李 鑫,劉登勇,2,徐幸蓮,周光宏,*
(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 教育部肉品加工與質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210095;2.渤海大學(xué)食品科學(xué)研究院,遼寧 錦州 121013)
金華火腿風(fēng)味物質(zhì)吹掃捕集影響因素分析及關(guān)鍵參數(shù)確定
李 鑫1,劉登勇1,2,徐幸蓮1,周光宏1,*
(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 教育部肉品加工與質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210095;2.渤海大學(xué)食品科學(xué)研究院,遼寧 錦州 121013)
對吹掃捕集自動進(jìn)樣裝置用于肉品風(fēng)味物質(zhì)提取進(jìn)行探索。以金華火腿風(fēng)味物質(zhì)為研究對象,應(yīng)用Plackett-Burman設(shè)計(jì)篩選吹掃捕集顯著影響因素(P<0.05),針對顯著影響因素再進(jìn)行單因素和正交試驗(yàn),最終確定吹掃捕集用于金華火腿風(fēng)味物質(zhì)提取的關(guān)鍵參數(shù)。結(jié)果表明,脫附時間對風(fēng)味物質(zhì)分離效果有較大影響,預(yù)熱溫度、吹掃時間和樣品質(zhì)量對響應(yīng)值具有顯著影響(P<0.05);關(guān)鍵參數(shù)為脫附時間0.50 min、預(yù)熱溫度70 ℃或75 ℃、吹掃時間11 min,樣品質(zhì)量5.5 g。進(jìn)而與氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用測定金華火腿風(fēng)味物質(zhì),分析得到48 種成分,分別屬于烷烴、醛類、酮類、醇類、酯類、單萜烯類和其他化合物。
金華火腿;風(fēng)味物質(zhì);吹掃捕集;影響因素;關(guān)鍵參數(shù)
金華火腿是我國傳統(tǒng)肉制品的典型代表,風(fēng)味獨(dú)特[1]。風(fēng)味是評價火腿質(zhì)量的重要指標(biāo)[2],傳統(tǒng)方法主要是通過對“三簽頭”嗅聞進(jìn)行感官鑒評,主觀影響大、工作效率低;應(yīng)用現(xiàn)代儀器分析方法對火腿風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行分析鑒定,能夠?yàn)榛鹜荣|(zhì)量分級提供客觀依據(jù)。食品風(fēng)味物質(zhì)分析方法涉及提取和分析兩個重要環(huán)節(jié),分析主要采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法,提取方法有同時蒸餾萃取、溶劑輔助蒸發(fā)、固相微萃取[3]、熱脫附[4]和吹掃捕集[5]等。其中,吹掃捕集于1974年由Bellor等[6]首先提出,隨著現(xiàn)代儀器的不斷發(fā)展和商業(yè)化吹掃捕集自動進(jìn)樣裝置的發(fā)明,吹掃捕集逐漸用于分析揮發(fā)性有機(jī)化合物。吹掃捕集具有取樣量少、富集效率高、無溶劑萃取、容易實(shí)現(xiàn)在線檢測等優(yōu)點(diǎn),過去主要在環(huán)境領(lǐng)域[7-8]應(yīng)用較多,近些年開始在有害成分檢測、天然植物芳香提取和食品風(fēng)味分析等方面[9-12]逐漸被應(yīng)用。在應(yīng)用吹掃捕集技術(shù)進(jìn)行肉品風(fēng)味分析方面,雖有相關(guān)報(bào)道[13],但一般只是運(yùn)用吹掃捕集原理自制裝置[14]或在熱脫附進(jìn)樣器前安裝吹掃裝置[15],未見關(guān)于應(yīng)用專業(yè)吹掃捕集自動進(jìn)樣裝置對肉品風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行全面分析研究的報(bào)道。
本研究以金華火腿為原料,運(yùn)用具有專業(yè)自動進(jìn)樣裝置的吹掃捕集系統(tǒng),探索影響分析結(jié)果的因素并確定關(guān)鍵參數(shù),為以后檢測和研究工作提供參考。
1.1 材料與試劑
金華火腿,購于金字火腿股份有限公司。樣品為外形一致的真空包裝帶骨分割塊,取回后置于-20 ℃的冷柜凍藏,直至分析時處理。
