HS-IMR-MS法在香精香料質(zhì)量控制中的應(yīng)用

高 莉，李先毅，朱保昆，李源棟，劉秀明，李智宇，王文元，廖頭根

（云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南 昆明 650231）

0 引 言

香精香料是食品添加劑中的一個(gè)重要組成部分，長(zhǎng)期以來(lái)，因?yàn)橛昧啃?、自我限量等，其安全性、品質(zhì)控制等問(wèn)題并不像防腐劑、甜味劑等受到人們的重視。但隨著香精香料使用范圍和添加量的不斷擴(kuò)大，香精香料質(zhì)量控制等問(wèn)題也越來(lái)越受到人們關(guān)注。

目前，香精香料品質(zhì)測(cè)定通常是按照GB/T 14454——2008國(guó)家系列標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行的，主要是進(jìn)行折光指數(shù)、相對(duì)密度、旋光度和酸值等理化指標(biāo)測(cè)定[1]。近年來(lái)，一些儀器分析技術(shù)，如液相色譜[2]、氣-質(zhì)聯(lián)用[3]、紫外光譜[4]、紅外光譜[5]、電子鼻技術(shù)[6]等，也逐漸被用于香精香料的成分分析及質(zhì)量檢測(cè)，但大多數(shù)分析儀器都需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的前處理[7]，這使得整個(gè)檢測(cè)過(guò)程更加復(fù)雜、耗時(shí)。

離子分子反應(yīng)質(zhì)譜（IMR-MS）是一種軟電離質(zhì)譜技術(shù)，其基本原理是使用不同電離能的氣態(tài)電離源與揮發(fā)性物質(zhì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)，使揮發(fā)性物質(zhì)分子離子化，從而被過(guò)濾分離產(chǎn)生信號(hào)。IMR-MS現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于呼吸器氣體分析[8]、環(huán)境污染物揮發(fā)氣體分析[9]等，以及在煙草行業(yè)卷煙主流煙氣氣相成分分析中也有少量應(yīng)用[10]，但在香精香料中的應(yīng)用未見(jiàn)報(bào)道。

本文將頂空進(jìn)樣器與IMR-MS串聯(lián)，使其成為一種集樣品采集、進(jìn)樣、分析為一體的揮發(fā)性成分分析技術(shù)，并對(duì)不同批次及不同廠家的同種香精香料質(zhì)譜指紋圖譜進(jìn)行相似度分析及主成分分析，建立了香精香料質(zhì)量一致性的判定方法，為香精香料質(zhì)量控制提供了快速、全面、穩(wěn)定且無(wú)需前處理的方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

儀器：AIRSENSE Compact離子分子反應(yīng)質(zhì)譜儀（奧地利V&F公司），G1888頂空進(jìn)樣器（安捷倫公司），電子分析天平（感量 0.1 mg），Chempattern 統(tǒng)計(jì)分析軟件。

供試品：8批次S煙用香精，分別用S1～S8表示（由云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供），以及由8個(gè)廠家提供的該種香精，分別用1#～8#表示（其中1#，2#產(chǎn)自廣東廣州，3#產(chǎn)自廣東深圳，4#，5#產(chǎn)自上海，6#產(chǎn)自海南?？?，7#，8#產(chǎn)自云南玉溪）。

摻雜樣品：在任一批次S香精中摻入Z香精（由云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供）10%，30%，50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），標(biāo)記為 Z1，Z2，Z3。

內(nèi)標(biāo)物：環(huán)己烷為色譜純（購(gòu)自SIGMA公司）。

1.2 樣品處理

分別稱取樣品 S1～S8、1#～8#，及摻雜樣品 Z1～Z3各0.5 g（精確到0.001 g）于20mL頂空進(jìn)樣瓶中，分別加入100μL環(huán)己烷。

1.3 HS-IMR-MS分析條件

1.3.1 頂空自動(dòng)進(jìn)樣器分析條件

樣品平衡溫度：80℃，定量環(huán)溫度：100℃，傳輸線溫度：120℃；定量環(huán)體積：1mL；樣品平衡時(shí)間：10min；加壓時(shí)間：0.2min；環(huán)路充裝時(shí)間：0.2min；環(huán)路平衡時(shí)間：0.05min；進(jìn)樣時(shí)間：1min。

1.3.2 IMR-MS分析條件

打開IMR-MS系統(tǒng)并預(yù)熱48h以上，在IMR-MS工作站中設(shè)置Single Masses方法，并在該方法中進(jìn)行如下參數(shù)設(shè)置。

添加質(zhì)荷比16～200的各掃描離子并設(shè)置每種離子。 掃描時(shí)間：300ms；質(zhì)譜采樣壓力：25mbar（1bar=105Pa）；電離源：Hg（電離能 10.44 eV），Xe（電離能12.13eV），Kr（電離能 14.00eV）；分辨率：1amu；樣品循環(huán)掃描次數(shù)：5次。

