含有不对称碳原子的分子被认为是手性分子,其手性中心能以2种旋光异构体形式(D-型、L-型或S-型、R-型)存在,称之为对映体。手性是自然界的重要属性之一,在生物体中手性分子的2个对映体是以不同的量存在的[1]。近年来,食品领域对识别手性对映体的需求不断增加,特别是香精香料[2]和葡萄酒[3]。手性对映体的研究可以用于质量控制,检测“天然”样品的掺假,确定产品基质的地理来源[4]。纯粮白酒的酿造属于自然发酵,也有手性分子的存在[5-6],但国内外关于白酒中手性物质的研究较少。乳酸乙酯是白酒的四大酯类之一,因其分子中含有不对称碳原子,存在2种对映体(D-型和L-型),对其进行研究具有重要意义[5]。2,3-丁二醇属于天然发酵产物,是白酒中呈甜味物质[7],同时起着缓冲平衡的作用,可改善白酒的口感风味[8]。2,3-丁二醇有3种旋光异构体,即 S-(+)-2,3-丁二醇、R-(-)-2,3-丁二醇、meso-(R,S)-丁二醇(内消旋体),其在葡萄酒中主要以R-型和内消旋存在[9-10],尚未见有关白酒中2,3-丁二醇对映体的研究报道。
要研究白酒中的手性物质,首先要对手性对映体进行拆分,因此选择合适的手性分离方法至关重要。手性环糊精色谱柱的出现对气相色谱分析对映体具有重要作用[11],因其具备广泛的对映选择性和分离不同挥发物对映体的能力,适用于手性对映体的分离。本文采用一款新型环糊精手性色谱柱,可分离多种手性对映体且稳定性好,但考虑到白酒中过多的水会降低该手性柱的柱效,因此不可对白酒直接进样分析。在白酒风味分析中常用的前处理方法主要有液液萃取(liquid-liquid extraction,LLE)、固相微萃取(solid phase microextraction,SPME)等[12-13]。LLE操作虽简单,但其萃取溶剂易与水相发生乳化现象,导致分析结果的精密度较低[14]。SPME方法简便、快速且不需萃取溶剂,但精密度和准确度较低[15]。固相支撑-液液萃取(solid supported-liquid-liquid extraction,SLE)是临床生物分析实验室中经常使用的一种高效样品前处理工具[16],既可以排除样品中水的干扰,又能保证方法的精密度和结果的准确性,可用于葡萄酒[14]、酱油[17]等液体样品的前处理。
本文采用SLE前处理技术对白酒样品进行萃取,结合手性环糊精色谱柱以实现GC-MS分离和定量白酒中乳酸乙酯和2,3-丁二醇的对映体的目的,为研究手性对映体的含量及比例与白酒风味品质、来源的关系建立快速分析方法。
白酒样品:茅台王子酒(53%vol,375 mL)、飞天茅台(53%vol,500 mL)、水晶剑南春(52%vol,500 mL)、泸州老窖特曲(52%vol,500 mL)、山西杏花村汾酒(42%vol,475 mL)、红星二锅头8年陈酿(43%vol,500 mL),市售。
试剂:D-乳酸乙酯(纯度>95%)、L-乳酸乙酯(色谱纯,纯度≥98%)、S-2,3-丁二醇(色谱纯,纯度≥97%)、R-2,3-丁二醇(纯度>97%)、meso-2,3-丁二醇(色谱纯,纯度≥99%)、乙酸丁酯(色谱纯,纯度≥99.8%)、仲辛醇(色谱纯,纯度≥99.5%)、Celite 545 coarse硅藻土,上海安谱实验科技股份有限公司;二氯甲烷(分析纯)、无水乙醇(分析纯)、无水硫酸钠(分析纯)、NaCl(分析纯),北京化工试剂厂。
GC-MS-QP2010 Plus气相色谱-质谱联用仪(AOC5000 自动进样器),日本岛津公司;Milli-QReference 超纯水系统,美国Millipore公司;RE-52AA旋转蒸发器,上海亚荣生化仪器厂;SE812氮吹仪,北京帅恩科技。
1.3.1 液液萃取(LLE)
量取10.0 mL酒样并将酒精度稀释至10%,加NaCl至饱和,用重蒸二氯甲烷萃取3次,每次10.0 mL,合并萃取相。30 ℃旋转蒸发并氮吹浓缩,无水硫酸钠除去洗脱液中的水分,取1.0 μL进GC-MS分析[18]。
1.3.2 固相支撑-液液萃取(SLE)
在20.0 mL的萃取柱中填入9.0 g硅藻土,量取10.0 mL酒样于柱中,静置10 min,待样品和硅藻土全部混合,用30.0 mL二氯甲烷进行洗脱,洗脱液用蒸馏烧瓶进行收集。洗脱液收集完毕,30 ℃旋转蒸发并氮吹浓缩,无水硫酸钠除去洗脱液中的水分,取1.0 μL进GC-MS分析[19]。
1.4.1 GC条件
