綿白糖中糖類化合物的電噴霧質(zhì)譜研究

許慶軒，張玉霜，吳玉梅，*

(1.農(nóng)業(yè)部甜菜品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心,哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué) 農(nóng)作物研究院,哈爾濱 150080；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院甜菜研究所，哈爾濱 150080；4.農(nóng)業(yè)部糖料產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150080.)

綿白糖中糖類化合物的電噴霧質(zhì)譜研究

許慶軒1,2,3,4，張玉霜1,2,3,4，吳玉梅1,2,3,4，*

(1.農(nóng)業(yè)部甜菜品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心,哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué) 農(nóng)作物研究院,哈爾濱 150080；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院甜菜研究所，哈爾濱 150080；4.農(nóng)業(yè)部糖料產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150080.)

使用電噴霧質(zhì)譜檢測了在不同溶劑條件下的綿白糖溶液。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同綿白糖溶液在電噴霧質(zhì)譜檢測中表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，如在堿性條件下有利于負(fù)離子的形成，在甲醇溶液中能觀察到單糖的質(zhì)譜峰等。盡管綿白糖的成分比較簡單，但是在質(zhì)譜中表現(xiàn)十分復(fù)雜。采用串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)分析了這些溶液中化合物的碎裂規(guī)律，通過其碎裂方式確定了其質(zhì)譜峰的歸屬。所建立的電噴霧質(zhì)譜方法，靈敏度高，定性能力強(qiáng)，操作簡便快速，可以作為糖產(chǎn)品的重要檢測方法之一。

電噴霧質(zhì)譜;綿白糖;蔗糖

0 引 言

糖是自然界中普遍存在的物質(zhì)，從小分子的單糖、寡糖到分子量較大的各種多糖，從單一糖到與其它分子結(jié)合的復(fù)合糖，種類繁多。這些糖具有多種功能，一部分糖具有重大的生化意義，因此對(duì)糖類的研究一直引起了廣泛的關(guān)注。使用質(zhì)譜進(jìn)行糖研究的工作很早就開始了，但是糖是一種多羥基醛或酮，通常極性較大，不易揮發(fā)，熱不穩(wěn)定，特別不適合電子轟擊質(zhì)譜(EI-MS)分析。因此需要將這些糖類化合物進(jìn)行甲基化或乙?；妊苌幚?，將其轉(zhuǎn)化成易揮發(fā)的化合物，才能用于電子轟擊質(zhì)譜分析[1-2]。從上世紀(jì)80年代以來，隨著軟電離技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了快原子轟擊質(zhì)譜(FAB-MS)、基質(zhì)輔助激光解吸附飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF)和電噴霧電離質(zhì)譜(ESI-MS),這些質(zhì)譜很快被用于糖類化合物的分析，并且取得良好的效果，糖類化合物不需要衍生化就可以直接用于質(zhì)譜分析，并且使用串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)能夠給出豐富的碎片信息，通過這些信息就有可能確定糖類化合物的結(jié)構(gòu)[3-6]。

綿白糖是糖廠使用甜菜或甘蔗為原料生產(chǎn)的一種糖產(chǎn)品，與白砂糖相比顆粒細(xì)小，含水量高，其主要成分為蔗糖，同時(shí)含有2.5%的還原糖。目前對(duì)綿白糖的評(píng)價(jià)指標(biāo)集中在感官和簡單的理化指標(biāo)上[7]。但對(duì)綿白糖的電噴霧質(zhì)譜研究尚未見報(bào)道。

以電噴霧質(zhì)譜法研究了綿白糖，通過不同檢測條件下蔗糖的電噴霧信號(hào)對(duì)比，建立了綿白糖的電噴霧檢測方法，并且使用電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)對(duì)各種離子定性。研究結(jié)果表明，該方法操作簡單，定性方便，靈敏度高，可作為甜菜制糖工業(yè)過程中的重要檢測方法。

1 儀器和材料

1.1 儀器

ThermoFisher LCQ fleet電噴霧質(zhì)譜儀，美國Thermo Fisher Seientific公司生產(chǎn)。

1.2 試劑與樣品

甲醇：色譜純，美國Fisher公司生產(chǎn)；

氨水和乙酸均為分析純；

超純水由Milli-Q超純水儀制備(>18.3 MΩ)，美國Millipore公司生產(chǎn)。

樣品為市場零售的散裝綿白糖。

1.3 儀器條件

質(zhì)譜條件：氦氣為緩沖氣和碰撞氣，氮?dú)鉃殪F化氣，使用電噴霧電離源，正負(fù)離子模式。儀器條件優(yōu)化如下，鞘氣(sheath gas，氮?dú)?流速：8arbitrary units；噴霧電壓(ion spray voltage)：4.0 kV；毛細(xì)管溫度(capillary temperature)：275 ℃；毛細(xì)管電壓(capillary voltage)：44 V；套管透鏡補(bǔ)償電壓(tube lens offset)：50 V；注射泵(syringe pump)進(jìn)樣，進(jìn)樣速度為5 μL/min；碰撞能量20%～30%。

