聚甘油脂肪酸酯的結構鑒定

林曉珊，羅輝泰，黃 芳，梁梓洋，周 熙，梁梓豪，朱志鑫，鄧 欣，吳惠勤

（廣東省科學院測試分析研究所（中國廣州分析測試中心） 廣東省化學測量與應急檢測技術重點實驗室，廣東省中藥質量安全工程技術研究中心，廣東 廣州 510070）

聚甘油脂肪酸酯（Polyglycerol fatty acid esters），又稱聚甘油酯，是一類新型、高效和性能優良的多羥基酯類非離子型表面活性劑，由于聚甘油酯有更多親水性羥基，使得其乳化性能顯著優于單甘油酯；且其親水性隨甘油聚合度的增加而增強，親油性隨脂肪酸烷基的不同而不同。故可通過改變聚合度、脂肪酸種類及酯化度，得到一系列不同親水親油平衡值（HLB 值）的從親油到親水的不同性能的聚甘油酯產品，以適于各種特殊用途。聚甘油酯為淡黃色油狀液體或蠟狀固體，兼有親水、親油雙重特性，具有良好乳化、分散、濕潤、穩定、起泡等多重性能。在人體代謝過程中可分解，從而可參與代謝，被人體利用，具有高度安全性，是一類高效安全添加劑，被聯合國糧農組織（FAO）和世界衛生組織（WHO）推薦使用［1-3］。同時聚甘油酯在酸性、堿性和中性環境中穩定，不易發生水解，在含鹽量較高時也有很好的乳化性，可與其它乳化劑復配，具有良好協同增效作用，因而廣泛應用于食品［4-8］、日化［9-14］、石油、紡織、涂料、塑料、農藥、橡膠、醫藥等領域。

聚甘油脂肪酸酯中聚甘油的聚合度、脂肪酸的種類對其性能影響較大，因此對聚甘油脂肪酸酯的結構進行鑒別十分重要，但目前未見相關文獻報道。

本文采用傅里葉變換離子回旋共振質譜（FT-ICR-MS）、核磁共振氫譜（1H NMR）以及氣相色譜-質譜（GC-MS）技術［15-16］，對聚甘油脂肪酸酯的結構進行鑒定。樣品溶解后進行FT-ICR-MS測定，根據精確分子離子數據，推測出聚甘油脂肪酸酯的基本結構以及甘油的聚合度，隨后采用1H NMR 進行驗證。水解后對脂肪酸部分進行甲酯化，以正庚烷萃取，經GC-MS 測定，分析脂肪酸的組成。綜合上述結果即可確定聚甘油脂肪酸酯的結構。該研究為聚合物的結構鑒定提供了一種新的思路和方法。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與樣品

Bruker solariX XR 7.0T傅里葉變換離子回旋共振串聯質譜儀、Bruker Avance DPX-300超導脈沖傅里葉變換核磁共振譜儀（美國布魯克公司）；Agilent 6890GC/5973iMS 氣相色譜-質譜儀（美國安捷倫公司）；賽多利斯TP-114電子天平（美國Sartorious公司）；氮吹儀（上海安譜科學儀器有限公司）。

甲醇（色譜純，德國Merck 公司）；氘代氯仿（CDCl3，99.80%D，上海邁瑞爾化學技術有限公司）；氫氧化鈉、三氟化硼、正庚烷、氯化鈉、無水硫酸鈉（分析純，廣州化學試劑廠）；實驗用水為二次蒸餾水。

樣品為白色顆粒，由某公司生產，主要可作為乳化劑、穩定劑、分散劑、增稠劑、消泡劑、品質改良劑、油脂結晶調整劑、巧克力稠度調整劑、殺菌劑。

1.2 樣品前處理

FT-ICR-MS：稱取粉碎后的樣品約0.1 g，精密稱定，置于100 mL 容量瓶中，加入甲醇，超聲溶解，定容至刻度，過0.45μm濾膜，待FT-ICR-MS測定。

