固相微萃取—气相色谱—嗅觉检测技术在风味物质分析上的应用

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固相微萃取（SPME）技术创建于1989年，现由美国SUPEL?CO公司拥有独家专利并不断创新发展。它克服了传统样品预处理技术的缺陷，无需溶剂、简单、快速、灵敏，可以直接以顶空或浸入方式从样品中萃取采集挥发、半挥发和非挥发性物质，然后直接进样到GC或HPLC进行分离分析。它最早用于萃取污水中的挥发性成分，现已广泛用于各种挥发性成分的萃取。
SPME由手柄和萃取头组成，核心部分是萃取头上涂布的固定相／吸附性膜，通过选择不同的极性和膜厚，可以在样品基质溶液或是样品上方的顶空，选择性地萃取／吸附目标分析物。萃取／吸附平衡后，将萃取头直接放入气相色谱柱上进样口，通过加热将分析物从萃取头上热解吸下来，随载气进入气相毛细管色谱柱分离分析。
选用SPME萃取头时，必须要考虑：1．膜的极性和功能性基团；2．被分析物质的分子量和形状。对于半挥发性物质，极性更为重要，根据相似相溶原理，极性物质采用极性的膜；弱极性物质可被极性和非极性的膜萃取，有时采用极性膜效果会更好。小分子物质采用吸附剂类型的膜更有效，而大分子用固定相类型的更好。比较顶空SPME与浸入SPME，非极性物质的顶空萃取回收率仅为浸入的3％～85％，而极性的更低，仅为0．6％～50％。
固相微萃取技术原理SPME是个复杂的多相平衡过程，通常此萃取系统相当复杂，如溶液中的固体粒子以及样品瓶壁对被分析物质的吸附相互作用，被分析物质的降解等。对于顶空萃取，为了简单起见，只考虑两个理想平衡：基质与顶空，顶空与萃取头涂层的平衡（其中萃取头远未达到饱和萃取状态）。通常，由于所萃取的风味物质在基质中的浓度很低，认为符合亨利定律，即CG＝HC0。
随着温度升高，亨利系数也增大，萃取的平衡时间缩短；但分配系数KSG随温度升高反而降低，因此萃取量不一定增加。为了提高被分析物质的萃取量，可以通过改变基质的性质等来提高亨利系数以及选择分配系数更高的膜材料等来实现。
固相微萃取技术的应用对于水溶液基质，影响SPME萃取条件的因素有：搅拌条件，NaCl浓度，萃取温度，萃取时间，样品体积等。在Silvia等采用85微米PA萃取头对葡萄酒风味进行的研究中，作者发现，搅拌能够明显地增加各风味物质的吸附量；在含10％酒精的水溶液中，随着加入盐的量增加，由于“盐析”效应，会导致吸附量上升，但当盐加入量到达8克（40毫升样品）后再继续增加盐量，对于酯类反而降低，但对于醇类略微增加；温度能够提高酯类物质的溶解性，因此提高温度，反而降低酯类的吸附量，而温度升高能够增加醇类物质的挥发性，因此它们的吸附量也上升；萃取时间45分钟后到达平衡，再增加萃取时间，总的萃取量不会上升，但一些低挥发性的长链脂肪酸酯会取代短链的脂肪酸酯，这是由于极性的膜对这些低挥发性的极性物质的敏感性更高，但由于这些物质在基质和顶空的分配系数太低，导致需要更长的时间才达到平衡。在此实验中，样品体积对萃取量没有大的影响，仅是酯类物质随样品量的增加而有些变化。
在Jae等人奶酪风味的研究中，作者采用75微米CAR／PDMS萃取头，对萃取条件进行了优化：1．样品体积与顶空体积之比越大，则色谱峰上的分析响应面积也越大；同时在1∶1时，相对误差最小；2．NaCl浓度：盐浓度分别为0．5％、20％、25％（W／V）和饱和盐溶液，在25％时响应面积最大；3．盐的种类：NaCl，KCl，Na2SO4和NaH2PO4，其中NaH2PO4的效果最好，原因是NaH2PO4与蛋白质分子络和的钙离子形成磷酸钙沉淀，使牛奶蛋白质分子结构更松散，有利于包埋或吸附的风味释放；4．超声波：超声波处理40分钟后响应面积最大，其原因是使基质中的牛奶蛋白质分子结构更松散，有利于包埋或吸附的风味释放；5．超声波与NaH2PO4联合使用，效果与单独使用NaH2PO4无区别。在Chin对奶酪风味的研究中，发现采用极性PA涂层在吸附低级脂肪酸时比非极性的PDMS效果好；但在吸附酯类时，PDMS比PA效果好。但采用SPME未能分析出几种存在于奶酪中的痕量风味物质，如含硫化合物，支链脂肪酸等。
当基质为固态时，温度是影响平衡的最主要因素。提高萃取温度可缩短平衡时间。但由于许多风味物质都是热化学性质不稳定的化合物，如醛，酮，酯，醇和醚等，当萃取温度超过60℃时，易发生化学变化，导致分析结果失真。在Jorge等人对干火腿风味的研究中，作者研究了不同萃取温度（20℃，40℃，60℃）和萃取时间（20，40，60分钟）对SPME的影响。作者发现，随着萃取温度和时间的增加，对于低挥发性成分的萃取效果越好，但对易挥发性成分的影响不大，甚至萃取效果反而有所降低。加热能提高各物质特别是低挥发性成分物质在顶空中的浓度，但由于萃取头的吸附反应是个放热过程，温度升高在提高顶空各物质的浓度的同时也降低了涂层的分配系数，特别是易挥发性小分子的分配系数。尽管对于大分子、低挥发性物质，需要长时间（大于2小时）才能达到平衡，但作者认为，只要操作条件保持稳定，采用较短的时间（60分钟）可充分满足分析要求。
在Marsili对腌制黄瓜风味物质的研究中，作者比较了动态顶空、固相萃取和75微米CAR／PDMS的SPME3种萃取方法，作者发现，动态顶空萃取到的成分最多，特别是小分子易挥发性成分，但这些物质对风味并没有什么作用，因此，更多的峰并不代表最好的分析结果；SPE萃取得到的峰最少，同时含有大量非风味物质，如酸类等易污染柱子成分；而SPME在萃取主要风味物质上最有效。
气相色谱－嗅觉检测器技术气相色谱－嗅觉检测器牗GC－O牘是采用特殊的检测器———以人的鼻子作为检测器，样品经色谱柱分离后在进入机械检测器前，进行分流，大部分（约90％）进入机械检测器，少部分与另外补充的空气混合后直接进入嗅探器，或者也可以同时采用双毛细管柱分离。通常，色谱提供的仅是条线而已，而经过特殊训练的专业人员，可以嗅探出经色谱分离洗脱出的各风味物质的强度和风味特点，甚至化学名称。
GC－O可以检测出那些对风味起实质作用的物质，因为每种风味物质的阈值都不相同，有的阈值很高，GC－MS可以检测出，而GC－O却忽略了；有的风味物质的含量很低，但同时其阈值也很低，目前使用的机械检测器都没有办法检测出，但采用GC－O却能够很容易地分辨出。
在Marsili对腌制黄瓜风味物质的研究中，通过固相微萃取－气相色谱－嗅觉检测技术，检测出香气强度最大的7种物质，其中香气强度最大的顺－4－己烯酸和反4－己烯酸的香气与腌制黄瓜的香气最匹配，这是在文献中首次报道此两种风味物质在腌制黄瓜香气中的作用。