衍生化-气相色谱法在食品安全检测中的应用*

李雪莹，林　晨，王李平，吴凌涛，方　丽，蔡大川，张方圆，林泽鹏

(中国广州分析测试中心，广东省分析测试技术公共实验室，广东　广州　510070)



衍生化-气相色谱法在食品安全检测中的应用*

李雪莹，林晨，王李平，吴凌涛，方丽，蔡大川，张方圆，林泽鹏

(中国广州分析测试中心，广东省分析测试技术公共实验室，广东广州510070)

衍生化-气相色谱法是利用一定的化学反应对目标分析物进行结构改造，将目标物修饰为低沸点或热稳定性强的新产物，通过测定产物对目标分析物进行定性和定量分析的一种分析技术。通过对衍生化与气相色谱联用技术在食品安全中的应用分析，现具体对烷化法、酰化法、硅烷化法、酯化法等衍生化技术的原理及其在食品安全检测中的应用，并提出了该技术的注意事项、存在问题及应用前景。

衍生化技术；气相色谱法：食品安全

气相色谱技术诞生于20世纪50年代，集分离与分析于一体的一项分析技术。样品经进样口高温瞬间气化，由惰性气体(氮气、氦气)带入色谱柱，通过色谱柱的固定液对样品中组分进行分离，样品中不同组分在不同的时间进入检测器，通过检测器对检测信号进行收集，通过组分保留时间和峰面积对化合物进行定性和定量分析。20世纪90年代毛细管色谱柱的发明与使用，使气相色谱技术的应用又上了一个崭新的台阶。由于其具有分离性能高、灵敏度高和准确高等特点，现已广泛应用在石化分析、药物分析、环境分析和食品安全分析等领域。但当目标物为高沸点，热不稳定性、强极性时，传统的气相色谱分析无法对目标物进行准确的定性和定量分析。为解决此类分析难题，衍生化-气相色谱技术应运而生。

衍生化技术[1]是利用一定的化学反应对目标分析物进行结构改造，将目标物修饰为低沸点或热稳定性强的新产物，通过对产物的分析从而实现目标分析物定性和定量分析的一种分析技术。其主要是优势有：①可以提高气相色谱检测器对被测物的灵敏度。例如，将卤素加到一个分子上，则电子捕获检测器(ECD)对它的检测灵敏度提高了几千倍。②可以改善化合物的色谱行为，提高化合物的热稳定性和挥发性，减少或消除极性大的化合物可能产生的拖尾。③解决色谱定性的问题，既被测物经衍生与原化合物的保留时间不同，用衍生的标准物就可以对被测物定性和定量分析。针对以上几种优势，本文将对各种衍生化技术的原理及其在食品安全检测中的应用进行了综述。

1　衍生化技术主要的方法

1.1衍生法的种类及衍生试剂

衍生化法种类较多多，用于气相色谱分析的衍生化法主要有：烷基化法，硅烷化法，酰化法，酯化法，卤化法，醚化法，环化法和离子化，成肟或腙等。

1.1.1硅烷化法

硅烷化反应[2]是用硅烷基对目标物中活泼氢进行取代，如羟基、羧基、氨基、巯基、磷酸盐，常用的硅烷化试剂有：三甲基氯硅烷、六甲基二硅氨烷、N,O-双三甲基硅基三氟乙酰胺(BSTFA)、二甲基硅烷、二甲基氯硅烷、N,O-双三甲基硅基乙酰胺(BTA)、特丁基二甲基硅烷基等，其中三甲基硅烷和六甲基二硅氨烷应用最广。硅烷化通常是指将硅烷基取代目标物分了中活泼氢，目标物中活泼氢被硅烷基取代，降低了整个目标物的极性，从而使得目标物沸点降低，另外活泼氢被取代，其反应位点数目减少，使目标物更加稳定。许多被认为是难挥发的物质和热不稳定化合物经过硅烷化衍生后，都能成功的对其衍生产物进行色谱分析。如三甲基硅(TMS)衍生试剂与待测物的反应方程式：

1.1.2烷基化法

烷基化反应[2]是将衍生试剂中的烷基移到目标物分子中的过程，使得目标物中引入烷基的反应。衍生试剂分子中烷基取代化合物中的活泼氢。

X为卤素或其他离去基团，R为烷基基团。衍生产物主要为醚、硫醚、酯，烷基胺，烷基酰胺，通常弱酸基团的烷基化需加强碱性催化剂，酚羟基和羧酸羟基等酸性较强，需弱碱性催化剂。

