任凌云, 董 斌, 王瑞杰, 江媛媛, 杨琳琳, 刘文哲

(山东省粮油检测中心, 济南 250012)

我国是食用植物油消费大国,占世界脂质消耗总量的75%以上[1,2]。花生油作为花生加工主要的农副产品,因色泽淡黄、透明清亮、气味芬芳、滋味可口的特性,深受我国消费者喜爱[3]。同时,花生油脂肪酸组成中油酸、亚油酸和亚麻酸等不饱和脂肪酸的质量分数达80%,易于人体肠道消化吸收,日益成为我国重要的食用植物油[4-6]。

随着大众消费水平和健康意识的提升,油脂感官品质判定中,油脂风味物质成为重要评判依据[7]。据研究,花生油的独特浓郁风味,是由多种挥发性物质协同作用的结果,醛类和氮氧杂环化合物(吡嗪类、呋喃类等)发挥着重要作用[8-10]。而花生油VOCs的种类和含量受多方面的影响,加工原料、生产工艺、储存环境的差异,都会导致油脂挥发性物质的变化[4,11,12]。目前,预榨浸出、高温压榨及冷榨等是市售花生油主要的制作工艺,浓香型花生油是花生仁经过破碎轧胚蒸炒或者整粒烘烤后,高温压榨而成,榨取的花生油带有浓郁香味,并且花生油中营养成分和生理活性成分也得以保留[12-14];清香型花生油则采用低温压榨和低温过滤工艺,制油工艺很大程度上保留传统制油工艺的特点,能够减少油料中蛋白质的变性和破坏[15,16]。在油脂的选择上,花生油VOCs的品牌间差异性较为显著,同品牌的不同工艺,挥发性物质保留度也不尽相同[17]。因此,研究食用油自身的挥发性物质成分组成,对调控加工食品的风味、提高人民生活品质具有重要意义[5]。

植物油脂风味检测中,感官检测法、常规理化指标检测法、色谱法、光谱法等方法是国内外常用的检测方法[18-21]。油脂生产企业感官检测中,标准大多由技术员凭经验和感官掌握,受自身局限性的影响,工作效率低、精准性差、产品一致性差异大[22]。如何快速实现植物油脂种类风味的科学鉴别、精准识别油脂掺假及含量的检测、确保食用植物油风味品质一致性和稳定性,将成为质检技术人员与生产企业品控人员共同面临的问题,也是众多大型油脂企业转向现代化产业升级的重要一环[5]。

气相色谱-离子迁移谱(GC-IMS)技术中,气相色谱(GC)能够实现样品的高效分离,离子迁移光谱(IMS)作为痕量快速分析检测技术,可以通过气相中不同的气相离子在电场中迁移速度的差异对化学物质进行表征,具有灵敏度高、操作简单、分析时间短、检测成本低的特性[23],使得GC-IMS成为食用植物油的风味分析以及掺假测定、分类等问题新的解决方式。简易快捷、分辨率高、准确性好的特点使其已广泛应用于农业食品安全和质量控制领域[24,25]。

研究以GC-IMS技术为基础,对不同种类花生油进行风味成分分析,确定各食用植物油中的关键风味物质并分析其共性和差异,深入探究油脂风味与工艺、原料等因素的关系,以期为食用植物油特征香气的表征分析及食品风味加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料及试剂

实验所用的2种香型成品花生油,2种工艺的原料油总共39个样品,均来自山东临沂,详细信息见表1。

表1 花生油样品信息

标准物质：2-丁酮、2-戊酮、2-己酮、2-庚酮、2-辛酮、2-壬酮,纯度均≥99%。

注：Ⅰ、Ⅱ为同种工艺、不同批次的产品。

1.2 仪器与设备

FlavourSpec 1H1-00053型气相色谱离子迁移谱,CTC-PAL自动进样装置,石英毛细管柱,FS-SE-54-CB-1 (15 m×0.53 mm,0.5 μm);感量0.001 g电子天平。

1.3 GC-IMS 测定条件

1.3.1 顶空进样条件

顶空孵化温度：90 ℃;孵化时间：5 min;加热方式：振荡加热;顶空进样针温度：75 ℃;进样量：500 μL,不分流模式;载气：高纯氮气 (纯度≥ 99.999%);清洗时间：0.5 min。

1.3.2 GC条件

色谱柱：含5%苯基的二甲基聚硅氧烷的毛细管柱,柱长15 m,内径0.53 mm,膜厚1.0 μm,或相当者;进样口温度：80 ℃;进样模式：不分流模式;柱温：60 ℃;载气：氮气(N2);流速：2.0 mL/min,保持2 min;2.0 mL/min线性上升至100 mL/min。

