SPME/GC-MS对4种超微粉碎杂粮粉中挥发性成分分析

樊 艳 姚轶俊 王 博 李浩丽 王立峰

(南京财经大学食品科学与工程学院；江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心，南京 210023)

超微粉碎技术主要是通过物理手段(利用机械或流体动力)改变物质的特性，使物料的粒径达到10～25 um的超微米水平[1，2]。该技术在食品领域的研究起步较晚，经过超微粉碎后的食品通常在色香味形等各方面品质都有所提升[3]。在谷物应用中， Rosa等[4]使用超微粉碎技术改善麸皮抗氧化的应用价值， Niu等[5]研究超微粉技术对全麦香气和面条产品的特性影响，结果表明超微粉碎可以显著减小全麦面粉的粒径，提高其产品的质量。任顺成等[6]研究发现，荞麦麸皮经超微粉碎后粒径小，粉体均匀性好，可用于功能性食品的开发。梅新等[7]研究表明，富含膳食纤维的产品经超微粉碎后膳食纤维微粉较原粉其持油力、持水力、膨胀力等物理性质均有较大提高，结合水力降低，具有更好的口感和吸收性，食品营养更丰富。

固相微萃取(SPME)与气质联用仪(GC-MS)法具有样品前处理简单、快速、灵敏度高、无需溶剂和适用范围广等优点[8]，是目前测定目标物中挥发性成分的常用方法。林家永等[9]采用HS-SPME/GC-MS技术测定了稻谷的挥发性成分，发现其主要成分是醇类、醛类、酮类、酯类、烃类、有机酸类和杂环类化合物。胡丽花等[10]采用固相微萃取-气质联用比较馒头和面包中风味物质的差异，结果表明醛类、酮类、醇类、酯类、苯类、杂环类和烃类是两者共有的挥发性成分，面包中检测到2种有机酸是馒头里不含的。Bryant等[11]对7种香米和2种非香米进行了分析鉴定，在检测出的93中挥发性物质，其中有64种鲜见报道。黄亚伟等[12]用HS-SPME/GC-MS对6种五常大米的气味进行了分析比较，结果发现挥发性物质的不同导致了这6种大米存在较大的风味差异。然而目前对超微粉碎样品的风味成分分析还鲜见文献报道，本实验采用固相微萃取-气质联用对4种经超微粉碎技术获得的杂粮粉进行挥发性成分的检测研究，以期为产品的后续加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

北青3号青稞、大三棱荞麦、天津红红豆、辽宁5号薏苡。

1.2 仪器与设备

7890A-5975C气质联用分析仪；固相微萃取装置：MPS多功能样品处理平台；萃取头：50/30 μm DVB/CAR/PDMS；顶空瓶：20 mL；J-50超微粉碎仪。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

将4种杂粮(青稞、红豆、荞麦、薏苡)磨成粗粉并烘干至水分低于5%备用。开启气流粉碎机，调节气压至1 MPa，将粗粉放入自动喂料器，喂料速度0.5 kg/h，等待粉碎完成并收集样品。

1.3.2 固相微萃取

称取3 g待测样品置于20 mL顶空瓶内，后按编辑好的序列依序放于MPS对应的样品盘上，序列运行时，MPS保温箱温度升至设定温度80 ℃并平衡10 min后，机械臂抓样品瓶置保温箱内进行萃取，40 min后萃取头在机械臂的带动下移到GC前进样口，在250 ℃解析180 s，后萃取头随机械臂移到GC后进样口在260 ℃下老化30min。

1.3.3 气质联用测定条件

色谱条件：载气为He(高纯，≥99.999%)，流速1.0mL/min；进样口温度为250 ℃，不分流进样；DB-5MS石英毛细管柱(30 m×250 μm×0.25 μm，美国Agilent公司)，程序升温为初温60 ℃保持4 min，以5 ℃/min升至200 ℃，保持5 min，再以10 ℃/min升至240 ℃，保持5 min，后运行温度260 ℃，2 min。

质谱条件：气相和质谱接口温度为280 ℃，离子源为EI，离子源温度为230 ℃，四级杆温度为150 ℃，电子能量为70 eV，采集模式为全扫描，扫描质量范围为30～450 amu。

1.4 数据处理

数据处理由Agilent软件MSD ChemStation E.02.01.1177完成，利用NIST08.L谱库对各组分峰的MS图谱进行检索，将可能的结果与检测图谱作比较，并结合色谱峰保留规律和谱图解析对各组分峰加以确认，采用峰面积归一化法进行相对含量的定量，用EXCEL 2007和OriginPro9.0处理数据。为确保定量的准确性，用MSD ChemStation中的性能报告计算得到各组份的分离度R，计算公式：

