HS-IMR-MS法在香精香料质量控制中的应用

高 莉，李先毅，朱保昆，李源栋，刘秀明，李智宇，王文元，廖头根

（云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南 昆明 650231）

0 引 言

香精香料是食品添加剂中的一个重要组成部分，长期以来，因为用量小、自我限量等，其安全性、品质控制等问题并不像防腐剂、甜味剂等受到人们的重视。但随着香精香料使用范围和添加量的不断扩大，香精香料质量控制等问题也越来越受到人们关注。

目前，香精香料品质测定通常是按照GB/T 14454——2008国家系列标准来进行的，主要是进行折光指数、相对密度、旋光度和酸值等理化指标测定[1]。近年来，一些仪器分析技术，如液相色谱[2]、气-质联用[3]、紫外光谱[4]、红外光谱[5]、电子鼻技术[6]等，也逐渐被用于香精香料的成分分析及质量检测，但大多数分析仪器都需要经过复杂的前处理[7]，这使得整个检测过程更加复杂、耗时。

离子分子反应质谱（IMR-MS）是一种软电离质谱技术，其基本原理是使用不同电离能的气态电离源与挥发性物质发生电荷转移反应，使挥发性物质分子离子化，从而被过滤分离产生信号。IMR-MS现已被广泛应用于呼吸器气体分析[8]、环境污染物挥发气体分析[9]等，以及在烟草行业卷烟主流烟气气相成分分析中也有少量应用[10]，但在香精香料中的应用未见报道。

本文将顶空进样器与IMR-MS串联，使其成为一种集样品采集、进样、分析为一体的挥发性成分分析技术，并对不同批次及不同厂家的同种香精香料质谱指纹图谱进行相似度分析及主成分分析，建立了香精香料质量一致性的判定方法，为香精香料质量控制提供了快速、全面、稳定且无需前处理的方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

仪器：AIRSENSE Compact离子分子反应质谱仪（奥地利V&F公司），G1888顶空进样器（安捷伦公司），电子分析天平（感量 0.1 mg），Chempattern 统计分析软件。

供试品：8批次S烟用香精，分别用S1～S8表示（由云南中烟工业有限责任公司提供），以及由8个厂家提供的该种香精，分别用1#～8#表示（其中1#，2#产自广东广州，3#产自广东深圳，4#，5#产自上海，6#产自海南海口，7#，8#产自云南玉溪）。

掺杂样品：在任一批次S香精中掺入Z香精（由云南中烟工业有限责任公司提供）10%，30%，50%（质量分数），标记为 Z1，Z2，Z3。

内标物：环己烷为色谱纯（购自SIGMA公司）。

1.2 样品处理

分别称取样品 S1～S8、1#～8#，及掺杂样品 Z1～Z3各0.5 g（精确到0.001 g）于20mL顶空进样瓶中，分别加入100μL环己烷。

1.3 HS-IMR-MS分析条件

1.3.1 顶空自动进样器分析条件

样品平衡温度：80℃，定量环温度：100℃，传输线温度：120℃；定量环体积：1mL；样品平衡时间：10min；加压时间：0.2min；环路充装时间：0.2min；环路平衡时间：0.05min；进样时间：1min。

1.3.2 IMR-MS分析条件

打开IMR-MS系统并预热48h以上，在IMR-MS工作站中设置Single Masses方法，并在该方法中进行如下参数设置。

添加质荷比16～200的各扫描离子并设置每种离子。 扫描时间：300ms；质谱采样压力：25mbar（1bar=105Pa）；电离源：Hg（电离能 10.44 eV），Xe（电离能12.13eV），Kr（电离能 14.00eV）；分辨率：1amu；样品循环扫描次数：5次。

1.4 香精香料质谱指纹图谱的建立方法

计算检测样品中各离子强度（特指离子峰绝对强度）的平均值，以该平均值和相应质荷比作图，即得检测样品的质谱指纹图谱。统计离子个数时，取离子强度＞0.5%（占总离子强度）的离子进行计算。

2 结果与讨论

2.1 电离源的选择

在平衡时间为10min，平衡温度为80℃的条件下，比较了香精S利用 Hg（电离能 10.44eV）、Xe（电离能 12.13 eV）、Kr（电离能 14.00 eV）3种电离源进行采样的效果。IMR-MS是一个软电离过程，应尽量选用具有低电离能的电离源以保证质谱较纯净，同时确保分析的挥发性成分得到较高的离子强度。当电离源为Xe时，离子数和总离子强度最大。因此，选择Xe为电离源进行质谱分析。

2.2 顶空平衡温度的选择

在平衡时间为10min，电离源为Xe的条件下，比较了香精 S 在 60，70，80，90，100℃ 5 个不同顶空平衡温度下的采样效果，结果如图1所示。由图比较可知，随着温度的升高，质谱图中总离子强度和检出离子数逐渐增多。在80℃时，检测到的离子数和总离子强度最大，80℃之后，两者都有所下降。因此，选择80℃的平衡温度进行实验。

图1 不同顶空平衡温度对采样效果的影响

2.3 顶空平衡时间的选择

在顶空平衡温度为80℃，Xe作电离源的条件下，比较了香精 S 在 2，5，10，15，20 min 5 个不同平衡时间下的采样效果，结果如图2所示。由图可知，时间越长顶空蒸气压越接近饱和，检测得到的总离子强度逐渐增大，采样效果也越好，但在10min后基本保持平衡。因此，选择10min为最佳平衡时间。

