固相微萃取与顶空进样技术在食品分析中的应用.
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固相微萃取与顶空进样技术 在食品分析中的应用
胡国栋
中国食品发酵工业研究院
食品分析的目标
◆ 理化与感官质量的检验 ◆ 与品质相关的特征组分分析
◆ 与安全相关的卫生质量的监测
食品样品传统制备方法的复杂性
◆ 传统的制备方法：液-液萃取、索氏萃取、蒸馏等
◆ 步骤多、耗时长、可靠性差，大量耗费有机溶剂， 环境污染严重
搅拌棒吸附萃取
搅拌棒吸附萃取（SBSE)是1999年出现的 一种新型的固相微萃取方法。在萃取过程 中，外面涂有聚二甲基硅氧烷涂层的搅拌 子在水相基质中不断吸附低浓度的分析物 ，从而起到浓缩作用。 SBSE与传统的SPME方法相比，灵敏度可 以提高1－2个数量级。德国Gerstel公司推 出了商品化的搅拌棒“Twister”，已经在 众多的分析研究中得到了应用。
固相微萃取在食品风味 质量控制分析中的应用
◆ 水果和果汁的分析 ●新鲜原料的香味组成，加工过程及储存 后的变化
◆ 酒类的微量香味组分分析 ●采用HS—SPME分析 ◆ 油脂氧化变质后产生的不良风味分析 ●变质玉米油采用HS—SPME分析
果汁香味组分的SPME分析谱图
采用SPME定量分析啤酒样品的典型色谱图
mV 7.2 6.4
5 6 7 8 10 15 16 17 18 19
5.6 4.8 4 3.2 2.4
ห้องสมุดไป่ตู้
2
9
11
12
0 -0.8 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 min
1.乙醛, 2.乙酸乙酯, 3.乙酸异丁酯, 4.正丙醇, 5.异丁醇, 6.乙酸异戊酯, 7. 4-甲基-2-戊醇（内标）, 8.异戊醇, 9.己酸乙酯, 10.辛酸乙酯, 11.乙酸, 12.里哪醇, 13癸酸乙酯, 14.异戊酸, 15.乙酸苯乙酯, 16.己酸, 17.-苯乙醇, 18.辛酸, 19.癸酸
搅拌棒吸附萃取的特点
SBSE萃取相的体积通常为55-250μL，比纤 维针式固相微萃取（Fiber SPME）的萃取相 体积0.5-1μL和管内固相微萃取（In-tube SPME）的2-20μL大得多，相应提高了富集 倍数，因此更适合于样品中痕量组分的分析。 但由于它需要专用的热脱附装置，同时，为 了避免组分峰在色谱柱上的扩宽，还需要柱 头的冷聚焦装置，因此装置比较贵，操作也 比较复杂。
◆ 探寻更为简捷、有效的食品样品制备方法是分析
化学面临的任务
食品样品处理的新技术
无溶剂（或少溶剂）的处理技术已成为食品样 品制备的主要发展方向，目前比较成熟的技术 包括： 以吸附剂萃取为基础的 固相萃取(SPE)、 固相微萃取(SPME)； 以气体萃取为基础的 顶空分析(HS)， 包括静 态顶空(Static Headspace)与动态顶空 (Dynamic Headspace)； 超临界流体萃取等
萃取头的选择
SPME与其它萃取方法一样，同样遵循“相似相 溶”的原则，如同毛细管色谱柱的选择，没有一 种萃取头能萃取所有的化合物。涂层的极性与厚 度必须与分析物的性质匹配，极性较强的涂层 （如PA萃取头）适合萃取极性化合物，而非极 性的 PDMS萃取头则主要用于非极性化合物的萃取。 萃取头涂层对于分析物要有较强的萃取能力，能 在较短时间内达到吸附平衡，热解吸时分析物能 迅速从萃取头上解吸，由于解吸通常在高温下进 行，因此，所选萃取头必须有良好的热稳定性。
酸类：乙酸，异丁酸，异戊酸，己酸，辛酸，癸酸，月桂酸， 2-乙基己酸
醛类：乙醛，癸醛，糠醛
酯类：乙酸乙酯，乙酸异丁酯，乙酸异戊酯，己酸乙酯，乙 酸己酯，乳酸乙 酯，辛酸乙酯，乙酸辛酯，癸酸乙酯，苯乙酸乙酯，乙酸苯乙酯，月桂酸乙 酯，丁酸-β-苯乙酯，邻苯二甲酸二异丁酯
醇类：正丙醇，异丁醇，异戊醇，正己醇，2-乙基-1-己醇，里哪醇， 正辛醇，糠醇，α-萜品醇，香茅醇，β-苯乙醇，月桂醇
SPME的装置
