氣味指紋圖譜技術在食品揮發性氣味分析中的應用

謝 晶，佟 懿

（上海海洋大學食品學院，上海201306）

氣味指紋圖譜技術在食品揮發性氣味分析中的應用

謝 晶，佟 懿

（上海海洋大學食品學院，上海201306）

氣味指紋圖譜技術是采用現代分析儀器，得到能夠反映樣品揮發性氣味物質的特征性色譜、光譜以及其他圖譜的數據資料的技術。本文主要對建立食品氣味指紋圖譜的幾種最新技術以及研究現狀做了詳細的介紹。

指紋圖譜，揮發性物質，SPME，GC/MS，GC-O，電子鼻

大多數食品，特別是新鮮水產品在捕撈、加工、貯存和運輸過程中，受到外界環境、微生物和酶等因素的作用，其品質會發生變化。隨著水產品貯存時間的延長，會很快導致蛋白質的自溶分解，以及由于某些微生物生長和代謝生成胺、硫化物、醇、醛、酮、有機酸等，產生不良氣味［1-2］。揮發性氣味對食品整體品質的評價起著重要作用，其中水產品揮發性氣味對其品質的影響尤為顯著。通過對水產品特征揮發性物質的測定，能夠判斷水產品的鮮度和腐敗階段。水產品在加工、貯藏、流通以及銷售過程中品質的變化可將氣味指紋圖譜技術與感官品評的方法相結合，對水產品品質進行綜合評價。因此，研究建立水產品的揮發性氣味指紋圖譜對于監控其品質變化是十分有效的。國內一些學者［3-6］已將氣味識別技術引入到水產品品質的評價中，通過準確地提取、分析鮮活水產品及水產制品中的揮發性氣味成分，為其品質變化的評價提供可靠、穩定、專屬的判斷依據。本文主要對建立食品氣味指紋圖譜的方法以及研究現狀做了詳細的介紹，旨在為研究食品，特別是水產品與鮮活度（品質）特征指標高度相關的揮發性代謝物質，建立水產品的揮發物指紋圖譜數據庫，實現對其品質直觀、快速的識別提供理論基礎。

1 指紋圖譜技術概述

“標準指紋圖譜”是指在固定的分析方法（包括儀器配置、操作條件、色譜柱及分離條件等）下，能夠穩定、真實、全面地反映分析對象個性特征的唯一性圖譜。整體性和模糊性是指紋圖譜的基本屬性。同時指紋圖譜還具有專屬性、可量化性、穩定性、重現性、有效性、模糊性等特征［7-9］。指紋圖譜技術研究是建立在現代儀器分析、數學統計手段以及計算機模擬方法的基礎之上的。

1.1 指紋圖譜在中藥材中的研究

指紋圖譜技術在中藥材上的應用比較廣泛。中藥是依靠其所含的多種化學成分發揮綜合的醫療作用［10］。中藥指紋圖譜是將某種（或某產地）中藥材或中成藥經適當的處理后，采用一定的分析手段，即可得到的能夠標志該中藥材或中成藥特征的色譜或光譜的圖譜［11］。在不可能將中藥復雜成分都搞清的情況下，指紋圖譜的作用主要是反映復雜成分的植物中藥材及其制劑內在質量的均一性和穩定性［12］。

目前，以指紋圖譜作為中成藥、草藥提取物這類含有混合物質群的質量控制方法，己經成為目前國際共識［13-15］的方法。并且植物藥物的指紋圖譜已有一些相關的報道，魏剛［16］等利用氣相色譜-質譜（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC/MS）技術對陽春砂仁的揮發性成分進行分析，建立了陽春砂仁揮發油特征指紋圖譜“數字化”信息模式。曹進［17］等對桅子藥材中的脂溶性成分和揮發油進行了GC/MS分析，并建立了相應的氣相指紋圖譜。近年來許多學者利用指紋圖譜技術的特點，將指紋圖譜技術引入食品風味研究領域中，對白酒［18］、葡萄酒［19］、干酪［20］、香醋［21］等食品進行了氣味識別，為更多食品指紋圖譜的建立提供了基礎理論和實驗依據。

