陳鑫郁，陳通，陸道禮，陳斌

(江蘇大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江,212013)

氣相色譜-離子遷移質(zhì)譜(gaschromatography-ionmobilityspectroscopy,GC-IMS)技術(shù)氣相分離與離子遷移質(zhì)譜相組成的聯(lián)用分析技術(shù)，是目前國際上比較先進(jìn)的揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatileorganiccompound，VOCs)分析技術(shù)之一，該儀器具有體積小、便攜、分析范圍廣、靈敏度高和快速等優(yōu)點，非常適合揮發(fā)性有機(jī)氣體成分的快速檢測[1]。食品講究色、香、味，特別是特色風(fēng)味成分往往取決于食品的品種和質(zhì)量。不同種類的食用植物油均具有獨特的VOCs組成，VOCs的組成及含量也與其內(nèi)在的品質(zhì)密切相關(guān)[2]，因此使用GC-IMS分析食用植物油的VOCs是識別快速識別種類的新方法之一。

氣相色譜(GC)具有分離效率高、時間短、定量準(zhǔn)的特點，但不能很好分離保留時間相同或接近的物質(zhì)。離子遷移譜(IMS)是通過氣態(tài)離子的遷移率來表征各種不同的化學(xué)物質(zhì)，在弱電場的范圍內(nèi)，離子運動的速度正比于電場強度，離子的遷移率在弱電場下的數(shù)值主要取決于離子的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和電荷數(shù)等因數(shù)，不同的離子其遷移率的數(shù)值有所不同。氣相分離與離子遷移質(zhì)譜的聯(lián)用可以克服單氣相色譜方法的不足，在離子遷移管內(nèi)得到二次分離[12]，大大提高儀器的分辨能力和靈敏度。IMS與常規(guī)質(zhì)譜分析法相比，不需要真空和特殊的氣體系統(tǒng)，適合現(xiàn)場和特殊環(huán)境快速檢測[3]。近年來，隨著離子源和串聯(lián)檢測技術(shù)的發(fā)展[4]，IMS在食品檢測[5-10]、石油化工[11]、環(huán)境檢測等諸多領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用，成為有機(jī)揮發(fā)性化合物分析的重要新方法之一。

食用植物油的種類鑒別方法，目前常用的主要有感官鑒定、理化檢測、色譜法、光譜法和波譜法等，各種鑒別技術(shù)都有其相對不足的地方[13]。感官鑒定法需要專業(yè)素質(zhì)較高的檢驗人員并有一定的主觀性；理化檢測程序繁瑣，耗時、耗力且需要大量化學(xué)試劑；常規(guī)色譜法有較高的準(zhǔn)確性和檢測精度，但樣品前處理復(fù)雜，檢測周期長，儀器昂貴且使用成本高[14]。基于食用植物油的特征VOCs，采用GC-IMS聯(lián)用技術(shù)的食用植物油的種類和品質(zhì)的分析具有靈敏度極高、無需預(yù)處理和以及快速的特點，為食用植物油種類和品質(zhì)檢測開拓了新的途徑[15]。

1 材料與方法

1.1 GC-IMS基本工作原理

GC-IMS分析儀主要由色譜柱分離系統(tǒng)、離子發(fā)生器系統(tǒng)和離子遷移檢測系統(tǒng)等組成。離子遷移譜檢測系統(tǒng)是儀器的核心，主要由漂移管和外圍控制電路組成(如圖1所示)，漂移管外圍有相應(yīng)的控制電路，包括溫度控制、高壓分壓器和離子門控制電路。復(fù)雜混合物經(jīng)過高通量的GC分離后，以單組分的形式進(jìn)入到IMS反應(yīng)區(qū)，在載氣的帶動下達(dá)到離子源處，被離子化而帶上不同的電荷呈流狀進(jìn)入遷移管，在遷移管內(nèi)部低強度電場作用下，離子氣體獲得能量在遷移管中移動，與反方向的漂移氣體撞擊失去一部分能量后最終以恒定遷移率到達(dá)法拉第檢測盤被檢測[16]，色譜與離子遷移譜檢測器聯(lián)用，提高了檢測的分辨率和靈敏度。

圖1 GC-IMS工作原理圖Fig.1 Diagram of GC-IMS working principle

常規(guī)氣相色譜的分析時間一般在min級以上，不能滿足快速分析的需要[17]，IMS的遷移時間在ms級，GC和IMS聯(lián)用可以保證IMS對GC分離出來的每個組分再進(jìn)行快速檢測[18]，檢測時間縮短3到4個數(shù)量級，IMS可以彌補GC對于復(fù)雜物質(zhì)定性分析的不足，使得定性分析更加精細(xì)準(zhǔn)確。

GC-IMS得到的是保留時間、漂移時間和信號強度的三維譜圖。

1.2 儀器設(shè)備

FlavourSpec 81200 GC-IMS聯(lián)用儀器，德國GAS公司(圖2)；ZYJ9028榨油機(jī)，德國貝爾斯頓。

1-自動進(jìn)樣器;2-主機(jī);3-樣品臺;4-振動孵化器;5-頂空進(jìn)樣器圖2 GC-IMS聯(lián)用儀Fig.2 GC-IMS coupled device