所用色谱柱为手性柱Rt-bDEXse(30 m×0.25 mm,0.25 μm),柱温采用程序升温:初温60 ℃,保持10 min 后,以4 ℃/min升至100 ℃,再以10 ℃/min升至200 ℃,保持10 min。进样口温度220 ℃,分流比50∶1。
1.4.2 MS条件
MS电离方式为EI,电子能量70 eV,离子源温度220 ℃,质谱扫描范围m/z 35~350。溶剂延迟5 min,检测方式:选择离子检测SIM。各物质分别设定3个特征离子,乳酸乙酯(m/z 45定量,m/z 43、75定性)、2,3-丁二醇(m/z 45定量,m/z 75、90定性)、乙酸丁酯(m/z 56定量,m/z 61、73定性)、仲辛醇(m/z 45定量,m/z 55、97定性)。
标准加入法和质谱法:在白酒中分别加入乳酸乙酯、2,3-丁二醇的旋光异构体的标准品,比较标准品加入前后色谱图上各峰的保留时间以确定目标物的质谱峰,然后筛选出特征离子进行质谱定性。
取一定量的待测物的标准品,用无水乙醇配制成高质量浓度单标后,制成混标,再用无水乙醇将混合后的标准溶液稀释成多个梯度备用。内标法需要选择合适的物质作为内标物,将其定量地加入到样品中作为待测组分的参比物,以目标标准物质的质量浓度与对应内标物质质量浓度之比为横坐标,以目标标准物质的峰面积与内标物质峰面积之比为纵坐标建立标准曲线,以回归方程计算样品中各味物质的含量。
采用 SIM 模式定量。分别以5种旋光异构体的标准品与内标物的质量浓度比和峰面积比建立标准曲线。仲辛醇、乳酸丁酯为内标物,其在酒样、系列标准溶液中含量均恒定。定量化合物通过标准曲线进行计算。上述均进行3次平行实验。
方法检验参数为:线性、检出限(LOD)、精密度。标准曲线线性以线性相关系数(R2)进行评估;检出限为定量化合物色谱峰信噪比(S/N)大于3对应的质量浓度。每个样品连续进样3次,以相对标准偏差(RSD)评估精密度。
2.1.1 柱温的选择
根据萃取溶剂和目标物质的沸点,考察升温速率为2 ℃/min、3 ℃/min、4 ℃/min、5 ℃/min,初温为40、50、60和70 ℃和初温保留时间5、8、10和15 min等条件的分离效果。确定最佳升温程序为初始温度60 ℃,保持10 min,以4 ℃/min的速率升至100 ℃,保持5 min,而后以20 ℃/min升至200 ℃,保持5 min。
2.1.2 流速的选择
比较了0.7、0.9、1.0、1.2 mL/min的分离效果,发现流速大于1.0 mL/min时的分离效果略差,因此选择1.0 mL/min的流速。在上述优化条件下,各物质标准品的总离子流色谱图如图1所示。
1-乙酸丁酯(内标);2-D-乳酸乙酯;3-L-乳酸乙酯;4-S-2-3-
丁二醇;5-R-2-3-丁二醇;7-meso-2,3-丁二醇;9-仲辛醇(内标)
图1 混合标准品的总离子流色谱图
Fig.1 Total ion flow chromatogram of mixed standard
2.1.3 分流比的选择
考虑到白酒中乳酸乙酯的含量较高,在样品分析中选择分流比50∶1。如图2所示,在SIM模式下各物质在白酒中的提取离子流图。
SLE是将具有高效、高选择性和吸附性的硅藻土和待测样品混合均匀,置入萃取小柱中,然后用萃取溶剂以一定的速率进行洗脱目标检测物的方法[14]。该技术充分发挥硅藻土多孔性、大比表面、低表面活性等特点,实现微观液液萃取,与传统LLE应用领域相似,适合由生物体液内萃取非极性和中等极性目标物,可极大地去除内源性干扰物质,并可实现高通量样品操作[16]。LLE、SLE同时萃取等量的同种酒样,进行GC分析,结果如表1所示。
图2 白酒中手性目标的提取离子流色谱图
Fig.2 Ion flow chromatogram of chiral targets in Chinese Baijiu
表1 LLE、SLE萃取效果比较
Table 1 Comparison of extraction effects between
LLE and SLE
萃取方法峰面积D-乳酸乙酯L-乳酸乙酯S-2,3-丁二醇R-2,3-丁二醇meso-2,3-丁二醇SLE355 165.85152 036.89728.827 464.2422 075.81LLE314 262.92124 791.5501 375.5810 503.43
注:以上各物质峰面积为3次测量的均值
用目标物质出峰面积对比2种方法的萃取效果,结果发现SLE比LLE萃出的峰面积更大,可以萃取出S-2,3-丁二醇,而且操作更方便简单。
