氣相-離子遷移質譜在植物油種類識別中的應用

陳鑫郁，陳通，陸道禮，陳斌

(江蘇大學 食品與生物工程學院，江蘇 鎮江,212013)

氣相色譜-離子遷移質譜(gaschromatography-ionmobilityspectroscopy,GC-IMS)技術氣相分離與離子遷移質譜相組成的聯用分析技術，是目前國際上比較先進的揮發性有機化合物(volatileorganiccompound，VOCs)分析技術之一，該儀器具有體積小、便攜、分析范圍廣、靈敏度高和快速等優點，非常適合揮發性有機氣體成分的快速檢測[1]。食品講究色、香、味，特別是特色風味成分往往取決于食品的品種和質量。不同種類的食用植物油均具有獨特的VOCs組成，VOCs的組成及含量也與其內在的品質密切相關[2]，因此使用GC-IMS分析食用植物油的VOCs是識別快速識別種類的新方法之一。

氣相色譜(GC)具有分離效率高、時間短、定量準的特點，但不能很好分離保留時間相同或接近的物質。離子遷移譜(IMS)是通過氣態離子的遷移率來表征各種不同的化學物質，在弱電場的范圍內，離子運動的速度正比于電場強度，離子的遷移率在弱電場下的數值主要取決于離子的結構、質量和電荷數等因數，不同的離子其遷移率的數值有所不同。氣相分離與離子遷移質譜的聯用可以克服單氣相色譜方法的不足，在離子遷移管內得到二次分離[12]，大大提高儀器的分辨能力和靈敏度。IMS與常規質譜分析法相比，不需要真空和特殊的氣體系統，適合現場和特殊環境快速檢測[3]。近年來，隨著離子源和串聯檢測技術的發展[4]，IMS在食品檢測[5-10]、石油化工[11]、環境檢測等諸多領域得到了越來越多的應用，成為有機揮發性化合物分析的重要新方法之一。

食用植物油的種類鑒別方法，目前常用的主要有感官鑒定、理化檢測、色譜法、光譜法和波譜法等，各種鑒別技術都有其相對不足的地方[13]。感官鑒定法需要專業素質較高的檢驗人員并有一定的主觀性；理化檢測程序繁瑣，耗時、耗力且需要大量化學試劑；常規色譜法有較高的準確性和檢測精度，但樣品前處理復雜，檢測周期長，儀器昂貴且使用成本高[14]。基于食用植物油的特征VOCs，采用GC-IMS聯用技術的食用植物油的種類和品質的分析具有靈敏度極高、無需預處理和以及快速的特點，為食用植物油種類和品質檢測開拓了新的途徑[15]。

1 材料與方法

1.1 GC-IMS基本工作原理

GC-IMS分析儀主要由色譜柱分離系統、離子發生器系統和離子遷移檢測系統等組成。離子遷移譜檢測系統是儀器的核心，主要由漂移管和外圍控制電路組成(如圖1所示)，漂移管外圍有相應的控制電路，包括溫度控制、高壓分壓器和離子門控制電路。復雜混合物經過高通量的GC分離后，以單組分的形式進入到IMS反應區，在載氣的帶動下達到離子源處，被離子化而帶上不同的電荷呈流狀進入遷移管，在遷移管內部低強度電場作用下，離子氣體獲得能量在遷移管中移動，與反方向的漂移氣體撞擊失去一部分能量后最終以恒定遷移率到達法拉第檢測盤被檢測[16]，色譜與離子遷移譜檢測器聯用，提高了檢測的分辨率和靈敏度。

圖1 GC-IMS工作原理圖Fig.1 Diagram of GC-IMS working principle

常規氣相色譜的分析時間一般在min級以上，不能滿足快速分析的需要[17]，IMS的遷移時間在ms級，GC和IMS聯用可以保證IMS對GC分離出來的每個組分再進行快速檢測[18]，檢測時間縮短3到4個數量級，IMS可以彌補GC對于復雜物質定性分析的不足，使得定性分析更加精細準確。

