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气相色谱-质谱联用技术在食药检测中的应用与发展

发布时间:2021-03-25作者:lht来源:点击:

 
 
“民以食为天”,随着社会经济水平的提高,人们已从追求吃得饱逐步提升到吃得好,并要求食品色、香、味、形俱全。食品风味是食品最关键的品质指标之一,其中挥发性香气成分最为重要,它在某种程度上决定了该食品的品质[1],也是消费者选择食品最主要的参考标准,因此,对食品挥发性香气成分进行分析与鉴定,不仅能为消费者提供保障,也为鉴别不同风味物质提供理论依据。同样地,作为中华民族的传统药物,中药材具有剂型多、副作用小、调理疗效强等优点,目前被广泛应用于治疗疾病和调理身体。中药的使用已经有上千年的历史,一直深受广大消费者的信任,但其质量与安全问题也一直是社会公众关注的热点问题[2]。中药材成分复杂,其中挥发性成分是中药中存在较为广泛且具有重要药理活性的一类成分[3],研究中药中挥发性成分的提取和分析技术具有重要意义。
 
随着现代科技不断发展,二十世纪六十年代出现了气相色谱-质谱联用技术,该技术通过特殊的接口将气相色谱仪与质谱仪连接在一起,混合样品通过进样口进入色谱柱后被分离成为单一组分,单一组分进入质谱仪,在离子源中被电离成离子从而获得质谱信号,利用质谱图对所检测的样品进行组分结构及定量分析[4]。目前GC-MS中常用内标或外标法用于定量,同时制得各个组分的质谱图通过标准谱库、保留指数和标品用于准确定性[5]。随着样品前处理技术的不断丰富和创新以及仪器设备的不断完善和发展,GC-MS分析技术越来越成熟,应用范围越来越广。由于其分离性能好、检测灵敏度高,已被广泛应用于食药中挥发性成分研究,本文综述了目前常用的样品前处理技术以及近5年GC-MS在食药检测相关领域的应用,旨在阐明GC-MS在食药检测领域中的重要意义,明确其性能特点,总结其优缺点,并对其未来发展进行展望。
1 GC-MS样品前处理技术
 
样品前处理是GC-MS分析中非常重要的一部分,针对不同的样品进行不同的前处理,既可以浓缩样品的浓度,提高检测的精确度和灵敏度,还可以去除样品中的杂质干扰,有效纯化样品,在保证测定结果准确度的基础上对仪器的维护也具有重要意义[6]。食药成分复杂,针对不同食药目标物采取不同的前处理技术能够有效减少分析过程中的实验误差,有利于扩大GC-MS分析技术在食药检测中的应用范围。随着GC-MS技术的不断发展,相应的前处理技术也在不断丰富和创新,目前常用的净化技术包括顶空技术、固相萃取、固相微萃取、凝胶渗透色谱、分散固相萃取和基质固相分散萃取等技术。不同前处理技术原理不同,各有千秋,适用范围也有所不同,如表1所示。
1.1 顶空技术
 
顶空技术(Headspace technology),是一种通过直接捕集样品上空的挥发性成分进行检测的方法,按照捕集方式可被分为静态和动态顶空技术,见表1。例如,Diekmann等[7]利用静态顶空技术采集血液中的乙醇挥发物,结合气相色谱技术和真空紫外光谱法建立了血液中乙醇含量鉴定和鉴别其他吸入剂的新方法。Bai 等[8]采用吹扫捕集系统进行样品导入,结合GC-MS用于测定鲯鳅鱼和金枪鱼的香味特征,识别和量化出了与鱼腐烂有关的20种芳香化合物和16种挥发性化合物,可作为鱼肉腐败的化学指标。
1.2 固相萃取
 
固相萃取(Solid phase extraction,SPE)技术利用分析物在不同介质中的被吸附能力之间的差别,将目标物与干扰组分进行分离,从而起到净化的作用。Cui等[9]利用固相萃取对多种中药样品中16种污染物多环芳烃(EPA-PAHs)进行了综合测定,优化后的固相萃取技术能够有效对样品进行纯化。
1.3 固相微萃取
 