樣品制備:將解凍后的火腿去除皮、骨、可見脂肪和肌肉表面氧化層,肌肉用刀式混合研磨儀搗碎混勻,搗碎條件為3 000 r/min、時間為5 s。準(zhǔn)確稱量一定量樣品置于40 mL樣品瓶中,迅速旋緊瓶蓋。每個樣品平行測定3 次,測定樣品前,一般先測定空白樣。
1.2 儀器與設(shè)備
Trace Ultra GC、DSQII MS聯(lián)用儀器 美國Thermo公司;4552水/土模式兩用吹掃捕集自動進(jìn)樣器、40 mL雙開口樣品瓶、4660吹掃捕集樣品濃縮儀、#10捕集阱(Tenax/硅膠/碳分子篩) 美國OI公司;GRINDOMIX GM200刀式混和研磨儀 德國Retsch公司。
1.3 方法
1.3.1 Plackett-Burman設(shè)計(jì)法篩選顯著性影響因素
采用Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)[16]對5 個因素進(jìn)行考查,分別為預(yù)熱溫度(X1)、預(yù)熱時間(X2)、吹掃時間(X3)、脫附溫度(X4)、樣品質(zhì)量(X5)。如表1所示,每個因素取低水平(-1)和高水平(+1)。作為評價指標(biāo)的響應(yīng)變量(Y)為主峰總峰面積,主峰總峰面積是去除環(huán)境空白、含硅化合物及飽和烷烴后,其余峰的總峰面積。
表1 Plackett-Burman試驗(yàn)因素水平表Table 1 Experimental variables and levels of Plackett-Burman design
1.3.2 單因素試驗(yàn)
分別對顯著影響因素(P<0.05)進(jìn)行單因素試驗(yàn)。主峰總峰面積作為重要考察指標(biāo),同時選取其中幾種金華火腿風(fēng)味活性成分[17]峰面積變化為輔助參考指標(biāo),綜合評價實(shí)驗(yàn)條件,確定顯著因素(P<0.05)的合適水平范圍。
1.3.3 正交試驗(yàn)
對顯著影響因素(P<0.05)不同水平進(jìn)行組合試驗(yàn),分析組合條件對響應(yīng)值的影響,并進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),最終確定吹掃捕集-氣質(zhì)聯(lián)用法用于金華火腿風(fēng)味物質(zhì)分析的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果選用L16(45)進(jìn)行三因素四水平正交試驗(yàn),因素水平設(shè)計(jì)見表2。
表2 正交試驗(yàn)因素水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal experimental design
1.3.4 金華火腿風(fēng)味物質(zhì)分離和鑒定
吹掃捕集條件:吹掃氣體為高純氮?dú)?;流?0 mL/min;土壤模式進(jìn)樣;烘焙溫度220 ℃;烘焙20 min。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定不同的脫附溫度、脫附時間、預(yù)熱溫度、預(yù)熱時間、吹掃時間和樣品質(zhì)量。
氣相條件:氣相色譜柱TG-wax MS(30 m× 0.25 mm,0.25 μm);升溫程序?yàn)槌鯗?5 ℃,保持6 min;以10 ℃/min的升溫速率升溫至180 ℃;再以20 ℃/min的升溫速率升溫至220 ℃,保持3 min;程序后設(shè)定溫度220 ℃,保持2 min;進(jìn)樣口溫度220 ℃;載氣為高純氦氣;分流進(jìn)樣、分流比15∶1;恒流模式、流速0.8 mL/min;MS傳輸線溫度220 ℃。
質(zhì)譜條件:離子源溫度200 ℃;電離電壓70 eV;掃描方式為全掃描;掃描范圍m/z 45~350;起始1.00 min后開始記錄圖譜。
1.3.5 揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)鑒定
金華火腿風(fēng)味化合物利用Xcalibar(Thermo Scientific)軟件進(jìn)行鑒定,檢測到的質(zhì)譜信息與NIST和Wiley質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,并配合手動檢索校對信息,正反匹配度大于800(最大值為1 000)的成分作為定性結(jié)果;采用峰面積計(jì)算相對含量。
1.4 統(tǒng)計(jì)分析
