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        單甘酯硅烷化衍生及氣相色譜-質(zhì)譜分析

        2020-12-04 06:53:42樓喬明劉連亮張進(jìn)杰楊文鴿薛長湖
        核農(nóng)學(xué)報(bào) 2020年11期
        關(guān)鍵詞:單甘酯甘油酯羅氏

        樓喬明 李 哲 劉連亮 張進(jìn)杰 楊文鴿 薛長湖

        (1 寧波大學(xué)食品與藥學(xué)學(xué)院,浙江 寧波 315800;2 中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266003)

        單甘酯(monoglyceride, MG), 又名單脂肪酸甘油酯, 其按結(jié)構(gòu)可分為1-單甘酯和2-單甘酯(圖1)。單甘酯分子中既存在疏水基團(tuán)又存在親水基團(tuán), 是一種多元醇型非離子表面活性劑, 具有良好的乳化性、分散性、潤滑和增溶性, 因而廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品等行業(yè)[1-3]。同時(shí), 生物中的脂質(zhì)組成復(fù)雜, 其中甘油酯、糖脂和磷脂等含有甘油骨架的脂質(zhì)成分能在相關(guān)酶的作用下水解生成單甘酯。

        圖1 單甘酯的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of monoglyceride structure

        目前,國內(nèi)外對(duì)單甘酯的分析方法主要有高碘酸氧化法、氣相色譜法、高效液相色譜和超高效合相色譜-質(zhì)譜法等[4-6]。高碘酸氧化法通過氧化1-單甘酯的鄰位羥基以測(cè)定單甘酯的含量,但該方法不能測(cè)定2-單甘酯的含量;同時(shí)此法操作復(fù)雜,消耗試劑多,且偏差相對(duì)較大[7]。正相高效液相色譜法對(duì)單甘酯上的脂肪酸、1-單甘酯和2-單甘酯的差異沒有選擇性,很難達(dá)到有效的色譜分離;而反相高效液相色譜法對(duì)溶劑要求較高,且梯度洗脫需要配置蒸發(fā)光散射檢測(cè)器[8]。氣相色譜法是分析單甘酯的常用方法,但其需要用標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行對(duì)照定性[9-10]。近年來,隨著衍生技術(shù)和氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)的不斷發(fā)展,在一定程度上彌補(bǔ)了氣相色譜技術(shù)的不足。本研究采用氣相色譜-質(zhì)譜法(gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS)對(duì)單甘酯的衍生方法和色譜條件進(jìn)行優(yōu)化,并對(duì)單甘酯硅烷化衍生物的斷裂規(guī)律和質(zhì)譜特征進(jìn)行分析,同時(shí)以從羅氏海盤車性腺分離到的單甘酯為樣品,對(duì)其組成進(jìn)行分析檢測(cè),以期為單甘酯的快速準(zhǔn)確分析提供一定的理論基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        羅氏海盤車(Asteriasrollestoni),購自青島市南山水產(chǎn)市場(chǎng);1-單軟脂酸甘油酯(1-C16:0-MG)和1-單硬脂酸甘油酯(1-C18:0-MG),正丁基硼酸,阿拉丁試劑有限公司;2-單軟脂酸甘油酯(2-C16:0-MG)、2-單硬脂酸甘油酯(2-C18:0-MG)和乙酸酐,美國Sigma-Aldrich公司;硅烷化試劑(BSTFA∶TMCS,99∶1, m∶m),美國Regis公司;薄層層析硅膠板GF254,青島海洋化工廠;正己烷、甲醇、三氯甲烷、丙酮和高氯酸等均為分析純,國藥集團(tuán)上?;瘜W(xué)試劑有限公司。

        1.2 儀器與設(shè)備

        6890N型氣相色譜儀、5973型質(zhì)譜儀,美國Agilent公司;Laborota 4000 efficient旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器,德國海道爾夫公司;DGG-9070AD型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海齊欣科學(xué)儀器有限公司;FA2104S型精密電子分析天平,上海楚定分析儀器有限公司;TGL-16G型高速臺(tái)式離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠。

