一种粮油食品风味物质数据分析方法及其应用与流程

1.本发明涉及粮油食品检测分析技术领域，具体涉及一种粮油食品风味物质数据分析方法及其在粮食、油料及其加工食品和加工食用油等产品中的典型风味物质的分析应用。


背景技术：

2.粮油食品风味物质顶空固相微萃取(hs
–
spme)法及气质联用(gc-ms)分析技术将样品前处理技术、气相色谱和质谱分离分析技术互相结合，互为补充，极大地提高了粮油食品风味体系中多组分的定性、定量问题。但粮油食品风味体系复杂，其中的组分多达几十上百种。在分析样品量多、分析组分数较多和数据量较大的情况下，需要大量的人工解析时间。
3.目前，使用顶空固相微萃取(hs
–
spme)法及气质联用(gc-ms)技术分析法分析粮油食品风味物质后，实验数据通过gc-ms化学工作站处理，未知化合物与nist谱图库进行匹配定性，当化学物质峰的相似度大于60(最大值为100)时作为鉴定结果予以报道。但此方法有两方面不足之处：一是机器运行时可能会出现化学物质延迟出峰，从而导致不能自动识别目标物质；二是在识别同一个化学物质峰时，出现多个物质相似度接近的情况。因此，此方法分析后的数据通常需要根据正构烷烃计算出物质的准确保留指数(ri值)，从而进一步推断识别的化合物的可靠性。目前计算保留指数的过程，需要大量的人工干预，非常耗时间，常常需要花费60％以上的时间用于gc-ms数据的整理和分析。
4.保留指数(retention index，ri)概念是由kovats在1958年提出，是把组分的保留值用两个分别前后靠近它的正构烷烃来标定(这比仅用一个参比物质的相对保留值定向更为精确)。计算公式见：
5.ri＝100z 100[tr(x)-tr(z)]/[tr(z 1)-tr(z)]
[0006]
式中：tr(x)、tr(z)、tr(z 1)分别代表目标组分及碳数为z、z 1的正构烷的保留时间，且tr(z)《tr(x)《tr(z 1)。
[0007]
可见，gc-ms数据统计分析方法极大地影响了粮油食品风味物质分析的时效性、准确性和可靠性。如果在搜索比对前对色谱数据加以处理，有助于减少过多的人工干预，将是粮油食品风味物质hs
–
spme/gc-ms数据的快速、准确定性及定量分析的一条新途径。


技术实现要素：

[0008]
本发明的目的是提供一种粮油食品风味物质数据分析方法及其应用，以指导粮油食品风味物质的快速分析。本发明的方法通过包括如下步骤而实现了上述目的：采用顶空固相微萃取(hs
–
spme)法及气质联用(gc-ms)分析法分析粮油食品风味物质，由gc-ms分析得到的质谱数据；经计算机nist标准谱库数据比对及有机化合物质谱断裂的一般规律导出风味物质化合物分析数据；经粮油食品风味物质分析程序根据保留时间进一步计算出化合物的保留指数，并针对每一个化合物与nist标准谱库比对，对化合物进行准确定性分析。
[0009]
具体而言，本发明提供了一种粮油食品风味物质数据分析(msdata)方法，所述方法包括如下步骤：
[0010]
(1)检测样品的制备：制备粮油食品风味物质待测样品；
[0011]
(2)挥发性成分的富集：采用顶空固相微萃取(hs
–
spme)技术对所述粮油食品风味物质待测样品中的挥发性成分进行收集；
[0012]
(3)挥发性成分的检测：采用气质联用(gc-ms)技术对所述挥发性成分和正构烷烃标准品进行检测分析，获得风味物质色谱图和正构烷烃标准品色谱图；
[0013]
(4)色谱数据的分析：将所述风味物质色谱图进行全积分模式扫描，并在nist 2011质谱数据库中按照离子峰匹配度，检索出共有离子峰，生成风味物质质谱数据；并将所述正构烷烃标准品色谱图进行全积分模式扫描，获得正构烷烃标准品质谱数据；
