气相色谱-质谱-嗅闻技术结合感官评价方法在食糖风味鉴别中的应用

吴子毅，刘孟涛，赵金力，赵抒娜*

(1中粮糖业控股股份有限公司/农业农村部糖料与番茄质量安全控制重点实验室，新疆昌吉831100；2中粮营养健康研究院有限公司/老年营养食品研究北京市工程实验室/营养健康与食品安全北京市重点实验室，北京102209)

0 引言

作为食品糖的2大来源，甘蔗糖和甜菜糖均在人们的日常生活中占据重要地位。甘蔗糖和甜菜糖的主要成分虽然都是糖，但原料来源及处理工艺并不相同[1]。甘蔗主要生长于纬度较低的热带、亚热带地区[2]，我国广西地区是最适合种植甘蔗的地区之一，其占有全国 60%以上的种植面积[3]。甜菜主要生长于北方地区，我国新疆、内蒙古、黑龙江等北方地区是甜菜糖的主要产区。

食糖在生产及加工环节可能会因来源、工艺等因素影响产品的风味特性，一些微量甚至痕量的组分会影响这2种糖的风味，造成不同的感官风味。例如，以甘蔗为原料的食糖在加工过程中，可能将甘蔗草本中的某些青草风味带入成品[4-5]，Oliveira等[6]的研究表明，在酿酒过程中不同甘蔗品种也有可能对产品风味造成影响。而甜菜糖来源于甜菜根部，多次提纯分离的加工工艺流程较长，可能会将泥土的风味带入食糖产品。

在20世纪70年代，Tokitomo等[7]就对冲绳县所生产的甘蔗(Saccharuin of Jicinarum var.NCO 376)进行研究，使用液相色谱技术对其中的风味物质进行了浓缩提纯，然后利用硅胶柱层析法和气相色谱法对香味物质浓缩物进行分离，最后用质谱联用对香味物质完成鉴定，研究结果表明：其中的酚类、脂类物质是甘蔗产品中风味的主要来源。根据所生产的食糖因加工方法的不同，其风味也会出现多元化的差别。Pihlsgård等[8]采用GC-MS分析表明，与感官特征相关的主要物质有很多，其中2类物质占据主要位置，一是吡嗪类，二是短链挥发性脂肪酸类(包括乙酸、丙酸、丁酸、异戊酸等)。吡嗪类为1,4位含2个氮原子的六元杂环化合物[9]，具有强烈的吡啶味道，易溶于水、乙醇、乙醚等，可随着水蒸气挥发。如果有胺类化合物和还原糖类化合物的存在，在一定温度和介质条件下，就可能产生吡嗪类化合物成分[10-11]。Moore等[12]也报道了检测甜菜糖的挥发性组分的相关研究，此研究关注了短链有机酸的变化趋势，对其他组分涉及较少。根据Marsili等[13]的研究，气味收集的前处理需要用消泡剂和水对固体样品进行溶解后，通过加热空气对糖溶液进行吹扫。所得气味经过75 min的脱附，并且需要经过一个额外添加的脱水蒸汽环节去掉水分的影响后进入色谱柱进行分析，检测结果显示，2,5-二甲基吡嗪可能是导致甜菜糖特征风味的化合物之一，但此方法前处理环节繁琐，操作难度比较大。王爱霞等[14]通过顶空固相微萃取预处理方法收集香紫苏中的香气成分，并通过后续的气质联用对香气成分进行分析，可以较好地鉴别香紫苏中的风味组成成分。扬琴等[15]采用气质联用的方法对生姜中的风味组分进行鉴别。佘义勇等[16]则采用电子舌、电子鼻对红糖的风味进行分析，可以对红糖风味进行差异分析。这些方法对风味组成进行检测，所检测组分究竟哪些发挥了风味体系中的关键作用，这些方法与实际感官相比是否吻合，并没有明确的结论。

为了探究不同成品糖中所含有的风味物质及所带来的感官差异，本文针对食糖中挥发性组分的检测方法和评价方法进行了有针对性的开发，使用同步嗅闻的方法分析可能构成食糖特征风味的关键组分，并通过与感官评定的结果相对应地评测所检测方法是否可以体现真实感官中的风味特性。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