1H NMR：稱取粉碎后的樣品約0.1 g，加入0.5 mL CDCl3溶解后，待1H NMR測定。

GC-MS：稱取粉碎后的樣品約0.1 g，精密稱定，置50 mL 錐形瓶中，加2%氫氧化鈉的甲醇溶液2 mL，置65 ℃水浴中加熱回流30 min，放冷，然后加14%三氟化硼的甲醇溶液2 mL，于水浴中加熱回流30 min，放冷，再加正庚烷4 mL，繼續在水浴中加熱回流5 min，放冷后加飽和氯化鈉溶液10 mL，振搖，靜置使其分層。取上層液，用水洗滌3 次，每次4 mL，經無水硫酸鈉干燥后作為供試品溶液，待GC-MS測定。

1.3 實驗條件

1.3.1 FT-ICR-MS測試條件離子源為雙噴Jet Stream源（Dual Jet Stream ESI），以正、負離子模式分別采集樣品；進樣流速：2.0μL/min；毛細管入口電壓：4500 V；毛細管出口電壓：-500 V；噴霧器壓力：40 kPa；干燥氣溫度：200 ℃；干燥氣流速：4 L/min；質荷比掃描范圍m/z100～2000。

1.3.2 1H NMR 測試條件以CDCl3為溶劑，采用zg30 脈沖序列，測定溫度為24 ℃，譜寬（SWH）6173 Hz，弛豫延遲時間（D1）為1 s，采集時間（AQ）為5.31 s，脈沖寬度（P1）為14μs，樣品空掃次數（DS）為2次，樣品掃描次數（NS）為8次。

1.3.3 GC-MS 測試條件GC 條件：色譜柱：AB-INOWAX（30 m×0.25 mm×0.25μm）彈性石英毛細管柱；載氣：He（99.999%）；恒流，柱流速：1.0 mL/min；分流進樣，分流比：10∶1；進樣量：1.0μL；進樣口溫度：220 ℃；程序升溫：柱始溫100 ℃，以30 ℃/min升至220 ℃，保持10 min。

MS 條件：離子源：EI 源；離子源溫度：230 ℃；四極桿溫度：150 ℃；色譜-質譜連接口溫度：280 ℃；電子能量：70 eV；電子倍增器電壓：1500 V；溶劑延遲時間：4 min；掃描方式：全掃描（SCAN）；掃描范圍：m/z29～550。

1.3.4 測定方法取上層供試品溶液1.0μL 注入GC-MS 進行分析，樣品經氣相色譜石英毛細管柱分離，質譜儀記錄，得到GC-MS 總離子流圖。將各色譜峰相應的質譜圖經計算機譜庫檢索及人工解析確定脂肪酸的組成及化學結構，并用面積歸一化法測定其相對含量。

2 結果與討論

2.1 FT-ICR-MS分析

2.1.1 正離子模式樣品溶解后經FT-ICR-MS 進樣測試，正離子模式采集，得到的主要峰的質譜圖見圖1，質荷比計算值與實測值的相對誤差如表1所示。

圖1 FT-ICR-MS測試得到的樣品正離子質譜圖Fig.1 The positive ion mass spectrum of the sample obtained by FT-ICR-MS

表1 正離子模式下質荷比計算值與實測值的相對誤差Table 1 Relative error between calculated mass-to-charge ratio and measured mass-to-charge ratio in positive ion mode

（續表1）

離子峰的歸屬：

①序號1～10歸屬為聚甘油峰，歸屬如下：

質量數為m/z171.0629 的離子，可歸屬為二聚甘油脫水形成的環狀物的加鈉峰［C6H12O4+Na］+；質量數為m/z189.0734 的離子，可歸屬為二聚甘油的加鈉峰［C6H14O5+Na］+；質量數為m/z245.0997 的離子，可歸屬為三聚甘油脫水形成的環狀物的加鈉峰［C9H18O6+Na］+；質量數為m/z263.1103 的離子，可歸屬為三聚甘油的加鈉峰［C9H20O7+Na］+；質量數為m/z319.1365 的離子，可歸屬為四聚甘油脫水形成的環狀物的加鈉峰［C12H24O8+Na］+；質量數為m/z377.1471 的離子，可歸屬為四聚甘油的加鈉峰［C12H26O9+Na］+；質量數為m/z393.1733 的離子，可歸屬為五聚甘油脫水形成的環狀物的加鈉峰［C15H30O10+Na］+；質量數為m/z411.1839 的離子，可歸屬為五聚甘油的加鈉峰［C15H32O11+Na］+；質量數為m/z467.2102 的離子，可歸屬為六聚甘油脫水形成的環狀物的加鈉峰［C18H36O12+Na］+；質量數為m/z485.2208 的離子，可歸屬為六聚甘油的加鈉峰［C18H38O13+Na］+。