主要由萃取头（Fiber）和手柄 （Holder）两部分组成，其状 形同一支色谱注射器，萃取头 是一根长度仅为1cm的熔融石 英丝，其表面涂有厚膜的色谱 固定相或吸附剂。
由Supelco公司设计的SPME装置
供GC进样的SPME装置示意图
固相微萃取技术的特点
◆ 摒弃了传统的溶剂，并将萃取、浓缩、解吸 、进样集于一体 ◆ 高灵敏度，通常LOD可达ppb或ppt ◆ 将分析对象从挥发性物质延伸到难挥发物质 ◆ 操作简单、费用低
“固相微萃取技术”的由来
固相微萃取技术（solid-phase microextraction, SPME）是1990 年由加拿大学者Pawliszyn 和他的 合作者首创，并于近10余年间迅速 发展和完善的样品制备新技术。
SPME的原理
SPME是依据有机化合物能吸附在 涂于石英细丝表面的色谱固定相 上，且被吸附的分析物在GC的进 样口遇热可定量解吸的原理而设计 的技术 。依据类似的原理，HPLC 流动相将分析物冲洗到液相色谱柱 中，SPME也可用于HPLC分析。
SPME的三种不同萃取方式
纤维针式固相微萃取（Fiber SPME）
这是最常用的供GC分析进样的SPME萃取方式
管内固相微萃取（In-tube SPME）
富集倍数有所提高，主要供HPLC分析
搅拌棒吸附萃取（SBSE）
富集倍数大大超过前两种方式，适合痕量组分 分析，由德国Gerstel公司实现商品化
SPME定量对测定条件的要求
萃取头的极性和涂层厚度，取样方式 （顶空或浸入），样品pH值和加盐量， 样品恒温温度和萃取时间，搅拌状况， 样品瓶中溶液与顶空的体积比例，乃 至取样时萃取头与液面的距离等参数 均需通过实验确定，并在以后的测定 中严格保持一致，方可获得重复的测 定结果。
各类商品萃取头的性能比较
引自 胡国栋等， 第十四次全国色谱学术报告会文集，无锡，2003.482-484.
3
0.8
1
14
1.6
4
13
2003年，我们再度优化了各种操作条件，以GC/MS和GC获得了啤酒41种香味 化合物确切定性结果,它包括14种酯类、12种醇类、8种酸类、3种醛类、 2种酚类、1种含硫化合物和1种含氧杂环化合物 。
胡国栋
中国食品发酵工业研究院
食品分析的目标
◆ 理化与感官质量的检验 ◆ 与品质相关的特征组分分析
◆ 与安全相关的卫生质量的监测
食品样品传统制备方法的复杂性
◆ 传统的制备方法：液-液萃取、索氏萃取、蒸馏等
◆ 步骤多、耗时长、可靠性差，大量耗费有机溶剂， 环境污染严重
搅拌棒吸附萃取
搅拌棒吸附萃取（SBSE)是1999年出现的 一种新型的固相微萃取方法。在萃取过程 中，外面涂有聚二甲基硅氧烷涂层的搅拌 子在水相基质中不断吸附低浓度的分析物 ，从而起到浓缩作用。 SBSE与传统的SPME方法相比，灵敏度可 以提高1－2个数量级。德国Gerstel公司推 出了商品化的搅拌棒“Twister”，已经在 众多的分析研究中得到了应用。
固相微萃取在食品风味 质量控制分析中的应用
◆ 水果和果汁的分析 ●新鲜原料的香味组成，加工过程及储存 后的变化
◆ 酒类的微量香味组分分析 ●采用HS—SPME分析 ◆ 油脂氧化变质后产生的不良风味分析 ●变质玉米油采用HS—SPME分析
果汁香味组分的SPME分析谱图
采用SPME定量分析啤酒样品的典型色谱图
mV 7.2 6.4
5 6 7 8 10 15 16 17 18 19
5.6 4.8 4 3.2 2.4
ห้องสมุดไป่ตู้
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1.乙醛, 2.乙酸乙酯, 3.乙酸异丁酯, 4.正丙醇, 5.异丁醇, 6.乙酸异戊酯, 7. 4-甲基-2-戊醇（内标）, 8.异戊醇, 9.己酸乙酯, 10.辛酸乙酯, 11.乙酸, 12.里哪醇, 13癸酸乙酯, 14.异戊酸, 15.乙酸苯乙酯, 16.己酸, 17.-苯乙醇, 18.辛酸, 19.癸酸
搅拌棒吸附萃取的特点