固相微萃取技术(Solid phase micro extraction, SPME) 是一种新型挥发物萃取技术,能够通过熔融石英纤维从气体或者液体样品中富集挥发成分[10]。Chen 等[11]利用顶空固相微萃取技术从11个山药品种中鉴定出84种挥发性化合物,该技术显著减少了样品检测过程中挥发物的损耗。
1.4 凝胶渗透色谱
 
凝胶渗透色谱(Gel permeation chromatography, GPC)是一种根据分子大小对样品进行分离的技术,常用于食用油中多种化合物及其衍生物、代谢物残留检测[12]。Yao等[13]采用凝胶渗透色谱测定食用植物油中三己酮及其代谢物三己醇,避免了食用植物油中其他脂肪物质的共提取,对样品起纯化作用,同时能够减少对仪器和色谱柱的伤害。
1.5 分散固相萃取
 
分散固相萃取技术(Dispersive solid phase extraction, QuEChERS)通过将固相萃取吸附剂分散到样品萃取液中从而达到排除样品中干扰物的目的。Pereira等[14]利用QuEChERS方法在牛奶中提取六聚醚离子团。该方法提取速度快,操作简单,试剂和溶剂的消耗相对较低,适合常规分析。
1.6 基质固相分散
 
基质固相分散萃取技术(Matrix solid phase dispersion extraction, MSPD)是一种特殊的样品制备方法,通过将样品与吸附剂一起进行研磨得到均匀的混合物,再利用液体溶剂进行洗脱,该方法主要应用于半固体、固体和粘性样品。Cao等[15]利用聚乙烯基聚吡咯烷酮(PVPP)作为吸附剂对茶叶基体进行清洁,以乙腈(ACN)为洗脱溶剂,减少共萃取基质的干扰,通过基体分散吸附剂和进一步净化吸附剂提高了萃取纯化效率。
 
随着现代技术的发展,越来越多的净化方式被开发出来,良好的净化技术不仅可以排除杂质干扰,保证结果准确,对仪器维护降低成本也具有重要作用,同时也使得GC-MS在食药领域中有了越来越广泛的应用。
 
表1 GC-MS样品前处理技术 导出到EXCEL
 
Tab.1 GC-MS sample preparation technology
 

名称

原理和方法

优点

缺点

提取剂

参考文献

静态顶空技术

于密封容器中平衡后,直接捕集样品上空的挥发性成分

操作简单,无溶剂

富集能力差

[7]

动态顶空技术

通过载气吹扫样品中的挥发性成分并吸附到捕集器中,再通过高温反吹解吸附

灵敏度高

无溶剂

需对应吹扫捕集仪器

氮气或氦气

[8]

固相萃取

利用分析物在不同介质中的被吸附能力差将目标物与干扰组分进行分离,从而起到净化的作用

降低干扰

特异性富集

需有机溶剂

操作复杂

二氯甲烷

[9]

固相微萃取

通过熔融石英纤维从气体或液体样品上空中富集挥发成分

无溶剂

集采样、浓缩、进样于一体

需专门的固相微萃取柱

涂有二乙烯基苯/羧基/聚二甲基硅氧烷SPME纤维

[11]

凝胶渗透色谱

根据分子大小对样品进行分离

降低基质干扰

提高分离度

需专门的凝胶渗透色谱柱

活化酸性氧化铝

[13]

分散固相萃取

通过将固相萃取吸附剂分散到样品萃取液中从而排除样品中的干扰物

回收率高

操作简单

需少量有机溶剂

乙腈、无水硫酸镁、无水乙酸钠

[14]

