任凌云, 董 斌, 王瑞杰, 江媛媛, 楊琳琳, 劉文哲

(山東省糧油檢測中心, 濟(jì)南 250012)

我國是食用植物油消費(fèi)大國,占世界脂質(zhì)消耗總量的75%以上[1,2]?；ㄉ妥鳛榛ㄉ庸ぶ饕霓r(nóng)副產(chǎn)品,因色澤淡黃、透明清亮、氣味芬芳、滋味可口的特性,深受我國消費(fèi)者喜愛[3]。同時(shí),花生油脂肪酸組成中油酸、亞油酸和亞麻酸等不飽和脂肪酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)80%,易于人體腸道消化吸收,日益成為我國重要的食用植物油[4-6]。

隨著大眾消費(fèi)水平和健康意識的提升,油脂感官品質(zhì)判定中,油脂風(fēng)味物質(zhì)成為重要評判依據(jù)[7]。據(jù)研究,花生油的獨(dú)特濃郁風(fēng)味,是由多種揮發(fā)性物質(zhì)協(xié)同作用的結(jié)果,醛類和氮氧雜環(huán)化合物(吡嗪類、呋喃類等)發(fā)揮著重要作用[8-10]。而花生油VOCs的種類和含量受多方面的影響,加工原料、生產(chǎn)工藝、儲存環(huán)境的差異,都會導(dǎo)致油脂揮發(fā)性物質(zhì)的變化[4,11,12]。目前,預(yù)榨浸出、高溫壓榨及冷榨等是市售花生油主要的制作工藝,濃香型花生油是花生仁經(jīng)過破碎軋胚蒸炒或者整粒烘烤后,高溫壓榨而成,榨取的花生油帶有濃郁香味,并且花生油中營養(yǎng)成分和生理活性成分也得以保留[12-14];清香型花生油則采用低溫壓榨和低溫過濾工藝,制油工藝很大程度上保留傳統(tǒng)制油工藝的特點(diǎn),能夠減少油料中蛋白質(zhì)的變性和破壞[15,16]。在油脂的選擇上,花生油VOCs的品牌間差異性較為顯著,同品牌的不同工藝,揮發(fā)性物質(zhì)保留度也不盡相同[17]。因此,研究食用油自身的揮發(fā)性物質(zhì)成分組成,對調(diào)控加工食品的風(fēng)味、提高人民生活品質(zhì)具有重要意義[5]。

植物油脂風(fēng)味檢測中,感官檢測法、常規(guī)理化指標(biāo)檢測法、色譜法、光譜法等方法是國內(nèi)外常用的檢測方法[18-21]。油脂生產(chǎn)企業(yè)感官檢測中,標(biāo)準(zhǔn)大多由技術(shù)員憑經(jīng)驗(yàn)和感官掌握,受自身局限性的影響,工作效率低、精準(zhǔn)性差、產(chǎn)品一致性差異大[22]。如何快速實(shí)現(xiàn)植物油脂種類風(fēng)味的科學(xué)鑒別、精準(zhǔn)識別油脂摻假及含量的檢測、確保食用植物油風(fēng)味品質(zhì)一致性和穩(wěn)定性,將成為質(zhì)檢技術(shù)人員與生產(chǎn)企業(yè)品控人員共同面臨的問題,也是眾多大型油脂企業(yè)轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)升級的重要一環(huán)[5]。

氣相色譜-離子遷移譜(GC-IMS)技術(shù)中,氣相色譜(GC)能夠?qū)崿F(xiàn)樣品的高效分離,離子遷移光譜(IMS)作為痕量快速分析檢測技術(shù),可以通過氣相中不同的氣相離子在電場中遷移速度的差異對化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行表征,具有靈敏度高、操作簡單、分析時(shí)間短、檢測成本低的特性[23],使得GC-IMS成為食用植物油的風(fēng)味分析以及摻假測定、分類等問題新的解決方式。簡易快捷、分辨率高、準(zhǔn)確性好的特點(diǎn)使其已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)食品安全和質(zhì)量控制領(lǐng)域[24,25]。

研究以GC-IMS技術(shù)為基礎(chǔ),對不同種類花生油進(jìn)行風(fēng)味成分分析,確定各食用植物油中的關(guān)鍵風(fēng)味物質(zhì)并分析其共性和差異,深入探究油脂風(fēng)味與工藝、原料等因素的關(guān)系,以期為食用植物油特征香氣的表征分析及食品風(fēng)味加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及試劑

