什么是溶剂辅助风味蒸发？

 

文献分享

编者按：

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题为“Solvent assisted flavour evaporation ± a new and versatile technique for the careful and direct isolation of aroma compounds from complex food matrices（溶剂辅助风味蒸发–一种新的多功能技术，用于从复杂的食品基质中仔细和直接地分离香气化合物）”是Peter Schieberle教授团队在1999发表的一篇文章，研究团队开发了一种溶剂辅助风味蒸发系统，可以从复杂的食品基质中分离香气化合物。该文对于了解溶剂辅助风味蒸发装置和方法具有一定的帮助作用。

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科学私享

2019.05.30

溶剂辅助风味蒸发–

一种新的多功能技术，用于从复杂的食品基质中仔细和直接地分离香气化合物

开发了一种紧凑型多功能蒸馏装置，用于快速，仔细地分离复杂食品基质中的挥发物。与高真空泵（5×10-3 Pa）相连，新技术，特指溶剂辅助风味蒸发（SAFE），可以从溶剂萃取物中分离出挥发性化合物，水性食物（如牛奶或啤酒），水性食物悬浮液（如果肉）等中分离挥发物，甚至是含油量高的基质。与先前使用的技术（例如高真空转移）相比，应用SAFE可以在特定的芳香化合物的模型溶液中让溶剂提取物或脂肪基质（50％脂肪）具有更高产率。直接蒸馏水性果浆联合稳定同位素稀释分析，可以快速定量（60min，包括MS分析）化合物，如草莓 (3.2 mg/ kg）和和西红柿（340 mg / kg）的极性和不稳定的4-羟基-2,5-二甲基-3（2H）- 呋喃酮。此外，直接蒸馏水性食品，例如啤酒或橙汁，可以得到不含非挥发性基质化合物的风味水性馏分。

介绍

通过提取和/或蒸馏技术小心地将挥发性芳香化合物与非挥发性食物基质分离的复杂技术的发展已经成为数千年的困难任务。如今，从复杂食品基质中富集气味活性挥发物仍然是对识别和量化食品气味物质感兴趣的化学家所面临的挑战。

一般而言，应用于此目的的技术必须满足以下重要要求：（1）不应区分对某种风味贡献很大的化合物；（2）所应用的条件不应改变关键芳香化合物的结构；（3）应彻底清除可能干扰气相色谱分离的非挥发性化合物。

蒸汽蒸馏是从非挥发性物质中分离挥发性物质的最古老的技术之一。1964年，Nickerson和Likens [1]开发了一种多功能蒸馏装置，用于通过溶剂（SDE）同时萃取蒸汽馏分。该技术是当今用于食品风味分离的最通用的方法之一。然而，尽管通过该方法可以非常快速且简单地获得芳香提取物，但是在蒸馏过程中升高的温度可能导致人为产物（artefact）的形成。特别是，当食物样品中存在糖和游离氨基酸时，美拉德反应或Strecker反应可能导致形成额外的，非真正的芳香化合物，或者可能增加真正的芳香化合物的数量[2]。Weurman等人 [3]表明在这种连续蒸馏过程中也可能形成酯或缩醛。此外，一些重要的食品香气化合物，如4-羟基-2,5-二甲基-3（2H）- 呋喃酮（HDF），称为呋喃酮，已知可通过SDE方法区分[4]。

特别是为了减少人为产物形成的可能性，Weurman等人 [3]开发了一种高真空蒸馏技术，适用于蒸馏食物本身或食物材料的溶剂提取物。该想法是通过经由玻璃管连接的两个容器之间的极端温差“在真空系统中”转移挥发物，从而除去非挥发性物质。基于这种高真空转移（HVT）技术，Schieberle和Grosch [5]先前提出了一种高真空升华设备，该设备最初仅用于食品溶剂提取物，但后来改进用于蒸馏，例如，蔬菜油[6-8]。目前我们小组中用于通过HVT进行香气分离的装置如图1所示。

▲图1 高真空转移设备

设备的以下缺点促使我们进一步改进该技术：（1）沸点较高的芳香化合物在到达疏水阀之前可能在管内部分冷凝; （2）只能使用乙醚和二氯甲烷萃取液，否则冷冻溶剂可能会堵塞管子和疏水阀; （3）含有高浓度饱和脂肪（如黄油）的提取物可能堵塞滴液漏斗的旋塞; （4）该设备需要大量的工作台空间，并且需要至少1h才能开始蒸馏。此外，设备很脆弱。

本文的目的是开发一种新的蒸馏装置，可以快速从不同的食品基质中分离食品挥发物，包括含水食品，如水果或牛奶。此外，该装置易于操作和稳定，因此在高真空下使用时提高了安全性。

