质子转移反应质谱在食品挥发性有机物检测分析中的应用

质子转移反应质谱在食品挥发性有机物检测分析中的应用

谢斯铭

广东省生物工程研究所（广州甘蔗糖业研究所）

摘要：目前，通过检测食品中挥发性有机化合物（简称：VOCs）已成为食品检测的重要方式之一。而作为检测的主要手段的质子转移反应质谱也慢慢进入研究人群使视野之中。它具备高灵敏度的检测灵活性，且检测用时短，操作简单等多方面特点，对食品的监督及检测提供了强有力的技术支持。本文主要研究PTR-MS的作用原理、基础结构以及发展前景，并在食品检测领域上应用方面对其进行研究及展望。

关键词：质子转移反应质谱；挥发性有机物；食品检测；

近年来，随着人们生活水平的不断提高，人们也不断注重食物的营养价值及口感。与此同时，食品安全问题得到了国家有关部门的高度重视。而在食品由生产到流通的过程中，都可能影响着其口感或是安全等问题，需要作出相应的检测途径来确保食品的质量。

近年来，食品释放出来的挥发性物质是食品特有的自身属性，它可以作为检测食品口感及安全的重要判断指标。且具备检测用时短，操作简单等多方面的检测优点。这种检测手段以质子转移反应质谱为基本原理，简称PTR-MS，在多个领域如气象监测、医疗器械、食品加工等为人类所适用。本文就现如今的食品科学技术的发展现状，对质子转移反应质谱在食品检测方面的分析应用作出探究，从而在食品加工的过程中，保证食品安全的同时，也改善食品的产出品质。

一.质子转移反应质谱

质子转移反应质谱是一种基于质子转移的化学电离源（CI）技术。其作用原理就是当待测物质的质子亲和势能大于选择的试剂的离子电势能时，待测物质会被试剂离子所同化，这种同化方式类似化学物质间相关作用。用反应式可表示为：

H3O++R→H20+RH+

式中：H3O+是质子转移反应质谱最常用的试剂离子，k为质子化反应的速率常数，常用R表示待测物。

质子转移反应质谱简称PTR-MS，它可以提供高质量分辨率的一维图谱数据信息。基本结构包含进样系统、离子反应流动管、质量分析器及离子检测器。采用PTR-MS对VOCs进行检测，一般是通过全谱扫描或是实时监测的方式，下面对以上上个检测方式进行展开研究。

二.PTR-MS在食品领域中的应用

1.VOCs全谱扫描的分析及应用

针对VOCs在食品中检测困难的难点，PTR-MS以高灵敏度的检测优势被纳入食品VOCs的重要检测方式之一。在全谱扫描图的帮助下，对食品中的VOCs成分进行特性分析、归类，最终对食品的产出品质作出相应评估，确保食品的品质问题。

(1).食品的感官分析

PTR-MS在食品感官分析领域具有杰出的表现。通过数学模型构建测试人员的感官与PTR-MS检测数据建立联系，让仪器设备通过这种联系可以快速得到食品的感官信息，助力于食品的口感研发，并在一定程度上对食品的产出质量提供保障。

(2).食品的归属及分类

2015年一项针对于咖啡产出地的研究对PTR-MS在食品检测中的应用作出了先进性的尝试。

根据咖啡中挥发性浓度的不同，对来自6个地区的咖啡实施检测，这是第一次将质子转移反应质谱应用在咖啡VOCs检测当中，这种以不同离子试剂产生的全图谱数据可以最大程度上减少分类误差，其中归属分类效果超出预期。目前质子转移反应质谱在咖啡行业中应用前景不可小觑。

除了可以区分产地及品种，通过质子转移反应质谱（PTR-MS）还可以对其保质期的不同作出相应归类。Biasioli的研究表明，利用这种PTR-MS检测水果保存上方的空气成分可以快速对水果的新鲜成分作出区分，这些都为PTR-MS在质量监控方面提供了相应的科学基础，在食品检测方面具有很好的应用前景。

(3).食品储存时VOCs检测

通过食品在不同储存时间自身所产生的VOCs的情况来看，可以利用PTR-MS对其进行食品品质特性的检测。考虑到食品保存时间跨度较大，PTR-MS技术不能一一表述出食品的相关数据，故采用PTR-MS对其进行检测需要对样品进行抽样检测，并加以预测分析，从而现实理论上的“实时监测”。为此，食物学家Biasioli对食品储存时VOCs检测进行了深入研究。研究表明，PTR-MS技术具备区分不同储存的时间的能力。这样一来，通过对VOCs的实时监测，可以反映食品的品质和安全问题，对食品品质检测的未来趋势具有较大的指导意义。

