薄荷卷烟中香味成分的全二维气相色谱/飞行时间质谱分析
2010-10-23郑晓云熊晓敏沈晓晨
郑晓云,熊晓敏,万 敏,沈晓晨
(江苏中烟工业有限责任公司技术研发中心,江苏南京210019)
薄荷卷烟中香味成分的全二维气相色谱/飞行时间质谱分析
郑晓云,熊晓敏,万 敏,沈晓晨
(江苏中烟工业有限责任公司技术研发中心,江苏南京210019)
采用全二维气相色谱/飞行时间质谱法(GC×GC/TOFMS),以较长的非极性柱DB-5MS(30 m ×0.25 mm ×0.25μm)作为第一维柱,较短的中等极性柱DB-17MS(2 m ×0.1 mm ×0.1μm)作为第二维柱,利用固相微萃取法作为香味成分的萃取方法,对薄荷型ESSE卷烟的核心香味成分进行了定性分析,TOFMS谱图库检索结合全二维特有的包含结构信息的二维谱图,通过族分离和结构谱图鉴定,共鉴定了187种挥发性成分,其中对香气有贡献的成分118种.
全二维气相色谱;飞行时间质谱;固相微萃取;香味成分
香气是卷烟最重要的品质因素,关于烟草和卷烟烟丝及卷烟烟气中香气成分的分析研究,国内外有大量的文献报道.已有多种分析技术用于烟草和卷烟烟丝及烟气的香味成分分析,其中最常用的方法是一维气相色谱法(1DGC).但传统一维色谱峰容量有限、分辨率不足,对于卷烟烟丝萃取成分这样的复杂样品,峰重叠严重,影响质谱定性的可靠性.
全二维气相色谱(Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography,GC×GC)技术是20世纪90年代发展起来的多维色谱技术,但它不同于通常的二维色谱(GC+GC)[1],它是用一个调制解调器把分离机理不同而又相互独立的两根色谱柱(如非极性柱和极性柱或手性柱)以串连方式结合在一起,调制解调器起捕集、聚焦、再传送的作用,从第一根色谱柱分离出来的每一个馏分,均先进入调制器聚焦后,再以脉冲方式送到第二根色谱柱作进一步分离.第二根色谱柱使用细内径短柱,组分在第二维快速分离,通常第二维的色谱峰峰宽在0.1～0.5 s.由于峰压缩效应,GC×GC的检测灵敏度比1 DGC约高十几至几十倍.与传统的1DGC相比,GC×GC具有分辨率高、峰容量大、灵敏度好、分析时间短、定性更有规律可循和信息量大等特点[2],与飞行时间质谱(Time-of-Flight Mass Spectrometry,TOFMS)联用,可以解决复杂样品的分离和结构鉴定.目前,已有多篇文献报道了全二维气相色谱在石油化工、环境样品、香精香料、中药挥发油等方面的应用,且取得了满意的分析结果[3-8].全二维气相色谱在烟草研究中的应用主要集中于卷烟烟气的组成表征[9-13].作者采用全二维气相色谱/飞行时间质谱法(GC×GC/TOFMS)对薄荷卷烟烟丝中的香味成分进行了分析研究,共鉴定了187种挥发性成分,其中对香气有贡献的成分118种.
1 实验部分
1.1 材料和仪器
实验用卷烟为薄荷型ESSE卷烟(韩国).固相微萃取(SPME)装置(USA Supelco公司),75μm Carboxen-PDMS固相微萃取萃取头(美国 Supelco公司).全二维气相色谱/飞行时间质谱系统(Pegasus 4D)由Agilent 6890气相色谱仪(USA Agilent公司),KT-2001型冷喷调制器(Zoex Corp.,Lincoln,NE,USA)和PegasusⅢ型飞行时间质谱仪(Leco Corporation,St.Joseph,MI,USA)组成.
1.2 SPME取样条件
取两支卷烟烟丝于25 mL螺口玻璃瓶中,放入60℃的水浴锅中.将手动SPME装置直接插入样品瓶中,推出萃取头,吸附40 min.然后将手动进样SPME装置插入色谱仪进样口中,脱附进样3 min.