式中：(2.35/2)为性能报告中使用的分离度的计算系数；tR1为组分1的保留时间；tR2为组分2的保留时间；W1为组分1的半峰宽；W2为组分2的半峰宽。

2 结果与讨论

2.1 SPME测定条件优化

选择萃取温度(50、60、70、80、90 ℃)，平衡时间(5、10、20、40、60 min)，萃取时间(10、25、40、55、70 min)，解析时间(120、180、300、360、420 s)分别考察其对总峰面积的影响。结果显示(图1)，80 ℃之前随着萃取温度升高，总峰面积增加，80 ℃时达到最大，随后又开始下降，这与文献报道一致。SPME是一个动态平衡的过程，萃取效率与待测物质在各相之间的分配系数有关，萃取温度过低，使得挥发性物质不能很好被萃取出来，造成挥发性物质含量偏低，数量偏少[13]，在一定的温度范围内，当萃取温度升高时，挥发性物质释放出来的物质和总丰度随之增多，当温度过高时，萃取头的分配系数降低，固相吸附量减小[9,12]。

图1 SPME测定条件对总峰面积的影响

待测样品在加热后位于顶空瓶上端的气相部分，其各组分的分压不仅会随温度变动，而且还与平衡时间相关[9,14-16]，结果显示总峰面积在10、40 min两个平衡时间点都处于峰谷处，但从趋势走向来判断，10 min是总峰面积最大的平衡时间点。

由于萃取时间会受到待分析物的分配系数、物质的扩散速率等多因素影响[14-17]，影响目标物在涂层中的平衡，延长萃取时间有利于达到平衡，因此本实验还对萃取时间进行了优化，结果表明总峰面积随着萃取时间的增加而增加，40 min时达到最大值，之后开始呈下降趋势并逐渐趋于平缓，这可能是因为萃取时间过长，竞争吸附会造成小分子物质的脱附[18]。

解析时间影响方法的灵敏性，解析不完全会对下个样品造成污染，而解析时间过长，又会影响萃取头的寿命，故选择最佳的解析时间具有重要的意义[12]。结果表明总峰面积在180、360 s都处于峰谷处，但从趋势的走向来判断，180 s时是总峰面积最大的解析时间点。综上所述，本实验的最佳条件为：萃取温度80 ℃，平衡时间10 min，萃取时间40 min，解析时间180 s。

2.2 精密度实验

结合GC-MS对4种超微粉碎杂粮粉(红豆、青稞、荞麦和薏苡)分别重复测试6次。由表1可知，总峰面积的相对标准偏差为1.89%～5.05%，说明本方法具有较好的精密度。

表1 4种超微粉碎杂粮粉挥发性成分精密度实验(n=6)

注：总峰面积没有扣除硅氧化合物和空白样品的面积。

2.3 挥发成分的鉴定和分析

分析4种超微粉碎杂粮粉(红豆、青稞、荞麦和薏苡)中的挥发性成分，得到总离子流色谱图(图2)和部分组分的质谱图(图3)，可以看出样品成分复杂。另外，空白样品在TIC图上也有显示物质，在计算相对含量时对应保留时间将其扣除。

表2列出了11种超微粉碎杂粮粉的11种共有挥发性成分的分离度，基本都在1.0以上，分离度达到98%。

图2 4种超微粉碎杂粮粉的挥发性成分的总离子流色谱(TIC)图

组分名称青稞荞麦红豆薏苡壬醛1.191.251.231.34正十二烷1.241.351.221.16癸醛1.571.581.531.451-甲基萘1.401.331.511.562,3-二甲基萘1.181.221.241.303’-甲氧基-2,2’-二硝基苯乙炔0.960.981.011.01(Z)-6,10-二甲基-5,9-十一碳烯-2-酮1.130.781.061.102,6-二叔丁基对甲酚1.551.671.691.60环十四烷0.951.001.011.02棕榈酸甲酯16.1514.8517.366.20棕榈酸乙酯18.2416.8920.0718.74

