基于碳纳米-PDMS无损检测果蔬香气成分的方法

技术领域

本发明属于食品检测领域，可用于果蔬贮藏保鲜，具体涉及一种基于碳纳米-PDMS材料吸附挥发性成分，从而实现无损检测果蔬香气成分的方法。

背景技术

香气成分是构成和影响果品鲜食、加工质量的主要因素。随着人们对果品品质的要求越来越高以及食品工业对天然风味物质需求的增加，果品香气备受关注，香气已成为果品品质的重要研究领域之一。目前国内外研究者已鉴定出300多种香气物质，主要包括酯类、醇类、醛类、酮类、萜烯类、酸类等。近年来随着分析仪器和样品前处理技术的发展，水果挥发性成分的分析水平得到很大提高。传统的水果挥发性成分分析通常都要进行前处理，如液-液萃取、水蒸气蒸馏萃取、超临界流体萃取等，利用这些前处理在一定程度上保证了样品分析的准确性，但这些方法都不同程度的存在需样量大、耗时长、花费高、对人体造成潜在伤害等缺憾。

水果贮藏方式现主要有普通冷藏、气调贮藏等，贮藏大气中O

近年来，研究发现固相微萃取(SPME)的样品香气萃取方法较传统的香气分离提取方法(溶剂提取法、水蒸气蒸馏、氮气吹扫捕集法、同时蒸馏法)效果更好，且其分析的香气化合物种类多且含量高，因而成为使用最广泛的方法。但该方法需50/30μm二乙烯基苯/Carboxen/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS)、100μm PDMS、65μm PDMS/DVB、75μm CAR/PDMS萃取头以吸附香气物质，该材料价格较高，市场上一支价格大约为1000元，且使用寿命大概为100次，因此不易大范围推广。该材料使用方法也多称顶空固相微萃取，并未实现样品的无损检测。

发明内容

本发明的目的在于针对香气化合物测定过程常用的萃取材料(DVB/CAR/PDMS)、100μm PDMS、65μm PDMS/DVB、75μm CAR/PDMS不便携、易折断、解吸附难度较大、不便转运及样品前处理过程中需大量破坏样品造成了样品大量浪费等问题，提供一种在不破坏果蔬的基础上，利用一种成本较低且可重复利用的碳纳米-PDMS材料吸附香气化合物，同时检测到的香气物质多为主要特征性香气，实现果蔬香气物质无损检测的方法，既能有效无损检测果蔬主要香气物质，也可降低检测所需的经济成本。此外，该检测方法也可应用到其它的微域环境。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案由下述步骤组成：

步骤一：将聚二甲基硅氧烷(PDMS)基础液、固化剂、碳纳米纤维或碳纳米球搅拌混合均匀，倒入模具中，60～70℃加热10～12h后，冷却至室温并用乙醇脱模，得到碳纳米-PDMS材料；