應(yīng)用Minitab 16軟件分析Plackett-Burman試驗(yàn)結(jié)果;應(yīng)用SAS Version 9.1.3軟件進(jìn)行方差分析,多重比較選用Duncan’s multiple-range test。
2.1 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果
Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)利用較少試驗(yàn)次數(shù)考察較多影響因素,只考慮各因素引起的主效應(yīng),忽略因素之間交互作用[18],因此該試驗(yàn)用于篩選顯著影響因素(P<0.05)作為后續(xù)試驗(yàn)研究重點(diǎn),非顯著性影響因素(P>0.05)根據(jù)試驗(yàn)情況確定取值。Plackett-Burman試驗(yàn)組別及對應(yīng)色譜峰面積結(jié)果如表3所示,對試驗(yàn)結(jié)果分析得到試驗(yàn)?zāi)P鸵蛩刂餍?yīng)P值為0.003,說明模型在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有意義。
由試驗(yàn)分析得到因素的正負(fù)效應(yīng)和影響如圖1所示,置信水平為95%。圖中灰、黑色區(qū)域表示因素由低水平到高水平變化產(chǎn)生的正(+)、負(fù)(-)效應(yīng)。圖1中只有脫附溫度一個因素呈現(xiàn)較弱的負(fù)效應(yīng),即200 ℃脫附響應(yīng)值稍差。另外,結(jié)果顯示,預(yù)熱溫度(X1)、吹掃時間(X3)和樣品質(zhì)量(X5)3 個因素具有顯著性(P<0.05),作為關(guān)鍵因素繼續(xù)探討;脫附溫度(X4)和預(yù)熱時間(X2)為非顯著影響因素(P>0.05),根據(jù)試驗(yàn)情況分別確定為190 ℃和3 min。
表3 Plackett-Burman試驗(yàn)結(jié)果(n=4)Table 3 Results of Plackett-Burman experimental design (n=4)
圖1 Plackett-Burman因素影響圖Fig.1 Pareto chart of the major factors obtained from Plackett-Burman design
2.2 單因素試驗(yàn)
2.2.1 脫附時間對風(fēng)味物質(zhì)分離效果的影響
脫附時間是影響吹掃捕集分析效果影響因素之一,其設(shè)定范圍較小,一般為0~4 min。在前期試驗(yàn)中,將脫附時間與其他5 個因素一起作為Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的因素進(jìn)行篩選,但通過對比不同條件色譜圖發(fā)現(xiàn),只有脫附時間在較小的設(shè)定范圍內(nèi)影響風(fēng)味物質(zhì)分離效果,而Plackett-Burman試驗(yàn)評定結(jié)果的前提是因素在高低水平范圍內(nèi)不能影響風(fēng)味物質(zhì)分離效果。因此,脫附時間這個因素被單獨(dú)列出,通過單因素試驗(yàn)直接確定取值。
脫附時間分別取0.50、2.25、4.00 min進(jìn)行試驗(yàn),預(yù)熱溫度60 ℃、吹掃時間8 min、樣品質(zhì)量4.0 g。不同脫附時間對風(fēng)味物質(zhì)分離效果影響最大的部分在色譜圖前期,截取3 個脫附時間0~7 min氣質(zhì)聯(lián)用總離子流圖,如圖2所示。對比發(fā)現(xiàn),脫附時間延長,相同化合物出峰時間整體向后偏移;另外,隨脫附時間延長,目標(biāo)物被釋放的量增加,超過了色譜柱柱容量,導(dǎo)致色譜峰形變差。綜上所述,脫附時間為0.50 min比較合適。
圖2 脫附時間對風(fēng)味物質(zhì)分離效果的影響Fig.2 Effect of desorption time on the separation of flavor compounds
2.2.2 預(yù)熱溫度對捕集效果的影響
預(yù)熱溫度,是指先將樣品加熱到某一溫度,并在此溫度條件下進(jìn)行吹掃,因此也可以理解為吹掃溫度。預(yù)熱溫度從50 ℃開始,每隔5 ℃測定1次,吹掃時間8 min,樣品質(zhì)量4.0 g。由表4可知,隨預(yù)熱溫度升高,響應(yīng)值整體呈上升趨勢,主峰總峰面積在75 ℃時最大,并與其他處理組有顯著差異(P<0.05)。但溫度升高可能引發(fā)一些熱反應(yīng),從而改變原有風(fēng)味組分;當(dāng)樣品加熱到80 ℃時,吹掃過程會產(chǎn)生較為明顯的油狀小液滴掛于瓶壁,也會造成儀器管道污染。選取其中5 種風(fēng)味活性成分作為輔助參考,變化趨勢一致的成分不再逐一列出。綜述所述,預(yù)熱溫度為65~75 ℃比較合適。