1.4 香精香料質(zhì)譜指紋圖譜的建立方法

計(jì)算檢測(cè)樣品中各離子強(qiáng)度（特指離子峰絕對(duì)強(qiáng)度）的平均值，以該平均值和相應(yīng)質(zhì)荷比作圖，即得檢測(cè)樣品的質(zhì)譜指紋圖譜。統(tǒng)計(jì)離子個(gè)數(shù)時(shí)，取離子強(qiáng)度＞0.5%（占總離子強(qiáng)度）的離子進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 電離源的選擇

在平衡時(shí)間為10min，平衡溫度為80℃的條件下，比較了香精S利用 Hg（電離能 10.44eV）、Xe（電離能 12.13 eV）、Kr（電離能 14.00 eV）3種電離源進(jìn)行采樣的效果。IMR-MS是一個(gè)軟電離過(guò)程，應(yīng)盡量選用具有低電離能的電離源以保證質(zhì)譜較純凈，同時(shí)確保分析的揮發(fā)性成分得到較高的離子強(qiáng)度。當(dāng)電離源為Xe時(shí)，離子數(shù)和總離子強(qiáng)度最大。因此，選擇Xe為電離源進(jìn)行質(zhì)譜分析。

2.2 頂空平衡溫度的選擇

在平衡時(shí)間為10min，電離源為Xe的條件下，比較了香精 S 在 60，70，80，90，100℃ 5 個(gè)不同頂空平衡溫度下的采樣效果，結(jié)果如圖1所示。由圖比較可知，隨著溫度的升高，質(zhì)譜圖中總離子強(qiáng)度和檢出離子數(shù)逐漸增多。在80℃時(shí)，檢測(cè)到的離子數(shù)和總離子強(qiáng)度最大，80℃之后，兩者都有所下降。因此，選擇80℃的平衡溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 不同頂空平衡溫度對(duì)采樣效果的影響

2.3 頂空平衡時(shí)間的選擇

在頂空平衡溫度為80℃，Xe作電離源的條件下，比較了香精 S 在 2，5，10，15，20 min 5 個(gè)不同平衡時(shí)間下的采樣效果，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，時(shí)間越長(zhǎng)頂空蒸氣壓越接近飽和，檢測(cè)得到的總離子強(qiáng)度逐漸增大，采樣效果也越好，但在10min后基本保持平衡。因此，選擇10min為最佳平衡時(shí)間。

圖2 不同平衡時(shí)間對(duì)采樣效果的影響

2.4 HS-IMR精密度和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，連續(xù)進(jìn)樣6次，離子強(qiáng)度＞0.5%（占總離子強(qiáng)度）的離子的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.13%～6.69%。每天一次，連續(xù)6d進(jìn)行分析，離子強(qiáng)度＞0.5%（占總離子強(qiáng)度）的離子的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.21%～9.82%。說(shuō)明HS-IMR-MS法具有較好的精密度和穩(wěn)定性，可用于香精S的揮發(fā)性成分分析。

2.5 數(shù)字化質(zhì)譜指紋圖譜的建立及相似度評(píng)價(jià)

采用優(yōu)化后的HS-IMR-MS法對(duì)8個(gè)不同批次的S香精進(jìn)行質(zhì)譜分析，從所得的質(zhì)譜指紋圖譜上可觀察到近48個(gè)離子（見(jiàn)圖3），其中有33個(gè)的離子強(qiáng)度＞0.5%（占總離子強(qiáng)度），它們的離子強(qiáng)度占總離子強(qiáng)度的95%以上，因此可作為判別S香精的群體特征離子。再以環(huán)己烷為內(nèi)標(biāo)，對(duì)33個(gè)離子的強(qiáng)度進(jìn)行歸一化處理（見(jiàn)表1），計(jì)算每種離子的相對(duì)強(qiáng)度，然后對(duì)S1～S8中同一種離子的相對(duì)強(qiáng)度求平均值（以S表示），即為香精S的數(shù)字化質(zhì)譜指紋圖譜。

表1 香精S群體特征離子及離子相對(duì)強(qiáng)度

圖3 香精S的質(zhì)譜指紋圖譜

相似度反映不同樣品質(zhì)譜指紋圖譜之間的相似程度，可以為樣品鑒別、樣品選擇提供參考。相似度評(píng)價(jià)方法主要有歐氏距離法、相關(guān)系數(shù)法、向量夾角余弦法、指數(shù)相似系數(shù)法等[11-12]。本文采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法計(jì)算各批次樣品之間的相似度，結(jié)果如表2所示，8個(gè)批次的S香精樣品的指紋圖譜相關(guān)系數(shù)均在0.999以上，且各離子相對(duì)強(qiáng)度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，說(shuō)明所選樣品存在較高的相似度，所建立的數(shù)字化指紋圖譜準(zhǔn)確可靠。另外，通過(guò)比較香精S與8個(gè)廠家供試品的數(shù)字化質(zhì)譜指紋圖譜（見(jiàn)表2）發(fā)現(xiàn)，8個(gè)供試品中，3#與S質(zhì)量最接近，相關(guān)系數(shù)為0.996 2，4#與S相似度最低，相關(guān)系數(shù)只為0.477 0。摻雜樣品中，隨著摻雜量的增加，相似度不斷下降，與標(biāo)準(zhǔn)品呈現(xiàn)越加顯著差異。

