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液相色谱-质谱联用技术在食品检测中的应用

2020-07-28 12:40:23 来源: 食品安全导刊

　　液相色谱-质谱联用技术在食品检测中的应用
　　
　　近年来，由于全球化和新技术的发展，农业食品领域需要对从原材料到最终产品的全食品链进行更深入的分析。此外，消费者担心他们摄入的食品质量，要求提供更多安全和地域上的保证。这势必要求食品链上所有步骤都能追溯源头，或者在分子层面上寻找与食品链相关的客观组成参数。监管机构越来越多地要求利用分子表征技术来评估当前市场上的食品，确定诸如食品的复杂系统中的分子组成需要使用合适的分析工具，来正确识别和定量所有目标化合物[1]。
　　
　　目前食品分析主要包括以下几类：（1）营养成分的分析，主要是糖类、蛋白质、氨基酸、维生素和微量元素等；（2）有害物质的分析，主要是指生物性有害物质和化学性有害物质，主要是指农兽药残留、重金属（铅、汞）和塑化剂等；（3）食品添加剂的分析，主要包括色素、保鲜剂、食用酸、防腐剂和营养强化剂等。由于食品种类繁多，成分复杂，部分微量元素和污染物含量较低，分析检测定量这些物质较为困难，而越来越严格的残留标准对食品分析检测提出了新的要求，这就需要更为灵敏的分析检测技术。
　　
　　随着仪器分析的迅速发展，其在食品分析中的比重不断增大，成为现代食品检测中的重要支柱。液相色谱和气相色谱在化合物的分离方面表现卓越，而质谱在对微量物质的定量和定性分析上具有高选择性和高灵敏度，因此，气质联用（GC-MS）和液质联用（LC-MS）技术为食品检测提供了新的解决思路。由于气相色谱对分析化合物具有一定要求（分子量低、耐热、易挥发），其应用范围受到了一定的限制，而面对越来越多的大分子化合物（蛋白质、多肽）和不挥发化合物的食品分析任务，液质联用技术被广泛应用在食品检测方面。
　　
　　液相色谱-质谱联用技术
　　
　　基本原理
　　
　　测试样品首先通过液相色谱（LC）进行分离，然后通过与质谱联用的接口，将待测溶液进行电离、在电离中产生的离子会形成一个母碎片离子，随后会通过激发电压将母碎片离子进行二次电离，通过收集产生到的离子碎片，对待测物质进行定性和定量分析。目前常见的离子源有以下几种：电喷雾离子源（ESI），快原子轰击源（FAB），大气压化学电离源（APCI），大气压光电离源（APPI）等。
　　
　　技术特点
　　
　　作为一种新型的现代仪器分析手段，液相色谱-质谱联用技术，主要有以下特点：分析范围广，几乎可以检测所有的化合物，比较容易解决气相色谱中分析热不稳定化合物的难题；分离性能强，既是被分析的混合物在色谱中没有完全分离，也能通过特征离子质量色谱图来进行定性和定量，给出每个组分的结构信息和分子量；检测限低、具有高灵敏度，可以在微克水平下检测样品；分析时间短，单个样品测试时间一般小于15分钟，显著缩短分析时间。
　　
　　LC-MS在食品检测分析中的应用
　　
　　食品由种类繁多的分子组成，具有生物学特性和营养值。有些分子是主要成分，例如淀粉或甘油三酸酯；一些为次要或微量成分，例如风味剂或多酚化合物；还有一些分子是不希望在食品上存在的杂质，例如农药或霉菌毒素。同一种化学物质可能即是主要成分又是次要成分，主要取决于所讨论的食物类型。例如，甘油三酸酯是油脂的主要成分，牛奶中的次要成分，但是在酒中几乎不存在。其他化合物始终以次要或痕量成分形式存在（维生素和多酚），但是他们具有重要的营养价值或者是能显著影响口味。针对不同的化合物，研究者们通过液相色谱-质谱联用技术进行了大量的研究分析工作。
　　
　　脂质
　　
　　所有动植物都含有脂质，这是必不可少的维持生命活动的组件。脂质在几乎所有种类的食物中均提供了大量的营养和丰富的口感。脂质以多种不同形式存在，一些脂质在结构上为简单分子（例如脂肪酸），但在其他分子上具有复杂的可变结构。对于脂质成分和含量，液相色谱-质谱联用技术是功能最强大的分析工具之一。目前已有大量报道，通过LC-MS联用技术对三酰基甘油、脂肪酸、类胡萝卜素和各种食物中获得的磷脂进行分析，研究各类蔬菜和肉制品中脂质含量。
　　
　　碳水化合物
　　
　　碳水化合物具有多种生理作用，属于最常见的营养素。一类是植物中的主要结构，例如纤维素，是饮食中纤维的重要来源。另外一类是主要的人体的能源来源，例如淀粉和葡萄糖。其他则与蛋白质等大分子结合，具有重要的功能作用。LC-MS联用技术可以分析分子量较大的寡糖和分子共轭物，无需费时地分馏，纯化和衍生化即可实现未知碳水化合物的鉴定和分析。
　　
　　维生素
　　
　　维生素是人体必需的微量营养成分，具有多种结构特征。许多维生素具有热不稳定和易氧化的特性，因此液相色谱，特别是偶联质谱的LC-MS是对维生素进行分析的主要技术。对于维生素的检测，LC-MS通常采用电喷雾，有时采用APCI电离源。目前已报道过许多通过LC-MS对维生素进行分析和定量的文章。
