基于Mono Trap- GC- O- MS的西瓜汁热处理前后气味化合物分析

杨 帆，徐 莹，代晹鑫，毕 爽，刘 野

(北京工商大学 食品与健康学院/北京市食品添加剂工程技术研究中心， 北京 100048)

西瓜汁富含矿物质、维生素、氨基酸和番茄红素[1-2]，因其营养丰富和清爽的口感，在消费者中广受欢迎[3]。西瓜汁具有热敏性，在加热灭菌等热处理过程中易发生氧化分解，产生令人不悦的异味，进而影响消费者的接受度[4-5]。

西瓜汁中鉴定出的气味化合物以C6、C9醇醛类为主，包括己醛、壬醛、(E)-2-壬烯醛、(Z)-6-壬烯醛、(E)-6-壬烯醇和(E,Z)-2,6-壬二烯醇等[6-7]。目前，国内外对西瓜汁气味化合物萃取的方法主要集中在溶剂辅助风味蒸发(solvent-assisted flavor evaporation, SAFE)[8]、固相微萃取(solid-phase micro-extraction, SPME)[9]、吹扫捕集法(purge and trap)[10]等。SPME法操作简单，但吸附效果受到吸附涂层材料的限制，不能全面萃取不同极性化合物；SAFE法可以获得和原始样品接近的气味提取物，但操作复杂，对实验人员要求较高。因此，本研究拟采用一种新型萃取方法——整体材料吸附萃取(monolithic material sorptive extraction, MMSE)，对热处理前后西瓜汁的气味化合物进行吸附萃取。

MMSE法使用集硅胶、活性炭和十八烷基(ODS)基团于一体的具有大表面积的新型交联型吸附剂Mono Trap，挥发性化合物通过二氧化硅整体孔状结构后被结合在表面的活性炭和ODS基团捕获，对极性、非极性物质和低、高沸点物质具有较好的吸附作用[11]。Zhou等[12]采用Mono Trap结合GC- MS从30种香菜籽油中鉴定出29种挥发性香气成分，相较于常规SPME法更易吸附沸点较低的化合物。王逍君等[13]对Mono Trap结合GC- O- MS测定酱油气味活性成分的萃取条件进行优化，共鉴定出56种气味化合物。高韶婷等[14]应用Mono Trap结合GC- MS对金华火腿的风味物质进行了研究，分析得到31种气味化合物。但是，将Mono Trap应用于热处理前后西瓜汁气味化合物的研究较少。

本研究以鲜榨和热处理西瓜汁为研究对象，使用Mono Trap、热脱附结合气相色谱- 嗅闻- 质谱(gas chromatography-olfactometry-mass spectrometry，GC- O- MS)对气味化合物进行萃取和分析鉴定，以期为西瓜汁风味成分的进一步研究提供一定的理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

麒麟西瓜，约3 kg/个，种植于北京市大兴区庞各庄镇，采摘于2021年6月中旬，购买于北京永辉超市；正构系列烷烃(C7～C30)、2-甲基-3-庚酮(质量分数≥99%)，美国Sigma公司；正己烷，色谱纯，美国Fisher公司。

1.2 仪器与设备

Mono Trap吸附材料：RSC18(ODS型吸附材料)、RGC18(石墨碳混合ODS型吸附材料)、RGPS(聚二甲基硅氧烷混合石墨碳型吸附材料)，日本GL Sciences公司；7890A- 7000B型GC- MS联用仪(配有EI离子源和NIST 20数据库)、DB- Wax型色谱柱(30 m×0.25 mm, 0.25 μm)，美国Agilent公司；热脱附系统(thermal desorption system，TDS)、多功能自动进样器(multipurpose sampler，MPS)、PTV冷却型进样口(cooled injection system，CIS)，德国Gerstel公司；Sniffer 9000型嗅闻仪，瑞士Brechbuhler公司；MYP19- 2型恒温磁力搅拌器，上海梅颖浦公司。

1.3 实验方法

1.3.1西瓜汁样品制备

为降低西瓜个体差异，一次性购买所有待测样品。西瓜洗净、去皮、榨汁；用纱布过滤果汁直至西瓜汁无泡沫存在。将西瓜汁每100 mL分装于无菌的真空包装袋(聚酯、尼龙材质)中，迅速密封，放入-196 ℃的液氮中急速冷冻后保存于-80 ℃低温冰箱。