[0014]
(5)质谱数据的处理：将所述风味物质质谱数据和正构烷烃标准品质谱数据导入粮油食品风味物质分析程序，根据下式(i)计算出目标组分的保留指数(ri)；并将所得目标组分的保留指数与nist 2011标准谱库中的保留指数进行比对，其中，保留指数相差≤50，即判定相应的物质可以为粮油风味物质；保留指数相差≥70，即判定相应的物质不是粮油风味物质；50＜保留指数相差＜70，即判定相应的物质可能是粮油风味物质，
[0015]
ri＝100z 100[tr(x)-tr(z)]/[tr(z 1)-tr(z)](i)
[0016]
其中：tr(x)、tr(z)、tr(z 1)分别代表目标组分以及碳数为z、z 1的正构烷的保留时间，且tr(z)《tr(x)《tr(z 1)。
[0017]
有益效果
[0018]
1.可通过ms图谱及粮油食品风味物质数据分析程序来统计分析粮油食品hs
–
spme/gc-ms风味物质数据。
[0019]
2.可根据粮油风味物质数据分析程序先将ms图谱和正构烷烃图谱进行比对，并计算出保留指数，然后再与nist图谱库进一步比对，从而达到快速、准确定性分析粮油食品hs
–
spme/gc-ms风味物质数据。
[0020]
3.本发明的方法有利于gc-ms质谱数据的快速准确鉴定及粮油食品特征性风味物质的快速筛查，数据分析时间从6h缩短为10min，有效解决复杂体系中多组分风味物质的定性、定量统计分析问题。
附图说明
[0021]
图1是粮油风味物质分析方法具体步骤的流程图。
[0022]
图2是gc-ms化学工作站对于风味物质的检测色谱图。
[0023]
图3是gc-ms化学工作站对于未知化合物色谱图进行全积分扫描。
[0024]
图4是gc-ms化学工作站根据离子片段的匹配度对未知风味物质定性数据。
[0025]
图5是正构烷烃质谱图。
[0026]
图6是风味物质质谱原始数据结果。
[0027]
图7是数据统计分析程序的使用界面。
[0028]
图8是数据统计分析程序的编程界面。
[0029]
图9是风味物质数据统计分析结果数据。
[0030]
图10是风味物质数据统计分析结果摘要。
吡喃酮、6,10-二甲基-5,9-十一双烯-2-酮、香叶基丙酮、2-乙酰基呋喃、2-正戊基呋喃、2-乙酰基吡咯、1-(2-呋喃基甲基)-1h-吡咯、2-戊基呋喃、γ-丁内酯、己酸戊酯、10-甲基十一烷酸甲酯、12-甲基十三烷酸甲酯、月桂酸甲酯、2,2,4-三甲基戊二醇异丁酯、苯甲酸乙基己酯、五甲基呋喃溴酸酯、棕榈油酸甲酯、棕榈酸甲酯、亚油酸甲酯、油酸甲酯、1-戊醇、正辛醛、甲基庚烯酮、2-乙酰基-1-吡咯啉、正己醇和葵醛。
[0044]
在优选的实施方式中，所述粮食及其加工制品为麦芽及其加工制品，并且所述粮油食品风味物质包括如下的一种或多种：异丁醛、异戊醛、2-甲基丁醛、己醛、庚醛、戊醛、正己醛、糠醛、3-糠醛、5-甲基呋喃醛、苯甲醛、2-吡咯甲醛、苯乙醛、反-2-辛烯醛、壬醛、可可醛、反式-2-壬醛、(e)-壬烯醛、癸醛、α-亚乙基-苯乙醛、反式-2,4-癸二烯醛、α-(2-甲基亚丙基)苯乙醛、十五醛、可卡醛、2-甲基吡嗪、2-乙基-6-甲基吡嗪、3-乙基-2,5-甲基吡嗪、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪、2-甲基-3-(2-甲基丙基)吡嗪、2,5-二甲基-3-(3-甲基丁基)吡嗪、2,5-二甲基-3-(3-甲基丁基)吡嗪、2-甲基-3-(2-甲基丙基)吡嗪、2-乙基-3-甲基吡嗪、糠醇、1-辛烯-3-醇、2-乙基己醇、1-壬醇、2-丙基-1-庚醇、十二醇、甲基麦芽酚、4-乙基-2-甲