食品结构

使用UPLC/Q-Tof液质仪的MSE功能和MassFragment软件对食品包装纸和纸板中的潜在迁移物进行鉴别和结构分析 Malcolm Driffield、1 Antony Lloyd、1 Emma Bradley、1 Dominic Roberts2 1 食品与环境研究所（英国约克） 2 沃特世公司（英国曼彻斯特） 应用优势 ■ MSE数据采集模式，可以一次进样同时得到母离子及其碎片离子数据，从而提高化合物鉴定的可信度。此外它还具有数据溯源的功能。 ■ ChromaLynx&trade XS软件可以对复杂混合物中的所有组分进行快速检测、鉴定和确认。用户可以通过精确质量数信息确定化学式，然后，在化合物数据库中进行搜索、确认结构式。 ■ MassFragment&trade 是一种智能型软件工具，能够自动匹配碎片结构，极大简化了数据处理，并且可在无标准品的情况下进行确认。 沃特世解决方案 ACQUITY UPLC® 系统 ACQUITY UPLC HSS T3色谱柱 SYNAPT® G2 HDMS&trade 系统 ChromaLynx XS软件 MassFragment软件 关键词 飞行时间质谱筛查、数据库搜索、结构表征、纸、纸板、食品包装、邻苯二甲酸酯 简介 回收纸和纸板有利于环境清洁，还可以缓解森林资源的压力、降低废物处理量。目前，进入回收环节的纸和纸板类型具有一定的限用管制。回收的纸和纸板最终可以用于要求较低的应用领域，例如报纸和杂志、纸板箱和纸板盒，以及要求较高的应用领域，例如食品包装。近年来，科学文献和媒体报道过一些有关回收纸和纸板用于食品包装时出现的问题。食品中检测到来自回收纸和纸板的污染物。印刷报纸和杂志的油墨中发现了矿物烃类化合物，1-2以及邻苯二甲酸盐，例如目录和手册所用粘合剂中的邻苯二甲酸二异丁酯，3以及印刷在纸和纸板外表面的光引发剂和其它成分。4这些类型的化学物在经过回收处理后仍会存在。 本研究是一个大型研究项目中的一部分，此研究项目将调查用于再生型食品包装的纸和纸板来源。5实验检测了四种不同类型的纸来源（纯白色打印纸、报纸和杂志、瓦楞纸板和食品包装纸），并确定了潜在的污染物。配备有高分辨率质谱检测器的超高效液相色谱（UltraPerformanceLC® ）（UPLC® /HR-MS）是一种有效的工具，有助于鉴定食品接触材料和其它领域中的未知化合物。6精确质量数、同位素谱图和碎片信息（如果存在）可用于预测元素组成，然后可将其与含有其潜在结构的数据库进行对比，如果结构匹配，鉴定结果将更加可信。所使用的仪器必须有足够的灵敏度和精确度以确保能够准确鉴定化合物。 本文介绍了如何使用ACQUITY UPLC/SYNAPT G2 HDMS系统以及相关软件检测色谱峰、确定精确质量数并获得元素组分。实验将获得的分析结果与用户准备的含6000多种食品接触材料组分和污染物的数据库进行对比，通过MSE获得的碎片信息，在未使用确证标准品的情况下确定了其中一个待分析的化合物的化学结构。 实验 样品描述 从当地超市采购一组用纸和纸板包装的食品，将食品从包装中取出，切成小块，并充分混合。样品包括早餐谷物、意大利面、冷冻鱼、蛋糕和其它烘焙产品。将一部分混合的样品（5 g）、内标物d10-苯甲酮（100 &mu L，1 mg/mL）和乙醇（20 mL）加入样品瓶中，盖好盖子并震摇过夜。取一部分上清液直接进行分析。 UPLC条件 系统： ACQUITY UPLC 色谱柱： ACQUITY UPLC HSS T3（部件号176001133）150× 2.1 mm，1.8 &mu m 柱温： 45 ℃ 流速： 0.45 mL/min 进样体积： 1 &mu L 流动相A： 水+0.1%甲酸 流动相B： 乙腈+0.1%甲酸 梯度： 时间（min） %A %B 0.0 90 10 15.0 0 100 18.0 0 100 18.1 90 10 20.0 90 10 MS条件 MS系统： SYNAPT G2 HDMS 采集模式： MSE电离模式： 电喷雾正离子 检测的质量数范围： 50至1200 Da 锥孔电压： 25 V 毛细管电压： 1.0 kV 脱溶剂气温度： 500 ℃ 源温度： 120 ℃ 碰撞能量： 低能量 CE = 6 eV， 高能量 CE = 15 - 35 eV 碰撞气体： 氩气 LockMass： 亮氨酸脑啡肽，m/z 566.2771 数据管理： ChromaLynx XS和MassFragment软件 结果与讨论 混合食品包装样品的乙醇提取物的基峰离子色谱图（BPI）如图1所示。 