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满满干货 | 顶空固相微萃取-全二维气相色谱/飞行时间质谱测定三种芒果香气成分

智达InLab

2024/06/03 16:39

阅读：19

《食品工业科技》最新发表了以下几篇文章通过型固相萃取净化-超高效液相色谱-串联质谱法检测鸡肉中23种磺胺类药物残留、顶空固相微萃取-全二维气相色谱/飞行时间质谱测定三种芒果香气成分；

摘要

本文采用顶空固相微萃取(Headspace Solid Phase Microextraction, HS-SPME)与全二维气相色谱/飞行时间质谱联用仪(Comprehensive Two-dimensional Gas Chromatograph/Time of Flight Mass Spectrometer，GC×GC-TOFMS )比较了不同萃取头、萃取温度、萃取时间、解吸温度等因素对萃取效果的影响，对三个品种的芒果香气成分进行了分析鉴定。结果表明，最适萃取条件为：萃取头50/30μmDVB/CAR /PDMS，萃取温度60 ℃，萃取时间60 min，解吸温度250 ℃。凭借全二维气相色谱飞行时间质谱联用仪强大的分离及定性能力，可以获得比常规一维气相色谱质谱联用仪更多的香气成分信息。3种芒果共检测出170种香气成分，金煌芒、小台芒、青皮芒中分别测到96、90、68种香气成分，峰面积含量占各自挥发性成分总量的74.04％、90.75％、78.91％。170种香气成分中醇类25种、芳香烃4种、醛类15种、酸类6种、酮类18种、烯烃56种、酯类46种，7类化合物中烯烃类化合物在三种芒果中含量占比最高，金煌芒中含有相比其他两种芒果具有更多的酯类、醛类和醇类等香气成分，相应的青皮芒独有的香味成分则相对较少，这也是金煌芒香气浓郁，而青皮芒香气较寡淡的原因。三种芒果共有的香气成分有26种，比如萜品油烯、3-蒈烯、β-月桂烯、石竹烯、珂巴烯和γ-依兰油烯等烯烃组成芒果基本的香气，但共有成分在不同品种芒果中的含量存在明显差异。比如，金煌芒中3-蒈烯明显更高，含量为10.783%，小台芒中萜品油烯明显更高，含量为17.545%。

关键词：芒果；品种；香气成分分析；顶空固相微萃取（HS-SPME）；全二维气相色谱-飞行时间质谱联用仪（GC×GC-TOFMS）

目前国内外学者较多采用常规 GC-MS 对芒果中香气成分进行研究，尚未见到GC×GC-TOFMS 用于研究芒果香气成分的相关报道。本文采用全自动 HS-SPME 结合 GC×GC-TOFMS，对市面上常见芒果品种金煌芒、小台芒和青皮芒的香气成分进行了定性及对比分析，确定不同芒果品种在香气成分上的差异，旨在为芒果等果蔬类植物风味物质的精细分析开拓新方向。

1.材料与方法

1.1试验材料

金煌芒、小台芒和青皮芒选取市面上大小均一、果实成熟完全、完整新鲜的芒果，购自永辉超市，数量若干，洗净去皮备用。

1.2 仪器配置

InLab全自动多功能在线前处理进样平台；

GGT 0620 型全二维气相色谱-飞行时间质谱联用仪-广州禾信仪器股份有限公司；

1.3 实验方法

1.2.1样品处理将3种芒果果肉分别置于搅拌机捣碎，并称取5 g于20 mL固相微萃取样品瓶中。

1.2.2 HS-SPME条件萃取前老化温度为260 ℃，老化时间为15 min，振摇速度为350 r/min，萃取温度为60 ℃，萃取时间为60 min，进样深度为35 mm，解析温度为250 ℃。

1.2.3 GC×GC-TOFMS条件

1.2.3.1气相色谱条件进样口温度250 ℃；分流进样，分流比为5:1；一维色谱柱MEGA-WAX Plus（30 m×0.25 mm×0.25 μm），二维色谱柱DB-17MS（1.3 m×0.18 mm×0.18 μm）；载气为氦气，柱流量为1 mL/min；柱箱温度采用程序升温，起始温度为35 ℃，保持3 min，以5 ℃/min升温到240 ℃，保持5 min，共49 min。

