香料香精分析技术研究

香料香精分析技术研究(图)

1 前言

一般来说,香料是具有特殊香气的天然或合成有机化合物,香精则是由人工调配出来的含有两种以上乃至几十种香料(有时也含有适宜的溶剂或载体)的混合物。香气是香料的“灵魂”,香气研究,其目的之一就是鉴定原料或产品香气中起作用的化合物。对香料及其用来制造香料的原材料进行分析和评价,不仅可以使人们获得最基本的关于香料原材料和赋香产品的化学信息,并为人们在原材料利用和产品开发中科学利用、合理调配这种香气物质提供科学依据。化学和越来越进步的仪器方法(例如:气相色谱法、质谱法、光谱学)之间的密切联系,使香料香精分析技术不断取得进展。有关香料香精的主要分析范围与目的包括:研究从天然来源(如香精油)或合成来源化合物成分组成、含量、以及从生物特性和经济特性上判别香气质量,以发展可能的新香料化学品;天然与合成香料生产过程中的质量控制;香料香精组分稳定性的测定及功能性质的研究;对规章限制的物料进行专门的鉴定,如用于安全性试验等;模拟天然香料组成,配制新型香精,剖析某些受人喜欢的赋香产品香气成分,以借鉴于新型赋香产品开发上;对香气成分研究方法所取得的成果,扩展其应用领域,如气味污染、昆虫信息素、烟雾、动物分泌物气味成分等鉴定。制造香料的原材料、含香料的产品,一般形成香气成分的种类繁多,含量不多,而且化学、物理性质都不尽相同,这给香气成分的分

析带来一定困难,但由于现代分析技术的进步,已获得了许多这方面的

信息。香料香精分析一般包括样品预处理、香气化合物的采集、浓缩、分离、鉴定(含定量)、综合评价等步骤。

2 香气成分的采集与浓缩

2.1 样品的选择与预处理样品的选择应明确所进行研究的目的,通常选择的样品还要有代表性,考虑采样季节,贮藏条件、加工方式等。采集样品中香气和香味成分前,需要将被研究的样品进行预处理(除非

是粘度低的液体),预处理包括下列工序:研磨、均化、离心、过滤或挤压。固体样品可以和水进行均化,制成浆状物,在样品进行预处理时,应避免热、光或空气的氧化,以及由于细胞结构的破坏而发生的酶与前驱体的作用,通常采取的措施是在ＣＯ2或Ｎ2气流中捣碎样品,在均化前将酶钝化或在均化后立即钝化,如水果的均化,Ｄｒａｗｅｒｔ等[1]人曾建议在甲醇存在下进行,预处理的样品宜放入密封的充满Ｎ2的瓶中,在-20℃下保存直到使用。

2.2 自样品相中采集和浓缩自样品相中采集香气和香味成分时,

大多利用水蒸汽蒸馏和溶剂萃取。水蒸汽蒸馏法又分为常压蒸馏和减压蒸馏,在蒸馏过程中产生的挥发物质被吸附剂所吸附,用加热或溶剂脱

附后,即可进行气相色谱、质谱等分析(如图1)。蒸气蒸馏主要用于将试样中的挥发性有机物从非挥发性物质分开,如果进行蒸馏的是一些含香味成分的产品(食品、日化产品等),为了控制起泡常加入防沫剂(如ＤｏｗＣｏｒｎｉｎｇＤＣ-544或ＵｎｉｏｎＣａｒｂｉｄｅＳＡＧ-30)。为了防止暴沸可在蒸馏瓶与冷凝管之间接一缓冲玻璃管。

因为萃取技术较为简单,而且一般不损坏试样成分,所以广泛应用

于香料领域,常用的萃取溶剂有乙醚、环已烷、三氯氟甲烷(ＣＦＣｌ3)、二氯甲烷、异戊烷、戊烷等。已经组装了各种类型的仪器,供比水重和比水轻的溶剂作取液-液连续萃取之用。如ＤｅａｎＳｔａｒｋ萃取装置[2]就是一种,它只使用少量溶剂,在不形成严重乳浊液的情况下,彻底萃取水溶液中的香料成分。近几年发展起来的超临界ＣＯ2萃取法,优于常规萃取法,超临界流体具有接近气体的低粘度和高扩散系数,并

具有接近于液体的高密度和强溶解能力,有利于被提取物质的扩散和传递,因而在香料成分浓缩方面将大显身手。Ｌｉｋｅｎｓ等人在1996年发展起来的“同时蒸馏-萃取法”(ＳＤＥ),国际上目前应用较多,现在使用的装置已经过不少改进[3、4],以适应特定的目的,如图2就是其中一种,它是把样品的浆液置于一圆底烧瓶中,连接于仪器右侧,以另一烧瓶盛装溶剂,连接于仪器左侧,两瓶分别水浴加热,水蒸气和溶剂蒸气同

