金华火腿风味物质吹扫捕集影响因素分析及
关键参数确定

李 鑫1，刘登勇1,2，徐幸莲1，周光宏1,*

（1.南京农业大学 教育部肉品加工与质量控制重点实验室，江苏 南京 210095；

2.渤海大学食品科学研究院，辽宁 锦州 121013）

摘 要：对吹扫捕集自动进样装置用于肉品风味物质提取进行探索。以金华火腿风味物质为研究对象，应用Plackett-Burman设计筛选吹扫捕集显著影响因素（P＜0.05），针对显著影响因素再进行单因素和正交试验，最终确定吹扫捕集用于金华火腿风味物质提取的关键参数。结果表明，脱附时间对风味物质分离效果有较大影响，预热温度、吹扫时间和样品质量对响应值具有显著影响（P＜0.05）；关键参数为脱附时间0.50 min、预热温度70 ℃或75 ℃、吹扫时间11 min，样品质量5.5 g。进而与气相色谱-质谱联用测定金华火腿风味物质，分析得到48 种成分，分别属于烷烃、醛类、酮类、醇类、酯类、单萜烯类和其他化合物。

关键词：金华火腿；风味物质；吹扫捕集；影响因素；关键参数

Analysis of Impacting Factors and Determination of Key Parameters for Flavor Compounds in Jinhua Ham Extracted by Automatic Purge and Trap Technique

LI Xin1, LIU Deng-yong1,2, XU Xing-lian1, ZHOU Guang-hong1,*

(1. Key Laboratory of Meat Processing and Quality Control, Ministry of Education, Nanjing Agricultural University,
Nanjing 210095, China; 2. Food Science Research Institute, Bohai University, Jinzhou 121013, China)

Abstract: The aim of this paper is to explore the application of purge and trap auto-sampler as a sample-saving, efficient and solvent-free extraction instrument for flavor compound extraction from Jinhua ham. A Plackett-Burman experimental design was used for finding the significant factors (P ＜ 0.05). Then single factor and orthogonal array experiments were conducted on the significant factors to achieve the optimal conditions. The results indicated that desorption time could greatly affect the separation of flavor compounds. Preheating temperature, purge time and sample mass had a significant influence
(P ＜ 0.05) on response value. The optimal parameters were desorption time of 0.50 min, preheating temperature of 70 ℃ or 75 ℃, purge time of 11 min and sample mass of 5.5 g. Totally 48 volatile compounds were identified by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) to be several classes of chemical compounds such as alkanes, aldehydes, ketones, alcohols, esters, monoterpenes and others.

Key words: Jinhua ham; flavor compounds; purge and trap; impacting factor; key parameter

中图分类号：TS201.2 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）14-0130-06

doi:10.7506/spkx1002-6630-201414025

金华火腿是我国传统肉制品的典型代表，风味独特[1]。风味是评价火腿质量的重要指标[2]，传统方法主要是通过对“三签头”嗅闻进行感官鉴评，主观影响大、工作效率低；应用现代仪器分析方法对火腿风味物质进行分析鉴定，能够为火腿质量分级提供客观依据。食品风味物质分析方法涉及提取和分析两个重要环节，分析主要采用气相色谱-质谱联用法，提取方法有同时蒸馏萃取、溶剂辅助蒸发、固相微萃取[3]、热脱附[4]和吹扫捕集[5]等。其中，吹扫捕集于1974年由Bellor等[6]首先提出，随着现代仪器的不断发展和商业化吹扫捕集自动进样装置的发明，吹扫捕集逐渐用于分析挥发性有机化合物。吹扫捕集具有取样量少、富集效率高、无溶剂萃取、容易实现在线检测等优点，过去主要在环境领域[7-8]应用较多，近些年开始在有害成分检测、天然植物芳香提取和食品风味分析等方面[9-12]逐渐被应用。在应用吹扫捕集技术进行肉品风味分析方面，虽有相关报道[13]，但一般只是运用吹扫捕集原理自制装置[14]或在热脱附进样器前安装吹扫装置[15]，未见关于应用专业吹扫捕集自动进样装置对肉品风味物质进行全面分析研究的报道。

本研究以金华火腿为原料，运用具有专业自动进样装置的吹扫捕集系统，探索影响分析结果的因素并确定关键参数，为以后检测和研究工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

