接暴露在样品中的直接萃取法，适于分析气体样品和洁净水样中的有机化合物。另一种是将纤维暴露于样品顶空中的顶空萃取法，广泛适用于废水、油脂、高分子质量腐殖酸及固体样品中挥发、半挥发性的有机化合物的分析[2]。

2 SPM E联用技术

SPME萃取待测物后可与气相色谱、液相色谱联用进行分离。使用的检测器可以是质谱（Mass spectrum，MS）、 氢 火 焰 离 子 化 检 测 器（Flame ionization ditector，FID）、火焰光度检测器（Flame photometric detector，FPD）、 电 子 捕 获 检 测 器（Electron capture detector，ECD）、原子发射光谱检测器（Atomic emission detectors，AED）等，这些方法的最低检测限可达ng甚至pg水平[3]。

SPME具有良好的兼容性，多用于一些联用技术。如：In-tube-SPME-GC、SPME 与 GC-MS、SPME-HPLC、SPME-电解分析、SPME-毛细管电泳（CE）、SPME-微波辅助萃取、SPME-ICP-MS以及固相微萃取-气相色谱-嗅觉检测技术（GC-O）[4-6]。

3 SPM E在食品分析中的应用

3.1 食品中香成分分析

3.1.1 饮料、酒

1992年，SB HawthorneEll首次将溶凝硅胶纤维用于分析饮料中咖啡因，他采用5 min直接SPME采样，同位素标记咖啡因作为内标定量分析，GC/MS测定了咖啡、茶、可乐饮料中的咖啡因含量，测量结果相对偏差为5%。他还使用同样方法测定了菇类化合物、酯类化合物、有机酸化合物在茶、碳酸软饮料、水果汁及酒精饮料中的含量[7]。程劲松利用顶空固相微萃取结合毛细管气相色谱技术有效测定葡萄酒中的风味化合物，根据标样定性了30个葡萄酒风味组分，并分别讨论了与葡萄酒质量相关的风味化合物和影响定量结果的因素，大多数组分定量的相对标准偏差小于10%[8]。张影陆等采用顶空固相微萃取法和气质联用研究梅酒、荔枝酒、枸杞酒中的挥发性成分，分别鉴定出46种、52种、50种化合物[9]。王憬等采用顶空固相微萃取技术结合邻-五氟苄基羟胺（PFBHA）衍生从啤酒中测定了13种醛类化合物，以GC-MS方法定性并以选择离子模式（SIM）结合内标法定量，重复性较好[10]。

3.1.2 水果、蔬菜

SPME可用于分析果汁中的香成分含量，进而筛选果汁生产工艺或控制评价果汁产品质量。Ulrich等使用SPME分析了草莓汁的香成分[11]。Fallik等利用HSSPME-GC/MS监测了以色列特色水果“Galia”瓜采摘后储存过程的气味变化。根据气味图片轮廓的变化，确定了“Galia”瓜的最佳采摘阶段[12]。赵胜亭等用SPME-GC/MS分析烟台富士苹果香气成分，共鉴定出50种化合物，主要为酯类、酸类和醛类等挥发性物质，其中酯类占总成分的59.15%，它们构成了烟台苹果特有的香气品质[13]。魏长宾等采用SPME以及气相色谱-质谱方法对红象牙芒果品种绿熟期和完熟期进行想起成分分析鉴定，检出55种香气成分[14]。Zhang等利用SPME技术富集西红柿的气味成分，利用GC-MS检测可以获得相应的气味特征，并对其在储存过程中气味变化进行监测，通过新鲜、成熟和变质阶段气味成分变化的聚类分析，初步研究食品变质判别检测方法[15]。SPME-GC/MS技术在新鲜果蔬挥发性成分分析中有较好的效果——方便快捷、灵敏度高、重现性好，不用溶剂，是一种极为有效的样品处理方法，具有广泛的开拓前景。

翁雪香等采用顶空固相微萃取技术富集筒篙挥发性化合物，经GC/MS分析，共分离和鉴定了25个化合物，主要的化合物为蒎烯、罗勒烯及2-己烯醛等[16]。赵大云用HS-SPME方法对新鲜雪里蕻及其腌菜的挥发性组分萃取取样，然后分别手动进样用TRACE MASS色-质连用仪，自动进样用VarianSaturn2000 GC-IT-MS离子阱质谱对挥发性组分进行了分离鉴定。结果鉴定出116个组分，这其中包括硫醚类、醛类、酮类、醇类、酯类、异硫氰酸酯类以及腈类[17]。Jrven p用SPME-GC/MS测定了新鲜洋葱中挥发性组分主要是己二烯的二硫化物，而且SPME在样品处理更方便、快速，与HS-SPME测定的结果相同[18]。王水等曾用SPEHPLC测定苦瓜甙A的含量，该方法具有很好的重现性，日内或日间的相对标准偏差和相对平均误差均小于10%，样品回收率大于90%。如果样品预处理采用固相微萃取技术，得到的样品回收率应该会更高[19]。

