薄荷卷煙中香味成分的全二維氣相色譜/飛行時間質(zhì)譜分析

鄭曉云,熊曉敏,萬 敏,沈曉晨

(江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心,江蘇南京210019)

薄荷卷煙中香味成分的全二維氣相色譜/飛行時間質(zhì)譜分析

鄭曉云,熊曉敏,萬 敏,沈曉晨

(江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心,江蘇南京210019)

采用全二維氣相色譜/飛行時間質(zhì)譜法(GC×GC/TOFMS),以較長的非極性柱DB-5MS(30 m ×0.25 mm ×0.25μm)作為第一維柱,較短的中等極性柱DB-17MS(2 m ×0.1 mm ×0.1μm)作為第二維柱,利用固相微萃取法作為香味成分的萃取方法,對薄荷型ESSE卷煙的核心香味成分進行了定性分析,TOFMS譜圖庫檢索結(jié)合全二維特有的包含結(jié)構(gòu)信息的二維譜圖,通過族分離和結(jié)構(gòu)譜圖鑒定,共鑒定了187種揮發(fā)性成分,其中對香氣有貢獻的成分118種.

全二維氣相色譜;飛行時間質(zhì)譜;固相微萃取;香味成分

香氣是卷煙最重要的品質(zhì)因素,關(guān)于煙草和卷煙煙絲及卷煙煙氣中香氣成分的分析研究,國內(nèi)外有大量的文獻報道.已有多種分析技術(shù)用于煙草和卷煙煙絲及煙氣的香味成分分析,其中最常用的方法是一維氣相色譜法(1DGC).但傳統(tǒng)一維色譜峰容量有限、分辨率不足,對于卷煙煙絲萃取成分這樣的復(fù)雜樣品,峰重疊嚴重,影響質(zhì)譜定性的可靠性.

全二維氣相色譜(Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography,GC×GC)技術(shù)是20世紀90年代發(fā)展起來的多維色譜技術(shù),但它不同于通常的二維色譜(GC+GC)[1],它是用一個調(diào)制解調(diào)器把分離機理不同而又相互獨立的兩根色譜柱(如非極性柱和極性柱或手性柱)以串連方式結(jié)合在一起,調(diào)制解調(diào)器起捕集、聚焦、再傳送的作用,從第一根色譜柱分離出來的每一個餾分,均先進入調(diào)制器聚焦后,再以脈沖方式送到第二根色譜柱作進一步分離.第二根色譜柱使用細內(nèi)徑短柱,組分在第二維快速分離,通常第二維的色譜峰峰寬在0.1～0.5 s.由于峰壓縮效應(yīng),GC×GC的檢測靈敏度比1 DGC約高十幾至幾十倍.與傳統(tǒng)的1DGC相比,GC×GC具有分辨率高、峰容量大、靈敏度好、分析時間短、定性更有規(guī)律可循和信息量大等特點[2],與飛行時間質(zhì)譜(Time-of-Flight Mass Spectrometry,TOFMS)聯(lián)用,可以解決復(fù)雜樣品的分離和結(jié)構(gòu)鑒定.目前,已有多篇文獻報道了全二維氣相色譜在石油化工、環(huán)境樣品、香精香料、中藥揮發(fā)油等方面的應(yīng)用,且取得了滿意的分析結(jié)果[3-8].全二維氣相色譜在煙草研究中的應(yīng)用主要集中于卷煙煙氣的組成表征[9-13].作者采用全二維氣相色譜/飛行時間質(zhì)譜法(GC×GC/TOFMS)對薄荷卷煙煙絲中的香味成分進行了分析研究,共鑒定了187種揮發(fā)性成分,其中對香氣有貢獻的成分118種.