氧基苯酚、2,4-二叔丁基苯酚、十五烷酸甲醚、二甲基二硫、正戊酸、己酸、苯乙烯、十一烷、2-庚酮、2-甲基-3-羟基-γ-吡喃酮、6,10-二甲基-5,9-十一双烯-2-酮、香叶基丙酮、2-乙酰基呋喃、2-正戊基呋喃、2-乙酰基吡咯、1-(2-呋喃基甲基)-1h-吡咯、2-戊基呋喃、γ-丁内酯、己酸戊酯、10-甲基十一烷酸甲酯、12-甲基十三烷酸甲酯、月桂酸甲酯、2,2,4-三甲基戊二醇异丁酯、苯甲酸乙基己酯、五甲基呋喃溴酸酯、棕榈油酸甲酯、棕榈酸甲酯、亚油酸甲酯和油酸甲酯。
[0045]
在优选的实施方式中，所述粮食及其加工制品为大米及其加工制品，并且所述粮油食品风味物质包括如下的一种或多种：戊醛、正己醛、庚醛、2-正戊基呋喃、1-戊醇、正辛醛、甲基庚烯酮、2-乙酰基-1-吡咯啉、正己醇、壬醛、反-2-辛烯醛、1-辛烯-3-醇、2-乙基己醇、葵醛、苯甲醛和反式-2-壬醛。
[0046]
在优选的实施方式中，在步骤(1)中，以1:(5～10)(例如1:8)的重量比将粉碎后的粮油食品与水混合，在60～70℃(例如65℃)下浸泡12～18min(例如15min)后过滤获得滤液，然后以1:(30～40)(例如1:33)的内标溶液:滤液体积比，向所述滤液中加入内标溶液，获得粮油食品风味物质待测样品。优选地，所述内标溶液为10mg/l的三氯丙烷。更优选地，所述粮油食品为麦芽及其加工制品。
[0047]
在优选的实施方式中，在步骤(1)中，以1:(1～2)(例如1:1.4)的重量比将粮油食品与水混合，浸泡28～32min(例如30min)，在100℃下蒸煮18～22min(例如20min)并焖制5～15min(例如10min)，无需加热直接取4～6g(例如5g)所获得的物质，向其中加入2μl的内标溶液，获得粮油食品风味物质待测样品。优选地，所述内标溶液为0.85μg/ml的2-甲基-3-庚酮。更优选地，所述粮油食品为大米及其加工制品。
[0048]
在本发明中，采用步骤(2)中的顶空固相微萃取(hs
–
spme)法及步骤(3)中的气质联用(gc-ms)技术分析粮油食品风味物质。
[0049]
在优选的实施方式中，在步骤(2)中，将所述粮油食品风味物质待测样品放入顶空瓶中，在60～70℃下预平衡20～50min后，通过固相微萃取柱萃取30～40min对所述挥发性成分进行收集。
[0050]
在优选的实施方式中，在步骤(3)中，将所述固相微萃取柱插入气相色谱-质谱联
用仪的进样口解吸3～5min。
[0051]
在优选的实施方式中，步骤(3)中的色谱条件为：色谱柱wax毛细管柱(60m
×
0.25mm
×
0.25μm)；载气为氦气，流速为1～1.5ml/min；进样口温度为240～260℃；不分流进样；升温程序：初始温度为40～45℃，保持温度持续3～5min，首先5～8℃/min升温至90～200℃，其次以1～10℃/min升温至98～230℃。
[0052]
在优选的实施方式中，步骤(3)中的质谱条件为：ei离子源温度为230℃；四极杆温度为150℃；电子能量70ev；传输线温度250℃；全扫描；质量扫描范围m/z30～500，调谐文件为标准调谐。
[0053]
在优选的实施方式中，在步骤(3)中，所述正构烷烃标准品为c7-c40正构烷烃混合标准品，并且对所述正构烷烃标准品进行检测的色谱和质谱条件与所述粮油食品风味物质待测样品相同。
[0054]
在优选的实施方式中，在步骤(4)中，将hs
–
spme/gc-ms数据检测的ms图谱(即所述风味物质色谱谱图)通过gc-ms化学工作站处理，将未知化合物与nist谱图库进行初步匹配定性，获得初步定性后的检测数据(即风味物质质谱数据)。
[0055]