材料和方法

蒸馏装置

蒸馏装置（BÆNG;GlasbläsereiBahr，Manching，德国）的详细方案如图2所示。一般来说，装置（尺寸，40×25×7 cm）由滴液漏斗组成（图2，编号4），一个冷却疏水阀（编号6）和一个带有两个“支腿”（编号11和12）的中心头（编号2），两个都装有接地接头NS 29（编号17）以固定各种体积的蒸馏容器。滴液漏斗的出口通向左“腿”的底部（编号11）。头部的蒸汽入口（编号3a）和存水弯的入口安装在每个“支腿”的侧面。为了确保蒸馏过程中的恒定温度并防止挥发物冷凝，头部和两个“腿”完全用水恒温。从进水口（编号13），两个柔性聚乙烯管（编号15）引导水流到两腿的底部，为避免形成气泡而提供有效的温度调节。

▲图2用于溶剂辅助气味蒸发（SAFE）的新蒸馏装置的示意图。数字在文中解释

溶剂辅助风味蒸发技术的设计

图3显示了用于进行风味蒸发的整个蒸馏设备。在开始蒸馏之前，通过出口13和14（图2）将头部和腿部恒温（通常在20℃至30℃之间）。蒸馏容器（左侧，体积在250 ml和1000 ml之间）通过水浴加热至20℃至30℃之间。然后，通过扩散泵（Leybold，Cologne，Germany）经由出口编号18将高真空（10-3Pa）施加到溶剂辅助的香味蒸发（SAFE）装置上，同时小心地关闭滴液漏斗的高真空旋塞。然后，将液氮倒入捕集器中（图2，编号6）。通过将等分样品从滴液漏斗滴入左容器（5-20 ml含有高固体含量的水样品，或10ml / min油性样品或溶剂提取物）开始蒸馏程序。

▲图3 SAFE组装设备的视图

水浴温度，30℃; 捕集器的温度，-196℃

从立即形成的蒸汽喷雾中，挥发物和溶剂通过管3a（图2）转移到编号2的蒸馏头中。两个螺旋桨形屏障安装在头部，以从蒸汽中除去非挥发性物质。馏出物通过设备右侧的管3b进入液氮冷却烧瓶。挥发物，水或其他溶剂沿容器壁冷凝。由于有效的温度调节，未观察到管9，3a，3b或10的凝固。建议在接头处使用聚四氟乙烯环，以避免使用真空润滑脂污染香味提取物。

化学试剂

所有化学品均购自括号内的供应商：正构烷烃C-10至C-26和2-乙酰基吡咯（Fluka，Buchs，Germany）; （E，E）-2,4-癸二烯醛，3-甲基丁酸，3-羟基-4,5-二甲基-2（5H） - 呋喃酮（Sotolon）; 苯乙醛 - 醛，2-苯基乙醇和香草醛（Aldrich，Steinheim，Germany）; （E）-β-大马酮由Haarmann和Reimer（德国Holzminden）友情提供。

如前所述合成[13C2] -4-羟基-2,5-二甲基-3（2H） - 呋喃酮，[13C2] - 和[2H6] - （E）-β-大马酮[7,9]。

用于蒸馏实验的模型溶液的组成

制备以下模型溶液方案。模型I：正构烷烃C-10至C-26（各2mg）在乙醚（20ml）中的混合物; 模型II：香草醛（3.7μg），（E）-b-大马酮（0.9 μg），2-苯基乙醇（3.7μg），（E，E）-2,4-癸二烯醛（1.4 μg），3-甲基丁酸（将1.9 μg）苯乙醛（4.2μg）和3-羟基-4,5-二甲基-2（5H） - 呋喃酮（2.2μg）溶于二乙醚（50ml）中; 和模型III：用合成的三酰基甘油酯（50ml）液体混合物稀释的模型II。

产率的确定

使用HVT（图1）或SAFE设备（图3）蒸馏模型I～III。真空蒸馏后，加入2-乙酰基吡咯（模型I为2mg，模型II和III为6mg）作为内标，并在馏出物浓缩后（模型II和III）在38℃下通过Vigreux柱（60×1cm），在HRGC（气相色谱仪5160型; Carlo Erba，Hofheim，德国）上在熔融石英柱（30m×0.32mm，DB-5 0.5μm；Fisons；Germany）上分离混合物。使用通过ITD 800（Finnigan，Bremen，Germany）监测的分子离子的强度的质谱进行定量，所述ITD 800以化学电离模式运行，其中甲醇作为反应气体。选择最强的离子进行定量; 通过使用在已知量的分析物和2-乙酰基吡咯的实验中测定的响应因子计算产率。

草莓和番茄果肉中HDF的定量

通过ultraturrax（Jahnke und Kunkel，Staufen，Germany）将草莓或西红柿（各20g）在含水饱和CaCl2溶液（20g）中均质30 s。在混合之前，向该材料中加入[13C2] -HDF（18mg）和[2H6] - （E）-β-大马酮（0.04mg）溶解在乙醇（0.5ml）中。使用SAFE装置将完全悬浮液蒸馏约20 min。解冻后，将冷凝物用乙醚（总体积，120ml）萃取三次，并在用Na2 SO4干燥后，使用旋转蒸发器将该混合物浓缩至1ml。将等分试样的提取物（0.5ml）用于质谱/稳定同位素稀释分析[10]。

