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二、食品风味的仪器分析

2023-02-13

食品风味的仪器分析方法包括风味物质的提取、分离、富集,再通过现代 分析仪器进行定性、定量分析,其过程几乎涉及有机化学分析技术的全部 内容。

整个分析过程必须根据风味物质的特性,严格按照技术要求,才能获得正 确的分析结果。第一,由于食品中的风味物质多为痕量物质,所以增加了提取 分离方法的难度,经过提取分离的风味物质,还要进行浓缩富集,以提高分 离样品中风味物质的浓度; 第二,由于食品中的风味物质大多为热敏性物 质,如果所用分析方法不当,会造成某些风味物质的损失,或者由于分析过 程的影响产生杂质; 第三,所用仪器必须具备较高的灵敏度。此外,样品制 备过程中所使用的器皿要注意保持清洁干净,以免外来杂质混入样品中,造 成实验误差。

(一) 样品准备

由于食品样品是蛋白质、脂质、碳水化合物和水组成的一个复杂的混合 体,不同类型和状态的样品,必须根据其生物学特征,物理化学特性以及实验 的目的和要求,采用不同的准备方法。

因此,进行风味物质分析的样品首先要采用各种物理方法以获得充分均匀 的样品。如实验中用于分析的水产品样品,一定要选择鲜活材料 (异味分析除 外),将材料外表的皮、壳、鳞和内脏去除干净,然后采用绞碎、搅拌和均质 等处理方法使材料均匀化。但在样品的准备过程中,由于食品风味物质具有一 定的挥发性和热不稳定性,在光照、加热、遇氧的情况下很容易发生氧化反应 和降解。对于具有酶活力的样品,必须采取有效的措施,抑制酶的反应,否则 在样品细胞结构被破坏以后,酶促反应会使样品中的风味物质发生变化,改变 样品的风味特征。

食品风味前体物质大部分以水溶性的形式存在于天然原材料中,其中一部 分分布在食品的脂质成分中。因此,选择适当的提取分离技术,尽可能地从食 品材料中分离出所有的风味物质,才能较全面地反映出食品本身具有的风味特 征。选择提取分离方法的基本原则是: 根据食品风味物质的挥发性、极性和稳 定性来选择提取方式、提取剂和加热方式或减压方式。如: ①溶剂萃取法 (solvent extraction);②蒸馏提取法 (steam distillation); ③超临界流体萃取 法 (supercritical fluid extraction,SPE); ④顶空捕集法 (headspace extraction, HSE); ⑤直接热解吸法 (direct thermal desorption,DTD) 等。

由于食品中风味物质的含量甚微,经过上述化学和物理方法获得的风味物 质,必须经过浓缩处理,才能使风味物质的浓度满足分析和鉴定的要求,如蒸 发浓缩、吸附浓缩等。

样品制备过程中要注意的是: 使用物理方法时要防止待测组分的丢失; 对 样品进行化学处理时,要注意化学反应的收率和有无副反应发生; 在整个处理过 程中要防止样品的组成和结构的改变。通过样品制备要达到以下目的: ①把待 测组分从食品基质中分离出来,尽可能减少干扰成分的带入; ②要把样品中浓 度低的待测组分浓缩、富集; ③把待测组分通过前处理手段,达到仪器分析的 要求。

(二) 呈香物质 (挥发性风味物质) 分析方法

挥发性香气物质的定量分析一般借助气相色谱; 如要辨别食品中一种或多 种特征呈香化合物 (令人愉快的或令人不舒服的),可以用气相色谱-嗅觉测 定法 (gas chromatography olfactory,GC-O); 如要鉴定食品中的芳香化合物成 分,就要进行气相色谱-质谱联用分析 (gas chromatography-mass spectrome- try,GC-MS)。尽管其它仪器分析方法 (如红外或核磁) 也适用,但挥发性 香气物质的研究一般是由这三种方法完成的。

1. 气相色谱 (GC) 技术

由于气相色谱具有很高的分辨率和灵敏度 (μg/kg),非常适合于风味研 究,因此挥发性香气物质研究的发展极大程度上得益于气相色谱的发展。20 世纪60年代中期,食品中鉴定的芳香成分有500种,随后,气相色谱的快速 发展及其在风味研究中的应用,目前为止已有7000余种挥发性香味得到鉴定。 分辨率和灵敏度对于风味研究中经常遇到的复杂风味分离物的分析是非常重要 的,当气相色谱的分辨率不能满足分析需求时,通过使用冷阱富集或者多维气 相色谱可以提高气相色谱的分辨率。

