顶空固相微萃取-气相色谱-质谱法测定小米黄酒风味成分
谷子是中国北方主栽作物之一, 具有节水、抗旱、耐瘠等特点, 对于缓解北方地区水资源贫乏, 提高山区及半山区土地综合利用具有重大意义。目前, 谷子主要以原粮进行加工, 熬粥是其主要的食用方式, 消费形式单一, 市场拉动力不足, 在一定程度上限制了谷子产业的发展[1]。酿造是谷子重要的深加工技术, 近年来, 随着消费者营养理念的成熟及饮酒习惯的改变, 酿造类小米黄酒的需求日益增加, 发展潜力巨大。新型酿造技术和工艺已被应用于小米黄酒的产品开发中, 为小米黄酒产品产业化、市场化奠定了良好的基础[2, 3]。风味为小米黄酒重要的食用品质, 已引起广大学者的高度重视, 康晓军等[4]采用液液萃取法分析了小米黄酒风味成分, 确定醇类物质为小米黄酒的主要成分, 其中2, 3-丁二醇和苯乙醇含量最高。刘浩等[5]采用50/30 μm二乙烯基苯/碳分子筛/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS)萃取头的顶空固相微萃取(headspace solid phase microextraction, HS-SPME)技术分析了小米黄酒风味成分, 确定苯乙醇、异戊醇、丁二酸二乙酯和丁二酸单乙酯等物质为主要风味成分。这些研究主要是对小米黄酒中风味成分百分含量的分析, 尚未涉及小米黄酒风味成分的具体含量以及气味特征的分析, 另外采用单一萃取头的HS-SPME技术进行萃取, 难以有效对其风味成分进行全面研究。
HS-SPME技术是近年来出现的前期提取法, 集采样、吸附、萃取、浓缩、进样等过程于一体, 具有所需仪器简单、操作时间短、样品用量少、无需萃取溶剂、选择性好和重现性高等优点[6], 已广泛用于黄酒[7]、白酒[8]、果酒[9]、啤酒[10]等酒类制品风味成分的分析中。HS-SPME方法中萃取头是关键, 不同萃取头对风味成分的选择性和提取效果差别很大。科研工作者采用不同萃取头提取了树莓[11]、酸橙[12]、马肉[13]、鸭肉[14]和豆腐[15]等食品风味成分, 全面了解这些食品风味成分的构成。另外, 食品中风味成分的构成复杂, 但只有浓度高于其阈值的风味成分对气味有贡献, 这些成分为关键气味成分, 气味活性值(odor active value, OAV)是筛选关键气味成分的重要参数, OAV是食品体系中某一特定成分浓度与其气味阈值的比值, 用以确定其对食品风味的贡献程度, 将其应用于酒类制品的风味研究中可进一步了解酒制品的气味特征和品质特性[16]。
因此, 本研究优化了不同萃取头的提取条件, 采用气相色谱-质谱联用法(gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS)对小米黄酒的风味成分进行鉴定, 进一步利用OAV确定其关键风味成分, 以期全面了解小米黄酒风味成分的构成以及气味特征, 对小米黄酒产品开发及其品质控制具有重要意义。
1 实验部分
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器、试剂与材料 1.2 样品前处理 1.2.1 萃取头的老化 1.2.2 HS-SPME 1.3 仪器分析 1.3.1 GC分析 1.3.2 GC-MS分析 1.4 定性和定量分析 1.4.1 定性分析 1.4.2 定量分析 2 结果与讨论 2.1 萃取条件的优化 2.1.1 样品量 2.1.2 萃取时间 2.1.3 萃取温度 2.1.4 加盐量 2.2 不同萃取头提取小米黄酒风味成分 2.3 小米黄酒风味成分及气味特征分析 3 结论 参考文献
1.1 仪器、试剂与材料
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器、试剂与材料 1.2 样品前处理 1.2.1 萃取头的老化 1.2.2 HS-SPME 1.3 仪器分析 1.3.1 GC分析 1.3.2 GC-MS分析 1.4 定性和定量分析 1.4.1 定性分析 1.4.2 定量分析 2 结果与讨论 2.1 萃取条件的优化 2.1.1 样品量 2.1.2 萃取时间 2.1.3 萃取温度 2.1.4 加盐量 2.2 不同萃取头提取小米黄酒风味成分 2.3 小米黄酒风味成分及气味特征分析 3 结论 参考文献