基质固相分散

通过将样品与吸附剂一起进行研磨得到均匀的混合物,再利用液体溶剂进行洗脱

降低基质干扰

需有机溶剂

操作复杂

乙烯基聚吡咯烷酮、乙腈

[1

 
2 气质联用在食药检测中的相关应用
2.1 食药成分分析
 
生活中常见的食品和中药材通常都具有其独特的气味,这种特有的香味是由于食药中的各种挥发性成分的释放,能够对人体的嗅觉产生显著影响[16],由于食药成分复杂,基质干扰大,普通气相检测常常无法胜任,而结合色谱高分离能力和质谱高鉴别能力的GC-MS在食药复杂成分分离鉴定方面作用巨大。
2.1.1 挥发性风味成分分析
 
食品中的挥发性风味成分与其香气息息相关,不同食品香气成分差异大,经加工处理后的食品香气更为复杂,个别商家为提供食品的香气私自添加各种香精辅料,严重影响了消费者权益。而中药的风味成分取决于中药中挥发性成分的含量,其含量与中药材产地及年份息息相关。加强对食药中风味成分的真实性判别对鉴别食药真假、优劣等多方面问题至关重要。例如针对食品和饮料中掺假合成外消旋香精的现象,Ravid 等[17]利用GC-MS对多种水果和饮料中手性风味指标对映体进行比对,发现当对映选择性气相色谱与稳定同位素质谱法相结合时,能够完全鉴别出风味化合物,可作为食品饮料质量控制中区分天然风味化合物和合成风味化合物的有效手段。该方法还可用于分析冬虫夏草的可持续替代物冬虫夏草菌丝发酵产物中的挥发性成分。作者采用同时蒸馏-萃取(simultaneous distillation-extraction,SDE)结合GC-MS的方法对中华绒螯草菌丝发酵产物中挥发性成分进行了分析,确定了发酵产物中挥发性成分分别为马索内酯、脂肪酸及其酯。该分析方法与多变量分析相结合,有助于华支睾吸虫菌丝发酵产物质量的准确评价[18]。
2.1.2 脂溶性成分分析
 
食品和中药材中均含有一定的脂溶性成分,利用GC-MS分析食药中的脂溶性成分,不仅具有稳定、重复性好、结果可靠等优点,还能对食药进行成分鉴定和含量测定,为进一步开发食药资源奠定基础。食物经煮沸油炸后会产生胆固醇氧化产物,累积后对人体有害,Hashari 等[19]采用三重四极杆气相色谱质谱法(GS-MS/MS)对牛肉末、鸡肉香肠和鱼片中的种常见胆固醇氧化产物进行了定量分析,该技术结合固相微萃取技术可以减少误差,缩短分析步骤,为人们日常生活中正确处理肉制品提供理论依据。刘伟等[20]利用GC-MS证明了虫草菌丝中脂溶性成分占主导地位,合理解释了其在肝纤维化等肝疾病中的主要应用,为后续进一步开发治疗肝纤维化药物提供了理论依据和科学参考。
2.1.3 糖类化合物分析
 
大多数食品中都含有一定的糖类成分,它是人类所必须的营养物质,同时,多糖也是多数中药材中的主要功能成分,是大多数药材药理活性的物质基础。但多糖是一种复杂的高分子化合物,具有极高的剂型,难以检测和分离[21]。Zhang 等[22]建立了基于GC-MS和化学计量学的代谢组学方法,在高脂大鼠模型中评价PVPs的抗高脂血症活性。结果表明PVPs可能通过抗脂质过氧化作用、减轻炎症反应、调节葡萄糖、氨基酸、能量和脂质代谢来干预高脂血症。Sun 等[23]从红枣提取物中鉴定出8种糖和糖醇,并将GC-MS方法与高效液相色谱-蒸发光散射检测(HPLC-ELSD)、液相色谱-电子喷雾电离串联质谱(LC-ESI-MS/MS)等其他方法进行了比较,结果表明GC-MS在定性分析方面具有更广泛的范围。
2.1.4 功能性成分分析
 
