顶空/气相色谱-质谱联用结合化学计量学分析金属油墨印刷纸制品中气味物质

景 波，杨青华，林勤保

（暨南大学 包装工程研究所，产品包装与物流广东普通高校重点实验室，广东 珠海 519070）

不同纸浆层经过打浆、抄造、压光、填料等工艺后，赋予纸板一定的表面及抗压性能，再经过涂布等后续处理，使得纸板具有良好印刷适性［1］。金属油墨是包含不同金属颜料配比的油墨，经印刷干燥后可使纸制品包装表面或图案上具有金属光泽，以提升质感吸引消费者。然而，食品经过印刷纸制材料包装后产生的异味问题，造成了消费者食品感官特性的厌恶，需引起广泛关注。纸和纸板中的挥发性有机化合物十分复杂，其中醛类物质（如庚醛等）具有较低的气味阈值［2］，在包装前后的长时间内均易被消费者感知［3］。油墨中的复杂组分，特别是不同组分的金属油墨，胶印后在金属氧化或结膜干燥过程中容易产生较强刺激的气味，包装制品也比普通油墨印刷具有更明显的气味。因此，金属油墨印刷的纸包装制品带来的异味问题也需要引起重点关注。

众多学者研究了纸材料中的挥发性物质。Wiik等［4］使用气相色谱-质谱（GC-MS）法分析纸张中的醛类气味物质［2］，并将己醛作为气味指标研究其在纸张气味变化中的应用。Pugh［5］对比了添加铜粉的化学热磨机械浆（CTMP）纸板在不同温度下不同时间内气味物质的变化，检出己醛、（E）-2-辛烯醛、戊醛等多种醛类物质；Landy等［6］通过静态顶空和固相微萃取法分析了不同批次的印刷和非印刷巧克力包装用标签纸，发现4-苯基-1-环己烯是非印刷纸张乳胶气味的主要来源，且10余种醛类和酮类气味物质来源于印刷油墨树脂的氧化。Donetzhuber 等［7］测定了欧洲产的原生纤维和回收纤维纸张中醛类、醇类、酮类、烷烃类等挥发性物质的迁移情况，发现原生纤维纸板中印刷纸样的化合物数量比未印刷纸样多32%。张珍红等［8］采用静态顶空/气相色谱-质谱联用法测定6种食品接触用纸中的挥发性气味物质并进行贡献度分析，鉴别出51 种挥发性气味成分，包括醛类、酮类、醇类、烷烃类、芳香烃类、烯烃类、杂环类、酯类、醚类、羧酸类等10 大类。本文对多种纸制品包装材料，包括不同来源的原纸板及3 种金属油墨印刷后纸板中的挥发性物质进行顶空/气相色谱-质谱（HS/GC-MS）分析，并对部分关键气味物质建立化学计量学模型，分析其在不同纸板样品中的分布差异性。

1 实验部分

1.1 实验材料

3种白卡纸原纸板分别来源于美国、中国和瑞典，编号为P1～P3；3种金属油墨分别由两个厂家提供，分为单、双组分，对应印刷白卡纸及信息见表1，均符合相关地区食品接触包装材料的法规要求。

表1 实验中纸板样品的信息Table 1 Informations of the card paperboard samples used in the present study

1.2 试剂与仪器

正构烷烃（C7～C40）混合标准溶液（1 000 mg/L，色谱纯），购于Sigma-Aldrich 贸易有限公司（中国）。7890A-5975C 气相色谱-质谱联用仪、7697A 顶空进样器（美国Agilent公司）；AR224CN 电子天平（常州奥豪斯仪器有限公司）；DRK203B 型测厚仪（济南德瑞克仪器有限公司）；20 mL 顶空瓶（美国Agilent公司）；MS-DIAL软件，版本Version 4.48（日本Riken可持续资源科学中心）。

1.3 仪器条件

顶空条件：平衡温度：150 ℃，定量环温度：160 ℃，传输线温度：170 ℃；平衡时间：30 min；GC循环时间：45 min；进样时间：0.5 min；压力平衡时间：0.5 min。

GC 条件：Agilent HP-5MS 色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），后进样口温度：250 ℃；离子源温度：230 ℃；四极杆温度：150 ℃；传输线温度：280 ℃；载气：氦气，流速1.0 mL/min；进样量：1 mL，不分流；升温程序：初始温度40 ℃，保持2 min，以10 ℃/min升至280 ℃，保持6 min。