金华火腿，购于金字火腿股份有限公司。样品为外形一致的真空包装带骨分割块，取回后置于－20 ℃的冷柜冻藏，直至分析时处理。

样品制备：将解冻后的火腿去除皮、骨、可见脂肪和肌肉表面氧化层，肌肉用刀式混合研磨仪捣碎混匀，捣碎条件为3 000 r/min、时间为5 s。准确称量一定量样品置于40 mL样品瓶中，迅速旋紧瓶盖。每个样品平行测定3 次，测定样品前，一般先测定空白样。

1.2 仪器与设备

Trace Ultra GC、DSQII MS联用仪器 美国Thermo公司；4552水/土模式两用吹扫捕集自动进样器、40 mL双开口样品瓶、4660吹扫捕集样品浓缩仪、#10捕集阱（Tenax/硅胶/碳分子筛） 美国OI公司；GRINDOMIX GM200刀式混和研磨仪 德国Retsch公司。

1.3 方法

1.3.1 Plackett-Burman设计法筛选显著性影响因素

采用Plackett-Burman试验设计[16]对5 个因素进行考查，分别为预热温度（X1）、预热时间（X2）、吹扫时间（X3）、脱附温度（X4）、样品质量（X5）。如表1所示，每个因素取低水平（－1）和高水平（＋1）。作为评价指标的响应变量（Y）为主峰总峰面积，主峰总峰面积是去除环境空白、含硅化合物及饱和烷烃后，其余峰的总峰面积。

表 1 Plackett-Burman试验因素水平表

Table 1 Experimental variables and levels of Plackett-Burman design

1.3.2 单因素试验

分别对显著影响因素（P＜0.05）进行单因素试验。主峰总峰面积作为重要考察指标，同时选取其中几种金华火腿风味活性成分[17]峰面积变化为辅助参考指标，综合评价实验条件，确定显著因素（P＜0.05）的合适水平范围。

1.3.3 正交试验

对显著影响因素（P＜0.05）不同水平进行组合试验，分析组合条件对响应值的影响，并进行验证实验，最终确定吹扫捕集-气质联用法用于金华火腿风味物质分析的关键参数。根据单因素试验结果选用L16（45）进行三因素四水平正交试验，因素水平设计见表2。

表 2 正交试验因素水平表

Table 2 Factors and levels of orthogonal experimental design

1.3.4 金华火腿风味物质分离和鉴定

吹扫捕集条件：吹扫气体为高纯氮气；流速
40 mL/min；土壤模式进样；烘焙温度220 ℃；烘焙20 min。根据本实验要求设定不同的脱附温度、脱附时间、预热温度、预热时间、吹扫时间和样品质量。

气相条件：气相色谱柱TG-wax MS（30 m×
0.25 mm，0.25 μm）；升温程序为初温35 ℃，保持6 min；以10 ℃/min的升温速率升温至180 ℃；再以20 ℃/min
的升温速率升温至220 ℃，保持3 min；程序后设定温度220 ℃，保持2 min；进样口温度220 ℃；载气为高纯氦气；分流进样、分流比15∶1；恒流模式、流速0.8 mL/min；MS传输线温度220 ℃。

质谱条件：离子源温度200 ℃；电离电压70 eV；扫描方式为全扫描；扫描范围m/z 45～350；起始1.00 min后开始记录图谱。

1.3.5 挥发性风味物质鉴定

金华火腿风味化合物利用Xcalibar（Thermo Scientific）软件进行鉴定，检测到的质谱信息与NIST和Wiley质谱数据库中数据进行匹配，并配合手动检索校对信息，正反匹配度大于800（最大值为1 000）的成分作为定性结果；采用峰面积计算相对含量。

1.4 统计分析

应用Minitab 16软件分析Plackett-Burman试验结果；应用SAS Version 9.1.3软件进行方差分析，多重比较选用Duncan’s multiple-range test。

2 结果与分析

2.1 Plackett-Burman试验设计结果

Plackett-Burman试验设计利用较少试验次数考察较多影响因素，只考虑各因素引起的主效应，忽略因素之间交互作用[18]，因此该试验用于筛选显著影响因素
（P＜0.05）作为后续试验研究重点，非显著性影响因素（P＞0.05）根据试验情况确定取值。Plackett-Burman试验组别及对应色谱峰面积结果如表3所示，对试验结果分析得到试验模型因素主效应P值为0.003，说明模型在统计学上有意义。