SBSE萃取相的体积通常为55-250μL，比纤 维针式固相微萃取（Fiber SPME）的萃取相 体积0.5-1μL和管内固相微萃取（In-tube SPME）的2-20μL大得多，相应提高了富集 倍数，因此更适合于样品中痕量组分的分析。 但由于它需要专用的热脱附装置，同时，为 了避免组分峰在色谱柱上的扩宽，还需要柱 头的冷聚焦装置，因此装置比较贵，操作也 比较复杂。
◆ 探寻更为简捷、有效的食品样品制备方法是分析
化学面临的任务
食品样品处理的新技术
无溶剂（或少溶剂）的处理技术已成为食品样 品制备的主要发展方向，目前比较成熟的技术 包括： 以吸附剂萃取为基础的 固相萃取(SPE)、 固相微萃取(SPME)； 以气体萃取为基础的 顶空分析(HS)， 包括静 态顶空(Static Headspace)与动态顶空 (Dynamic Headspace)； 超临界流体萃取等
萃取头的选择
SPME与其它萃取方法一样，同样遵循“相似相 溶”的原则，如同毛细管色谱柱的选择，没有一 种萃取头能萃取所有的化合物。涂层的极性与厚 度必须与分析物的性质匹配，极性较强的涂层 （如PA萃取头）适合萃取极性化合物，而非极 性的 PDMS萃取头则主要用于非极性化合物的萃取。 萃取头涂层对于分析物要有较强的萃取能力，能 在较短时间内达到吸附平衡，热解吸时分析物能 迅速从萃取头上解吸，由于解吸通常在高温下进 行，因此，所选萃取头必须有良好的热稳定性。
酸类：乙酸，异丁酸，异戊酸，己酸，辛酸，癸酸，月桂酸， 2-乙基己酸
醛类：乙醛，癸醛，糠醛
酯类：乙酸乙酯，乙酸异丁酯，乙酸异戊酯，己酸乙酯，乙 酸己酯，乳酸乙 酯，辛酸乙酯，乙酸辛酯，癸酸乙酯，苯乙酸乙酯，乙酸苯乙酯，月桂酸乙 酯，丁酸-β-苯乙酯，邻苯二甲酸二异丁酯
醇类：正丙醇，异丁醇，异戊醇，正己醇，2-乙基-1-己醇，里哪醇， 正辛醇，糠醇，α-萜品醇，香茅醇，β-苯乙醇，月桂醇
SPME的装置
主要由萃取头（Fiber）和手柄 （Holder）两部分组成，其状 形同一支色谱注射器，萃取头 是一根长度仅为1cm的熔融石 英丝，其表面涂有厚膜的色谱 固定相或吸附剂。
由Supelco公司设计的SPME装置
供GC进样的SPME装置示意图
固相微萃取技术的特点
◆ 摒弃了传统的溶剂，并将萃取、浓缩、解吸 、进样集于一体 ◆ 高灵敏度，通常LOD可达ppb或ppt ◆ 将分析对象从挥发性物质延伸到难挥发物质 ◆ 操作简单、费用低
“固相微萃取技术”的由来
固相微萃取技术（solid-phase microextraction, SPME）是1990 年由加拿大学者Pawliszyn 和他的 合作者首创，并于近10余年间迅速 发展和完善的样品制备新技术。
SPME的原理
SPME是依据有机化合物能吸附在 涂于石英细丝表面的色谱固定相 上，且被吸附的分析物在GC的进 样口遇热可定量解吸的原理而设计 的技术 。依据类似的原理，HPLC 流动相将分析物冲洗到液相色谱柱 中，SPME也可用于HPLC分析。
SPME的三种不同萃取方式
纤维针式固相微萃取（Fiber SPME）
这是最常用的供GC分析进样的SPME萃取方式
管内固相微萃取（In-tube SPME）
富集倍数有所提高，主要供HPLC分析
搅拌棒吸附萃取（SBSE）
富集倍数大大超过前两种方式，适合痕量组分 分析，由德国Gerstel公司实现商品化
SPME定量对测定条件的要求
萃取头的极性和涂层厚度，取样方式 （顶空或浸入），样品pH值和加盐量， 样品恒温温度和萃取时间，搅拌状况， 样品瓶中溶液与顶空的体积比例，乃 至取样时萃取头与液面的距离等参数 均需通过实验确定，并在以后的测定 中严格保持一致，方可获得重复的测 定结果。
各类商品萃取头的性能比较
引自 胡国栋等， 第十四次全国色谱学术报告会文集，无锡，2003.482-484.
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2003年，我们再度优化了各种操作条件，以GC/MS和GC获得了啤酒41种香味 化合物确切定性结果,它包括14种酯类、12种醇类、8种酸类、3种醛类、 2种酚类、1种含硫化合物和1种含氧杂环化合物 。