聚甘油脂肪酸酯的結構鑒定

林曉珊，羅輝泰，黃 芳，梁梓洋，周 熙，梁梓豪，朱志鑫，鄧 欣，吳惠勤

（廣東省科學院測試分析研究所（中國廣州分析測試中心） 廣東省化學測量與應急檢測技術重點實驗室，廣東省中藥質量安全工程技術研究中心，廣東 廣州 510070）

聚甘油脂肪酸酯（Polyglycerol fatty acid esters），又稱聚甘油酯，是一類新型、高效和性能優(yōu)良的多羥基酯類非離子型表面活性劑，由于聚甘油酯有更多親水性羥基，使得其乳化性能顯著優(yōu)于單甘油酯；且其親水性隨甘油聚合度的增加而增強，親油性隨脂肪酸烷基的不同而不同。故可通過改變聚合度、脂肪酸種類及酯化度，得到一系列不同親水親油平衡值（HLB 值）的從親油到親水的不同性能的聚甘油酯產品，以適于各種特殊用途。聚甘油酯為淡黃色油狀液體或蠟狀固體，兼有親水、親油雙重特性，具有良好乳化、分散、濕潤、穩(wěn)定、起泡等多重性能。在人體代謝過程中可分解，從而可參與代謝，被人體利用，具有高度安全性，是一類高效安全添加劑，被聯(lián)合國糧農組織（FAO）和世界衛(wèi)生組織（WHO）推薦使用［1-3］。同時聚甘油酯在酸性、堿性和中性環(huán)境中穩(wěn)定，不易發(fā)生水解，在含鹽量較高時也有很好的乳化性，可與其它乳化劑復配，具有良好協(xié)同增效作用，因而廣泛應用于食品［4-8］、日化［9-14］、石油、紡織、涂料、塑料、農藥、橡膠、醫(yī)藥等領域。

聚甘油脂肪酸酯中聚甘油的聚合度、脂肪酸的種類對其性能影響較大，因此對聚甘油脂肪酸酯的結構進行鑒別十分重要，但目前未見相關文獻報道。

本文采用傅里葉變換離子回旋共振質譜（FT-ICR-MS）、核磁共振氫譜（1H NMR）以及氣相色譜-質譜（GC-MS）技術［15-16］，對聚甘油脂肪酸酯的結構進行鑒定。樣品溶解后進行FT-ICR-MS測定，根據(jù)精確分子離子數(shù)據(jù)，推測出聚甘油脂肪酸酯的基本結構以及甘油的聚合度，隨后采用1H NMR 進行驗證。水解后對脂肪酸部分進行甲酯化，以正庚烷萃取，經(jīng)GC-MS 測定，分析脂肪酸的組成。綜合上述結果即可確定聚甘油脂肪酸酯的結構。該研究為聚合物的結構鑒定提供了一種新的思路和方法。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與樣品

Bruker solariX XR 7.0T傅里葉變換離子回旋共振串聯(lián)質譜儀、Bruker Avance DPX-300超導脈沖傅里葉變換核磁共振譜儀（美國布魯克公司）；Agilent 6890GC/5973iMS 氣相色譜-質譜儀（美國安捷倫公司）；賽多利斯TP-114電子天平（美國Sartorious公司）；氮吹儀（上海安譜科學儀器有限公司）。

甲醇（色譜純，德國Merck 公司）；氘代氯仿（CDCl3，99.80%D，上海邁瑞爾化學技術有限公司）；氫氧化鈉、三氟化硼、正庚烷、氯化鈉、無水硫酸鈉（分析純，廣州化學試劑廠）；實驗用水為二次蒸餾水。

樣品為白色顆粒，由某公司生產，主要可作為乳化劑、穩(wěn)定劑、分散劑、增稠劑、消泡劑、品質改良劑、油脂結晶調整劑、巧克力稠度調整劑、殺菌劑。

1.2 樣品前處理

FT-ICR-MS：稱取粉碎后的樣品約0.1 g，精密稱定，置于100 mL 容量瓶中，加入甲醇，超聲溶解，定容至刻度，過0.45μm濾膜，待FT-ICR-MS測定。

