绵白糖中糖类化合物的电喷雾质谱研究

许庆轩，张玉霜，吴玉梅，*

(1.农业部甜菜品质监督检验测试中心,哈尔滨 150080；2.黑龙江大学 农作物研究院,哈尔滨 150080；3.中国农业科学院甜菜研究所，哈尔滨 150080；4.农业部糖料产品质量安全风险评估实验室,哈尔滨 150080.)

绵白糖中糖类化合物的电喷雾质谱研究

许庆轩1,2,3,4，张玉霜1,2,3,4，吴玉梅1,2,3,4，*

(1.农业部甜菜品质监督检验测试中心,哈尔滨 150080；2.黑龙江大学 农作物研究院,哈尔滨 150080；3.中国农业科学院甜菜研究所，哈尔滨 150080；4.农业部糖料产品质量安全风险评估实验室,哈尔滨 150080.)

使用电喷雾质谱检测了在不同溶剂条件下的绵白糖溶液。实验结果表明不同绵白糖溶液在电喷雾质谱检测中表现出不同的特点，如在碱性条件下有利于负离子的形成，在甲醇溶液中能观察到单糖的质谱峰等。尽管绵白糖的成分比较简单，但是在质谱中表现十分复杂。采用串联质谱技术分析了这些溶液中化合物的碎裂规律，通过其碎裂方式确定了其质谱峰的归属。所建立的电喷雾质谱方法，灵敏度高，定性能力强，操作简便快速，可以作为糖产品的重要检测方法之一。

电喷雾质谱;绵白糖;蔗糖

0 引 言

糖是自然界中普遍存在的物质，从小分子的单糖、寡糖到分子量较大的各种多糖，从单一糖到与其它分子结合的复合糖，种类繁多。这些糖具有多种功能，一部分糖具有重大的生化意义，因此对糖类的研究一直引起了广泛的关注。使用质谱进行糖研究的工作很早就开始了，但是糖是一种多羟基醛或酮，通常极性较大，不易挥发，热不稳定，特别不适合电子轰击质谱(EI-MS)分析。因此需要将这些糖类化合物进行甲基化或乙酰化等衍生化处理，将其转化成易挥发的化合物，才能用于电子轰击质谱分析[1-2]。从上世纪80年代以来，随着软电离技术的发展，产生了快原子轰击质谱(FAB-MS)、基质辅助激光解吸附飞行时间质谱(MALDI-TOF)和电喷雾电离质谱(ESI-MS),这些质谱很快被用于糖类化合物的分析，并且取得良好的效果，糖类化合物不需要衍生化就可以直接用于质谱分析，并且使用串联质谱技术能够给出丰富的碎片信息，通过这些信息就有可能确定糖类化合物的结构[3-6]。

绵白糖是糖厂使用甜菜或甘蔗为原料生产的一种糖产品，与白砂糖相比颗粒细小，含水量高，其主要成分为蔗糖，同时含有2.5%的还原糖。目前对绵白糖的评价指标集中在感官和简单的理化指标上[7]。但对绵白糖的电喷雾质谱研究尚未见报道。

以电喷雾质谱法研究了绵白糖，通过不同检测条件下蔗糖的电喷雾信号对比，建立了绵白糖的电喷雾检测方法，并且使用电喷雾串联质谱技术对各种离子定性。研究结果表明，该方法操作简单，定性方便，灵敏度高，可作为甜菜制糖工业过程中的重要检测方法。

1 仪器和材料

1.1 仪器

ThermoFisher LCQ fleet电喷雾质谱仪，美国Thermo Fisher Seientific公司生产。

1.2 试剂与样品

甲醇：色谱纯，美国Fisher公司生产；

氨水和乙酸均为分析纯；

超纯水由Milli-Q超纯水仪制备(>18.3 MΩ)，美国Millipore公司生产。

样品为市场零售的散装绵白糖。

1.3 仪器条件

质谱条件：氦气为缓冲气和碰撞气，氮气为雾化气，使用电喷雾电离源，正负离子模式。仪器条件优化如下，鞘气(sheath gas，氮气)流速：8arbitrary units；喷雾电压(ion spray voltage)：4.0 kV；毛细管温度(capillary temperature)：275 ℃；毛细管电压(capillary voltage)：44 V；套管透镜补偿电压(tube lens offset)：50 V；注射泵(syringe pump)进样，进样速度为5 μL/min；碰撞能量20%～30%。

2 实验部分

取绵白糖适量，精密称定4份样品，分别加入甲醇、甲醇/水(1∶1)溶液，0.1%乙酸甲醇/水(1∶1)溶液、0.1% NH3甲醇/水(1∶1)溶液，分别配制成10-4mg/L的绵白糖溶液。