选择二氯甲烷为萃取溶剂,对等量目标物质萃取后进行GC-MS分析,考察二氯甲烷用量为15~50 mL时对目标物质萃取效果的影响,结果如图3所示。随着二氯甲烷用量增加,各目标物质的峰面积逐渐上升,这是因为随着二氯甲烷用量的增加,硅藻土混合物中更多的目标物质被二氯甲烷萃取出来。但当溶剂用量达30 mL以后,各目标物质的峰面积基本稳定,说明达到饱和状态。因此,为满足最大的萃取效果以及最大程度地节省试剂,理应选择30 mL作为萃取用量。
图3 二氯甲烷用量对目标物质的萃取效果的影响
Fig.3 Effect of dichloromethane dosage on the extraction
effect of target substances
依据1.6小节操作法对系列标准溶液中目标物质进行萃取,并进行GC-MS分析, 以目标标准物质的质量浓度与对应内标物质质量浓度之比为横坐标,以目标标准物质的峰面积与内标物质峰面积之比为纵坐标建立标准曲线绘制各目标物质的标准曲线,结果如图4所示。
图4 乳酸乙酯、2,3-丁二醇对映体的标准曲线
Fig.4 Standard curve of enantiomers of ethyl lactate and 2,3-butanediol
由表2和图4可知,SLE法定量白酒中D/L-乳酸乙酯得线性范围100~1 500 mg/L、S-2,3-丁二醇的线性范围1~10 mg/L、R-2,3-丁二醇的线性范围10~100 mg/L、meso-2,3-丁二醇的线性范围0.5~60 mg/L,5种旋光异构体标准曲线在各自线性范围内的线性相关系数 R2 均大于0.99,表明线性关系良好。按大于3倍信噪比计算方法的检出限,D-、L-乳酸乙酯和S-、R-、meso-2,3-丁二醇的检出限分别是64.32、47.74、62.70、59.08和26.58 μg/L。
表2 方法检验的参数
Table 2 Parameters of method validation
名称n斜率截距R2检出限/(μg·L-1)D-乳酸乙酯61.736 5 1.046 20.995 564.32L-乳酸乙酯62.135 2 1.364 30.995 147.74S-2,3-丁二醇70.494 7-0.026 70.992 662.70R-2,3-丁二醇70.520 8-0.144 60.999 459.08meso-2,3-丁二醇70.231 8-0.012 80.998 426.58
注:n表示作标准曲线所取的点数
在白酒样品中进行加标回收实验,在优化条件下每个浓度重复测定3次,根据标准曲线计算浓度,取平均值,获得5 种光学异构体的平均回收率及相对标准偏差(见表3)。结果表明该方法灵敏度较高,样品加标回收率均80%以上;方法重现性较好,相对标准偏差1.34%~8.50%。
应用所建立的SLE-GC-MS方法检测白酒样品中手性对映体的含量,所选酒样包括酱香型(茅台王子酒和飞天茅台)、浓香型(水晶剑南春和泸州老窖特曲)、清香型(红星八年陈酿和山西杏花村汾酒)等6种市售白酒,结果见表4和表5所示。6种白酒中均能检测出乳酸乙酯(D-型、L-型)和2,3-丁二醇(S-型、R-型、meso-型),其中S-2,3-丁二醇(右旋体)在白酒中首次被发现,说明该方法能够用于不同类型白酒中对映体含量的检测。
表3 五种对映体的加标回收率及精密度
Table 3 Recovery and relative standard deviation of
five optically active isomers
名称白酒添加量/(mg·L-1)平均回收率RSD/%D-乳酸乙酯10091.65%1)5.1320085.31%1)2.5530089.52%1)3.65L-乳酸乙酯10094.89%1)2.2920087.54%1)1.3430088.30%1)4.89S-2, 3-丁二醇292.57%2)3.69586.85%2)8.501091.36%2)5.68R-2, 3-丁二醇1091.76%2)4.562092.10%2)5.553095.22%2)3.46meso-2, 3-丁二醇1093.25%2)1.682089.22%2)2.363091.50%2)2.62
注:1)表示以乙酸丁酯为内标定量;2)表示以仲辛醇为内标定量;
RSD表示标准偏差