众所周知,中药材成分复杂多样导致其功能各有不同,而食品的功能性也与其成分息息相关,利用GC-MS结合其他分析手段分析食药中的功能性成分对开发更多的食药资源有重要意义。Huang等[24]采用化学分析方法,包括层次聚类分析和主成分分析,对不同来源的艾片进行GC-MS分析。结合网络药理学和分子对接的方法,在动物体内模型中评价艾片挥发性化合物的抗炎活性,并探讨其抗炎作用的分子机制,确定了艾片的作用机理。结果表明艾片具有较强的抗炎作用,且参与该作用的靶点和途径多种多样。这些结果为艾片的综合开发和资源利用提供了进一步的基础。Brito 等[25]利用GC-MS结合UPLC-MS对蔬菜甘蓝及菠萝中的废弃部分甘蓝茎和菠萝冠粉中的抗菌、抗氧化、挥发性和酚类成分进行了探究,发现这些废弃食品部位有巨大的生物活性潜力,可作为替代原料获得高附加值的产品,如功能性成分或营养保健品,可以促进循环经济,有助于减少对环境的影响。
 
表2 GC-MS在食药成分分析中的应用 导出到EXCEL
 
Tab.2 Application of GC-MS in the analysis of food and medicin
 

类别

分析对象

鉴别成分

提取方法

应用技术

实验结果

参考文献

风味成分分析

水果和饮料

γ-癸内酯、(E)-α-紫罗酮、芳樟醇、乙酸芳樟醇

顶空固相微萃取

对映选择性气相色谱结合稳定同位素比质谱法

在佛手柑、覆盆子、桃和油桃、百香果、杏和草莓中分离除乙酸芳樟酯外的大部分化合物的对映体

[17]

冬虫夏草菌丝体

发酵产物挥发性成分马索内酯、脂肪酸及其酯

蒸馏-萃取

GC-MS结合多元偏最小二乘法-判别分析

共鉴定出金水宝胶囊、百灵胶囊、止灵胶囊、宁心宝胶囊、心安宝胶囊挥发油中的化合物64、39、56、52和44个,鉴定出马尾松挥发物中主要成分为马尾松内酯,

[18]

脂溶性成分分析

牛肉末、鸡肉、香肠和鱼片

胆固醇氧化产物

固相微萃取技术

三重四极杆气相色谱质谱法(GS-MS/MS)

除油炸碎牛肉增加了约4%及水煮鱼片增加了约20%外,所有类型的样品的胆固醇含量均有所下降。

[19]

虫草菌丝

脂肪酸等脂溶性成分

萃取

GC-MS

从虫草菌丝中初步鉴定 49 种脂溶性成分,包括 17 种脂肪酸类、8 种酮类、5 种烷烃类、3 种酰胺类、2 种醇类、3 种醚类、7 种非脂肪羧酸酯类以及 4 种其他类化合物。

[20]

糖类成分分析

红枣

小分子碳水化合物

酶辅助超声提取

LC-ELSD,LC-ESI-MS/MS

线性范围 1~1000 μg/mL

相关系数R2 = 0.9946~0.9998

检测限0.17~0.88 μg/mL

[23]

夏枯草

夏枯草多糖(PVPs)

酶辅助超声提取

气相色谱质谱(GC - MS)结合化学计量学

检测出PVP是一种酸性多糖,主要由甘露糖、核糖、鼠李糖、半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸、葡萄糖、半乳糖、木糖、阿戊糖和藻糖组成

[22]

功能性成分分析

艾片

抗炎成分

水蒸气蒸馏法

GC-MS结合层次聚类分析和主成分分析

从6个不同产地的样品中鉴定出28种化学成分,分别为龙脑片,草酚,石竹烯氧化物,喇叭茶萜醇,桉叶甾醇,乙酮和1-(2-羟基- 4,6 -二甲氧基苯基)。

[24]