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

實驗用卷煙為薄荷型ESSE卷煙(韓國).固相微萃取(SPME)裝置(USA Supelco公司),75μm Carboxen-PDMS固相微萃取萃取頭(美國 Supelco公司).全二維氣相色譜/飛行時間質(zhì)譜系統(tǒng)(Pegasus 4D)由Agilent 6890氣相色譜儀(USA Agilent公司),KT-2001型冷噴調(diào)制器(Zoex Corp.,Lincoln,NE,USA)和PegasusⅢ型飛行時間質(zhì)譜儀(Leco Corporation,St.Joseph,MI,USA)組成.

1.2 SPME取樣條件

取兩支卷煙煙絲于25 mL螺口玻璃瓶中,放入60℃的水浴鍋中.將手動SPME裝置直接插入樣品瓶中,推出萃取頭,吸附40 min.然后將手動進樣SPME裝置插入色譜儀進樣口中,脫附進樣3 min.

1.3 GC×GC儀器系統(tǒng)和實驗條件

GC×GC系統(tǒng)由Agilent 6890氣相色譜儀和冷噴調(diào)制器 KT-2001組成.本實驗采用液氮冷噴調(diào)制器,調(diào)制周期為4 s,載氣為 He(純度99.9995%).柱系統(tǒng)的第一根柱為非極性的DB-5MS(30 m ×0.25 mm×0.25μm)(置于主爐箱中),第二根柱為中等極性柱DB-17MS(2 m ×0.1 mm ×0.1μm)(置于小爐箱中).兩根柱子通過毛細管柱連接器以串聯(lián)方式連接.恒流操作,流量1 mL/min,進樣分流比為30∶1.程序升溫:主爐箱:初始溫度40℃,保持1 min,以4℃/min的程升速率升至260℃;小爐箱:初始溫度55℃,以4℃/min的程升速率升至280℃;調(diào)制器補償溫度:30℃.

1.4 飛行時間質(zhì)譜

質(zhì)譜檢測器 PegasusⅢ飛行時間質(zhì)譜儀具有高掃描速度、高分辨率等特點,電子轟擊電離源的電壓為70 eV,檢測器電壓為1 600 V,傳輸線的溫度為280℃,離子源溫度為230℃.采集質(zhì)量數(shù)范圍為33～500 amu,采集頻率為100 spectrum/s.由Pegasus 4D工作站進行控制.

1.5 數(shù)據(jù)處理

TOFMS數(shù)據(jù)處理采用Leco公司的Pegasus 4D工作站軟件,自動識別信噪比大于100的色譜峰.質(zhì)譜的閾值為10,一次可識別1 000個色譜峰,譜圖庫為NIST/EPA/NIH(Version 2.0).所有的定性結(jié)果自動生成“峰表”.使用Microsoft Excel對所得“峰表”數(shù)據(jù)作進一步處理.

2 結(jié)果與討論

2.1 GC×GC/TOFMS方法的建立

與傳統(tǒng)的一維氣相色譜技術(shù)類似,影響 GC×GC分離的因素主要有操作條件(溫度、線速度、進樣量等)、色譜柱固定相和柱參數(shù)等.由于全二維氣相色譜使用兩根色譜柱,色譜柱的選擇對實現(xiàn)正交分離至關(guān)重要,而色譜柱固定相的匹配是實現(xiàn)正交分離的關(guān)鍵;柱溫是實現(xiàn)正交分離的最容易調(diào)節(jié)的參數(shù)之一.在本實驗中選用較長的液膜較厚的非極性柱作為第一維柱,組分按沸點高低進行分離,以較短的液膜較薄的中等極性柱作為第二維柱,結(jié)合程序升溫,實現(xiàn)正交分離.由于煙絲揮發(fā)性組分種類較多,沸程較寬,實驗中選取了較低的初始溫度(40℃)和較慢的升溫速率(4℃/min).實驗選取了恒流操作模式(1 mL/min),調(diào)制周期為4 s(冷吹:1.2 s,熱吹:0.8 s).