GC-IMS得到的是保留時間、漂移時間和信號強度的三維譜圖。

1.2 儀器設備

FlavourSpec 81200 GC-IMS聯用儀器，德國GAS公司(圖2)；ZYJ9028榨油機，德國貝爾斯頓。

1-自動進樣器;2-主機;3-樣品臺;4-振動孵化器;5-頂空進樣器圖2 GC-IMS聯用儀Fig.2 GC-IMS coupled device

1.3 樣品制備

試驗樣品有5個品種，32個樣本。樣品的原料來自全國多個省份，具體情況如表1所示。為了保證所有樣品的真實可靠性，均使用原料自行榨制得到。原料經過除雜、清選后采用不同加熱溫度和加熱時間榨制，每個樣品榨制量為200 mL，靜止24 h以上取上清液150 mL備用。

表1 樣品的構成情況Table 1 Composition of oil samples

1.4 試驗方法

1.4.1 GC-IMS的測量參數優化

選擇了孵化溫度、孵化時間、色譜柱溫度、載氣流量等為主要測量參數進行優化，以特征峰的出峰量和峰強度作為評價指標。設計以孵化溫度，柱溫和載氣流量為變量的3因素3水平的正交試驗，3個因素變量分別為：A孵化溫度(70℃、80℃、90℃)，B柱溫(40℃、55℃、70℃)，C載氣流量(5、10、15mL/min)。根據正交試驗結果以及和對比NIST化學數據庫的食用油類圖譜檢測數據參數的[19]。最佳試驗參數組合如表2所列。

表2 FlavourSpec 81200主要工作參數Table 2 Main operational parameters of FlavourSpec 81200

1.4.2 試驗過程

從32個樣本中各取2 mL樣品裝入實驗瓶中，蓋口，裝上孵化臺上加熱振蕩，按照表2中的各參數設置好儀器的工作程序，開啟GC-IMS預熱和使用純N2載氣清掃儀器的工作腔30 min后，儀器進入自動工作狀態，使用探針頂空進樣抽取被測物氣體，注入色譜柱中進行預分離后進入電離室電離，電離后的離子再進入IMS漂移管，最后被法拉第盤接收得到GC-IMS圖譜，1個樣品檢測完畢后自動進入下個樣品的檢測程序。

2 結果與分析

2.1 食用植物油種類的判別

圖3是5個不同種類油樣對比圖。圖4是將圖3的三維GC-IMS譜圖投影到二維平面上的灰度圖。圖中的對比色代表了被測物質中所含成分在離子遷移過程中的信號強度。顏色越深，面積越大，代表了被測物質中某一含量成分越多，信號強度越大。由圖3圖4可以看出不同種類的食用植物油具有不同GC-IMS特征譜信息。

9-C:油菜籽油；20-C:山茶籽油；22-C:牡丹籽油；23:芝麻油； 1:葵花籽油圖3 5種不同種類食用植物油的三維GC-IMS譜圖Fig.3 Three-dimensional GC-IMS images of 5 different varieties of edible vegetable oils

9-C:油菜籽油；20-C:山茶籽油；22-C:牡丹籽油；23:芝麻油；1:葵花籽油圖4 5種不同種類食用植物油的二維灰度GC-IMS譜圖Fig.4 Two-dimensional false color GC-IMS images of 5 different varieties of edible vegetable oils 注：RIP為水離子反應峰。

圖5是利用儀器的LAV分析軟件篩選出的反映32個樣品的在同樣的GC保留時間和離子遷移時間條件下的前30個離子遷移譜出峰的匯總。比較圖5中不同特征峰的排列可以發現，同類植物油含有共性的VOCs，在特征峰對比中表現出了相似性，異類植物油存在明顯的差異性。

把圖5中每類樣品的30個特征峰各自取算數平均后得到圖6的特征峰狀態，由于牡丹籽油和葵花籽油各只有1個樣本，故不參加后續的分析。由圖7可以看出，不同的植物油都有各自的特征峰區域。如：1～5、15～17、22～23、30等5處為油菜籽油的特征峰；山茶籽油的特征峰有3處，分別是6～8、18～20、24～26；芝麻油沒有聚集在一起的離子遷移譜的特征峰，分別在14、15、20、27處。

經過上面具體的離子遷移譜的特征峰信息的分析，可以得出：每類植物油有著屬于該類植物油的共享VOCs特征，這些VOCs具有GC保留時間和IMS漂移時間的信號的指紋特性，可以建立各種類植物油VOCs的離子遷移譜指紋特性數據庫，通過這些VOCs的指紋特征的對比區別出植物油的種類。即可以在不同種類的植物油中找出每一種類植物油的共享VOCs指紋特征，由此進行植物油種類的識別。

