基于仪器分析与调香技术的香精解析及模拟

郝学财，刘 娜，邓 莉，吕 丽，郭 聪

（天津春发生物科技集团有限公司研发中心，天津市风味食品配料企业重点实验室，天津 300300）

基于仪器分析与调香技术的香精解析及模拟

郝学财，刘 娜，邓 莉，吕 丽，郭 聪

（天津春发生物科技集团有限公司研发中心，天津市风味食品配料企业重点实验室，天津 300300）

采用顶空固相微萃取法提取香精的香气成分，结合气相色谱-质谱联用技术和气相色谱-嗅闻-质谱技术进行成分分析，运用香味萃取稀释分析确定关键香气活性物质，并使用外标法定量还原其组成。而后通过调香手段进行修饰，以仪器分析和感官评价结果为指标，通过不断修订配方得到相似度较好的试配香精，得到了仪器分析技术辅助香精调配的现代操作模式。

仪器分析；调香；香精；关键香气化合物；香气模拟

随着咸味香精行业的迅速发展，其使用越来越广泛，因此要求企业具备一定的香精解析、模拟及创新实力，进而开发出具市场价值的产品。

调香师作为香精的设计者，必须对于香精的配方设计做出最科学和最具创意的方案。早期的调香基本上是以经验型为主，随着现代分析技术的发展，逐步出现了以仪器的分析数据为基础进行再加工，同时结合调香师丰富的经验的调香工作方法，这使得调香过程更加有的放矢，大大提高了工作效率。

在香气研究中，气相色谱-质谱（gas chromatographymass spectrometry，GC-MS）联用技术无疑是这么多年来的首选，自从这2 种仪器的首次成功结合，GC-MS在香气分析中就一直发挥着巨大的作用[1]。样品前处理的方法很多，其中固相微萃取（solid phase microextraction，SPME）是20世纪90年代发展起来的一种高效的样品预处理技术[2-5]。该技术集采样、浓缩于一体，无需溶剂、操作简单、灵敏度高、非常适合香气成分的快速分析[6-13]。但是GC-MS不能对香精中赋予风味特征的关键化合物进行定性，无法确定各种香气化合物对总体香气贡献的大小。气相色谱-嗅闻-质谱（gas chromatography-olfactory-mass spectrometry，GCO-MS）技术能有效解决这些问题，它将GC的分离能力与人类鼻子敏感的嗅觉联系在一起，将经过前处理的样品注入到在检测器端连有闻香仪的色谱柱中，香气组分首先通过GC进行分离，再从闻香仪出口逐一流出，由闻香人员加以判断、确定物质种类[14-19]，同时，结合MS强大的定性能力，这种方式对鉴别特征香气化合物、香气活性化合物及用来确定各组分的香气强度及贡献很有价值，是用来研究香气的有力工具，是目前最为完善的人工感官检测技术。香味萃取稀释分析（aroma extract dilution analysis，AEDA）[20-22]是指在复杂的混合物中，对其中香味成分用稀释的方法来测定它的相对香气浓度，AEDA中把一个化合物能闻到的最高稀释度作为它的香气稀释（flavor dilution factor，FD）值，根据FD值大小测定各香味活性化合物对香精整体风味的贡献大小。

本研究采用顶空固相微萃取（headspace solid phase micro extraction，HS-SPME）提取香精的香气成分，利用GC-MS对香气成分进行分离、鉴定，结合GC-O-MS和AEDA找到表征其特征香味的关键化合物[23-24]，并通过外标法测定FD值较高的化合物具体含量，对香精进行初步解析。在此基础上通过调香手段进行模拟，以仪器分析和感官评价为依据，得到相似度较高的试配香精。该法为香精的模拟和创造提供了一种较为科学的方法，是一种将仪器分析技术和调香技术相结合的现代调香模式。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

2-巯基-3-丁醇、3-甲硫基丙醛、2,3-二甲基吡嗪、3-甲硫基丙醇、2,3,5-三甲基吡嗪、2-乙酰基吡嗪、呋喃酮、2,3,4,5-四甲基吡嗪、乙基麦芽酚、双（2-甲基-3-呋喃基）二硫醚、植物油、N-丙基乙二胺（N-propylethy lendiamine，PSA）、无水硫酸镁（650 ℃烘4 h） 石家庄利达化学品有限公司。