2 實(shí)驗(yàn)部分

取綿白糖適量，精密稱定4份樣品，分別加入甲醇、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，分別配制成10-4mg/L的綿白糖溶液。

將樣品溶液按照以上質(zhì)譜條件直接用于電噴霧質(zhì)譜分析，每個(gè)樣品溶液電噴霧質(zhì)譜分析均采用注射泵連續(xù)進(jìn)樣。

3 結(jié)果與討論

3.1 綿白糖的全掃描電噴霧質(zhì)譜研究

綿白糖在正離子模式下的電噴霧質(zhì)譜圖見圖1。在甲醇/水體系中(圖1(a))，蔗糖沒有出現(xiàn)[M+H]+峰，在質(zhì)譜中的表現(xiàn)為[M+Na]+峰(m/z365離子)，同時(shí)有[M+K]+峰(m/z381離子)出現(xiàn)；m/z707離子為蔗糖的二聚體加鈉離子([2M+Na]+)，豐度最強(qiáng)，同時(shí)其二聚體也能和鉀離子加合(m/z723離子)。鉀加合離子通常比鈉加合離子強(qiáng)度小，這可能是由于自然界中鈉離子豐度遠(yuǎn)大于鉀離子。通常在酸性條件下有利于電噴霧質(zhì)譜正離子的形成，但是綿白糖在酸性條件下的質(zhì)譜圖(圖1(b))與中性條件下的質(zhì)譜圖相似，其差別僅在于酸性條件對(duì)蔗糖鉀離子加合峰有明顯的抑制。圖1(b)也未出現(xiàn)蔗糖的[M+H]+峰，說明在電噴霧質(zhì)譜正離子模式下，增加酸性并未導(dǎo)致蔗糖加氫離子形成，其主要離子仍然為鈉加合離子。這是由于鈉原子的半徑比氫原子半徑大、電荷多，與雜原子的配位能力更強(qiáng)，在空間結(jié)構(gòu)上更有利[8-9]。另外,在甲醇/水體系中(圖1(a))綿白糖未出現(xiàn)單糖(葡萄糖和果糖)的質(zhì)譜峰，這可能是因?yàn)閱翁堑暮亢艿?，但是在甲醇溶液?圖1(c))有單糖的加氫離子峰(m/z 203離子)出現(xiàn)，說明降低溶劑的極性對(duì)于小分子的單糖分子電離比較有利。

綿白糖在負(fù)離子模式下的電噴霧質(zhì)譜圖見圖2。在甲醇/水體系中(圖2(a))，與正離子模式相似，蔗糖也可以出現(xiàn)聚合離子，表現(xiàn)形式為[M-H]-峰(m/z 341離子)、[2M-H]-峰(m/z 683離子)和[3M-H]-峰(m/z 1 025離子)，其中二聚體離子的豐度最強(qiáng)。另外，質(zhì)譜圖中還出現(xiàn)了[M+2H2O-H]-峰(m/z 377)和[2M+2H2O-H]-峰(m/z 719)。通常來說，在質(zhì)譜分析的過程中由于去溶劑化效率不好會(huì)導(dǎo)致水加合離子，但是綿白糖的甲醇溶液電噴霧質(zhì)譜圖中仍然出現(xiàn)水加合離子(由于譜圖高度相似，因此沒有列出)，綿白糖中水含量很少，溶于甲醇，因此不存在去溶劑化效率問題，說明在負(fù)離子模式下，水加合離子的形成是由蔗糖分子空間結(jié)構(gòu)決定的。有趣的是在堿性條件下，水合離子的強(qiáng)度很弱，也就是說堿性對(duì)水合離子有明顯的抑制作用。綿白糖在堿性條件下的電噴霧質(zhì)譜圖見圖2(b)，蔗糖離子的信號(hào)明顯比中性條件(圖2(a))強(qiáng)，說明堿性條件有利于蔗糖負(fù)離子的形成。但是單糖離子的信號(hào)強(qiáng)度在各種溶劑條件均很弱，這是由于綿白糖的負(fù)離子譜的信號(hào)強(qiáng)度比正離子譜弱，單糖的含量很低，因此難以在負(fù)離子條件下檢測。盡管如此，在堿性條件負(fù)離子模式下(圖2(b))，在m/z 341以下出現(xiàn)了大量的峰，與電子轟擊質(zhì)譜不同，電噴霧質(zhì)譜沒有譜庫，因此本文沒有給出這些峰的歸屬，但可預(yù)料對(duì)綿白糖中這些未知成分的研究對(duì)于提高糖品質(zhì)具有重要意義。

圖2 綿白糖溶液在負(fù)離子模式下的電噴霧質(zhì)譜圖(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.)