步骤二：将碳纳米-PDMS材料和果蔬置于果蔬保鲜袋中，密封袋口，静置48小时以上，使碳纳米-PDMS材料充分吸附果蔬挥发的香气物质；

步骤三：使用色谱级甲醇提取碳纳米-PDMS材料吸附的香气物质，并利用超声辅助提取，采用气相色谱-质谱分离所得提取液中香气成分并对其定性定量检测。

上述步骤一中，优选所述聚二甲基硅氧烷基础液和固化剂的体积比为10:1，基础液密度为1.04g/mL。

上述步骤一中，优选所述碳纳米球或碳纳米纤维的添加量为1～1.5mg/mL聚二甲基硅氧烷基础液。所述碳纳米球的比表面积为160～1000m

上述步骤二中，优选所述碳纳米-PDMS材料和果蔬的质量比为1：0.1～10kg。

上述步骤三中，所述气相色谱的色谱柱为DB-WAX柱，色谱柱升温程序为：初始温度40℃保持3min，以5℃/min升至160℃，保持5min，再以10℃/min升至240℃，保持15min；进样量1μL，载气为纯度＞99.999％的He气，柱流量为1mL/min。所述质谱条件为：电离方式EI；电子能量70eV；质量扫描范围30～500amu；离子源温度230℃；接口温度250℃。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明使用碳纳米球或碳纳米纤维作为固相微萃取材料的吸附剂，该材料具有比表面积大、粒径小的优点，且其分散性好，不需经过任何处理就可以与PDMS凝胶溶液混合均匀，得到重现性较好的碳纳米-PDMS材料。同时，通过选择不同模具可以制得不同厚度及形状的碳纳米-PDMS材料，制备方法简单，成本较低，且不易损坏。

(2)本发明将果蔬产生的香气物质通过气袋收集，同时通过制备的碳纳米-PDMS材料吸附产生的香气物质，然后利用甲醇将吸附的香气物质解吸附后，再通过GC-MS分离、定性定量测定果蔬主要特征性香气成分。本发明操作简单，检测结果准确，克服了现有技术检测香气物质时需破坏样品的不足。且所用碳纳米-PDMS材料成本较低，可检测的吸附香气成分峰面积值更高，香气成分可检测到的种类也更多，适用于各种果蔬的挥发性香气组分的检测。此外，该材料也可以应用到其它的微域环境中。

(3)与传统材料对比，本发明制备的碳纳米-PDMS材料具有更好的吸附香气物质的效果，可吸附多种水果的主要香气物质，检测到的酯类物质主要有2-甲基丁酸乙酯、乙酸-2-甲基-1-丁酯、2-甲基丁酸丙酯、丁酸丁酯、2-甲基丁酸丁酯、丁酸-2-甲基丁酯、乙酸己酯、己酸丁酯、2-甲基丁酸己酯、己酸-2-甲基丁酯、己酸己酯等，醇类物质有2-甲基-1-丁醇、1-丁醇、1-己醇、1-戊醇等，其他类主要是法尼烯，多为完整水果香气物质，实现了水果香气物质的无损检测。且该材料解吸附便捷，应用范围广。

(4)本发明方法也可用于监测冷库内水果的发病率或者是指导冷库内水果出库时间，在某些香气组分出现或者消失时以及一些特征指示性香气含量出现变化时，代表该批苹果应采取出库的措施。

附图说明

图1是实施例1中碳纳米纤维的比表面积测定图。

图2是实施例1中碳纳米纤维的粒径测定图。

图3是实施例2中碳纳米球的比表面积测定图。

图4是实施例2中碳纳米球的粒径测定图。

图5是实施例1的碳纳米纤维/PDMS微萃取材料吸附苹果中香气化合物的色谱图。

图6是对比例1中PDMS固相微萃取材料(左)、实施例1中碳纳米纤维/PDMS微萃取材料(中)和实施例2中碳纳米球/PDMS固相微萃取材料(右)的照片。

图7是对比例1中PDMS固相微萃取材料(上)、实施例1中碳纳米纤维/PDMS微萃取材料(中)和实施例2中碳纳米球/PDMS固相微萃取材料(下)的全扫描显微镜图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。

下面实施例中，所用的碳纳米纤维的比表面积为275.8m

所用碳纳米球的比表面积为161.24m

所用PDMS基础液(密度为1.04g/mL)、PDMS固化剂由西安晶博生物有限公司提供。

实施例1

步骤一：将4mL PDMS基础液(密度为1.04g/mL)、0.4mL PDMS固化剂、5mg碳纳米纤维搅拌混合均匀，倒入圆柱形模具中，70℃加热12h后，冷却至室温并用乙醇脱模，得到碳纳米-PDMS材料(记为碳纳米纤维/PDMS微萃取材料)。