3.1.3 天然调味料

SPME在天然香料成分研究上也具有强大优势。SPME敏感、操作步骤少、省时省力、不会引入任何干扰物于分析体系。分析天然调料中的风味物质，有利于研究天然调料中的活性成分的开发和研究。李祖光等采用HS-SPME采集白胡椒粉的挥发性成分，用色谱/质谱法分析鉴定，并用总离子流色谱峰的峰面积进行归一化定量分析其风味成分，鉴定出8种化合物。同时采用SPME-GC-MS分析了黑胡椒粉的挥发性成分[20-21]。周晓媛等采用同时蒸馏萃取（SDE）和HS-SPME两种方法提取传统发酵辣椒挥发性成分，通过GC-MS联用仪对挥发性成分进行分离鉴定，共得到了10类56种化合物，确定只有将两种方法结合起来，才能得到对产品的挥发性物质的综合评价[22]。

3.1.4 美拉德反应产物

Yang等利用SPME富集烤咖啡过程的香成分，进一步证实了PDMS对于半挥发性成分表现出较强的吸附。另外，所用PDMS纤维涂层表现出较好的选择性[23]。

3.1.5 畜产品

SPME技术在畜产品加工中也有广泛的应用。Ruiz等利用SPME-GC-MS技术对伊比利亚干腌火腿风味物质进行分析，在确定最佳提取时间和提取温度的同时鉴定出了82种风味物质[24]。Ansorena等对SPME提取干腌火腿风味物质的条件进行优化，结果表明四种萃取头中，CAR/PDMS和DVB/CAR/PDMS两种萃取头提取效果较好，分析获得的风味物质种类超过100多种[25]。田怀香等用自制简易的Sniffing装置，接GC-MS的毛细管柱出口，对HSSPME法提取的金华火腿的风味物质进行柱后感官嗅闻评价。以乙酸乙酯、2，3-戊二酮、己醛3-甲硫基丙醛、1-辛烯-3-醇、壬醛作为已知标准物来标定嗅闻时间与GC-MS仪器测定的化合物的保留时间的差异。经试验确定，共有26种感官评价，其中有22种化合物可以被明确定性。这些形成于金华火腿长期的发酵成熟过程的风味化合物均对金华火腿的整体风味有重要贡献[26]。Andrade等利用HS-SPME技术与GC-TEA检测技术结合，以发酵香肠为基质，N-二甲基亚硝胺（NDMA）、N-二乙基亚硝胺（NDEA）、N-亚硝基吡啶（NPIP）四种 N-亚硝胺为分析指标，对PA和PDMS-DVB两种萃取头萃取条件进行优化分析并对萃取效果进行了比较[27]。赵庆喜等用微波蒸馏（MD）-SPME提取鳙鱼鱼肉中的挥发性成分，利用GC-MS对气味化合物成分进行了定性分析，共定性确定出鳙鱼鱼肉挥发性成分中的53种化合物[28]。甄贞等采用固相微萃取法富集，GC-MS分离与检测技术，研究以羊奶和牛奶为原料的新鲜干酪的挥发性分为化合物，共鉴定出66种挥发性化合物，其中新鲜羊奶31种，新鲜牛奶15种，新鲜羊奶干酪23种，新鲜牛奶干酪20种[29]。

3.2 调味品中防腐剂

苯甲酸（苯甲酸钠）是食品、饮料中常用传统防腐剂之一，过量的使用会对人体造成危害。因此对食品中的苯甲酸含量进行快速而方便的检测是非常重要的一项工作。食品中苯甲酸含量的分析方法最主要的是乙醚提取气相色谱法（国标法）。贾金平等在应用固相微萃取方法对苯、氯仿等进行研究分析的基础上，自行研制了活性炭体型纤维，使用整根纤维而不仅仅是涂层作为萃取介质，大大增加了吸附量，同时又加强了纤维的强度，成功地弥补了传统涂层型存在的不足，把它应用于酱油中的苯甲酸含量的测定，收到了理想的试验效果[30]。