表4 預(yù)熱溫度對捕集效果的影響Table 4 Effect of preheating temperature on trapping efficiency
2.2.3 吹掃時間對捕集效果的影響
吹掃時間從6 min開始每隔1 min測定1 次,樣品質(zhì)量4.0 g,預(yù)熱溫度60 ℃。由表5可知,隨吹掃時間延長,響應(yīng)值整體呈上升趨勢;金華火腿特征風(fēng)味成分2,6-二甲基吡嗪從8 min開始呈現(xiàn)平緩趨勢。同時對吹掃時間12、13、17、23 min進(jìn)行了測定,對比不同吹掃時間總離子流圖發(fā)現(xiàn),從12 min開始色譜峰出現(xiàn)拖尾,峰形變差,這是由于吹掃時間越長,富集被測物的量越大,從而超過色譜柱容量,導(dǎo)致分離效果變差。綜上分析,吹掃時間8~11 min比較合適。
表5 吹掃時間對捕集效果的影響Table 5 Effect of purge time on trapping efficiency
2.2.4 樣品質(zhì)量對捕集效果的影響
表6 樣品質(zhì)量對捕集效果的影響Table 6 Effect of sample mass on trapping efficiency
樣品質(zhì)量從3.5 g開始,每增加0.5 g測定1次,萃取溫度60 ℃、萃取時間8 min。由表6可知,隨樣品質(zhì)量增大,主峰總峰面積增加,樣品質(zhì)量取5.5 g和6.0 g時無顯著差異(P>0.05);金華火腿特征風(fēng)味辛醛、2-戊基呋喃及2,6-二甲基吡嗪由樣品質(zhì)量增加引起的峰面積變化并不大。因此,樣品質(zhì)量取4.0~5.5 g已經(jīng)足夠。
2.3 正交試驗(yàn)
正交試驗(yàn)結(jié)果采用極差分析,由表7可知,在正交試驗(yàn)設(shè)定的水平范圍內(nèi),吹掃時間(B)對響應(yīng)變量影響最大,樣品質(zhì)量(C)次之,預(yù)熱溫度(A)影響最小,優(yōu)組合為A3B4C3(75 ℃、11 min、5.5 g)。對理論優(yōu)組合與正交表第8組A2B4C3(70 ℃、11 min、5.5 g)進(jìn)行比較驗(yàn)證,得到理論組平均值為5.256×108,說明理論組略優(yōu)于第8組,但兩組方差分析結(jié)果差異不顯著(P>0.05),說明在吹掃時間11 min、樣品質(zhì)量5.5 g時,預(yù)熱溫度70 ℃或75 ℃均可。
表7 正交試驗(yàn)結(jié)果(n=4)Table 7 Results of orthogonal experimental design (n=4)
2.4 金華火腿風(fēng)味物質(zhì)成分分析結(jié)果
在試驗(yàn)確定的關(guān)鍵參數(shù)條件下(脫附時間0.50 min、預(yù)熱溫度70 ℃、吹掃時間11 min、樣品質(zhì)量5.5 g),吹掃捕集結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用測定金華火腿風(fēng)味物質(zhì),總離子流圖如圖3所示,分析后得到48 種風(fēng)味化合物,風(fēng)味成分詳見表8。其中烷烴類5 種占總峰面積的2.61%、醛類8 種占27.72%、酮類5 種占15.90%、醇類9 種占35.72%、酯類5 種占1.98%、萜烯類1 種占0.20%、含硫化合物4 種占8.00%、含氮化合物6 種占2.86%、其他5 種占5.01%。表8中編號為7、9、10、20、21、26、27、28、32、35、36、38、40、41、43、44、45的化合物,已被鑒定為金華火腿風(fēng)味重要組成成分[19-20]。
圖3 金華火腿風(fēng)味物質(zhì)的氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用總離子流圖Fig.3 Total ion current chromatogram of flavor compounds in Jinhua ham
表8 金華火腿風(fēng)味成分(n=4)Table 8 Flavor compounds in Jinhua ham (n=4)