1.3 樣品制備

試驗樣品有5個品種，32個樣本。樣品的原料來自全國多個省份，具體情況如表1所示。為了保證所有樣品的真實可靠性，均使用原料自行榨制得到。原料經(jīng)過除雜、清選后采用不同加熱溫度和加熱時間榨制，每個樣品榨制量為200 mL，靜止24 h以上取上清液150 mL備用。

表1 樣品的構(gòu)成情況Table 1 Composition of oil samples

1.4 試驗方法

1.4.1 GC-IMS的測量參數(shù)優(yōu)化

選擇了孵化溫度、孵化時間、色譜柱溫度、載氣流量等為主要測量參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以特征峰的出峰量和峰強度作為評價指標(biāo)。設(shè)計以孵化溫度，柱溫和載氣流量為變量的3因素3水平的正交試驗，3個因素變量分別為：A孵化溫度(70℃、80℃、90℃)，B柱溫(40℃、55℃、70℃)，C載氣流量(5、10、15mL/min)。根據(jù)正交試驗結(jié)果以及和對比NIST化學(xué)數(shù)據(jù)庫的食用油類圖譜檢測數(shù)據(jù)參數(shù)的[19]。最佳試驗參數(shù)組合如表2所列。

表2 FlavourSpec 81200主要工作參數(shù)Table 2 Main operational parameters of FlavourSpec 81200

1.4.2 試驗過程

從32個樣本中各取2 mL樣品裝入實驗瓶中，蓋口，裝上孵化臺上加熱振蕩，按照表2中的各參數(shù)設(shè)置好儀器的工作程序，開啟GC-IMS預(yù)熱和使用純N2載氣清掃儀器的工作腔30 min后，儀器進(jìn)入自動工作狀態(tài)，使用探針頂空進(jìn)樣抽取被測物氣體，注入色譜柱中進(jìn)行預(yù)分離后進(jìn)入電離室電離，電離后的離子再進(jìn)入IMS漂移管，最后被法拉第盤接收得到GC-IMS圖譜，1個樣品檢測完畢后自動進(jìn)入下個樣品的檢測程序。

2 結(jié)果與分析

2.1 食用植物油種類的判別

圖3是5個不同種類油樣對比圖。圖4是將圖3的三維GC-IMS譜圖投影到二維平面上的灰度圖。圖中的對比色代表了被測物質(zhì)中所含成分在離子遷移過程中的信號強度。顏色越深，面積越大，代表了被測物質(zhì)中某一含量成分越多，信號強度越大。由圖3圖4可以看出不同種類的食用植物油具有不同GC-IMS特征譜信息。

9-C:油菜籽油；20-C:山茶籽油；22-C:牡丹籽油；23:芝麻油； 1:葵花籽油圖3 5種不同種類食用植物油的三維GC-IMS譜圖Fig.3 Three-dimensional GC-IMS images of 5 different varieties of edible vegetable oils

9-C:油菜籽油；20-C:山茶籽油；22-C:牡丹籽油；23:芝麻油；1:葵花籽油圖4 5種不同種類食用植物油的二維灰度GC-IMS譜圖Fig.4 Two-dimensional false color GC-IMS images of 5 different varieties of edible vegetable oils 注：RIP為水離子反應(yīng)峰。

圖5是利用儀器的LAV分析軟件篩選出的反映32個樣品的在同樣的GC保留時間和離子遷移時間條件下的前30個離子遷移譜出峰的匯總。比較圖5中不同特征峰的排列可以發(fā)現(xiàn)，同類植物油含有共性的VOCs，在特征峰對比中表現(xiàn)出了相似性，異類植物油存在明顯的差異性。

把圖5中每類樣品的30個特征峰各自取算數(shù)平均后得到圖6的特征峰狀態(tài)，由于牡丹籽油和葵花籽油各只有1個樣本，故不參加后續(xù)的分析。由圖7可以看出，不同的植物油都有各自的特征峰區(qū)域。如：1～5、15～17、22～23、30等5處為油菜籽油的特征峰；山茶籽油的特征峰有3處，分別是6～8、18～20、24～26；芝麻油沒有聚集在一起的離子遷移譜的特征峰，分別在14、15、20、27處。

經(jīng)過上面具體的離子遷移譜的特征峰信息的分析，可以得出：每類植物油有著屬于該類植物油的共享VOCs特征，這些VOCs具有GC保留時間和IMS漂移時間的信號的指紋特性，可以建立各種類植物油VOCs的離子遷移譜指紋特性數(shù)據(jù)庫，通過這些VOCs的指紋特征的對比區(qū)別出植物油的種類。即可以在不同種類的植物油中找出每一種類植物油的共享VOCs指紋特征，由此進(jìn)行植物油種類的識別。

