顶空固相微萃取气质联用技术在谷物食品中的应用研究进展

苗榕芯，孙莹，*，石长波，江连洲

（1.哈尔滨商业大学旅游与烹饪学院，黑龙江哈尔滨150000；2.东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨150000）

食品的风味是区分食品品质的重要特征，风味因素极大影响人们对食品的接受度，因此，对食品中风味物质的研究是广大食品生产者、研究者和消费者关注的热点[1-2]。风味物质作为食品感官评价指标之一，在食品制作过程中提高和改善食品风味，可为食品工业化生产提供理论依据。食品风味物质分析包括挥发性风味物质提取、风味成分定性定量分析以及不同成分对整体风味的贡献率三方面。由于食品中挥发性风味化合物组成成分复杂、性质不稳定并且相对分子质量较小，基于这些特点，对食品挥发性风味物质的检测通常应用顶空固相微萃取（headspace-solid phase microextraction，HS-SPME） 结合气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）联用技术，可以完成对食品中复杂挥发性成分提取、定性和定量分析[3-6]。该技术现已广泛应用于食品[7]、木材[8]、微生物[9]、医学[10]等领域中。

我国是谷物食品消费大国，谷物包括大米、小麦、玉米、黑米、荞麦等精粮和杂粮，以及通过加工生产制成的馒头、饼干、面包等食品[11]。谷物食品挥发性风味物质成分复杂，种类繁多，既是谷物食品味道形成的主要因素，又是消费者对谷物食品品质和接受度评价的重要指标。通过国内外研究发现，谷物中风味成分包括烃类、脂类、芳香类、醛类等数百种物质[12]，风味物质的阈值、含量和种类极大的决定着谷物食品的食味。本文通过简述顶空固相微萃取气质联用技术的原理和特点、样品检测前处理、定性定量分析，重点介绍近年来HS-SPME-GC-MS 在谷物食品中挥发性物质分析中的应用进展，同时探讨了谷物食品气味分析未来的发展方向，为谷物的培育以及谷物食品的制作、研发提供支持。

1 顶空固相微萃取气质联用技术简述

1.1 HS-SPME技术简述

固相微萃取（soid-phase microextration，SPME）是20 世纪90 年代提出的一种新型样品前处理技术，最早由加拿大Waterloo 大学Pawliszyn 教授及其同事首次进行开发研究。HS-SPME 属固相萃取方法的一种，根据相似相溶原理，是将吸附涂层（萃取纤维）暴露在样品上方，对样品中挥发性甚至难挥发性物质进行富集待测[13-15]。萃取时包括两个步骤，首先被分析组分穿过液相扩散到气相中去，然后被分析组分从气相转移到固相中去。由于第二步骤速度远远大于第一步骤，所以，气味从液相进入气相成为控制的关键，导致挥发性物质比半挥发性物质萃取更容易[16]。顶空固相微萃取可直接对样品进行处理，与传统样品前处理方法相比，该技术具有操作方法简单、效率高、成分分析准确、重现性好、应用领域广等特点[17-18]。图1 为顶空固相微萃取装置。

1.2 GC-MS技术简述

图1 顶空固相微萃取装置Fig.1 Head space solid phase microextraction sampling apparatus

气相色谱质谱联用技术出现于20 世纪50 年代后期，是通过气相色谱仪、质谱仪以及两个仪器之间的装置接口组成，两种仪器均是通过气相分离分析技术对样品气味进行分析，检测时所需环境大致相同均为气体，对物质灵敏度的感应能力也相似，因此，在联用时仪器的结构不发生改变[19]。对样品分析检测时，食品中的有机物质以色谱柱的形式分离后，对待测品挥发性风味物质感应灵敏，在样品为较低浓度时仍可以准确的分析出[20]。GC-MS 联用技术弥补了单个仪器分析时的不足，既有色谱强大的分离功能又具备质谱灵敏的鉴别功能，因此它具有高准确性、高灵敏度、高选择性，高效率、应用范围广的优点。分析出的结果可知道化合物的分子式、对样品气味的贡献率和相对分子质量等指标，便于分析样品挥发性物质的特点。经过半个多世纪发展，气质联用技术日益成熟，功能日趋完善，在分离、检测和数据采集处理方面的整体性能有很大提高。

HS-SPME-GC-MS 是近几年新型的对检测样品的挥发性成分进行分离、鉴定的方法，可对样品进行采集、萃取、浓缩和进样处理，从而使得样品的分析操作过程简单、灵敏度高、重复性好，是一种样品风味分析时极为有效的检测方法，在食品领域的应用逐渐扩大[21-22]。在食品中最早的应用是对果蔬的气味分析，近年来，随着美国SUPELCO 公司大力推广商用萃取头，HS-SPME-GC-MS 的应用范围也在逐渐扩大，如在谷物食品分析中的广泛应用。因此，本文重点介绍其在谷物食品中挥发性风味物质检测的应用。