2.VOCs实时监测分析及应用

PTR-MS检测食品的具备一定的实效性，目前，人们主要通过品尝食品的口感来判断食品的质量问题。利用PTR-MS对VOCs进行实时监测可对食品品质作出相应的归纳和分析。

(1).食用过程中，对VOCs进行实时分析

人们品尝食物的过程中，由于物质特性会散发出物质的自身的风味属性。但检测人类食用时感知的VOCs是比较困难的。一般采用两种方法进行VOCs感应探究，一是NS分析法，即检测人们在进食过程中鼻腔受到刺激而产生的感知信息，二是利用口腔模拟器对VOCs进行实时检测，相对于NS分析法而言，这是目前为止对VOCs进行实时检测较为简便的方法。

(2).食品加工过程中，对VOCs进行实时分析

由于PTR-MS技术不断深入食品加工、检测的行业中，其应用价值一直潜在的增长。在食品加工的过程中，也可以实现对VOCs进行实现监测及分析。

咖啡在不同烘焙的过程中会产生不同的香味，这就意味了VOCs的释放程度会存在很大差异。针对这一特性，Yeretzian等利用PTR-MS技术对咖啡在烘焙过程中实施了监测。这项研究表明，利用PTR-MS的监测数据，对咖啡豆在烘焙过程中所产生的VOCs可以实施监测，因此可以从另一个层面来判断咖啡的烘焙程度。在这份研究中，针对食品的挥发性物质来进行相关的实时监测，同样令检测结果具备实效性。

通过以上对食品瞬时品尝及加工过程中展开对VOCs进行实现监测，可以表明PTR-MS在质量监控方面提供了相应的科学基础，而且使得其在食品检测方面具有很好的应用前景。

三.PTR-MS在国内外发展现状

根据以上的叙述，国外针对于PTR-MS技术对VOCs检测研究群体很多，这使得在食品领域中的应用利用PTR-MS的技术国外是位于世界前沿的。不论是食品方面，国外已将PTR-MS技术应用于各个领域，利于气象监测、植被育种、气候湿度划分等等。

而在我国，与国外相比，PTR-MS应用研究起步较晚。目前仍处于探索性阶段，仅在大气监测作出相关研究，食品品质把关方面还没有展开对VOCs的检测研究。

中科院下属研究所沈成银带领团队，对PTR-MS展开自主研发性试验，尝试利用PTR-MS技术分别对同一只猪不同部位的肉在低温储存的过程中，对VOCs进行实时监测，争取利用全谱图扫描的方式对不同时期的猪肉挥发出来的VOCs进行数据分析。目前此项研究得到了阶段性的结果，由于不同部位的猪肉在储存过程中VOCs挥发程度不同，且在10天后发生剧烈变化，大分子量挥发性化合物浓度开始增大，而小分子化合物随之降低，这类先进性结果为我国PTR-MS技术在食品制造、加工及保存的过程中。技术层面上的支持奠定了夯实的基础。

四.总结与展望

由于食品风味成分呈现复杂多样性，这使得PTR-MS技术对食品中VOCs的检测产生了一定程度上的难度。但PTR-MS技术在食品领域中充分发挥着灵敏度高、实效性强、辨识速度快等优点，使得其在检测食品中挥发性有机物质的应用具有深远的研究意义及应用前景。

在食品监控的应用中，PTR-MS以一维图像的模式进行信息传递，具备简捷且高效的应用特点。从上文的叙述中，PTR-MS技术已在鉴别食品品质特性、食品感官评估、产出归属地、食品仓储周期以及食品瞬时食用多等方面都凸显了作为检测方的有力优势。在今后PTR-MS的发展道路上，随着人类不断的深入研究，预计PTR-MS技术会不断的扩大研究范围，并展开合理化的科学研究，帮助人们在食品制造的相关过程中更出色的把控食物的感官以及主导食物安全性的多方面因素，为食品质量的监控提供根本的基础性理论。

而配合PTR-MS技术在检测端口处呈现检测灵敏迅捷、且无损检测源头等多方面优势，PTR-MS还可以在更多检测领域作出贡献。它将会更广泛的应用于环境相关的检测方面，医药试剂或医学诊断方面的检测以及植物育种生长方面的监控。这些研究领域可以领PTR-MS技术在未来的研究范围更加广泛，且更加具有挑战性。

参考文献

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