1H NMR：稱取粉碎后的樣品約0.1 g，加入0.5 mL CDCl3溶解后，待1H NMR測定。

GC-MS：稱取粉碎后的樣品約0.1 g，精密稱定，置50 mL 錐形瓶中，加2%氫氧化鈉的甲醇溶液2 mL，置65 ℃水浴中加熱回流30 min，放冷，然后加14%三氟化硼的甲醇溶液2 mL，于水浴中加熱回流30 min，放冷，再加正庚烷4 mL，繼續(xù)在水浴中加熱回流5 min，放冷后加飽和氯化鈉溶液10 mL，振搖，靜置使其分層。取上層液，用水洗滌3 次，每次4 mL，經(jīng)無水硫酸鈉干燥后作為供試品溶液，待GC-MS測定。

1.3 實驗條件

1.3.1 FT-ICR-MS測試條件離子源為雙噴Jet Stream源（Dual Jet Stream ESI），以正、負離子模式分別采集樣品；進樣流速：2.0μL/min；毛細管入口電壓：4500 V；毛細管出口電壓：-500 V；噴霧器壓力：40 kPa；干燥氣溫度：200 ℃；干燥氣流速：4 L/min；質荷比掃描范圍m/z100～2000。

1.3.2 1H NMR 測試條件以CDCl3為溶劑，采用zg30 脈沖序列，測定溫度為24 ℃，譜寬（SWH）6173 Hz，弛豫延遲時間（D1）為1 s，采集時間（AQ）為5.31 s，脈沖寬度（P1）為14μs，樣品空掃次數(shù)（DS）為2次，樣品掃描次數(shù)（NS）為8次。

1.3.3 GC-MS 測試條件GC 條件：色譜柱：AB-INOWAX（30 m×0.25 mm×0.25μm）彈性石英毛細管柱；載氣：He（99.999%）；恒流，柱流速：1.0 mL/min；分流進樣，分流比：10∶1；進樣量：1.0μL；進樣口溫度：220 ℃；程序升溫：柱始溫100 ℃，以30 ℃/min升至220 ℃，保持10 min。

MS 條件：離子源：EI 源；離子源溫度：230 ℃；四極桿溫度：150 ℃；色譜-質譜連接口溫度：280 ℃；電子能量：70 eV；電子倍增器電壓：1500 V；溶劑延遲時間：4 min；掃描方式：全掃描（SCAN）；掃描范圍：m/z29～550。

1.3.4 測定方法取上層供試品溶液1.0μL 注入GC-MS 進行分析，樣品經(jīng)氣相色譜石英毛細管柱分離，質譜儀記錄，得到GC-MS 總離子流圖。將各色譜峰相應的質譜圖經(jīng)計算機譜庫檢索及人工解析確定脂肪酸的組成及化學結構，并用面積歸一化法測定其相對含量。

2 結果與討論

2.1 FT-ICR-MS分析

2.1.1 正離子模式樣品溶解后經(jīng)FT-ICR-MS 進樣測試，正離子模式采集，得到的主要峰的質譜圖見圖1，質荷比計算值與實測值的相對誤差如表1所示。

圖1 FT-ICR-MS測試得到的樣品正離子質譜圖Fig.1 The positive ion mass spectrum of the sample obtained by FT-ICR-MS

表1 正離子模式下質荷比計算值與實測值的相對誤差Table 1 Relative error between calculated mass-to-charge ratio and measured mass-to-charge ratio in positive ion mode

