分布TF-SPME法同时分析啤酒风味物质

啤酒的风味物质组成十分复杂，主要由如醇类、脂类、醛类、酮类等物质组成，这些物质的种类和数量直接决定了啤酒的风味特性。风味化合物除了有非极性的挥发性有机物VOCs和半挥发性有机物SVOCs以外，还有一部分是极性的挥发物质难以被萃取分析。

那么，有没有一种技术可以同时萃取非极性和极性的风味化合物？

TF-SPME薄膜固相微萃取技术可以帮到您。

什么是TF-SPME薄膜固相微萃取技术？

TF-SPME技术是一种具有高萃取相体积与高表面积的新型无溶剂萃取技术。

TF-SPME的适用范围？

(1) 痕量VOCs或SVOCs分析

(2) 同时萃取低分子量极性和非极性分析物。

TF-SPME薄膜有哪几种填料类型？

(1) PDMS：非极性VOCs和SVOCs;

(2) PDMS/DVB：VOCs和SVOCs的一般分析;

(3) PDMS/HLB：更广泛的极性和非极性化合物分析。

#SPME固相微萃取技术

图1：固相微萃取纤维SPME fiber

SPME固相微萃取技术是基于分析物在样品基质与吸附剂之间的分配平衡，已被广泛应用于风味物质分析。然而，SPME fiber具有一定的局限性，小型化的设计限制了吸附剂涂层的表面积和体积，从而限制了萃取相的吸附容量和影响分析物的萃取速率。

近年来，以传统Fiber为原型，把吸附相涂在碳网片上的固相微萃取新技术——薄膜固相微萃取技术(简称TF-SPME或Thin Film SPME)，大大提高了吸附剂的萃取相体积和比表面积，从而增加吸附容量，通过热脱附设备热解析与GC-MS耦合，降低GC-MS的检测限。

TF-SPME装置

TF-SPME由加拿大皇家科学院院士Janusz Pawliszyn教授发明，用于分析超痕量的VOCs和SVOCs等挥发性有机物。具有以下特点：

●   减少达到平衡所需的时间，萃取效率更高；

●   增大吸附容量，提高灵敏度；

●   适用于极性和非极性的挥发性有机物和半挥发性有机物；

●   机械及化学稳定性好，可以在恶劣环境中现场采样；

● 适用于所有标准尺寸的热脱附仪（3.5x1/4’’）。

图2：TF-SPME使用方法

这时候，一定有人要质疑了——为什么TF-SPME能同时萃取极性和非极性VOCs呢？

想要同时萃取非极性和极性挥发性化合物，可以通过涂有PDMS/HLB的固相微萃取薄膜来实现，HLB颗粒是专为提取低分子量极性和非极性化合物而设计的。

HLB颗粒是什么？

HLB是Hydrophile Lipophilic Balance的缩写，HLB是一种亲水亲油平衡颗粒，近年来逐渐被作为吸附剂填料，专门为萃取低分子量极性和非极性化合物而设计。

HLB亲水亲油平衡调料由特殊的共聚合技术制备而成，由二乙烯基苯结构和N-乙烯基吡咯烷酮骨架结构共聚合技术制备而成。由于二乙烯基苯中的芳香环结构保留非极性化合物，N-乙烯基吡咯烷酮的内酰胺环结构保留极性化合物，所以在HLB颗粒中该骨架结构在疏水性和亲水性相互作用之间提供了平衡。

图3：左图为HLB亲油性基团；右图为HLB亲水性基团

应用案例

分步TF-SPME（Sequintal TF-SPME）分析啤酒样品中的极性和非极性化合物

Pawliszyn教授团队近日提出，使用分步TF-SPME薄膜固相微萃取法分析啤酒中的极性和非极性化合物，在提高萃取能力的同时，可以有效消除复杂样品萃取过程中由于基质成分竞争效应而导致的的取代（displacement）和饱和（saturation）现象，提高了对复杂食品样本定量分析的灵敏度和准确性。

萃取过程：

将样品至于10/20ml顶空瓶中，400 rpm搅拌，并加热样品至40℃，把TF-SPME装置浸入/顶空萃取样品萃取。

连续TF-SPME步骤如下：

第一步：采用PDMS TF-SPME薄膜萃取食品基质中高浓度存在的非极性化合物和其他化合物；

第二步：使用PDMS/HLB TF-SPME薄膜萃取第一步剩余的化合物，包括极性化合物；

第三步：萃取结束时使用去离子水去除TF-SPME薄膜表面残留物质，把第一步和第二步的TF-SPME薄膜放入同一个空热脱附管中进行热解析。

最终结论

使用顺序TF-SPME分析啤酒中的糠醛（LogP=0.34）、甲缩醛（LogP=0.34）、芳樟醇（LogP=2.823）、苯乙醇（LogP=1.36）、己酸乙酯（LogP=2.823）、大马士酮（LogP=4.042）、香兰素（LogP=1.21）、α-葎草烯（LogP=6.53）和苯乙烯（LogP=2.95）等物质。

图4：分析化合物的结构和logP值

PDMS涂层的TF-SPME薄膜对非极性分析物表现出良好的选择性和萃取性能，但对于低LogP的糠醛、甲缩醛、苯乙醇、香兰素等极性分析物几乎没有萃取效果，所以需要叠加使用PDMS/HLB涂层的TF-SPME薄膜对其极性化合物进行萃取。下图表示，使用分步TF-SPME薄膜固相微萃取（红色）提取的极性化合物（包括糠醛、苯乙醇和香草醛）的量明显高于单独使用 HLB/PDMS TF-SPME （蓝色）萃取的量，达到了1+1＞2的效果！

图5

添加了所有分析物（50ppb）和葎草烯（15ppb）的10ml标准混合物中萃取；蓝色：仅使用一个PDMS/HLB TF-SPME薄膜萃取，红色：使用PDMS TF-SPME薄膜&PDMS/HLB TF-SPME 薄膜顺序萃取

参考文献

[1] Jonathan J. Grandy, Varoon Singh, Maryam Lashgari, Mario Gauthier, and Janusz Pawliszyn. Development of a Hydrophilic Lipophilic Balanced Thin Film Solid Phase Microextraction Device for Balanced Determination of Volatile Organic Compounds. Doi:10.1021/acs.analchem.8b04544

[2]Martyna N. Wieczorek , Wei Zhou , Janusz Pawliszyn.Sequential thin film-solid phase microextraction as a new strategy for addressing displacement and saturation effects in food analysis. Doi:https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.133038