3.3 食品中有害成分分析

3.3.1 饮用水中挥发性有机物的分析

利用微萃取技术富集污水中的酚类化合物、酞酸酯、挥发性卤代烃及氯苯类化合物、有机氯及有机磷农药、邻苯二甲酸酯类化合物、二噁英类化合物和痕量蒽的研究报道非常多。如刘燕群等采用SPME装置对样品进行纯化和富集，以GC-MS分析废水中的二噁英类化合物，操作简便快速，有广阔的应用前景[31]。马骞等首次用C16-MCM-41介孔复合材料作纤维涂层的固相微萃取（SPME）与高效液相色谱（HPLC）联用测定环境水样中痕量蒽，也体现了SPME在样品前处理过程中的快速、灵敏、简单和无溶剂的特点[32]。李碧芳等用自制聚二甲基硅氧烷/二乙烯基苯（PDMS/DVB）新型固相微萃取膜分离富集珠江水和湖水中邻苯二甲酸酯类化合物，与固相微萃取纤维相比，固相微萃取膜制作成本低、使用方便、吸附容量大，是一种有发展前景的样品前处理新技术[33]。氯酚类化合物是环境中广泛存在的有机污染物，其中2，4-二氯酚（DCP），2，4，6-三氯酚（TCP）和五氯酚（PCP）已被列为我国水体中优先控制物和饮用水控制标准。国家现行饮用水检测标准方法中样品前处理采用固相萃取（SPE）法。王欣等用SPME-GC/ECD检测饮水中3种氯酚，得出SPME法在检测限、精密度、操作性等方面均优于现行标准方法[34]。

3.3.2 食品中农药、兽药残留的分析

SPME是食品农药、兽药残留分析中极具发展前景的新技术。根据SPME无需溶剂和色谱兼容以及操作简单等优点，Beltran等采用SPME-GC/MS联用测定西红柿和草莓样品中7种拟除虫菊酯杀虫剂[35]。刘宜孜等利用固相萃取-气相色谱-质谱联机分析蜂蜜中的氯霉素残留量，并对氯霉素在固相萃取柱上的保留行为进行了研究，优化固相萃取条件，发现不同浓度的氯霉素在硅胶柱和C18柱上的回收率均在90%以上，蜂蜜加标的回收率为80%～95%，相对标准偏差为7.2%～18.2%，最低检出限为0.1 μg·kg-1[36]。黄行九等研究了固相微萃取（SPME）和二氧化锡气体传感器的联用技术对果蔬中有机磷农药残留乐果、氧乐果、甲胺磷、乙酰甲胺磷、马拉硫磷、敌百虫等的快速检测，其结果表明该技术对分析SPME的解吸平衡非常有利[37]。谢孟峡等建立了SPE-GC/MS分析肉样中盐酸克伦特罗残留量的方法，并发现不同浓度盐酸克伦特罗的固相萃取回收率在75%～95%之间，肉样中的加标回收率在70%～83%，相对标准偏差在4.95%～13.4%，最低检出限为 1 μg·kg-1。因此SPME-GC/MS在兽药残留方面的检测也是行之有效的[38]。胡媛等采用溶胶-凝胶包埋技术制备了耐高温固相微萃取头（SPME），用该萃取头与气相色谱-热离子化检测器联用对红葡萄酒中的12种有机磷农药残留进行了测定，各种有机磷农药的检测限为 5 μg·L-1～0.38 μg·L-1[39]。Correia用SPME-GC-ECD同时检测葡萄酒中的22种农药，包括敌敌畏，二嗪农，乐果，甲基硝苯硫磷酯（柏拉息昂），七氯，乙拌磷，爱耳德林，硫丹，氧桥氯甲桥萘，杀扑磷，速灭磷，DDE，马拉硫磷，氟芬哌嗪，DDT，抑菌灵，丁氨苯噻，异狄氏剂，谷硫磷，毒鼠磷，杀真菌剂，只需要3 mL样品，平均检测限低于 5 μg·L-1[40]。

4 展望

固相微萃取技术由于其具有方法简单，无需试剂，提取效果好，变异系数小等诸多优点，已在环境、食品、生化、医学等领域有所应用。但由于商品化纤维种类较少，且容易破碎，很大程度上限制了该技术的应用范围。因此寻找和开发耐用的纤维及高效、高选择性、高的热稳定性的纤维涂层材料—可以选择性萃取蛋白质或其他有生物学意义样品是SPME技术研究的重要方向。其次应开发新型萃取头，如微型吸附搅拌棒—不仅能提高富集量1～2个数量级，还能处理用其他方法难以富集的果汁、奶汁和动植物浆液等样品。另外，目前SPME检测对象多为挥发、半挥发有机化合物，在有毒有机金属化合物检测方面的应用非常少，仅有的工作也局限于化合物的定性分析，将SPME技术用于环境样品中多种有机金属化合物的定量分析也是今后其发展的方向之一。

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