曹 雪,任皓威,王筱迪,許銨頎,商佳琦,劉 寧
(乳品科學(xué)教育部重點實驗室,東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150030)
磷脂是一種含磷酸的極性脂類,兼有親水的頭部和疏水的尾鏈,能夠在水環(huán)境中形成穩(wěn)定的磷脂雙分子層,對牛乳的穩(wěn)定性具有重要作用[1-2]。牛乳中磷脂約占其總脂肪的0.5%~1%[3-5]。位于脂肪球膜上,主要分為磷酸甘油酯和鞘磷脂(sphingomyelin,SM)。常見的磷脂組分有磷脂酰膽堿(phosphatidylcholine,PC)、磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine,PE)、磷脂酰絲氨酸(phosphatidylserine,PS)和磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,PI)。脂質(zhì)組學(xué)作為一個新興學(xué)科[6],與蛋白組學(xué)、基因組學(xué)相比,數(shù)據(jù)匱乏且認識不足,而復(fù)雜的脂質(zhì)種類和繁瑣的檢測程序更加限制了其在營養(yǎng)學(xué)的應(yīng)用。磷脂是第一大類脂質(zhì),在嬰幼兒認知和發(fā)育中存在重要聯(lián)系[7-8]。因此,對牛乳中磷脂的系統(tǒng)分析不僅可以填補脂質(zhì)組學(xué)的空白,為磷脂數(shù)據(jù)庫提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),還可以與人乳的磷脂種類與含量做對比,為嬰幼兒乳粉的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。
磷脂組成常見的檢測技術(shù)有核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)法、直接進樣質(zhì)譜法和基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜(matrix-assisted laser desorption-ionization time-of-flight mass spectrometry,MALDI-TOF MS)法[9-10]。NMR法能夠分離復(fù)雜的混合物,31P-NMR較好的線性響應(yīng)和相對較高的速度使樣品有精確的吞吐量和較高的選擇性測量[11-12]。與MS相比,NMR技術(shù)靈敏度較低同時設(shè)備成本高[13]。直接進樣是一種高通量方法,可以在較短時間內(nèi)處理和分析樣品,提高樣品間的重復(fù)性和后續(xù)聚類分析的準(zhǔn)確性,通常使用電噴霧質(zhì)譜法進行直接注射分析。直接進樣質(zhì)譜法不能有效地分析同分異構(gòu)體,適合于有目標(biāo)性脂質(zhì)分析。MALDI-TOF MS法由于不同質(zhì)量的脂質(zhì)離子經(jīng)過飛行管到達TOF質(zhì)量分析器的時間不同,通過測定不同脂質(zhì)離子到達TOF質(zhì)量分析器的時間,推算各種脂質(zhì)離子的m/z[14-15]。本研究基于Triple-TOF系統(tǒng),可以自動收集所需質(zhì)量范圍內(nèi)的所有前體離子,以及目標(biāo)母離子的碎片,并記錄所有子離子,具備高質(zhì)量數(shù)、高分辨率、高掃描速率和高靈敏度,能夠準(zhǔn)確與快速鑒定牛乳中的磷脂組分的特點。
Li Guochen等[16]通過高效液相色譜-MALDI-TOF MS聯(lián)用,得到了PC和SM的分子亞類脂肪酸組成;Merrill等[17]使用三重四極桿質(zhì)譜對SM進行了系統(tǒng)的定量和定性分析;Sullars[18]和Bang[19]等采用液相色譜-電噴霧-質(zhì)譜聯(lián)用對鞘磷脂亞類進行了詳細分析。但是目前國內(nèi)關(guān)于牛乳中磷脂的研究鮮見報道。國外對牛乳中的磷脂有一些研究,Byrdwell等[20]通過液相色譜-質(zhì)譜方法,雖然可以鑒定出大量的磷脂物種,但由于保留時間和峰面積的差異巨大,無法對磷脂物種進行定量分析。