时在仪器中被冷凝下来,水和溶剂不相混溶,在仪器的“Ｕ”形管中被分开来,分别流向两侧的烧瓶中,结果蒸馏和提取同时进行,只需要少量溶剂就可提取大量样品,香气成分得到浓缩。其突出优点是可以把ｐｐｂ浓度级别的挥发性有机物从脂质或水介质中浓缩数千倍。ＳＤＥ法对微量成分具有定量高效提取率。萃取后除去溶剂是重要的一步,在这一步中必须避免试样成分的损失,Ｋ-Ｄ浓缩法是常用的蒸发溶剂的方法,装置见图3。该装置的样品容器的底部刻有容量标记。操作时把经过脱水的萃取液置于此容器中,外部以冰-盐致冷剂冷却,通入一定流速的高纯Ｎ2气,系统用抽气泵减压。为了防止水蒸汽或泵油中的污染物返回系统污染样品,以及避免溶剂进入泵内,在泵和样品容器之间联结了一个液氮冷阱。该装置可把萃取液浓缩到数十微升。

2.3 自样品上部空气相的采集和浓缩人的嗅觉感觉到的各种挥发性化合物的组成,通常是产品上部空气所含化合物的组成。因此研究样品的香气,分析样品上部的空气即常说的“上部空隙”(ＨｅａｄＳｐａｃｅ)是十分有用的,上部空隙气体(ＨＳＶ)捕集(又称顶空气体捕集),对于捕集天然娇嫩鲜花的头香和单离出食品、化妆品挥发香料的成分是理想方法。采用这种方法能够获取与天然逼真的香气成分。目前,顶空气体的捕集方法主要有静态顶空分析、动态顶空分析或者叫吹扫顶空-固相微萃取。其中起源于采用多孔高聚物对顶空气中的挥发物质进行捕集与分析的动态顶空分析法最常用。它是指用连续惰性气体(一般为高纯氮气)不断通过液态的待测样品,将香料香精组分随气流进入捕集器,

捕集器中含有吸附剂(见图4)或者采用低温冷阱的方法进行捕集,最后将抽提物进行脱附分析[5,6],这种分析方法不仅适用于复杂基质中挥发性较高的组分,对较难挥发及浓度较低的组分也同样有效。吸附剂捕集模式中常用的吸附剂有:ＰｏｒａｐａｋＱ系列(苯乙烯和二乙烯基苯类聚合体的多孔微球)、各种高聚物多孔微球和Ｔｅｎａｘ-ＴＡ(2,6—二苯呋喃多孔聚合物),这些有机吸附剂中目前Ｔｅｎａｘ-ＴＡ的应用最为广泛,它热稳定性好,加热解析至350℃不发生分解,而且对水吸附程度低,十分适合对液态基质中挥发性成分进行分析。

饱吸了花香和食品、化妆品香气的吸附剂,还需要进行脱附,脱附时以不损害娇嫩的花香或产品香气为原则。如用溶剂解吸,一般常用沸点较低,易挥发的乙醚和戊烷等。另外,有专门的热脱附装置可购买,微波加热吹气脱法也有报道[7]。最近还有人利用超临界ＣＯ2作解脱剂,如用疏水性活性炭饱吸了茉莉头香后,用超临界ＣＯ2解吸,获得天然逼真的茉莉头香精油。吹扫捕集技术常被用来研究牛奶和其他奶产品中的芳香化合物。Ｖａｌｅｒｏ等人[8]对比了两种动态顶空技术分析奶酪中挥发性成分的实验结果。一种是使用自动吹扫捕集仪-气相色谱-质谱在线分析样品,用Ｃａｒｂｏｐａｃｋ-Ｂ60/80吸附,然后在-100℃冷阱中富集;另一种是手动的动态顶空技术,用填充了100ｍｇＴｅｎａｘＴＡ的不锈钢柱捕集。这两种方法前者比后者灵敏度高,相对标准偏差小,但后者的测量范围宽。由于石榴汁在低温储存时易变坏失去香味,Ｙｅｎ等人用吹扫捕集技术研究了在加压、加热和储存过程中石榴汁的挥发

性香味剂的变化。Ｓｉｌｖａ等人则用吹扫捕集技术评价了草莓的香味成分的变化,定量测定了草莓中的93种化合物,其中21种是首次测得。ＶａｎＲｕｔｈ等人用吹扫捕集-气相色谱火焰离子化检测研究了用水浸泡后的法国菜豆中芳香化合物的释放时间。对于某些新鲜香料原材料成分食品香味的挥发性成分具有强扩散性,常采用冷阱捕集模式,又称

冷阱法(Ｃｏｌｄｔｒａｐ)进行收集。此法的特点是采用冷冻或深度冷冻方法,捕集芳香物质顶空或溶液中的挥发性香成分,并用Ｎ2气体载气将其带入冷捕器中进行冷凝,可获得几乎与天然一致的香精油,对于含