将样品溶液按照以上质谱条件直接用于电喷雾质谱分析，每个样品溶液电喷雾质谱分析均采用注射泵连续进样。

3 结果与讨论

3.1 绵白糖的全扫描电喷雾质谱研究

绵白糖在正离子模式下的电喷雾质谱图见图1。在甲醇/水体系中(图1(a))，蔗糖没有出现[M+H]+峰，在质谱中的表现为[M+Na]+峰(m/z365离子)，同时有[M+K]+峰(m/z381离子)出现；m/z707离子为蔗糖的二聚体加钠离子([2M+Na]+)，丰度最强，同时其二聚体也能和钾离子加合(m/z723离子)。钾加合离子通常比钠加合离子强度小，这可能是由于自然界中钠离子丰度远大于钾离子。通常在酸性条件下有利于电喷雾质谱正离子的形成，但是绵白糖在酸性条件下的质谱图(图1(b))与中性条件下的质谱图相似，其差别仅在于酸性条件对蔗糖钾离子加合峰有明显的抑制。图1(b)也未出现蔗糖的[M+H]+峰，说明在电喷雾质谱正离子模式下，增加酸性并未导致蔗糖加氢离子形成，其主要离子仍然为钠加合离子。这是由于钠原子的半径比氢原子半径大、电荷多，与杂原子的配位能力更强，在空间结构上更有利[8-9]。另外,在甲醇/水体系中(图1(a))绵白糖未出现单糖(葡萄糖和果糖)的质谱峰，这可能是因为单糖的含量很低，但是在甲醇溶液中(图1(c))有单糖的加氢离子峰(m/z 203离子)出现，说明降低溶剂的极性对于小分子的单糖分子电离比较有利。

绵白糖在负离子模式下的电喷雾质谱图见图2。在甲醇/水体系中(图2(a))，与正离子模式相似，蔗糖也可以出现聚合离子，表现形式为[M-H]-峰(m/z 341离子)、[2M-H]-峰(m/z 683离子)和[3M-H]-峰(m/z 1 025离子)，其中二聚体离子的丰度最强。另外，质谱图中还出现了[M+2H2O-H]-峰(m/z 377)和[2M+2H2O-H]-峰(m/z 719)。通常来说，在质谱分析的过程中由于去溶剂化效率不好会导致水加合离子，但是绵白糖的甲醇溶液电喷雾质谱图中仍然出现水加合离子(由于谱图高度相似，因此没有列出)，绵白糖中水含量很少，溶于甲醇，因此不存在去溶剂化效率问题，说明在负离子模式下，水加合离子的形成是由蔗糖分子空间结构决定的。有趣的是在碱性条件下，水合离子的强度很弱，也就是说碱性对水合离子有明显的抑制作用。绵白糖在碱性条件下的电喷雾质谱图见图2(b)，蔗糖离子的信号明显比中性条件(图2(a))强，说明碱性条件有利于蔗糖负离子的形成。但是单糖离子的信号强度在各种溶剂条件均很弱，这是由于绵白糖的负离子谱的信号强度比正离子谱弱，单糖的含量很低，因此难以在负离子条件下检测。尽管如此，在碱性条件负离子模式下(图2(b))，在m/z 341以下出现了大量的峰，与电子轰击质谱不同，电喷雾质谱没有谱库，因此本文没有给出这些峰的归属，但可预料对绵白糖中这些未知成分的研究对于提高糖品质具有重要意义。

图2 绵白糖溶液在负离子模式下的电喷雾质谱图(a.甲醇/水(1∶1)溶液，b.0.1% NH3甲醇/水(1∶1)溶液) Fig.2 ESI mass spectra of soft white sugar in positive mode. (a. methanol/water (1∶1) solution, b.methanol/water (1∶1) solution containing 0.1% NH3.)

图3 m/z 341(a)离子、m/z 377(b)离子、m/z 683(c)离子和m/z 431(d)离子的电喷雾串联质谱图Fig.3 ESI-MS2 mass spectra of the m/z 341(a) ion, m/z 377(b) ion, m/z 683(c)ion, and m/z 431(d)ion.