實(shí)驗(yàn)所用的2種香型成品花生油,2種工藝的原料油總共39個(gè)樣品,均來自山東臨沂,詳細(xì)信息見表1。

表1 花生油樣品信息

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮,純度均≥99%。

注：Ⅰ、Ⅱ?yàn)橥N工藝、不同批次的產(chǎn)品。

1.2 儀器與設(shè)備

FlavourSpec 1H1-00053型氣相色譜離子遷移譜,CTC-PAL自動進(jìn)樣裝置,石英毛細(xì)管柱,FS-SE-54-CB-1 (15 m×0.53 mm,0.5 μm);感量0.001 g電子天平。

1.3 GC-IMS 測定條件

1.3.1 頂空進(jìn)樣條件

頂空孵化溫度：90 ℃;孵化時(shí)間：5 min;加熱方式：振蕩加熱;頂空進(jìn)樣針溫度：75 ℃;進(jìn)樣量：500 μL,不分流模式;載氣：高純氮?dú)?(純度≥ 99.999%);清洗時(shí)間：0.5 min。

1.3.2 GC條件

色譜柱：含5%苯基的二甲基聚硅氧烷的毛細(xì)管柱,柱長15 m,內(nèi)徑0.53 mm,膜厚1.0 μm,或相當(dāng)者;進(jìn)樣口溫度：80 ℃;進(jìn)樣模式：不分流模式;柱溫：60 ℃;載氣：氮?dú)?N2);流速：2.0 mL/min,保持2 min;2.0 mL/min線性上升至100 mL/min。

1.3.3 IMS 條件

遷移管：長98 mm,溫度45 ℃;遷移電壓：500 V/cm;漂移氣：高純氮?dú)?N2);流速：150 mL/min;IMS 探測器溫度：45 ℃。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 IMS用混合標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

將6種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)混合(質(zhì)量比為1∶1∶1∶1∶1∶1),以水為溶劑,配制成質(zhì)量濃度為100 ng/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,儲存于冰箱(0～4 ℃)中,測試時(shí)用來校準(zhǔn)當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)方法下的氣相色譜保留指數(shù)。

1.4.2 試樣制備

樣品的采集和前處理過程應(yīng)避免試樣污染,低溫保存,分析時(shí)取出,自然恢復(fù)至室溫待用。準(zhǔn)確稱取花生油樣2 g (精確至 0.01 g)于20 mL頂空進(jìn)樣瓶中,用手輕微搖勻后密封。保持頂空進(jìn)樣瓶直立,待分析。

1.4.3 樣品測定

待氣相色譜-離子遷移譜(GC-IMS)聯(lián)用儀準(zhǔn)備就緒后,將制備好的花生油試樣上機(jī)分析后,測得揮發(fā)性化學(xué)成分的峰體積。對譜圖中各峰經(jīng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)檢索及核對NIST保留指數(shù)數(shù)據(jù)庫及IMS遷移時(shí)間數(shù)據(jù)庫,對揮發(fā)性化學(xué)成分進(jìn)行定性,采用體積歸一法進(jìn)行定量。

1.5 揮發(fā)性風(fēng)味成分相似度

試樣中揮發(fā)性風(fēng)味成分的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)按式(1)計(jì)算：

(1)

試樣中風(fēng)味成分相似度按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：Mi,j為i、j2個(gè)樣品的風(fēng)味成分相似度/%;X(a)i為i樣品a成分峰體積的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%;X(a)j為j樣品a成分峰體積的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%;n為試樣中風(fēng)味成分的數(shù)量。

1.6 重復(fù)性

在重復(fù)性條件下2次獨(dú)立測試結(jié)果,對于相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%的組分,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于10%,對于相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～5%的組分,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于15%,對于相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%的組分,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于20%。

2 結(jié)果與分析

2.1 花生油樣品揮發(fā)性有機(jī)物指紋圖譜對比

采用GC-IMS對38個(gè)花生油樣品進(jìn)行分析,得到74種揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs),利用內(nèi)置Gallery Plot 插件對醇、醛、酮類等VOCs種類進(jìn)行明確,結(jié)果如圖1所示。其中,每一行代表樣品中完整的VOCs信息,每一列是同種VOCs在不同樣品中的信號峰,顏色深淺代表濃度含量高低,通過縱向比較,可以直觀反映不同類型樣品之間VOCs種類和含量的差異。