挥发性香成分的水溶液,可适当加热,以助挥发,所得含水产品,还可再

次通过冷阱法或吸附法加以浓缩,所用的冷冻剂包括干冰、液Ｎ2或冰盐(冰拌食盐)等。例如,邢其毅等人[9]在研究荔枝香气化学成分时即采用冷阱法。在一容器内装入5ｋｇ去皮的新鲜荔枝果肉,连接3个冷阱,分别将它们放入冰水浴、冰盐浴及-60℃低温浴中,最后接上一抽样泵。6～7ｈ后,在冰水浴和冰盐浴中共收集到约3ｍＬ荔枝头香溶液,在低温浴

中收集到2ｍＬ左右的荔枝头香水溶液,共5ｍＬ,将其通过ＸＡＤ-2树脂进行富集,脱附,Ｋ-Ｄ浓缩,得100μＬ样品,供色谱分析用。如上所述,采集样品香味成分的方法较多,必须依照分析的目的,试样的特性(热稳定性、粘度、香味成分含量等)加以选择,并适当变化和运用。很多情况下,用“同时蒸馏—萃取”或“溶剂萃取”或“冷阱捕集头香”等几种方法采集香成分时,分析结果不是重叠的,说明在香精香料分析中,应有

几种采集方法,很有必要。如果单独使用任何一种采集方法,都难以获得比较完整的成分结果。

3 香料成分仪器分析

进展对于采集所得的香气成分浓缩物的再分离、鉴定、通常用色谱法,它包括ＧＣ(气相色谱)、ＴＬＣ(薄层色谱)和ＨＰＬＣ(高压液相色谱)、以ＧＣ最为常用。最先是利用填充柱色谱来分离香味成分,但最近改用玻璃毛细管及石英毛细管以后,大幅度提高了香料分析的技术水

平。另外还有能耐400℃以上高温的毛细管柱出现,可用来分析更高沸点的成分,ＧＣ的检测器有热导池检测器(ＴＣＤ),现大多数采用火焰离

子化检测器(ＦＩＤ),焰光光谱检测器(ＦＰＤ),ＴＣＤ、ＦＩＤ、ＦＰＤ、ＦＴＤ的检出限量分别为100、0.1、0.01、0.01ｎｇ,最近原子发光检测器(ＡＥＤ)开始运用于香气分析,此法最具有应用前景。气相色谱仪除检测通常的含Ｃ、Ｈ、Ｏ化合物外,配合不同的检测器,可检测其它元素的化合物,如ＦＰＤ(Ｓ、Ｐ原子)、ＨＥＣＤ(Ｓ、Ｎ、卤素原子)、ＴＳＤ(Ｎ原子)、ＮＰＤ(Ｎ、Ｐ原子)、ＥＣＤ(卤素原子)等,可用于食品中杂环香料成分的检测。气相色谱和质谱(ＧＣ/ＭＳ)联用方法的出现,使质谱在香料成分研究领域的应用大大增加。现在有了计算机化的ＧＣ/ＭＳ系统,就可以对所有ＧＣ流出峰进行ＭＳ分析,并把所有的质谱信息贮存在计算机内,用这样的设备只需很短时间就可以把一个复杂的混合物分析完毕。对ＧＣ、ＨＰＬＣ分离法配合傅里叶红外光谱(如

ＧＣ/ＦＩ-ＩＲ),以及使用二维核磁共振谱(1Ｈ-1ＨＮＭＲ、1Ｈ-13ＣＮＭＲ),也是当今香料成分分析中常用的方法。特别是近几年超临界流体色谱(ＳＦＣ)的发展,使样品中挥发性成分和非挥发性成分的分析同时进行。

ＳＦＣ的分析速度和分离效率介于ＧＣ和液相色谱之间,结合了两者的特长,是分析难挥发、易热解香料成分的有效而快速的方法。用上述仪器组合进行分析虽然能按照各种成分含量多少依次测定出来,但从香气再现这一目的来看,用这种方法不一定能得到理想的结果。因为形成香气的成分对于香气的贡献程度不是仅由含量来决定的,阈值低的成分即使含量低对于香气也十分重要,如果没有这些成分便达不到香气再现的目的,因此为了研究这样的成分,人们采用鼻子闻的方式进行感官评价是非常必要的。使用仪器测定的成分检索,一般和感官评价同时进行,对于那些在感官评价中认为是重要的香气成分,必须作为重点用ＧＣ/ＬＣ进行成分分析。

目前分析仪器取得了惊人的发展,但还不能做到从仪器得到有关香气的全部技术资料,在香气成分分析时还需依靠人的鼻和舌对结果进行综合评价。同时利用数量统计分析的手段,对于结果实行最终评价。