MS 条件：电离方式：EI；电离能量：70 eV；溶剂延迟：3 min；质量扫描范围：m/z35～550。

1.4 实验方法

1.4.1 样品处理将样品剪成规格约5 mm × 5 mm 碎片，分别准确称取2 g（精确至0.01 g），放入20 mL顶空进样瓶中迅速密封，待测定。每种样品平行测定3次。

1.4.2 保留指数计算取正构烷烃标准品稀释至10 mg/L，取100 μL至顶空瓶中迅速密封，按上述实验条件进行检测，利用MassHunter 工作站的NIST 17 谱库检索，并记录正构烷烃的出峰信息及保留时间，采用线性升温公式计算样品中各组分的保留指数（RI），用于准确定性［9-10］。

式中：n为正构烷烃的碳数；tx为被测组分的保留时间，min；tn表示碳数为n的正构烷烃的保留时间，min；tn+1表示碳数为n+1 的正构烷烃的保留时间，min。

1.4.3 相对气味活性值评价方法利用相对气味活性值（Relative odour activity value，ROAV）评价气味物质对样品整体气味的贡献程度［11］。将样品中具有最高ROAV 的物质定义为参照物质，其ROAV 为100，并以此计算其他组分的ROAV。当化合物的ROAV ≥1 时，认为该物质是样品气味的主要贡献物质，对整体气味起决定性作用；当0.1 ≤ROAV ＜1 时，该组分则为辅助气味物质，起辅助或修饰作用［11］。本文重点关注ROAV值大于10的关键挥发气味物质。

式中：c%x为某组分的相对含量；c%t为气味活度值最高组分的相对含量；dx为某组分的气味阈值；dt为气味活度值最高组分的气味阈值。

1.5 MS-DIAL筛查定性

利用MS-DIAL（http：//prime.psc.riken.jp/compms/msdial/main.html）软件对GC-MS分析得到的样本数据进行转换、解卷积，结合保留指数和NIST 库准确定性。设置数据类型为“Centroid data”，质量数分析范围为40～600 Da，最小峰高设置为2 000。在保留指数的容差值为20，质荷比容差值为0.5 Da条件下，当EI相似性阈值为70%，且综合得分在80%以上时，本文认为所匹配物质定性准确。

2 结果与讨论

2.1 纸板样品中挥发性物质分析

利用HS/GC-MS 法分别对12 种印刷与非印刷纸板样品中的挥发性化合物进行分析，其中样品P1G1 的总离子流图如图1 所示。利用MS-DIAL 软件对样品数据解卷积处理，通过将数据质谱信息与NIST质谱库中的标准质谱进行比较，结合化合物的保留指数对比，准确定性所有挥发性有机化合物并导出数据矩阵用于分析，采用峰面积归一法计算各组分的相对含量，通过查阅文献及相关气味物质网站（https：//www.flavornet.org/），筛选出气味物质及其特征描述［9］，利用气味物质相对含量及其在空气中的气味阈值计算出不同纸样中气味物质的相对气味活性值［12］。

图1 典型样品（P1G1）中挥发性化合物的总离子流图Fig.1 Total ion chromatogram of volatile compounds in typical paper sample（P1G1）

12 种纸样板中共检出63 种挥发性物质，其中烷烃类化合物6 种，烯烃类化合物5 种，醛类化合物16种，酮类化合物12种，醇类9种，以及呋喃类等化合物。如图2所示，3种原纸板中，醇类、芳香烃类化合物以及其他类中的酯类等物质的相对含量均较低。醛类和烷烃类化合物在P1纸样中相对含量更高，分别为13.23%和9.18%，部分其他类物质在P1 中同样具有较高的相对含量，如呋喃类（7.33%）；而P3样板中主要有醛类和酮类化合物，相对含量分别为12.60%、17.19%。结果表明，3类原纸板中醛酮类化合物的含量更高，其次是烷烃类化合物，与Donetzhuber等［7］的研究结果相似。

图2 原纸样中不同种类挥发性化合物的相对含量Fig.2 Categories and their relative contents of volatile compounds in raw paperboard samples