甘蓝茎和菠萝冠粉

抗菌、抗氧化成分

水蒸汽蒸馏法

GC-MS结合UPLC-MS

鉴别出了甘蓝茎和菠萝冠粉样品中的挥发性化合物

 
2.2 食药品质分析
2.2.1 食药特征指纹图谱与质控标志物的建立及检测
 
指纹图谱是指采用一定的分析手段得到的能够标示某些复杂食药中化学特征的色谱图或光谱图[26]。质控标志物是指存在于食药中或在食药加工过程中形成的与食药功能息息相关的有效成分或特征性成分,能够反应食品或中药材的真实性、有效性和安全性。利用GC-MS筛选食药的质控标志物,并结合这些主要成分的保留时间、质谱信息和含量构建食药的特征指纹图谱,能够有效控制食药质量。例如,Hu 等[27]利用GC-MS建立中药广藿香的特征指纹图谱,该指纹图谱可用于鉴别代用品和掺假品,并进一步评价我国不同地区种植的广藿香的差异。Chang 等[28]采用HS-SPME-GC-MS结合HS-GC-IMS测定了不同等级椰子油的特征挥发物指纹图谱,对不同加工方式的椰子油(精制、干燥和初榨)中的质控标志物(挥发性成分)进行了鉴定和比较,可作为一种无损评价椰子油品质和其他特性的方法。
2.2.2 食药年份及产地信息溯源
 
年份及产地对食品和中药材都有显著影响,GC-MS作为一种准确、可靠的分析手段在食药溯源过程中起到了主导地位,其在食药年份及产地判别中已被成熟应用。Cui 等[29]采用GC-MS结合化学计量学、电子鼻技术研究了不同年龄段人参样品的香气特征。发现人参中五类化学成分(萜类、醇类、芳香类、酯类和酸类)随着生长年份的变化而变化,证实了萜类化合物在人参生长中的主导作用,有可能作为鉴别和预测人参年龄的指标。Zhang 等[30]采用气相色谱-质谱法对四川多地川明参的根、叶脂肪酸谱进行表征来区分川明参的地理区域。时间对食品的新鲜度具有显著影响,Dehaut 等[31]采用SPME-GC-MS技术对融化冰下保存的鳕鱼片中三甲胺(TMA)和二甲胺(DMA)的含量进行了贮藏检测,可以看到鱼肉的新鲜度随贮藏时间不同而发生的变化。除此之外,Figueira 等[32]采用优化的针捕微萃取(NTME)-GC-MS分析方法,对不同产地品种(葡萄牙、马德拉岛、阿根廷和南非)的柠檬皮挥发性成分进行了深入、全面的分析。可为食品产地鉴定提供支持。基于GC-MS结合化学计量学技术可以为食药溯源过程提供一个可靠的平台,有利于市场上食药的质量控制,进一步规范食药市场。
2.2.3 食药真实性检测
 
消费市场中商贩为牟取暴利常常出现非法加工、掺杂掺假、染色增重、以次充好等违法现象。为保护消费者的正常权益,对食药真实性进行精准检测是非常重要的。GC-MS对食药真实性特别是掺假掺杂行为进行鉴别得到的结果更加真实、准确。Farag等[33]采用GC-MS测定中药材藏红花的真伪和掺杂成分,揭示了新鲜干燥和长期保存的藏红花之间的区别物质,可用于鉴别藏红花真伪以及区分长期储存或暴露在过度干燥条件下的藏红花。除此之外,食品中也存在掺假行为,Gul等[34]利用气相色谱质谱(GC-MS)技术分别对龙葵和番木瓜果实和种子进行代谢谱分析,制得的代谢组学指纹图谱对于食品成分的标准化和鉴定具有重要意义,在规范食品配料及其加工产品的质量方面发挥重要作用。
2.3 食药中有害物的检测
 
食品和中药材在生长过程中常被喷洒大量农药以提高其生产品质,虽然大部分高毒性农药已经被禁用,但农药残留检测仍然是食药健康中不可忽视的一环。同时,食品和中药材在加工、储藏等过程中也可能被污染,导致某些有害物质积累,经过食物链富集作用从而对人体造成危害,GC-MS也可以被应用于食药有害物检测中。Reichert等[35]使用QuEChERS结合GC-MS分析方法对豆类蔬菜样本地上部分中的农药残留进行提取,检测出了豆类蔬菜中的违规农药如氯菊酯,其检测限为50 μg/kg。在该方法的基础上,Li 等[36]采用改进的QuEChERS方法结合GC-MS/MS快速测定了陈皮中133种农药残留,该方法灵敏度高,检测限低,例如氯氰菊酯的检测限为10 μg/kg,远低于其最大残留量。除农药残留检测外,食品在烹饪过程中极易产生有害物质例如多环芳烃,经累积后具有致癌和毒性,Givechev 等[37]利用改良后QuEChERS方法结合GC/MS测定猪肉中16种多环芳烃,其检测限为0.45 μg/kg,实现了对食品加工过程中产生的有害物质的检测。
 