        1.3 試驗(yàn)方法

        1.3.1 總脂提取 取10 g羅氏海盤車性腺樣品,加入200 mL三氯甲烷-甲醇(2∶1, v∶v)混合,超聲30 min,并浸提24 h,過濾,浸提液用40 mL 0.9%氯化鈉溶液洗滌,靜置分層,收集三氯甲烷層,并用無水硫酸鈉干燥,減壓濃縮得到羅氏海盤車的性腺總脂[11]。

        1.3.2 單甘酯的分離制備 羅氏海盤車性腺總脂經(jīng)正己烷溶解,濕法裝柱上樣,正己烷-三氯甲烷梯度洗脫;收集洗脫液,進(jìn)行硅膠板薄層層析(展開劑為正己烷∶乙醚∶乙酸=80∶19∶1,v∶v∶v),碘蒸氣顯色,合并單甘酯部分的洗脫液,減壓干燥后用于后續(xù)衍生優(yōu)化和GC-MS分析。

        1.3.3 單甘酯的衍生 硅烷化衍生:取2 mg單甘酯樣品,200 μL正己烷溶解后,加入200 μL硅烷化衍生試劑(BSTFA∶TMCS,99∶1 m∶m),振蕩后于60℃反應(yīng)30 min;反應(yīng)結(jié)束后,5 000 r·min-1離心10 min,取上清液用于GC-MS分析。

        乙酰化衍生:取2 mg單甘酯樣品,加入200 μL乙酸酐于60℃反應(yīng)30 min;反應(yīng)結(jié)束后,5 000 r·min-1離心10 min,取上清液用于GC-MS分析。

        異丙叉基化衍生:取2 mg單甘酯樣品,依次加入200 μL丙酮和20 μL高氯酸,并于60℃反應(yīng)30 min,且反應(yīng)過程中每隔10 min振蕩一次;反應(yīng)結(jié)束后,加入過量碳酸鈉中和反應(yīng)體系,并依次加入200 μL水和200 μL正己烷,振蕩混勻后,5 000 r·min-1離心10 min,上清液經(jīng)無水硫酸鈉干燥,用于GC-MS分析。

        正丁基硼酸衍生:取2 mg單甘酯樣品,加入200 μL吡啶和50 mg正丁基硼酸,于60℃反應(yīng)30 min,反應(yīng)結(jié)束后,5 000 r·min-1離心10 min,取上清液用于GC-MS分析。

        1.3.4 GC-MS分析 氣相條件:HP-5MS石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),進(jìn)樣口溫度230℃,檢測(cè)器溫度250℃;升溫程序:初始溫度180℃,以10℃·min-1升至280℃,保持15 min,整個(gè)分析過程25 min;高純氦氣為載氣,載氣流量1 mL·min-1;采用恒壓模式,壓力54 kPa,進(jìn)樣量1.0 μL,分流比為25∶1。

        質(zhì)譜條件:GC-MS接口溫度280℃,EI離子源,電離能量70 eV,離子源溫度230℃,掃描周期2.84 次·s-1, 質(zhì)量掃描范圍m/z 50~600 u。

        1.4 數(shù)據(jù)分析

        所有試驗(yàn)均進(jìn)行3次重復(fù),采用SPSS 18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 衍生方法的選擇

        根據(jù)脂肪酸與甘油上羥基的結(jié)合位點(diǎn),單甘酯可分為1-單甘酯和2-單甘酯,其甘油骨架上的二羥基結(jié)構(gòu),表明單甘酯具有較強(qiáng)的極性和較低的揮發(fā)性,在常規(guī)氣相條件下難于分析,因此需要通過化學(xué)衍生方法提高單甘酯的揮發(fā)性,以便于后續(xù)的GC-MS分析[12-13]。