2.2 薄荷型卷煙中揮發(fā)性、半揮發(fā)性香味成分的 GC×GC分離

采用非極性柱(第一根柱)與中等極性(第二根柱)匹配模式的柱系統(tǒng)在合適的操作條件下可以使組分得到充分的分離,而且還可以得到包含結(jié)構(gòu)信息的二維譜圖,如族組成、官能團結(jié)構(gòu)信息等.在此套柱系統(tǒng)上,化合物的一維保留時間是按照沸點高低來分布的,二維保留時間是按照官能團的極性大小分布的.

2.3 薄荷型卷煙中揮發(fā)性、半揮發(fā)性香味成分的鑒定

采用上述 GC×GC分離方法,結(jié)合飛行時間質(zhì)譜的定性方法,初步鑒定出薄荷型卷煙中的187種成分,其中對香味有貢獻的成分118種,按酯類、酸類、醇類、醛酮類、雜環(huán)類和其他分別列于表1～6中,表中列出了各化合物中文名稱,一維和二維保留時間Tr/s＊,相似度S＊,反相似度R＊,CAS和分子式.在118種對香味有貢獻的物質(zhì)中,薄荷類物質(zhì)有薄荷醇、薄荷酮、胡薄荷酮、乙酸薄荷酯、異戊酸薄荷酯.

表1 GC×GC/TOFMS鑒定出的酯類物質(zhì)Table 1 Esters tentatively identified by GC×GC/TOFMS

表2 GC×GC/TOFMS鑒定出的酸類物質(zhì)Table 2 Acids tentatively identified by GC×GC/TOFMS

表3 GC×GC/TOFMS鑒定出的醇類物質(zhì)Table 3 Alcohols tentatively identified by GC×GC/TOFMS

表4 GC×GC/TOFMS鑒定出的醛酮類物質(zhì)Table 4 Aldehydes and ketones tentatively identified by GC×GC/TOFMS

續(xù)表4

表5 GC×GC/TOFMS鑒定出的雜環(huán)類物質(zhì)Table 5 Heterocycles tentatively identified by GC×GC/TOFMS

表6 GC×GC/TOFMS鑒定出的其他類物質(zhì)Table 6 Others tentatively identified by GC×GC/TOFMS

續(xù)表6

3 結(jié)論

全二維氣相色譜/飛行時間質(zhì)譜技術(shù)的高分辨率和高靈敏度特點使得其適合用于研究復(fù)雜樣品的化學(xué)組成.選擇合適的柱系統(tǒng)和操作條件,可使在一維上有相近保留時間的組分,利用官能團極性大小不同在二維上分開.采用這種方法共定性檢出了薄荷型卷煙煙絲中揮發(fā)性、半揮發(fā)性化合物187種,與卷煙香味有關(guān)的成分118種,其中的薄荷醇、薄荷酯、薄荷酮類物質(zhì)是薄荷型卷煙具有合適涼度和持久性的關(guān)鍵組分.

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Analysis of Aroma Components in Mentholated Cigarette by Comprehensive Two-Dimensional G as Chromatography/Time-of-Flight Mass Spectrometry

ZHENG Xiao-yun,XION G Xiao-min,WAN Min,SHEN Xiao-chen
(Center of Technology and Research,China Tobacco Jiangsu Industrial Company Ltd.,N anjing210019,Jiangsu,China)

The aroma components in mentholated cigarette were extractedviasolid phase micro extraction(SPME)route by selecting a longer non-polar column as the first column and a shorter medium-polar column as the second one.The extracted aroma components were analyzed and identified by means of comprehensive two-dimensional gas chromatography(GC×GC)/time-of-flight mass spectrometry(TOFMS).Auto data processing by TOFMS software was combined with peculiar“structured chromatograms"of comprehensive two-dimensional gas chromatography to assign the components.Totally 187 volatile components were identified with good match,and 118 of them were assigned to aroma components.

comprehensive two-dimensional gas chromatography;time-of-flight mass spectrometry;solid phase micro extraction;aroma components

O 657.7

A

1008-1011(2010)05-0076-06

2010-06-28.

鄭曉云(1972-),男,工程師,碩士,主要從事生物無機化學(xué)、煙草化學(xué)研究.