圖3 m/z 341(a)離子、m/z 377(b)離子、m/z 683(c)離子和m/z 431(d)離子的電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜圖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 綿白糖的電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜研究

為了驗(yàn)證上述推理，對(duì)綿白糖進(jìn)行串聯(lián)質(zhì)譜進(jìn)行了分析。負(fù)離子模式下的串聯(lián)質(zhì)譜圖見圖3。m/z 341離子(圖3(a))的子離子主要是m/z 179離子和m/z 161離子，分別為[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過1，2糖苷鍵形成的，葡萄糖和果糖互為糖苷配體，在串聯(lián)質(zhì)譜中可同時(shí)形成葡萄糖和果糖離子[10]。m/z 377離子失去36 Da的碎片形成m/z 341離子(圖3(b))，可以推斷m/z 377離子為蔗糖的水合離子。在串聯(lián)質(zhì)譜中，m/z 683離子的失去342 Da生成m/z 341的子離子(圖3(c))，很明顯為蔗糖分子的二聚體離子；m/z 431離子失去90 Da也生成m/z 341的子離子(圖3(d))，說明m/z 431離子是由一分子的蔗糖分子和其它分子結(jié)合成的化合物。對(duì)m/z 377離子、 m/z 683離子和m/z 431離子產(chǎn)生的m/z 341子離子進(jìn)一步進(jìn)行串聯(lián)質(zhì)譜研究，發(fā)現(xiàn)三級(jí)串聯(lián)質(zhì)譜圖和m/z 341離子的二級(jí)串聯(lián)質(zhì)譜圖完全相同，可以證明m/z 341子離子就是蔗糖離子。

圖4 m/z 365(a)離子和m/z 381(b)離子的電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜圖Fig.4 ESI-MS2 mass spectra of the m/z 385(a) ion and m/z 381(b) ion.

正離子模式下的串聯(lián)質(zhì)譜見圖4。m/z 365離子(圖4(a))的子離子主要是m/z 203離子和m/z 185離子，分別為[葡萄糖(或果糖)+Na]+和[葡萄糖(或果糖)-H2O +Na]+。m/z 381離子(圖4(b))的子離子主要是m/z 219和m/z 201離子，分別為[葡萄糖(或果糖)+K]+和[葡萄糖(或果糖)-H2O+K]+[10]。說明無論在負(fù)離子模式下，還是正離子模式鈉加合離子以及鉀加合離子情況下，蔗糖離子的串聯(lián)質(zhì)譜碎裂方式相同，均在葡萄糖和果糖的糖苷鍵斷裂，形成葡萄糖或果糖離子，說明其糖苷鍵是蔗糖離子在串聯(lián)質(zhì)譜中的活性位點(diǎn)。

4 結(jié) 論

本文建立了綿白糖的電噴霧質(zhì)譜檢測方法。糖類物質(zhì)在電噴霧質(zhì)譜中的表現(xiàn)比較復(fù)雜，能夠形成負(fù)離子、金屬加合離子、水加合離子等多種形式，增加溶液的酸性也不會(huì)產(chǎn)生加氫離子，對(duì)正離子模式影響不大，但是堿性條件對(duì)負(fù)離子模式有較大的影響，可增加信號(hào)強(qiáng)度，并且在低質(zhì)量區(qū)產(chǎn)生一些峰。因此對(duì)于此類樣品的檢測應(yīng)該采用多種溶劑條件和正負(fù)離子模式檢測，并將這些檢測結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，才能得到樣品的真實(shí)情況。串聯(lián)質(zhì)譜能夠給出豐富的結(jié)構(gòu)信息，對(duì)確定這些峰的歸屬十分必要。另外也發(fā)現(xiàn)一些其他峰，這些峰可能來自綿白糖中雜質(zhì)，對(duì)這些雜質(zhì)進(jìn)行深入研究對(duì)提高糖的品質(zhì)將產(chǎn)生重要意義。本文所建立的電噴霧質(zhì)譜方法，靈敏度高，定性能力強(qiáng)，操作簡便快速，能夠給出豐富的信息，可作為糖產(chǎn)品的重要檢測方法之一。

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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

國家農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(GJFP2015011)

許慶軒(1970-)，男，黑龍江蘿北人，副研究員，博士，研究方向：食品及藥物分析;*通訊作者：吳玉梅(1959- ),女,內(nèi)蒙古扎蘭屯人,研究員,研究方向：甜菜標(biāo)準(zhǔn)及其質(zhì)量安全，E-mail：zjzxwym@163.com。

O657.63

A

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