在鉴定出的46种挥发性化合物中，根据气味阈值和网站共筛选出41种影响油墨印刷纸板及其原纸板感官的气味物质，如表2所示。12种纸样中共同检出多种化合物，包括十四烷、十八烷、庚醛、苯甲醛、壬醛、2-庚酮、苯乙酮等醛酮类物质，以及2-戊基呋喃等。在P1G1、P1G2、P1G3样板中检出且未在P1原纸样中检出的物质有正庚烯、苯乙烯、4-苯基-1-环己烯、2-甲基-3-戊醇、2-乙基己醇、正癸醇、葑酮、2-癸酮、十一醛、乙苯、棕榈酸甲酯等；在P2原纸样板及印刷纸板中，有较多醛酮类化合物未在印刷后的纸板中检出，如正辛醛、（E）-2-壬烯醛、癸醛等物质；在P3G1、P3G2、P3G3样板中检出但未在P3纸板检出的物质有十六烷、正庚烯、4-苯基-1-环己烯、（E）-2-庚烯醛、2-乙基己醇等；而在原纸板中同样单独检出某些化合物，如（E）-2-壬烯醛、（E，E）-2，4-壬二烯醛、十一醛、十二醛等物质。

表2 纸板样品中对气味物质及其相对气味活性值的分析结果Table 2 Analysis results of odour compounds and relative odour activity value in all paperboard samples

（续表2）

（续表2）

对样板中挥发性化合物种类和样本间进行热图分析对比，如图3所示，在印刷3种不同组分金属油墨（G1、G2、G3）后，纸板样品中的醛类物质、呋喃类化合物明显增加，醇类、酮类和酯类化合物的相对含量略微增加，苯环化合物、酯类的相对含量无明显变化，而烷烃类化合物略微减少。P1纸板印刷油墨G3后，呋喃类化合物的相对含量达到22.07%，这一显著的含量变化同样出现在其余两种G3油墨印刷后纸板（P2G3、P3G3）中。此外，相比原纸板，P3G3中呋喃类化合物的相对含量为21.94%，P2G3中呋喃类的相对含量为9.66%。纸样P1G1、P1G2 中醛类物质的相对总含量分别为13.58%、16.51%，而P3G1、P3G2中醛类化合物的相对含量分别为21.24%、24.22%。P1原纸板相比另外两种原纸板，呋喃类化合物的相对含量更高，而在P3 样板中酮类化合物的相对含量更高（为17.19%），单组分油墨G3中呋喃类化合物的含量略高，而单组分G1油墨和双组分G2油墨中醛类化合物的含量较高。结果表明，不同原纸板及其油墨印刷纸之间的化合物具有明显差异。在相同原纸板样品中，如P1G1、P1G2、P1G3 之间呈现相似的变化规律，而不同原纸板间的差异较为不同，所有P1 和P3 非印刷和印刷纸板中检出更多的醛类化合物，而在P2原纸板中恰恰相反，无法在其印刷纸板中相应检出，这可能是原纸板的影响，检出化合物更多。3种原纸板的生产差异及不同厂家的油墨、生产工艺，均可能是导致醛类、酮类以及呋喃类化合物含量差异较明显的原因。

图3 纸板样本中挥发性物质种类的热图可视化Fig.3 Heatmap visualization of volatile compound categories in paperboard samples

2.2 纸板样中关键气味物质分析

本文重点考察样板中所有ROAV在10以上的19种高气味物质，认为它们是纸样气味的最主要贡献物质。如图4 所示，在所有纸样中，壬醛、（E，E）-2，4-壬二烯醛、（E）-2-壬烯醛和癸醛具有明显较高的相对气味活性值。壬醛在P2 原纸板及其印刷纸板中的相对含量较高，因此尽管壬醛的气味阈值较高，也容易被人们感知。（E，E）-2，4-壬二烯醛、（E）-2-壬烯醛和癸醛的气味阈值相对较低，在低浓度下也会引起人们的察觉，此类物质感官评价具有相似的气味特征，主要为脂肪香、肥皂味或柑橘味，可能是造成油墨印刷纸板出现脂肪味等异味的主要来源。Wiik 等［2］研究认为纸张包装材料中的醛类物质可能来源于纸张本身、溶解在纤维原料中及吸附在纸张纤维表面的挥发性化合物。

图4 纸板样本中关键气味物质（ROAV ＞10）的三维柱状图Fig.4 Three-dimensional bar graph of odour substances（ROAV ＞10）in paperboard samples

此外，醛酮类化合物还有苯甲醛、正辛醛、（E，E）-2，4-庚二烯醛、十二醛、2-庚酮以及2-壬酮。苯甲醛的感官评价为甜味、果香、杏仁味或樱桃味，低浓度的苯甲醛多表现为杏仁香，而高浓度的苯甲醛则会产生水果香［13］。苯甲醛可作为涂料或油墨的组成成分［14］，在G2 双组分油墨中含量更加明显。正辛醛在两种单组分油墨中均有检出，主要表现为芳香气味和油脂味，十二醛表现出辛辣味及蜡的气味，2-庚酮和2-壬酮具有肥皂般的气味，而这些物质会对纸板包装产生负面影响。