1.3.3 IMS 条件

迁移管：长98 mm,温度45 ℃;迁移电压：500 V/cm;漂移气：高纯氮气(N2);流速：150 mL/min;IMS 探测器温度：45 ℃。

1.4 实验方法

1.4.1 IMS用混合标准溶液配制

将6种标准物质混合(质量比为1∶1∶1∶1∶1∶1),以水为溶剂,配制成质量浓度为100 ng/mL的混合标准溶液,储存于冰箱(0～4 ℃)中,测试时用来校准当时实验方法下的气相色谱保留指数。

1.4.2 试样制备

样品的采集和前处理过程应避免试样污染,低温保存,分析时取出,自然恢复至室温待用。准确称取花生油样2 g (精确至 0.01 g)于20 mL顶空进样瓶中,用手轻微摇匀后密封。保持顶空进样瓶直立,待分析。

1.4.3 样品测定

待气相色谱-离子迁移谱(GC-IMS)联用仪准备就绪后,将制备好的花生油试样上机分析后,测得挥发性化学成分的峰体积。对谱图中各峰经计算机数据系统检索及核对NIST保留指数数据库及IMS迁移时间数据库,对挥发性化学成分进行定性,采用体积归一法进行定量。

1.5 挥发性风味成分相似度

试样中挥发性风味成分的相对质量分数按式(1)计算：

(1)

试样中风味成分相似度按式(2)计算：

(2)

式中：Mi,j为i、j2个样品的风味成分相似度/%;X(a)i为i样品a成分峰体积的相对质量分数/%;X(a)j为j样品a成分峰体积的相对质量分数/%;n为试样中风味成分的数量。

1.6 重复性

在重复性条件下2次独立测试结果,对于相对质量分数大于5%的组分,相对标准偏差不大于10%,对于相对质量分数1%～5%的组分,相对标准偏差不大于15%,对于相对质量分数小于1%的组分,相对标准偏差不大于20%。

2 结果与分析

2.1 花生油样品挥发性有机物指纹图谱对比

采用GC-IMS对38个花生油样品进行分析,得到74种挥发性有机物(VOCs),利用内置Gallery Plot 插件对醇、醛、酮类等VOCs种类进行明确,结果如图1所示。其中,每一行代表样品中完整的VOCs信息,每一列是同种VOCs在不同样品中的信号峰,颜色深浅代表浓度含量高低,通过纵向比较,可以直观反映不同类型样品之间VOCs种类和含量的差异。

图1 38个样品挥发性有机物Gallery Plot指纹图谱

2.2 不同类型花生油样品挥发性有机物指纹图谱对比

将4种类型油脂中分别选取第1个批次的第1个样品(Ⅰ-1号样品)进行分析,每个样品重复分析9次,验证方法的重复性和不同工艺间VOCs差异。选取花生油的主要风味物质吡嗪类、呋喃类、糠醛类、噻唑类等15种VOCs进行标记,利用 GC-IMS Library Search 软件对标记位置进行检索,每种物质特征峰对应的化学信息具体如表2所示。

表2 15个特征峰化合物信息

将选取的 15 个特征信号峰进行Gallery Plot指纹图谱比对,对不同VOCs对应的特征峰进行分类排序,结果如图2所示。油样VOCs组内结果差异较小,结果较为平行,说明方法的重复性良好;组间挥发性物质的种类和含量差异较大,浓香型花生油VOCs的种类和含量最高,烘烤型次之,蒸炒型和清香型油脂VOCs种类和含量较少。其中,浓香型花生油15种VOCs含量明显较高,因此具有风味浓郁的特性。烘烤型花生油含有13种VOCs含量较多,2-乙酰基吡嗪、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪的含量较低。蒸炒型花生油中吡嗪的含量最高,同时含有2-乙酰基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪(单体、)、N-甲基吡咯酮等VOCs。清香型花生油中仅有2,5-二甲基吡嗪(单体)、5-甲基糠醛(单体)、吡嗪等3种物质特征峰突出,但VOCs含量较低。说明工艺间的差异将会直接导致成品油脂VOCs的不同,但正是这些风味物质的差异,为不同种类植物油的鉴别以及同种植物油之间的差异区分提供了可能。