图1. 纸和纸板食品包装乙醇提取物的基峰离子色谱图（低能量电喷雾离子化正离子模式）。 ChromaLynx XS软件可以反卷积解析色谱图，检测出现的所有色谱组分，并为每种确认的组分生成精确的谱图。这些操作均在&ldquo 目标模式&rdquo 下进行，将生成一系列单个峰，然后软件会将这些峰与包含潜在结构的数据库进行对比。软件提取了1380个组分，比TIC图中目测到的要多。充分显示了该软件在极低浓度条件下检测组分的优势ChromaLynx XS将提取目标化合物的准确质谱图，确定它们是否存在。 用户的数据库包含食品接触材料中可能存在的6000多种已知成分、潜在污染物以及衍生和分解产物。列表包括化合物名称和化学式，软件将在其中进行搜索并报告匹配结果。如果具有用标准品进行过分析，则该化合物的保留时间和碎片离子信息也会包含在数据库中。图2为ChromaLynx XS处理数据的示例，包括：（A）总离子流图、（B）目标物列表、（C）提取离子色谱图和（D）13.6min处，峰的相关质谱图，这是一个完整的鉴定过程示例。本样品用含6000种化合物的库进行筛查，最终根据精确质量数总共鉴定出45种化合物。在没有分析标准品的条件下，这些鉴定结果由其同时采集的碎片信息确认。 图2. ChromaLynx XS在13.6min处输出的质谱图，与数据库中的对二甲氨基苯甲酸异辛酯的匹配。A) 总离子流色谱图、B) 目标物列表、C) 13.6min处的提取离子色谱图（m/z 278.2122）和D) 13.6min处色谱峰的质谱图（低能量）。 图3显示：其母离子的质荷比为278.2122，化学式为C17H27NO2。这与数据库中的对二甲氨基苯甲酸异辛酯相匹配，该化合物可以用作喷涂至纸和纸板底物的紫外光固化油墨中的胺助引发剂。[M+H]+母离子的理论精确质量数为m/z 278.2120，与检测结果之间仅存在0.7 ppm的差异。在分析食品包装样品时，并未分析对二甲氨基苯甲酸异辛酯的确证标准品进行鉴定确认。SYNAPTG2 HDMS的运行模式为MSE采集模式，可以一次进样，同时收集该化合物的母离子及碎片离子信息，从而提高了化合物鉴定的可信度。 图3所示为低能量和高能量质谱图，在较高能量下，母离子的强度降低，生成碎片离子。 图3. 13.6 min处色谱峰的质谱图。A) MSE高能量谱图：显示碎片离子，B) MSE低能量谱图：显示分子加合物[M+H]+。 与分子一样，碎片离子的精确质量数也可用于确定潜在的元素组成。MassFragment软件将利用这些潜在的元素组成，根据建议的化合物化学结构（例如对二甲氨基苯甲酸异辛酯）来确认该结构。该软件使用系统化的键断裂信息和一套计分系统，此系统以键断裂的类型和发生的可能性为基础，信息输入程序的过程简单。.mol文件可以从ChemSpider商业库中下载，也可从最常用的化学绘图包得到，然后将其与提供碎片离子信息的MSE质谱图一起导入即可。 根据用户的具体需要，可以对参数进行相应更改。质量数窗口的限值范围非常重要，使用的范围越小，结构匹配的可信度就越高。在本示例中，使用的值是+/- 1 mDa。图4是软件针对13.6min处色谱峰所生成的结果，系统建议的化合物为对二甲氨基苯甲酸异辛酯。 图4. MassFragment输出的报告，其中所示为五个碎片离子的建议结构，增加了鉴定结果的可信度。 所测的五个碎片离子均验证了建议的母体结构&mdash &mdash 对二甲氨基苯甲酸异辛酯中不同键断裂后所得的离子的可能结构，这一结果提高了13.6min处色谱峰鉴定的可信度。图5所示为标记有MassFragment结构的MSE质谱图。此化合物很可能来自纸和纸板上的油墨，7相似化学类型的化合物经过回收处理后也仍会存在。现在，碎片离子和保留时间均与此化合物匹配，它们被反馈到数据库中，从而使得后面的鉴定更加可信。 图5. 13.6 min处色谱峰的MSE质谱图，标记有MassFragment鉴定结果。 结论 本实验采用具有色谱分离、高分辨率地测定准确质量数功能的ACQUITY UPLC/SYNAPT G2 HDMS系统，对食品包装纸和纸板提取物进行分析。此分析可对之前未知的、可能会迁移到食品中的化合物作出值得信赖的鉴定。