Ali等[21]利用超高效液相色譜檢測巴氏殺菌乳中的脂肪酸,與本研究不同的是其在負離子模式下對PE、PI和磷脂酰甘油(glycerophosphoglycerols,PG)實現(xiàn)定性分析,在正離子模式下對PC、PS、SM和溶血磷脂酰膽堿(lysophosphatidycholine,LPC)進行定性分析。Walczak等[22]使用Folch法提取脂肪,固相萃取法實現(xiàn)初步分離,然后使用高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用,與本研究相同的是在正離子模式下對PC、PE、SM和PS實現(xiàn)定性分析,在負離子模式下對PI實現(xiàn)定性分析。本研究應(yīng)用超高效液相色譜-串聯(lián)四極桿飛行時間高分辨質(zhì)譜(ultrahigh perfomance liquid chromatography-triple quadrupoletime of flight tandem mass spectrometry,UPLC-Triple-TOF MS/MS)分析巴氏殺菌乳中磷脂的組成,旨在為乳與乳制品中真實屬性監(jiān)測的磷脂組學(xué)方法建立提供基礎(chǔ),同時通過與人乳中磷脂組成的比較分析,為嬰幼兒配方乳粉研制提供基礎(chǔ)理論依據(jù)[23]。
市購巴氏殺菌乳,分裝之后至于-80 ℃冷凍保存,待檢。
氯仿、甲醇、氯化鈉(均為分析純),正己烷、異丙醇、甲醇、乙腈(均為色譜純) 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;乙酸銨(質(zhì)譜純) 上海阿拉丁生化科技股份有限公司;PC 34:2 (≥99%)、PE 36:5(≥98%)、PS-O 38:5(≥97%)、PI 32:0(≥98%)、SM 34:1; 2(≥98%) 美國Sigma公司。
A C Q U I T Y U P L C?B E H C18液相色譜柱(2.1 mmh 100 mm,1.7 μm)、ACQUITY超高效液相色譜儀 美國Waters公司;Triple TOFTM5600+質(zhì)譜分析儀美國SCIEX公司;BYN200-2氮吹儀 天津奧特賽恩斯儀器有限公司。
1.3.1 脂質(zhì)提取
參考Folch等[24]的方法。取巴氏殺菌乳1 mL,加入4 mL的氯仿-甲醇(2∶1,V/V)溶液與0.8 mL的0.05 mol/L NaCl溶液,振蕩混勻,4 000 r/min離心10 min。用注射器取出下層氯仿。重復(fù)上述步驟2~3 次。將合并的氯仿層使用氮吹儀進行濃縮干燥,置于-80 ℃冷凍保藏,等待下一步分析。待進樣分析時,用1 mL氯仿-甲醇(2∶1,V/V)混合溶液進行溶解,然后經(jīng)過0.22 μm尼龍膜過濾器過濾,存放于進樣瓶中。
1.3.2 液相色譜條件
樣品進樣量為5 μ L,流動相A 為水-甲醇-乙腈(1∶1∶1,V/V)混合溶劑(含有2 mmol/L乙酸銨);流動相B為異丙醇-乙腈(1∶1,V/V)混合溶劑(含有2 mmol/L乙酸銨)。流動相流速0.35 mL/min,柱溫35 ℃,分流比50∶1,梯度洗脫如表1所示。
表1 磷脂梯度洗脫程序Table 1 Mobile phase composition for gradient elution
1.3.3 質(zhì)譜條件
Triple-TOF 5600+質(zhì)譜分析儀配電噴霧離子源(electron spray ionization,ESI),對樣品與標(biāo)準(zhǔn)品的分析采用正負離子模式,質(zhì)譜條件的設(shè)置參考本課題組優(yōu)化的分析人乳中磷脂組學(xué)的方法,具體條件參數(shù)見表2。
表2 磷脂分析的質(zhì)譜條件Table 2 Mass spectrometry conditions for phospholipid analysis
本研究數(shù)據(jù)由AnalystTF1.7.1獲取,Lipidview獲得磷脂的基本信息,PeakView 2.2和MasterView 1.1對總離子圖進行解析。數(shù)據(jù)庫LipidMaps網(wǎng)站可查找標(biāo)準(zhǔn)品的裂解方式解析。Excel對數(shù)據(jù)預(yù)處理,化學(xué)結(jié)構(gòu)式采用ChemDraw Professional 16.0軟件進行處理。
