3种2-丁烯醛类食用香料的稳定性研究

杨克玉， 柴国璧， 孙世豪， 孙宝国， 黄 佳， 刘玉平

(1.北京工商大学 北京食品营养与人类健康高精尖创新中心， 北京 100048； 2.中国烟草总公司郑州烟草研究院， 河南 郑州 450001)

食用香料是调配食用香精的重要原料，香料的稳定性不仅影响着香精的质量，也影响着加香产品的香气质量；而目前我国还没有一个通用的评价香料稳定性的方法。笔者在文献调研过程中发现对柠檬醛[1-2]、异硫氰酸烯丙酯[3-4]、呋喃酮[5-6]、香兰素[7-8]、糠硫醇[9]、2-甲基-3-呋喃基硫醇[10]等有限的几个用量大或对香精香气影响比较大的香料的稳定性研究报道较多；并且在研究这些香料的稳定性时常采用模型反应[11]或从研究某个食品的香气稳定性开始[12]，研究中发现某一个或几个对食品香气贡献大的成分，进而对这些关键香成分的稳定性进行研究；研究过程中主要考察热、光、氧、食品基质的pH值等对香料的稳定性的影响。

2-丁烯醛属于α,β-不饱和醛，是重要的醛类香料，存在于韭菜[13]、烟气[14]、葫芦巴[15]、薯片、磷虾调味料、烤咖啡和酵母提取物[16]等物质中，具有青香、果香和坚果香，广泛用于调配食用香精和烟用香精，可使香精的香气透发。目前GB 2760—2014《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》中批准使用的2-丁烯醛类食品香料共有4个，分别是2-甲基-2-丁烯醛、2-苯基-2-丁烯醛、2-甲硫甲基-2-丁烯醛和3-甲基-2-丁烯醛；其中2-苯基-2-丁烯醛和3-甲基-2-丁烯醛也被列在我国烟草添加剂许可名录中。因含硫2-丁烯醛的稳定性与另外3种2-丁烯醛化合物的稳定性可能不同，因此本研究仅对反-2-甲基-2-丁烯醛、2-苯基-2-丁烯醛和3-甲基-2-丁烯醛的稳定性进行了考察。为充分了解3种2-丁烯醛在储存过程中的稳定性，本研究考察了温度、相对湿度和顶空氧气含量对其稳定性的影响，并对储存过程中生成的产物进行了初步定性，期望实验结果对建立α,β-不饱和醛类食用香料的稳定性评价方法以及更好地保存和充分利用这些香料提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

反-2-甲基-2-丁烯醛、2-苯基-2-丁烯醛，分析纯，西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司；3-甲基-2-丁烯醛，分析纯，韶远化学科技(上海)有限公司；正构烷烃混合物(C6～C30)，色谱纯，美国Supelco公司；乙醚、浓硫酸，国药集团化学试剂北京有限公司；高纯氮气、高纯氧气、氧气(体积分数为21.0%、40.0%和60.0%的标准气体)，北京锐志汉兴有限公司。

1.2 仪器与设备

7890B- 5977A型气- 质联用仪，美国安捷伦公司；BCD- 539WL型冰箱，青岛海尔股份有限公司；DHG- 9011A型恒温干燥箱，江苏上海精宏实验设备有限公司；50 mL Schlenk瓶，北京欣维尔玻璃仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1稳定性实验操作方法

用移液枪量取3种2-丁烯醛类香料0.5 mL，置于2 mL的色谱瓶中，在避光的条件下储存于不同温度、湿度和顶空氧气含量下，每2周取出一个样品进行气- 质联用分析(为了保证结果的准确性，样品瓶一旦打开，样品被分析以后不再做储存实验使用)，主要对3种2-丁烯醛的变化情况进行定性与定量分析；分析时将样品用乙醚稀释至体积分数为10%，每个样品分析3次，结果取平均值。

考察的温度分别是4(将样品放入冰箱中)、20、40、60 ℃和80 ℃(将样品放入恒温干燥箱中)；考察的相对湿度为42.0%、47.0%、58.0%、72.0%和88.0%(由于不同浓度的硫酸水溶液上空湿度不同，将装有样品的色谱瓶敞口分别放入装有硫酸体积浓度分别为57.0%、50.0%、39.0%、27.0%、10.0%的干燥器顶空中，2 d后将色谱瓶的盖子盖上)；考察顶空气体中氧的体积含量分别为0%、21.0%、40.0%、60.0%和100%(将样品装入Schlenk瓶中，抽去里面的空气，然后冲入相应体积分数的氧气标准气体)。

