吹掃捕集-氣相色譜/質譜聯用分析玫瑰花水香氣成分

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(1.蘭州海關技術中心,甘肅蘭州 730010; 2.西北師范大學地理與環境科學學院,甘肅蘭州 730070)

玫瑰是薔薇科薔薇屬的多年生常綠或落葉灌木,是寶貴的香料資源[1]。玫瑰花經過蒸餾后得到的天然產物主要有玫瑰精油(Rose oil)和玫瑰花水(Rose water),而玫瑰花水的產量遠遠高于玫瑰精油。玫瑰花水成分天然純凈,含有微量玫瑰精油成分及其他水溶性成分,香味清淡宜人,具有抗過敏、消炎、抗菌、補充皮膚水分、緩解皮膚衰老、清潔緊致皮膚等作用,可用于開發玫瑰飲料、玫瑰口服液等保健食品,是食品、化妝品和清新劑等的重要原料,具有較高的開發利用價值[2-3]。玫瑰花水香氣與其質量和經濟效益呈正相關,是消費者重點關注的一個指標,影響著不同人群的消費行為,同時也能體現其在加工生產、儲藏運輸等過程中的質量變化,是確定玫瑰花水質量優劣的主要依據。因此,了解并掌握玫瑰花水的香氣成分組成,明確玫瑰花水主要化合物對其香氣形成的貢獻,對玫瑰花水的合理加工及利用具有重要指導意義。

目前關于玫瑰香氣成分的研究也主要集中在玫瑰精油[4-8]和玫瑰花自然香氣方面[9-12],而對于玫瑰花水香氣成分的研究較少。如何對揮發性成分富集是玫瑰花水香氣成分分析的關鍵。目前,對于玫瑰花水香氣的富集方法常見的有固相微萃取法[13-14]、液液萃取法[15]、活性炭吸附法[16],但均存在一定的局限性。固相微萃取法由于其纖維萃取頭對揮發性成分的吸附具有特異選擇性,不能全面反映樣品的揮發性成分組成;液液萃取法通常需消耗大量有機溶劑,危害人體健康,造成環境污染;活性炭吸附法耗時長,步驟繁雜,不利于批量檢測。吹掃捕集技術(Purge&Trap,P&T)是一種復雜樣品前處理技術,具有操作簡單、靈敏度高、無溶劑污染、容易實現在線檢測等優點,在天然植物香氣提取[17-20]和食品風味分析[21-24]等方面也有應用,而至今尚無采用吹掃捕集法分析玫瑰花水香氣的報道。

本研究首次采用吹掃捕集-氣相色譜/質譜聯用技術(PT-GC/MS)分析玫瑰花水香氣成分組成,并對吹掃捕集參數進行優選,以期為玫瑰花水香氣特征研究提供技術支撐,為其開發利用和產品質量控制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玫瑰花水 甘肅皓思玫瑰制品有限公司;乙酸乙酯、乙酸己酯 國藥集團化學試劑有限公司;2-丁酮、苯乙醇、3-庚烯-2-酮、正己醛、月桂烯、(+)-檸檬烯、羅勒烯、(+)-玫瑰醚、(-)-玫瑰醚、芳樟醇、乙酸香茅酯、Α-松油醇、香茅醇、橙花醇、香葉醇、苯甲醇 標準品,德國Dr.Ehrenstorfer公司。

GCMS-QP2010 Ultra氣相色譜/質譜聯用儀 日本島津公司;吹掃捕集濃縮儀 美國OI公司;MassworksTM質譜解析軟件 美國Cerno Bioscience公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品處理 用移液槍準確吸取7.0 mL玫瑰花水于吹掃瓶中,立刻擰緊瓶蓋,待進樣。

1.2.2 吹掃捕集和色譜-質譜分析條件 吹掃捕集參數:吹掃流量:40 mL/min;吹掃溫度:40 ℃;預熱時間:2 min;吹掃時間:13 min;干吹時間:2 min;預脫附溫度:180 ℃;脫附溫度:190 ℃;脫附時間:2 min;烘烤溫度:200 ℃;烘烤時間:8 min;傳輸線溫度:200 ℃;載氣:高純氮氣(純度≥99.999%)。

氣相色譜條件:色譜柱:HP-INNOWAX(60 m×0.250 mm×0.5 μm);程序升溫:初始溫度60 ℃,保持1 min,以2 ℃/min的速率升至180 ℃,再以20 ℃/min升至250 ℃/min,保持5 min;載氣:高純氦氣(純度≥99.999%);進樣口溫度:250 ℃;分流比:10∶1。

質譜條件:電子轟擊離子源;電子能量:70 eV;傳輸線溫度250 ℃;離子源溫度:230 ℃;掃描模式:全離子掃描(Full Scan);質量掃描范圍:m/z 25～500 u。