Agilent 7890气相色谱、Agilent 7890气相色谱-质谱联用仪(美国Agilent公司); SPME手动进样手柄、85 μm聚丙烯酸酯(PA)、100 μm PDMS、75 μm CAR/PDMS、50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头(美国Supelco公司); DS-101S集热式恒温加热磁力搅拌器(中国河南子华仪器有限公司); HP5016SY氮吹仪(上海济成分析仪器有限公司)。
3-辛醇(纯度99%)、C8~C20正构烷烃混合标准溶液(C8~C20均为40 mg/L)(美国Sigma公司); NaCl(国药集团化学试剂有限公司)；小米黄酒(张家口北宗黄酒酿造公司)。
1.2 样品前处理
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器、试剂与材料 1.2 样品前处理 1.2.1 萃取头的老化 1.2.2 HS-SPME 1.3 仪器分析 1.3.1 GC分析 1.3.2 GC-MS分析 1.4 定性和定量分析 1.4.1 定性分析 1.4.2 定量分析 2 结果与讨论 2.1 萃取条件的优化 2.1.1 样品量 2.1.2 萃取时间 2.1.3 萃取温度 2.1.4 加盐量 2.2 不同萃取头提取小米黄酒风味成分 2.3 小米黄酒风味成分及气味特征分析 3 结论 参考文献
1.2.1 萃取头的老化
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器、试剂与材料 1.2 样品前处理 1.2.1 萃取头的老化 1.2.2 HS-SPME 1.3 仪器分析 1.3.1 GC分析 1.3.2 GC-MS分析 1.4 定性和定量分析 1.4.1 定性分析 1.4.2 定量分析 2 结果与讨论 2.1 萃取条件的优化 2.1.1 样品量 2.1.2 萃取时间 2.1.3 萃取温度 2.1.4 加盐量 2.2 不同萃取头提取小米黄酒风味成分 2.3 小米黄酒风味成分及气味特征分析 3 结论 参考文献
将首次使用的PA、PDMS、CAR/PDMS、DVB/CAR/PDMS萃取头分别在气相色谱的进样口老化至无杂峰。PA老化温度280 ℃, 时间60 min; PDMS老化温度250 ℃, 时间30 min; CAR/PDMS老化温度300 ℃, 时间60 min; DVB/CAR/PDMS老化温度270 ℃, 时间60 min。
1.2.2 HS-SPME
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器、试剂与材料 1.2 样品前处理 1.2.1 萃取头的老化 1.2.2 HS-SPME 1.3 仪器分析 1.3.1 GC分析 1.3.2 GC-MS分析 1.4 定性和定量分析 1.4.1 定性分析 1.4.2 定量分析 2 结果与讨论 2.1 萃取条件的优化 2.1.1 样品量 2.1.2 萃取时间 2.1.3 萃取温度 2.1.4 加盐量 2.2 不同萃取头提取小米黄酒风味成分 2.3 小米黄酒风味成分及气味特征分析 3 结论 参考文献
称取8 mL小米黄酒于样品瓶中, 加入1.5 g NaCl溶解后, 加入400 μg 3-辛醇内标(质量浓度为50.0 mg/L), 于60 ℃下平衡10 min。将老化好的萃取头插入样品瓶顶空部分, 吸附40 min, 再将吸附好的萃取头取出，然后迅速插入GC进样口, 于250 ℃解吸5 min, 同时启动仪器采集数据。
1.3 仪器分析
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器、试剂与材料 1.2 样品前处理 1.2.1 萃取头的老化 1.2.2 HS-SPME 1.3 仪器分析 1.3.1 GC分析 1.3.2 GC-MS分析 1.4 定性和定量分析 1.4.1 定性分析 1.4.2 定量分析 2 结果与讨论 2.1 萃取条件的优化 2.1.1 样品量 2.1.2 萃取时间 2.1.3 萃取温度 2.1.4 加盐量 2.2 不同萃取头提取小米黄酒风味成分 2.3 小米黄酒风味成分及气味特征分析 3 结论 参考文献
