特丁基对苯二酚的电子轰击质谱研究

杨小兵，丁松涛，王安邦

（防化研究院，北京 100191）

特丁基对苯二酚的电子轰击质谱研究

杨小兵，丁松涛，王安邦

（防化研究院，北京 100191）

本工作研究了食品添加剂特丁基对苯二酚（TBHQ）的电子轰击质谱，结合其结构特征总结出一些裂解规律，并推导了在EI-MS中碎片离子的裂解机理。结果表明，特丁基对苯二酚的电子轰击质谱图中的主要特征离子有3个：分子离子峰m/z166、丢失一个甲基的碎片离子峰m/z 151和丢失一个甲基和中性碎片CO的碎片离子峰m/z123。另外，结合相关质谱图，探讨了主要碎片离子的裂解机理。

食品添加剂；特丁基对苯二酚（TBHQ）；电子轰击质谱；裂解规律；裂解机理

2010年6月美国麦当劳麦乐鸡中的食品添加剂——特丁基对苯二酚（TBHQ）的安全问题成为广大消费者关注的热点。据报道，在美国和中国出售的麦乐鸡中含少量的TBHQ，而在英国出售的此产品中不含该添加剂［1］。TBHQ是一种从石油中提炼，以对苯二酚为原料，经烷基化反应生成的合成酚类抗氧化剂。由于TBHQ具有优异的抗氧化性能和较好的热稳定性，而且还能有效抑制细菌和霉菌的产生，目前已被公认为是国际上最好的食品抗氧化剂之一［2］。但TBHQ含有石油成分，食用1g可引发恶心、呕吐、耳鸣，严重者甚至引起窒息，并有致癌性，因此各国对它的使用都有严格的使用限量规定［3］。美国食品药物管理局（FDA）和我国国标《食品添加剂使用卫生标准》（GB 2760－2007）规定：TBHQ可作为抗氧化剂在脂肪、油炸食品中使用，最大用量200mg/kg［4］。TBHQ早在1986年就被证实可以导致肝细胞死亡，同时对白细胞的凋亡、血液系统和免疫系统的危害也不容小觑，所以欧盟、日本等国家不允许在食品中使用该产品，要求食品中添加剂TBHQ的含量小于1mg/kg，这是美国 McDonald在英国分公司没有使用TBHQ作为添加剂的关键所在，与Mc－Donald公司所称的只是源于两国消费者口味需要和制作工艺不同的解释是完全不同的［5］。同时，欧盟和日本等国还以此作为技术贸易壁垒手段，要求出口到这些国家的所有食品必须进行TBHQ检测，其含量必须达到其标准要求。因此，对TBHQ的分析检测日益引人关注。

国外从20世纪60年代就开始了合成酚类抗氧化剂的检测方法研究［6－8］，而我国从20世纪末才开始这方面的研究，在2009年发布了《GB/T 23373－2009食品中抗氧化剂丁基羟基茴香醚（BHA）、二丁基羟基甲苯（BHT）与特丁基对苯二酚（TBHQ）的测定》。在国标中，对处理后的样品先进行凝胶渗透色谱柱分离，浓缩后以气相色谱火焰离子化检测器（GC-FID）分析其含量。这种方法对TBHQ的检出限为5mg/kg。可以看出，针对日本、欧盟的检出限要求1mg/kg，GB/T 23373－2009的方法无法实现。而采用色谱－质谱联用技术则可以很好的达到要求，如2007年乙小娟等［9］采用气相色谱－质谱法（GC/MS）对 TBHQ 的 最低检 出限为 0.05 mg/kg，2009年王勇等［10］采用液相色谱－质谱法（LC/MS）对TBHQ的最低检出限为0.01 mg/kg。因此，质谱技术在TBHQ较低浓度和精度要求较高的检测中具有十分重要的意义。本研究利用目前应用最普遍、发展最成熟的电子轰击质谱技术检测TBHQ，并根据谱图提供的分子离子峰和信息丰富的碎片离子峰［11］，分析总结了TBHQ的EI-MS谱图裂解规律，推导了其相应的裂解机理。这对于研究和指导TBHQ较低浓度和较高精度的检测中特征检测离子的选择，提高检测方法对目标化合物的检测灵敏度和降低最低检出限，探讨TBHQ的结构特征与抗氧化性能、热稳定性的关系，及其在人体内的代谢过程、结构与毒理及毒性的关系等方面具有重要的应用价值和理论意义。