新鲜西瓜汁：4 ℃解冻冷冻样品，解冻后立即进行分析。

热处理西瓜汁：4 ℃解冻冷冻样品，70 ℃水浴加热20 min后立即进行分析。

1.3.2感官评价方法

感官评价由12名感官实验员(6男和6女，平均年龄25岁)进行评估，每个小组成员至少接受了为期半年的感官培训，以确保小组成员能够准确地识别西瓜汁的气味。风味属性包括整体香气、清香、黄瓜味、果香味、蒸煮味和脂肪味，这5种感官属性分别以西瓜、新鲜切碎的西瓜皮、黄瓜、混合水果、沸腾的开水蒸气和食用大豆油为气味参考。评分标准为1～5分，每位实验员对每个样品进行3次评估，计算平均得分并以蜘蛛图的形式呈现。

1.3.3MMSE法

准确量取10 mL西瓜汁样品于顶空瓶中，加入1 μL的2-甲基-3-庚酮(使用正己烷稀释至0.816 μg/μL)作为内标物，分别将不同类型Mono Trap放入样品瓶，使其完全浸入到西瓜汁中，置于40 ℃恒温磁力搅拌器上吸附萃取1 h，待萃取完毕后，将Mono Trap取出，用超纯水冲洗后再用无毛纸吸干水分，最后将Mono Trap置于TDS中解析，进行GC- O- MS分析。实验重复3次。

1.3.4GC-O-MS参数设定

1.3.4.1 色谱条件

色谱柱：DB- WAX石英毛细柱 (30 m×0.25 mm,0.25 μm)；升温程序：40 ℃保持5 min，以5 ℃/min升温至210 ℃，再以10 ℃/min升至230 ℃并保持3 min。载气为氦气(纯度≥99.999%)，其恒定流速设为1.2 mL/min，进样口温度为250 ℃，不分流模式。

1.3.4.2 热脱附条件

TDS升温程序：起始温度设为50 ℃；保持1 min后以60 ℃/min升至200 ℃，保持10 min；再以 60 ℃/min升至300 ℃，保持10 min。

CIS升温程序：先通过液氮将CIS温度降到-120 ℃，待吸附材料解吸完成后，以10 ℃/min升到240 ℃，保持1 min。

1.3.4.3 质谱条件

离子源为EI离子源，电子能量为70 eV，离子源温度为230 ℃，传输线温度为280 ℃，四极杆温度为150 ℃，溶剂延迟5 min，质量扫描范围m/z为50～350 u。

1.3.4.4 嗅闻仪条件

传输线温度设为200 ℃，3名经验丰富的感官小组成员对GC- O输出的气味化合物进行嗅闻，依次记录气味出现的时间、气味特征和气味强度。

1.3.5气味化合物定性分析

采用质谱定性、保留指数(RI)对比和嗅闻(O)对比相结合的方式对气味化合物进行定性分析。根据目标物的出峰时间及相同气质条件下系列烷烃的出峰时间计算实际RI值，见式(1)[15]。

(1)

式(1)中，n表示系列烷烃的碳原子数量；Tn为n个碳原子的正构烷烃的保留时间；Tn+1为n+1个碳原子的正构烷烃的保留时间；Ta为样品中化合物a的保留时间(Ta在Tn与Tn+1之间)。

嗅闻即通过GC- O- MS，利用感官评价员的鼻子作为检测器感知从色谱柱上分离出的气味化合物的气味并做记录，最后根据已有的文献进行RI值和气味特征的比对。

1.3.6气味化合物定量分析

采用内标半定量的方法对西瓜汁中的气味化合物进行定量分析。各气味化合物的相对质量浓度计算见式(2)[16]。

(2)

式(2)中，ρx为挥发性风味化合物的相对质量浓度，μg/μL；ρ1为内标的质量浓度，μg/μL；Ax为挥发性风味化合物的峰面积；A1为内标物的峰面积。

1.3.7香气活力值的计算

香气活力值(odor activity value，OAV)由目标化合物的质量浓度(ρi)及其阈值(OTi)决定的，计算见式(3)[16]。

(3)

1.4 数据处理

表格制作由Microsoft Office 2019 软件完成，图形制作由Origin 2021软件完成，采用IMB SPSS Statistics 27 进行单因素方差分析和显著性分析，显著性分析采用Duncan检验。

2 结果与分析

2.1 西瓜汁感官评价结果

热处理前后西瓜汁感官评价结果见图1。由图1可知，在新鲜西瓜汁样品中，清香、黄瓜味和果香气味属性的强度较高；西瓜汁进行热处理后的气味属性以蒸煮味和脂肪味为主，清香、黄瓜味和果香等令人愉悦的气味强度明显降低。结合2种样品气味化合物定性定量结果，鲜榨西瓜汁的清香、黄瓜味源于醇、醛类成分，果香味源于酮类、酯类成分；热处理西瓜汁的脂肪味主要源于杂环类和醛类成分，并未检索到气味属性为蒸煮味的化合物，因此热处理西瓜汁的蒸煮味可能是由于多种气味化合物的综合作用。

