江振作+王躍飛+陳榮榮+朱彥+張蕾+劉雙+劉海利??

摘 要 建立了一種快速分析糞便中揮發(fā)性脂肪酸（Volatile fatty acids， VFAs）的頂空氣相色譜 質譜聯(lián)用法（Headspace gas chromatography mass spectrometry， HS GC/MS）。糞便樣品用6% H3PO4溶液按1∶2（m/V）混懸后密封于頂空進樣瓶中，直接進行HS GC/MS檢測。頂空振蕩室加熱溫度為80 ℃，振蕩加熱時間30 min，頂空進樣針溫度為80 ℃，不分流進樣1 mL；采用DB FFAP毛細管柱（30 m × 0.25 mm × 0.25 μm），進樣口溫度為250 ℃，升溫程序（初始溫度50℃保持1 min，以10 ℃/min升至200 ℃），載氣（高純氦）流速為1.0 mL/min； 使用電子轟擊（Electron impact， EI）離子源，電子能量為

Symbolm@@ 70 eV，離子源溫度為250 ℃，傳輸線溫度為280 ℃，電子倍增器電壓為0.95 kV，全掃描模式，掃描范圍m/z33～200。結果表明， 本方法能夠應用于人及大鼠糞便中揮發(fā)性脂肪酸的分析，通過NIST標準譜庫檢索，采用對照品比對以及質譜數(shù)據(jù)解析的方法，在人的糞便樣品中檢測到9種揮發(fā)性脂肪酸：乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸、異己酸、己酸、庚酸；在大鼠糞便中檢測到8種揮發(fā)性脂肪酸：乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸、己酸、庚酸。通過峰面積歸一化法，計算得到乙酸、丙酸、丁酸的相對百分含量約占揮發(fā)性脂肪酸總量的85%。本方法簡單、靈敏，可用于人和大鼠糞便中揮發(fā)性脂肪酸的快速檢測。

關鍵詞 頂空氣相色譜 質譜聯(lián)用法； 糞便； 腸道菌群； 揮發(fā)性脂肪酸

1 引 言

腸道菌群（Gut microbiota）是維系人體腸道微生態(tài)平衡的重要組成部分，其結構和活性受宿主的基因、營養(yǎng)狀況和生活方式等因素的影響[1]。近年的研究發(fā)現(xiàn)，正常的腸道菌群在人體內(nèi)發(fā)揮著重要作用，不僅參與人體能量和物質代謝，而且還可以抵御外來致病菌的定植，刺激人體免疫系統(tǒng)的發(fā)育[2，3]。當機體內(nèi)腸道菌群發(fā)生紊亂時，會導致多種疾病的發(fā)生，如肥胖[4]、糖尿病[5]、過敏性疾病[6]、癌癥[7]、艾滋病[8]等。因此，監(jiān)測人體內(nèi)腸道菌群的變化，對維持人類健康具有重要意義。

糞便中的揮發(fā)性脂肪酸主要由短鏈脂肪酸（Short chain fatty acid， SCFA）構成，短鏈脂肪酸是指碳鏈為1～6的有機脂肪酸，主要包括乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸、己酸、異己酸[9]，是由腸道菌群代謝腸道內(nèi)未消化的碳水化合物產(chǎn)生的，是腸道菌群的重要代謝產(chǎn)物，其含量變化能夠反映機體內(nèi)腸道菌群的狀況。其中，乙酸、丙酸、丁酸約占揮發(fā)性脂肪酸總量的85%～90%，是結腸中主要的陰離子，可以刺激水、鈉的吸收，維持人體腸道內(nèi)電解質平衡。短鏈脂肪酸能降低結腸內(nèi)pH值，抑制致病菌的繁殖；維持益生菌代謝，保持腸道菌群穩(wěn)態(tài)；營養(yǎng)結腸上皮細胞，促進細胞生長、代謝；抑制促炎因子產(chǎn)生，減少炎癥反應，降低腸道病變；此外，短鏈脂肪酸還能抑制結腸癌細胞的增殖、分化和轉移[10]，促進癌細胞凋亡及控制原癌基因表達[11]。因此，通過檢測糞便揮發(fā)性成分，不僅能夠反映機體內(nèi)短鏈脂肪酸的含量，還能反映機體內(nèi)腸道菌群的狀態(tài)，進而評價機體的健康狀態(tài)，目前有關此類研究的報道較少。