1.2 仪器与设备

6890-5975型气相色谱-质谱联用分析仪 美国Agilent公司；石英毛细管色谱柱HP-5MS（60 m×0.25 mm，0.25 øm）、闻香仪 瑞士Brechbuhler公司；Sniffer 9000系列SPME取装置、手柄、50/30 øm二乙烯苯/聚乙二醇/聚二甲基硅氧烷（divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane，DVB/CAR/PDMS）萃取纤维头 美国Supelco公司；XS205型分析天平 美国Mettler Toledo公司；80-2B型离心机 上海精密仪器仪表公司；XW-80A涡旋振荡器 上海精科科学仪器有限公司；MH-2800E型多用恒温箱 天津奥特赛思仪器有限公司；10 mL玻璃具塞离心管 上海垒固仪器有限公司；0.2 μm微孔滤膜 天津津腾实验设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 香精挥发性成分提取

称取香精样品0.2 g，加入到20 mL配有聚四氟乙烯胶垫的顶空瓶中。将SPME装置穿过胶垫插入密封瓶中，推出萃取头，室温条件下顶空萃取40 min，取出萃取头，立即插入GC进样口中，解吸2 min，进样分析。

1.3.2 仪器分析条件

GC色谱柱：HP-5MS弹性石英毛细管色谱柱（60 m×0.25 mm，0.25 μm）；进样口温度：250 ℃；载气：高纯（≥99.999%）氦气；载气流速：1.0 mL/min；进样方式：不分流进样；升温程序：起始温度40 ℃，保持3.0 min，5 ℃/min升至180 ℃，保持1 min，再以10 ℃/min升至230 ℃，保持10 min。

MS条件：电子电离源；电子能量：70 eV；电子倍增器电压：1 654 V；离子源温度：230 ℃；四极杆温度：150 ℃；接口温度：260 ℃；扫描模式：全扫描；质量扫描范围：35～450 u；延迟时间：4 min。

样品经GC-MS分析，各分离组分鉴定由计算机在NIST 05谱库中和公司自建原料库检索，并与标准质谱图对照，得到定性结果，同时通过Agilent自带的化学工作站数据处理系统，用色谱峰面积归一化法进行相对定量。

1.3.3 单体香料分析和模拟香精样品的配制

10 种单体原料分别用植物油稀释到质量分数1%后，采用1.3.1节和1.3.2节方法进行提取并分析。模拟香精样品具体组成见表1。

表1 模拟香精样品配方表Table 1 Componentsof mimic flavoring sample

1.3.4 嗅闻香气及确定关键香气成分

GC-O-MS：在气相色谱柱末端安装不锈钢分流口，分流样品（分流比1∶1）到MS检测器和闻香仪。将用SPME法萃取到的香气成分注入到在GC柱中，由闻香人员在闻香仪出口嗅闻所闻到的香味和强度，进行物质定性定量鉴定。

关键香味活性物质鉴定：模拟香精样品按照1.3.1节和1.3.2节方法进行提取并分析，采用顶空吸附时间逐渐减半的方式，吸附时间40、20、10、5 min等按照2的倍数系列稀释后进行GC-O-MS分析，直到嗅闻人员不再闻到气味则停止稀释，每种香味化合物的最高稀释倍数为其FD因子。选择FD因子最高的2 种化合物，作为关键香味活性物质采用外标法进行精确的数值测定。

1.3.5 模拟香精样品的试配

调香师根据感官闻香和GC-MS分析结果，结合经验初拟配方，对模拟香精样品与试配香精进行GC-MS香气分析（采用1.3.1节和1.3.2节方法进行提取并分析）和感官评价寻找差异从而修订配方。

1.3.6 感官评价

由6 人组成评香小组，以模拟香精样品的香气为满分10 分，对试配样品进行感官评定，给出相似度评分，以平均值作为试配样品的整体香气相似度结果。

2 结果与分析

2.1 模拟香精样品成分初步解析

2.1.1 GC-MS解析

模拟香精样品按照1.3.1节和1.3.2节方法进行提取并分析，总离子流图见图1，与NIST 05谱库和自建单体库对照，对各个组分进行初步定性分析，鉴定出各自的成分及相对含量解析结果见表2。

图1 模拟香精样品挥发性成分总离子流图Fig.1 Total ion current (TIC) chromatogram of volatile components in mimic flavoring sample

表2 模拟香精样品挥发性成分及相对含量Table 2 Votatile compounds of mimic flavoring sample

从表2可以看出，模拟香精样品中的目标成分通过HS-SPME和GC-MS分析全部检测出来。

2.1.2 GC-O-MS解析和香味稀释分析

10 种单体原料分别用植物油稀释到质量分数1%后，采用1.3.1节和1.3.2节方法对3 位闻香人员进行培训后，以模拟香精样品进行实验，闻香人员在闻香仪出口记录闻到的气味时间、香味特征和香气强度，按照关键香味活性物质鉴定方法进行关键香味活性物质鉴定，3 位嗅闻人员描述一致方可确定活性化合物。