由于巴氏殺菌乳樣品中各磷脂分子信息、元素組成和結(jié)構(gòu)類型均未知,運用UPLC-Triple-TOF MS/MS對巴氏殺菌乳樣品中的磷脂成分進行定性與定量分析。通過標(biāo)準(zhǔn)品試運行確定最優(yōu)的前處理條件。試運行之前,對進樣參數(shù)進行設(shè)定。標(biāo)準(zhǔn)品試運行后通過調(diào)整設(shè)定條件達到最大提取峰強度,各色譜圖中的峰均分得開且峰形良好。如圖1所示,磷脂標(biāo)準(zhǔn)品SM 34:1; 2、PE 36:5和PC 34:2均在正離子下檢測到較高的響應(yīng)強度,而PI 32:0在負離子下響應(yīng)值較正離子高。實驗采用正負離子同時進樣分析。
圖1 巴氏殺菌乳中的提取離子色譜圖Fig.1 Extracted ion chromatograms of pasteurized milk samples
2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線與靈敏度
對本方法的可靠性進行進一步驗證,將標(biāo)準(zhǔn)品溶于流動相中制成質(zhì)量濃度為1 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)儲備液?;旌细鳂?biāo)準(zhǔn)儲備液,得到每種標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)量濃度均為10 μg/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,同時各標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液分別稀釋成質(zhì)量濃度梯度范圍為0.1~100 μg/mL(每種標(biāo)準(zhǔn)品的質(zhì)量濃度分別為0.1、1、10、50 μg/mL和100 μg/mL),得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)R2良好,在0.997 8~0.999 6之間,表明此方法得到的檢測值與相應(yīng)的回歸方程吻合度較高。檢出限按信噪比3 倍計算,定量限按信噪比10 倍計算。5 種磷脂中檢出限與定量限最低的是PC 34:2,而PS-O 38:5的檢出限與定量限呈現(xiàn)最高值,5 種磷脂的檢出限在0.53~1.14 μg/mL之間,定量限在1.62~3.45 μg/mL之間。結(jié)果顯示,在所選用的實驗條件下,儀器對幾種標(biāo)準(zhǔn)品的檢測呈現(xiàn)較高的靈敏度,如表3所示。
表3 巴氏殺菌乳中磷脂檢測的線性關(guān)系方程、線性范圍、檢出限和定量限Table 3 Calibration curve equations, linear ranges, limits of detection,and limits of quantitation of phospholipids in pasteurized milk samples
2.2.2 精密度實驗結(jié)果
對同1 d內(nèi)檢測加標(biāo)質(zhì)量濃度為10 μg/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的樣品進行脂質(zhì)提取,重復(fù)進樣6 次,計算各標(biāo)準(zhǔn)品的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation,RSD)。再將樣品每天測定1 次,連續(xù)測定5 d,計算各標(biāo)準(zhǔn)品的RSD。得到的幾種混合標(biāo)準(zhǔn)品提取離子色譜峰面積與樣品中被觀測物質(zhì)提取離子色譜峰面積的RSD如表4所示。同1 d的測定中,日內(nèi)精密度RSD在1.23%~2.44%之間,連續(xù)測定6 d得到日間精密度的RSD在11.32%~17.42%之間,均小于18%,表明本研究選用的條件具有較好的精密度。
表4 巴氏殺菌乳中磷脂檢測的日內(nèi)和日間精密度結(jié)果(n= 6)Table 4 Intra-day and inter-day precision for determination of phospholipids in pasteurized milk samples (n= 6)