在优选的实施方式中，在步骤(4)中，未知化合物与nist谱图库进行匹配定性，当化学物质峰的相似度大于60(最大值为100)时作为鉴定结果予以报道。
[0056]
在步骤(5)中，将初步定性后的检测数据导入粮油风味物质数据分析程序中，该程序通过比对化合物与正构烷烃的保留时间，根据保留时间、ms图谱及正构烷烃图谱，基于c 语言根据下式(i)快速计算出每个化合物的保留指数(ri值)：
[0057]
ri＝100z 100[tr(x)-tr(z)]/[tr(z 1)-tr(z)](i)
[0058]
其中：tr(x)、tr(z)、tr(z 1)分别代表目标组分以及碳数为z、z 1的正构烷的保留时间，且tr(z)《tr(x)《tr(z 1)。
[0059]
在本发明中，所述粮油风味物质数据分析程序将每一个化合物的保留指数与nist谱库中相对应化合物进行比对，保留指数相差≤50，即判定相应的物质可以为粮油风味物质；保留指数相差≥70，即判定相应的物质不是粮油风味物质；50＜保留指数相差＜70，即判定相应的物质可能是粮油风味物质。
[0060]
在优选的实施方式中，在多组数据结果比对时，所述粮油风味物质数据分析程序还可以进行去重、汇总及整理大量数据，为分析结果提供帮助。
[0061]
在优选的实施方式中，根据ms图谱保留时间和粮油风味物质数据分析程序计算结果，数据分析时间少于10min。
[0062]
其中，应用于粮油风味物质数据分析程序中的数据文件是顶空固相微萃取(hs
–
spme)法及气质联用(gc-ms)技术分析粮油食品风味物质数据和正构烷烃数据。
[0063]
上述粮油食品风味物质数据分析程序，所述hs
–
spme/gc-ms数据包括但不限于安捷伦系统分析数据和岛津系统分析数据。
[0064]
本发明的分析方法有利于gc-ms质谱数据的快速准确鉴定及粮油食品特征性风味物质的快速筛查，数据分析时间从6h缩短少于10min，有效解决复杂体系中多组分风味物质的定性、定量统计分析问题。
[0065]
实施例1
[0066]
1.样品和仪器
[0067]
1.1样品：特种麦芽，中粮麦芽(大连)有限公司；正构烷烃(hj894-2017，c7-c40)，上海安谱实验科技股份有限公司。
[0068]
1.2仪器：bsa224s电子天平，德国赛多利斯公司；dlfu盘式粉碎机，德国buhler(布勒)公司；岛津aoc6000多功能进样器，日本岛津公司；dvb/pdms/carbon wr-80μm萃取头，日本岛津公司)；gcms-2020nx气相色谱-质谱联用仪，日本岛津公司。
[0069]
2.检测样品的制备
[0070]
2.1麦芽样品的制备：取一定量的麦芽产品，使用dlfu盘式粉碎机(盘间距为0.2mm)进行粉碎后，称取80g麦芽粉和640g 65℃的纯净水；将称量好的麦芽粉和纯净水混合倒入保温杯中，浸泡15分钟；将浸泡好的混合液用滤纸进行过滤，过滤10分钟后，量取5ml滤液至20ml顶空瓶中，并准确加入三氯丙烷(10mg/l)内标溶液150μl，获得粮油食品风味物质提取液，摇匀待测。
[0071]
2.2正构烷烃样品的制备：量取10μl的正构烷烃标准品至于20ml顶空瓶中，待测。
[0072]
3.hs
–
spme/gc-ms检测方法
[0073]
3.1挥发性成分的富集：采用顶空固相微萃取技术对以上2.1部分获得的粮油食品风味物质提取液的特种麦芽挥发性成分进行收集。采用自动进样器，萃取温度60℃，平衡时间40min，萃取时间30min，吸附完毕后将固相微萃取柱插入气相色谱-质谱联用仪(gc-ms)的进样口解吸时间3min，在如下条件下进行gc-ms检测并收集检测结果。
[0074]