（續(xù)表1）

離子峰的歸屬：

①序號1～10歸屬為聚甘油峰，歸屬如下：

質量數(shù)為m/z171.0629 的離子，可歸屬為二聚甘油脫水形成的環(huán)狀物的加鈉峰［C6H12O4+Na］+；質量數(shù)為m/z189.0734 的離子，可歸屬為二聚甘油的加鈉峰［C6H14O5+Na］+；質量數(shù)為m/z245.0997 的離子，可歸屬為三聚甘油脫水形成的環(huán)狀物的加鈉峰［C9H18O6+Na］+；質量數(shù)為m/z263.1103 的離子，可歸屬為三聚甘油的加鈉峰［C9H20O7+Na］+；質量數(shù)為m/z319.1365 的離子，可歸屬為四聚甘油脫水形成的環(huán)狀物的加鈉峰［C12H24O8+Na］+；質量數(shù)為m/z377.1471 的離子，可歸屬為四聚甘油的加鈉峰［C12H26O9+Na］+；質量數(shù)為m/z393.1733 的離子，可歸屬為五聚甘油脫水形成的環(huán)狀物的加鈉峰［C15H30O10+Na］+；質量數(shù)為m/z411.1839 的離子，可歸屬為五聚甘油的加鈉峰［C15H32O11+Na］+；質量數(shù)為m/z467.2102 的離子，可歸屬為六聚甘油脫水形成的環(huán)狀物的加鈉峰［C18H36O12+Na］+；質量數(shù)為m/z485.2208 的離子，可歸屬為六聚甘油的加鈉峰［C18H38O13+Na］+。

②序號11～28歸屬為聚甘油單脂肪酸酯峰，歸屬如下：

質量數(shù)m/z437.3241 的離子，可歸屬為二聚甘油單硬脂酸酯脫水形成的環(huán)狀物的加鈉峰［C24H46O5+Na］+；質量數(shù)m/z455.3347的離子，可歸屬為二聚甘油單硬脂酸酯的加鈉峰［C24H48O6+Na］+；質量數(shù)m/z483.3296 的離子，可歸屬為三聚甘油單棕櫚酸酯脫水形成的環(huán)狀物的加鈉峰［C25H48O7+Na］+；質量數(shù)m/z501.3402 的離子，可歸屬為三聚甘油單棕櫚酸酯的加鈉峰［C25H50O8+Na］+；質量數(shù)m/z511.3609的離子，可歸屬為三聚甘油單硬脂酸酯脫水形成的環(huán)狀物的加鈉峰［C27H52O7+Na］+；質量數(shù)m/z529.3715的離子，可歸屬為三聚甘油單硬脂酸酯的加鈉峰［C27H54O8+Na］+；質量數(shù)m/z557.3665的離子，可歸屬為四聚甘油單棕櫚酸酯脫水形成的環(huán)狀物的加鈉峰［C28H54O9+Na］+；質量數(shù)m/z575.3771 的離子，可歸屬為四聚甘油單棕櫚酸酯的加鈉峰［C28H56O10+Na］+；質量數(shù)m/z585.3978 的離子，可歸屬為四聚甘油單硬脂酸酯脫水形成的環(huán)狀物的加鈉峰［C30H58O9+Na］+；質量數(shù)m/z603.4084的離子，可歸屬為四聚甘油單硬脂酸酯的加鈉峰［C30H60O10+Na］+；質量數(shù)m/z631.4033的離子，可歸屬為五聚甘油單棕櫚酸酯脫水形成的環(huán)狀物的加鈉峰［C31H60O11+Na］+；質量數(shù)m/z649.4139的離子，可歸屬為五聚甘油單棕櫚酸酯的加鈉峰［C31H62O12+Na］+；質量數(shù)m/z659.4348的離子，可歸屬為五聚甘油單硬脂酸酯脫水形成的環(huán)狀物的加鈉峰［C33H64O11+Na］+；質量數(shù)m/z677.4453的離子，可歸屬為五聚甘油單硬脂酸酯的加鈉峰［C33H66O12+Na］+；質量數(shù)m/z705.4404的離子，可歸屬為六聚甘油單棕櫚酸酯脫水形成的環(huán)狀物的加鈉峰［C34H66O13+Na］+；質量數(shù)m/z723.4507的離子，可歸屬為六聚甘油單棕櫚酸酯的加鈉峰［C34H68O14+Na］+；質量數(shù)m/z733.4716的離子，可歸屬為六聚甘油單硬脂酸酯脫水形成的環(huán)狀物的加鈉峰［C36H70O13+Na］+；質量數(shù)m/z751.4823 的離子，可歸屬為六聚甘油單硬脂酸酯的加鈉峰［C36H72O14+Na］+。