2.2.3 準(zhǔn)確度測定結(jié)果
取一份穩(wěn)定樣品,向其中加入10 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)混合工作液1 mL,同時測定樣品與加標(biāo)樣品,加標(biāo)樣品扣除樣品值后與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的誤差為該方法的準(zhǔn)確度。
如表5所示,該方法相對誤差在1.55%~5.32%之間,反映了方法較好的準(zhǔn)確性。幾種標(biāo)準(zhǔn)品在加標(biāo)量為10 μg/mL時,加標(biāo)回收率在89.81%~110.54%之間,此范圍處于微量儀器分析的80%~120%之間,RSD在4.47%~8.55%之間,說明該方法的預(yù)處理損失低,符合分析實驗的要求。
表5 巴氏殺菌乳中磷脂檢測的準(zhǔn)確度的測定結(jié)果Table 5 Accuracy of determination of phospholipids in pasteurized milk samples
2.2.4 加標(biāo)回收率實驗結(jié)果
取1 mL巴氏殺菌乳樣品,分別設(shè)定為實驗組和對照組,實驗組加入5、10 μg/mL和20 μg/mL不同質(zhì)量濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)品溶液進行脂質(zhì)提取并分析,每個質(zhì)量濃度測6 次。對照組為樣品,進行脂質(zhì)提取并進樣分析,計算巴氏殺菌乳中磷脂的提取回收率。如表6所示,加標(biāo)回收率可滿足對樣品測定的要求。
表6 巴氏殺菌乳中磷脂檢測的加標(biāo)回收率測定結(jié)果(n=3)Table 6 Recoveries of phospholipids in spiked pasteurized milk samples (n= 3)
2.2.5 穩(wěn)定性實驗結(jié)果
取3 份巴氏殺菌乳樣品各1 mL按1.3.1節(jié)預(yù)處理方法處理,分別在室溫下放置1、4 h和8 h后的測定結(jié)果見表7,觀察到PS-O 38:5和SM 34:1; 2在室溫下較為穩(wěn)定,RSD在6.15%以下,PC 34:2、PI 32:0和PE 36:5穩(wěn)定性相對較差,RSD在10.54%~17.81%之間。
表7 巴氏殺菌乳中磷脂檢測的巴氏殺菌乳樣品的穩(wěn)定性Table 7 Stability for determination of phospholipids in pasteurized milk samples
如圖2所示,同一種類磷脂裂解呈現(xiàn)一定規(guī)律性,PC在磷酸膽堿處斷裂產(chǎn)生m/z為184中性丟失,m/z184特征碎片是質(zhì)譜裂解典型特征[25];PE二級質(zhì)譜上出現(xiàn)m/z141的中性丟失,酯基與質(zhì)子結(jié)合產(chǎn)生[M-140]-可用于PE結(jié)構(gòu)鑒定[26-27];PS雖然在負離子模式下也有較好的響應(yīng)值,但PS在正離子模式下會產(chǎn)生m/z85的中性丟失[28],有利于定性分析;對于SM而言,常見的中性丟失有[M+H-86]+(“脫氫膽堿”基團)與[M+H-184]+(磷脂膽堿離子),與PC在正離子模式下產(chǎn)生m/z184的中性丟失不同,SM在正離子模式下的母離子峰為奇數(shù),PC在正離子模式下的母離子峰為偶數(shù)[22]。PI可以通過m/z241、259、315和333等特征碎片進行定性[29]。
圖2 巴氏殺菌乳中磷脂的結(jié)構(gòu)式Fig.2 Structural formula of different types of phospholipids in pasteurized milk
