SPME/GC-MS聯用分析六種香辛料揮發性成分

袁華偉，尹禮國*，徐洲，王衛，吉莉莉

(1.宜賓學院 生命科學與食品工程學院，四川 宜賓 644000；2.固態發酵資源利用四川省重點實驗室，四川 宜賓 644000；3.肉類加工四川省重點實驗室，成都 610106)

香辛料不僅具有增加香氣、消除異味的作用，而且具有一定的保健功能，廣泛應用于食品行業[1-3]。作為食品加工的原材料，香辛料在肉制品中起調味、防腐和抗氧化等作用[4-6]；在泡菜加工生產中影響微生物的生長及泡菜的質量[7-9]。不同品種的香辛料香味差異較大，香辛料散發出的香味是由其中含有的各種具有芳香氣味的揮發性物質共同作用的結果[10]。香辛料的揮發性物質是影響其香氣的重要因素，因此研究香辛料揮發性香氣成分及主體風味物質，對推動香辛料加工利用都具有十分重要的意義。

對食品揮發性成分的分析常用固相微萃取-氣質聯用方法[11]。固相微萃取技術集采樣、萃取、濃縮和進樣于一體，能夠快速、高效地進行樣品的分析[12,13]，已經廣泛應用于香辛料提取的精油化學成分分析[14-16]，而對香辛料揮發性成分研究較少[17-19]。本研究使用固相微萃取結合氣相色譜-質譜法對八角、大蒜、桂皮、花椒、生姜、山奈等6種常用香辛料的香氣成分進行分析和鑒定，可為香辛料的加工利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

八角(產于廣西金秀)、大蒜(產于四川宜賓)、桂皮(產于廣西防城)、花椒(產于四川漢源)、生姜(產于四川宜賓)、山奈(產于廣西平南)：購于四川省宜賓市綠源超市，要求樣品無腐爛變質。

1.2 儀器與設備

5975C-7890A氣相色譜-質譜聯用儀 美國安捷倫公司；65 μm PDMS/DVB萃取頭、15 mL頂空鉗口樣品瓶、手動SPME進樣器 Supleco公司；78HW-1恒溫加熱磁力攪拌器 杭州儀表電機有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 頂空固相微萃取

1.3.1.1 樣品處理

稱取0.50 g搗碎的香辛料粉，加入頂空樣品瓶中，加入4 mL超純水并搖勻，放置于恒溫磁力攪拌器上，進行水浴30 min，將萃取針放入樣品瓶中，在不同的溫度條件下萃取不同的時間，然后把萃取頭退回，拔出萃取針。平衡與萃取過程中均進行磁力攪拌，攪拌速度為100 r/min。將萃取針插入氣相色譜儀進樣口，推出纖維頭250 ℃熱解吸5 min后，開始進行分析，老化萃取頭20 min后拔出萃取針。

1.3.1.2 萃取溫度的選擇

分別在40，45，50，55，60 ℃條件下萃取經GC-MS檢測后通過比較色譜峰的總面積和個數確定最佳的萃取溫度。

1.3.1.3 萃取時間的優化

在最優溫度條件下分別萃取20，25，30，35，40 min，經GC-MS檢測后通過比較色譜峰的總面積和個數確定最佳的萃取時間。

1.3.2 GC-MS檢測

1.3.2.1 色譜條件

色譜柱為HP-5MS(5% Phenyl Methyl Silox，30 m×0.25 mm，0.25 μm)彈性石英毛細管柱。初始溫度40 ℃，保持3 min，以5 ℃/min升溫至100 ℃，3 ℃/min升溫至175 ℃，10 ℃/min升溫至215 ℃，保持10 min，不分流。氣化室溫度250 ℃。

1.3.2.2 質譜條件

電子轟擊離子源(EI)，電子能量70 eV，離子源溫度230 ℃；接口溫度250 ℃；質量掃描范圍： 35～400 m/z。

1.4 定性定量分析

1.4.1 定性

選擇NIST 11.L質譜數據庫對各色譜峰進行定性分析，篩除匹配度小于80%的物質，選擇匹配度最高的物質作為定性結果。通過CAS號在www.ichemistry.cn網站上查詢中英文名稱。

1.4.2 定量

以峰面積歸一化法確定不同原料中各化合物的相對百分比。

2 結果與分析

2.1 頂空固相微萃取條件的優化

2.1.1 萃取溫度的選擇

不同萃取溫度條件下6種香辛料的混合樣色譜分析的結果見圖1。

圖1 不同萃取溫度對色譜分析的影響Fig.1 Effects of different extraction temperatures on chromatographic analysis

萃取溫度低于50 ℃時，色譜峰數量較少，這可能是香辛料中的揮發性成分揮發速度慢導致的。萃取溫度升高時，萃取峰的數量也低于50 ℃條件下的有效峰個數，可能是溫度過高導致揮發性物質在萃取頭涂層中吸附量下降導致的。溫度對萃取頭的萃取效果有雙重影響，溫度升高時，有利于分析物在基質中的擴散，縮短萃取時間，但升高溫度也會使分析物在涂層中的分配系數降低，導致吸附量減小，影響萃取頭的靈敏度。50 ℃條件下的萃取峰數量最多，色譜圖的總面積也最大，說明香辛料的揮發性物質在50 ℃條件下萃取效果最佳。因此，選擇50 ℃作為香辛料揮發性香氣成分的萃取溫度。

2.1.2 萃取時間的選擇

6種香辛料的混合樣在50 ℃條件下萃取不同的時間的色譜分析結果見圖2。

圖2 不同萃取時間對色譜分析的影響Fig.2 Effects of different extraction time on chromatographic analysis

