固相微萃取和同时蒸馏萃取法提取香精中风味成分
郭方遒1, 尤 健1, 钟科军2, 黄建国2, 梁逸曾1, 黄兰芳1
(1. 中南大学 化学化工学院, 湖南 长沙, 410083;
2. 常德卷烟厂技术中心, 湖南 常德, 415000)
摘要: 对分别用固相微萃取(SPME)和同时蒸馏萃取(SDE)法提取的AB1香精样品中挥发性成分进行比较研究, 得到适合香精香味成分分析的最佳方案。 分别采用色谱图之间相关系数和谱图的信息量来反映不同提取方法的重现性和信息含量。 通过气相色谱和气相色谱—质谱进行定性和定量分析, 采用2种提取方法共检测出21种香精组分。 采用同时蒸馏萃取法所提取样品谱图之间平均相似度为0.9613, 相对标准偏差为2.6, 信息量为9.324, 表明它具有良好的重现性并能提供更多的信息量, 适用于烟用香精香味成分的定量分析; 采用固相微萃取法所提取样品谱图之间平均相似度为0.7342, 相对标准偏差为12.3, 信息量为8.712, 难以满足重现性要求, 但具有快速简便、 不使用溶剂和对样品没有破坏性等优点, 适用于香精的定性分析。 AB1香精的主体溶剂为1, 2-丙二醇, 主要致香物质为2-羟基丙酸乙酯、 薄荷醇、 乙酸薄荷酯等。
关键词: 同时蒸馏萃取; 固相微萃取; 烟用香精; 气相色谱; 气相色谱—质谱
中图分类号:TS2 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)05-0828-05
Comparison between solid phase micro-extraction and simultaneous distillation extraction methods for
analysis of aroma components in tobacco flavor
GUO Fang-qiu1, YOU Jian1, ZHONG Ke-jun2,
HUANG Jian-guo2, LIANG Yi-zeng, HUANG Lan-fang
(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Technical Center of Changde Cigarette Factory, Changde 415000, China)
Abstract: The optimal method for analysis of the volatile constituents in tobacco flavor AB1 was obtained by comparison between solid phase micro-extraction (SPME) and simultaneous distillation extraction (SDE). The repeatability and information content were reflected by the correlation coefficient among chromatograms and information content of the chromatograms, and the volatile constituents were qualitatively and quantitatively analyzed by gas chromatography and gas chromatography-mass spectrometry. 21 kinds of aroma components are separated and identified. The average similarity of the chromatograms of the sample extracted by SDE is 0.9613, the relative standard deviation (RSD) is 2.6, and the information content is 9.324; by SPME, the average similarity is 0.7324, RSD is 12.3 and information content is 8.712. The simultaneous distillation extraction provides the better repeatability and can extract more components, and it is fit [CM(42]for quantitative analysis and quality control of flavor of AB1, though there are several advantages in qualitatively analyzing the aroma components with SPME, including rapidity, simplicity and non-destruction to the sample. The matrix of the tobacco flavor is 1, 2-propylene glycol, and the primary aroma components in tobacco flavor are menthol, methyl acetate and propanoic acid, 2-hydroxy-ethyl ester and so on.