成品糖：市场采购及未出厂实验室留样样品。甘蔗糖样品1：蔗糖分99.78%，水分0.034%，色值96 IU，浊度20 MAU；甘蔗糖样品2：蔗糖分99.78%，水分0.033%，色值107 IU，浊度17 MAU；甜菜糖样品3：蔗糖分99.80%，水分0.030%，色值14 IU，浊度29 MAU。

气相色谱串联质谱仪：安捷伦 Agilent 5977B-5977B GC/MSD单四极杆气质联用系统；嗅觉检测器带 MassHunter软件数据处理系统；(MW40-275)50/30μm DVB/CAR/PDMS 萃取头的固相微萃取装置；ME204E型分析天平：感量为0.1 mg，瑞士Mettler Toledo。

1.2 实验方法

1.2.1 顶空固相微萃取条件

吸附温度为120℃，吸附时间20 min，顶空固相微萃取的糖的搅拌速度为 250 r/min。解吸温度250℃，解吸时间2 min。

1.2.2 色谱条件

HP-5毛细管色谱柱，30 m×0.25 mm×0.25 μm；载气：He；纯度99.999%；载气流速1.2 mL/min；进样口温度 250℃；压力 14.87 psi；分流进样，分流比为1∶1；程序升温：初始温度为50℃，保持1 min；以5℃/min的速度升温至100℃；以10℃/min的速度升温到220℃，保持5 min。

1.2.3 质谱条件

电子轰击(Electron Impact，EI)离子源，电子能量70 eV，传输线温度250℃，离子源温度为230℃，四极杆温度为150℃，溶剂延迟1 min，质量扫描范围55～500 m/z。

1.2.4 嗅觉测量

所述嗅闻的接口温度优选为 200℃。检测时，为了防止实验员鼻腔干燥，通入湿润的空气。

1.3 样品前处理

粉碎：取糖样品120 g，用粉碎机粉碎，采用圆孔筛筛出≤0.2 mm的颗粒，混匀，分为2个各50 g的样品分别装入洁净容器后密封。

提取：将其中一份50 g粉碎样品放入固相微萃取进样器的样品瓶中，将30 µm的CAR-PDMS固相微萃取头插入到样品瓶的顶空部分，将样品以250 r/min的速度进行搅拌，在70℃下吸附1 min进行收集。将另外一份50 g糖样品放入250 mL带螺旋盖的广口瓶中，放入50℃的水浴锅中进行加热，同时轻轻地旋转晃动瓶子确保瓶内溶液充分混和。

1.4 样品的测定

1.4.1 顶空固相微萃取-气相色谱-质谱法检测

将萃取头从固相微萃取进样器的样品瓶中取出，插入气相色谱-质谱联用仪的进样口进行解析，解析时间2 min。将样品萃取头放入GC-MS-OD联用的仪器进行测试，记录所闻到的气味类型及强度，通过谱库和面积归一化法对挥发性组分进行定性和定量分析，通过嗅闻对气味强度和类型进行鉴定。

1.4.2 对比感官测试

另外一份糖样品进行对比感官测试，评价处理前后瓶内顶部空间的 50℃糖溶液的风味(气味)。间隔10 min对溶液的风味(气味)进行评价，不少于30 min，检测气味强度，记录检测样品的风味(气味)的评价结果以及注释任何异味。使用这种普通的感官评价方式对仪器鉴定的结果进行辅助验证。

实验中对于气味的判断标准GC-O五级气味强度法借鉴GB 14554-93《恶臭污染物排放标准》[17]的6级臭气强度表示法，将此方法中的0级和1级合并为1级，然后依次按照2、3、4、5表示五级气味级别和气味强度，其气味强度级别和嗅觉感觉为：1-无任何气味感觉或能稍微感觉到极弱的气味(检知阈值浓度)；2-能感觉和分辨出何种气味(确认阈值浓度)；3-能明显感觉到有气味；4-能感觉到强烈的气味；5-能感觉到极强烈的气味。