隨著萃取時間的增加，萃取峰面積增加，有效峰數量也增加，當萃取時間超過30 min時，萃取峰面積開始減少，但對有效峰數量影響不大。因此，選擇30 min作為香辛料揮發性成分的萃取時間。

通過對八角、大蒜、桂皮、花椒、生姜、山奈的揮發性物質成分進行分析，其GC-MS總離子圖譜見圖3。

2.2 常用香辛料揮發性香氣成分的總離子流圖

圖3 6種香辛料揮發性成分的總離子流圖Fig.3 Total ion chromatogram of volatile components in six spices samples

由圖3可知，6種香辛料揮發性風味物質的總離子流圖有明顯的差別，其保留時間和有效峰個數都有明顯的不同，表明不同的香辛料含有的揮發性風味物質不同。

2.3 常用香辛料的揮發性香氣成分

2.3.1 八角揮發性成分分析

表1 八角揮發性成分分析結果Table 1 Analysis results of volatile components in star anise

續 表

由表1可知，檢測到八角中的揮發性成分54種，其中萜烯類33種(43.12%)，醇類6種(9.23%)，醚類3種(42.92%)，醛類2種(3.71%)，芳香族化合物8種(9.29%)，其他2種(0.061%)。萜烯類與醚類的總含量相差不大，但醚類所含的種類較少。含量最高的物質是反式茴香腦(32.21%)，其次是d-畢澄茄烯(16.71%)、茴香腦(10.59%)、α-衣蘭油烯(9.76%)。

2.3.2 大蒜揮發性成分分析

表2 大蒜揮發性成分分析結果Table 2 Analysis results of volatile components in garlic

續 表

由表2可知，檢測到大蒜中的揮發性成分24種，其中硫醚9種(81.17%)，噻吩3種(6.13%)，酯類2種(5.94%)，含硫化合物9種(2.55%)，其他1種(4.19%)。硫醚類的種類最多，總含量也最大。含量最高的物質是二烯丙基三硫醚(57.17%)，其次是二烯丙基四硫醚(11.54%)、甲基-1-丙烯基二硫醚(5.90%)、甲基-2-丙烯基二硫醚(4.40%)。

2.3.3 桂皮揮發性成分分析

表3 桂皮揮發性成分分析結果Table 3 Analysis results of volatile components in cinnamon

續 表

由表3可知，檢測到桂皮中的揮發性成分33種，其中萜烯類24種(45.76%)，醛類3種(47.74%)，醇類2種(0.71%)，醚類2種(2.61%)，芳香族化合物2種(2.64%)。萜烯類的種類最多，醛類的種類較少，但其總含量僅次于萜烯類。含量最高的物質是桂皮醛(33.05%)，其次是d-畢澄茄烯(16.17%)、α-衣蘭油烯(11.12%)、肉桂醛(10.96%)。桂皮中的主要揮發性成分為桂皮醛。

2.3.4 花椒揮發性成分分析

表4 花椒揮發性成分分析結果Table 4 Analysis results of volatile components in pepper

續 表

由表4可知，檢測到花椒中的揮發性成分58種，其中萜烯類28種(55.10%)，醇類10種(42.69%)，烴類10種(1.14%)，醛類6種(0.42%)，酮類2種(0.62%)，酯類2種(0.019%)。萜烯類的種類最多，醇類的種類較少，但其總含量僅次于萜烯類。含量最高的物質是芳樟醇(41.33%)，其次是β-水芹烯(20.64%)、d-檸檬烯(19.03%)、d-吉瑪烯(4.31%)。

2.3.5 生姜揮發性成分分析

表5 生姜揮發性成分分析結果Table 5 Analysis results of volatile components in ginger

續 表

續 表

由表5可知，檢測到生姜中的揮發性成分73種，其中萜烯類54種(88.51%)，醇類5種(2.83%)，醛類6種(7.68%)，醚類4種(0.32%)，酮類2種(0.31%)，其他2種(0.059%)。萜烯類的種類最多，其總含量也最多。含量最高的物質是α-姜烯(21.87%)，其次是β-倍半水芹烯(14.06%)、α-姜黃烯(7.86%)、β-沒藥烯(7.15%)。

2.3.6 山奈揮發性成分分析

表6 山奈揮發性成分分析結果Table 6 Analysis results of volatile components in Rhizoma kaempferiae

續 表

續 表

由表6可知，檢測到山奈中的揮發性成分63種，其中萜烯類32種(10.67%)，酯類3種(46.50%)，醇類6種(5.46%)，酮類3種(0.22%)，醚類4種(2.76%)，醛類2種(0.37%)，烴類13種(33.98%)。萜烯類的種類最多，其次是烴類，但酯類、烴類的總含量高，萜烯類的總含量較少。含量最高的物質是對-甲氧基肉桂酸乙酯(31.95%)，其次是2-異丙基-4a,8-二甲基-1,2,3,4,4a,5,6,7-八氫萘(29.99%)、肉桂酸乙酯(14.53%)、桉葉油醇(4.37%)。

3 結論

通過對6種香辛料的揮發性成分進行測定，其種類和數量差異較大。八角、桂皮、花椒、生姜、山奈揮發性成分中種類最多的為萜烯類，但含量最多的物質分別是反式茴香腦、桂皮醛、芳樟醇、α-姜烯、對-甲氧基肉桂酸乙酯。大蒜揮發性成分中種類最多的為硫醚類化合物，含量最多的是二烯丙基三硫醚。另外，烴類、酮類等物質含量雖然低但對香辛料的香氣同樣具有重要影響，所有這些物質組合在一起構成了香辛料的獨特氣味。