使用MSE数据采集模式，可以同时收集母离子和碎片离子的信息，采集的数据经过ChromaLynx XS和MassFragment软件的处理后，可获得具有高可信度的鉴定结果。 参考文献 1. Dima G, Verzera A , Grob K. Migration of mineral oil from party plates of recycled paperboard into foods:1. Is recycled paperboard fit for the purpose?2. Adequate testing procedure.Food Additives and Contaminants Part A.2011 28(11): 1619-1628. 2. Vollmer A, Biedermann M, Grundbock F, Ingenhoff JE, Biedermann-Brem S, Altkofer W, Grob K. European Food Research and Technology. 2011 232:175- 182. 3. Gartner S, Balski M, Koc h M, Nehls I. Analysis and migration of phthalates in infant food packed in recycled paperboard.Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2009 57(22): 10675-10681. 4. Koivikko R, Pastorelli S, deQuiros ARB, Paseiro-Cerrato R, Paseiro-Losada P, Simoneau C. Food Additives and Contaminants Part A. 2010 27(10): 1478- 1486. 5. Driffield M, Lloyd AS, Lister L, Leak J, Speck D, Bradley EL.Manuscript in preparation. 2013. 6. Driffield M, Bradley EL, Castle L, Coulier L. Identification of unknown migrants from food contact materials.Mass Spectrometry in Food Safety, Methods and Protocols. 2011 357-372. 7. Food Standards Agency (2011) Food Survey Information Sheet 03/11. Migration of selected ink components from printed packaging materials into foodstuffs and screening of printed packaging for the presence of mineral oils.

》接上期 　　在这篇文章中，我们不会对大量应用于食品分析的技术进行论述。本文将主要聚焦于以下几个主要的食品分析技术方法：(1)光谱学技术，如质谱、核磁共振、红外、原子光谱、荧光法等 (2)生物技术，如聚合酶链反应（PCR）、免疫技术、生物传感器等 (3)分离技术，如高效液相色谱、气相色谱、毛细管电泳、超临界流体色谱等 (4)样品制备技术，如固相萃取、超临界流体萃取、顶空法、流动注射分析、吹扫补集、加压液体萃取、微波辅助萃取、自动热解析法等 (5)电化学法 (6)联用技术等。如果将上述各类技术的分支技术也考虑在内，那用于食品分析的技术就更多了。 图1.样品制备、生物技术、光谱技术和分离技术在食品分析当中的应用，根据2000-2011年间食品科技文摘中相应的引文数量分析。生物技术中的&ldquo others&rdquo 包括：放射免疫法和酶法分析。光谱学技术中的&ldquo others&rdquo 包括：拉曼光谱(402)，电子自旋共振(366)，介电光谱法(57)，折光度法(54)， 旋光度法(38)，化学发光法(15)和光声量热法(0)。 　　