1.1.3酯化法

酯化[2]是指醇与羧酸或与含氧无机酸生成酯和水。主要用于含羧基或者羟基的化合物，所得到衍生产物一般为低脂肪链的酯类，如甲酯、乙酯、丙酯和丁酯，其中甲酯化合物最常见。在酯化衍生法中，常用的酯化试剂有：硫酸-甲醇、盐酸-甲醇、重氮甲烷、三氯化硼-醇类(C1～C4醇)、氢氧化四甲铵等。

1.1.4酰化法

酰化反应为有机分子中氮、氧、碳等原子上引入脂肪酰基-芳香族酰基的反应，主要用于羟基、巯基和氨基[3]等酰化衍生物制备。

在酰化衍生法中，常用的酰化试剂有：酰卤，酸酐[4-6]、酰基咪唑[7]、酰胺及烷基氯甲酸酯等。酰化反应作为硅烷化的代替方法，类似于酯化反应，可通过羧酸或共衍生物的作用将含有活泼氢(如-OH、-SH、-NH)转化为酯、硫酯或酰胺。含有卤离的羰基可增强电了捕获检测器酞化作用。此类反应可用于化合物中含有醇、酚、硫醇、胺、酰胺、磺酰胺等基团化合物的气相色谱分析。酸酐衍生反应方程式如下:

1.1.5卤化法

单质或化合物分子中引入卤素原子以生产卤化物的反应过程，通常目标物中含有羟基、羧基、羰基或不饱和键等基团。在卤化衍生法中，常用的卤化试剂有：卤素、卤化氢、氯化亚硫酰、四氟化硫等。方志青等[8]对饮用水中4 种酚类污染物进行溴化衍生，大大提高了方法的灵敏度，方法检出限低至0.02～0.06 μg/L。

1.1.6环化法

含多个极性官能团的药物可与环化试剂反应生成环状衍生物。常用的环化试剂有：烷基取代硼酸，如甲基硼酸、丁基硼酸、 苯基硼酸、 环己基硼酸，其中丁基硼酸衍生效率最好。被测药物常为顺式1,2-和1,3-位二官能团化合物。该类反应条件温和，反应迅速，反应混合物可直接用于GC分析。

1.1.7醛类、酮类化合物的衍生化法

醛类、酮类化合物通常不需衍生化，但由于食品中基质影响显著，为了解决食品中检测的干扰，提高方法的灵敏度，通常对此类物质进行衍生化，主要有成肟或成腙反应[9]。

1.2衍生化条件的研究

对于样品我们怎样选择一种或多种适合的衍生反应，使其衍生转化成便于气相色谱分析的物质，对衍生化试剂的要求：①衍生化试剂的纯度要高，试剂中不能含有杂质，以免带到反应中。必要时将试剂精制；②试剂必须能保证生成所要求的衍生物；③试剂必须与流动相相适应；④试剂的性能要稳定。

2　衍生化在气相色谱分析中的应用

气相色谱法由于其具有分离效能高、分析速度快、选择性好等优点而被广泛应用于环境样品中的污染物分析、药品质量检验、天然产物成分分析、食品中农药残留量测定、工业产品质量监控、精细化工产品分析等生命科学和制备化学领域。现主要介绍衍生气相色谱法在食品安全检测领域中的应用，主要体现在食品中的营养成分、和风味物质的分析，尤其在食品添加剂、农药残留等方面的分析。

2.1衍生气相色谱法在食品添加剂中的应用

食品添加剂中很多添加剂均为极性较强，如山梨酸、苯甲酸、山梨醇等。由于此类添加剂极性强，故采用气相色谱法对其直接测定时色谱峰拖尾严重，灵敏度不高。为解决此问题，杨昌金等[10]利用甲醇-硫酸对山梨酸、苯甲酸进行甲酯化，此方法衍生效率高，出峰快，峰形对称无拖尾，灵敏度高，回收率为98.5%；随后胡家元[11]以二甲基甲酰胺作溶剂，采用碘丁酮对苯甲酸和山梨酸衍生化成相应丁酯，此方法回收率在96.3%～103%之间，重复性较好，并且衍生反应于室温下20 min 内即可对山梨酸和苯甲酸进行完全丁酯化。此外衍生气相色谱法还广泛的应用于食品添加剂中的木糖醇[12]、山梨醇[13]、甘露醇[14]等检测中，都能较好的食品中的各添加剂进行定性和定量分析。

