基于UHPLC-Q-TOFMS技术的食品不同营养成分分析方式研究

UHPLC-Q-TOFMS技术是超高效液相色谱-四极杆-飞行时间质谱联用（Ultra High Performance Liquid Chromatography-Quadrupole-Time of Flight Mass Spectrometry）技术的简称，该技术将UHPLC（超高效液相色谱）的高效分离能力与Q-TOFMS（四极杆-飞行时间质谱）的高灵敏度、高分辨率检测能力结合，不仅能同时分离与检测食品中的多种营养成分，还能提供丰富的质谱信息，助力深入解析食品的营养结构与代谢途径。本文探讨了基于UHPLC-Q-TOFMS技术的食品不同营养成分的分析方式，以期为食品营养研究、质量控制以及新产品开发提供科学依据。

一、UHPLC-Q-TOFMS技术检测食品中营养成分的原理

（一）UHPLC

UHPLC是一种高效、快速的色谱分离技术，主要利用高压输液泵使流动相（通常是溶剂混合物）高速通过色谱柱，实现对样品中各组分的分离。在食品营养成分分析中，UHPLC能根据不同成分在固定相和流动相间的分配系数差异，有效分离样品中的营养成分（如氨基酸、糖类、脂类等）。

（二）Q-TOFMS

Q-TOFMS是一种具有高灵敏度、高分辨率的质谱检测技术，主要利用四极杆对离子进行质量筛选和聚焦，并将筛选后的离子引入飞行管中检测飞行时间。由于不同质量的离子在电场中的加速速度和飞行时间不同，可以通过测量离子的飞行时间确定其质量。在食品营养成分分析中，Q-TOFMS质谱能实现对分离后营养成分的准确检测，系统获取其质量信息和结构特征。

二、基于UHPLC-Q-TOFMS技术分析食品不同营养成分的流程

（一）UHPLC技术精准测定食品营养成分

1.样品前处理。首先，样品采集要严格遵循相关标准与规范，确保所采集的样品能代表被检测的食品整体。对于液态奶制品，要在不同部位多点采样后混合，避免因局部差异导致的误差。其次，采集后的样品要进行预处理。常见的预处理方式包括粉碎、匀浆等，旨在使样品具有均一性，便于后续提取操作。对于固体食品如谷物等，需粉碎至合适粒度，并通过40—60目筛网，使颗粒大小均匀，保证提取时营养成分能充分溶出。最后，将样品通过UHPLC进行分离，分离出的组分进入Q-TOFMS检测。在Q-TOFMS中，将离子经过四极杆电场聚焦和传输后，进入飞行时间检测器进行质量检测。通过测量离子的飞行时间，即可得到其质量信息，实现对样品的定性和定量分析。

2.营养成分的提取。对于水溶性维生素，常采用水或酸性水溶液作为提取剂，并在一定温度与振荡条件下进行提取。以维生素C为例，在40℃时，以0.1%草酸溶液为提取剂，振荡提取30min，其提取率可达90%以上。对于脂溶性成分如维生素E等，则需使用有机溶剂如正己烷、石油醚等进行萃取。在提取过程中，要精确控制提取时间、温度、提取剂用量等因素。提取温度过高或时间过长，都可能导致某些热敏性营养成分分解，影响测定结果。

3.UHPLC分析。食品不同营养成分分析需要匹配不同特性的色谱柱。对于极性较强的氨基酸类营养成分，常选用亲水性色谱柱，如Atlantis HILIC Silica柱等，其独特的固定相结构能有效保留并分离极性化合物，氨基酸类营养成分总离子流如图1所示。对于非极性或弱极性的脂肪酸等成分，则选择C18反相色谱柱，如Waters Acquity UPLC BEH C18柱等，利用其疏水作用实现对成分的分离。

图1：氨基酸类营养成分总离子流

（二）Q-TOFMS技术解析食品不同营养成分的结构

1.样品离子化与质谱数据采集。在利用Q-TOFMS技术解析食品营养结构时，样品离子化会直接影响后续质谱数据的质量和准确性。常见的离子化方法有电喷雾离子化（ESI，见图2）和大气压化学离子化（APCI，见图3），需要根据食品营养成分的性质选择合适的离子化方式。对于极性较大、热稳定性好的营养成分，如氨基酸、糖类等，ESI是常用的离子化方法，可在高电场作用下使样品溶液形成带电液滴，随着溶剂挥发，液滴变小，最终形成气态离子。在分析水果中的有机酸时，采用APCI离子化方式，可在正离子模式下有效检测苹果酸、柠檬酸等多种有机酸，检测灵敏度达到pg/mL级别。