步骤二：将1g碳纳米-PDMS材料和1kg晚熟富士苹果置于果蔬保鲜袋中，扎紧密封袋口，静置48h，使碳纳米-PDMS材料充分吸附苹果挥发的香气物质。

步骤三：使用色谱级甲醇提取碳纳米-PDMS材料吸附的香气物质，并利用超声辅助提取5min后，采用气相色谱-质谱分离所得提取液中香气成分并对其定性定量检测，重复三次实验。气相色谱的色谱柱为DB-WAX柱，色谱柱升温程序为：初始温度40℃保持3min，以5℃/min升至160℃，保持5min，再以10℃/min升至240℃，保持15min；进样量1μL，载气为纯度＞99.999％的He气，柱流量为1mL/min。质谱条件为：电离方式EI；电子能量70eV；质量扫描范围30～500amu；离子源温度230℃；接口温度250℃。通过NIST检索库检索对每一种香气物质定性并记录其峰面积值。在该条件下检测到的香气化合物色谱图如图5所示。

对比例1

在实施例1的步骤一中，将4mL PDMS基础液(密度为1.04g/mL)、0.4mL PDMS固化剂搅拌混合均匀，倒入圆柱形模具中，70℃加热12h后，冷却至室温并用乙醇脱模，得到固相微萃取材料(记为PDMS微萃取材料)。步骤二和步骤三与实施例1相同。

实施例2

本实施例的步骤一中，将4mL PDMS基础液(密度为1.04g/mL)、0.4mL PDMS固化剂、5mg碳纳米球搅拌混合均匀，倒入圆柱形模具中，70℃加热12小时后，冷却至室温并用乙醇脱模，得到碳纳米-PDMS材料(记为碳纳米球/PDMS微萃取材料)。步骤二和步骤三与实施例1相同。

上述实施例1和2以及对比例1的检测结果见表1。

表1不同碳纳米-PDMS材料对富士苹果香气成分吸附效果对比结果

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注：表中-代表未检测到。

由表1可知：实施例1采用碳纳米纤维制备的碳纳米-PDMS材料检测到香气成分17种，实施例2采用碳纳米球制备的碳纳米-PDMS材料检测到香气成分14种，对比例1的固相微萃取材料检测到香气成分15种，但大多数香气物质在碳纳米球和碳纳米纤维中检测到的都比对比例1的峰面积响应值更高，说明本发明制备的碳纳米-PDMS材料具有更好的吸附香气物质的效果。检测到酯类物质主要有2-甲基丁酸乙酯、乙酸-2-甲基-1-丁酯、2-甲基丁酸丙酯、丁酸丁酯、2-甲基丁酸丁酯、丁酸-2-甲基丁酯、乙酸己酯、己酸丁酯、2-甲基丁酸己酯、己酸-2-甲基丁酯、己酸己酯等酯类；醇类物质有2-甲基-1-丁醇、1-丁醇、1-己醇、1-戊醇；其他类主要是法尼烯，多为完整苹果香气物质。

对实施例1和2以及对比例1所得微萃取材料进行结构表征，结果见图6和图7，图7是图6的扫描电镜图。由图7可见，在不加碳纳米球或碳纳米纤维的情况下，所得PDMS微萃取材料的表面较为光滑，加入碳纳米纤维和碳纳米球后所得碳纳米纤维/PDMS微萃取材料和碳纳米球/PDMS微萃取材料表面均可以清晰看到碳纳米纤维和碳纳米球，说明两者形成了复合材料。

根据相关文献记载，富士苹果中主要特征性香气有2-甲基丁酸乙酯、乙酸-2-甲基-1-丁酯、1-丁醇、乙酸己酯、1-己醇、α-法尼烯等，也被认为是关键性香气化合物。而采用上述实施例1的无损检测方法与现有有损检测方法(GIANNETTI V,MARIANI M B,MANNINOP,et al.Volatile fraction analysis by HS-SPME/GC-MS and chemometric modelingfor traceability of apples cultivated in the northeast italy[J].Food Control,2017,78:215-221.)可同时检测到这几种香气物质(见表2)，此外，推测在其它的微域环境下也可检测到。

表2不同检测方式对苹果香气物质检测结果对比

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