2 HS-SPME-GC-MS在谷物食品风味分析中的应用进展

自古以来就有“五谷为养”的说法，可以看出我国对谷物的重视程度，谷物不仅是主要粮食来源而且营养价值是人体不可缺少的。它经烹饪过后具有特殊的香味，深受人们喜爱，人的嗅觉能感受到的挥发性风味物质，主要为挥发的醛类和碳氢类等化合物。利用HS-SPME-GC-MS 对谷物食品风味物质进行分析，可为评价改良谷物食品的风味品质奠定基础以及为谷物的培育种植提供依据。

2.1 谷物原料

气味可判断谷物的新陈程度，谷物储藏过程中霉变的程度可危害人体健康，因此，对谷物原料气味的研究，对消费者选购谷物具有重要作用。Xia 等[23]研究发芽可提高糙米的营养价值，但是破坏了糙米独特的风味，而高水压处理后可提高营养及风味，因此，利用HS-SPME-GC-MS 分析糙米在37 ℃发芽36 h 后经100、300、500 MPa 高水压下处理 15 min 风味物质变化，结果表明糙米发芽过程中总挥发性组分显著性减少，在高水压处理后大大提高了糙米风味成分，特别是特征性气味，包括醛、酮和醇。A Griglione 等[24]用HS-SPME-GC-MS 对6 个意大利优质稻品种的挥发性成分进行研究，确定其指纹图谱并鉴定了化学成分。Starr 等[25]对不同品种小麦游离态挥发性化合物的含量及类别进行分析，鉴别出游离态挥发性化合物共72 种，并且发现不同产地和品种小麦的风味具有显著性差异，可用来区分不同种类的小麦作物。Bryant 等[26]探究不同稻米品种对挥发性风味物质的影响，对7 种香米和2 种非香米贮藏前后芳香物质研究，得出挥发性风味物质93 种，其中64 种在稻米气味研究中未曾报道，16 种芳香物质只存在于香米中，大多数挥发性气味存在新鲜大米体内。Azarnia S 等[27]研究贮藏条件对豌豆挥发性风味的影响，分别在4、22 ℃和37 ℃下保存12 个月，采用顶空固相微萃取气相色谱质谱法对挥发性风味化合物进行提取和鉴定，结果发现在4 ℃保存下碳氢化合物、酮类和酯类相比37 ℃贮存下含量高，其中1-己醇、己醛、苯乙烯、2-丁酮、二甲基硫化物、3-甲烯、乙酸乙酯和2，3-二乙基-5-甲基吡嗪是豌豆中最丰富的化合物，此研究有助于改善豌豆贮藏条件。Tananuwong 等[28]测定不同贮藏条件下有机香米挥发性物质的，发现真空包装的香米在室温保存2 个月后己醛、2-戊基呋喃、1-辛醇等含量显著增加，仅有少数物质含量减少，由此表明香米在真空保存下效果较好。

由此可以看出，利用HS-SPME-GC-MS 可以准确清楚地分析出谷物原料的挥发性风味成分，谷物中的醇、酮、含苯衍生物、碳氢化合物、杂环、酚和酸，醛类化合物是主要挥发性成分构成谷物食品特有的青香、花香、米香味。并且可知，不同产地、不同品种、不同成熟期的谷物挥发性风味化合物的成分和含量有很大差别。

2.2 HS-SPME-GC-MS谷物加工食品风味分析研究进展

谷物食品大多是通过谷物及其他原料组合加工制成，我国对谷物食品的研制越来越重视，谷物食品的生产方向是利用完整的谷物种子，制成的产品经加工后做成系列产品的全谷物食品，其含有多种营养物质，可预防慢性疾病[29-31]。其风味物质的产生可能是源于加工过程中热作用和生化反应所产生的烃类、酯类、酸类、羰基类、芳香及杂环化合物等赋予谷物食品特有的风味。

2.2.1 谷物加工固体食品

谷物加工固体食品因其独特的风味深受消费者的喜爱，如面包、饼干、谷物棒、面条等。为了解不同谷物食品的风味差异性，通过其挥发性成分的测定，确定不同谷物食品之间特殊性风味化合物，有针对性的对谷物加工固体食品进行适当的保存、加工等处理。