1 实验部分

1.1 主要谱图来源

TBHQ的结构式示于图1，电子轰击质谱（EI-MS）来源于 NIST谱库，编号为234028，谱库ID＃为88951，该谱图由日本AIST/NIMC Database-Spectrum MS-NW-1660 提 供。 文 献［9］中也发表了TBHQ的EI-MS谱图。

图1 特丁基对苯二酚样品的分子结构Fig.1 The molecular structure of tert-butylhydroquinone

2 结果与讨论

2.1 特丁基对苯二酚的基本物理化学性能

特丁基对苯二酚为白色结晶性粉末，具有一种特殊的气味，分子式为C10H14O2，相对分子质量为166，部分理化指标列于表1［2］。

表1 特丁基对苯二酚基本的理化指标Table 1 The basic physical and chemical items of tert-butyldihydroquinone

从上述理化指标中可以看出，合成的食品添加剂TBHQ中含有一些其他的杂质。而且，其中的部分杂质如特丁基对苯醌、氢醌，在实际的痕量检测分析中其质谱图可能还会对主成分TBHQ的质谱图产生一定的干扰，影响最终测试结果的准确性和重现性。因此，对TBHQ的质谱图进行细致深入的研究十分必要。此外，其中部分杂质（如甲苯、铅等）如果含量超标，可能会对人体造成较大的危害，这些因素更加凸显了TBHQ分析检测的重要性。

2.2 电子轰击质谱（EI-MS）谱图及裂解机理研究

TBHQ为苯酚类烷基取代物，其EI-MS谱图示于图2，文献［9］发表的TBHQ的EI-MS谱图与此类似。TBHQ的同分异构体4－特丁基－1，2-二羟基苯（TBDHB），其EI-MS谱图示于图3（见NIST谱库，编号为232316，谱库ID＃为88113）。对比图2和图3可以明显发现，这一类苯酚类烷基取代物具有独特的裂解规律。本研究以TBHQ为例，详细分析了其电子轰击质谱，并结合具体化合物的结构特征总结得到一些裂解规律。TBHQ的EI-MS谱图中的主要碎片及其丰度列于表2。

图2 TBHQ的电子轰击质谱图Fig.2 EI-MS spectrum of TBHQ

图3 4-特丁基-1，2-二羟基苯的电子轰击质谱图Fig.3 EI-MS spectrum of 4-tert-butyl-1，2-dihydroxybenzene

表2 TBHQ样品的EI-MS谱图中的主要碎片及其丰度Table 2 Main fragments and their abundance of TBHQ in the EI-MS spectrum

从图2和图3中可以看出，这一类苯酚类烷基取代物具有3个相同的关键碎片离子m/z166、151、123，但不同的取代方式对离子的丰度有较大的影响。如图2，TBHQ的EI-MS图中m/z123碎片离子的丰度仅次于基峰，为61%；而在其同分异构体TBDHB的EI-MS谱图中m/z123碎片离子的丰度较低，仅为17%。可以看出，结构的细微改变可能在EI-MS谱图上出现较大的差别，而这些差别正好可以作为化合物谱图指认的关键证据，具有重要的理论意义。

同时，在低质量端还有相同的芳香苯环碎片离子系列m/z77、65、55、41、27等。图2、3中基峰m/z151为［M－15］峰，是分子离子峰m/z166脱去一个甲基所致；而m/z123为［M－43］峰，是分子离子峰脱去一个甲基和一个CO所致，具体的碎裂机理示于图4。此外，图中还有一些丰度较小的碎片离子，如m/z91、107、115、131、152等。m/z152峰的丰度在谱图中位居第四，从谱图中基峰m/z151的强度及其分子式C9H11O2可以推断m/z152为基峰m/z151的13C同位素峰：9×1.1%＝9.9%。因此，在进行定量研究过程中，通常选择基峰m/z151作为定量离子。