表3 GC-MS在食药有害物检测中的应用 导出到EXCEL
 
Tab.3 Application of GC-MS in the detection of harmful substances in food and medicine
 

检测类型

检测方法

检测对象

有害物

最低检出限/

(μg·kg-1

最大残留限

(国标)/(μg·kg-1

时间/年

参考文献

水果

GC-MS

草莓

毒死蜱

3.00

300

2020

[38]

GC-MS

芒果

灭线磷

4.46

20.0

2017

[39]

GC-MS

苹果

甲氰菊酯

1000

5000

2020

[40]

蔬菜

GC-MS

豆类

氯菊酯

50.0

2000

2019

[35]

GC-MS

番茄

茚虫威

10.0

500.0

2020

[41]

GC-MS

番茄

联苯菊酯

300

500.0

2018

[42]

肉类

GC-MS

猪肉

多环芳烃

0.45

0.900

2019

[37]

中药材

GC-MS

陈皮

氯氰菊酯

10.0

1000

2020

[36]

GC-MS

黄芪

异丙威

8.00

200.0

2012

[43]

 
3 总结与展望
 
随着我国检测需求的急剧加大,检测仪器行业快速发展。相较于单纯的色谱或质谱技术,GC-MS结合了色谱高分离能力和质谱高鉴别能力,在检测领域一直备受青睐,同时应用范围逐步扩大,在食药领域占有重要地位。就GC-MS本身而言,该方法主要适用于挥发性成分的检测,其分析对象限于在300℃左右及以下可以汽化、并且能离子化的样品,另外目前质谱对于很多异构体无法分辨,其自身适用范围导致GC-MS具有一定的局限性,同时在食药领域,其检测热点越来越偏向于食药中微量、痕量或更低浓度水平的功能性成分或有害性成分检测;再加上食品和中药材本身基质成分复杂,其对GC-MS的灵敏度和准确度的要求更高,除了GC-MS本身存在仪器昂贵、耗时长、专业性强等问题,如何满足高通量、多组分准确定性定量的需求是GC-MS在不断发展过程中需要解决的问题。同时,如何有效处理GC-MS技术得到的大规模数据集从而获取有效信息也是GC-MS在应用中的热点问题。
 
GC-MS对其分析样品的标准具有一定要求,样品前处理技术显得尤为重要,如处理手段繁琐、处理时间长、纯化浓缩效果差都会影响GC-MS的分析过程,导致实验过程中出现误差,严重制约了GC-MS的未来发展,目前样品前处理技术从单一的顶空技术不断完善和丰富,能够有效针对不同的目标分析物进行纯化和浓缩,大大提高了GC-MS的分析效率,未来样品前处理技术仍要向更简单、更快速、更智能的方向发展。同样地,GC-MS分析仪器本身也从简单的一级质谱发展到二级质谱,通过对目标物进行二次裂解以达到降低基质干扰来获取更多信息,仪器技术不断更新的同时越来越多的科研工作者提出多种算法,能够有效从GC-MS大规模数据集中提取有效信息,特别是在食药研究领域,利用GC-MS智能筛选食药中的质控标志物,并依靠现代分析技术手段进行进一步鉴定。随着仪器技术和数据处理手段的快速发展,自动化、智能化、微型化是GC-MS未来的发展方向,GC-MS分析技术为食药的快速溯源及品质监控提供了一定的理论依据和技术支撑,使其未来在食药检测领域能够展现出更加蓬勃的生命力。
 

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