1.2.3.2全二维气相调制器条件采用固态热调制器，选择HV调制柱（1.2 m×0.25 mm），调制周期为5 s，其中解析时间为1 s；调制器进口和出口同步GC升温程序，进口始终比柱箱高30 ℃，出口始终比柱箱高120 ℃，冷阱保持-50 ℃。

1.2.3.3飞行时间质谱条件电子轰击离子源（Electron Impact Ion Source，EI），灯丝发射电流100 μA，电离能70 eV；离子源温度为230 ℃，传输线温度为280 ℃；检测器电压为-1900 V；采集质量范围为40~500 u，采集速度为100谱/s。

1.4 数据处理

采用全二维数据处理工作站软件 Canvas 载入数据，自动绘制全二维 TIC 轮廓图，并对图中信噪比大于 3 的峰自动识别，标识出的每一个峰点即代表一种化合物，每个化合物由一对保留时间确定，X 轴方向为第一维保留时间（min），Y 轴方向为第二维保留时间（s）。在Canvas 软件上通过对每个化合物的质谱图进行 NIST17 标准质谱数据库比对检索、结合保留指数[21−22] （Retention index，RI）等信息，对化合物进行定性分析；同时，软件采用峰面积归一化法自动生成各成分的相对含量。根据各化合物的定性定量信息，统计三种芒果鲜肉样品中的特征香气成分，并根据化合物官能团对香气成分进行分类并统计个数和相对含量。

2.结果与分析

2.1 HS-SPME 条件优化

2.1.1 萃取头选择以金煌芒为例，实验过程中对比100 μm PDMS（Polydimethylsiloxane)单相萃取头和50/30 μm DVB/CAR/PDMS(Divinylbenzene/Carboxen/Polydimethylsiloxane)三相萃取头，从表1中观察发现后者可萃取到更多的组分，其萃取的峰个数和总峰面积均多于100 μm PDMS萃取头。DVB/CAR/PDMS三相萃取头可以兼顾到极性与非极性各类组分，得到更为全面的分析结果，更适用于含有较多极性化合物组分的风味物质分析，本研究最终选用三相萃取头进行实验。

表1 不同萃取头的萃取效果

萃取头类型	PDMS	DVB/CAR/PDMS
总峰面积	795360	945479
检出有效化合物总数（个）	88	114

2.1.2 萃取温度优化　选择三相萃取头，实验过程中选择 50、60 和 70 ℃ 的萃取温度，其余条件不变，依次测试金煌芒。萃取温度对 SPME 萃取效率的影响具有双面性，观察到较低的萃取温度有利于低沸点组分的萃取，较高的温度下有利于高沸点组分的萃取。根据表 2 的结果，本研究选择 60 ℃ 的萃取温度，兼顾不同沸点的组分，有利于检测到更多的挥发性组分。

表2 不同萃取温度下的萃取效果

萃取头温度（℃）	50	60	70
总峰面积	902356	945479	923432
检出有效化合物总数（个）	98	114	110

2.1.3 萃取时间优化　选择三相萃取头，实验过程中分别使用 50、60 和 70 min 的萃取时间，其余条件不变，依次测试金煌芒。经过实验优化，从表 3 可知，萃取时间达到 60 min 后检测到的组分数量及总峰面积不再增加，确保分析物在样品与萃取头上达到分配平衡，同时尽量地缩短分析时间，故选取萃取时间为 60 min。

表3 不同萃取时间下的萃取效果

萃取头时间（min）	50	60	70
总峰面积	894556	945479	933227
检出有效化合物总数（个）	93	114	110

2.1.4 解吸参数优化　选择三相萃取头，实验过程中选择 240、250 和 260 ℃ 的解吸温度，其余条件不变，依次测试金煌芒。较低的解吸温度不利于高沸点的组分进入色谱，太高的解吸温度会影响萃取头的使用寿命，同时也会带来更多的本底（如带来较多硅氧烷干扰）。通过表 4 可知，250 ℃ 的解吸温度时，总峰面积和有效化合物个数最多，故本研究选取 250 ℃ 作为解吸温度。