1.3 GC×GC仪器系统和实验条件
GC×GC系统由Agilent 6890气相色谱仪和冷喷调制器 KT-2001组成.本实验采用液氮冷喷调制器,调制周期为4 s,载气为 He(纯度99.9995%).柱系统的第一根柱为非极性的DB-5MS(30 m ×0.25 mm×0.25μm)(置于主炉箱中),第二根柱为中等极性柱DB-17MS(2 m ×0.1 mm ×0.1μm)(置于小炉箱中).两根柱子通过毛细管柱连接器以串联方式连接.恒流操作,流量1 mL/min,进样分流比为30∶1.程序升温:主炉箱:初始温度40℃,保持1 min,以4℃/min的程升速率升至260℃;小炉箱:初始温度55℃,以4℃/min的程升速率升至280℃;调制器补偿温度:30℃.
1.4 飞行时间质谱
质谱检测器 PegasusⅢ飞行时间质谱仪具有高扫描速度、高分辨率等特点,电子轰击电离源的电压为70 eV,检测器电压为1 600 V,传输线的温度为280℃,离子源温度为230℃.采集质量数范围为33～500 amu,采集频率为100 spectrum/s.由Pegasus 4D工作站进行控制.
1.5 数据处理
TOFMS数据处理采用Leco公司的Pegasus 4D工作站软件,自动识别信噪比大于100的色谱峰.质谱的阈值为10,一次可识别1 000个色谱峰,谱图库为NIST/EPA/NIH(Version 2.0).所有的定性结果自动生成“峰表”.使用Microsoft Excel对所得“峰表”数据作进一步处理.
2 结果与讨论
2.1 GC×GC/TOFMS方法的建立
与传统的一维气相色谱技术类似,影响 GC×GC分离的因素主要有操作条件(温度、线速度、进样量等)、色谱柱固定相和柱参数等.由于全二维气相色谱使用两根色谱柱,色谱柱的选择对实现正交分离至关重要,而色谱柱固定相的匹配是实现正交分离的关键;柱温是实现正交分离的最容易调节的参数之一.在本实验中选用较长的液膜较厚的非极性柱作为第一维柱,组分按沸点高低进行分离,以较短的液膜较薄的中等极性柱作为第二维柱,结合程序升温,实现正交分离.由于烟丝挥发性组分种类较多,沸程较宽,实验中选取了较低的初始温度(40℃)和较慢的升温速率(4℃/min).实验选取了恒流操作模式(1 mL/min),调制周期为4 s(冷吹:1.2 s,热吹:0.8 s).
2.2 薄荷型卷烟中挥发性、半挥发性香味成分的 GC×GC分离
采用非极性柱(第一根柱)与中等极性(第二根柱)匹配模式的柱系统在合适的操作条件下可以使组分得到充分的分离,而且还可以得到包含结构信息的二维谱图,如族组成、官能团结构信息等.在此套柱系统上,化合物的一维保留时间是按照沸点高低来分布的,二维保留时间是按照官能团的极性大小分布的.
2.3 薄荷型卷烟中挥发性、半挥发性香味成分的鉴定
采用上述 GC×GC分离方法,结合飞行时间质谱的定性方法,初步鉴定出薄荷型卷烟中的187种成分,其中对香味有贡献的成分118种,按酯类、酸类、醇类、醛酮类、杂环类和其他分别列于表1～6中,表中列出了各化合物中文名称,一维和二维保留时间Tr/s＊,相似度S＊,反相似度R＊,CAS和分子式.在118种对香味有贡献的物质中,薄荷类物质有薄荷醇、薄荷酮、胡薄荷酮、乙酸薄荷酯、异戊酸薄荷酯.
表1 GC×GC/TOFMS鉴定出的酯类物质Table 1 Esters tentatively identified by GC×GC/TOFMS
表2 GC×GC/TOFMS鉴定出的酸类物质Table 2 Acids tentatively identified by GC×GC/TOFMS
表3 GC×GC/TOFMS鉴定出的醇类物质Table 3 Alcohols tentatively identified by GC×GC/TOFMS
表4 GC×GC/TOFMS鉴定出的醛酮类物质Table 4 Aldehydes and ketones tentatively identified by GC×GC/TOFMS
续表4
表5 GC×GC/TOFMS鉴定出的杂环类物质Table 5 Heterocycles tentatively identified by GC×GC/TOFMS
表6 GC×GC/TOFMS鉴定出的其他类物质Table 6 Others tentatively identified by GC×GC/TOFMS
续表6
3 结论
全二维气相色谱/飞行时间质谱技术的高分辨率和高灵敏度特点使得其适合用于研究复杂样品的化学组成.选择合适的柱系统和操作条件,可使在一维上有相近保留时间的组分,利用官能团极性大小不同在二维上分开.采用这种方法共定性检出了薄荷型卷烟烟丝中挥发性、半挥发性化合物187种,与卷烟香味有关的成分118种,其中的薄荷醇、薄荷酯、薄荷酮类物质是薄荷型卷烟具有合适凉度和持久性的关键组分.
