利用SPME—GC×GC/TOFMS对香草兰中挥发、半挥发性成分萃取与分析研究

谷风林　董智哲　徐飞　赵建平

摘 要 利用固相微萃取（SPME）法萃取香草兰中挥发和半挥发性的成分，再结合全二维气相色谱/飞行时间质谱（GC×GC/TOFMS）技术进行定性分析。试验共鉴定出香草兰中181种挥发、半挥发性化合物，其中含量较高的成分主要有香兰素、呋喃甲醛、（2S，3S）-（+）-2，3-丁二醇、邻甲氧基苯酚、2，3-丁二醇、苯酚、正己醛、（2R，3R）-（-）-2，3-丁二醇、对羟基苯甲醛、3-甲基丁酸、2，3，5，6-四甲基吡嗪、3-羟基-2-丁酮、香草酸、壬醛、正己酸、1-辛烯-3-酮。结果表明，GC×GC/TOFMS高分辨率和高灵敏度的特点非常适合复杂组分体系的定性分析。

关键词 香草兰；全二维气相色谱；飞行时间质谱

中图分类号 TQ651 文献标识码 A

Analysis of Volatile and Semi-volatile Compounds in Vanilla Using

Solid Phase Micro-Extraction-Comprehensive Two

Dimensional Gas Chromatography/Time of

Flight Mass Spectrometry

GU Fenglin1，3， DONG Zhizhe2， XU Fei1，3， ZHAO Jianping1，3 *

1 Spice and Beverage Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural， Wanning， Hainan 571533， China

2 College of Food Science and Technology， Huazhong Agricultural University， Wuhan， Hubei 430070， China

3 Key Laboratory of Genetic Resources Utilization of Spice and Beverage Crops， Ministry of Agriculture， Wanning， Hainan

571533， China

Abstract Volatile and semi-volatile compounds in vanilla were extracted by using solid phase micro-extraction and were identified by comprehensive two-dimensional gas chromatography/time of flight mass spectrometer. A total of 181 volatile or semi-volatile compounds in vanilla were identified and compounds with high content were vanillin， 2-furancarboxaldehyde，[S-（R*，R*）]-2，3-butanediol， 2-methoxy-phenol， 2，3-butanediol， phenol， hexanal， [R-（R*，R*）]-2，3-butanediol， 4-hydroxy-benzaldehyde， 3-methyl-butanoic acid， tetramethyl-pyrazine， 3-hydroxy-2-butanone， 4-hydroxy-3-methoxy-benzoic acid， nonanal， hexanoic acid， 1-octen-3-one.The results showed that GC×GC/TOFMS with high resolution and sensitivity is suitable for the identification of complex system.

Key words Vanilla； Comprehensive two-dimensional gas chromatography； Time of flight mass spectrometer

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.01.031

香草兰（Vanilla planifolia Andrews）是著名热带植物，原产于墨西哥，现已引种至中国、马达加斯加、科摩罗、印度尼西亚、乌干达、印度等地区。香草兰因其独特的香味而闻名，作为增香剂广泛用于食品、冰激凌、化妆品等行业[1-2]，因此其也被认为是最具经济价值的兰科植物[3]。目前香草兰香味成分的研究报道较多。Adedeji等[4]利用直接热力解析法鉴定出香草兰中61种成分；Perez-Silva[5]利用溶剂萃取法鉴定出墨西哥地区香草兰中65种挥发性成分；Toth[6]对波旁、塔西提岛、乌干达和印度尼西亚地区的香草兰中进行鉴定比较；Brunschwig等[7]利用同时蒸馏萃取法萃取塔西提岛香草兰中96种挥发性成分。

前人采用不同的萃取方法对香草兰中挥发性或半挥发性成分进行萃取，但定性方法均为气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）。全二维气相色谱/飞行时间质谱（GC×GC/TOFMS）能克服传统单柱气相色谱对多组分样品分离能力相对较差的问题，具有分辨率高、灵敏度高等特点，在分析复杂体系样品中的应用越来越广泛[8-10]。