目前，揮發(fā)性脂肪酸的檢測方法主要包括氣相色譜法（Gas chromatography， GC）[12～16]、高效液相色譜法（High performance liquid chromatography， HPLC）[17～19]、毛細管電泳法（Capillaryelectrophoresis， CE）[20]和原子吸收分光光度法（Atomic absorption spectrophotography， AAS）[21]。由于揮發(fā)性脂肪酸極性大、揮發(fā)性強、無紫外吸收和熒光基團，故多采用GC法分析。目前，揮發(fā)性脂肪酸多需進行衍生化處理[12～14]，或經(jīng)過液 液萃取法[15，16]處理后再進行GC分析，存在操作繁瑣、萃取效率低、操作時間長、提取歧視效應、重復性較差、試劑毒性較大等不足。因此，需要建立一種簡單、快速檢測糞便中揮發(fā)性脂肪酸的方法。本研究建立了一種快速分析糞便中揮發(fā)性脂肪酸（Volatile fatty acids， VFAs）的頂空氣相色譜 質譜聯(lián)用法（Headspace gas chromatography mass spectrometry， HS GC/MS）。糞便樣品用6%H3PO4溶液混懸后即可分析，無需進行復雜的前處理。而Gao等[12]對糞便水溶液進行氯甲酸乙酯化處理后進行GC MS分析，采用兩步衍生化向糞便水溶液中依次加入L 2氯苯丙氨酸、乙醇 吡啶（6∶1，V/V）、氯甲酸乙酯，超聲1 min后加入正己烷萃取并離心，用NaOH溶液調(diào)節(jié)上清液至

pH 9～10，再加入氯甲酸乙酯混合超聲，加入含3 （甲硫基）丙酸乙酯的正己烷終止反應，再進行分析；又如賈益群等[15]在酸性條件下用乙醚萃取糞便水溶液中，首先用純水溶解糞便，離心過膜后，取適量糞便水溶液加入H2SO4溶液后再加入乙醚，振蕩30次后離心5 min，置4 ℃冰箱30 min，取上層乙醚溶液進行GC分析。本方法與衍生化法或液 液萃取法相比，操作簡單、處理時間短，能最大限度的保留糞便中的揮發(fā)性成分，不存在衍生化或提取的歧視效應，減少處理過程中揮發(fā)性成分的損失，所用試劑安全易得，可用于人和大鼠糞便中揮發(fā)性脂肪酸的快速測定。

2 實驗部分

2.1 儀器、材料與試劑

GC450 MS320型氣相色譜 質譜聯(lián)用儀（美國Varian公司），配有CombiPAL頂空進樣器，Varian MS Workstation 6.92工作站；DB FFAP毛細管柱（30 m × 0.25 mm × 0.25 μm，美國Agilent公司）；Milli Q超純水系統(tǒng)（美國Millipore公司）；AL 204 萬分之一天平（瑞士METTLER TOLEDO公司）；SCIENTZ 25 12超聲儀（寧波新芝生物科技股份有限公司）；pH 0.5～5.0和pH 5.5～9.0精密試紙（天津市塘沽區(qū)鵬達化工廠）。

乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、己酸、庚酸對照品（純度≥99%，美國Sigma公司）；H3PO4（>85%， 天津市光復精密化工研究所）。

2.2 標準溶液配制

準確稱取適量上述7個對照品于10 mL容量瓶中，以6% H3PO4溶液定容，制成每1 mL含乙酸5.02 mg、丙酸2.58 mg、異丁酸4.53 mg、丁酸4.72 mg、異戊酸4.25 mg、己酸4.25 mg、庚酸5.97 mg的混合對照品溶液。

2.3 樣品處理方法

收集人和SD大鼠的新鮮糞便置于具塞廣口瓶中，于

80 ℃冰箱保存?zhèn)溆?。本研究采用的大鼠糞便經(jīng)動物中心負責人審批后收集；研究用人糞便的收集經(jīng)自愿者同意并簽署了知情同意書。

2.4 HS GC/MS條件

2.4.1 頂空進樣條件 頂空振蕩室加熱溫度：80 ℃；加熱時間：30 min；加熱方式：震蕩加熱；1.0 mL頂空進樣針溫度：80 ℃；進樣量：1 mL，不分流模式；用高純氬氣推動和清洗頂空針；清洗時間：0.5 min。

2.4.2 GC條件 DB FFAP色譜柱（30 m × 0.25 mm × 0.25 μm）； 升溫程序：初始溫度50 ℃保持1 min，以10 ℃/min升至200 ℃；進樣口溫度：250 ℃；載氣：高純氦（He），純度>99.999%；流速：1.0 mL/min。

2.4.3 MS條件 電離方式：EI； 電子能量：

70 eV； 離子源溫度： 250 ℃；傳輸線溫度： 280 ℃；電子倍增器電壓： 0.95 kV； 全掃描模式， 掃描范圍m/z33～200。

2.5 數(shù)據(jù)處理

樣品中未知揮發(fā)性成分的定性分析：通過計算機檢索NIST標準質譜庫得到化合物信息，統(tǒng)計R和F匹配度（其中，R匹配：樣品譜圖與標準譜庫檢索得到結果的相似度； F匹配：標準譜庫逆向檢索得到結果與樣品譜圖的相似度，兩者最大值均為1000）均大于700的揮發(fā)性成分。