2.快速采集大量的质谱数据。在采集过程中要设置合适的参数，如扫描范围、扫描速度、分辨率等。扫描范围决定了能检测到的离子质量范围，对于食品营养成分分析，需要覆盖较宽的质量范围，以确保检测到各种不同分子量的营养成分。在分析谷物中的多种营养成分时，扫描范围应设置为m/z50—1000，以检测到从低分子量的维生素到高分子量的蛋白质片段等多种成分。扫描速度会影响数据采集的效率，较高的扫描速度可在较短时间内获得更多数据点，但可能会牺牲一定的分辨率。一般情况下，需要根据实际样品的复杂程度和分析要求选择合适的扫描速度，如每秒扫描500—1000个数据点等。分辨率也是Q-TOFMS的重要性能指标，高分辨率能更准确地确定离子质量，实现对营养成分结构的精确解析。

3.数据处理与营养结构解析。数据预处理包括去除噪声、基线校正等操作。噪声会干扰真实信号的识别，通过滤波算法等手段可有效降低噪声影响。在分析肉类食品中的脂肪酸时，原始质谱数据中可能存在仪器背景噪声和样品杂质产生的干扰信号，对其实施噪声去除处理后，能使脂肪酸的质谱峰更加清晰，方便后续分析。基线校正则用于消除因仪器漂移等因素导致的基线波动，使质谱信号更加准确、可靠。

（三）UHPLC-Q-TOFMS技术鉴定食品营养代谢物

1.样品制备与预处理。在运用UHPLC-Q-TOFMS技术鉴定食品营养代谢物时，样品制备与预处理是关键步骤，直接决定了后续分析结果的准确性与可靠性。不同类型的食品因基质特性和营养代谢物的分布差异，需要特定的处理方式。例如，水果富含水分、糖分以及多种生物活性成分，这些成分在提取过程中可能会相互干扰。实验中，先将水果样品洗净、去核，精确称取50g果肉，置于高速匀浆机中，以10000—15000r/min的转速匀浆2—3min，使样品充分均质化，这样能使营养代谢物的提取率提高15%—20%。接着进行提取步骤，要根据目标营养代谢物的性质选择合适的提取剂，若要提取水果中的酚类代谢物，由于具有一定的极性，常用甲醇-水（80：20，V/V）混合溶液作为提取剂。在4℃低温下，按照样品与提取剂1：5（W/V）的比例混合，超声辅助提取30min。超声的空化效应能加速细胞破碎，促使酚类物质溶出。根据实验数据，该条件下酚类代谢物的提取效率可达85%以上。提取结束后，将混合液以10000r/min的转速离心15min，使残渣与提取液分离。取上清液，通过0.22μm滤膜过滤，去除可能存在的微小颗粒杂质，防止堵塞UHPLC色谱柱。

2.UHPLC-Q-TOFMS分析与数据解读。在色谱柱的选择上，对于大多数食品营养代谢物分析而言，C18反相色谱柱是首要选择。在分析谷物中的营养代谢物时，选用粒径为1.7μm的C18色谱柱，柱长100mm、内径2.1mm，此规格的色谱柱具有较高柱效，能在较短时间内实现良好的分离效果。流动相的组成和梯度洗脱程序则需根据样品特性进行优化。以分析谷物中的多元醇类和有机酸类代谢物为例，流动相A为含0.1%甲酸的水溶液，流动相B为乙腈。初始时，流动相B的比例为5%；0—10min，线性增加至30%；10—15min，进一步增加至95%，并保持5min，随后在1min内快速回到初始比例，平衡5min。通过该梯度洗脱程序，能使不同极性的多元醇类和有机酸类代谢物得到有效分离。在正离子模式下，设定扫描范围为m/z50—1000，分辨率设置为40000以上，确保精确测定离子的质量。通过精确质量测定，获得代谢物的准确分子量信息。例如，某未知代谢物经测定得到精确质量为m/z284.1056，通过与数据库中已知化合物的精确质量进行比对，初步推测其可能为某黄酮类化合物。结合二级质谱碎片信息，进一步确认其结构。二级质谱中，该代谢物产生了m/z153、m/z227等特征碎片离子，与目标黄酮类化合物的裂解规律相符，从而准确鉴定出其营养代谢物。

综上所述，通过对基于UHPLC-Q-TOFMS技术的食品不同营养成分分析方式的研究可知，UHPLC-Q-TOFMS技术在样品前处理、色谱分离、质谱检测以及数据处理等方面展现出操作简便、分析速度快、分辨率高等优点，适用于不同类型食品营养成分的快速筛查与定量分析。未来，应积极探索新技术在食品营养成分分析中的应用可能，为食品科学、营养学以及食品工业的发展作出更大贡献。

作者简介：王邈璇（1997—），女，汉族，河南新乡人，硕士研究生在读，研究方向为森林经理学。