1.3 數據處理

玫瑰花水香氣組分鑒定,首先將檢測到的質譜信息與NIST11質譜數據庫中數據進行匹配,并配合手動檢索校對信息,正反匹配度大于800(最大值為1000)的成分作為定性結果,再利用MassworksTM質譜解析軟件和標準物質進行定性結果確認。采用面積歸一化法計算相對含量。

2 結果與分析

2.1 吹掃捕集參數優化

依據總峰面積及總峰面積與峰數的比值對吹掃捕集參數進行優化。總峰面積反映不同條件下主要峰的變化情況;總峰面積與峰數的比值可以反映出萃取條件對所檢測到的峰數的影響,使優化過程能對那些量少的成分負責[25]。

2.1.1 樣品量優化 樣品量從1.0 mL開始,每增加1.0 mL測定一次,其他參數不變。樣品量單因素優化結果顯示(圖1),樣品量對玫瑰花水香氣的測定有很大影響,隨著樣品量的增加,其總峰面積和總峰面積與峰數的比值均稱呈上升趨勢。樣品量在1.0～6.0 mL時,總峰面積和總峰面積與峰數的比值的上升速率較慢,樣品量6.0～9.0 mL時,總峰面積和總峰面積與峰數的比值上升速率較快。但在樣品量8.0～9.0 mL時,玫瑰花水香氣組分的總離子流圖中,響應較高的峰,其質譜圖均已飽和,如芳樟醇、α-松油醇、香茅醇的譜圖均飽和,不利于定量。樣品量低不利于微量香氣組分的測定,但高的樣品量會造成含量較高的香氣組分在測定中質譜圖飽和,影響定量的準確性。所以綜合考慮檢測效率及檢測結果,樣品量選擇7.0 mL較佳。

圖1 樣品量對測定結果的影響Fig.1 Effects of sample quantity on determination results

2.1.2 吹掃溫度優化 吹掃溫度從20 ℃開始,每增加10 ℃測定一次,研究吹掃溫度對香氣組分吹掃效率的影響。如圖2所示,隨著溫度的升高,香氣組分的總峰面積和總峰面積與峰數的比值緩慢增加,這說明升高吹掃溫度可促進香氣組分從水中釋放出來,但溫度過高,吹掃出的水蒸氣量增加,會導致水蒸氣進入冷阱管中,影響捕集的效率,同時也會影響色譜柱和質譜儀的使用壽命。此外,40 ℃接近人體體溫,測定的玫瑰花水中香氣組分的表現與其在人體感官系統中的表現有一致性,故本實驗選擇40 ℃為最佳吹掃溫度。

圖2 吹掃溫度對測定結果的影響Fig.2 Effects of blowing temperature on determination results

2.1.3 吹掃時間優化 吹掃時間從7.0 min開始,每增加2.0 min測定一次,其他參數不變。從圖3可看出,吹掃時間過短時,玫瑰花水中的香氣組分不能被完全吹出,隨著吹掃時間的增加,吹掃趨于完全。吹掃時間延長,總峰面積和總峰面積與峰數的比值均有提高,說明香氣組分的響應和微量香氣組分的數量都有所增加,但在13和15 min時檢測到的總峰個數分別為89和91個,香氣組分的峰個數增加不明顯,且在15 min時,其譜圖出現峰飽和的情況,所以從檢測效率和定量準確性角度考慮,確定最佳吹掃時間為13 min。

圖3 吹掃時間對測定結果的影響Fig.3 Effects of blowing time on determination results

2.2 不同品種的玫瑰花水香氣成分分析

按照優化后的吹掃捕集參數對玫瑰花水香氣組分進行GC-MS分離鑒定,得到玫瑰花水香氣成分的總離子流圖(見圖4)。GC-MS譜圖利用NIST 11標準譜庫檢索對香氣組分進行初步定性,然后用MassworksTM質譜解析軟件對GC-MS譜圖進行校正,測定各組分的模擬精準分子量,結合相關文獻和標準物質,對玫瑰花水香氣組分進一步確定,最終得到玫瑰花水香氣組分的定性結果,并按照峰面積歸一化法計算各組分的相對百分比含量,結果見表1。

圖4 玫瑰花水GC-MS總離子流圖Fig.4 Total ion flow chart of rose water GC-MS注:a為苦水玫瑰花水;b為大馬士革玫瑰花水。

表1 玫瑰花水香氣組分鑒定結果及相對含量Table 1 Identification results and relative contents of aroma components in rose water

