各种食品中出现了许多新口味：柑橘味、咖啡味、巧克力味、肉味等等，而且可以买到多种不同口味的产品。对这些口味进行化学分析颇具挑战性。气相色谱/质谱联用技术（GC/MS）是开发此类口味的主要工具。

不同风味配方中的各个成分在成分和数量上均可根据最终产品的需求进行调整。一种食品或饮料中包含数百至数千种芳香化学物质，每种分子都有独特的气味。迄今为止，在不同的食品和饮料中已鉴定出超过 15000 种不同的芳香成分，其中超过 5000 种用于风味开发。在调味料中还使用了 1000 多种不同的精油和植物提取物。每种精油都是许多天然芳香化学物质的天然混合物。

例如，T-1 列出了意大利金黄色甜橙（Citrus sinensis var. Navelina）果皮油（c.p.）中已鉴定出的芳香分子。

可以看到，在这种油中鉴定出了 50 多种不同的芳香分子。在咖啡香气中，鉴定出了 900 多种不同的分子，而在可可中也鉴定出了数百种芳香分子。

多年来，通过气相色谱 – 质谱联用技术（GCMS）鉴定调味物质已成为一种常见做法。例如，如果需要开发一种与特定风味目标相匹配的新配方，可以开发一系列试验配方，并采用一种比较样品的方法。然而，样品提取的方法对于从仪器分析中获得的信息至关重要，因此有必要了解每种方法的优势和劣势，以便为每种应用选择最合适的提取技术。不过，第一步应当是对食品或饮料产品进行有效的采样，其中所关注的是其风味。

有几种选择材料进行取样的技术，如下所示：

固相/液相萃取、液相/液相萃取、同时蒸馏萃取、固相微萃取（SPME）、搅拌棒吸附萃取（SBSE）以及动态顶空萃取。选择合适的方法后，还需要将萃取物转移到气相色谱质谱（GCMS）系统中，这一阶段的主要技术包括热脱附、吹扫捕集和裂解。

在固相微萃取（SPME）技术中，一根涂有涂层的熔融石英纤维直接插入液体样品中或样品上方的顶空。样品中的各种成分会吸附到纤维材料上，直至达到平衡。然后将纤维从样品中取出，直接放入气相色谱 – 质谱联用仪（GCMS）的进样系统中，吸附的化合物会因热解吸进入气相色谱柱进行分析。该方法无需溶剂，也不需要特殊附加设备。根据所用纤维的类型，可用于分析特定化合物组。通过控制纤维涂层的极性和厚度、保持一致的采样时间以及调整其他几个萃取参数，分析人员能够确保从低浓度分析物中获得高度一致且可量化的结果。

动态顶空技术能够对样品上方的顶空进行动态吹扫。吹扫出的顶空中的分析物会被捕获在紧凑型玻璃管内的 2 厘米长的吸附剂床中，可选的干燥吹扫功能有助于降低水分含量。随后，热脱附管会被置入热脱附装置中，并在热作用下脱附至预冷的进样口，在那里分析物会被低温聚焦以改善峰形，然后再引入色谱柱（见 F-1）。

F-1 在热脱附单元（TDU）中对旋风分离器进行热脱附，随后在冷阱（CIS）中对分析物进行冷冻聚焦，并通过程序升温转移至气相色谱柱 2

在固相微萃取棒搅拌萃取（SBSE）技术中，使用的是封装在玻璃中的条形磁铁，其表面涂覆有特殊聚合物，用于搅拌水样。在此搅拌期间，相应的分析物会被吸附在涂层材料上/内。达到平衡后，取出条形磁铁，用超纯水清洗并干燥。然后将条形磁铁插入热脱附系统，该系统将化合物从涂层中解吸并转移到气相色谱柱上。此方法与固相微萃取（SPME）类似，但对有机化合物的容量范围更广。纤维涂层对于实现更好的选择性萃取至关重要。通过控制纤维涂层的极性和厚度、保持一致的采样时间以及调整其他几个萃取参数，分析人员能够确保从低浓度分析物中获得高度一致且可量化的结果。各种纤维如图 T-2 所示。

选择纤维的效果在 F-2 中有所展示。

F-2 从 EG-硅胶和 PDMS SBSE Twistera 获得的多种维生素果汁色谱图，采用非极性柱分离。特点：10 毫升样品，室温下 1000 转/分钟持续一小时。

上述色谱图中各峰的鉴定结果见表 T-3。

在决定用于风味分析的样品提取方法时，重要的是要明白每种方法都会产生不同的结果。应选择能够实现所需灵敏度和选择性的技术。始终要考虑产品或成分基质的性质，并且需要与感官数据建立联系，以便全面理解分析结果的影响。4

吹扫捕集技术已使用数十年，用于从固体或液体基质中提取挥发性分子，以便引入气相色谱质谱联用仪（GCMS）进行分离和鉴定。挥发性物质被浓缩到一个吸附阱中，然后通过热解吸进入气相色谱质谱联用仪。样品基质的范围可以从土壤、塑料、食品、香料、香精、乳液到水。

热脱附技术利用热量提高吸附物质的挥发性，使其能够从固体基质中去除。当热脱附系统与气相色谱 – 质谱联用时，其结果的灵敏度和动态范围均符合当前要求。

风味分析的第二阶段是选择合适的气相色谱柱进行分离；首先需要考虑的有三种主要类型：非极性柱，例如 DB-5 MS、DB-1 MSb；极性柱，例如 Stabilwaxb-MS (F-3)；以及用于挥发性物质的柱子，例如 ZB-624d。

气相色谱-质谱联用技术在风味开发中的应用

F-3 在 Stabilwax-MS 柱上对商业留兰香油进行分析；柱长 30 米，内径 0.25 毫米，膜厚 0.25 微米；使用岛津 2010 气相色谱仪及 QP2010+MSe 质谱仪。