为了总结食品分析当中大量被使用到的技术以及被解决的课题，表S-1（见附件）作为辅助信息，对2009-2011年间发布的针对不同食品分析的文章、综述、文章章节进行了总结。同时，图1和图2，提供了2001-2011年间发表的关于食品分析的文章统计，其中的数据是通过食品科技文摘(FSTA)数据库，以各类技术为关键词搜索整理所得。如果我们将图1和图2的数据，与1990-2000年间发布的类似食品分析文章统计数据相比，能够得到许多重要的结论。其中最重要的变化趋势是，生物技术和样品处理技术的应用明显增多，而放射化学和热分析技术的应用严重减少。光谱学技术、生物技术和样品处理技术的应用和20世纪末相比，分别增加了2倍、3倍和4倍，热分析和放射化学技术的应用则减少了一半。其他比较成熟的技术，如色谱技术的应用依然比较多，但如今，它的应用也不如以前(1990-2000年)广泛，因为光谱学技术的应用越来越多，而且成为了目前食品分析中应用最广泛的技术。实际上，对于食品组分进行定性和定量分析，以及进行食品特性的研究，都可以通过测量电磁辐射(可见光、红外光、荧光、拉曼散射光等的吸收)与食品的相互作用来实现。得益于新型光谱仪器技术及多元化学计量学的发展，能够对不同的红外或荧光光谱表现出的细微差别进行评估，例如对食品光谱分析所展现出的细微差别，从而使得开发预测模型成为可能。 图2.电化学法、流变学、放射化学、热分析技术在食品分析中的应用，根据2000-2011年间食品科技文摘中相应的引文数量分析。 　　近年来，成像技术如共聚焦激光扫描显微镜，或高光谱成像耦合图像分析技术已被成功地用于研究高度异质性食品。实际上，成像分析技术，例如数学形态学、或图像纹理分析，使得对图像中的结构进行定量分析，或展示不同的加工过程对于食品中蛋白质网络微观结构的影响成为可能。从另一方面来说，食品分析中光谱学技术应用的重要增长也许是由于NMR、红外光谱等技术大量的最新应用，以NMR为例，由于对具有生物和代谢等特性的未知化合物的明确鉴定的需要，使得这类技术的应用数量接近于一些成熟的技术，如荧光、甚至质谱的应用数量。 　　生物技术的大量应用并不奇怪，这些技术，以生物体及他们的产品如酶、抗体、DNA等为基础，来实现鉴别和分析食品，它们在食品分析中的应用增长了3倍。其中PCR技术的应用占据了所有生物技术应用的60%，相当于之前生物技术在食品分析当中的所有应用的2倍。PCR技术的大量应用主要归因于要采取不同的步骤，来克服影响DNA提取质量和数量的主要难题。目前，针对许多样品的新仪器和新标准化协议，使得PCR成为世界范围内一种广泛应用的技术，可以在几乎所有的食品分析实验室中看到它。 　　至于分离技术的分布和重要性，液相色谱（LC）和毛细管电泳（CE）的应用增长主要来自于技术本身的发展，如：在确保分辨率和分离效率的同时降低分析时间(UPLC、微流控芯片电泳技术、整体柱)，新的分离机理(亲水相互作用色谱等)，将质谱作为LC或CE的检测器。另一方面，气相色谱（GC）的应用基本和过去持平，并在一些特定的应用领域展示了它的重要性。最后，联用分离技术，如中心切割多维色谱法(LC&minus LC, GC&minus GC, LC&minus GC, LC&minus CE等)，或全二维技术(LC× LC, GC× GC)，它们可提供更多信息来支持破译食物的复杂性，以及研究食品对于人类健康真实影响的理论。 　　事实上，多维色谱已经成为一种分析复杂样品的可选择方法，在食品分析中有一种情况，即某类技术的改进，如新的色谱柱技术，似乎已经达到了它们的极限。然而，多维色谱峰容量的增加到目前要比经过各种改进的一维色谱高。多维色谱允许两个或更多个独立或几乎独立的分离步骤结合，显著增强相应的一维色谱技术的分离能力，因而提高分离复杂样品中化合物的能力。尽管两种不同色谱分离技术的耦合并不是什么新技术，但是这一技术的发展拓展了综合应用，在这些应用中，整个样品可以从不同的独立的维度进行分析，并减少了样品制备的步骤。食品分析领域，有关这种综合技术的应用每年都在增长，而且预计将持续保持增长状态。 　　对于食品分析当中样品制备技术应用的显著增长(4倍左右)，我们需要给予特别的关注。样品制备技术的改进目标在于减少实验室溶剂的使用和有害物质的产生，减少劳动力和时间，降低每个样品制备的成本，同时提高被分析物质的分离效率。