MB Mariani 等[32]利用顶空固相微萃取结合气相色谱质谱技术对意大利小麦面食的挥发性成分分析，目的鉴别不同品种小麦面食，共检测风味物质23 种。Flander 等[33]在面包中加入燕麦全粉和小麦面粉，利用HS-SPME-GC-MS 测定风味物质，试验结果发现，与传统面包相比，加入燕麦全粉和小麦面粉烘培出的面包挥发性风味物质成分更丰富。曾著莉[34]采用HSSPME-GC-MS 分析以小麦粉为主要原料的马铃薯面条的风味，共检测到30 种挥发性风味物质，主要物质为醛类，其中包括己醛（53.315 %）、壬醛（11.898%）、庚醛（2.911%）、癸醛（2.428%）等。吴香香等[35]利用电子鼻结合HS-SPME-GC-MS 检测全营养高浓缩型食用菌饼干风味成分，分析发现全营养饼干具有更丰富的风味成分，检测出挥发性风味物质51 种，主要为中长链和长链烷烃类、醛类和醇类，相比普通饼干含量显著提升。H Shin 等[36]研究发酵食品，如饼干，利用HS-SPME 结合GC-MS 技术可检测其挥发性有害物质甲醛的含量。

2.2.2 谷物加工液体食品

谷物加工食品除固体食品外还包括液体食品如高粱酿造的白酒、小麦发酵制成的啤酒、谷物奶、谷物饮料等。M Riu-Aumatell 等[37]对低醇和无醇啤酒的挥发性风味物质进行比较，采用顶空固相微萃取气相色谱-质谱联用分析两种啤酒中挥发性风味物质定性和定量的差异，酯类（乙酸异戊酯、己酸乙酯、辛酸乙酯）、醇类（1-辛醇、癸醇、异丁醇、异戊醇）和脂肪酸（己酸和辛酸）在酒精啤酒中含量价高，主要来自于麦芽衍生化合物和焙烧过程，如桃花心精油中的芳樟醇、β-胡芦烯和α-松油醇是啤酒的特征风味物质。SG Da 等[38]开发了提取、鉴定和定量15 种巴西啤酒样品香味最高和最低阈值的方法，利用HS-SPME-GC-MS 以及HSGC-ECD 相结合的评价方法，所用物质阈值均在人体感官阈值范围以下，包括乙酸乙酯相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）平均值4.2%，乙酸异戊酯RSD 平均值3.4%，己酸乙酯RSD 均值3.1%和2，3-丁二酮RSD 均值2.9%，证明此方法可检验啤酒的风味物质。马晓佩等[39]研究烘烤对米饮料风味的影响，利用HS-SPME-GC-MS 检测米饮料挥发性风味物质的变化，试验结果表明，相对于未烘烤的米饮料，烘烤后样品中淀粉、蛋白和脂肪在热作用下发生降解，又经酶催化产生大量吡嗪类风味物质，使米饮料具有浓郁的烘烤香气。Dong 等[40]利用 HS-SPME-GC-MS 对不同品种大麦酿造的啤酒进行检测，分析出游离态风味化合物共41 种，主要包括乙醛、庚醛、辛醛、壬醛、异戊醇、2-甲基丙醛、环戊醇、己醛、2，3-丁二酮、3-甲基丁醛、乙酸等化学物质为大麦经酿造后主要的香气特征化合物。

2.2.3 加工工艺对谷物食品风味影响

虽然不同谷物产品的特征风味物质不同，但同一种谷物食品不同加工工艺对其风味的影响极大，馒头、面包和饼干等谷食品在制作过程中醒发的时间和温度、酵母的种类、蒸制和烘烤的时间、温度都会使谷物食品具有独特的风味。例如微波加热相比传统加热方式所用时间短，更多的保留谷物食品的营养物质，风味也有很大不同，微波加热方式对谷物食品油脂的破坏力小，但食品油炸风味化合物所占整个风味成分比例也较小，香味因子不易挥发，更有利于食品香味物质的保留[41]。

王宁[42]运用HS-SPME-GC-MS 研究干酵母馒头与传统酵子馒头的风味物质，意在找出两种面包特有的风味物质，通过比较分析干酵母馒头、加碱和未加碱酵子馒头样品中的挥发性风味物质，3 种面包分别共检测出36、43 和36 种挥发性风味物质，主要由酯类、醇类、醛类烃类以及芳香族化合物构成。Jurkovic N等[43]不同种类小麦酸面包挥发性风味物质，主要包括醇类、酯类以及羟基类成分，且面包之间气味种类差别较大。影响谷物食品风味物质的主要因素包括：面粉本身的风味、谷物食品在发酵过程中微生物的生化反应、酶的作用、在熟制过程中不同程度的热作用等[12]。王丹等[44]比较荞麦和小麦在不同发酵剂作用下发酵过程中产生香气成分的差异，研究表明，酵母和乳酸菌发酵荞麦和小麦后，香气成分有明显差异。在发酵过程中，香气成分随着发酵时间延长而发生转化。