2. 气相色谱-嗅觉测定 (GC-O) 技术

在嗅觉测定技术中,气相色谱的检测器为鼻子,在GC-O分析过程中, 气相色谱将其柱流出物分为两部分,一部分流向嗅闻口,剩下的流向气相色 谱检测器,或者先让所有的流出物流过鼻子再连接到检测器上再次进行色谱 分析。

由于GC-O是一种带有主观性的方法,不同的人可能得到不一致的结果, 因而受到了一些人的置疑,在评定中也经常存在不一致的情况。即使是训练有 素的评定者,这个现象也是非常常见的。应该通过限制一个评定者嗅闻的时间 (可以限为20min) 来尽可能地减小嗅觉疲劳,并且选择那些有经验的评定者。 在这种分析中通常都会用多个嗅闻者 (尽可能减少由于任何可能的嗅觉缺失造 成误差),得到的数据通常以表格的形式给出。

最理想的方法是使用GC-MS-O方法,因为大多数情况下,风味学家们 感兴趣的是鉴定那些具有气味的化合物组成,如用GC-O法能确定哪个峰是 由特定气味物质产生的,却不能确定每个质谱峰所对应的气相色谱峰。例如, 研究一种特殊的风味,一旦特征风味物质出现在气味图谱中,只需要把所有精 力都放在鉴定这种感兴趣的化合物上,而不必去鉴定所有的气相色谱峰。气味 图谱最重要的信息也可能出现在没有气相色谱峰的地方,这就提示我们有必要 回到起点,在分离方面做一些改进。

有些情况下,由于浓度效应GC-O数据可能被误解。某些风味化合物 的气味特性可能随浓度的不同而不同; 而不同风味化合物的阈值也常常相差 很多,另外,其它混合物的屏蔽效应也会给一个气相色谱峰的感知强度带来 额外的误差,使得GC-O技术变得更加复杂。尽管GC-O还存在一些缺 陷,但它对于风味化学家来说仍是无价之宝,并在风味领域得到了广泛的 应用。

3. 气相色谱-质谱联用分析 (GC-MS) 技术

气相色谱的良好兼容性及其与质谱的高灵敏度 (10~100pg) 使得气质联 用非常有价值。综合性的质谱数据库和高效的搜索算法使得化合物的识别变得 非常简便,但是也存在风险。一张质谱图给出待识别物质的最佳匹配只是建 议性的结果,如果直接采纳这种测定结果可能会导致错误的判断,所有质谱 鉴定都需要有其它数据的支持,比如气相色谱的保留值,红外图谱或者核磁 共振图谱。

(三) 呈味物质 (非挥发性风味物质) 分析方法

咸、甜、酸、苦和鲜等呈味物质,也可以通过全面的分析技术来确定。

(1) 甜味剂如蔗糖、果糖、葡萄糖、玉米糖浆,高效甜味剂如糖精钠、 天门冬酰苯丙氨酸甲酯、蔗糖素和醋氨基磺酸盐等,虽然各种酶法和色度法在 分析中都有使用,但高效液相色谱是最常用的分析技术。对于分析者来说,高 效液相色谱有较好的分析速度、灵敏度、精密度和准确度。不同类型的高效液 相色谱柱 (阳离子交换和阴离子交换,正相、反相) 与不同的检测器配合使 用,常用示差折光检测仪来检测甜味剂,但是它们灵敏度低,不能在梯度洗脱 下使用,所以常用电化学检测器 (如脉冲电流检测器)。

(2) 盐类组分主要检测NaCl及其替代物。目前有很多方法可以测定食品 中的矿物元素,但最简单的分析方法是用选择性离子电极对其进行分析。这种 简便、灵敏的方法检测限低于0.1mg/kg,而且响应时间少于30s。

(3) 有机酸和无机酸在食品中应用广泛。有机酸包括柠檬酸、苹果酸、 酒石酸和乳酸,而最常用的无机酸是盐酸和磷酸。这些风味成分一般用离子色 谱测定。

(4) 苦味物质所包括的化学结构范围非常广,因而很难通过测定化学结 构进行分析。每种苦味成分都需要设计专门的方法来进行分析。但因为苦味物 质是典型的非挥发性物质,所以高效液相色谱最常用。

(5) 鲜味主要有谷氨酸盐或5′-核苷酸,它们所拥有的肽键具有鲜味的 特征。MSG通常用离子色谱或反相高效液相色谱来测定,5′-核苷酸也常用高 效液相色谱测定。