Key words: simultaneous distillation extraction; solid phase micro-extraction; tobacco flavor; gas chromatography; gas chromatography-mass spectrometry
烟用香精是卷烟生产中必不可少的物质, 其配方更是卷烟行业的核心技术, 对改善卷烟的口感, 突出烟草风格具有重要的作用[1]。 有效地提取烟用香精中的香味成分并进行测定就有可能得到香精中代表其特有化学组分的指纹图谱, 从而达到控制质量的目的[2]。 传统的对香精样品进行前处理的方法主要包括蒸馏法[3, 4]、 萃取法[5, 6]、 吸附法[7, 8]等。 固相微萃取(SPME)[9, 10]和同时蒸馏萃取(SDE)[11, 12]是近年来发展起来的2种处理样品的方法。 SDE将水蒸气蒸馏与溶剂萃取结合在一起, 减少了实验步骤, 缩短了分析时间, 节省了萃取试剂; SPME将萃取、 脱附、 进样结合在一起, 具有分析时间短、 不使用有机溶剂、 样品不需前处理等优点。 在此, 本文作者使用SDE和SPME2种前处理技术提取烟用香精中的挥发性香气成分, 使用气相色谱(GC)[13]和气相色谱—质谱(GC-MS)[14]来对香精中的挥发性香气成分进行定性和定量分析, 从提取方法的重现性、 提供的信息量及定性、 定量结果等方面进行比较研究。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
a. 试剂: AB1香精样品由常德卷烟厂提供, 为黑褐色稀薄液体。 所用试剂均为分析纯。
b. 仪器: 购自Supelco(Bellefonte, PA, USA)公司的固相微萃取手柄及100 μm PDMS(聚二甲基硅氧烷)萃取纤维头, 岛津GC2010气相色谱仪, 岛津GC-MS2010气相色谱—质谱联用仪, 5 μL微量进样器, W201B型恒温水浴锅, 98-1-B型电子控温电热套, R-201旋转蒸发仪, SHB-3型循环水多用真空泵及同时蒸馏萃取装置。
1.2 样品的提取
1.2.1 固相微萃取
用移液管移取约0.5 mL香精样品于5 mL小瓶中, 将手动SPME装置直接插入样品瓶中, 推出涂有100 μm PDMS的萃取头, 顶端置于香精样品上部约2 mm。 将样品瓶置于恒温水浴锅中加热, 加热温度为60 ℃, 萃取时间为1 h。 在萃取结束后, 将纤维头缩回, 取出固相微萃取装置, 然后直接将石英纤维头插入到色谱仪进样口中进行GC或是GC-MS分析, 脱附时间为5 min。
1.2.2 同时蒸馏萃取
准确移取10 mL香精样品于2L烧瓶中, 加入约300 mL蒸馏水和少许沸石, 将该烧瓶连接在SDE装置的低端, 用电热套加热, 控制加热温度使溶液中等强度沸腾; SDE装置的另一端为盛有50 mL二氯甲烷的100 mL烧瓶, 该端在水浴锅中加热, 水浴温度保持在60 ℃。 同时蒸馏萃取进行2 h。 将二氯甲烷萃取液减压浓缩至1 mL, 用无水硫酸钠干燥, 然后进行气相色谱和气相色谱/质谱分析。
1.3 色谱条件
岛津GC2010气相色谱仪, 氢火焰离子化检测器, 30 m×0.25 mm I.D. OV-1弹性石英毛细管柱, 载气为N2, 进样口以及检测器温度为250 ℃。 升温程序是: 起始温度为40 ℃, 保持6 min, 以10 ℃/min 升至230 ℃, 维持15 min; 分流进样比为1∶10, 流速为1.0 mL/min, 进样1 μL。 将气相色谱与质谱相连接来对香精中挥发性和半挥发性成分进行定性分析。 气相色谱条件同上。 质谱条件是: 离子源温度为230 ℃, EI源电子轰击能量为70 eV, 倍增电压为0.8 kV; 扫描范围为40~400 AMU; 扫描速度为0.2 s/次, 溶剂截断时间为4 min。
2 结果与讨论
2.1 2种提取方法的重现性及信息含量的比较
对样本在不同的时间让不同的操作人员重复实验3次, 在相同的色谱条件下对提取的样品进行测定。 采用SDE法和SPME法提取AB1香精样品得到的气相色谱图分别如图1和图2所示。 对所得到的色谱图进行保留时间漂移校正后, 将数据标准化, 3次重复实验数据平均后得到其共有谱峰, 根据文献[15] 计算实验数据与共有谱峰的相似度, 采用不同提取方法所得到谱图与其共有谱峰的相似程度及其相对标准偏差(RSD)如表1所示。
从上述计算结果可以看出, SDE具有较好的重现性, 结果之间相似程度大。 采用SPME法得到谱图相似度较低, 这是由于SPME法较容易受实验条件的影响, 特别是石英纤维在使用一定时间后, 会出现固定液损失, 其吸附能力明显下降的情况, 因此不容易获得满意的重现性。
表 1 不同方法提取得到AB1样品的信息量及稳定性(n=3)实验结果