图1 鲜榨和热处理西瓜汁感官评价结果Fig.1 Results of sensory evaluation among fresh and heated watermelon juice

2.2 西瓜汁气味化合物Mono Trap 萃取分析结果

采用Mono Trap 吸附材料对热处理前后西瓜汁进行全面的风味萃取，并进行GC- O- MS分析，鉴定结果见表1、表2。由表1可知，3种吸附材料从鲜榨西瓜汁样品中鉴定出50种气味化合物，其中醇类12种、醛类16种、酮类8种、酸类3种、酯类3种、杂环类化合物8种；由表2可知，从热处理西瓜汁样品中鉴定出71种气味化合物，包括醇类12种、醛类26种、酮类13种、酸类3种、杂环类化合物12种、酯类2种、其他3种。

表1 鲜榨西瓜汁中的气味化合物Tab.1 Odor compounds in fresh watermelon juice

续表1

表2 热处理西瓜汁中的气味化合物Tab.2 Odor compounds in heated watermelon juice

续表2

不同Mono Trap吸附材料萃取的西瓜汁中气味化合物结果分析见图2。由图2可知，在鲜榨西瓜汁中，利用RGC18、RSC18和RGPS可以萃取到的气味活性化合物分别有12、11、12种，气味化合物的总质量浓度分别为1.210、1.122、1.148 mg/L。3种吸附材料对鲜榨西瓜汁气味活性成分萃取效果没有显著性差异。

在热处理西瓜汁中，RGC18、RSC18和RGPS分别能萃取到24、15、17种气味活性成分，气味活性成分的总质量浓度分别为4.539、1.880、2.266 mg/L。RGC18能萃取到的气味活性化合物的数量和总质理论RI值为谱库RI值[17]，该值与实际RI值相差不超过100；数值以3组平行数据的平均值±标准差表示，同行不同小写字母表示不同吸附材料之间存在显著差异(P<0.05)。气味特征为感官评价员嗅闻到的化合物气味描述词，未嗅闻到的化合物气味描述词来自文献报道。嗅闻强度中W为弱，M为中，S为强。

不同字母表示组间数据差异显著(P<0.05)。图2 不同Mono Trap吸附材料萃取的西瓜汁中气味活性化合物Fig.2 Extracted odor compounds by different Mono Trap adsorption materials in watermelon juice

量浓度显著高于RSC18和RGPS (P<0.05)。

对于3种不同的吸附材料，(E,E)-2,4-壬二烯醛、2-甲基丁醛、5-甲基-3-庚酮、1-羟基-2-丙酮、丙酸、糠醇和5-甲基呋喃醛等气味活性化合物仅在RGC18萃取中被嗅闻到；(E)-2-庚烯醛、(E)-2-戊烯醛、苯甲醛、1-辛烯-3-醇、当归内酯、1-羟基-2-丁酮和3-辛酮等化合物仅在RSC18萃取中被检测到，但RSC18无特有的气味活性化合物；乙醇仅在RGPS萃取中被嗅闻到。RSC18属于ODS型吸附材料；RGC18在RSC18的基础上混合了石墨化碳，既可以吸附非极性又可以吸附极性化合物；RGPS由PDMS混合石墨化碳构成，对极性和非极性化合物均具有一定的吸附作用[15]。

综合考虑3种吸附材料萃取到的气味化合物的数量和质量浓度，RGC18对西瓜汁气味化合物的萃取效果最好，所以采用RGC18的萃取结果分析西瓜汁热处理前后气味化合物的变化趋势。

2.3 热处理前后西瓜汁气味化合物分析结果

由RGC18萃取的西瓜汁热处理前后气味化合物质量浓度热图如图3。在鲜榨西瓜汁中萃取到41种气味化合物，包括醇类9种、醛类13种、酮类6种、酸类3种、酯类2种和杂环类化合物8种；在热处理西瓜汁中萃取到53种气味化合物，包括醇类7种、醛类18种、酮类9种、酸类3种、杂环类化合物12种、酯类2种和2种其他化合物。

图3 RGC18萃取的西瓜汁气味化合物质量浓度聚类分析Fig.3 Cluster analysis of odor compounds mass concentration of watermelon juice by RGC18