1.3.2GC-MS分析条件

为将储存过程中生成的新物质与相应的2-丁烯醛分开，对GC-MS的分析条件进行了优化。

分析反-2-甲基-2-丁烯醛采用的气相色谱条件为HP-INNO Wax毛细管柱(30.0 m×0.25 mm×0.25 μm)；升温程序：40 ℃保持2 min，以4 ℃/min升到60 ℃，然后以20 ℃/min升到250 ℃，保持2 min。进样量1 μL，分流比100∶1，气化室温度250 ℃，传输线温度250 ℃，载气为氦气，流速1.0 mL/min。

分析3-甲基-2-丁烯醛采用的气相色谱条件为HP-INNOWax毛细管柱(30.0 m×0.25 mm×0.25 μm)；升温程序：40 ℃保持2 min，以5 ℃/min升到80 ℃，然后以17 ℃/min升到250 ℃，保持2 min。进样量1 μL，分流比100∶1，气化室温度250 ℃，传输线温度250 ℃，载气为氦气，流速1.0 mL/min。

分析2-苯基-2-丁烯醛采用的气相色谱条件：采用HP-5毛细管柱(30.0 m×0.25 mm×0.25 μm)色谱；升温程序：40 ℃保持2 min，以20 ℃/min升到150 ℃，然后以10 ℃/min升到250 ℃，保留2 min。进样量1 μL，分流比100∶1，气化室温度250 ℃，传输线温度250 ℃，载气为氦气，流速1.0 mL/min。

3个样品分析时采用的质谱条件为EI源，电子能量70 eV，离子源温度230 ℃，四极杆150 ℃，全扫描模式，扫描质量范围为m/z50～400 u，溶剂延迟3.5 min。

1.3.3保留指数的计算

取0.2 μL C6～C30正构烷烃的正己烷溶液，在1.3.2节的GC-MS条件下进行分析，得到C6～C30正构烷烃的保留时间，计算保留指数的方法与参考文献[17]相同。

1.3.4化合物的鉴定

化合物的定量方法为采用面积归一化法进行简单定量，寻找变化趋势。

在对新生成的成分进行定性分析时，是将质谱与NIST 11谱库数据对比，匹配度大于85%时，且保留指数与文献报道的保留指数接近时，确定此化合物。

2 结果与讨论

2.1 温度对3种2-丁烯醛类食用香料稳定性的影响

在相对湿度为58.0%，顶空气体中氧的体积分数为21.0%，考察3种2-丁烯醛类食用香料在温度为4、20、40、60 ℃和80 ℃下的它们的相对含量的变化情况(4 ℃是冰箱冷藏温度，20 ℃是模拟室温，40 ℃是模拟夏季高温，60 ℃和80 ℃是模拟巴氏杀菌的温度)，实验结果见图1至图3。

图1 不同温度下反-2-甲基-2-丁烯醛相对含量的变化Fig.1 Trends of relative content of E-2-methyl-2-butenal at different temperature

图2 不同温度下3-甲基-2-丁烯醛相对含量的变化Fig.2 Trends of relative content of 3-methyl-2-butenal at different temperature

图3 不同温度下2-苯基-2-丁烯醛相对含量的变化Fig.3 Trends of relative content of 3-phenyl-2-butenal at different temperature

对比图1至图3，可以看出随着储存时间的延长，它们的相对含量总体呈下降趋势，在所考察的5个温度下，4 ℃和20 ℃下3种2-丁烯醛的相对含量变化较小，较低的温度有利于2-丁烯醛的储存；而40 ℃、60 ℃和80 ℃下相对含量变化较大，尤其是20周以后反-2-甲基-2-丁烯醛和3-甲基-2-丁烯醛的相对含量下降速度较快，其中反-2-甲基-2-丁烯醛在80 ℃储存20周后几乎不能被检测到。醛类化合物中由于含有醛基，是有机化合物中比较活泼的一类物质，在氧气存在下它们容易发生氧化反应生成酸。在所考察的3种2-丁烯醛中最稳定的是2-苯基-2-丁烯醛，最不稳定的是反-2-甲基-2-丁烯醛；这与它们自身的结构有关，由于2-苯基-2-丁烯醛中的苯基可以与2-丁烯醛形成更大的共轭体系，有利于其稳定。