3.2 绵白糖的电喷雾串联质谱研究

为了验证上述推理，对绵白糖进行串联质谱进行了分析。负离子模式下的串联质谱图见图3。m/z 341离子(图3(a))的子离子主要是m/z 179离子和m/z 161离子，分别为[葡萄糖(或果糖)-H]-和[葡萄糖(或果糖)-H2O-H]-。蔗糖是由一分子的葡萄糖和一分子的果糖通过1，2糖苷键形成的，葡萄糖和果糖互为糖苷配体，在串联质谱中可同时形成葡萄糖和果糖离子[10]。m/z 377离子失去36 Da的碎片形成m/z 341离子(图3(b))，可以推断m/z 377离子为蔗糖的水合离子。在串联质谱中，m/z 683离子的失去342 Da生成m/z 341的子离子(图3(c))，很明显为蔗糖分子的二聚体离子；m/z 431离子失去90 Da也生成m/z 341的子离子(图3(d))，说明m/z 431离子是由一分子的蔗糖分子和其它分子结合成的化合物。对m/z 377离子、 m/z 683离子和m/z 431离子产生的m/z 341子离子进一步进行串联质谱研究，发现三级串联质谱图和m/z 341离子的二级串联质谱图完全相同，可以证明m/z 341子离子就是蔗糖离子。

图4 m/z 365(a)离子和m/z 381(b)离子的电喷雾串联质谱图Fig.4 ESI-MS2 mass spectra of the m/z 385(a) ion and m/z 381(b) ion.

正离子模式下的串联质谱见图4。m/z 365离子(图4(a))的子离子主要是m/z 203离子和m/z 185离子，分别为[葡萄糖(或果糖)+Na]+和[葡萄糖(或果糖)-H2O +Na]+。m/z 381离子(图4(b))的子离子主要是m/z 219和m/z 201离子，分别为[葡萄糖(或果糖)+K]+和[葡萄糖(或果糖)-H2O+K]+[10]。说明无论在负离子模式下，还是正离子模式钠加合离子以及钾加合离子情况下，蔗糖离子的串联质谱碎裂方式相同，均在葡萄糖和果糖的糖苷键断裂，形成葡萄糖或果糖离子，说明其糖苷键是蔗糖离子在串联质谱中的活性位点。

4 结 论

本文建立了绵白糖的电喷雾质谱检测方法。糖类物质在电喷雾质谱中的表现比较复杂，能够形成负离子、金属加合离子、水加合离子等多种形式，增加溶液的酸性也不会产生加氢离子，对正离子模式影响不大，但是碱性条件对负离子模式有较大的影响，可增加信号强度，并且在低质量区产生一些峰。因此对于此类样品的检测应该采用多种溶剂条件和正负离子模式检测，并将这些检测结果进行对照，才能得到样品的真实情况。串联质谱能够给出丰富的结构信息，对确定这些峰的归属十分必要。另外也发现一些其他峰，这些峰可能来自绵白糖中杂质，对这些杂质进行深入研究对提高糖的品质将产生重要意义。本文所建立的电喷雾质谱方法，灵敏度高，定性能力强，操作简便快速，能够给出丰富的信息，可作为糖产品的重要检测方法之一。

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Soft white sugar by electrospay ionization mass spectrometry

XU Qing-Xuan1，2，3,4，ZHANG Yu-Shuang1，2，3,4，WU Yu-Mei1，2，3,4，*

(1.Inspection and Testing Center for Beet Quality,Ministry of Agriculture,Harbin 150080,China;2.Academy of Agriculture Crop Science,Heilongjiang University,Harbin 150080,China;3.Sugar beet Research Institute,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150080,China；4.Laboratory of Quality & Safety Risk Assessment for Sugar Crops Products,Ministry of Agriculture,Harbin 150080,China)

In this test,several soft white sugar solutions were detested by electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS).The results show that every solution presents some characteristics in ESI-MS,for example,basicity favors anion forming;and the peaks of monosaccharides can be observed in methanol solution of soft white sugar.Although the constituent of soft white sugar is simple,its mass spectra are rather complex.In this test,the compounds in the soft white sugar solutions were analyzed by tandem mass spectrometry,by which the peaks were assigned.ESI-MS can be used to analyse soft white sugar solution with high sensitivity,strong qualitative ability,simply and easy handle.Thus it can be important method for sugar analysis.

electrospray ionization mass spectrometry;soft white sugar;sucrose

10.13524/j.2095-008x.2015.03.047

2015-04-24

国家农产品质量安全风险评估专项经费资助项目(GJFP2015011)

许庆轩(1970-)，男，黑龙江萝北人，副研究员，博士，研究方向：食品及药物分析;*通讯作者：吴玉梅(1959- ),女,内蒙古扎兰屯人,研究员,研究方向：甜菜标准及其质量安全，E-mail：zjzxwym@163.com。

O657.63

A

2095-008X(2015)03-0057-05