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【色谱】是何物质竟有如此芳香的气味?

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----香草荚及其提取物分析方法
2017-07-17 09:17
来源:实验与分析
张玉南
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  几乎没有任何一种调料制品能像香草香料那样用来产生香味,这不仅只在用于圣诞节之际,在日常食物中也经常被使用,香草香料也同样应用于香水、化妆品以及药品之中。人们口口相传这种香料有安抚精神和宽慰身体的功效。将这种调料制品加入到芳香疗剂之中,据说将其吸入体内便能舒缓身体并恢复活力。在一杯矿泉水或者果汁饮料中稍加几滴香草香料溶液,就足以使有灼热感和神经过敏的胃安定下来。香草香料能够中和辛辣、酸的食物,并同时增强其本身淡淡的芳香气味。实际上,研究还延伸到芳草的主要成分是否还具有防癌的作用。据称阿芝特克人在很久以前就发现在香草香料中含有一种众位神仙喜爱饮用的琼浆玉液。虽然这只是传说,但应该不是子虚乌有。

  而今香草香料已属于世界上最重要、最受欢迎的,同时也可能是最昂贵的香料:这种调料制品价值高达每吨80 000 美元之多 。鉴于其如此高昂的价格,那么毫无疑问,必须对香料的好坏严加检验:重点是其味道和香气、可信性和供货来源,同样还要关注是否有假冒伪劣、污染和质量缺陷等问题。这种检验事关终端消费者的利益,尤其是将香草香料加工成成品的企业的利益。仪器分析法在此也提供了获取相关信息的独一无二的方法。

  香料组分研究需要集成的分析方法

  的确,香草香料的研究是具有挑战性的。Stephen J. Toth一语中的:“采用一种方法不可能对香草香料进行完全的定性鉴定,香草香料的化学组成太复杂了。”在他于美国国立新泽西州大学完成的博士学位论文《香草香料化学特征化分析方法的比较与集成》中,他致力于寻求一种集成的分析方法,旨在对完全发酵的香草荚和香草提取物中挥发性、难挥发性组成进行分析。最后,解决方案找到了,就是液相和气相色谱的联合,借此他赋予顶空技术和热解吸方法又一重大的意义。

  图2.塔希提岛的一种香草香料的色谱图:香草醛于54.35min后被洗脱,香草香料的芳香味道是由多种化合物共同作用而形成的。

  借助色谱法测定芳香组分

  为了测定香草中难挥发物质的组成成分,例如 4-羟基-3-甲氧基-苯甲醛、香草酸和 4-羟基苯甲酸,可以采用HPLC法。Stephen J. Toth 在其学位论文中指出文献中描述的HPLC法(特别是用于分析香草香料提取物的方法)对他的方法开发有定向作用。Toth将标准的HPLC(含UV检测器)色谱仪器技术发挥到极限,大大提高了工作效率。正如他的实验结论所述:通过引用UPLC (超高效液相色谱) 分析柱——具有细微填充物粒度的短柱(柱例:50mm长x 4.6mm内径 x 1.8μm 粒度),提供了若干优化的潜能,借此可缩短分析时间。尽管只能在相同仪器参数、对硬件作若干改进的条件下,Toth却最终实现了比检测开始时要快7 倍的分离时间。香草酚的HPLC 分析时间已从原先的 13.45 min缩短到 1.86 min。“这绝对是采用传统的HPLC 配置加UPLC 分析柱所能得到的最好结果,”Toth 这样描述,“除此之外乙腈的用量也得减少三分之二。”

  尽管通过HPLC分析法取得了这些成果,却仅能在有限的条件下对香草香料中挥发性化合物的全体组分进行鉴定,更谈不上对那些迄今为止仍然未知的芳香组分进行鉴定了,Toth这样认为。而气相色谱、顶空技术和质谱检测的结合则能胜此大任。

  为了能够得出最佳结果,Toth 对下列技术进行了比较研究:包括固相微萃取技术(SMPE)、应用具有聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面涂层的磁性搅拌棒(Gerstel-Twister)的Gerstel-PDMS-Twister顶空吸附萃取技术(HSSE)、以及动态顶空技术。此外还包括将深度冷冻研磨过的香草荚进行直接热解吸(DTD)的方法。实验对两个波本香草荚样品中的分析组成进行了研究,其中一个毫无疑问是“好的”等级的荚,另一个则是被商家拒绝的有酒精发酵气味的“坏的”等级的荚。这个被拒绝的样品意味着,在厌氧条件下香草被细菌降解,转化为愈疮木酚。

  Toth这样描述:在文献中多次提到采用SPME技术对香草香料提取物进行鉴定,特别是关于乙醇基体中极性组分的鉴定。得益于大量可供使用的SPME 萃取相、简单易行的自动化和凝聚的分析溶质快速热解吸,这种SPME技术在顶空提取挥发性化合物的实验中,显示出选择性和实用性。不足之处是其萃取相体积(0.5uL)过小。因此,SPME技术虽然具有实用性和多用性,但其吸附容量太小,也就是说,较不灵敏,尤其是对于难挥发性化合物。试图采用混合相的试验,即用二乙烯苯(DVD)、全氟二甲基环丁烷(CBXN)和聚二甲基硅氧烷(PDMS),可以在更大的极性带宽上萃取分析溶质,可是灵敏度又变低了。如果不考虑此点,那么借助于这种SPME技术已能从香草香料中提取出 35种化合物,其中包括来自包装材料中的有害物质,和8种至今尚未被鉴定的组分。