1.2 指紋圖譜在食品中的應用

指紋圖譜技術在食品中應用就是將該技術與食品的質量控制與品質檢測聯系起來，對食品的品質進行整體的評價。食品指紋圖譜指把食品特有品質（如香氣、元素組成等）通過特定的信息化處理后能對產品身份進行分析識別的技術，這種識別具有唯一性，可用于產品真假的識別和產品質量優劣判別［22］。傳統分析食品風味變化的方法一般是通過感官評定或個別成分的分析來評價食品的風味及品質，但是通過感官評定來分析食品品質的變化受人為等外界因素的影響較大。而個別成分的分析不能反映食品的整體品質的變化情況，而指紋圖譜技術的應用可以解決這些問題，使食品的品質評定更加準確。

隨著近代色譜分析技術的飛速發展，一些常用于中藥氣味分析的先進手段越來越多地被應用到食品氣味變化分析中。國內外的學者利用固相微萃?。⊿olid Phase Microextraction，SPME）技術、SPME-GC/ MS聯用技術、氣相-氫離子火焰（Gas Chromatography-Flame Ionization Detector，GC-FID）技術、氣相色譜-嗅聞（Gas Chromatography-Olfactometry，GC-O）技術以及電子鼻（Electric-Nose）等技術對扇貝［23］、鰱魚［4］、橄欖油［24］、咖啡豆［25］、新鮮豬肉［26］的揮發性氣味做了分析，這些研究證明了應用食品氣味指紋圖譜能夠很好地反映食品中揮發性氣味物質的變化與其品質變化的關聯性。另外，利用色譜技術能夠對食品揮發性氣味做出精確的分析，對食品的貯藏、加工及產品品質的控制起到指導作用。

1.3 氣味指紋圖譜在水產品揮發物質中的應用

水產品中揮發性化合物形成的原因，主要是由于貯藏過程中水產品肉中發生的美拉德反應及脂肪氧化生成了羰基和羥基化合物，而這些化合物含量的變化對確定水產品品質起著十分重要的作用。建立水產品的氣味揮發性指紋圖譜，便可從氣味角度對水產品或水產制品品質的變化程度進行分析。

目前國內學者較多研究了淡水魚類的揮發性氣味的組成和變化，國外學者則對貯藏加工的魚貝類海產品及水產品的揮發物質變化研究較為深入，章超樺等［27］用氣相色譜-嗅覺感官實驗（GC-Sniffing）的方法，確定了新鮮魚肉的氣味成分多是由揮發性羰基化合物和醇造成的，特別是揮發性羰基化合物易產生原生的、濃郁的香味，而揮發性醇則產生品質較為柔和的氣味。陳俊卿等［28］通過優化 SPME及GC/MS條件，建立了HS-SPME-GC-MS分析鑒定鮮活白鰱的揮發性氣味成分的方法，確定了27種揮發性成分為白鰱特有的氣味成分。周益奇等［5］采用同時蒸餾萃取法提取鯉魚中的揮發和半揮發性有機物，用GC/MS分析獲得了鯉魚腥味化合物的質譜圖，鑒定了鯉魚中腥味和疑似腥味化合物，并確認己醛、庚醛和2，4-二烯癸醛為魚腥味化合物。一系列的研究表明，利用氣味指紋圖譜技術分析水產品揮發性氣味物質的成分與變化能很好地反映水產品品質變化。此方法與傳統理化、感官分析法的獲得結果相比較有著很高的匹配度，其結果可信度較高，對檢測控制水產品品質有著重要的參考價值。

2 構建食品氣味指紋圖譜的主要技術

2.1 固相微萃?。⊿PME）技術

SPME是由加拿大Waterloo大學Pawliszyn及其合作者于1990年提出的［29］。SPME技術具有簡便、快速、經濟安全、無溶劑、選擇性好且靈敏度高的特點，可直接與 GC/MS、高效液相色譜（High-Performance Liquid Chromatography，HPLC）、毛細管電泳儀（Capillary Electrophoresis，CE）等分析儀器聯用，集采樣、萃取、濃縮、進樣于一體，大大加快了分析檢測的速度［30］。據統計，關于SPME的出版物已達416種，將近50%是關于環境監測問題的，食品和植物方面的應用達20%［31］。