香草兰挥发性成分具有组分多、难分离的特点，因此可借助GC×GC/TOFMS技术对香草兰中挥发性成分进行分析，而目前暂未见相关报道，因此本研究在前期研究的基础上将固相微萃取技术（SPME）与GC×GC/TOFMS技术相结合，对中国海南地区香草兰中挥发性成分进行分析探讨。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 植物材料 香草兰由中国热带农业科学院香料饮料研究所提供

1.1.2 设备仪器 手动固相微萃取装置、CAR/PDMS（75 μm）纤维头（美国SUPELCO公司）；全二维气相色谱-飞行时间质谱仪由Agilent 6890N（美国安捷伦公司）和配备有Pegasus4D工作站的TOFMS（美国LECO公司）组成。

1.2 方法

1.2.1 固相微萃取 萃取条件参照董智哲等[11]报道的方法。

1.2.2 全二维气相色谱-飞行时间质谱分析 色谱柱：色谱柱1为Rxi-XLB， 30 m×0.25 mm×0.25 μm，色谱柱2为Rxi-200， 1.5 m×0.18 mm×0.2 μm；程序升温：柱温箱1为初始温度50 ℃保持1 min，再以8 ℃/min 升温至270 ℃保持10 min；柱温箱2为初始温度55 ℃保持1 min，再以8 ℃/min 升温至275 ℃保持10 min。载气：He（流速为1.0 mL/min）；进样口温度：250 ℃；调制器调制周期：5 s（热吹时间1 s）；传输线温度：270 ℃；电子轰击电离源的电压：70 eV；离子源温度：220 ℃；检测器电压：1 600 V；数据采集频率： 100 Hz；质量数采集范围： 45～550 amu；软件将解卷积后得到的质谱图与标准Wiley谱库和NIST谱库进行匹配定性。

2 结果与分析

GC×GC由两根色谱柱组成，通过改变固定相极性和柱温可实现混合物在两维色谱柱中的正交分离[12-13]。本研究中，第一根色谱柱极性较弱，第二根色谱柱极性较强，则色谱柱1中混合物根据其沸点由低到高依次流出，色谱柱2中混合物根据其极性强弱依次流出。

图1和图2是香草兰中挥发、半挥发性组分GC×GC/TOFMS二维图和三维图，从图中可看出，GC×GC/TOFMS分离的组分较多，并且多数组分都可以得到较好分离，显示了GC×GC/TOFMS对复杂组分的较强分离能力。

利用全二维气相色谱/飞行时间质谱的方法共鉴定出香草兰中181种挥发、半挥发性成分。表1中列出这些化合物的相关信息。这些成分中含量较高的成分有：香兰素、呋喃甲醛、（2S，3S）-（+）-2，3-丁二醇、邻甲氧基苯酚、2，3-丁二醇、苯酚、正己醛、（2R，3R）-（-）-2，3-丁二醇、对羟基苯甲醛、3-甲基丁酸、2，3，5，6-四甲基吡嗪、3-羟基-2-丁酮、香草酸、壬醛、正己酸、1-辛烯-3-酮等。

在此基础上，根据结构的不同对香草兰中鉴定出来的化合物进行分类，图3和图4列出了各类化合物个数和相对含量。从图中看出香草兰中芳香族化合物的种类最多而且相对含量最大，是香草兰中最重要的一类香气成分。其中含量最高的成分是香兰素，它是香草兰中整体香气贡献最大的香气成分，对整体香气的贡献率高达1/3[14]。此外邻甲氧基苯酚的含量也较高，也是香草兰中重要香气成分，Brunschwig[7]研究表明邻甲氧基苯酚是塔西提岛香草兰中关键香气成分之一。