2.2.4 谷物食品储存过程中气味变化

谷物食品的香味是评价风味品质的重要指标之一，谷物食品随着贮藏时间的延长香味消失，导致其香味趋于平淡，失去新鲜感[45]。大多谷物加工食品原料谷物粉中含有较高的脂肪但多为不饱和脂肪、较容易酸败、变性，且麸皮层含有丰富的活化酶，影响谷物加工食品的保质期，对谷物粉进行稳定性处理，可显著提高贮藏期、营养价值和风味品质[46-47]。

S Plessas 等[48]用两种混合发酵剂制作面包，采用HS-SPME-GC-MS 技术对贮藏过程中挥发物变化进行分析，并结合消费者喜好评价贮藏过程中对面包的喜爱程度，结果表明，不同类型面包挥发性风味物质存在差异，在贮藏5 d 后挥发物种类和含量显著减少。沈飞[49]运用电子鼻和HS-SPME-GC-MS 技术，对粮食制品贮藏过程中霉菌的生长过程产生的特征风味化合物判别分析，表明不同霉菌风味成分存在显著性差异，为霉菌样品区分提供参考。已有人研究得出，谷物制品在储藏过程中，受储藏条件影响最大的挥发性风味物质为酸酯类[50]。孙莹等[51]应用顶空固相微萃取技术（HS-SPME）和气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）考察贮存对马铃薯面包风味的影响，试验表明：马铃薯面包共检测出28 种挥发性风味物质，经贮藏后，挥发性风味物质含量和种类发生明显变化。

3 HS-SPME-GC-MS在谷物食品应用中存在问题

用于谷物食品风味物质萃取、富集方法主要有4种：固相微萃取、同时蒸馏萃取、吹扫捕集法、超临界流体萃取；物质定量的技术主要有气质联用、气相色谱离子迁移谱、气相色谱-嗅闻法和电子鼻检测法。HSSPME-GC-MS 与其他方法相比除具有简单、高效率、无溶剂、选择性好、自动化的优点外，还具有涂层易破损，使用寿命短，体积大等缺点。为使HS-SPME-GCMS 技术在谷物食品检测中具有更好的应用前景，应该对仪器进行深入的改进，比如萃取头使用期限短、成本高，应更换适宜的材料；检测和定量分析时操作复杂，时间长，未做到无损检测，都需要今后改进。HSSPME-GC-MS 在谷物食品检测程度不够深入，在今后的应用开发中应注重对谷物食品有更深层次的研究。如包一枫[52]以全谷物燕麦、大麦、青稞为原料，采用焙烤、磨浆、双酶解的方法制备富含丰富β-葡聚糖全谷物酶解液，利用HS-SPME-GC-MS 测定其挥发性风味物质种类，研究表明，其挥发性风味物质主要含有酸类6 种、酯类9 种、酮类5 种及烷烃类4 种，酸类物质随着全谷物酶解液添加量的增加总含量呈下降趋势，酯类、酮类、烷烃类含量基本不变，可为糖尿病患者食用的低GI 食物提供参考。姚惠等[53]提取荞麦、大麦、小麦、水稻4 种全谷物中酚类物质，测定其总酚和总黄酮含量以及通过体外法测定4 种谷物抗氧化能力和抗Caco-2 细胞增殖能力，为谷物酚类化合物的深入研究提供参考。

4 展望

HS-SPME-GC-MS 技术自研发以来已应用到各行各业风味品质检测当中，随着基础理论研究的不断深入，该技术分析谷物食品风味物质已经成为总的发展趋势，并在谷物食品挥发性风味检测的各个方面取得了很好的成果。由于谷物食品风味研究对食品市场有重要的影响作用，因此，将HS-SPME-GC-MS 应用到谷物食品风味鉴别中具有更高的实际价值，并在谷物食品多方面风味检测取得成就。今后HS-SPMEGC-MS 在谷物食品分析上的应用可从以下几个方面继续展开研究工作：谷物食品的风味物质种类繁多，选择高灵敏度萃取头、优化萃取和分离条件，达到高效准确分析样品的效果。由于谷物食品一般都为硬质颗粒，容易损坏萃取头，未来需研制稳定性更高，使用寿命更长的萃取头载体和萃取涂层。加强谷物食品样品处理和分析的无缝对接，对于难挥发的物质应考虑借助超临界流体萃取和其他萃取方法相结合的方式，以大大提高顶空固相微萃取萃取效率，扩大该技术的应用范围。HS-SPME-GC-MS 将在谷物食品研究开发中发挥更重要的作用，具有广阔的发展前景。