根据聚类分析结果，西瓜汁在加热前后风味发生了很大变化。大量化合物在加热后产生或含量增加，如1-辛烯-3-醇(蘑菇味)、甲基- 庚烯醇(香菜味)、戊醛(苦杏仁味)、(E)-2-戊烯醛(草莓味)、2,6-二甲基-5-庚烯醛(甜瓜味)、癸醛(皂化味)、(E,E)-2,4-庚二烯醛(脂肪味)、苯甲醛(杏仁味)、水茴香醛(香菜味)、(E)-2-癸烯醛(油脂味)、柠檬醛(柠檬味)、(E,E)-2,4-癸二烯醛(脂肪味)、2-庚酮(皂化味)、3-辛酮(黄油味)、2,3-辛二酮(香菜味)、2-羟基-2-环戊烯-1-酮(树叶味)、2,5-二甲基呋喃(烧烤味)、2-甲基-4,5-二氢-3(2H)-呋喃酮(坚果味)、5-乙酰氧基甲基-2-呋喃醛(烤面包味)、2-羟甲基-5-糠醛(纸板味)和甲苯(油漆味)在加热后产生。大部分不饱和醇、醛类化合物是通过不饱和脂肪酸的氧化裂解产生的，苯甲醛可能是苯丙氨酸的降解产物[18]；而2,5-二甲基呋喃和2-羟甲基-5-糠醛等杂环类化合物可能是由于加热过程中西瓜汁中的还原糖和含氨基物质发生的美拉德反应生成[19]。2-壬烯醇(黄瓜味)、(Z)-6-壬烯醇(清香)、2-己烯醛(苹果味)、β-紫罗兰酮(树莓味)、2,3-丁二酮(甜味)、当归内酯(甜味)在加热后消失，低于质谱检出限。推测这些物质含量的变化导致了西瓜汁加热后的蒸煮味。

2.4 关键气味化合物OAV分析结果

关键气味化合物的OAV可用来表示该化合物对整体风味的贡献大小，通常认为，OAV≥1代表该化合物可被嗅闻，该组分对香气整体有贡献作用，且该值越大代表其贡献度越大[20]。根据阈值计算能够嗅闻到的气味化合物的OAV如图4。在鲜榨西瓜汁能够嗅闻到的14种气味化合物中，有9种气味化合物的OAV>1，它们被认为对鲜榨西瓜汁的整体风味有贡献作用。其中(E)-2-壬烯醛、(E,Z)-2,6-壬二烯醛、壬醛和(E,Z)-3,6-壬二烯醇呈现较高的OAV和嗅闻强度，它们赋予鲜榨西瓜汁清香、黄瓜味，是鲜榨西瓜汁的关键气味化合物，这与之前的研究结果一致[18,20-21]。呈现清香气味的辛醇气味强度较强烈，但其OAV为0.583，造成这种结果的原因一方面可能是实验中采用的定量方法为内标半定量，存在一定误差；另一方面是计算OAV时所用阈值为该化合物在水基质中的阈值，与实际样品体系存在一定差别。另外辛醇与其他物质间可能存在协同效应，会增强气味属性的感受强度[22]。

图4 西瓜汁气味化合物OAVFig.4 OAV of odor compounds in watermelon juice

热处理西瓜汁中能够嗅闻到的24种气味化合物中，有18种气味化合物的OAV>1，它们被认为对热处理西瓜汁的整体风味有贡献作用。(E)-2-壬烯醛、(E,Z)-2,6-壬二烯醛和壬醛的阈值较低、含量较高，是热处理西瓜汁的关键气味化合物。西瓜汁进行热处理后，能够被嗅闻到且OAV>1的气味化合物增加了13种，包括呈现苦杏仁味、皂化味和酸刺味的2-甲基丁醛(可可味、杏仁味)、糠醛(杏仁味)、辛醛(皂化味)、癸醛(皂化味)、(E)-2-庚烯醛(皂化味)、乙酸(酸刺味)和甲酸(醋味)等化合物；有3种呈现清香、柠檬气味的化合物不能被嗅闻到，包括己醛(青草味)、β-环柠檬醛(柠檬味)和(E,E)-2,4-壬二烯醛(清香)。这些关键气味化合物的变化是导致西瓜汁热处理后异味的重要原因。

3 结 论

本研究采用Mono Trap、热脱附结合GC- O- MS对热处理前后西瓜汁进行全面的风味萃取分析。使用RGC18、RSC18和RGPS这3种吸附材料从鲜榨和热处理西瓜汁样品中分别鉴定出50种和71种气味化合物。根据气味化合物的数目和总质量浓度确定了RGC18的萃取效果较好。依据西瓜汁热处理前后气味化合物的萃取分析结果，(E,Z)-2,6-壬二烯醇、己醛、β-环柠檬醛和(E,E)-2,4-壬二烯醛等清香气味化合物含量降低，癸醛、(E)-2-庚烯醛、糠醛和乙酸等异味化合物含量升高，是西瓜汁热处理后产生异味的重要原因。Mono Trap具有萃取量大、操作简便等特点，在西瓜汁气味化合物萃取上具有一定优势，本研究旨在为西瓜汁风味的深入研究提供新思路；但本研究在定量精确性上存在一些不足，在后续研究中，需要使用外标定量方法对西瓜汁关键气味化合物进行进一步分析。