③序號29～34歸屬為聚甘油二脂肪酸酯峰，歸屬如下：

質量數(shù)m/z841.6387的離子，可歸屬為四聚甘油棕櫚酸硬脂酸酯的加鈉峰［C46H90O11+Na］+；質量數(shù)m/z851.6591的離子，可歸屬為四聚甘油二硬脂酸酯脫水形成的環(huán)狀物的加鈉峰［C48H92O10+Na］+；質量數(shù)m/z869.6634的離子，可歸屬為四聚甘油二硬脂酸酯的加鈉峰［C48H94O11+Na］+；質量數(shù)m/z915.6756的離子，可歸屬為五聚甘油棕櫚酸硬脂酸酯的加鈉峰［C49H96O13+Na］+；質量數(shù)m/z925.6953的離子，可歸屬為五聚甘油二硬脂酸酯脫水形成的環(huán)狀物的加鈉峰［C51H98O12+Na］+；質量數(shù)m/z943.7008 的離子，可歸屬為五聚甘油二硬脂酸酯的加鈉峰［C51H100O13+Na］+。

2.1.2 負離子模式樣品溶解后經(jīng)FT-ICR-MS 進樣測試，負離子模式采集，得到的主要峰的質譜圖見圖2，質荷比計算值與實測值的相對誤差如表2所示。

圖2 FT-ICR-MS 測試得到的樣品負離子質譜圖Fig.2 The negative ion mass spectrum of the sample obtained by FT-ICR-MS

表2 負離子模式下質荷比計算值與實測值的相對誤差Table 2 Relative error between calculated mass-to-charge ratio and measured mass-to-charge ratio in negative ion mode

離子峰的歸屬：

①序號1～2歸屬為游離脂肪酸峰，歸屬如下：

質量數(shù)為m/z255.2330 的離子，可歸屬為棕櫚酸酯的減氫峰［C16H32O2-H］-；質量數(shù)為m/z283.2643的離子，可歸屬為硬脂酸的減氫峰［C18H36O2-H］-。

②序號3～12歸屬為聚甘油單脂肪酸酯峰，歸屬如下：

質量數(shù)m/z403.3066 的離子，可歸屬為二聚甘油單棕櫚酸酯的減氫峰［C22H44O6-H］-；質量數(shù)m/z431.3379 的離子，可歸屬為二聚甘油單硬脂酸酯的減氫峰［C24H48O6-H］-；質量數(shù)m/z477.3434 的離子，可歸屬為三聚甘油單棕櫚酸酯的減氫峰［C25H50O8-H］-；質量數(shù)m/z505.3746的離子，可歸屬為三聚甘油單硬脂酸酯的減氫峰［C27H54O8-H］-；質量數(shù)m/z551.3801的離子，可歸屬為四聚甘油單棕櫚酸酯的減氫峰［C28H56O10-H］-；質量數(shù)m/z579.4115 的離子，可歸屬為四聚甘油單硬脂酸酯的減氫峰［C30H60O10-H］-；質量數(shù)m/z625.4166 的離子，可歸屬為五聚甘油單棕櫚酸酯的減氫峰［C31H62O12-H］-；質量數(shù)m/z653.4482 的離子，可歸屬為五聚甘油單硬脂酸酯的減氫峰［C33H66O12-H］-；質量數(shù)m/z699.4534的離子，可歸屬為六聚甘油單棕櫚酸酯的減氫峰［C34H68O14-H］-；質量數(shù)m/z727.4849的離子，可歸屬為六聚甘油單硬脂酸酯的減氫峰［C36H72O14-H］-。