        根據(jù)單甘酯結(jié)構(gòu),相鄰或相間兩羥基的衍生方法主要有三甲基硅烷化法[14-15]、乙?;╗16-17]、異丙叉基化法[18]和正丁基硼酸法[19]等。本試驗(yàn)采用上述4種方法對(duì)羅氏海盤車的單甘酯樣品進(jìn)行衍生分析,結(jié)果顯示,三甲基硅烷化法共鑒定出8種單甘酯成分,乙酰化法鑒定出5種,而異丙叉基化法和正丁基硼酸法相對(duì)較少,分別僅鑒定出4種和2種。因此,本試驗(yàn)采用三甲基硅烷化衍生法對(duì)單甘酯進(jìn)行衍生,同時(shí)對(duì)衍生條件進(jìn)行一定優(yōu)化,取得了理想的衍生效果。

        2.2 色譜條件的優(yōu)化

        毛細(xì)管色譜柱和升溫程序是GC-MS分析的關(guān)鍵。HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm),其固定相為5%二苯基-95%二甲基聚硅氧烷,具有較好的惰性、耐溫性(溫度上限325~350℃)和極低的柱流失等特性,能有效提高信噪比,具有更高的靈敏度,有助于獲得高質(zhì)量的質(zhì)譜圖,是分析單甘酯硅烷化衍生物的理想色譜柱[20-21]。通過優(yōu)化升溫程序,即初始溫度180℃,以10℃·min-1升溫至280℃,并在280℃條件下保持15 min;在此色譜條件下,取得了理想的色譜分離效果。

        2.3 質(zhì)譜特征分析

        2.3.1 1-單甘酯的質(zhì)譜特征分析 1-單甘酯經(jīng)三甲基硅烷化衍生后,其硅烷化衍生物的斷裂方式見圖2。1-單甘酯硅烷化衍生物的甘油骨架上C2-C3鍵斷裂,產(chǎn)生碎片離子[CH2-O-Si(CH3)3]+(m/z 103)和[M-103]+,且離子[M-103]+為1-單甘酯硅烷化衍生物的基峰離子;而甘油骨架上C1-C2鍵斷裂,產(chǎn)生離子[(CH3)3Si-O-CH=CH2-O-Si(CH3)3]+(m/z 205);同時(shí),1-單甘酯硅烷化衍生物中的硅氧鍵斷裂形成三甲基硅烷基離子[(CH3)3Si-]+(m/z 73)和[M-73]+,且離子m/z 73、m/z 205與基峰離子[M-103]+可作為判斷1-單甘酯硅烷化衍生物的重要依據(jù)[22-23]。在1-單甘酯硅烷化衍生物的質(zhì)譜圖中未見分子離子M+,但衍生物中三甲基硅烷基上的甲基斷裂產(chǎn)生的離子[M-15]+可作為判斷其分子量的重要依據(jù)[24]。由此可以得到1-單甘酯硅烷化衍生物的特征離子為m/z 73、m/z 205、[M-103]+(基峰離子)和[M-15]+。

        圖3 1-單軟脂酸甘油酯三甲基硅烷化衍生物的質(zhì)譜圖Fig.3 Mass spectrum of trimethylsilyl derivative of 1-monopalmitin

        以1-單軟脂酸甘油酯(1-C16∶0-MG)為例,其硅烷化衍生物的質(zhì)譜圖見圖3,可以看出基峰離子m/z 371為離子[M-103]+,同時(shí)結(jié)合具有較強(qiáng)離子強(qiáng)度的m/z 73和m/z 205,表明其為1-單甘酯硅烷化衍生物;且離子[M-103]+和[M-15]+依次為m/z 371和m/z 459,表明其分子量為474,是1-單軟脂酸甘油酯硅烷化衍生物。因此1-單甘酯經(jīng)硅烷化衍生,采用GC-MS法,通過質(zhì)譜特征離子能快速有效地對(duì)1-單甘酯進(jìn)行分析鑒定。

        圖2 1-單甘酯三甲基硅烷化衍生物的斷裂方式Fig.2 Fracture mode of trimethylsilyl derivative of 1-monoglyceride