圖1 38個(gè)樣品揮發(fā)性有機(jī)物Gallery Plot指紋圖譜

2.2 不同類型花生油樣品揮發(fā)性有機(jī)物指紋圖譜對比

將4種類型油脂中分別選取第1個(gè)批次的第1個(gè)樣品(Ⅰ-1號樣品)進(jìn)行分析,每個(gè)樣品重復(fù)分析9次,驗(yàn)證方法的重復(fù)性和不同工藝間VOCs差異。選取花生油的主要風(fēng)味物質(zhì)吡嗪類、呋喃類、糠醛類、噻唑類等15種VOCs進(jìn)行標(biāo)記,利用 GC-IMS Library Search 軟件對標(biāo)記位置進(jìn)行檢索,每種物質(zhì)特征峰對應(yīng)的化學(xué)信息具體如表2所示。

表2 15個(gè)特征峰化合物信息

將選取的 15 個(gè)特征信號峰進(jìn)行Gallery Plot指紋圖譜比對,對不同VOCs對應(yīng)的特征峰進(jìn)行分類排序,結(jié)果如圖2所示。油樣VOCs組內(nèi)結(jié)果差異較小,結(jié)果較為平行,說明方法的重復(fù)性良好;組間揮發(fā)性物質(zhì)的種類和含量差異較大,濃香型花生油VOCs的種類和含量最高,烘烤型次之,蒸炒型和清香型油脂VOCs種類和含量較少。其中,濃香型花生油15種VOCs含量明顯較高,因此具有風(fēng)味濃郁的特性。烘烤型花生油含有13種VOCs含量較多,2-乙酰基吡嗪、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪的含量較低。蒸炒型花生油中吡嗪的含量最高,同時(shí)含有2-乙?；拎?、2,5-二甲基吡嗪(單體、)、N-甲基吡咯酮等VOCs。清香型花生油中僅有2,5-二甲基吡嗪(單體)、5-甲基糠醛(單體)、吡嗪等3種物質(zhì)特征峰突出,但VOCs含量較低。說明工藝間的差異將會直接導(dǎo)致成品油脂VOCs的不同,但正是這些風(fēng)味物質(zhì)的差異,為不同種類植物油的鑒別以及同種植物油之間的差異區(qū)分提供了可能。

圖2 4種類型花生油樣品中15種主要揮發(fā)性有機(jī)物Gallery Plot指紋圖譜

2.3 不同類型花生油揮發(fā)性有機(jī)物聚類分析

將4個(gè)類型的油脂Ⅰ-1號樣品分析所得的15種VOCs進(jìn)行主成分分析,選取前 2 個(gè)主成分得分繪制樣本數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖。PCA圖可以用于將樣品聚類分析,圖中距離越近說明樣品越相似,根據(jù)聚集程度可對產(chǎn)品的一致性進(jìn)行評價(jià),以及快速確定未知樣品的種類,分析結(jié)果如圖3所示。第一、第二主成分的貢獻(xiàn)率分別為71%和17%,總貢獻(xiàn)率為88%,大于85%,表明經(jīng) PCA 變換后的數(shù)據(jù)能夠反映原始數(shù)據(jù)的大部分信息。每種類型的油脂均有對應(yīng)的聚類簇,且組內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)較為集中,說明油脂的自身整體風(fēng)味輪廓較為相似;組間濃香型、烘烤型油脂與清香型、蒸炒型油脂相聚較遠(yuǎn),說明加工工藝的差異造成揮發(fā)性物質(zhì)的不同;不同工藝類型的油脂間無明顯交叉,表明該方法使GC-IMS能夠?qū)Σ煌に嚨挠椭M(jìn)行科學(xué)良好區(qū)分。

圖3 4種類型花生油樣品聚類分析圖(PCA)