正癸醇呈现轻微的花香，主要表现出油脂和蜡的感官气味；1-辛烯-3-醇则具有类似蘑菇的香味，乙苯和苯乙烯具有油脂味和刺激性气味，乙苯可能是生产过程中的残留，一般用于苯乙烯合成，而苯乙烯是造纸工业中常用的湿部增强剂、表面施胶剂等助剂合成原料［15-16］；十八烷有明显的烷烃味，通常来源于造纸时的必需原料煤焦油，在工业造纸废水中也发现这类烷烃物质［17］。2-戊基呋喃具有明显的青豆和奶油香味，而2-丁基呋喃则表现出强烈的刺激性气味，来源于碳水化合物的热裂解及脂类的氧化降解等［18］。

2.3 化学计量学分析

通过化学计量学进行探索性数据分析，以验证上述筛选气味物质对表征原纸板与油墨印刷纸板样之间差异的效果［19］。主成分分析（PCA）可对数据矩阵进行合理化方差处理，以降低数据的复杂性和维数［20］；而正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）是基于偏最小回归算法和正交信号矫正进行监督式差异性分析，以此探索不同样品组间及样品组内部的差异［21］；层次聚类分析（HCA）能够将具有相似变化的变量树状聚类，呈现样本之间的关联性。

分别对19 种筛选物质建立OPLS-DA、PCA 及HCA 分析模型（如图5），结果表明ROAV 大于10 的气味物质所起的区别效果有限。OPLS-DA 模型和PCA 模型能够一定程度解释不同原纸中气味物质的含量差异性，但效果并不显著。如图5所示，P1、P2及其印刷纸板样品分布相对集中，而P3及印刷纸板的OPLS-DA 相对分散不均匀，表明筛选的气味物质在P1、P2原纸板及油墨印刷纸板中的相对气味活性值具有差异，能够区分这两种原纸及其印刷纸板。200 次预测检验结果为R2 =（0.0，0.443），Q2=（0.0，-0.446），部分预测值略高于实际值，出现了过拟合现象，说明该OPLS-DA 模型对区分能力的解释性有限。HCA 聚类分析说明P1、P2 纸板及其油墨印刷纸板间具有较好的相关性，而P3 纸板样品之间的相关性较差，与OPLS-DA、PCA模型的结果相互印证。

图5 气味物质（ROAV ＞10）的OPLS-DA得分图（A）、200 次置换检验图（B）、PCA得分图（C）与HCA图（D）Fig.5 OPLS-DA score plot（A），permutation tests of 200 times（B），PCA score plot（C）and HCA plot（D）of odour substances（ROAV ＞10）

综上对所有纸板样品进行挥发性化合物分析，共检出41种气味物质，其中ROAV大于10的气味物质有19种。原纸板中醛酮类气味物质，如壬醛、（E，E）-2，4-壬二烯醛、（E）-2-壬烯醛和癸醛等，主要影响整体的感官评价。在干燥过程中金属组分的氧化作用，导致金属油墨产生更多醛酮类化合物。在不同组分油墨印刷后，其醛酮类化合物原料对纸制品的气味有着重要贡献，呈现出强烈的脂肪味。同时某些风味物质，如正癸醇、1-辛烯-3-醇、2-戊基呋喃等，表现出较为愉悦的气味影响。而建立的PCA、OPLS-DA 及HCA 模型表明，对纸板气味具有明显贡献的物质并不能很好区分3 种原纸板及其金属油墨印刷纸板，仅在P1、P2原纸及其印刷纸板间具有较好差异。

3 结 论

本文通过顶空/气相色谱-质谱联用法结合相对气味活性值分析3 种原纸板及3 组金属油墨印刷纸板的气味物质，并利用化学计量学分析不同原纸板及其印刷纸板之间的差异性。3 种不同产地原纸板中的气味物质存在差异，如醛酮类、呋喃类等，而不同组分的油墨会由于原料差异及氧化干燥过程，释放出更多壬醛、（E，E）-2，4-壬二烯醛、癸醛等醛酮类物质以及2-戊基呋喃等气味物质，对纸板的感官评价产生影响。OPLS-DA、PCA 及HCA 模型表明，这些气味物质在不同原纸板及其金属油墨印刷纸板中广泛分布。本文结果可为分析和改善金属油墨在纸制品上的应用及其气味影响提供研究基础。