目前，新型绿色制样技术，如超临界流体萃取(SFE)、亚临界水萃取(SWE，也称为加速溶剂萃取)将在食品科学中有更广泛的应用，不仅仅是在食品分析当中，还有在食品功能成分的提取中。这些萃取技术基于压力流体可提供更高的选择性、更短的萃取时间、和对环境更友好的特性。关于这些技术的文章在2001-2011年10年间超过1500篇，而20世纪末时，关于这些技术的文章还只在300篇左右。举一个有趣的例子，例如，加压流体萃取(PLE)，在以前还没有这种技术，但现在却是食品分析当中仅次于SFE的十分重要的&ldquo 绿色&rdquo 样品制备技术。 　　同时, 相较于传统萃取方式，不同的液相微萃取模式，如单液滴微萃取、分散液-液微萃取、中空纤维膜液相微萃取(HF-LPME)等操作更简便、更有效、速度更快，并且有机溶剂的消耗量更低，所以在食品分析当中它们被越来越多地用于从不同的基质中提取有机或无机物质。当比较样品制备和分离技术的数量和分布时，另一个比较重要的观察结果是，在过去10年中，固相萃取(SPE)应用的增长在某种程度上和液相色谱的应用是相关联的，对于液相色谱来说，在过去10年当中，新的分离机理、新应用和新方法已经建立。另外，比较有趣的发现还有，固相微萃取(SPME)的应用和其他发展比较成熟的技术，如顶空法的应用数量比较接近。在过去几年中，SPME的快速增长主要由于其操作简便、纤维和涂层应用范围的日益广泛，以及新发展起来模式，这些模式拓宽了SPME的应用范围。 　　附件：表S-1 　》接下期 　　注：文章译自美国分析化学杂志。

食品组学：食品分析现在和未来的挑战(1) 　　&mdash &mdash 基本现状 　　随着消费者对于食品成分和食品安全的日益关注，食品科学当中分析方法和技术的应用也在不断的发展当中。如果要对消费者越来越高的要求给予满意的答复，食品分析人员需要利用十分有效的技术方法来解决越来越复杂的问题。当前食品分析的复杂性很大程度是来自于全球化。食品运输以及食品原料的全球化使得有害物质也随之全球化，附加的难题是食品包含了许多经过加工处理的原料，这些原料往往从世界不同的地方运来，并且使用同样的存储室和生产线。因此，如今要确保食品的安全性、质量以及可溯源性，变得比以往任何时候都复杂和必需。 　　和过去一样，食品分析的第一要务依然是确保食品安全。为了实现这一目标，食品分析实验室也逐渐以现代仪器分析方法取代经典的化学分析方法，来满足当前全球化的食品安全需求。此外，新的欧盟法规(例如EC 258/97或EN 29000，以及随后发布的版本)、美国的营养标签与教育法案，以及蒙特利尔协议等对食品实验室有着非常重要的影响。因此，食品化学家、监管机构、质量控制实验室等都在寻找更有效、更清洁、更低成本的分析方法。要满足以上需求就需要更精密的分析仪器，以及合适的分析方法来确保提供更高的灵敏度、精密度、专属性和分析速度，从而保证更好的定性和定量分析结果。 　　除了针对食品安全的分析之外，在大量的食品品质分析中，分析化学也发挥着重要的作用。例如，对于食品生产、加工、配制、使用当中，养分含量、有毒污染物的产生和天然毒素失活等对食品影响的鉴定 遵从食品和贸易相关法规，确保食品的安全性和可溯源性 检测掺假物质 对食品化学成分的表征 对食物流变性、形态、结构或表面的研究 以及物理性能分析、物理化学性能分析、热分析，或微生物分析以及感官评价等，这些性能将对食品的安全性、质量、食品加工和验收等有着十分重要的影响。 　　此外，目前食品科学当中有一种普遍趋势，也就是将食品和健康关联起来。如今食品不再仅仅是能量来源，它还是预防疾病的一种经济方式，从这一趋势中产生的大量机遇(例如，新的方法学、新产生的知识、新产品等)给人留下深刻的印象。它包括，例如，有可能对那些针对不同基因人群设计以改善他们的健康和生活质量的食品进行解释。在这一领域的研究中引入一些先进的组学方法，例如食品组学，使得几年前食品科学家们难以想象的事情现在变得可能。然而，要进行这些研究，研究人员需要对现代分析仪器十分熟悉，以便能够充分发挥它们的潜力。通常，面对庞杂的研究课题，要合理的处理数据分析结果，多学科团队的合作是十分必要的。 　　因此，可以说食品分析是当前分析化学最重要的应用领域之一。在接下来的系列文章当中，我们将对21世纪初最先进的食品分析技术，以及它们的主要应用和局限性进行介绍，并对当前和未来食品分析面临的挑战进行探讨。 　　《接下期 　　注：文章译自美国分析化学杂志。