2.2衍生气相色谱法在食品脂肪酸中的应用

食品中脂肪酸的分析通常采用两种酯化的方法，将脂肪酸转换成脂肪酸酯类，再通过气相色谱进行定性和定量分析，此方法已经得到ISO/AOAC认可。第一种方法：三氟化硼/甲醇进行甲酯化[15-16]。在碱性条件下队食品进行皂化。将脂肪中的脂肪酸以脂肪酸游钠盐的形式游离出来。脂肪酸钠盐在三氟化硼/甲醇的作用下转换成脂肪酸甲酯。如称取油脂或脂肪酸50 mg 置于10 mL量瓶内，加入2 mL石油醚和苯的混合溶剂(1:1)，轻轻摇动使之溶解。再加入2 mL 0.4.mol/L氢氧化钾—甲醇溶液，混匀。静置分层后吸取上清液进行气相色谱分析。第二种方法：醇解法[17]。脂肪酸在甲醇钠的催化作用下进行醇解反应，一步实现脂肪酸甲酯化，此方法快速、简便、具有一定实用价值。

2.3衍生气相色谱法在食品营养成分中的应用

天然食品中的营养种类较丰富，如肌醇、碘；尹建洪[18]采用乙酸酐对肌醇进行乙酰化反应，衍生化此方法检出限较低，在奶粉中检出限为6 mg/g；而食品中的碘通常采用光谱方法或滴定显色法进行测定，但是其灵敏度较低，林晨等[19]采用气相色谱衍生化法测定食品中的碘，采用丁酮对碘进行衍生化，得到的碘丁酮在气相色谱上相应较高，大大提高了方法的检出限。

3　衍生气相色谱法存在的问题

①在硅烷化反应体系中要避免使用含有活泼氢的有机试剂；三甲基衍生物对水和酸不稳定，易分解：一定要排除样品中的水分，可以选用正己烷、苯、吡啶或四氢呋喃等试剂为反应介质；②烷基化衍生化过程中，副产物较多，易破坏色谱柱固定液；③酰化反应衍生试剂的过量及副产物易造成色谱柱寿命较短，故上机前应净化处理；④衍生化方法应用不当会产生的弊端：如衍生产物分子量过大，前处理步骤过多，需要氮气吹干衍生试剂等。

4　衍生气相色谱法未来的发展及期许

衍生化反应和反应类型及反应机理有待于深入研究，衍生气相色谱法将来发展方向主要是：①研发特异性的衍生试剂，如通用型衍生试剂、手性衍生试剂，污染少且适用于质谱检测的衍生试剂等。②建立现有试剂的新的衍生方法，做到步骤少、简单、快速、灵敏等等，尽量减少样品的前处理时间。③新的衍生化试剂的研究，尤其是极性溶剂中稳定的衍生化试剂。④完善气相色谱-质谱检测中目标物衍生产物的计算机谱库。⑤进一步扩宽现有衍生试剂的应用范围，特别在农兽药残留及食品安全方面的应用。

5　展　望

随着国家对食品安全的高度关注，食品安全检测工作将不断精细，深入，慢慢向痕量分析其甚至超痕量分析的趋势发展，使得不仅需要先进的仪器设备，更需要紧密联系其他分析手段，共同改善分离能力，提高检测灵敏度，必将为食品安全检测中的痕量甚至超痕量分析发挥积极的作用。

[1]詹兴益.衍生气相色谱及应用[M].长沙：湖南大学出版社,1988:1-4.

[2]鲁红军.气相色谱衍生化技术在食品分析中的应用[J].分析与监测，1994(3):26-29.

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Application of Drivatization-gas Chromatography Method in Food Safety Analysis*

LIXue-ying,LINChen,WANGLi-ping,WULing-tao,FANGLi,CAIDa-chuan，ZHANGFang-yuan,LINZe-peng

(Guangdong Provincial Public Laboratory of Analysis and Testing Technology, China National Analytical Center (Guangzhou), Guangdong Guangzhou 510070, China)

Derivatization-gas Chromatography is a species analysis techniques which uses certain chemical reactions on the target analyte structural transformation, modifies the target to a low boiling point or a new product with strong thermal stability, and achieves quantitative and qualitative analysis of the target through analysis of the product. The principle of alkylation method, acylation, silylation method, esterification and other derivative technology and its application in food safety testing were introduced, and the considerations of the technology, problems and prospects were proposed.

derivatization; gas chromatography; food safety

广东省省级科技计划项目(2013B020501005)；广东省省级科技计划项目(2013B091604003)；广东省省级科技计划项目(2014A040401032)；广东省省级科技计划项目(2015B090906023)。

李雪莹(1992-)，女，工程师，主要从事食品安全分析。

王李平(1985-)，男，助理研究员，食品及药品的安全质量研究。

O657

A

1001-9677(2016)08-0021-03