1.3.1 GC分析
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器、试剂与材料 1.2 样品前处理 1.2.1 萃取头的老化 1.2.2 HS-SPME 1.3 仪器分析 1.3.1 GC分析 1.3.2 GC-MS分析 1.4 定性和定量分析 1.4.1 定性分析 1.4.2 定量分析 2 结果与讨论 2.1 萃取条件的优化 2.1.1 样品量 2.1.2 萃取时间 2.1.3 萃取温度 2.1.4 加盐量 2.2 不同萃取头提取小米黄酒风味成分 2.3 小米黄酒风味成分及气味特征分析 3 结论 参考文献
毛细管色谱柱:DB-5MS柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm, 美国Agilent公司); 进样口温度:250 ℃; 接口温度:250 ℃。程序升温:初始温度45 ℃, 保留2 min; 以4 ℃/min升温至220 ℃, 保留5 min。载气:N2; 流速:1.0 mL/min; 不分流进样。
1.3.2 GC-MS分析
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器、试剂与材料 1.2 样品前处理 1.2.1 萃取头的老化 1.2.2 HS-SPME 1.3 仪器分析 1.3.1 GC分析 1.3.2 GC-MS分析 1.4 定性和定量分析 1.4.1 定性分析 1.4.2 定量分析 2 结果与讨论 2.1 萃取条件的优化 2.1.1 样品量 2.1.2 萃取时间 2.1.3 萃取温度 2.1.4 加盐量 2.2 不同萃取头提取小米黄酒风味成分 2.3 小米黄酒风味成分及气味特征分析 3 结论 参考文献
色谱条件:载气为He, 其他条件同1.3.1节。
质谱条件:电离方式为EI; 离子源温度为200 ℃; 接口温度为250 ℃; 电子能量为70 eV; 灯丝发射电流为200 μA; 扫描范围为m/z33~450。
1.4 定性和定量分析
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器、试剂与材料 1.2 样品前处理 1.2.1 萃取头的老化 1.2.2 HS-SPME 1.3 仪器分析 1.3.1 GC分析 1.3.2 GC-MS分析 1.4 定性和定量分析 1.4.1 定性分析 1.4.2 定量分析 2 结果与讨论 2.1 萃取条件的优化 2.1.1 样品量 2.1.2 萃取时间 2.1.3 萃取温度 2.1.4 加盐量 2.2 不同萃取头提取小米黄酒风味成分 2.3 小米黄酒风味成分及气味特征分析 3 结论 参考文献
1.4.1 定性分析
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在相同色谱条件下分析C8~C20正构烷烃混合标准溶液, 以其保留时间计算测得样品化合物的保留指数(RI), 分析匹配度(SI)和反匹配度(RS)均超过800的物质, 同时参考NIST05质谱数据库的检索结果及相关化合物的保留指数, 对化合物进行定性分析。
1.4.2 定量分析
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采用内标定量方法对产品的风味成分进行定量表述, 化合物的质量浓度(μg/L)=内标的质量浓度(μg/L)×(化合物峰面积/内标峰面积)。
2 结果与讨论
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2.1 萃取条件的优化
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采用HS-SPME-GC总离子流图中风味成分的总峰面积和总峰数对不同萃取头的萃取效果进行分析, 本试验针对影响平衡的4个因素进行讨论并分析不同条件对萃取效果的影响。
2.1.1 样品量