赵国宏等[20]建立了自动旋光仪鉴别乳酸乙酯旋光构型的方法,并对白酒中乳酸乙酯对映体及含量进行了研究,认为酱、浓、清三大香型白酒中左旋L大于右旋。但旋光的测定可能受到许多因素如文献值、温度、样品浓度、溶剂及样品纯度的影响,而本实验利用D-乳酸乙酯和L-乳酸乙酯的标准品,通过GC-MS对酒样中目标物质进行准确定性。从表4可以看出,实际样品中D-乳酸乙酯占乳酸乙酯总含量的54.1%~82.5%,高于L-型的含量,表明这3种香型白酒中乳酸乙酯主要以D-型存在。而且6种酒的乳酸乙酯对映体的比例均不同,飞天茅台的D-乳酸乙酯占比最高,是L-型的4.7倍,杏花村汾酒的D-乳酸乙酯占比最低,是L-型的1.2倍。此外,这3种香型的乳酸乙酯的D/L比例范围也不一样,酱香型的2种酒D/L范围在2.4~4.7,浓香型的2种酒D/L比例范围在2.2~2.7,清香型的2种酒D/L比例范围在1.2~2。
表4 三大香型中乳酸乙酯的对映体含量及比例
Table 4 The enantiomeric content and proportion of ethyl
lactate in the three flavor types
样品乳酸乙酯D型/(mg·L-1)D/%L型/(mg·L-1)L/%D/L茅台王子酒1461.170.9600.629.12.4飞天茅台1449.082.5306.717.54.7水晶剑南春544.373.0201.727.02.7泸州老窖特曲815.268.8369.831.22.2山西杏花村汾酒442.454.1374.645.91.2红星八年陈酿1343.867.1658.532.92
从表5可以看出,6种白酒中2,3-丁二醇主要以R-型和meso-型存在,浓香型的泸州老窖特曲和水晶剑南春R/meso比例最高(2.5~3),清香型的杏花村汾酒和红星八年陈酿中R/meso比例最小(0.91~0.98),通过方差分析表明3种香型之间的R/meso比例存在差异(P<0.05)。比较6种酒的R/S比例,浓香型的2种酒R/S比例最大(63.1~75.8),酱香型的2种白酒R/S比例最小(3.6~5.3),通过方差分析显示3种香型之间的R/S比例也存在差异(P<0.05)。
表5 三大香型中2,3-丁二醇的对映体含量及比例
Table 5 The enantiomeric content and proportion of
2,3-butanediol among the three flavor types
样品2,3-丁二醇S-型/(mg·L-1)S/%R-型/(mg·L-1)R/%meso-型/(mg·L-1)meso/%R/SR/meso茅台王子酒11.69.46149.450.841.25.31.2飞天茅台11.612.741.745.737.941.63.61.1水晶剑南春1.51.192.870.637.128.363.12.5泸州老窖特曲1.30.9898.674.332.924.875.83山西杏花村汾酒0.64.66.647.26.748.210.30.98红星八年陈酿1.93.723.746.025.950.312.40.91
本研究建立了SLE提取净化、手性色谱柱分离,结合GC-MS检测白酒中乳酸乙酯2种对映体、2,3-丁二醇3种对映体含量的新方法,该方法测得的各物质的标准曲线在所选质量浓度范围内线性相关系数均大于0.99,且平均回收率在80%以上、RSD在1.34%~8.50%,均能满足检测要求。利用该方法对三大香型6款市售白酒中乳酸乙酯、2,3-丁二醇的手性对映体进行了检测,发现在所检测的不同白酒中其含量及对映体分布具有差异,并首次在白酒中发现到S-2,3-丁二醇。国外已有成功利用葡萄酒中单萜烯类对映体比例区分不同品种的风格的报道[21],同理乳酸乙酯、2,3-丁二醇作为白酒中重要的风味物质,也可利用其对映体比例的不同作为区分白酒风格的依据,当然,这需要建立在大量、系统的数据基础之上。此外,由于外源性香料的添加会改变天然发酵酒体原有的对映体比例,有研究人员通过检测葡萄酒中1,2-丙二醇的对映体比例就可以鉴别天然葡萄酒出现香气掺假的现象[22],考虑到乳酸乙酯和2,3-丁二醇是常用的白酒风味物质添加剂[5,23],可改善白酒的风味口感,因此,研究不同来源白酒中乳酸乙酯、2,3-丁二醇含量及对映体分布可作为白酒品质鉴别及产地溯源的一个具有较高应用价值的评判依据。
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