2 结果与分析

2.1 白砂糖风味检测结果

本文共选取2个甘蔗糖样品，1个甜菜糖样品进行检测分析，前2个样品为甘蔗糖样品，其中甘蔗糖样品1进行检测得到的GC-MS如图1所示，具体挥发性组分如表1所示。

图1 甘蔗糖样品1检测的GC-MS

表1 甘蔗糖样品1中具有风味的挥发性组分

根据图1和表1检测结果，甘蔗糖样品1所检测到的挥发性物质共有84种，其中具有风味的组分主要有以上4种，主要特征物质为正己醛和壬酸，表现为较为明显的青草味。

将甘蔗糖样品2进行检测得到的GC-MS如图2所示，具有风味的挥发性组分如表2所示。

图2 甘蔗糖样品2检测的GC-MS

表2 甘蔗糖样品2中具有风味的挥发性组分

甘蔗糖样品2检测到的挥发性物质共有47种，其中具有风味的组分主要有以上5种，主要特征物质为 2-乙酰基吡咯和 2,3-二氢-3,5二羟基-6-甲基-4(H)-吡喃-4-酮，表现为较为明显的焦糖和坚果味。

将甜菜糖样品3进行检测得到的GC-MS如图3所示，具有风味的挥发性组分如表3所示。

表3 甜菜糖样品3中具有风味的挥发性组分

图3 甜菜糖样品3检测的GC-MS

甜菜糖样品 3所检测到的挥发性物质共有 56种，其中具有风味的组分主要有以上9种，主要特征物质为石炭酸、安息香酸和 3,5-二羟基-2-甲基-4H-吡喃-4-酮，表现为塑料等较明显的刺激性味道。

2.2 结合感官测评方法对比分析

将食糖样品按照感官测试的步骤进行感官对比，评价食糖样品的风味特征，并与仪器测试的风味属性进行对比评价，评估文中所述方法与实际感官测试结果之间是否存在明显差异。根据感官测评方法对上述3个食糖样品进行检测，表4为实验中样品糖的感官测评对比结果。

表4 食糖样品的感官测评对比结果

通过对不同食糖样品的检测分析及感官测评发现，不论是甘蔗糖还是甜菜糖，不同食糖样品的气味并不完全一致，呈现多样化差异。不同来源的食糖样品可能存在差异，如甘蔗糖和甜菜糖样品体现的风味不同，而即使是同样来源的甘蔗糖，样品 1呈现较浓的青草风味，而样品2则体现较浓的焦糖风味，这表明加工过程存在的差异也会对产品的风味形成具有一定影响。由实验结果对比可以看出，使用本文方法进行的气味鉴定方法可以较好地体现实际感官测评的实验结果。

考虑到风味体系组成成分的复杂性和多样性，Pihlsgård[8]等对甜菜来源的液体糖制糖工艺不同环节进行挥发性组分的检测，发现土臭素可能出现在甜菜加工的早期，这与 Colonna[18]等的研究结果一致，其研究团队也提到在甜菜洗菜水中检测到了土臭素，这是一种含量极低却对糖产品感官影响非常明显的物质，即使低于仪器检测的阈值，也可能被人的嗅觉感知，推测可能与甜菜原料的土腥味有关。而Pihlsgård的研究中食糖产品并没有检测到土臭素，因为文中并没有提到风味的感官方法检测，有可能是在加工工艺中有被除去而没有出现在产品中，也有可能是产品中的土臭素浓度已经低于检测限而不能被仪器检测到。由此可以看出，在仪器分析的基础上同步嗅闻检测，并通过感官测评方法辅助论证，可以弥补实验仪器受到检测限制约的欠缺，协助研究人员快速诊断复杂风味体系中的关键影响组分，精准分析可能造成产品风味的影响因素，提出有效解决方案。

3 结论

本研究通过谱库和面积归一化法对挥发性组分进行定性和定量分析，通过嗅闻对气味强度和类型进行鉴定。通过顶空固相微萃取直接对糖样品进行处理，富集挥发性组分，与现有技术相比，减少了复杂的前处理步骤，同时利用气相色谱-质谱-嗅闻法对挥发性组分进行检测，在对挥发性组分进行鉴定的同时对于挥发性组分的气味类型和强度进行了同步感官评测，方法简单，鉴定结果准确。并且通过与感官检测方法的相互辅证，所得的检测结果与实际更加贴近，该方法可以较好地体现不同食糖风味体系中的差异，由此为产品特定风味组分的形成机理进行研究。采用此方法可以对工厂所生产的食糖风味进行诊断，为产品特性进行溯源提供了参考，寻找工艺中可能造成风味变化的主要因素，帮助工厂进行问题诊断及技术指导，对于实际生产和应用以及提高糖的品质具有十分重要的意义。