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HS-SPME的灵敏度与样品体积和顶空体积关系密切。样品量较少, 风味成分难以达到平衡; 样品量较多, 风味成分竞争吸附影响吸附效果, 因此样品量对检测结果的准确性有重要影响[6]。试验考察了不同样品量对不同萃取头萃取效果的影响(见图 1a)。由图 1a可知, 当样品量为8 mL时, 总峰面积和总峰数均较多; 当样品量为10 mL时, 总峰面积和总峰数略有下降。故将样品量设为8 mL。
 | 图 1 (a) 样品量、(b)萃取时间、(c)萃取温度和(d)氯化钠的量对萃取效果的影响Fig. 1 Effects of (a) sample amounts, (b) extraction times, (c) extraction temperatures and (d) NaCl amounts on the extraction effectsBar and line express total peak area and number of peaks, respectively. PA: polyacrylate; PDMS: polydimethylsiloxane; CAR: carboxen; DVB: divinylbenzene. a. extraction time: 40 min; extraction temperature: 40 ℃; NaCl: 1 g. b. sample amount: 8 mL; extraction temperature: 40 ℃; NaCl: 1 g. c. sample amount: 8 mL; extraction time: 40 min; NaCl: 1 g. d. sample amount: 8 mL; extraction time: 40 min; extraction temperature: 60 ℃. |
2.1.2 萃取时间
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萃取时间即萃取达到平衡所需的时间, 由分析物的分配系数、扩散速率、样品基质、样品体积、萃取涂层厚度等因素决定。一般在萃取过程刚开始时萃取头的吸附量会迅速增加, 一定时间后吸附量缓慢增加[6]。本试验考察了不同萃取时间对不同萃取头萃取效果的影响(见图 1b)。结果显示, 随着萃取时间的增加, 总峰面积和总峰数不断增加, 但萃取时间超过40 min后, 相对变化不大。考虑到实际应用与灵敏度的需要, 故将萃取时间设为40 min。
2.1.3 萃取温度
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萃取温度对吸附效果的影响具有两面性:一方面, 温度升高会加快样品分子的运动, 导致液体蒸汽压增大, 有利于吸附; 另一方面, 温度升高会降低萃取头的吸附能力, 使吸附量下降[6]。本试验考察了不同萃取温度对不同萃取头萃取效果的影响(见图 1c)。结果显示, 随着萃取温度的升高, 总峰面积先增大后减小, 总峰数呈波动变化，在萃取温度60 ℃时达到最大值。故将萃取温度设为60 ℃。
2.1.4 加盐量
跳转到：本文顶部 1 实验部分 1.1 仪器、试剂与材料 1.2 样品前处理 1.2.1 萃取头的老化 1.2.2 HS-SPME 1.3 仪器分析 1.3.1 GC分析 1.3.2 GC-MS分析 1.4 定性和定量分析 1.4.1 定性分析 1.4.2 定量分析 2 结果与讨论 2.1 萃取条件的优化 2.1.1 样品量 2.1.2 萃取时间 2.1.3 萃取温度 2.1.4 加盐量 2.2 不同萃取头提取小米黄酒风味成分 2.3 小米黄酒风味成分及气味特征分析 3 结论 参考文献
在样品中加入NaCl等无机盐, 可以增加样品体系的离子强度, 通过降低待测物的溶解度增加分配系数, 但无机盐的加入也会影响基质黏度, 降低分析物扩散速度, 对吸附效果产生负效应[6]。试验考察了加入不同量的NaCl对不同萃取头萃取效果的影响(见图 1d)。结果显示, 随NaCl量的升高, 萃取得到的化合物个数和总峰面积逐渐增加, 当NaCl添加量为1.5 g时达到最大值, 超过1.5 g, 总峰面积和总峰数略有变化, 但波动不大。故将NaCl的添加量设为1.5 g。
2.2 不同萃取头提取小米黄酒风味成分
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