  顶空吸附萃取技术热解析溶质

  这种顶空吸附萃取技术(HSSE)技术是SBSE技术的进一步发展而来,SBSE是一种行之有效的磁性搅拌棒吸附萃取法,并多次被用于测定包括芳香化合物在内的各种物质。SBSE基于使用Gerstel磁性搅拌棒作为被动收集手段的功能,在对样品溶液进行混合搅拌的同时,通过磁性搅拌棒对分析溶质进行萃取。而使用HSSE技术时,磁性搅拌棒被安装在样品管中样品上方的蒸汽空间里,分析溶质的萃取是在顶空中进行的,分析溶质在吸附相和顶空之间建立起稳定平衡的时候,将磁性搅拌棒取出,分析溶质被热解析后转移至GC的过程。如同SBSE法一样,是借助于Gerstel 的热解吸装置(TDU) 、Gerstel 多功能进样器(MPS)自动进行的。相对于萃取相体积过小的SPME法(0.5uL),HSSE法具有大得多的相容积(磁性搅拌棒的PDMS膜层125uL),显示出从极性到非极性的化合物在其微量浓度范围内较高的灵敏度。又有了一种镶嵌有乙基-乙二醇-硅氧烷的磁性搅拌棒问世,可应用于极性和非极性化合物的萃取。鉴定出的19种化合物中有4种是新的化合物,在香草香料分析文献中尚未被鉴定和记录在案。

  动态顶空技术用于特定化合物

  Tuth 这样说:“把某种载气,在加压或抽真空的条件下导入样品的顶空室,可把样品中的分析溶质置于合适的载体材料上(本文涉及的是Tenax TA 吸附剂)进行富集。与SPME法和HSSE法有所不同,这种Tenax TA 吸附剂对特定的化合物并无特别的亲和力,它只是在更广的沸点范围和极性范围内来富集分析溶质。不过对于3个或更少碳原子的化合物不适用。” 在昂贵的香草香料中,采用这种吹扫捕集顶空法,一共检测到 24种化合物,其中10种是至今未曾被发现的组分。

  直接热解吸法(DTD):“将样品加入到介于两个玻璃棉塞子之间的玻璃内衬小管中,将热解析装置(TDU)按照一种升温程序(30 ℃~60 ℃/分钟 直至275 ℃)进行加热。分析溶质在安捷伦GC 6890 的冷进样系统(KAS)中进行冷凝,再通过温度程序转移至GC分离柱中。GC的电子压力控制装置(EPC)允许将载气的流速不受温度影响保持恒定。所以,我们获得了最大的分离度”,Tuth 这样描述。在对所研究的“好的”和“坏的”香草荚中,Toth 借助于DTD-TDU-GC/MS方法检测出 74种化合物(更进一步的分析促成了30种香草荚中至今尚未被发现的化合物的面世)。

  图3.把所有顶空技术、直接热解析技术和GC-MS组成一套完整系统联用。

  值得注意的是香草醛浓度上的差异:在“好的”香草荚中为1.2%, 而在“坏的”香草荚中仅为0.1%。在被商家接受的香草荚中,Tuth 发现含有高浓度的乙酸、2-甲基苯酚、麦芽酚羟基二氢、5-(羟基甲基)呋喃-2- 甲醛、4-羟基苯甲醛、香草醛、十六烷酸以及 1-十八碳醇。Tuth这样写道:波本香草荚样品中所鉴定的化合物与那些原来在文献中被记载的数据是一致的。其首次对香草荚中的化合物进行记录的还包括有:丙酮、2-甲基丙醛、3-羟基-3-戊烯-2-酮、2(5H)-呋喃酮、2-羟基2-环戊烯-1-酮、4-羟基-5甲基-3(2H)-呋喃酮、2-呋喃羧酸、铃兰醛、4-(4-羟基酚)-3-丁烯-2-酮、4-(4-羟基-3-甲氧基酚)-3-戊烯-2-酮(E)、香草醛-苯甲醛甘油缩醛的两种同分异构体、1- 十八碳醇、乙基-十七(烷)酸甲酯、乙基-十八(烷)酸甲酯、z-12-二十五碳烯以及z-14-十九碳烯。而在“坏的”香草荚中,Tuth 测出了高浓度的 2- 甲氧基酚、2- 甲氧基-4-甲基酚、香草醛、十六烷酸以及 1-十八碳醇。

  多种技术联用得到完整图谱

  Tuth这样写道:通过应用DTD-TDU-GC/MS分析表现出来的“好的”与“坏的”波本香草荚之间的最大差别在于:香草醛的损失和2- 甲氧基-4-苯酚和2- 甲氧基苯酚的提高,以及麦芽酚羟基二氢和羟基甲基呋喃甲醛的损失。在DTD-TDU-GC/MS方法中缺少了浓缩步骤,相对于其它的顶空方法而言,其结果可以通过杂醇油乙醇的漏检加以说明,这种物质在采用SMPE、HSSE以及吹扫捕集实验时均被检出。但是和在被商家拒绝的香草荚中检测出的杂醇油乙醇含量是不一致的,这表明了各种顶空技术的强度明显的不一致。单个方法都有其固有的不足之处,那么将它们进行联用,就会得到一种芳香样品完整的总体图谱。对于应用者而言,如果能够将所有的顶空技术(SPME、HSSE、动态顶空法以及直接热解吸技术)在必要时加以应用的话,就很完美了。当然,应用过程中任何情况下都需要自动化的系统。

  关于香草香料的分析

  香草醛是通过葡萄糖香草醛的水解发酵过程而形成的。这一过程的进行能够对香草荚的芳香廓形、味道以及总体质量产生决定性的影响。许多香草种类尽管只有较小的香草醛浓度,也有不错的整体味道,由此可得出结论:其它的内容物也参与了对整体味道的贡献。

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