3 結果與討論

3.1 樣品處理方法優(yōu)化

3.1.1 稀釋液的選擇 揮發(fā)性脂肪酸的極性較大、在水中易發(fā)生電離，在水溶液中以HA（游離型）和A

（離子型）兩種形式存在，兩者存在的量可以用分布系數(shù)（δ）表示，由解離常數(shù)Ka（或其負對數(shù)值pKa）和溶液的pH決定。當用水作為稀釋液時，由于水的pH（～6.5）大于揮發(fā)性脂肪酸的pKa值（如甲酸pKa=3.74），因此揮發(fā)性脂肪酸主要以A

形式存在；若直接用HS GC/MS檢測，由于A

不易氣化，導致測定結果偏低，甚至無法被檢出；當改用酸作為稀釋液時，由于溶液的pH值較低，揮發(fā)性脂肪酸主要以HA形式存在，可以采用HS GC/MS進行準確分析。考慮稀釋液所用酸的揮發(fā)性及酸度對樣品的影響，故采用非揮發(fā)性中強酸（H3PO4）作為酸性調(diào)節(jié)劑。圖1為加H3PO4前后樣品的總離子流圖。由圖1可知，樣品用H3PO4稀釋液處理后，各揮發(fā)性脂肪酸的響應均明顯提高。

3.1.2 酸度的選擇 根據(jù)一元酸分布系數(shù)各型體濃度的公式（δHA= H+H++Ka，δA

=KaH++Ka），當溶液的pH=pKa-2時，δHA>99%；此外，對同系物脂肪酸而言，隨著碳鏈的延長，解離常數(shù)Ka呈降低趨勢，即pKa逐漸增加，

酸性不斷降低，如甲酸、乙酸、丙酸的pKa分別為3.74， 4.74， 4.87。綜上可知，當溶液pH=2時，包括甲酸在內(nèi)的所有SCFA主要以游離態(tài)形式存在。考慮到溶液pH值對色譜柱、糞便樣品的影響以及揮發(fā)性脂肪酸在糞便中的含量，故調(diào)整溶液pH=2，這樣既可以保護色譜柱、避免糞便中揮發(fā)性脂肪酸的破壞，又能保證揮發(fā)性脂肪酸以游離型存在。不同濃度H3PO4溶液處理后大鼠糞便混懸液的pH值變化曲線見圖2。由圖2可知，糞便混懸液具有較強的緩沖能力，當H3PO4溶液濃度為6%（V/V）時，糞便混懸液的pH=2。

3.2 糞便中揮發(fā)性成分HS GC/MS分析結果

按照2.4節(jié)所建立的HS GC/MS條件分析人、大鼠糞便及混合對照品溶液，圖3為人糞便樣品（圖3A）、大鼠糞便樣品（圖3B）和混合對照品（圖3C）的GC MS總離子流圖。通過NIST標準譜庫檢索、采用對照品比對以及質譜數(shù)據(jù)解析的方法，在人的糞便樣品中檢測到9種揮發(fā)性脂肪酸：乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸、異己酸、己酸、庚酸；在大鼠糞便中檢測到8種揮發(fā)性脂肪酸：乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸、己酸、庚酸。如圖4所示，以丁酸為例，列舉譜庫檢索結果及丁酸GC MS裂解規(guī)律。揮發(fā)性脂肪酸的GC MS譜庫檢索結果以及各成分通過峰面積歸一化法得到的相對百分含量的結果見表1。

結果表明，人和大鼠糞便中揮發(fā)性脂肪酸的種類和相對百分含量基本一致，除了檢測到短鏈脂肪酸外，還檢測到少量的庚酸，其中乙酸、丙酸、丁酸是最主要的短鏈脂肪酸，約占揮發(fā)性脂肪酸總量的85%，與文獻＼[9]報道的結果基本一致，但戊酸、異己酸、己酸的相對百分含量差別較大，提示人和大鼠的腸道菌群具有較高的相似性，但仍存在物種間差異，與Chung等[2]的結論基本吻合。Chung等向無菌小鼠分別移植鼠和人的微生物群，檢測小腸免疫系統(tǒng)的成熟是否與宿主特異性微生物群有關。結果表明，鼠微生物群移植小鼠和人微生物移植小鼠的腸道細菌數(shù)量和門類具有相似性，但細菌種屬有些區(qū)別，特別是厚壁菌。

4 結 論

基于揮發(fā)性脂肪酸在腸道生態(tài)平衡中的重要性，本研究側重分析糞便中的揮發(fā)性脂肪酸，所建HS GC/MS法能夠系統(tǒng)分析糞便中揮發(fā)性脂肪酸，而文獻＼[12，15]僅關注糞便中部分揮發(fā)性脂肪酸的分析，如Gao等[12]采用GC MS對糞便水溶液氯甲酸乙酯化處理后的樣品進行分析，更多關注的是糞便中一元羧酸、二元羧酸、酚類化合物、氨基酸等代謝產(chǎn)物，只檢測到4種揮發(fā)性脂肪酸（異戊酸、戊酸、己酸、庚酸）。綜上所述，本方法能夠系統(tǒng)地研究糞便中揮發(fā)性脂肪酸，方法簡單、靈敏，可用于人和大鼠糞便中揮發(fā)性脂肪酸的快速檢測。

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