　　
　　类黄酮
　　
　　类黄酮是植物的次级代谢产物，是具有促进人体健康作用的多酚类化合物。它们的结构多样，目前有超过5000种天然黄酮类化合物。通常认为类黄酮化合物具有抗氧化、抗炎症和抗癌活性。但是类黄酮通常仅以微量存在于复杂的植物提取物中，通常很难分离。但是类黄酮在电喷雾中的良好灵敏度使得LC-MS成为类黄酮分析的首选方法。为了增强高分辨质谱中的灵敏度和获得更多结构信息，研究人员通常会在类黄酮的LC-MS分析中采用串联质谱法。
　　
　　霉菌毒素
　　
　　食品是由天然化合物组成的复杂混合物。此外，食品中其他物质通常来源于食品制备阶段的工业流程、农业化学处理或包装材料。尽管此类化合物含量很少，但是它们通常对人类健康是较为危险的。这一事实迫使立法机构对于食品中有毒物质的最大残留限量进行了严格的规定。为了遵守这些法规，迫切需要高性能的分析技术来识别和表征目标化合物。由于LC-MS的高选择性和高灵敏度，使其成为对食品中有毒化合物的最常用分析技术之一。
　　
　　霉菌毒素是真菌的有毒次生代谢产物，容易在食品储存过程中进行繁殖。大多数情况下，它们存在于谷物和油料种子中。此类毒素含量即使很小也很危险，对于某些霉菌毒素的最大残留量已低至0.1μg/kg。LC-MS技术非常适合高通量样品，将其应用在多霉菌毒素分析中，以直接检测和表征复杂的生物和食品基质中的代谢物。霉菌毒素分析可以使用多种质谱方法，ESI（正离子和负离子模式），APCI和APPI电离离子源均可使用。当需要定量时，可以使用同位素标记的标准品。
　　
　　食品中的农药残留
　　
　　食品中的农药残留对于消费者和立法者而言都日益受到关注。农药的广泛使用导致必须对蔬菜和各种食品进行农药的痕量分析。当前有数百种活性组分和数千种农药配方正在使用，就像真菌毒素一样，对食品中农药分析需要筛选大量化合物，如果发现某种农药，则需要对其进行准确定量。因此分析食品中的农药必须要开发高效的高通量方法。
　　
　　当前农药的痕量分析中很大一部分都是基于LC-MS。在大多数情况下会采用串联质谱进行分析，主要是因为可以简化分析前的样品处理，并允许在单一色谱中运行进行多残留分析。如果需要定量，也可以采用同位素标记的标准液，对样品进行准确测定和精确分析。
　　
　　过敏原
　　
　　食品过敏是食品科学中的一个新兴问题。患有某些类型食品过敏的患者人数在稳定增加，成为临床医生和食品行业共同关注的焦点。过敏原包括牛奶、鸡蛋、小麦、大豆、花生、坚果、鱼和贝类。这些食品都是全球大多数人口的基本饮食，也是食品工业中许多产品的主材料。尽管免疫病理学和生物学上已取得了很多进展，但是食物中许多过敏原尚未能解释其作用机理。LC-MS联用技术在蛋白质分析中的高选择性和灵敏度可以克服困难，正确识别过敏原。目前LC-MS技术已经成功用于鉴定和定量食品中花生过敏原的含量，达到ppm（百万分之一）级别。通过分析各种食品基质（牛奶、大豆、巧克力、玉米片和大米脆片）中是否存在坚果（杏仁、山核桃、榛子、核桃）来证明所开发的LC-MS方法的选择性。
　　
　　
　　食品添加剂是指为了改善食品品质，以及为了防腐、保鲜和加工工艺需要而加入食品中的人工合成或天然物质。食品添加剂作为食品基质的重要组成成分，一方面不可或缺，另一方面超量使用又会对人体健康带来危害，因此在食品生产标准中对食品添加剂有严格的限量规定。有研究采用LC-MS分析方法对白酒中添加的甜蜜素进行了定性定量分析，方法不需要对样品进行前处理，简化了操作步骤，同时灵敏度高，分析速度快，适宜权威部门对白酒中甜蜜素的仲裁检验，也可以用来分析食品中的痕量甜蜜素。
　　
　　总结
　　
　　综上所述，液相色谱-质谱联用技术广泛应用在食品检测的各项指标中，对样品的分析具有通用的残留分析能力。作为一种高效、高灵敏度、高准确度和操作简便的分析办法，液相色谱-质谱联用技术能满足测试要求日益增长的食品检测行业，可以预见液质联用技术将在食品分析中受到更多关注和更广泛的应用。但目前大多数研究均是对某一种或几种成分进行检测分析，对于具有普适性的食品分析方法开发报道较少，预计此方向今后会受到研究人员更多的关注。
　　
　　参考文献
　　
　　1、Di Stefano, Vita, et al. "Applications of liquid chromatography–mass spectrometry for food analysis." Journal of Chromatography A 1259 (2012): 74-85.
　　
　　朱青欣 北京美好美得灵食品有限公司
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