目前國內外所用的 SPME裝置大多為美國Supelco公司的專利產品，也有自行研發的簡易裝置，效果也較為理想。SPME裝置形狀類似于一個微量進樣器，很小巧，由萃取頭（biber）和手柄（Holder）兩部分構成。根據有機物與溶劑之間“相似相溶”的原理，利用萃取頭表面的色譜固定相的吸附作用，將組分從樣品基質中萃取富集起來，完成樣品的前處理過程。使用時，先將萃取頭鞘插入樣品瓶中，推動手柄桿使萃取頭伸出，進行萃取。萃取有兩種方式，一種是直接插入樣品中進行萃取，即浸入方式（Direct Immersion，DI）；另一種是將萃取頭置于樣品上空萃取，即頂空方式（Head Space，HS）。在達到或接近平衡后即萃取完成，縮回萃取頭，并轉移至氣相色譜進樣器中，推出萃取頭完成解吸、色譜分析，整個過程90min即可完成。

SPME聯用技術的檢出限為ng/g～pg/g級，相對標準偏差＜30%，線性范圍為3～5個數量級。這種技術特點對食品風味成分，尤其是痕量成分的檢測具有明顯的技術優勢，在實際研究中得以替代傳統的頂空技術（Head Space，HS）、（氮氣）掃捕集法、固相萃取、同時蒸餾萃取法和超臨界流體萃取法等技術方法而廣泛應用。田懷香［32］等人采用HS-SPME制備樣品，利用GC/MS分離鑒定了金華火腿的揮發性風味物質，得出金華火腿的揮發性風味物質中含量較高的是醛、酸和酮類化合物，還有一些含硫或雜環化合物。Nigel［33］等人分別使用75μm Carboxen/ PDMS、65μm PDMS/DVB和65μm Carbowax/DVB三種涂層厚度不同的SPME萃取頭測定了熟制火雞中己醛的揮發性含量，并證明75μm Carboxen/PDMS對己醛的檢測響應度、線性相關度以及測定精確度較之其它兩種萃取頭相對較好。SPME很好地解決了食品揮發性成分物質提取的難題，利用色譜技術便可進一步對食品揮發性成分物質做出精確的分析和鑒定。

2.2 氣質聯用色譜（GC/MS）技術

色譜法（Chromatography）是分析化學領域中發展最快、應用最廣的分析方法之一。這是因為現代色譜法具有分離和分析兩種功能，能排除組分間的相互干擾，逐個將組分進行定性、定量分析。而且還可以制備純組分。因此，食品的氣味指紋圖譜構建過程中，色譜法尤其是GC/MS聯用是首選的方法。

氣相色譜雖然具有很強的分離和分析化合物能力，但它對未知化合物定性能力差，而質譜對未知化合物具有獨特的鑒別能力，幾乎能檢出全部化合物，并能給出相應的結構信息。因此借助氣相色譜較強的分離能力與質譜儀的鑒定物質的能力相結合，組成氣相色譜-質譜聯用儀可以很好地完成對于氣味指紋圖譜的構建工作。一方面，氣相色譜將食品中揮發性氣味物質分離成一種純物質或2～3個組分的混合物，是質譜理想的“進樣器”；另一方面，質譜很好地彌補了氣相色譜所用檢測器，如FID，熱導檢測器（Thermal Conductivity Detector，TCD），電子捕獲檢測器（electron capture detector，ECD）等分析物質時的局限性，更精確地鑒定了食品中揮發性組分，是氣相色譜理想的“檢測器”。將GC與MS聯用，彼此揚長避短，無疑是復雜混合物分離和檢測的有力工具。

楊華［34］等人采用靜態HS-GC/MS技術初步鑒定了養殖大黃魚的揮發性成分組成，并證明醛類、酮類和胺類是養殖大黃魚的主要腥味成分，確定了2，4，7-癸三烯醛、4-庚烯醛、2，6-壬二烯醛是養殖大黃魚關鍵性的腥味物質。Iglesias［35］等人運用 HSSPME-GC/MS聯用技術測定了大西洋竹莢魚肌肉在氧化過程中相關的揮發性成分，并與傳統的化學指標脂類過氧化值做了相關性研究，研究確定了大西洋竹莢魚肌肉氧化酸敗的主要揮發性成分是1-戊烯-3-醇、2，3-戊二酮或1-辛烯-3-醇。研究證明HS-SPME-GC/MS聯用技術對監測大西洋竹莢魚肌肉在氧化過程中的揮發性成分是一種快速、廉價、方便、靈敏度高的方法。

GC/MS法的優點是發揮了氣相色譜法對復雜混合物的高效分離特長及質譜在鑒定化合物中的高分辨能力，實現了多組分混合物的一次性定性、定量分析。盡管GC/MS法在氣味分析中占有優勢地位，但單純依靠MS難于判斷食品中的揮發性成分在其整體的風味中的貢獻值及其重要性，畢竟揮發性成分化合物單體在整體風味中的貢獻取決于其閾值及絕對含量。