表4 不同解吸温度下的萃取效果

解吸温度（℃）	240	250	260
总峰面积	927956	945479	944678
检出有效化合物总数（个）	101	114	110

2.2 GC×GC-TOFMS 条件优化

2.2.1 升温程序优化　常规的 GC-MS 在分析复杂的食品风味时，为了达到较好的色谱分离效果，需要采用低升温速率（1~3 ℃/min），或者采用梯度升温方式，最终导致整个分析周期很长（接近 1.5 h）。本实验使用的 GC×GC-TOFMS 可以采用 5 ℃/min 快速升温让组分快速流出色谱柱，不到 50 min 即可完成整个采集过程。以某个局部分离效果为例（见图 1），原本在保留时间 28 min 附近存在三个未分开的组分峰，但经过调制器捕集和二维柱再次分离后测得三个完全分离的十四醛（峰序号 171）、5-丁基二氢-2 （3H）-呋喃酮（峰序号 170）和苯乙醇（峰序号 172）。以上表明 GC×GC-TOFMS 测试芒果香气成分相比常规 GC-MS 具有良好的色谱分离效果。

2.2.2 柱系统优化　实验对比了反、正向全二维柱系统测试金煌芒的测试效果，其中反向柱系统一维柱采用强极性的 MEGA-WAX Plus（30 m×0.25 mm× 0.25 μm），二维柱采用中等极性的 DB-17ms（1.3 m× 0.18 mm×0.18 μm）；正向柱系统一维柱采用非极性的 DB-5ms（30 m×0.25 mm×0.25 μm），二维柱采用中等极性的 DB-17ms（1.3 m×0.18 mm×0.18 μm）。图 2 为采用反向和正向柱系统测试金煌芒的二维色谱轮廓图，观察到采用正向柱系统时，极性较强的组分整体分离度差（如保留时间在 5、15 和 27.5 min 等区域），而且会出现二维峰拖尾（如多数极性较大的色谱峰存在明显的拖尾）以及峰迂回（极性较强的酸类迂回到下一周期）的情况，会对定性结果产生干扰；而在反向柱系统下，极性组分在一维柱拖尾现象显著减弱，同时极性相近组分分离度得到明显提升，故最终采用了反向柱系统。

2.3 芒果香气成分质谱匹配结果

图 3 分别为 3-蒈烯、萜品油烯、邻伞花烃和 α， α，4-三甲基苯甲醇 4 种含量较高的香气成分的实验质谱图与 NIST 17 谱库质谱图的匹配结果图，其中每张图的上部分为实验质谱图，下部分为 NIST 17 谱库的质谱图。实验结果显示4种化合物的正向匹配度（Forward Match，MF）和反向匹配度（Reverse Forward Match，RMF）均大于 900，因此实验仪器定性的结果可靠。

2.4 三种芒果香气成分分析

2.4.1 芒果果实香气成分 GC×GC-TOFMS 轮廓图图 4 为金煌芒、小台芒和青皮芒的果实香气成分 GC×GC-TOFMS 轮廓图。使用 Canvas 工作站对三种芒果香气成分数据进行了自动峰积分，并使用 NIST 17 谱库结合保留指数对每个峰进行检索定性。金煌芒共检测到的挥发性组分有 114 种，其中香气成分 96 种，香气成分峰面积占比 74.04%；小台芒检测到 113 种挥发性组分，香气成分有 90 种，峰面积占比 90.75%；青皮芒检测到 79 种挥发性组分，香气成分 68 种，峰面积占比 78.91%，可以看到不同品种芒果的香气组成化合物及其含量存在明显差异。前人研究芒果香气时，大多数采用常规 GCMS 分析芒果的香气成分，单个品种的芒果测到的香气组分一般不会超过 50 种[6−7]。而借助全二维强大的分离能力和高灵敏度，一方面能够测到共流出的组分，另一方面可以测到含量极低的组分，而这些痕量物质对芒果香气的贡献值却较大，需要着重研究。