以S M 質(zhì)譜推導(dǎo)過程為例,S M 類在E S I(±)檢測模式下,正離子較負離子下易形成峰度較高的[M+H]+準(zhǔn)分子離子,二級質(zhì)譜裂解具有一定的規(guī)律性,生成特征碎片離子C5H15NO4P+(184.073 0 Da),負離子[M+HCOO]-易形成豐度較高的準(zhǔn)分子離子,同時丟失脂肪酸長鏈。但無法確定脂肪酸鏈位置、構(gòu)型及雙鍵數(shù)目。SM 34:1; 2的保留時間為7.32 min,在正離子模式下,其[M+H]+m/z為675.540 8,根據(jù)高分辨MS推測其可能的化學(xué)元素組成為C39H80O6N2P+;負離子下其[M+HCOO]-m/z為747.564 9,根據(jù)高分辨MS推測其可能的化學(xué)元素組成為C40H80O8N2P+。圖3為該脂質(zhì)代謝物ESI(+)的一級質(zhì)譜與二級質(zhì)譜圖,由二級質(zhì)譜可以看出代謝物有特征性碎片離子m/z184.073 61;圖4為脂質(zhì)代謝物ESI(-)的一級質(zhì)譜與二級質(zhì)譜圖,由二級質(zhì)譜可以看出代謝物生成337.352 7的特征碎片。SM 34:1; 2的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征均通過MS/MS的子離子得到了充分說明,同時能進一步確定該脂質(zhì)類物質(zhì)的總碳數(shù)及雙鍵數(shù)。如圖5所示,該脂質(zhì)化合物可能的生物標(biāo)志物為SM 34:1; 2。再以PC為例,如圖6所示,m/z812.611 8(PC 38:3)離子在正離子源下的二級碎片,其中,m/z283.268 5和m/z305.522 3分別表示從磷酸甘油酯鍵sn-1和sn-2位上斷裂下的脂肪酸鏈分別為FA18:0和FA20:3,由此表明PC 38:3分子在sn-1/sn-2位為18:0/20:3。同理依次對其他磷脂進行定性。
圖3 SM在正離子下一級質(zhì)譜圖(a)及其二級質(zhì)譜圖(b)Fig.3 Mass spectrum of SM compound ions in the positive ion mode (a)and MS/MS spectrum of SM compound ions (b)
圖4 SM在負離子下一級質(zhì)譜圖(a)及其二級質(zhì)譜圖(b)Fig.4 Mass spectrum of SM compound ions in the negative ion mode (a) and MS/MS spectrum of SM compound ions (b)
圖5 正離子模式(A)及負離子模式(B)下使用UPLC-Triple-TOF MS/MS在相應(yīng)m/z的碎裂途徑Fig.5 Fragmentation pathways of phospholipids at corresponding m/z in UPLC-Triple-TOF MS/MS spectra in the positive ion mode (A) and the negative ion mode (B)
圖6 PC 38:3(18:0/20:3)二級質(zhì)譜圖(m/z 812.611 8)Fig.6 The MS/MS spectrum of PC 38:3 (18:0/20:3) compound ions showed m/z 812.611 8
圖7 巴氏殺菌乳在UPLC-Triple-TOF-MS/MS掃描下的總離子流圖Fig.7 Total ion chromatogram of pasteurized milk by UPLC-Triple-TOF MS/MS
按照1.3.1節(jié)條件對巴氏殺菌乳中磷脂進行分離與分析,巴氏殺菌乳中磷脂在ESI(±)離子模式下的總離子色譜圖7。通過巴氏殺菌乳樣品的保留時間、母離子及碎片離子的質(zhì)譜信息與標(biāo)準(zhǔn)品對比,同時參考LipidMaps數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)品的裂解規(guī)律及相關(guān)的參考文獻,結(jié)合二級質(zhì)譜推測檢測出的化合物,共檢測出68 種磷脂分子,磷脂分子名稱、化學(xué)式、m/z、保留時間及峰面積如表8所示。
表8 巴氏殺菌乳中磷脂類別Table 8 List of phospholipids identified in pasteurized milk
續(xù)表8