Table 1 Results of information content and stabilization of sample AB1 extracted by different methods
图 1 3次重复同时蒸馏萃取法提取AB1香精挥发性成分气相色谱图
Fig. 1 Chromatogram of three replicated experiments of volatile constituents in AB1 with SDE
图 2 3次重复固相微萃取法提取AB1香精挥发性成分气相色谱图
Fig. 2 Chromatogram of three replicated experiments of volatile constituents in AB1 with SPME
采用2种不同的提取方法所提取到的成分有差异。 该差异可以整体上从整个色谱图所能提供的信息含量来体现, 根据文献[16]可以计算出它们的信息量分别为9.324和8.712。 这也表明, 采用同时蒸馏萃取法对AB1样品能提取到稍多的信息。
2.2 2种提取方法的定性和定量比较
对AB1样品进行GC和GC-MS分离测定, 由GC-MS在全扫描模式下对LIST 147 数据库进行检索而得到定性分析结果, 使用归一化法对香精中香气成分进行定量分析。 其样品定性分析结果如表2所示(定量结果只是各组分之间的相对含量)。 由表2可以看出, 使用SDE法比SPME法多得到3种物质, 分别是保留时间为17.784 min的苹果酸二乙酯, 保留时间为26.316 min的邻苯二甲酸二丁酯以及保留时间为32.931 min的(E)-9-十八(烯)酸乙酯。 这3种物质的保留时间都比较长, 也就是此3种物质的沸点比较高。 从图1也可以看出, 在保留时间超过20 min后, SDE法明显要比SPME法得到更多的色谱峰。 由此可知使用SDE法对于沸点较高的成分萃取效率比较高, SPME法对于沸点较高的成分萃取效率则较低。 使用SPME法得到了一个含量为70.65%的1, 2-丙二醇的峰, 而使用SDE法却没有得到这个高含量的组分。 这是由于1, 2-丙二醇水溶性很强, 难以通过水蒸气和同时蒸馏萃取蒸馏出来, 而SPME法使用的100 μmPDMS萃取头适用于分析低沸点、 低极性的物质, 在SPME萃取温度(60 ℃)下, 1, 2-丙二醇有一定的挥发性, 能够从香精溶液中挥发出来, 从而使SPME法能够提取到香精中的这种原始成分。
SDE法定性分析得到2种烷烃、 1种芳烃、 5种烯烃、 2种醇、 4种酮、 6种酯; SPME法定性分析得到2种烷烃、 1种芳烃、 5种烯烃、 3种醇、 4种酮、 3种酯。 SDE法和SPME法共定性出AB1香精样品中21种组分, 其中1, 2-丙二醇为香精的主体溶剂。 除去主体溶剂1, 2-丙二醇, 香精中主要的挥发性和半挥发性物质主要为2-羟基丙酸乙酯, 薄荷烯, 薄荷醇, 乙酸薄荷酯, 柠檬精油, β-二氢大马酮, 棕榈酸乙酯等。
虽然SPME法较SDE法少得到一些物质的峰, 但是SPME法所测得色谱图还是可以基本反映出香精样品组成。
表 2 SPME和SDE法提取AB1香精中香气的成分结果
Table 2 Results of volatile constituents of AB1 extracted by SPME and SDE
3 结 论
a. 采用同时蒸馏萃取法所提取样品谱图之间平均相似度为0.9613, 相对标准偏差为2.6, 信息量为9.324, 表明它具有良好的重复性并能提供更多的信息含量, 适用于烟用香精香味成分的定量分析和质量控制。
b. 固相微萃取法所提取样品谱图之间平均相似度为0.7342, 相对标准偏差为12.3, 信息量为8.712, SPME法受实验条件影响比较大, 不容易得到理想的重现性结果, 难以满足重现性要求, 但具有快速简便、 不使用溶剂和对样品没有破坏性等优点, 适用于香精的定性分析。
c. 用SDE法和SPME法共定性得出AB1香精样品中的21种组分。 其中1, 2-丙二醇为AB1香精的主体溶剂。 除主体溶剂1, 2-丙二醇外, 香精中主要的挥发性和半挥发性致香物质为2-羟基丙酸乙酯, 薄荷醇, 乙酸薄荷酯等。
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收稿日期:2005-01-06
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(2017503和20235020)
作者简介:郭方遒(1968-), 女, 湖南沅江人, 副教授, 博士, 从事分析化学和中药现代化研究
论文联系人: 郭方遒, 女, 副教授; 电话: 0731-8836376(O); E-mail: fq18guo@yahoo.com.cn