表3 模拟香精样品中香味活性化合物定性定量结果及FD因子值Table 3 Qualitaton and FD of aroma compounds in mimic flavoring samples

从表3可以看出，除了4-羟基-2,5-二甲基-3（2H）-呋喃酮之外，其他化合物稀释后均可嗅闻到，其中3-甲硫基-丙醛和2,3-二甲基吡嗪的FD因子值最高，均为32，为模拟香精样品中的关键香味活性化合物。

2.1.3 关键香味活性化合物定量分析

标准品系列配制：以3-甲硫基丙醛和2,3-二甲基吡嗪作为标样，以色拉油为基质，配制0.2、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 mg/g和5.0 mg/g共7 个不同水平混标物，进行提取。

提取方法：称取0.2 g混标物于10 mL玻璃具塞离心管中，加入1 mL乙醇，涡旋混合2 min，加入0.2 g PSA和0.2 g无水硫酸镁，再次涡旋混合2 min，6 000 r/min离心5 min，取清液，0.2 øm滤膜过滤后待分析。

工作曲线绘制：7 个不同水平混标物经提取后，进行GC-MS分析，进样量0.2 øL，分流比100∶1。以色谱峰面积为纵坐标，水平为横坐标，绘制出工作曲线，结果见图2。

图2 关键香味物质峰面积与质量浓度关系工作曲线Fig.2 Relationships between peak areas of key aroma-active components and their concentrations

模拟香精样品计算：模拟香精样品经提取分析后，按照工作曲线计算出2,3-二甲基吡嗪和3-甲硫基丙醛含量分别为0.218%和0.333%，误差分别为6.44%和5.93%。

2.2 调香模拟

根据仪器数据解析结果，调香师结合感官嗅闻结果和经验对香精进行模拟制备，得到试配香精。将模拟香精样品和试配香精样品进行GC-MS差异识别和感官相似度评价，以此为依据修订配方至与模拟香精香气相似度较为接近的试配香精样品为终样，其配方见表4。二者配方较为接近，感官评价相似度结果为8.63，图3的GC-MS分析数据显示：模拟香精样品和试配香精样品色谱图较为接近，模拟效果较好。

表4 香精最终配方Table 4 Components of mimic flavoring sample, tentative flavoring formuation and final flavoring formulation%

图3 模拟香精样品和试配样品终样的GC-MS分析结果Fig.3 GC-MS analytical results for mimic flavoring samples and final flavoring formulation

3 结 论

应用HS-SPME-GC-MS和GC-O-MS对模拟香精样品挥发性成分进行分析和鉴定。调香师在仪器分析数据基础上，结合调香实践经验，利用感官分析模拟香精。通过比较GC-MS分析结果和感官评价结果修订配方，最终制备的试配样品与模拟香精样品香气相似度达8.63成，效果较好。实现了仪器分析技术辅助香精调配的现代操作模式，提供了一种科学的方法。

[1] 汪正范. 色谱联用技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2007.

[2] STEPHEN B S, DAVID L A. Solid phase microextraction of alkenylbenzenes and other flavorrelated compounds from tobacco for analysis by selected ion monitoring gas chromatography-mass spectrometry[J]. Journal of Chromatography A, 1999, 85(8): 79-89.

[3] YANG S S, SMETENA I. Determination of tobacco alkaloids using solid phase microextraction and GC-NPD[J]. Chromatographia, 1998, 4(7): 443-448.

[4] PILLONEL L, BOSSET J O, TABACCHI R. Rapid pre-concentration and enrichment techniques for the analysis of food volatile: a review[J]. LWT-Food Science and Technology, 2002, 35(1): 1-14.

[5] 傅若农. 固相微萃取(SPME)的演变和现状[J]. 化学试剂, 2008, 30(1): 13-22.

[6] YAN I J, ZHANG Y F, TAO W Y, et a1. Rapid determination of volatile flavor components in soy sauce using head space solid-phase microextraction and gas chromatography-mass spectrometry[J]. Chinese Journal of Chromatography, 2008, 26(3): 285-291.

[7] 陈智毅, 刘学铭, 施英, 等. 顶空固相微萃取气质联用分析白金针菇中的挥发性成分[J]. 食用菌学报, 2009, 16(3): 73-75.

[8] SCHUREK J, PORTOLÉS T, HAJSLOVA J, et al. Application of head-space solid-phase microextraction coupled to comprehensive two-dimensional gas chromatography-time-of-flight mass spectrometry for the determination of multiple pesticide residues in tea samples[J]. Analytica Chimica Acta, 2008, 611(2): 163-172.