2.4 不同原料的花生油揮發(fā)性有機(jī)指紋圖譜對比

對39個(gè)樣品的揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行分析,選取15種變化明顯的特征離子峰指紋圖譜進(jìn)行對比,探究同類型產(chǎn)品不同原料間VOCs的差異,結(jié)果如圖4所示。組間原料差異對同類型產(chǎn)品的VOCs影響明顯。濃香型成品油NX-Ⅰ系列中5-甲基糠醛、甲基吡嗪、N-甲基吡咯酮、三甲基吡嗪、2-糠硫醇等VOCs響應(yīng)強(qiáng)度明顯高于NX-Ⅱ系列,烘烤型原料油中呈現(xiàn)出相同的特性,表明NX-Ⅰ產(chǎn)品的花生油風(fēng)味更加濃郁。蒸炒型原料油中,組間風(fēng)味成分差異較小,但加工后的QX-Ⅰ系列成品油中2-戊基呋喃、N-甲基吡咯酮、三甲基吡嗪等VOC的含量和濃度高于QX-Ⅱ產(chǎn)品。同時(shí),原料油脂VOCs的種類和響應(yīng)強(qiáng)度都明顯優(yōu)于成品油脂,表明在加工過程中存在VOCs的損失。

圖4 不同原料油脂樣品揮發(fā)性指紋圖譜

2.5 不同原料花生油揮發(fā)性有機(jī)物聚類分析

為了方便主觀分析,通過 LAV 內(nèi)置 Dynamic PCA 插件以原有 VOCs 種類的高維數(shù)組為變量進(jìn)行數(shù)據(jù)降維壓縮,對不同原料的花生油樣品進(jìn)行特征差異可視化動態(tài)分析,結(jié)果如圖5所示。第一、第二主成分的總貢獻(xiàn)率為88%,表明二維平面數(shù)據(jù)點(diǎn)圖分布包含原有變量絕大部分信息,直接反映油脂樣品組內(nèi)和組間的VOCs差異性。各樣品組內(nèi)樣品較為集中,除ZC-Ⅰ、ZC-Ⅱ外,均能將各組物質(zhì)VOCs分開, NX-Ⅰ、NX-Ⅱ、HK-Ⅰ、HK -Ⅱ、ZC-Ⅰ、ZC-Ⅱ的簇間距離較近,表明風(fēng)味輪廓較為相似,而QX-Ⅰ、QX-Ⅱ相距較遠(yuǎn),表明其VOCs的種類和含量較少,PCA的結(jié)果與圖4指紋圖譜呈現(xiàn)相同趨勢。

圖5 不同原料花生油樣品聚類分析圖(PCA)

2.6 花生油揮發(fā)性風(fēng)味成分相似度

用GC-IMS對相同原料、不同工藝的烘烤型、蒸炒型原料油及清香型、濃香型成品油進(jìn)行揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)相似度檢測,驗(yàn)證GC-IMS檢測的精準(zhǔn)度和區(qū)分性。圖6中橫、縱坐標(biāo)為樣品名稱,橫縱坐標(biāo)交叉處的圓點(diǎn)為2個(gè)油脂產(chǎn)品揮發(fā)性風(fēng)味成分相似度,圓點(diǎn)越大、顏色越深,相似度越高。不同類型油脂的揮發(fā)性有機(jī)物相似度匹配矩陣的結(jié)果表明,同類型油脂間揮發(fā)性有機(jī)物相似度極高,相似度大多在90%以上,標(biāo)準(zhǔn)值取85%,說明GC-IMS檢測的精準(zhǔn)性和靈敏度以及油脂生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定;不同類型的油脂間烘烤型原料油與濃香型成品油的揮發(fā)性風(fēng)味成分相似度較高,蒸炒型原料油和清香型成品油揮發(fā)性風(fēng)味成分相似度較好,結(jié)果與揮發(fā)性風(fēng)味成分聚類分析圖(圖3)呈現(xiàn)一致性。

圖6 4種不同類型樣品揮發(fā)性有機(jī)物相似度匹配矩陣圖

3 結(jié)論

采用氣相色譜-離子遷移譜(GC-IMS)對烘烤型、蒸炒型的原料油以及清香型、濃香型成品油的揮發(fā)性風(fēng)味成分分析方法進(jìn)行研究,油脂樣品不需前處理,實(shí)現(xiàn)了不同工藝、不用原料油脂產(chǎn)品VOCs的快速準(zhǔn)確分離測定,檢測方法分離度高、準(zhǔn)確性好,相同工藝花生油風(fēng)味成分相似度在85%以上。同時(shí),油脂生產(chǎn)工藝和原料的差異會對產(chǎn)品的VOCs產(chǎn)生影響,并且原料油中VOCs的種類和含量明顯高于成品油脂,表明加工過程會造成VOCs的損失;烘烤型、蒸炒型原料油中VOCs差異較小,但濃香型和清香型成品油中,VOCs的差異顯著。