所得结果也说明这类香料如果打开包装后即使再盖好盖子，在室温下其保质期约20周左右，其含量在90%左右。为延长这类香料的保质期，从储存的角度考虑，应将它们储存在低温环境中。由于这类香料不耐高温，在调配耐高温香精时应少量使用这类香料。

2.2 相对湿度对3种2-丁烯醛类食用香料稳定性的影响

基于室温为20 ℃，顶空气体中氧气的体积分数为21.0%，考察3种2-丁烯醛类食用香料在相对湿度为42.0%、47.0%、58.0%、72.0%和88.0%(42.0%、47.0%、58.0%是模拟冬春秋季节的湿度，72%和88%是模拟夏季的湿度)下它们的相对含量的变化情况，所得结果见图4至图6。

图5 不同相对湿度下3-甲基-2-丁烯醛相对含量的变化Fig.5 Trends of relative content of 3-methyl-2-butenal at different relative humidity

图6 不同相对湿度下2-苯基-2-丁烯醛相对含量的变化Fig. 6 Trends of relative content of 2-phenyl-2-butenal at different relative humidity

从图4至图6可以看出，随着储存时间的延长，3种2-丁烯醛的相对含量都降低，但不同相对湿度下它们的相对含量变化差别不是很大(尤其是在储存前20周)；在3种2-丁烯醛中最稳定的仍然是2-苯基-2-丁烯醛，前20周在不同相对湿度下它们的相对含量几乎没有变化，因此这类香料对其储存环境的相对湿度要求不高。在3种2-丁烯醛体系中，第1次测得相对含量较第2次低，其中的原因是在考察相对湿度对它们的稳定性的影响时，为了保证样品瓶顶空的相对湿度达到实验需要值，将样品瓶放入干燥器时样品敞口放置了2 d，并且在取样分析前没有将样品放在振荡器上振匀。这些实验数据也表明样品瓶中上面的样品更容易变化，测定前应该摇匀。

2.3 顶空气体中氧气的体积分数对3种2-丁烯醛类食用香料稳定性的影响

在温度为20 ℃，相对湿度为58.0%的条件下，将样品装入Schlenk瓶中，设置顶空气体中氧气的体积分数分别为0%、21.0%、40.0%、60.0%和100%(0%模拟惰性环境，采用高纯氮气；21.0%模拟空气，100%为纯氧气；为了寻找整体变化趋势，也考察了氧的体积分数为40.0%和60.0%)，考察氧气的体积分数对3种2-丁烯醛的相对含量的影响，所得结果见图7至图9。

图7 不同顶空气体氧含量下反-2-甲基-2-丁烯醛相对含量的变化Fig.7 Trends of relative content of E-2-methyl-2-butenal at different content of oxygen on headspace

图8 不同顶空气体氧含量下3-甲基-2-丁烯醛相对含量的变化Fig.8 Trends of relative content of 3-methyl-2-butenal at different content of oxygen on headspace

从图7至图9可以看出，虽然随着储存时间的延长，它们的相对含量整体呈下降趋势；但是与不同储存温度和不同相对湿度下的相对含量的变化趋势相比，不同氧含量下的相对含量降低更快；在储存20周后2-甲基-2-丁烯醛和3-甲基-2-丁烯醛的相对含量都低于50%。顶空气体中氧气的体积分数高，有利于醛的氧化反应发生，使得更多的醛被氧化成酸；实验结果也表明这类香料应该保存在惰性氛围中。在使用这类食用香料时，如果将包装打开，建议在12周内用完；如果没有用完，应该在剩余的香料中冲入惰性气体进行保存。

2.4 储存过程中2-丁烯醛类食用香料主要产物的鉴定

在不同的储存条件下，2-丁烯醛类食用香料由于环境的影响，如温度、湿度及含氧量，会发生一些变化，生成一些新物质。为确定新生成的物质，通过质谱及保留指数(采用两种色谱柱)对它们进行了初步定性，所得结果见表1至表3。

图9 不同顶空气体氧含量下2-苯基-2-丁烯醛相对含量的变化Fig.9 Trends of relative content of 2-phenyl-2-butenal at different content of oxygen on headspace