        2.3.2 2-單甘酯的質(zhì)譜特征分析 2-單甘酯經(jīng)三甲基硅烷化衍生后,其硅烷化衍生物的斷裂方式見圖4。2-單甘酯硅烷化衍生物中硅氧鍵斷裂形成三甲基硅烷基離子[(CH3)3Si-]+(m/z 73),此離子為2-單甘酯硅烷化衍生物的基峰離子;甘油骨架C2處的酰氧基斷裂生成離子[(CH3)3Si-O-CH-CH=CH2-O-Si(CH3)3]+(m/z 218),且在此離子基礎(chǔ)上進(jìn)一步斷裂失去一個(gè)三甲基硅烷氧基[(CH3)3Si-O-],生成離子[(CH3)3Si-O-CH-CH=CH2]+(m/z 129);同時(shí)母離子斷裂失去三甲基硅烷基[(CH3)3Si-]+和三甲基硅烷氧基[(CH3)3Si-O-]+產(chǎn)生離子[M+H-162]+,在2-單甘酯硅烷化衍生物的質(zhì)譜圖中離子m/z 73、m/z 129、m/z 218和[M+H-162]+的離子強(qiáng)度顯著高于1-單甘酯衍生物質(zhì)譜圖中的相應(yīng)離子(P<0.05),因此可作為判斷2-單甘酯硅烷化衍生物的重要依據(jù)[24]。在2-單甘酯硅烷化衍生物的質(zhì)譜圖中未見分子離子M+,但衍生物中三甲基硅烷基上的甲基斷裂產(chǎn)生的離子[M-15]+可作為判斷其分子量的重要依據(jù)[24]。由此可以得到2-單甘酯硅烷化衍生物的特征離子為m/z 73(基峰離子)、m/z 129、m/z 218、[M+H-162]+和[M-15]+。

        以2-單軟脂酸甘油酯(2-C16:0-MG)為例,其硅烷化衍生物的質(zhì)譜圖見圖5,可以看出基峰離子m/z 73,且離子m/z 129、m/z 218和m/z 313具有較強(qiáng)離子強(qiáng)度表明其為2-單甘酯硅烷化衍生物;且離子[M+H-162]+和[M-15]+依次為m/z 313和m/z 459,表明其分子量是474,為2-單軟脂酸甘油酯硅烷化衍生物。因此2-單甘酯經(jīng)硅烷化衍生,采用GC-MS法,通過質(zhì)譜特征離子能快速有效地對(duì)2-單甘酯進(jìn)行分析鑒定。

        圖4 2-單甘酯三甲基硅烷化衍生物的斷裂方式Fig.4 Fracture mode of trimethylsilyl derivative of 2-monoglyceride

        圖5 2-單軟脂酸甘酯三甲基硅烷化衍生物的質(zhì)譜圖Fig.5 Mass spectrum of trimethylsilyl derivative of 2-monopalmitin

        2.4 單甘酯組成分析

        羅氏海盤車性腺總脂中的單甘酯經(jīng)硅膠柱分離純化和三甲基硅烷化衍生,通過GC-MS分析,其總離子流色譜圖見圖6;通過質(zhì)譜特征離子,并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)品和質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫進(jìn)行定性分析,同時(shí)按峰面積歸一法進(jìn)行定量,其結(jié)果見表1。

        從總離子流色譜圖中可以看出,單甘酯硅烷化衍生物在HP-5MS毛細(xì)管柱中的色譜保留時(shí)間具有一定的規(guī)律:不同碳數(shù)單甘酯的硅烷化衍生物,碳數(shù)小的先出峰,碳數(shù)大的后出峰;相同碳數(shù)單甘酯的硅烷化衍生物,2-單甘酯先出峰,1-單甘酯后出峰。同時(shí),從羅氏海盤車性腺總脂中共鑒定出8種單甘酯,以1-單甘酯為主,其中1-單軟脂酸甘油酯(1-C16:0-MG)含量最高,占單甘酯總含量的69.28%;1-單硬脂酸甘油酯(1-C18:0-MG)次之,含量為19.83%;而2-單甘酯含量相對(duì)較低,其總含量僅為7.01%。