图2 不同平衡时间对采样效果的影响

2.4 HS-IMR精密度和稳定性实验

在最佳实验条件下，连续进样6次，离子强度＞0.5%（占总离子强度）的离子的相对标准偏差为0.13%～6.69%。每天一次，连续6d进行分析，离子强度＞0.5%（占总离子强度）的离子的相对标准偏差为0.21%～9.82%。说明HS-IMR-MS法具有较好的精密度和稳定性，可用于香精S的挥发性成分分析。

2.5 数字化质谱指纹图谱的建立及相似度评价

采用优化后的HS-IMR-MS法对8个不同批次的S香精进行质谱分析，从所得的质谱指纹图谱上可观察到近48个离子（见图3），其中有33个的离子强度＞0.5%（占总离子强度），它们的离子强度占总离子强度的95%以上，因此可作为判别S香精的群体特征离子。再以环己烷为内标，对33个离子的强度进行归一化处理（见表1），计算每种离子的相对强度，然后对S1～S8中同一种离子的相对强度求平均值（以S表示），即为香精S的数字化质谱指纹图谱。

表1 香精S群体特征离子及离子相对强度

图3 香精S的质谱指纹图谱

相似度反映不同样品质谱指纹图谱之间的相似程度，可以为样品鉴别、样品选择提供参考。相似度评价方法主要有欧氏距离法、相关系数法、向量夹角余弦法、指数相似系数法等[11-12]。本文采用皮尔逊相关系数法计算各批次样品之间的相似度，结果如表2所示，8个批次的S香精样品的指纹图谱相关系数均在0.999以上，且各离子相对强度的相对标准偏差均小于5%，说明所选样品存在较高的相似度，所建立的数字化指纹图谱准确可靠。另外，通过比较香精S与8个厂家供试品的数字化质谱指纹图谱（见表2）发现，8个供试品中，3#与S质量最接近，相关系数为0.996 2，4#与S相似度最低，相关系数只为0.477 0。掺杂样品中，随着掺杂量的增加，相似度不断下降，与标准品呈现越加显著差异。

表2 不同厂家供试品的数字化质谱指纹图谱

2.6 质谱指纹图谱的主成分分析

采用ChemPattern软件对表2中香精S、8个厂家的供试品和3个掺杂样品中各离子的相对强度进行主成分分析，分别求得对应于3个特征值的主成分PC1、PC2、PC3，并以此得到三维投影图（见图 4），样品越相似，在投影图上就处在越相近的位置。从图4可知：供试品2#、3#、7#与香精S在投影图上相对集中，说明这3个供试品与香精S质量较接近，其中供试品3#与香精S最相似。此外，其他供试品与香精S相距较远且分散，说明其质量与标准品存在较大差异，其中掺杂样品随着掺杂量的增加，与香精S越显著分开，这与相似度分析结果一致。

图4 香精样品的主成分三维投影

3 结束语

本文采用HS-IMR-MS法建立了香精S的数字化质谱指纹图谱，并通过掺杂实验和重复性实验，验证了HS-IMR-MS的精密度和稳定性；另外，本文采用相似度分析及主成分分析，探讨了利用该法进行香精香料挥发性成分分析及质量控制的可能性，并取得了满意结果。HS-IMR-MS法是一种快速、全面、稳定且无需前处理的方法，其分析过程和数据处理过程较简单易行，便于推广，能应用于不同厂家、不同批次的香精香料的质量一致性评价中，也能为香精香料质量控制提供一种新的途径。

[1]张翼鹏，党立志，者为，等.红外指纹图谱结合Gram-Schmidt正交化方法用于香精品质控制[J].中国食品添加剂，2015（4）：111-115.

[2]李晶，徐济仓，李雪梅，等.超高效液相色谱法同时测定香精香料中 14 种禁限用物质[J].色谱，2012，30（8）：816-821.

[3]车宗伶.气相色谱-质谱联用（GC/MS）技术对香精香料分析的经验探讨[J].香精香料化妆品，2010（5）：33-38，47.

[4]周奕，周芸，陆冰琳.关于香精香料的检测的探讨[J].轻工科技，2013（11）：135-136.

[5]刘珊，胡军，车艳丽，等.FT-NIR快速同时测定香精香料理化指标[J].红外与毫米波学报，2010，29（3）：220-224.

[6]王蓓，曹雁平，郑福平，等.气味指纹识别技术在乳品香精品质评价中的应用[J].中国食品添加剂，2012（1）：191-196.

[7]李莉，张毅，王秀娟，等.烟草制品中香精香料分析方法研究进展[J].中国卫生检验杂志，2013，23（2）：525-528.

[8]BENNETT L，CIAFFONI W，DENZER G，et al.A chemometric study on human breath mass spectra for biomarker identification in cystic fibrosis[J].J Breath Res，2009，3（4）：1-7.

[9]WANKE T，VEHLOW J.IMR-MS on-line measurements in the exhaust gas of a municipal solid waste incineration pilot plant（Tamara）[J].Chemosphere，1997，34（2）：345-355.

[10]陈敏，陶立奇，傅靖刚，等.离子分子反应质谱法研究滤嘴中活性炭添加量对卷烟主流烟气有害成分的影响[J].烟草科技，2016，49（1）：38-45.

[11]谷瑞敏，涂洪谊，孙鹤.中药色谱指纹图谱相似度计算方法的探讨[J].中成药，2009，31（7）：988-990.

[12]李希强，王笛，陆舍铭，等.皮尔逊相关系数与UPLC相结合研究烟用香精香料指纹图谱[J].精细化工，2008，25（5）：476-478.