如何用动态顶空法分析香气成分

（一）概述

动态顶空法（Dynamic Headspace）是通过对很大的样品顶部空间气体先浓缩，再分析的方法。动态顶空法可检测到含量在10^-12g/L水平的香气成分，是香气分析中广泛使用的一种顶空取样技术，如图6-5所示。

图6-5 动态顶空的典型装置

1—捕集管 2—冷却水 3—样品管 4—水浴 5—洗气瓶

在动态顶空装置中，样品的顶空气体被载气（He气或N₂气）吹入捕集阱，在捕集阱中挥发性成分被浓缩，从而显著地增加了检测的灵敏性。当样品是液体时，载气管可直接插进液面吹扫挥发性成分，此时动态顶空法又称为吹扫捕集法（Purge and Trap）。捕集阱可为一个玻璃管或用玻璃作衬里的不锈钢管，管中装有吸附剂（如Tenax^TM）或为一个低温冷阱。捕集的样品，可通过溶剂洗脱或加热的方法解吸出来，进行气相色谱分析。

为了增大样品分子的浓缩倍数，处理的样品量在100mL～1L是很常见的，采用加热或搅拌的方法可加快挥发性成分向顶部空间的扩散。当样品量很大时，为了保持系统的气密性和压力稳定，常用真空泵将样品顶部的气体抽吸到捕集阱而不再使用气体吹扫的方式，此时进入取样瓶的空气应事先净化。

动态顶空法的装置也可自动化，只是比静态顶空的装置稍复杂，仪器的费用也较高，处理时间稍长。一般完成一次样品分析需要15min，包括吹扫、捕集、吸附剂干燥、样品解吸等多个步骤，但仍具有取样迅速、容易操作的优点。更重要的是，“捕集阱”的使用，大大提高了样品的检测限，可分析含量为10^-12g/L水平的样品分子；通过选择吸附材料的种类，还可以实现某些样品分子的选择性萃取，简化分析程序。

动态顶空的萃取率（%），可根据同一色谱条件，经吹扫捕集和直接进样两种方法分析，得到色谱图上的待测组分的峰面积计算得到，如式（6-5）所示。

（二）动态顶空取样的影响因素

影响动态顶空萃取效果的因素包括样品量、样品温度、萃取体积和挥发性成分的捕集方式等。当其他条件固定时，萃取效果主要与样品温度和萃取体积有关。

萃取体积，指吹扫气体通过样品的总量，可通过吹扫时间和吹扫气体的流量计算出来。如在常用的吹扫捕集方法中，吹扫气体流量为40mL/min，规定吹扫时间为11min，则萃取体积为440mL。一般认为，40mL/min是萃取挥发性物质（尤其是极性小的物质）的最佳流量，也是捕集阱浓缩欲测定物质的最佳流量。但实际分析中，最好先通过吹扫捕集法测定一系标准样品的回收率，然后根据实验结果确定最佳流量。

对于难以吹扫的挥发性物质，可通过增加吹扫气体的总体积来提高萃取率。但对于难于捕集的挥发性物质，萃取率不会因吹扫气体体积的增加而提高，因为在吹扫气体的体积增加时，挥发性物质只是穿过捕集阱，而没有被捕集，此时应通过改善捕集条件来提高吹扫捕集效率。

（三）捕集阱类型

1.吸附阱捕集

吸附阱捕集指吹扫气体将挥发性物质携带到捕集阱后，挥发性物质被保留在吸附剂上，而吹扫的气体被放空的过程。

较常用的吸附剂是多孔聚合物，有些聚合物同时也可作为气相色谱固定相使用。其中，Tenax^TM系列聚合物（聚2，6-二苯基-对-甲苯醚）在动态顶空中常用，该吸附剂材料属于通用型，适于吸附多种有机化合物，尤其对于芳香族化合物吸附性更强，具有使用温度高、使用寿命长的优点。但Tenax^TM不适于吸附低沸点的脂肪烃类化合物和低沸点的脂肪醇。

除了Tenax^TM外，还有石墨化碳黑（Carbotrap、Carbopack），疏水性更强，可吸附分子质量大于丙烷的小分子化合物，并可通过加热解吸。碳分子筛可吸附更小的分子如二氯甲烷，这种分子筛与无机材料分子筛不同，它是在高温下将聚合物碳化制备而成的，包括Carbosieves^TM、Carboxen^TM和Arbersorb^TM，具有吸附小的有机分子但不会将水引入气相色谱的优点。

2.冷阱捕集(www.xing528.com)

即使是热稳定性很好的吸附材料Tenax^TM，在较高温度下发生热解吸（超过180℃）时，也会有芳香族杂质释放出来，常量分析时这种干扰可以忽略，但对于微量分析，产生的背景就会构成干扰；若使用较低的解吸温度，杂质干扰会较小，但被吸附的有些组分可能不被脱附。