图4 TBHQ的电子轰击质谱裂解机理Fig.4 EI-MS fragmentation mechanism of TBHQ

从图4可以看出，TBHQ的主要裂解碎片离子m/z151和m/z123均为非芳香族碎片离子，大大减低了芳香族化合物的毒性，这可能是其可以作为食品添加剂的原因之一。碎片离子m/z151的来源可能通过2个不同的反应路径，路径1是先通过一次α开裂失去特丁基中的一个甲基自由基直接得到；而路径2时先发生1，3-H重排，再通过两次α开裂失去特丁基中的一个甲基自由基。碎片离子m/z123直接通过碎片离子m/z151发生电荷诱导的i断裂丢失一个中性碎片CO得到。

3 结论

1）特丁基对苯二酚是一类合成食品添加剂，其中含有的一些杂质可能影响其产品的品质，对人体的健康造成威胁，而且其本身属于芳香类化合物也有一定的毒性，需限量使用。

2）分析了特丁基对苯二酚及其同分异构体4－特丁基-1，2-二羟基苯的电子轰击质谱图，结合其结构特征总结得到一些共同的裂解规律：分子易发生α开裂失去取代基中的一个甲基自由基得到［M－15］的碎片峰，接着发生重排及i断裂丢失一个CO得到［M－15－28］的碎片峰等。

3）探讨了TBHQ的电子轰击质谱裂解机理，推导了谱图中重要碎片的来由。

［1］All McDonald’s Nuggets are Not Created Equal，http：//pagingdrgupta.blogs.cnn.com/2010/06/25/a-tale-of-2-nuggets/.

［2］卢俊青，彭 辉，李惠宜，等.QB 2395－2007食品添加剂 特丁基对苯二酚［S］.北京：中国轻工业出版社，2007.

［3］Two Chemicals in McDonald McNuggetes are Legal Additives，but for Limited Use，http：//news.sina.com.cn//h/2010-07-05/123820613266.shtml.

［4］卫生部卫生标准委员会.GB 2760－2007《食品添加剂使用卫生标准》应用指南［S］.北京：中国标准出版社，2007.

［5］McDonald：Chemicals in Chicken Nuggets‘harmless’，China Daily，July 6，2010.

［6］YANG M H，LIN H J，CHOONG Y M.A rapid gas chromatographic method for direct determination of BHA，BHT and TBHQ in edible oils and fats［J］.Food Res Int，2002，35（7）：627-633.

［7］KAROVICOVA J，SIMKO P.Determination of food synthetic phenolic antioxidants by HPLC-a review［J］.J Chromatography A，2000，882（1/2）：271-281.

［8］PERRIN C，MEYER L.Quantification of synthe-tic phenolic antioxidants in dry foods by reversedphase HPLC with photodiode array detection［J］.Food Chem，2002，77（1）：93-100.

［9］乙小娟，朱加叶，王 莉.气质联用法测定食品中特丁基对苯二酚［J］.食品科学，2007，28（6）：262-265.

［10］张朋杰，张宪臣，张 静，等.超高效液相色谱－串联质谱法测定食用油中特丁基对苯二酚［J］.食品科学，2009，30（6）：143-145.

［11］宁永成.有机化合物结构鉴定与有机波谱学［M］.2版.北京：科学出版社，2000：266-321.

Electron Ionization Mass Spectrum Research on Tert-Butylhydroquinone

YANG Xiao-bing，DING Song-tao，WANG An-bang
（Research Institute of Chemical Defense，Beijing100191，China）

Tert-butylhydroquinone（TBHQ）as a food additive was researched by electron impact mass spectrometry （EI-MS）.Based on the analysis of fragments appeared in the mass spectrum，as well as the structure characterizations of these compounds，some fragmentation rules were obtained.Results show that the EI-MS of TBHQ produces three compound-specific fragment ions：the m/z166molecular ion，the m/z 151fragment ion which resulted from a methyl group loss of the molecular ion，and the m/z123fragment ion which resulted from a methyl group and the CO loss from m/z 166.At the same time，based on the related mass spectrum，the fragmentation mechanism of TBHQ was discussed.

food additives；tert-butylhydroquinone（TBHQ）；electron impact mass spectrum（EI-MS）；fragmentation rules；fragmentation mechanism

O 657.63

A

1004-2997（2011）05-0278-05

2011-01-31；

2011-05-13

国家自然基金项目（No.21002123）资助

杨小兵（1976～），男（汉族），博士，助理研究员。E-mail：xbyoung2001＠163.com，xbyang＠pku.edu.cn