由试验分析得到因素的正负效应和影响如图1所示，置信水平为95%。图中灰、黑色区域表示因素由低水平到高水平变化产生的正（＋）、负（－）效应。图1中只有脱附温度一个因素呈现较弱的负效应，即200 ℃脱附响应值稍差。另外，结果显示，预热温度（X1）、吹扫时间（X3）和样品质量（X5）3 个因素具有显著性
（P＜0.05），作为关键因素继续探讨；脱附温度（X4）和预热时间（X2）为非显著影响因素（P＞0.05），根据试验情况分别确定为190 ℃和3 min。

表 3 Plackett-Burman试验结果（n=4）

Table 3 Results of Plackett-Burman experimental design (n = 4)

图 1 Plackett-Burman因素影响图

Fig.1 Pareto chart of the major factors obtained from
Plackett-Burman design

2.2 单因素试验

2.2.1 脱附时间对风味物质分离效果的影响

脱附时间是影响吹扫捕集分析效果影响因素之一，其设定范围较小，一般为0～4 min。在前期试验中，将脱附时间与其他5 个因素一起作为Plackett-Burman试验设计中的因素进行筛选，但通过对比不同条件色谱图发现，只有脱附时间在较小的设定范围内影响风味物质分离效果，而Plackett-Burman试验评定结果的前提是因素在高低水平范围内不能影响风味物质分离效果。因此，脱附时间这个因素被单独列出，通过单因素试验直接确定取值。

脱附时间分别取0.50、2.25、4.00 min进行试验，预热温度60 ℃、吹扫时间8 min、样品质量4.0 g。不同脱附时间对风味物质分离效果影响最大的部分在色谱图前期，截取3 个脱附时间0～7 min气质联用总离子流图，如图2所示。对比发现，脱附时间延长，相同化合物出峰时间整体向后偏移；另外，随脱附时间延长，目标物被释放的量增加，超过了色谱柱柱容量，导致色谱峰形变差。综上所述，脱附时间为0.50 min比较合适。

A. 0.50 min

B. 2.25 min

C. 4.00 min

图 2 脱附时间对风味物质分离效果的影响

Fig.2 Effect of desorption time on the separation of flavor compounds

2.2.2 预热温度对捕集效果的影响

预热温度，是指先将样品加热到某一温度，并在此温度条件下进行吹扫，因此也可以理解为吹扫温度。预热温度从50 ℃开始，每隔5 ℃测定1次，吹扫时间8 min，样品质量4.0 g。由表4可知，随预热温度升高，响应值整体呈上升趋势，主峰总峰面积在75 ℃时最大，并与其他处理组有显著差异（P＜0.05）。但温度升高可能引发一些热反应，从而改变原有风味组分；当样品加热到80 ℃时，吹扫过程会产生较为明显的油状小液滴挂于瓶壁，也会造成仪器管道污染。选取其中5 种风味活性成分作为辅助参考，变化趋势一致的成分不再逐一列出。综述所述，预热温度为65～75 ℃比较合适。

表 4 预热温度对捕集效果的影响

Table 4 Effect of preheating temperature on trapping efficiency

注：数据为平均值±标准差（n=4）；同行小写字母不同。表示在0.05水平差异显著。下同。

2.2.3 吹扫时间对捕集效果的影响

吹扫时间从6 min开始每隔1 min测定1 次，样品质量4.0 g，预热温度60 ℃。由表5可知，随吹扫时间延长，响应值整体呈上升趋势；金华火腿特征风味成分2,6-二甲基吡嗪从8 min开始呈现平缓趋势。同时对吹扫时间12、13、17、23 min进行了测定，对比不同吹扫时间总离子流图发现，从12 min开始色谱峰出现拖尾，峰形变差，这是由于吹扫时间越长，富集被测物的量越大，从而超过色谱柱容量，导致分离效果变差。综上分析，吹扫时间8～11 min比较合适。

表 5 吹扫时间对捕集效果的影响

Table 5 Effect of purge time on trapping efficiency

2.2.4 样品质量对捕集效果的影响

表 6 样品质量对捕集效果的影响

Table 6 Effect of sample mass on trapping efficiency

样品质量从3.5 g开始，每增加0.5 g测定1次，萃取温度60 ℃、萃取时间8 min。由表6可知，随样品质量增大，主峰总峰面积增加，样品质量取5.5 g和6.0 g时无显著差异（P＞0.05）；金华火腿特征风味辛醛、2-戊基呋喃及2,6-二甲基吡嗪由样品质量增加引起的峰面积变化并不大。因此，样品质量取4.0～5.5 g已经足够。