在先前利用HS-SPME-GC-MS技术研究香草兰中挥发性成分的相关报道中，醇类化合物含量并不占优势[11]，但本研究中醇类化合物的相对含量仅次于芳香族化合物，这可能是由分析仪器的差异所造成的，GC×GC/TOFMS相对于GC-MS而言能更好的分离组分，因此能鉴定出更多的醇类物质。例如先前研究中利用GC-MS只能鉴定出2种2，3-丁二醇的同分异构[11]，而本研究中利用GC×GC/TOFMS则能鉴定出3种2，3-丁二醇同分异构体，而且这3种同分异构体的含量均较高，共占总峰面积的18.9%。

香草兰中醛类化合物个数为18种，相对总峰面积为7.5%，其含量与芳香族化合相比虽然较少，对香草兰的香气贡献较大，主要呈巧克力、水果等令人愉快的香味[7，11]，如（E）-2-庚烯醛、反式-2-壬烯醛、辛醛等。Brunschwig等的研究表明塔西提岛香草兰中醛类化合物的香气强度仅低于以芳香族化合物的香味[7]。本研究中醛类化合物中正己醛和壬醛的相对含量最高，分别为3.4%和1.5%，呈水果香和油脂味。

杂环类化合物的种类较多、相对含量较大。在已鉴定的杂环化合物中呋喃甲醛的相对含量最高，在所有化合物中仅次于香草醛，含量为10.2%，呈杏仁味。2，3，5，6-四甲基吡嗪的相对含量也较高约为1.8%，呈烘烤、坚果香味。此外，烷烃类物质种类较多，仅次于芳香族化和杂环合物，但是其峰面积相对较小，香气也强度较弱，对香草兰整体香气贡献不大。

3 讨论与结论

香草兰的香气成分十分复杂，产地不同，加工方法不同，香气组成就差异明显，文献中香草兰的香气成分已检出250多种，本实验中通过全二维气相色谱/飞行时间质谱鉴定出181种，而以前的报道中一次实验中最多检出96种香气成分[7]，由此可以看出，全二维气相色谱/飞行时间质谱适合用于香草兰这类复杂化学成分体系中挥发性、半挥发性组分的研究分析，这主要是由于全二维气相色谱/飞行时间质谱高分辨率和高灵敏度的优点。通过提取条件的优化，香草兰的未被检出的微量香气成分也可以通过全二维气相色谱/飞行时间质谱进行鉴定，从而为香草兰风味指纹图谱的构建提供基础。

与普通GCMS相比，全二维气相色谱/飞行时间质谱的分离部分是由两根色谱柱组成，色谱柱间由调制器连接。调制器对第一根色谱柱中流出组分进行冷凝和聚焦并注入第二根色谱柱。这种冷凝聚焦作用一方面减小了第二维峰宽、提高了柱效，另一方面很大程度上增强了色谱峰的信噪比，使得一些痕量化合物在GC×GC上有较高的响应值[15]，因此对一些一维色谱上难以检测的痕量成分有较高的灵敏度[12]。另外许多结构相近的化合物如同分异构体有相同或相似的沸点或极性，在一维色谱上极易出现“共馏峰”，导致难以分离鉴定。而GC×GC的瓦片和族分离效应使得GC×GC具有较高的分辨率，能分离对这类重叠峰有较好的分离效果[9]。

本研究中借助全二维气相色谱/飞行时间质谱技术的高分辨率和高灵敏度，再将其与固相微萃取技术相结合共鉴定出香草兰中181种挥发、半挥发性成分，这些成分包含有芳香族、醛、醇、酮、酸、酯、杂环、烷烃等化合物，其中芳香族化合物在种类和含量方面均有显著的优势，是香草兰中最重要的一些成分。在已鉴定出来的成分中含量较高的物质主要有香兰素、呋喃甲醛、（2S，3S）-（+）-2，3-丁二醇、邻甲氧基苯酚、2，3-丁二醇、苯酚、正己醛、（2R，3R）-（-）-2，3-丁二醇、对羟基苯甲醛、3-甲基丁酸、2，3，5，6-四甲基吡嗪、3-羟基-2-丁酮、香草酸、壬醛、正己酸、1-辛烯-3-酮等。

参考文献

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