图2 4种类型花生油样品中15种主要挥发性有机物Gallery Plot指纹图谱

2.3 不同类型花生油挥发性有机物聚类分析

将4个类型的油脂Ⅰ-1号样品分析所得的15种VOCs进行主成分分析,选取前 2 个主成分得分绘制样本数据的散点图。PCA图可以用于将样品聚类分析,图中距离越近说明样品越相似,根据聚集程度可对产品的一致性进行评价,以及快速确定未知样品的种类,分析结果如图3所示。第一、第二主成分的贡献率分别为71%和17%,总贡献率为88%,大于85%,表明经 PCA 变换后的数据能够反映原始数据的大部分信息。每种类型的油脂均有对应的聚类簇,且组内数据点较为集中,说明油脂的自身整体风味轮廓较为相似;组间浓香型、烘烤型油脂与清香型、蒸炒型油脂相聚较远,说明加工工艺的差异造成挥发性物质的不同;不同工艺类型的油脂间无明显交叉,表明该方法使GC-IMS能够对不同工艺的油脂进行科学良好区分。

图3 4种类型花生油样品聚类分析图(PCA)

2.4 不同原料的花生油挥发性有机指纹图谱对比

对39个样品的挥发性有机物进行分析,选取15种变化明显的特征离子峰指纹图谱进行对比,探究同类型产品不同原料间VOCs的差异,结果如图4所示。组间原料差异对同类型产品的VOCs影响明显。浓香型成品油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响应强度明显高于NX-Ⅱ系列,烘烤型原料油中呈现出相同的特性,表明NX-Ⅰ产品的花生油风味更加浓郁。蒸炒型原料油中,组间风味成分差异较小,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的含量和浓度高于QX-Ⅱ产品。同时,原料油脂VOCs的种类和响应强度都明显优于成品油脂,表明在加工过程中存在VOCs的损失。

图4 不同原料油脂样品挥发性指纹图谱

2.5 不同原料花生油挥发性有机物聚类分析

为了方便主观分析,通过 LAV 内置 Dynamic PCA 插件以原有 VOCs 种类的高维数组为变量进行数据降维压缩,对不同原料的花生油样品进行特征差异可视化动态分析,结果如图5所示。第一、第二主成分的总贡献率为88%,表明二维平面数据点图分布包含原有变量绝大部分信息,直接反映油脂样品组内和组间的VOCs差异性。各样品组内样品较为集中,除ZC-Ⅰ、ZC-Ⅱ外,均能将各组物质VOCs分开, NX-Ⅰ、NX-Ⅱ、HK-Ⅰ、HK -Ⅱ、ZC-Ⅰ、ZC-Ⅱ的簇间距离较近,表明风味轮廓较为相似,而QX-Ⅰ、QX-Ⅱ相距较远,表明其VOCs的种类和含量较少,PCA的结果与图4指纹图谱呈现相同趋势。

图5 不同原料花生油样品聚类分析图(PCA)

2.6 花生油挥发性风味成分相似度

用GC-IMS对相同原料、不同工艺的烘烤型、蒸炒型原料油及清香型、浓香型成品油进行挥发性有机物质相似度检测,验证GC-IMS检测的精准度和区分性。图6中横、纵坐标为样品名称,横纵坐标交叉处的圆点为2个油脂产品挥发性风味成分相似度,圆点越大、颜色越深,相似度越高。不同类型油脂的挥发性有机物相似度匹配矩阵的结果表明,同类型油脂间挥发性有机物相似度极高,相似度大多在90%以上,标准值取85%,说明GC-IMS检测的精准性和灵敏度以及油脂生产工艺的稳定;不同类型的油脂间烘烤型原料油与浓香型成品油的挥发性风味成分相似度较高,蒸炒型原料油和清香型成品油挥发性风味成分相似度较好,结果与挥发性风味成分聚类分析图(图3)呈现一致性。

图6 4种不同类型样品挥发性有机物相似度匹配矩阵图

3 结论

采用气相色谱-离子迁移谱(GC-IMS)对烘烤型、蒸炒型的原料油以及清香型、浓香型成品油的挥发性风味成分分析方法进行研究,油脂样品不需前处理,实现了不同工艺、不用原料油脂产品VOCs的快速准确分离测定,检测方法分离度高、准确性好,相同工艺花生油风味成分相似度在85%以上。同时,油脂生产工艺和原料的差异会对产品的VOCs产生影响,并且原料油中VOCs的种类和含量明显高于成品油脂,表明加工过程会造成VOCs的损失;烘烤型、蒸炒型原料油中VOCs差异较小,但浓香型和清香型成品油中,VOCs的差异显著。