1-黑芝麻油;2-白芝麻油;3-油菜籽油;4-山茶籽油;5-牡丹籽油; 6-葵花籽油圖5 32個樣品的前30個離子遷移譜出峰的匯總圖Fig.5 Peak appearance summary of the first 30 ion mobility spectra of 32 samples

1-油菜籽油；2-山茶籽油；3-牡丹籽油；4-芝麻油；5-葵花籽油圖6 5種食用植物油的30個離子遷移特征峰匯總圖Fig.6 Peak appearance summary of the 30 ion mobility characteristics of 5 different varieties of edible vegetable oils

ZM-15-250:溫度250 ℃ 15 min;ZM-20-250:溫度250 ℃ 20 min ZM-15-250:溫度250 ℃ 25 min;ZM-20-250:溫度250 ℃ 30 min圖7 不同加熱時間的芝麻油15個離子遷移特征峰Fig.7 15 ion mobility characteristic peaks of sesame oils from different heating time

2.2 食用植物油工藝對揮發性物質(VOCs)的影響

食用植物油的加工工藝不同必然影響其(VOCs)的組成，以壓榨前原料炒制加熱時間和加熱溫度的工藝參數改變，探討其在GC-IMS譜圖的變化情況。

芝麻油樣品為例，設置炒制溫度250℃，炒制時間15，20，25和30 min。從這4個芝麻油油樣的GC-IMS譜圖中選出最明顯的15個特征離子遷移峰進行比較,如圖7所示。由圖7可以很明顯地區分出，在同一炒制溫度不同加熱時間的芝麻油VOCs的變化。離子峰強度隨著炒制時間呈負相關的有1、6、8、10、11、12、13、15等；正相關的有2、3、7、9、14等。這說明不同的炒制時間芝麻油所產生的VOCs會發生變化，部分VOCs隨加熱時間的延長逐漸揮發減少，而部分VOCs逐漸增加。在同樣的炒制時間，不同炒制溫度的條件也可以很直觀的通過特征峰匯總圖(如圖8所示)，得出類似的結論。

ZM-20-100:溫度100 ℃ 20min;ZM-20-180:溫度180 ℃ 20 min ZM-20-250:溫度250 ℃ 20min圖8 不同加熱溫度的芝麻油15個離子遷移特征峰Fig.8 15 ion mobility characteristic peaks of sesame oils from different heating temperature

由圖7和圖8可知，同種類的植物油由于加工工藝條件的改變，其VOCs的指紋信息也隨之發生變化，這主要是工藝條件影響某些揮發性物質的產生(或消失)和含量的變化，對于不同的揮發性物質的變化規律是不同的，具體是哪些VOCs發生了變化還有待采用標準品或其他分析儀器的佐證。如果能建立同類植物油的不同加工工藝的專屬VOCs指紋特征數據庫，有望通過數據庫的對比做到工藝條件的識別。

3 結論

通過實驗證實，采用氣相色譜-離子遷移質譜技術，從食用植物油的揮發性成分(VOCs)的特征識別其種類和加工工藝的方法是可行。從GC-IMS譜圖上顯著的信息差異，可以區分出5種常見食用植物油，使用不同工藝加工的芝麻油樣品，得出了有望采用GC-IMS聯用分析技術進行識別的可能性。

本試驗屬于新的分析技術在食用植物油質量檢測中應用的創新性探試，試驗樣品的種類和數量較少且不均勻，如果能在全國范圍內收集各種類、各種工藝生產的食用植物油樣品，建立屬于各自指紋特征的揮發性成分數據庫，即能建立GC-IMS指紋特征數據庫，就可以實現食用植物油的快速識別植物油的種類和加工工藝。食品非常講究特色風味，對風味的研究已經成為食品工業一個新的熱點，因此可以相信GC-IMS聯用技術在食品上的應用特別是在特色風味鑒定識別上的應用會呈爆發性增長。但是由于該技術起步較晚，后續的標準VOCs物質的數據庫尚不完善，信號處理方法上不豐富，還僅停留在定性分析，如果能將化學計量學方法與其結合，將主觀的分析提升到理性的使用數學方法解決定性、定量問題的模型，會對該技術的應用領域的開拓和發展起到巨大的作用。