1-黑芝麻油;2-白芝麻油;3-油菜籽油;4-山茶籽油;5-牡丹籽油; 6-葵花籽油圖5 32個樣品的前30個離子遷移譜出峰的匯總圖Fig.5 Peak appearance summary of the first 30 ion mobility spectra of 32 samples

1-油菜籽油；2-山茶籽油；3-牡丹籽油；4-芝麻油；5-葵花籽油圖6 5種食用植物油的30個離子遷移特征峰匯總圖Fig.6 Peak appearance summary of the 30 ion mobility characteristics of 5 different varieties of edible vegetable oils

ZM-15-250:溫度250 ℃ 15 min;ZM-20-250:溫度250 ℃ 20 min ZM-15-250:溫度250 ℃ 25 min;ZM-20-250:溫度250 ℃ 30 min圖7 不同加熱時間的芝麻油15個離子遷移特征峰Fig.7 15 ion mobility characteristic peaks of sesame oils from different heating time

2.2 食用植物油工藝對揮發(fā)性物質(zhì)(VOCs)的影響

食用植物油的加工工藝不同必然影響其(VOCs)的組成，以壓榨前原料炒制加熱時間和加熱溫度的工藝參數(shù)改變，探討其在GC-IMS譜圖的變化情況。

芝麻油樣品為例，設(shè)置炒制溫度250℃，炒制時間15，20，25和30 min。從這4個芝麻油油樣的GC-IMS譜圖中選出最明顯的15個特征離子遷移峰進(jìn)行比較,如圖7所示。由圖7可以很明顯地區(qū)分出，在同一炒制溫度不同加熱時間的芝麻油VOCs的變化。離子峰強度隨著炒制時間呈負(fù)相關(guān)的有1、6、8、10、11、12、13、15等；正相關(guān)的有2、3、7、9、14等。這說明不同的炒制時間芝麻油所產(chǎn)生的VOCs會發(fā)生變化，部分VOCs隨加熱時間的延長逐漸揮發(fā)減少，而部分VOCs逐漸增加。在同樣的炒制時間，不同炒制溫度的條件也可以很直觀的通過特征峰匯總圖(如圖8所示)，得出類似的結(jié)論。

ZM-20-100:溫度100 ℃ 20min;ZM-20-180:溫度180 ℃ 20 min ZM-20-250:溫度250 ℃ 20min圖8 不同加熱溫度的芝麻油15個離子遷移特征峰Fig.8 15 ion mobility characteristic peaks of sesame oils from different heating temperature

由圖7和圖8可知，同種類的植物油由于加工工藝條件的改變，其VOCs的指紋信息也隨之發(fā)生變化，這主要是工藝條件影響某些揮發(fā)性物質(zhì)的產(chǎn)生(或消失)和含量的變化，對于不同的揮發(fā)性物質(zhì)的變化規(guī)律是不同的，具體是哪些VOCs發(fā)生了變化還有待采用標(biāo)準(zhǔn)品或其他分析儀器的佐證。如果能建立同類植物油的不同加工工藝的專屬VOCs指紋特征數(shù)據(jù)庫，有望通過數(shù)據(jù)庫的對比做到工藝條件的識別。

3 結(jié)論

通過實驗證實，采用氣相色譜-離子遷移質(zhì)譜技術(shù)，從食用植物油的揮發(fā)性成分(VOCs)的特征識別其種類和加工工藝的方法是可行。從GC-IMS譜圖上顯著的信息差異，可以區(qū)分出5種常見食用植物油，使用不同工藝加工的芝麻油樣品，得出了有望采用GC-IMS聯(lián)用分析技術(shù)進(jìn)行識別的可能性。

本試驗屬于新的分析技術(shù)在食用植物油質(zhì)量檢測中應(yīng)用的創(chuàng)新性探試，試驗樣品的種類和數(shù)量較少且不均勻，如果能在全國范圍內(nèi)收集各種類、各種工藝生產(chǎn)的食用植物油樣品，建立屬于各自指紋特征的揮發(fā)性成分?jǐn)?shù)據(jù)庫，即能建立GC-IMS指紋特征數(shù)據(jù)庫，就可以實現(xiàn)食用植物油的快速識別植物油的種類和加工工藝。食品非常講究特色風(fēng)味，對風(fēng)味的研究已經(jīng)成為食品工業(yè)一個新的熱點，因此可以相信GC-IMS聯(lián)用技術(shù)在食品上的應(yīng)用特別是在特色風(fēng)味鑒定識別上的應(yīng)用會呈爆發(fā)性增長。但是由于該技術(shù)起步較晚，后續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)VOCs物質(zhì)的數(shù)據(jù)庫尚不完善，信號處理方法上不豐富，還僅停留在定性分析，如果能將化學(xué)計量學(xué)方法與其結(jié)合，將主觀的分析提升到理性的使用數(shù)學(xué)方法解決定性、定量問題的模型，會對該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域的開拓和發(fā)展起到巨大的作用。