2.3 氣相色譜-嗅聞法（GC-O）

GC-O通過將特征色譜峰與多組分揮發性混合物相關聯，從而對食品中的揮發性呈味物質進行測定。GC-O是根據香味化合物中的香味強度或對總體香氣的貢獻來進行排序的，它可以解決MS在檢測香味化合物時遇到的一些難題。

GC-O的原理非常簡單，在氣相色譜柱末端安裝分流口，分流樣品組分一部分進入檢測器（如FID、MS等），另一部分進入嗅味檢測儀中。流入檢測器中的組分經分析后得到相應的色譜峰，流入嗅味檢測儀的組分由人進行嗅覺識別，通過氣味評價員對聞到的揮發性氣味記錄與檢測器測得的色譜峰相結合，從而獲得對食品氣味的關鍵揮發性成分。

馬曉佩［36］等利用GC-O對所制成米飲料的揮發性風味成分的變化進行了測定，實驗表明烘烤后原料制作的飲料，由于在烘烤過程中淀粉、蛋白、脂肪受熱后發生一定的降解，再經過酶的作用，產生了大量的吡嗪類風味物質，這些成分賦予飲料濃郁的烘烤香氣。江新業［37］等人利用氣相色譜-嗅聞技術中的芳香萃取物稀釋方法并結合GC/MS技術，鑒別了北京烤鴨的關鍵芳香化合物。

2.4 電子鼻（Electric Nose）技術

電子鼻是模仿人和動物的鼻子，被用于分析、識別、檢測復雜氣味和揮發性成分的新型器，與常用的分析儀器（如色譜儀、光譜儀等）相比，電子鼻具有客觀、準確、快捷地評價氣味，并且重復性好的特點。

電子鼻的氣味感知部件往往采用多個具有不同選擇性的氣敏傳感器組成陣列，利用其對多種氣體的交叉敏感性，將不同的氣味分子在其表面的作用轉化為方便計算的與時間相關的可測物理信號組，來實現混合氣體分析。電子鼻已被廣泛應用于食品品質測定中，國內外一系列研究表明［38-39］，電子鼻是對食品揮發性氣味分析的客觀“嗅覺”儀器，能夠輔助專家快速地對食品品質進行系統化與科學化的氣味監測、鑒別、判斷和分析。對于水產品而言，隨著貯藏時間的延長和新鮮度的下降，其揮發性成分將發生明顯變化，氣味也與鮮活時的品質有著顯著區別。用基于氣敏傳感器陣列的電子鼻系統對水產品進行檢測，可以獲得水產品的氣味指紋圖譜數據，從而得到其新鮮程度方面的信息。

3 結論

從研究現狀來看，現代氣味分析儀器的迅速發展為食品揮發性氣味圖譜的建立提供了可靠的分析手段。食品揮發性氣味圖譜的研究，特別是對于水產品揮發性氣味指紋圖譜研究能直觀地提供水產品品質變化的整體信息，較好地體現水產品揮發性成分的復雜性和相關性。因此，水產品氣味指紋圖譜的研究必將成為評價水產品品質重要依據之一。但在我國水產品貯藏過程中揮發性氣味變化圖譜的研究尚處于起步階段，還需進一步加強基礎研究。本文主要對建立食品氣味指紋圖譜的方法以及研究現狀做了詳細的介紹，可以為今后研究食品，尤其是水產品與鮮活度（品質）特征指標高度相關的揮發性代謝物質，以及建立水產品的揮發物指紋圖譜數據庫提供參考。

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Application of olfactometric fingerprint in the analysis of volatile compounds in food

XIE Jing，TONG Yi
（College of Food Science&Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China）

The application of fingerprint in food odour analysis，which is based on advanced analysis instrument，represents to be a valuable technique to characterize odour-active，as well as character impact compounds，responsible for the characterizing odour of a food sample.The article reviewed the technique of establishment of olfactometric fingerprint，which can be applied to volatile compounds of food analysis.

fingerprint；volatile compound；SPME；GC/MS；GC-O；electric nose

TS201.1

A

1002-0306（2011）01-0309-04

2009-02-06

謝晶（1968-），女，教授，主要從事食品質量與安全控制技術的研究。

“十一五”國家科技支撐計劃重點項目課題（2006BAD30B03）；上海市教委第五期重點學科資助。