在色譜實(shí)驗(yàn)中,應(yīng)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析關(guān)鍵因素、確定適于分析的有利條件,已經(jīng)成為一種有效手段[21],在固相微萃取結(jié)合氣質(zhì)聯(lián)用測定揮發(fā)性有機(jī)物的實(shí)驗(yàn)中已有所應(yīng)用[22]。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)篩選吹掃捕集顯著影響因素作為研究重點(diǎn),再通過單因素、正交試驗(yàn)進(jìn)一步研究,評價指標(biāo)為色譜峰面積。峰面積是色譜實(shí)驗(yàn)的常用評價指標(biāo)[22-24]。在其他風(fēng)味物質(zhì)提取方法如固相微萃取,一般還用風(fēng)味物質(zhì)檢出個數(shù)與峰面積綜合評價處理?xiàng)l件。但吹掃捕集在Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)定范圍內(nèi),峰個數(shù)未隨條件改變產(chǎn)生較大變化,因此不適合作為評價指標(biāo),這是吹掃捕集與固相微萃取提取和富集風(fēng)味物質(zhì)的吸附設(shè)備構(gòu)造不同所決定的。
從檢出風(fēng)味成分上看,劉登勇等[19]應(yīng)用固相微萃取法確定金華火腿重要風(fēng)味特征成分12 種,本實(shí)驗(yàn)可檢出10 種;田懷香[20]應(yīng)用同時蒸餾萃取法確定風(fēng)味特征成分15 種,本實(shí)驗(yàn)?zāi)軝z出14 種,其中甲硫醇也有檢出,但正反匹配度未達(dá)到設(shè)定要求,未將其列入成分表。風(fēng)味成分存在差異不僅與前處理方法有關(guān),與所用金華火腿樣品存在風(fēng)味差別也有關(guān)。因此,對金華火腿主體風(fēng)味輪廓的描述上,吹掃捕集能夠滿足測定要求。從分析時間上看,同時蒸餾萃取法提取金華火腿風(fēng)味物質(zhì)最佳條件需要2 h,固相微萃取法及熱脫附法一般需要40 min,而吹掃捕集一般需要11 min,如果進(jìn)行連續(xù)進(jìn)樣,吹掃捕集的優(yōu)勢更為明顯,且加熱時間縮短能有效減少風(fēng)味組分發(fā)生反應(yīng)。從環(huán)保角度看,吹掃捕集同固相微萃取一樣,具有無溶劑萃取的優(yōu)點(diǎn),避免損害工作者健康,不對環(huán)境造成二次污染。
綜上所述,運(yùn)用專業(yè)吹掃捕集自動進(jìn)樣裝置提取和富集金華火腿風(fēng)味物質(zhì),既能完整描述特征風(fēng)味輪廓,又在分析時間上具有明顯優(yōu)勢,能大大提高工作效率。本研究應(yīng)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析了影響吹掃捕集的因素,并確定出關(guān)鍵參數(shù)。但將吹掃捕集廣泛應(yīng)用于肉品風(fēng)味提取,還有很多工作有待深入,如不同種類肉品風(fēng)味提取的適用參數(shù)、不同捕集阱的比較等??傊?,吹掃捕集這種前處理方法在肉品風(fēng)味快速檢測和綠色檢測上具有很大潛力,還應(yīng)該進(jìn)一步探索和研究。
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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)
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.
Jinhua ham; flavor compounds; purge and trap; impacting factor; key parameter
TS201.2
A
1002-6630(2014)14-0130-06
10.7506/spkx1002-6630-201414025
2013-10-16
公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303082-2;200903012)
李鑫(1987—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)槿馄焚|(zhì)量控制。E-mail:lixin0467@126.com
*通信作者:周光宏(1960—),男,教授,博士,研究方向?yàn)槿馄房茖W(xué)。E-mail:ghzhou@njau.edu.cn