冷阱捕集，也称低温冷冻浓缩，可以避免使用吸附剂时存在的上述缺陷。在冷冻浓缩时，一般不使用吸附剂。在冷阱捕集管内填充一些玻璃微珠、玻璃棉或其他的惰性材料可增加接触表面。冷阱的温度可根据釆集的目标物质确定，而气化温度一般为40～70℃即可，可避免热敏感性物质发生化学变化。为了保证以一个“窄带”进入毛细管柱，冷冻浓缩液气化后，可再经一次冷聚焦，从而提高气相色谱分析的灵敏度和分辨率。

3.解吸与除水

吸附的物质可通过溶剂洗脱或热脱附（热解吸）的方式进行解吸分析，自动化动态顶空装置上常采用的是后者——热脱附。一般而言，化合物在吸附剂上的吸附力越强，所需要的脱附温度就越高。每种吸附剂均有最高脱附温度限制，超过最高温度时，吸附材料可能分解并释放出干扰性物质。

多数样品中含有液体，如酒类、饮料、乳类等，如采用动态顶空装置进行分析，样品中的液体会与挥发性分析物一起被吹扫捕集，从而影响后面的气相色谱或气-质联机分析。当选择憎水性吸附剂如Tenax^TM时，用干燥的载气吹扫吸附阱即可将液体除去。此外，渗透和冷凝装置可用于动态顶空装置前去除液体。渗透法在去除样品中的水分时，也会除去其他极性物质，因而分析如醛、酮、羧酸等极性挥发物时，不宜用渗透法去除液体。

（四）动态顶空的定量分析

在环境分析中，美国环境保护局（Environmental Protection Agency，EPA）规定了内标法用于吹扫捕集的定量分析。在样品分析前，将选择的内标物加入样品中，使内标和样品经过同样的萃取处理过程。香气物质的吹扫捕集定量分析也可用同样的方法进行。液体样品，是将加入的内标物质与样品均匀混合的混合液体。固体样品，是将内标物加入样品基质中，且保证内标没有挥发损失，有时是很难的，最好在样品吹扫前加入。如果是粉末状样品，可用注射器将内标溶液放置在样品的内部中间位置。如果是类似柠檬皮的片状样品，可将样品放在大量的玻璃棉上，然后在热脱附处理前，用注射器将内标物放在玻璃棉上。当萃取过程的各个参数经过优化、内标物选择合适时，用吹扫捕集定量分析的相对标准偏差可小于5%。

有些吹扫捕集装置配有吸附阱进样口，可用注射器将内标物直接送入吸附阱中。但用该法定量时，不能补偿吹扫效率，可因容器漏气等因素造成的分析误差。

（五）动态顶空在香气分析中的应用

1.液体样品

吹扫捕集装置的设计主要面向于水溶液中的挥发性物质分析。目前，吹扫捕集技术已在软饮料、啤酒、咖啡、葡萄酒、牛乳、水果汁等多种水性液体食品的香气物质分析中得到了广泛应用。朱宏等采用动态顶空与气-质联用法，鉴定了老陈醋中的挥发性成分，同时测定了这些挥发性物质含量在发酵过程中的变化。利用该方法共鉴定出33种挥发性成分，包括醇类、醛类、酸类、酯类等7类物质。

2.半固体样品

膏状或凝胶状的半固体样品，直接放在样品管中动态顶空分析时，会受热变软或使其流动性增大，从而污染仪器的气路系统。可用水稀释或者让其以膜的形式铺放在大量惰性固体材料上，再进行动态顶空萃取。例如，牙膏的香气物质分析，因用水稀释后吹扫时会产生泡沫，可采用先在样品管内放上大量玻璃棉，再将少量的牙膏放在玻璃棉上的方法进行动态顶空萃取。这样，牙膏样品即使受热熔化也仍会被玻璃棉包裹，萃取完毕，挥发性物质收集在捕集阱中，难挥发性物质残存在玻璃棉上。

K Hartvigsen等采用动态顶空-气相色谱-质谱法鉴定鱼油富集蛋黄酱中产生的挥发物，结果显示62种挥发性物质的浓度与鱼油和储存参数之间存在相关性，表明形成了脂质氧化产物，这就产生了鱼腥味。

3.固体样品

固体样品比液体样品、半固体样品更容易实现动态顶空取样。如果固体样品在加热到某温度下不会熔化，可取小量的样品放在样品管中，在加热条件下，进行吹扫捕集。这种方法已成功地用于辛香料、芳香植物、鱼罐头等的香气物质分析中。在50～100℃下吹扫捕集，多数食品香气物质可获得较高的萃取率，但对热不稳定的成分，应在较低的温度下进行。新鲜的水果可先低温匀浆后再进行动态顶空分析。K Tiitinen等使用动态顶空—气—质联机分析了3种草莓的香气物质，分析方法：草莓低温匀浆，恒温水浴22℃保温25min；Tekmar 3000吹扫捕集系统，吸附阱内装填0.2g的OV-1和OV-25（按1∶1混合），吸附阱温度-20℃（干冰冷却）。