3.2挥发性成分的gc-ms检测条件
[0075]
色谱条件：色谱柱wax毛细管柱(60m
×
0.25mm
×
0.25μm)；载气为氦气，流速为1.2ml/min；进样口温度为250℃；不分流进样；升温程序：初始温度为45℃，保持温度持续3min，首先5℃/min升温至90℃，其次以1℃/min升温至98℃，然后再以5℃/min升温至220℃，并保持温度维持1min。
[0076]
质谱条件：ei离子源温度为230℃；四极杆温度为150℃；电子能量70ev；传输线温度250℃；全扫描；质量扫描范围m/z 30～500，调谐文件为标准调谐。
[0077]
3.3gc-ms分析方法：将所有麦芽样品的检测结果(图2)通过gc-ms化学工作站按峰面积大小进行全积分模式扫描(图3)，并在nist 2011质谱数据库中进行检索。计算机根据未知化合物在质谱中断裂的离子峰片段在nist标准谱库中检索，按离子峰的匹配度高到低给出相应的10种物质清单，并以匹配度最高的鉴定结果在定性表格中予以报道(图4)。
[0078]
在相同色谱条件下，通过对c7-c40正构烷烃混合标品的色谱扫描，可以得到不同碳数和在相应方法下所对应的保留时间(图5)，并用于计算未知化合物的保留指数(retention index，ri)值。
[0079]
4.hs
–
spme/gc-ms数据处理方法
[0080]
4.1导出原始数据
[0081]
将gc-ms化学工作站通过全积分模式扫描到的色谱图(图2)和比对谱库匹配到的所有数据信息(图6)导出，并整理好正构烷烃混合标品的检测结果，记录下含不同碳原子的烷烃物质的保留时间(图5)。打开该分析程序(图7)，并运行程序(图8)进行数据处理。
[0082]
4.2通过粮油风味物质分析程序进行比对来获得保留指数
[0083]
通过gc-ms化学工作站处理的麦芽样品的检测结果与正构烷烃混合标品色谱结果同时导入粮油风味物质分析程序中(图1)，此分析程序根据下式(i)自动计算出每一化合物
的保留指数：
[0084]
ri＝100z 100[tr(x)-tr(z)]/[tr(z 1)-tr(z)](i)
[0085]
其中：tr(x)、tr(z)、tr(z 1)分别代表目标组分以及碳数为z、z 1的正构烷的保留时间，且tr(z)《tr(x)《tr(z 1)。
[0086]
4.3通过粮油风味物质分析程序进行数据整理
[0087]
4.3.1数据分析：该分析程序进一步将化合物的保留指数(即图9中谱图ri值)与nist 2011谱图库中相应化合物的保留指数(即图9中retention index)进行比对，将保留指数相差≤50，即判定相应的物质可以为特种麦芽风味物质(match)；保留指数≥70，即判定为相应的物质不是特种麦芽风味物质(delete)；50＜保留指数＜70，即判定为相应的物质可能是特种麦芽风味物质(pending)。所有的数据处理结果的总结如图10所示。
[0088]
4.3.2数据清洗：经该程序完成数据清洗后，分析得到特种麦芽的主要风味物质(结果如图11所示)。
[0089]
实施例2
[0090]
1.样品和仪器
[0091]
1.1样品：大米，中粮粮谷大米管理部。正构烷烃(hj894-2017，c7-c40)，上海安谱实验科技股份有限公司。
[0092]
1.2仪器：bsa224s电子天平，德国赛多利斯公司；岛津aoc6000多功能进样器，日本岛津公司；dvb/pdms/carbon wr-80μm萃取头，日本岛津公司)；gcms-2020nx气相色谱-质谱联用仪，日本岛津公司。
[0093]
2检测样品的制备
[0094]