[1]Phillips J,Xu J.Comprehensive multi-dimensional gas chromatography[J].J Chromatogr A,1995,703(1-2):327-334.
[2]Dalluge J,Beens J,Brinkman U.Comprehensive two-dimensional gas chromatography:A powerful and versatile analytical tool[J].J Chromatogr A,2003,1000(1-2):69-108.
[3]Ruan C,Xu G,Lu X,et al.Quality evaluation of volatile oils of traditional Chinese medicines by using comprehensive twodimensional gas chromatography[J].Chromatographia,2003,57:S265-S270.
[4]Kristenson E,Korytár P,Danielsson C,et al.Evaluation of modulators and electron-capture detectors for comprehensive two-dimensional GC of halogenated organic compounds[J].J Chromatogr A,2003,1019(1-2):65-77.
[5]Ryan D,Marriott P.Comprehensive two-dimensional gas chromatography[J].A nal Bioanal Chem,2003,376(1-2):295-297.
[6]Jover E,Adahchour M,Bayona J,et al.Characterization of lipids in complex samples using comprehensive two-dimensional gas chromatography with time-of-flight mass spectrometry[J].J Chromatogr A,2005,1086(1-2):2-11.
[7]Rodriguez-Burruezo A,Kollmannsberger H,Prohens J,et al.Analysis of the volatile aroma constituents of parental and hybrid clones of pepino(solanum muricatum)[J].J A gric Food Chem,2004,52(18):5663-5669.
[8]Lee J,Lee C,Kwag J,et al.Determination of optimum conditions for the analysis of volatile components in pine needles by double-shot pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry[J].J Chromatogr A,2005,1089(1-2):227-234.
[9]Dallüge J,Van Stee L,Xu X,et al.Unravelling the composition of very complex samples by comprehensive gas chromatography coupled to time-of-flight mass spectrometry-cigarette smoke[J].J Chromatogr A,2002,974(1-2):169-184.
[10]Zhu SK,Lu X,Xing J,et al.Comparison of comprehensive two-dimensional gas chromatography/time-of-flight mass spectrometry and gas chromatography-mass spectrometry for the analysis of tobacco essential oils[J].A nal Chim Acta2005,545(1-2):224-231.
[11]Lu X,Zhao M,Kong H,et al.Characterization of complex hydrocarbons in cigarette smoke condensate by GC-MS and GC×GC-TOFMS[J].J Chromatogr A,2004,1043(2):265-273.
[12]路鑫,蔡君兰,武建芳,等.全二维气相色谱/飞行时间质谱用于卷烟主流烟气中酚类化合物的表征[J].化学学报,2004,62(8):804-810.
[13]Lu X,Cai J,Kong H,et al.Analysis of cigarette smoke condensates by comprehensive two-dimensional gas chromatography/time-of-flight mass spectrometry I acidic fraction[J].A nal Chem,2003,75(17):4441-4451.
Analysis of Aroma Components in Mentholated Cigarette by Comprehensive Two-Dimensional G as Chromatography/Time-of-Flight Mass Spectrometry
The aroma components in mentholated cigarette were extractedviasolid phase micro extraction(SPME)route by selecting a longer non-polar column as the first column and a shorter medium-polar column as the second one.The extracted aroma components were analyzed and identified by means of comprehensive two-dimensional gas chromatography(GC×GC)/time-of-flight mass spectrometry(TOFMS).Auto data processing by TOFMS software was combined with peculiar“structured chromatograms"of comprehensive two-dimensional gas chromatography to assign the components.Totally 187 volatile components were identified with good match,and 118 of them were assigned to aroma components.
comprehensive two-dimensional gas chromatography;time-of-flight mass spectrometry;solid phase micro extraction;aroma components
O 657.7
A
1008-1011(2010)05-0076-06
2010-06-28.
郑晓云(1972-),男,工程师,硕士,主要从事生物无机化学、烟草化学研究.