另一种可考虑的方法是二维气相色谱质谱联用技术，该技术采用一对气相色谱柱（通常是非极性和极性柱）通过调制器串联连接。从第一根柱子流出的物质在调制器中捕获固定时间后，被聚焦并注入第二根柱子。通过反复捕获和注入所获得的色谱图，利用专用软件以二维形式呈现。这样就得到了一个二维色谱图，其横纵坐标分别为沸点和极性。以下示例在 F-4 中展示了这些维度。

F-4 一维和二维气相色谱质谱联用仪 GCMS7

在第一维度中，仅观察到一个峰，其风味描述为“辛辣”。当沿第二维度切割该峰时，可看到四个峰。第一个主要峰是负责风味（辛辣、烟草）的异构体。其他异构体均未产生可察觉的嗅觉印象。

关于将要使用的质谱（MS）方法，有几种选择，例如电子轰击电离（EI）、化学电离（CI）和飞行时间（TOF）。电子轰击电离是一种离子化方法，其中高能电子与固态或气态原子或分子相互作用以产生离子。由于该技术使用高能电子来生成离子，因此被认为是一种“硬”（高碎片化）离子化方法。电子轰击电离会导致广泛的碎片化，这有助于未知化合物的结构测定。

化学电离（CI）是一种比电子轰击电离（EI）能量更低的电离技术。6 较低的能量导致碎片化程度降低，有时甚至不产生碎片，通常得到的光谱也更简单。碎片化的缺乏限制了对电离物质结构信息的确定量。然而，典型的化学电离光谱中有一个容易识别的质子化分子峰 [M+1]+，这使得分子质量的测定成为可能。因此，在电子轰击电离中轰击电子的能量过大，几乎只导致碎片化而不会形成足够量的分子离子从而无法产生可识别的分子离子峰的情况下，化学电离是有用的，如图 F-5所示7。

F-5 相同峰的电子电离（70 电子伏特）和化学电离（使用氨气）质谱图的比较

飞行时间（TOF）质谱仪与二维气相色谱联用，为全面筛查风味物质的总成分提供了高性能的解决方案。

飞行时间质谱法（TOF-MS）是一种通过时间测量来确定离子质荷比的质谱分析方法。离子在已知强度的电场中被加速。这种加速使得具有相同电荷的任何离子都具有相同的动能。离子的速度取决于质荷比（相同电荷的较重离子速度较低，不过电荷较高的离子速度也会增加）。随后测量离子到达已知距离处探测器所需的时间。该时间取决于离子的速度，因此是其质荷比的度量。根据该比值和已知的实验参数，可以识别离子。

带有飞行时间质谱的综合二维气相色谱（2D GC–TOF MS）是筛选诸如调味剂等复杂混合物的另一种选择。通过将两种不同选择性的色谱柱耦合所提供的增强分离能力，结合高度灵敏的质谱鉴定，为调味剂的快速筛选提供了一种高性能的解决方案。尽管二维气相色谱提供了卓越的分离效果，但在复杂样品中鉴定单个化合物仍然具有挑战性，尤其是在使用常规（70 eV）电离时，化合物具有弱分子离子和/或相似的光谱，例如倍半萜烯。如图 F-6 所示，2D GC–TOF MS 展示了使用软电子电离来解决这些问题。9

F-6 苯甲酸苄酯在 70 电子伏特和 12 电子伏特下的光谱对比

总之，有多种提取、采样和色谱方法可用于香料的开发，应根据所需香料的类型选择合适的方法。此外，还应考虑使用电子轰击（EI）、化学电离（CI）或飞行时间（TOF）等质谱系统。

References:

  1. A. Verzera, A. Trozzi, I. Stagno-d’Alcontres and A. Cotroneo. On the genuineness of citrus essential oils. Part XLVII. The composition of volatile fraction of some varieties of sweet orange oils. J. Essent. Oil Res., 8, 159-170 (1996); Perfumer & Flavorist 26, 5, 52, (2000).
  2. Flavor and Fragrance Analysis; GERSTEL Solutions Worldwide – No. 14
  3. Nie, Yunyun & Kleine-Benne, Eike. Using Three Types of Twister Phases for Stir Bar Sorptive Extraction of Whisky, Wine and Fruit Juice. App Notes, 3 (2011).
  4. Ridgway, Kathy. Flavour Analysis Comparison and Choices of Extraction Techniques; Reading Scientific Services Ltd. (2014).
  5. Dass, C. (2007). Fundamentals of contemporary mass spectrometry. Hoboken, N.J: Wiley. doi:10.1002/0470118490
  6. Munson, M. B., & Field, F. H. (1966). Chemical Ionization Mass Spectrometry. I. General Introduction. Journal of American Chemistry, 88(12), 2621-2630. doi:10.1021/ja00964a001
  7. Tobias Kind; GC-TOF applications of accurate mass measurements (2010). American Society of Mass Spectrometry. Flavor, Fragrance and Foodstuff Interest Group
  8. Wolff, M. M., & Stephens, W. E. (1953). A Pulsed Mass Spectrometer with Time Dispersion. Review of Scientific Instruments, 24(8), 616-617. doi:10.1063/1.1770801.

Footnotes

Footnotes:

a PDMS SBSE Twister is a registered tradename of Gerstel.

b DB-5 MS and DB-1 MS are Agilent J&W products.

c Stabilwax-MS is a registered tradename of Restek

d ZB-624 is a Phenomenex product.

e Stabilwax®-MS Columns; Lit. Cat.# GNBR1818-UNV, 2013 Restek Corporation

f Shimadzu Analytical and Measuring Instruments – Multi-Dimensional Gas Chromatography