2.1米饭样品的制备：将大米与水以1:1.4比例用浸泡30分钟后，用电饭锅蒸煮30分钟并再焖至10分钟，不用冷却直接取5g米饭置于顶空瓶中，加入2μl含量为0.85μg/ml的2-甲基-3-庚酮，待测。
[0095]
2.2正构烷烃样品的制备：量取10μl的正构烷烃标准品至于20ml顶空瓶中，待测。
[0096]
3.关于hs
–
spme/gc-ms检测方法
[0097]
3.1挥发性成分的富集：采用固相微萃取技术对大米的挥发性成分进行收集。采用自动进样器，萃取温度60℃，平衡时间20min，萃取时间40min，吸附完毕后固相微萃取柱插入进样口解吸时间5min。
[0098]
3.2挥发性成分的gc-ms检测条件
[0099]
色谱条件：色谱柱wax毛细管柱(60m
×
0.25mm
×
0.25μm)，载气为氦气，流速为1.2ml/min；进样口温度为250℃；不分流进样；升温程序：初始温度为40℃，保持温度持续3min，首先5℃/min升温至200℃，保持0min，再以10℃/min升温至230℃，保持3min。
[0100]
质谱条件：ei离子源，电子能量70ev，传输线温度250℃，离子源温度为230℃；四极杆温度为150℃，质量扫描范围m/z 40～500，扫描模式为全扫描，调谐文件为标准调谐。
[0101]
3.3gc-ms分析方法：将所有大米样品的检测结果通过gc-ms化学工作站按峰面积大小进行全积分模式扫描，并在nist 2011质谱数据库中进行检索。计算机根据未知化合物在质谱中断裂的离子峰片段在nist标准谱库中检索，按离子峰的匹配度高到低给出相应的物质清单，并以匹配度最高的鉴定结果在定性表格中予以报道。
[0102]
在相同色谱条件下，通过对c7-c40正构烷烃混合标品的色谱扫描，可以得到不同
碳数和在相应方法下所对应的保留时间，并用于计算未知化合物的保留指数(retention index，ri)值。
[0103]
4.hs
–
spme/gc-ms数据处理方法
[0104]
4.1导出原始数据
[0105]
将gc-ms化学工作站通过全积分模式扫描到的色谱图和比对谱库匹配到的所有数据信息导出，并整理好正构烷烃混合标品的检测结果，记录下含不同碳原子的烷烃物质的保留时间。
[0106]
4.2通过粮油风味物质分析程序进行比对来获得保留指数
[0107]
通过gc-ms化学工作站处理的麦芽样品的检测结果与正构烷烃混合标品色谱结果同时导入粮油风味物质分析程序中(图1)，此分析程序根据下式(i)自动计算出每一化合物的保留指数：
[0108]
ri＝100z 100[tr(x)-tr(z)]/[tr(z 1)-tr(z)](i)
[0109]
其中：tr(x)、tr(z)、tr(z 1)分别代表目标组分以及碳数为z、z 1的正构烷的保留时间，且tr(z)《tr(x)《tr(z 1)。
[0110]
4.3通过粮油风味物质分析程序进行数据整理
[0111]
4.3.1数据分析：该分析程序进一步将化合物的保留指数与nist 2011谱图库中相应化合物的保留指数进行比对，将保留指数相差≤50，即判定相应的物质可以为大米风味物质(match)；保留指数≥70，即判定为相应的物质不是大米风味物质(delete)；50＜保留指数＜70，即判定为相应的物质可能是大米风味物质(pending)。所有的数据处理结果，在文件的最后进行了总结。
[0112]
4.3.2数据清洗：经该程序数据清洗后，分析得到大米的主要风味物质(结果如图12所示)。
[0113]
可见，本发明的方法可以实现粮油食品特征性风味物质的快速鉴定和筛查，数据分析时间从6h缩短小于10min，有效解决复杂体系中多组分风味物质的定性、定量统计分析问题，大大提高了工业效率，具有良好的工业实用性。