2.4.2 三种芒果果实香气成分对比分析　由表5可知，在170 种香气成分中，三种芒果同时含有的香气成分有 26 种。三种芒果果实共有的 26 种香气成分中包含 15 种烯烃/环烷烃、4 种醇类、1 种酯类、1 种酮类、1 种酸类和 2 种芳香烃类。烯烃中单萜烯及倍半萜烯烃类化合物在三种芒果香气成分构成中都占有较大比率，特别是 3-蒈烯（松木香气）及萜品油烯（又叫异松油烯，松木树脂味），两者总量在三种芒果香气成分中占比都超过 20%，对形成芒果特有的香气都有重大的贡献，与前人研究的结果相似[6,23−24]。而 2-蒈烯（甜香味）、柠檬烯（柠檬果香味）、α-水芹烯（清香味）和 β-月桂烯（清淡的香脂香气）则进一步形成芒果特有的香气。三种芒果共有的香气成分有 26 种，比如萜品油烯、3-蒈烯、β-月桂烯、石竹烯、珂巴烯和 γ-依兰油烯等萜烯类组分，组成芒果基本的香气，但共有成分在不同品种芒果中含量存在明显差异，比如金煌芒中 3-蒈烯的含量明显更高，达到 10.783%，小台芒中萜品油烯含量明显更高，为 17.545%。

注：“-”为未检出。

将三种芒果中 170 种香气成分按照官能团分类，芒果香气成分主要由 7 类化合物构成。烯烃类（含环烷烃）56 种、酯类 46 种、醇类 25 种、酮类 18 种、醛类 15 种、酸类 6 种、芳香烃 4 种。三种芒果香气成分中含量最高的均为烯烃类化合物，烯烃类是草香型香气物质；不同的是，金煌芒还含有较多的酯类、醛类及醇类等含氧化合物，酯类是果香型香气物质，对果实浓郁起主要贡献作用[25] ；对小台芒及青皮芒而言，烯烃类化合物占据极大的比例，而含氧香气化合物明显较金煌芒偏低，另外两者都含有 5% 以上的芳烃香气（特异芳香味[26] ）成分。

对于不同芒果品种中各自独有的成分，其中金煌芒有 51 种，占金煌芒香气成分含量的 30.00%；小台芒有 38 种，占小台芒香气成分含量的 22.35%；青皮芒有 25 种，占青皮芒香气成分含量的 14.71%。金煌芒中丁酸乙酯、反,顺-2,6-壬二烯醛、十四醛、紫罗兰酮、呋喃酮及苯甲酸苄酯等低含量的组分，因其较低的气味阈值，呈现出对整体香气具有突出的贡献作用。可以看出，金煌芒独有的香味成分，比如酯类（果汁香韵及果香香韵）、醛类（清香韵）以及醇类（醇香韵）等含量更多，更加丰富；对应的青皮芒独有的香味成分则相对较少，这也是金煌芒香气浓郁，而青皮芒香气较寡淡的原因。

2.结论

采用 HS-SPME-GC×GC-TOFMS 法在三种芒果品种共检测出 170 种香气成分，其中金煌芒、小台芒、青皮芒中分别测到 96、90、68 种香气成分，相对含量占各自总挥发性成分的 74.04%、 90.75%、 78.91%。三种芒果共有的香气成分有 26 种，烯烃中单萜烯及倍半萜烯烃类化合物在三种芒果香气成分构成中都占有较大比率，特别是 3-蒈烯（松木香气）及萜品油烯（松木树脂味），两者总量在三种芒果香气成分中占比都超过 20%，对形成芒果特有的香气都有重大的贡献。而 2-蒈烯（甜香味）、柠檬烯（柠檬果香味）、α-水芹烯（清香味）和 β-月桂烯（清淡的香脂香气）则进一步形成芒果特有的香气，但共有成分的含量在不同品种芒果间存在差别。7 类化合物中烯烃类化合物在三种芒果中含量占比最高，金煌芒与其他两种芒果相比，含有更多的酯类、醛类和醇类等香气成分，对应的青皮芒独有的香味成分则相对较少，这也是金煌芒香气浓郁，而青皮芒香气较寡淡的原因。结果表明，凭借全二维气相色谱-飞行时间质谱联用仪强大的分离及定性能力，可以获得比常规气相色谱-质谱联用仪更多的香气成分信息，对香精香料的精细化发展起到重要的促进作用。

END

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