结果

为了从固体食物（例如爆米花[2]）中仔细分离风味，通常制备咖啡粉或面包皮溶剂提取物。为了检查新蒸馏装置的有效性，通常使用HVT（图1）或新的SAFE设备蒸馏溶解在乙醚中的烷烃（C-10至C-26）的混合物（图2）。为了比较，两个装置都连接到相同的高真空泵，使得能够同时蒸馏两种溶液。馏出物中量化结果显示（表1），仅通过HVT，完全回收正癸烷和正十二烷。从沸点为252 ℃的正十四烷开始，产率显著降低。

▼表1使用高真空转移（HVT）或溶剂辅助的风味蒸发（SAFE）技术在35℃下比较一系列正构烷烃（C-10至C-26）的产率

另一方面，在使用SAFE装置获得的馏出物中，每种烷烃测量的产率显著更高。与使用HVT设备获得的相比，即使沸点为345 ℃的二十烷的产率也增加了10倍。

在进一步的实验中，使用HVT和SAFE装置蒸馏七种选定的食品芳香化合物（0.9-3.7μg，在50ml乙醚中）的醚溶液。产率的比较结果显示（表2），通过使用SAFE装置，特别是例如香草醛，葫芦芭内酯和3-甲基丁酸的极性更大的气味物质的产率增加。应该强调的是，通过两种技术从蒸馏醚溶液中定量出极少量（E）-β-大马酮（0.9μg）。

▼表2使用HVT或SAFE设备在35℃下蒸馏七种食品风味物质的溶剂溶液所得产率的比较

食物中的溶剂提取物通常含有大量非挥发性物质，如脂类或天然色素。为了研究脂肪对蒸馏过程中风味挥发物产率的影响，对含有50％脂肪的七种食品香料的相同模型溶液进行蒸馏。如所预期的，与不含脂肪的模型II的蒸馏相比，每种气味物质的产率低得多（参见表2和3）。然而，SAFE设备再次证明更有效。

▼表3使用HVT或SAFE设备在35℃下蒸馏溶解在油性基质（50％脂肪）中的七种香气化合物的混合物所获得的产率的比较

应该提到的是，通常，当使用HVT装置时，获得用于HRGC的馏出物所需的时间约为4-8h（包括设置设备），而使用SAFE装置进行蒸馏时为1-2 h。

最近，通过连续液/液萃取，然后进行HVT蒸馏，仔细分离了新鲜的手工挤压橙汁中的香味挥发物[11]。然而，萃取程序是特别耗时的步骤，因为由于溶剂冷冻，不可能使用HVT设备直接蒸馏含水萃取物。然而，使用SAFE装置，可以直接蒸馏含水样品，例如啤酒，牛奶或橙汁，产生含有挥发物但不含非挥发性物质的含水馏出物。通过感官小组对这种馏出物的感官评价（数据未显示）表明食品的典型气味完全恢复。因此，在用乙醚萃取含水馏分后，可以快速获得可用于HRGC的提取物。

SAFE方法的效率通过以下旨在量化果肉中HDF的实验展示。HDF是一种风味化合物，其非常极性，不稳定并且不能使用例如SDE提取来分离。为了定量，将少量标记的[13C2] -HDF作为内标直接添加到分别由新鲜草莓和西红柿制备的果浆中。将果浆直接在SAFE装置中蒸馏（10 min），立即用乙醚萃取馏出液用于HRGC /质谱分析。如图4所示，在草莓样品（A）和番茄样品（B）中监测到[13C2] -HDF（m / z 131）和HDF（m / z 129）的强烈痕迹，尽管只有18μg [13C2] -HDF来定量果浆。根据数据，计算每kg草莓3.2mg HDF和每kg番茄340μgHDF的含量。定量HDF的总时间约为60min（包括MS分析）。

▲图4在SAFE萃取物中测定的[13C2] -4-羟基-2,5-二甲基-3（2H）- 呋喃酮（HDF）（m / z 131）和HDF（m / z 129）离子强度的痕迹。从20g草莓（A）或番茄浆（B）中加入18μg [13C2] -HDF

用极少量的[2 H 6] - 标记的（E）-β-大马酮（40ng）掺加这些果肉，在蒸馏后产生其分子离子的清晰信号（数据未显示）。该结果表明，通过SAFE方法结合稳定同位素稀释技术，可以在1h内获得甚至痕量挥发物的精确定量数据。

结论

总之，数据表明，使用SAFE方法可以快速，仔细地从食品溶剂提取物，油样或果肉中分离挥发物。除了其在香气分离方面的效率之外，由于紧凑型蒸馏装置的稳定性，该装置的使用节省了时间并降低了成本。后续将报道进一步的应用，特别是用于分离风味馏出物直接感官评价。

原文链接

DOI：https://doi.org/10.1007/s002170050486

Engel, W., Bahr, W., & Schieberle, P. (1999). Solvent assisted flavour evaporation–a new and versatile technique for the careful and direct isolation of aroma compounds from complex food matrices. European Food Research and Technology ,209 (3-4), 237-241.

【说明】

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