圖8 各磷脂組分在巴氏殺菌乳中的相對含量Fig.8 Relative content of each phospholipid fraction in pasteurized milk
由PeakView 2.2和MasterView 1.1進行定性分析后,利用Multiquant對巴氏殺菌乳中磷脂實現(xiàn)半定量分析,結(jié)果見圖8,巴氏殺菌乳中各種磷脂的相對含量分別為PI 1.33%、SM 32.39%、PS 1.70%、PE 56.60%和PC 7.98%。雖然脂質(zhì)組成隨奶牛品種、飲食習(xí)慣、哺乳期和季節(jié)而變化,但有研究表明[3]該5 個磷脂的比例始終保持相對恒定。牛乳和其他哺乳動物的磷脂組成與人乳磷脂存在差異[30],但PE含量均為最高,其平均水平遠高于人乳PE含量;牛乳中PC含量與人乳中的含量接近,但SM含量卻有很大區(qū)別,雖含量列為第2卻遠低于人乳磷脂的SM含量。PI、PS與人乳脂肪磷脂規(guī)律相同,含量較低。在PC中含量最高的為PC 34:1,為9.10 mg/g(圖9A)。PE含量最高的為PE 36:2,為90.10 mg/g(圖9B)。PS含量最高為PS 36:2,為3.10 mg/g(圖9C)。SM中含量最高的為SM 40:1; 2,為802.34 mg/g(圖9D);PI為巴氏殺菌乳磷脂中檢測到的含量最低的物質(zhì),其中PI 36:1含量最高,為7.90 mg/g,其他幾種物質(zhì)PI 28:0、PI 34:4、LPI 18:0、LPI 18:1、LPI 10:0和LPI 14:0呈極少分布(圖9E)。
研究發(fā)現(xiàn),磷脂種類不同,其脂肪酸的組成也略有差異。如PE、PS中含有較多的長鏈多不飽和脂肪酸如C20:3、C20:4、C22:3、C22:4等,在PC、SM中含有大量的長鏈飽和脂肪酸如C14:0、C16:0、C18:0。各種磷脂不管在人乳還是牛乳中,C14:0、C16:0、C18:0、C18:1和C18:2都是相對頻繁的與其他脂肪酸相互結(jié)合。其中SM含有最多的飽和脂肪酸,除了C16:0,還有更長的飽和的酰基鏈C22:0、C24:0,而PE占據(jù)了最多的不飽和脂肪酸[31]。
圖9 巴氏殺菌乳中各種PC(A)、PE(B)、PS(C)、SM(D)、PI(E)組成Fig.9 Composition of PC (A), PE (B), PS (C), SM (D) and PI (E) in pasteurized milk
本研究以巴氏殺菌乳為研究對象,運用UPLCTriple-TOF MS/MS鑒定巴氏殺菌乳中的磷脂組分,通過自動收集所需質(zhì)量范圍內(nèi)的所有前體離子,目標(biāo)母離子碎片與子離子,共發(fā)現(xiàn)68 種磷脂分子,其比例分別為PI 1.33%、SM 32.39%、PS 1.70%、PE 56.60%和PC 7.98%,結(jié)果與Donato等[32]檢測的各物質(zhì)大小趨勢一致,但數(shù)量遠高于運用MS-ESI-IT-TOF方法檢測到的22 種牛乳磷脂。Liu Zhiqian等[9]應(yīng)用親水作用色譜耦合LTQ Orbitrap質(zhì)譜儀方法檢測到牛乳中的主要磷脂56 種。Sokol等[23]用氣相色譜和MS/MSALL對富含磷脂的牛乳中的脂類進行全面定量的分析,發(fā)現(xiàn)磷脂含量為PC>PE>PS>PI,與本研究含量趨勢一致。磷脂常規(guī)色譜分離方法不僅前處理復(fù)雜,而且分離過程中的樣品損失使磷脂分析無法滿足高通量的快速分離。UPLC-Triple-TOF MS/MS既結(jié)合了UPLC強大的分離能力,又有Triple-TOF MS/MS可在生物分子無碎片斷裂的情況下離子化及高靈敏度的優(yōu)勢,滿足了脂質(zhì)組學(xué)對高通量、快速分析的要求,可在單次分析中迅速篩選數(shù)百種不同化合物,更實現(xiàn)了對不同磷脂種類甚至于亞種的快速鑒定。以上方法未檢測出LPC 14:0、PC 31:0、PC 24:0、PC 26:0、PE 38:3、PE 38:4、PS 38:6、SM 36:1; 2、SM 36:2和PI 28:0,與磷脂提取方法、奶?;蚣暗赜蛞蛩氐扔嘘P(guān)。本研究表明UPLC-Triple-TOF MS/MS法可快速、準(zhǔn)確鑒定牛乳中磷脂組分,為嬰幼兒乳粉的研發(fā)提供一定理論依據(jù)。