表2 不同廠家供試品的數(shù)字化質(zhì)譜指紋圖譜

2.6 質(zhì)譜指紋圖譜的主成分分析

采用ChemPattern軟件對(duì)表2中香精S、8個(gè)廠家的供試品和3個(gè)摻雜樣品中各離子的相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行主成分分析，分別求得對(duì)應(yīng)于3個(gè)特征值的主成分PC1、PC2、PC3，并以此得到三維投影圖（見(jiàn)圖 4），樣品越相似，在投影圖上就處在越相近的位置。從圖4可知：供試品2#、3#、7#與香精S在投影圖上相對(duì)集中，說(shuō)明這3個(gè)供試品與香精S質(zhì)量較接近，其中供試品3#與香精S最相似。此外，其他供試品與香精S相距較遠(yuǎn)且分散，說(shuō)明其質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)品存在較大差異，其中摻雜樣品隨著摻雜量的增加，與香精S越顯著分開，這與相似度分析結(jié)果一致。

圖4 香精樣品的主成分三維投影

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用HS-IMR-MS法建立了香精S的數(shù)字化質(zhì)譜指紋圖譜，并通過(guò)摻雜實(shí)驗(yàn)和重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了HS-IMR-MS的精密度和穩(wěn)定性；另外，本文采用相似度分析及主成分分析，探討了利用該法進(jìn)行香精香料揮發(fā)性成分分析及質(zhì)量控制的可能性，并取得了滿意結(jié)果。HS-IMR-MS法是一種快速、全面、穩(wěn)定且無(wú)需前處理的方法，其分析過(guò)程和數(shù)據(jù)處理過(guò)程較簡(jiǎn)單易行，便于推廣，能應(yīng)用于不同廠家、不同批次的香精香料的質(zhì)量一致性評(píng)價(jià)中，也能為香精香料質(zhì)量控制提供一種新的途徑。

[1]張翼鵬，黨立志，者為，等.紅外指紋圖譜結(jié)合Gram-Schmidt正交化方法用于香精品質(zhì)控制[J].中國(guó)食品添加劑，2015（4）：111-115.

[2]李晶，徐濟(jì)倉(cāng)，李雪梅，等.超高效液相色譜法同時(shí)測(cè)定香精香料中 14 種禁限用物質(zhì)[J].色譜，2012，30（8）：816-821.

[3]車宗伶.氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC/MS）技術(shù)對(duì)香精香料分析的經(jīng)驗(yàn)探討[J].香精香料化妝品，2010（5）：33-38，47.

[4]周奕，周蕓，陸冰琳.關(guān)于香精香料的檢測(cè)的探討[J].輕工科技，2013（11）：135-136.

[5]劉珊，胡軍，車艷麗，等.FT-NIR快速同時(shí)測(cè)定香精香料理化指標(biāo)[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2010，29（3）：220-224.

[6]王蓓，曹雁平，鄭福平，等.氣味指紋識(shí)別技術(shù)在乳品香精品質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].中國(guó)食品添加劑，2012（1）：191-196.

[7]李莉，張毅，王秀娟，等.煙草制品中香精香料分析方法研究進(jìn)展[J].中國(guó)衛(wèi)生檢驗(yàn)雜志，2013，23（2）：525-528.

[8]BENNETT L，CIAFFONI W，DENZER G，et al.A chemometric study on human breath mass spectra for biomarker identification in cystic fibrosis[J].J Breath Res，2009，3（4）：1-7.

[9]WANKE T，VEHLOW J.IMR-MS on-line measurements in the exhaust gas of a municipal solid waste incineration pilot plant（Tamara）[J].Chemosphere，1997，34（2）：345-355.

[10]陳敏，陶立奇，傅靖剛，等.離子分子反應(yīng)質(zhì)譜法研究濾嘴中活性炭添加量對(duì)卷煙主流煙氣有害成分的影響[J].煙草科技，2016，49（1）：38-45.

[11]谷瑞敏，涂洪誼，孫鶴.中藥色譜指紋圖譜相似度計(jì)算方法的探討[J].中成藥，2009，31（7）：988-990.

[12]李希強(qiáng)，王笛，陸舍銘，等.皮爾遜相關(guān)系數(shù)與UPLC相結(jié)合研究煙用香精香料指紋圖譜[J].精細(xì)化工，2008，25（5）：476-478.