表1 反-2-甲基-2-丁烯醛储存过程中产生的物质

*保留指数文献值来自http:∥webbook.nist.gov/chemistry/cas-ser.html；“—”表示保留指数未见报道。

表2 3-甲基-2-丁烯醛储存过程中产生的物质

*保留指数文献值来自http:∥webbook.nist.gov/chemistry/cas-ser.html;“—”表示保留指数未见报道。

反-2-甲基-2-丁烯醛在储存过程中主要发生氧化反应，生成了反-2-甲基-2-丁烯酸；由于顺-2-甲基-2-丁烯醛的能量比反-2-甲基-2-丁烯醛的能量高1～2 kcal/mol[18]，反-2-甲基-2-丁烯醛更稳定；但是在储存过程中随着温度等条件的变化，会有少量反-2-甲基-2-丁烯醛获得能量转变成顺-2-甲基-2-丁烯醛，顺-2-甲基-2-丁烯醛被氧化生成了顺-2-甲基-2-丁烯酸。随着储存时间的延长，除生成的酸外还生成了少量的2-甲基-2-丁烯酸乙酯、反-2-甲基-2-丁烯酸3-氧代-2-丁醇酯、2,3,4,5-四甲基-2-环戊烯-1-酮等，但它们的相对含量都在1%以下；关于它们的形成机理未见文献报道，尚需进一步研究。

3-甲基-2-丁烯醛在储存过程中除发生氧化反应生成3-甲基-2-丁烯酸外，还生成了2,6,6-三甲基-1,3-环己二烯-1-甲醛，并且在80 ℃下储存时随着储存时间的延长其相对含量超过6%，曾有文献报道可采用3-甲基-2-丁烯醛为原料合成2,6,6-三甲基-1,3-环己二烯-1-甲醛[19]。在储存过程中还鉴定出了4-甲基-2(5H)-呋喃酮，并且有文献报道3-甲基-2-丁烯醛可通过氧化成环生成4-甲基-2(5H)-呋喃酮[20]。除以上产物外还有少量的2-甲基丙酸乙酯、6-甲基-3,5-戊二烯-2-酮等产物。

表3 2-苯基-2-丁烯醛储存过程中产生的新物质

*保留指数文献值来自http:∥webbook.nist.gov/chemistry/cas-ser.html，“—”表示保留指数未见报道。

2-苯基-2-丁烯醛虽然比较稳定，但是在储存过程中也生成一些新的物质，主要物质是2-甲基-3-苯基-2-丙烯酸和苯丙酮；2-苯基-2-丁烯醛发生氧化反应没有生成2-苯基-2-丁烯酸，而是生成了2-甲基-3-苯基-2-丙烯酸，其形成机理需进一步研究。除上述主要产物外，还生成了苯甲醛、苯酚、苯乙醛、苯乙酮、联二苯等降解产物。

通过对3种2-丁烯醛在储存过程中形成的产物的结构鉴定可知，主要的产物是通过发生氧化反应生成的酸及进一步降解而生成的产物；为了增加2-丁烯醛类食用香料的稳定性，防止氧化产物的形成，可采取3种办法，一是尽可能将它们储存在低温环境中；二是将这类食用香料保存在惰性氛围中，如向容器中充入氮气、氦气或二氧化碳；三是在不影响其香气和使用的情况下可尝试向其中添加微量食用抗氧化剂，如BHT、BHA、TBHQ、维生素E等。

3 结 论

采用气相色谱- 质谱联用仪考察了储存温度、相对湿度和顶空气体中氧气的体积分数对反-2-甲基-2-丁烯醛、3-甲基-2-丁烯醛和2-苯基-2-丁烯醛在储存过程中稳定性影响。在考察的3种因素中对3种2-丁烯醛类食用香料的稳定性影响大小依次为顶空气体中氧气的体积分数、储存温度和相对湿度；可利用这些因素对香料的稳定性进行初步评价。在3种2-丁烯醛类食用香料中比较稳定的是2-苯基-2-丁烯醛、2-甲基-2-丁烯醛和3-甲基-2-丁烯醛的稳定性接近。盛装2-丁烯醛类香料的容器顶空中含有空气时，在室温下储存20周，其含量降到90%左右；为了增加2-丁烯醛类食用香料的稳定性，延长其保质期，应将它们储存在低温、惰性氛围中。反-2-甲基-2-丁烯醛和3-甲基-2-丁烯醛在储存过程中产生的主要物质分别是反-2-甲基-2-丁烯酸和3-甲基-2-丁烯酸；而2-苯基-2-丁烯醛在储存过程中产生的主要物质是2-甲基-3-苯基-2-丙烯酸和苯丙酮。在使用过程中为了保证2-丁烯醛类香料的质量，包装打开后建议在12周内用完；这类香料不耐高温，在调配耐高温香精时应该少量使用。