續表

注:Nd代表未檢出。

苦水玫瑰花水和大馬士革玫瑰花水共鑒定出71種香氣組分,其中苦水玫瑰花水69種,大馬士革玫瑰花水61種,玫瑰精油香氣特征性組分的香茅醇、橙花醇和香葉醇在玫瑰花水中均有鑒定出[26]。兩種玫瑰花水檢測出的主要香氣成分按官能團的不同可以分為7類,醇類、酮類、醛類、萜烯類、酯類、醚類、其他類。由表1看出,兩種玫瑰花水的香氣在種類和含量上均存在差異,二者共有成分包括乙醇、3-庚烯-2-酮、2-庚酮等59種,苦水玫瑰花水特有成分有異戊酸丁酯、庚醛、1-甲基庚基乙酸酯、2,3-二甲基-1-丁醇、2-庚醇、2-壬酮、芐甲醚、2-壬醇、2-十一酮、2,6-二甲基-5,7-辛二烯-2-醇10種,相對總含量為4.15%;大馬士革玫瑰花水特有成分有1,4-桉葉素、(±)-2,3-樟腦二醇2種,相對總含量為0.54%。

玫瑰花水香氣成分分類比較結果如圖5所示,苦水、大馬士革玫瑰花水中醇類化合物相對含量較高,共鑒定出30種,其相對含量分別占整體香氣成分的50.94%、88.60%。醇類化合物是玫瑰的主體香氣成分,此類化合物的含量決定了玫瑰花水的品質[13]。苦水玫瑰花水中香氣成分相對含量較高的醇類有乙醇(21.97%)、芳樟醇(10.61%)、香茅醇(6.78%)、2-庚醇(1.88%)、正庚醇(1.52%);大馬士革玫瑰花水中香氣成分相對含量較高的醇類有乙醇(14.31%)、芳樟醇(14.11%)、Α-松油醇(4.87%)、正己醇(1.71%)、香茅醇(1.57%);其中香茅醇呈甜玫瑰香,芳樟醇呈綠茶清香,苯乙醇更具有香甜的蜂蜜味,是玫瑰花水中玫瑰香氣的主要來源。此外,香茅醇、芳樟醇相對含量較高,這與苗瀟瀟等[14]報道的玫瑰花露的主體香氣有香茅醇、芳樟醇結論相一致。

圖5 兩種玫瑰花水香氣成分分類分析Fig.5 Classification analysis of two kinds of rose water aroma components

8種酮類物質被鑒定出來,苦水玫瑰花水和大馬士革玫瑰花水中相對總含量分別為9.56%、9.30%,其中2-壬酮(0.23%)、2-十一酮(0.04%)是苦水玫瑰花水特有的成分。醛類物質在兩種玫瑰花水中的種類、含量均存在差異,苦水玫瑰花水中醛類物質鑒定出5種,相對含量之和為1.38%,庚醛(0.25%)是特有成分;大馬士革玫瑰花水中鑒定出4種,相對含量之和為1.51%。其中,正己醛具有清香和草香。兩種玫瑰花水醚類物質差異明顯,共鑒定出4種。苦水玫瑰花水(13.78%)醚類物質含量明顯高于大馬士革玫瑰花水(5.87%),其中玫瑰花水中的清香成分主要是玫瑰醚。

此外,酯類和萜烯類各化合物也是玫瑰花水香氣組分中的重要組成成分。11種酯類物質被識別,苦水玫瑰花水香氣含11種,相對含量為2.78%;大馬士革玫瑰花水香氣含9種,相對含量為2.28%;其中異戊酸丁酯(0.07%)、1-甲基庚基乙酸酯(0.08%)是苦水玫瑰花水特有成分。萜烯類化合物是玫瑰頭香的必要組成部分[4],共鑒定出9種,其中1,4-桉葉素(0.49%)是大馬士革玫瑰花水特有成分。

除了醇類、酮類、醛類、萜烯類、酯類、醚類物質外,還有一些酸類和雜環類化合物在玫瑰花水香氣成分含量差別較大,苦水和大馬士革玫瑰花水對含量分別為0.83%和8.20%,現有文獻對這類物質的來源鮮有報道,故其來源需待進一步研究確定。以上討論表明,兩種玫瑰花水的香氣存在差異。

3 結論

建立了吹掃捕集-氣相色譜質譜聯用測定玫瑰花水香氣成分的方法。吹掃捕集優化后的參數為:樣品量7.0 mL,吹掃溫度40 ℃,吹掃時間13 min。吹掃捕集技術用于玫瑰水香氣組分分析操作簡單,濃縮富集效率高,真實全面地反映了玫瑰花水香氣成分的構成。苦水玫瑰花水與大馬士革玫瑰花水香氣在種類和含量上存在差異。吹掃捕集-GC/MS法結合MassworksTM質譜解析軟件共鑒定出玫瑰花水香氣成分71種,苦水玫瑰花水69種,大馬士革玫瑰花水61種,水玫瑰花水特有成分有異戊酸丁酯、庚醛、1-甲基庚基乙酸酯、2,3-二甲基-1-丁醇、2-庚醇、2-壬酮、芐甲醚、2-壬醇、2-十一酮、2,6-二甲基-5,7-辛二烯-2-醇10種;大馬士革玫瑰花水特有成分有1,4-桉葉素、(±)-2,3-樟腦二醇2種。實驗結果為玫瑰花水香氣特征及其開發利用提供了一定的理論依據。