③序號13～25歸屬為聚甘油二脂肪酸酯峰，歸屬如下：

質量數(shù)m/z687.5782的離子，可歸屬為二聚甘油棕櫚酸硬脂酸酯的加OH-峰［C40H78O7+OH］-；質量數(shù)m/z715.6093 的離子，可歸屬為二聚甘油二硬脂酸酯的加OH-峰［C42H82O7+OH］-；質量數(shù)m/z761.6141 的離子，可歸屬為三聚甘油棕櫚酸硬脂酸酯的加OH-峰［C43H84O9+OH］-；質量數(shù)m/z789.6459 的離子，可歸屬為三聚甘油二硬脂酸酯的加OH-峰［C45H88O9+OH］-；質量數(shù)m/z835.6505 的離子，可歸屬為四聚甘油棕櫚酸硬脂酸酯的加OH-峰［C46H90O11+OH］-；質量數(shù)m/z863.6776 的離子，可歸屬為四聚甘油二硬脂酸酯的加OH-峰［C48H94O11+OH］-；質量數(shù)m/z909.6868 的離子，可歸屬為五聚甘油棕櫚酸硬脂酸酯的加OH-峰［C49H96O13+OH］-；質量數(shù)m/z937.7119 的離子，可歸屬為五聚甘油二硬脂酸酯的加OH-峰［C51H100O13+OH］-；質量數(shù)m/z743.6044 的離子，可歸屬為三聚甘油棕櫚酸硬脂酸酯的減氫峰［C43H84O9-H］-；質量數(shù)m/z771.6355 的離子，可歸屬為三聚甘油二硬脂酸酯的減氫峰［C45H88O9-H］-；質量數(shù)m/z817.6414的離子，可歸屬為四聚甘油棕櫚酸硬脂酸酯的減氫峰［C46H90O11-H］-；質量數(shù)m/z845.6719的離子，可歸屬為四聚甘油二硬脂酸酯的減氫峰［C48H94O11-H］-；質量數(shù)m/z919.7055的離子，可歸屬為五聚甘油二硬脂酸酯的減氫峰［C51H100O13-H］-。

2.2 聚甘油脂肪酸酯的1H NMR分析

取適量樣品，以氘代氯仿溶解后，經(jīng)1H NMR 測定，結果如圖3 所示。聚甘油脂肪酸酯的1H NMR譜圖具有特征性，按n=A2/（a×5）（a=A1/3，A1 為化學位移δ0.884 處的積分面積，代表脂肪酸甲基的3 個氫；A2 為化學位移δ3.553～4.172 處的積分面積，代表聚甘油的2 個—CH2和1 個—CH，共5 個氫）計算，得到甘油的聚合度n約為4～5，與FT-ICR-MS結果相符。

圖3 聚甘油脂肪酸酯的1H NMRFig.3 1H NMR spectrum of polyglycerol fatty acid esters

2.3 聚甘油脂肪酸酯中脂肪酸組成的分析

取適量樣品，水解后對脂肪酸部分進行甲酯化，用正庚烷萃取后，經(jīng)GC-MS 測定，總離子流圖如圖4 所示。經(jīng)人工解析并與計算機標準圖譜對照，鑒定脂肪酸的結構，采用面積歸一化法計算脂肪酸的相對含量（見表3）。

表3 聚甘油脂肪酸酯中的脂肪酸組成及其相對含量Table 3 Composition and relative content of fatty acids in polyglycerol fatty acid esters

圖4 聚甘油脂肪酸酯中脂肪酸組成的GC-MS總離子流圖Fig.4 Total ion chromatogram（TIC）of fatty acids composition in polyglycerol fatty acid esters

2.4 鑒定結果

綜合上述3 種測試技術對聚甘油脂肪酸酯的結構進行鑒定，結果顯示該聚甘油脂肪酸酯中甘油的聚合度為2～6，以三聚、四聚為主，有單酯、雙酯，以單酯為主，脂肪酸為棕櫚酸和硬脂酸。

3 結論

本文采用FT-ICR-MS、1H NMR及GC-MS技術，對聚甘油脂肪酸酯的結構進行鑒定，確定了甘油的聚合度、脂肪酸的組成以及酯的類型，為聚合物的結構鑒定提供了一種新的思路和方法。