        圖6 羅氏海盤車中單甘酯衍生物的總離子流色譜圖Fig.6 Total ion chromatogram of monoglyceride derivatives of Asterias rollestoni

        表1 羅氏海盤車中單甘酯的組成和含量Table 1 Monoglyceride compositions and contents of Asterias rollestoni

        3 討論

        硅烷化試劑(BSTFA∶TMCS,99∶1 m∶m)能對(duì)單甘酯上相鄰或相間兩羥基進(jìn)行快速硅烷化衍生,-Si(CH3)3取代單甘酯中羥基上的活性氫原子,增強(qiáng)衍生產(chǎn)物的熱穩(wěn)定性和揮發(fā)性,能有效改善色譜峰形,提高色譜分離度和檢測(cè)靈敏度,降低檢出限[25];同時(shí),1-單甘酯和2-單甘酯異構(gòu)體硅烷化衍生物差異明顯,有助于兩者衍生物的色譜分離;且2種單甘酯硅烷化衍生物的斷裂規(guī)律特征明確,結(jié)構(gòu)特征離子碎片豐富且差異明顯,便于質(zhì)譜分析鑒定[26]。而乙酰化法、異丙叉基化法和正丁基硼酸法對(duì)單甘酯羥基的衍生效果相對(duì)較差,所得單甘酯衍生物種類少,且衍生物的色譜峰形和檢測(cè)靈敏度均不理想,不利于單甘酯衍生物的氣相分離和質(zhì)譜分析判斷。

        硅烷化試劑的反應(yīng)性能較強(qiáng),如毛細(xì)管柱的極性較大,易使衍生試劑與毛細(xì)管柱中的固定相發(fā)生反應(yīng),進(jìn)而影響毛細(xì)管柱的分離效果;同時(shí),盡管單甘酯通過硅烷化衍生使衍生物的揮發(fā)性增強(qiáng),但總體上硅烷化衍生物的揮發(fā)性能相對(duì)較弱,致使氣相分析過程中溫度較高,這就要求毛細(xì)管柱具備較高的熱穩(wěn)定性。HP-5MS毛細(xì)管色譜柱的耐溫性能好,溫度上限325~350℃,且具有較好的惰性和極低的柱流失,能滿足單甘酯的氣相色譜分離和質(zhì)譜分析[27]。

        采用硅膠柱層析對(duì)羅氏海盤車性腺單甘酯進(jìn)行分離制備,對(duì)分離到的純度較高的單甘酯組分進(jìn)行收集濃縮,并經(jīng)三甲基硅烷化衍生和氣相色譜-質(zhì)譜分析,共鑒定出8種單甘酯,且以1-單軟脂酸甘油酯(1-C16:0-MG)和1-單硬脂酸甘油酯(1-C18:0-MG)為主。羅氏海盤車性腺脂肪酸組成復(fù)雜,以C14:0、C16:0、C18:0、C18:1n-7、C20:1n-11和C20:5n-3為主[28],因此要對(duì)羅氏海盤車性腺的單甘酯組成進(jìn)行綜合全面分析還需對(duì)單甘酯分離純化工藝進(jìn)行優(yōu)化。

        4 結(jié)論

        三甲基硅烷化法對(duì)單甘酯的衍生效果優(yōu)于乙?;?、異丙叉基化法和正丁基硼酸法。弱極性毛細(xì)管柱HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)適用于單甘酯硅烷化衍生物的氣相分析,通過優(yōu)化色譜升溫程序,取得了理想的分離效果。單甘酯硅烷化衍生物的斷裂規(guī)律明確,結(jié)構(gòu)特征離子碎片豐富,易于分析鑒別;且其色譜保留時(shí)間具有一定的規(guī)律性。從羅氏海盤車性腺中共鑒定出8種單甘酯,以1-單軟脂酸甘油酯和1-單硬脂酸甘油脂等1-單甘酯為主,而2-單甘酯含量相對(duì)較低。本研究結(jié)果為單甘酯的衍生、色譜分析和質(zhì)譜鑒定提供了一定的理論參考。

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