HS-IMR-MS法在香精香料質量控制中的應用

高 莉，李先毅，朱保昆，李源棟，劉秀明，李智宇，王文元，廖頭根

（云南中煙工業有限責任公司技術中心，云南 昆明 650231）

0 引 言

香精香料是食品添加劑中的一個重要組成部分，長期以來，因為用量小、自我限量等，其安全性、品質控制等問題并不像防腐劑、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大，香精香料質量控制等問題也越來越受到人們關注。

目前，香精香料品質測定通常是按照GB/T 14454——2008國家系列標準來進行的，主要是進行折光指數、相對密度、旋光度和酸值等理化指標測定[1]。近年來，一些儀器分析技術，如液相色譜[2]、氣-質聯用[3]、紫外光譜[4]、紅外光譜[5]、電子鼻技術[6]等，也逐漸被用于香精香料的成分分析及質量檢測，但大多數分析儀器都需要經過復雜的前處理[7]，這使得整個檢測過程更加復雜、耗時。

離子分子反應質譜（IMR-MS）是一種軟電離質譜技術，其基本原理是使用不同電離能的氣態電離源與揮發性物質發生電荷轉移反應，使揮發性物質分子離子化，從而被過濾分離產生信號。IMR-MS現已被廣泛應用于呼吸器氣體分析[8]、環境污染物揮發氣體分析[9]等，以及在煙草行業卷煙主流煙氣氣相成分分析中也有少量應用[10]，但在香精香料中的應用未見報道。

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

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：AIRSENSE Compact離子分子反應質譜儀（奧地利V&F公司），G1888頂空進樣器（安捷倫公司），電子分析天平（感量 0.1 mg），Chempattern 統計分析軟件。

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

摻雜樣品：在任一批次S香精中摻入Z香精（由云南中煙工業有限責任公司提供）10%，30%，50%（質量分數），標記為 Z1，Z2，Z3。

內標物：環己烷為色譜純（購自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頂空進樣瓶中，分別加入100μL環己烷。

1.3 HS-IMR-MS分析條件

1.3.1 頂空自動進樣器分析條件

樣品平衡溫度：80℃，定量環溫度：100℃，傳輸線溫度：120℃；定量環體積：1mL；樣品平衡時間：10min；加壓時間：0.2min；環路充裝時間：0.2min；環路平衡時間：0.05min；進樣時間：1min。

1.3.2 IMR-MS分析條件

打開IMR-MS系統并預熱48h以上，在IMR-MS工作站中設置Single Masses方法，并在該方法中進行如下參數設置。

添加質荷比16～200的各掃描離子并設置每種離子。 掃描時間：300ms；質譜采樣壓力：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；樣品循環掃描次數：5次。

1.4 香精香料質譜指紋圖譜的建立方法

計算檢測樣品中各離子強度（特指離子峰絕對強度）的平均值，以該平均值和相應質荷比作圖，即得檢測樣品的質譜指紋圖譜。統計離子個數時，取離子強度＞0.5%（占總離子強度）的離子進行計算。

2 結果與討論

2.1 電離源的選擇

在平衡時間為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種電離源進行采樣的效果。IMR-MS是一個軟電離過程，應盡量選用具有低電離能的電離源以保證質譜較純凈，同時確保分析的揮發性成分得到較高的離子強度。當電離源為Xe時，離子數和總離子強度最大。因此，選擇Xe為電離源進行質譜分析。

2.2 頂空平衡溫度的選擇

在平衡時間為10min，電離源為Xe的條件下，比較了香精 S 在 60，70，80，90，100℃ 5 個不同頂空平衡溫度下的采樣效果，結果如圖1所示。由圖比較可知，隨著溫度的升高，質譜圖中總離子強度和檢出離子數逐漸增多。在80℃時，檢測到的離子數和總離子強度最大，80℃之后，兩者都有所下降。因此，選擇80℃的平衡溫度進行實驗。

圖1 不同頂空平衡溫度對采樣效果的影響

2.3 頂空平衡時間的選擇

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 個不同平衡時間下的采樣效果，結果如圖2所示。由圖可知，時間越長頂空蒸氣壓越接近飽和，檢測得到的總離子強度逐漸增大，采樣效果也越好，但在10min后基本保持平衡。因此，選擇10min為最佳平衡時間。

圖2 不同平衡時間對采樣效果的影響

2.4 HS-IMR精密度和穩定性實驗

在最佳實驗條件下，連續進樣6次，離子強度＞0.5%（占總離子強度）的離子的相對標準偏差為0.13%～6.69%。每天一次，連續6d進行分析，離子強度＞0.5%（占總離子強度）的離子的相對標準偏差為0.21%～9.82%。說明HS-IMR-MS法具有較好的精密度和穩定性，可用于香精S的揮發性成分分析。

2.5 數字化質譜指紋圖譜的建立及相似度評價

采用優化后的HS-IMR-MS法對8個不同批次的S香精進行質譜分析，從所得的質譜指紋圖譜上可觀察到近48個離子（見圖3），其中有33個的離子強度＞0.5%（占總離子強度），它們的離子強度占總離子強度的95%以上，因此可作為判別S香精的群體特征離子。再以環己烷為內標，對33個離子的強度進行歸一化處理（見表1），計算每種離子的相對強度，然后對S1～S8中同一種離子的相對強度求平均值（以S表示），即為香精S的數字化質譜指紋圖譜。

表1 香精S群體特征離子及離子相對強度

圖3 香精S的質譜指紋圖譜

相似度反映不同樣品質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。相似度評價方法主要有歐氏距離法、相關系數法、向量夾角余弦法、指數相似系數法等[11-12]。本文采用皮爾遜相關系數法計算各批次樣品之間的相似度，結果如表2所示，8個批次的S香精樣品的指紋圖譜相關系數均在0.999以上，且各離子相對強度的相對標準偏差均小于5%，說明所選樣品存在較高的相似度，所建立的數字化指紋圖譜準確可靠。另外，通過比較香精S與8個廠家供試品的數字化質譜指紋圖譜（見表2）發現，8個供試品中，3#與S質量最接近，相關系數為0.996 2，4#與S相似度最低，相關系數只為0.477 0。摻雜樣品中，隨著摻雜量的增加，相似度不斷下降，與標準品呈現越加顯著差異。

表2 不同廠家供試品的數字化質譜指紋圖譜

2.6 質譜指紋圖譜的主成分分析

采用ChemPattern軟件對表2中香精S、8個廠家的供試品和3個摻雜樣品中各離子的相對強度進行主成分分析，分別求得對應于3個特征值的主成分PC1、PC2、PC3，并以此得到三維投影圖（見圖 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在投影圖上相對集中，說明這3個供試品與香精S質量較接近，其中供試品3#與香精S最相似。此外，其他供試品與香精S相距較遠且分散，說明其質量與標準品存在較大差異，其中摻雜樣品隨著摻雜量的增加，與香精S越顯著分開，這與相似度分析結果一致。

圖4 香精樣品的主成分三維投影

3 結束語

本文采用HS-IMR-MS法建立了香精S的數字化質譜指紋圖譜，并通過摻雜實驗和重復性實驗，驗證了HS-IMR-MS的精密度和穩定性；另外，本文采用相似度分析及主成分分析，探討了利用該法進行香精香料揮發性成分分析及質量控制的可能性，并取得了滿意結果。HS-IMR-MS法是一種快速、全面、穩定且無需前處理的方法，其分析過程和數據處理過程較簡單易行，便于推廣，能應用于不同廠家、不同批次的香精香料的質量一致性評價中，也能為香精香料質量控制提供一種新的途徑。

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