[9] 刘春香, 何启伟, 刘扬岷. 黄瓜香气成分的顶空固相微萃取气质联用分析[J]. 园艺学报, 2003, 28(3): 58l-583.

[10] FLÓREZ M J C, FERN˘NDEZ S M L, FERN˘NDEZ M E, et a1. Static headspace versus head space solid-phase microextraetion (HS-SPME) for the determination of volatile organochlorine compounds in landfill leachates by gas chromatography[J]. Talanta, 2004, 63(4): 809-814.

[11] 郭方道, 黄兰芳, 周邵云. 顶空固相微萃取-气相色谱-质谱法用于白术中挥发性成分的分析[J]. 色谱, 2007, 25(1): 43-47.

[12] CHIAROTTI M, MARSILI R, MOREDA P A. Gas chromatographicmass spectrometric analysis of residual solvent trapped into illicit cocaine exhibits using head-space solid-phase microextraction[J]. Journal of Chromatography B: Analytical Technologies in the Biomedical and Life Sciences, 2002, 772(2): 249-256.

[13] 连宗衍, 杨丰庆, 李绍平. 顶空固相微萃取-气相色谱质谱法定性定量分析广藿香中的挥发性成分[J]. 分析化学, 2009, 37(2): 283-287.

[14] 宋国新, 余应新, 王林祥, 等. 香气分析技术与实例[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008: 33-44.

[15] FULLER G H, STELLENTEMP R, TISSERAND G. The gas chromatograph with humen sensor: perfume model[J]. New York Academy of Sciences, 1964, 116: 711-724.

[16] ACREE T E, BUTTES R M, NELSON P R, et a1. Sniffer to determine the odor of gas chromatographic effluents[J]. Analysis Chemistry, 1976, 48(12): 1821-1822.

[17] ACREE T E, BARNARD J, CUMMINGHAM D G. A procedure for the sensory analysis of gas chromatographic effluents[J]. Food Chemistry, 1984, 14(4): 273-286.

[18] ULRICH F, GROSCH W. Identification of the most intense volatile flavorcompounds formed during autoxidation of linoleic acid[J]. Zeitschrift für Lebensmittel-Untersuchung und Forschung, 1987, 184(4): 277-282.

[19] FRIEDICH J E, ACREE T E. Gas chromatography olfactometry (GC/O) of dairy products[J]. International Dairy Journal, 1998, 38(8): 235-241.

[20] GROSCH W. Evaluation of the key odorants of foods by dilution experiments, aroma models and omission[J]. Chemical Senses, 2001, 26(5): 533-545.

[21] 宋焕禄. 分子感官科学及其在食品感官品质评价方面的应用[J]. 食品与发酵工业, 2011, 37(8): 126-130.

[22] 宋焕禄. 食品风味分析技术研究进展[J]. 北京工商人学学报: 自然科学版, 2006, 24(1): 1-4.

[23] GREGER V, SCHIEBERLE P. Characterization of key aroma compounds in apricots (Prunus armeniaca) by application of the molecular sensory science concept[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2007, 55: 5221-5228.

[24] STEINHUAS P, SCHIEBERLE P. Characterization of the key aroma compounds in soy sauce using approaches of molecular sensory science[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2007, 55: 6262-6269.

Analysis and Simulation of Volatile Components of Flavorings Based on Instrumental Analysis and Flavoring Technology

HAO Xue-cai, LIU Na, DENG Li, LÜ Li, GUO Cong
(Food Ingredients Enterprise Key Laboratory of Tianjin, Tianjin Chunfa Bio-Technology Group Co. Ltd., R&D Center, Tianjin 300300, China)

The applicability of headspace solid-phase micro extraction (HS-SPME) combined with gas chromatography and mass spectrometry (GC-MS) and gas chromatography-olfactory-mass spectrometry (GC-O-MS) for the determination of aroma components of flavorings was investigated. The critical aroma components were identified by aroma extractiondilution analysis (AEDA) and imitated with an external standard method by GC-MS. Flavoring formulations were designed and modified by repeated comparisons of the results of instrumental analysis and sensory evaluation to establish the optimal formulation. This work will provide a theoretical basis for developing modern flavoring technology by instrumental analysis.

instrumental analysis; flavoring technology; flavor; key aroma-active components; aroma simulation

TS207.3

A

1002-6630（2014）24-0141-04

10.7506/spkx1002-6630-201424027

2014-10-10

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2013AA102100）

郝学财（1981—），男，硕士，主要从事咸味食品香精研发。E-mail：haoxchao@126.com