根据公式：

测定各样品组分峰质量分数，结果如表3所示。

图3 部分组分的质谱图

类别化合物青稞荞麦红豆薏苡含量匹配度含量匹配度含量匹配度含量匹配度有机酸类醇类2-氨基-5-甲基苯甲酸--3.05810.1181--醇类4-甲基-1-戊醇0.4672------正己醇0.58720.9772--2.1678叔十六硫醇0.6872----0.58802-乙基己醇--0.9482----(1α,2β,5α)-5-甲基-2-(1-甲基乙基)-环己醇--0.2180----反式-2-十二烯-1-醇--5.0383----4,7,7-三甲基双环[4.1.0]庚烷-3-醇--1.7286----1,14-二十二烷二醇--0.9289----1-二十八烷醇--0.1680----苯乙醇----0.6294--十一醇----5.3382--Z,Z-2,13-十八碳二烯-1-醇----2.8674--[1R-(1α,3β,4α,6α)]-4,7,7-三甲基-双环[4.1.0]庚烷-3-醇----1.6081--苯甲醇------0.4980反式-2-十二烯-1-醇------3.15801-十六烷醇------2.29742-乙基-2-甲基十三醇------0.1891醛类苯甲醛0.3290------壬醛7.09841.88824.90829.1487反式-2-壬醛0.9972------癸醛1.52871.14841.25831.6291(Z)-7-十六碳烯醛----3.2790--硬尾醛----0.6190--反式-2-癸烯醛------1.3974酮类3,5-辛二烯-2-酮2.9695--3.2970--(Z)-6,10-二甲基-5,9-十一碳烯-2-酮2.56922.78872.70832.3987环三癸酮------2.33804-甲基-7-丙-2-基-1,3,4,5,6,7,8-八氢萘-2-酮------1.0581酯类2-氯乙酸壬酯3.9991------6-十四磺酸钠丁酯0.6474------乙酸正十七烷基酯2.0390------亚硫酸,十八烷基2-丙酯0.7788------邻苯二甲酸正丁异辛酯1.0790------棕榈酸甲酯0.23860.75940.35910.4383棕榈酸乙酯0.22930.80930.43810.5487五氟丙酸壬酯--11.8083--3.93862-溴乙酸癸酯--1.0291----草酸-6-乙基-3-基异丁基酯--0.4982----五氟丙酸十一酯--0.6082----七氟丁酸,正十四酯--2.3086----五氟丙酸十五酯--1.7284--1.3778五氟丙酸非癸酯--0.35830.5683--邻苯二甲酸酯--0.99861.9286--14-十八碳烯酸甲酯--0.2089----油酸乙酯--0.2091----1,1,2-三甲基-2-亚硝基丙基碳酸乙酯----1.7478--三氯乙酸十一酯----0.4576--双(6-乙基-3-基)草酸酯----0.5983--亚硫酸丁基十一酯----1.4686--七氟丁酸十五烷酯----2.2586--11,13-二甲基-12-十四烷-1-乙酸乙酯----0.88930.7189亚硫酸丁基庚酯----3.0374--

续表3

续表3

注：相对含量是扣除空白样品和硅氧化合物后计算得到的；-表明未检出或质量分数<0.1%。

注：1为有机酸类；2为饱和烷烃类；3为不饱和烃类；4为杂环类和其他化合物。图4 4种超微粉碎杂粮粉中各类风味化合物的相对含量

由表3和图4可知，青稞中共检测到48种组分，其中不饱和烃类(35.0%)、杂环类和其他化合物(16.3%)以及饱和烷烃类(12.3%)是主要成分；荞麦共检测到50种风味化合物，主要组分为杂环类和其他化合物27.1%、酯类21.3%、苯环类13.2%；红豆中共检测到46种风味成分，杂环类和其他化合物24.5%、苯环类16.3%、不饱和烃类15.6%和酯类12.4%为主要风味化合物；薏苡中共检测到47种组分，主要组分为杂环类和其他化合物24.3%、酯类20.1%、苯环类12.3%和醛类12.1%。由表3可知，本实验从青稞、荞麦、红豆和薏苡4 种超微粉碎杂粮粉中共鉴定出127种挥发性成分，其中，酯类29种、杂环类和其他化合物21种、不饱和烃类20种、醇类17种、饱和烷烃类17种、苯环类9种、醛类7种、酮类4种、醚类3种、有机酸类1种；共有的挥发性风味物质有11种，分别是壬醛、癸醛、(Z)-6,10-二甲基-5,9-十一碳烯-2-酮、棕榈酸甲酯、棕榈酸乙酯、正十二烷、环十四烷、3’-甲氧基-2,2’-二硝基苯乙炔、2,6-二叔丁基对甲酚、1-甲基萘、2,3-二甲基萘，绝大多数组分的匹配度超过80%，其余也多在70%以上。

3 结论

比较萃取温度、平衡时间、萃取时间和解析时间4个单因素对超微粉碎杂粮粉中挥发性成分的影响，得出最佳SPME条件为萃取温度80 ℃、平衡时间10 min、萃取时间40 min、解析时间180 s。用GC-MS从青稞、荞麦、红豆和薏苡4 种超微粉碎杂粮粉中检测到并鉴定出的挥发性成分共127种，杂环类和其他化合物(92.2%)含量最高，其次是酯类(53.8%)、苯环类(41.8%)化合物。其中共有的挥发性风味物质有11种，分别是壬醛、癸醛、(Z)-6,10-二甲基-5,9-十一碳烯-2-酮、棕榈酸甲酯、棕榈酸乙酯、正十二烷、环十四烷、3’-甲氧基-2,2’-二硝基苯乙炔、2,6-二叔丁基对甲酚、1-甲基萘、2,3-二甲基萘。

实验结果表明不同品种的杂粮经超微粉碎制得到的杂粮粉既有总体相似度，又存在个体差异，后期可将SPME/GC-MS分析技术将分析对象扩大至同一品种不同产地或不同品类的挥发性成分比较。