2.3 正交试验

正交试验结果采用极差分析，由表7可知，在正交试验设定的水平范围内，吹扫时间（B）对响应变量影响最大，样品质量（C）次之，预热温度（A）影响最小，优组合为A3B4C3（75 ℃、11 min、5.5 g）。对理论优组合与正交表第8组A2B4C3（70 ℃、11 min、5.5 g）进行比较验证，得到理论组平均值为5.256×108，说明理论组略优于第8组，但两组方差分析结果差异不显著
（P＞0.05），说明在吹扫时间11 min、样品质量5.5 g时，预热温度70 ℃或75 ℃均可。

表 7 正交试验结果（n=4）

Table 7 Results of orthogonal experimental design (n=4)

2.4 金华火腿风味物质成分分析结果

在试验确定的关键参数条件下（脱附时间0.50 min、预热温度70 ℃、吹扫时间11 min、样品质量5.5 g），吹扫捕集结合气相色谱-质谱联用测定金华火腿风味物质，总离子流图如图3所示，分析后得到48 种风味化合物，风味成分详见表8。其中烷烃类5 种占总峰面积的2.61%、醛类8 种占27.72%、酮类5 种占15.90%、醇类9 种占35.72%、酯类5 种占1.98%、萜烯类1 种占0.20%、含硫化合物4 种占8.00%、含氮化合物6 种占2.86%、其他5 种占5.01%。表8中编号为7、9、10、20、21、26、27、28、32、35、36、38、40、41、43、44、45的化合物，已被鉴定为金华火腿风味重要组成成分[19-20]。

图 3 金华火腿风味物质的气相色谱-质谱联用总离子流图

Fig.3 Total ion current chromatogram of flavor compounds in Jinhua ham

表 8 金华火腿风味成分（n=4）

Table 8 Flavor compounds in Jinhua ham (n = 4)

3 讨 论

在色谱实验中，应用试验设计分析关键因素、确定适于分析的有利条件，已经成为一种有效手段[21]，在固相微萃取结合气质联用测定挥发性有机物的实验中已有所应用[22]。本实验应用Plackett-Burman试验设计筛选吹扫捕集显著影响因素作为研究重点，再通过单因素、正交试验进一步研究，评价指标为色谱峰面积。峰面积是色谱实验的常用评价指标[22-24]。在其他风味物质提取方法如固相微萃取，一般还用风味物质检出个数与峰面积综合评价处理条件。但吹扫捕集在Plackett-Burman试验设定范围内，峰个数未随条件改变产生较大变化，因此不适合作为评价指标，这是吹扫捕集与固相微萃取提取和富集风味物质的吸附设备构造不同所决定的。

从检出风味成分上看，刘登勇等[19]应用固相微萃取法确定金华火腿重要风味特征成分12 种，本实验可检出10 种；田怀香[20]应用同时蒸馏萃取法确定风味特征成分15 种，本实验能检出14 种，其中甲硫醇也有检出，但正反匹配度未达到设定要求，未将其列入成分表。风味成分存在差异不仅与前处理方法有关，与所用金华火腿样品存在风味差别也有关。因此，对金华火腿主体风味轮廓的描述上，吹扫捕集能够满足测定要求。从分析时间上看，同时蒸馏萃取法提取金华火腿风味物质最佳条件需要2 h，固相微萃取法及热脱附法一般需要40 min，而吹扫捕集一般需要11 min，如果进行连续进样，吹扫捕集的优势更为明显，且加热时间缩短能有效减少风味组分发生反应。从环保角度看，吹扫捕集同固相微萃取一样，具有无溶剂萃取的优点，避免损害工作者健康，不对环境造成二次污染。

综上所述，运用专业吹扫捕集自动进样装置提取和富集金华火腿风味物质，既能完整描述特征风味轮廓，又在分析时间上具有明显优势，能大大提高工作效率。本研究应用试验设计分析了影响吹扫捕集的因素，并确定出关键参数。但将吹扫捕集广泛应用于肉品风味提取，还有很多工作有待深入，如不同种类肉品风味提取的适用参数、不同捕集阱的比较等。总之，吹扫捕集这种前处理方法在肉品风味快速检测和绿色检测上具有很大潜力，还应该进一步探索和研究。

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