②序號11～28歸屬為聚甘油單脂肪酸酯峰，歸屬如下：

質量數m/z437.3241 的離子，可歸屬為二聚甘油單硬脂酸酯脫水形成的環狀物的加鈉峰［C24H46O5+Na］+；質量數m/z455.3347的離子，可歸屬為二聚甘油單硬脂酸酯的加鈉峰［C24H48O6+Na］+；質量數m/z483.3296 的離子，可歸屬為三聚甘油單棕櫚酸酯脫水形成的環狀物的加鈉峰［C25H48O7+Na］+；質量數m/z501.3402 的離子，可歸屬為三聚甘油單棕櫚酸酯的加鈉峰［C25H50O8+Na］+；質量數m/z511.3609的離子，可歸屬為三聚甘油單硬脂酸酯脫水形成的環狀物的加鈉峰［C27H52O7+Na］+；質量數m/z529.3715的離子，可歸屬為三聚甘油單硬脂酸酯的加鈉峰［C27H54O8+Na］+；質量數m/z557.3665的離子，可歸屬為四聚甘油單棕櫚酸酯脫水形成的環狀物的加鈉峰［C28H54O9+Na］+；質量數m/z575.3771 的離子，可歸屬為四聚甘油單棕櫚酸酯的加鈉峰［C28H56O10+Na］+；質量數m/z585.3978 的離子，可歸屬為四聚甘油單硬脂酸酯脫水形成的環狀物的加鈉峰［C30H58O9+Na］+；質量數m/z603.4084的離子，可歸屬為四聚甘油單硬脂酸酯的加鈉峰［C30H60O10+Na］+；質量數m/z631.4033的離子，可歸屬為五聚甘油單棕櫚酸酯脫水形成的環狀物的加鈉峰［C31H60O11+Na］+；質量數m/z649.4139的離子，可歸屬為五聚甘油單棕櫚酸酯的加鈉峰［C31H62O12+Na］+；質量數m/z659.4348的離子，可歸屬為五聚甘油單硬脂酸酯脫水形成的環狀物的加鈉峰［C33H64O11+Na］+；質量數m/z677.4453的離子，可歸屬為五聚甘油單硬脂酸酯的加鈉峰［C33H66O12+Na］+；質量數m/z705.4404的離子，可歸屬為六聚甘油單棕櫚酸酯脫水形成的環狀物的加鈉峰［C34H66O13+Na］+；質量數m/z723.4507的離子，可歸屬為六聚甘油單棕櫚酸酯的加鈉峰［C34H68O14+Na］+；質量數m/z733.4716的離子，可歸屬為六聚甘油單硬脂酸酯脫水形成的環狀物的加鈉峰［C36H70O13+Na］+；質量數m/z751.4823 的離子，可歸屬為六聚甘油單硬脂酸酯的加鈉峰［C36H72O14+Na］+。

③序號29～34歸屬為聚甘油二脂肪酸酯峰，歸屬如下：

質量數m/z841.6387的離子，可歸屬為四聚甘油棕櫚酸硬脂酸酯的加鈉峰［C46H90O11+Na］+；質量數m/z851.6591的離子，可歸屬為四聚甘油二硬脂酸酯脫水形成的環狀物的加鈉峰［C48H92O10+Na］+；質量數m/z869.6634的離子，可歸屬為四聚甘油二硬脂酸酯的加鈉峰［C48H94O11+Na］+；質量數m/z915.6756的離子，可歸屬為五聚甘油棕櫚酸硬脂酸酯的加鈉峰［C49H96O13+Na］+；質量數m/z925.6953的離子，可歸屬為五聚甘油二硬脂酸酯脫水形成的環狀物的加鈉峰［C51H98O12+Na］+；質量數m/z943.7008 的離子，可歸屬為五聚甘油二硬脂酸酯的加鈉峰［C51H100O13+Na］+。

2.1.2 負離子模式樣品溶解后經FT-ICR-MS 進樣測試，負離子模式采集，得到的主要峰的質譜圖見圖2，質荷比計算值與實測值的相對誤差如表2所示。

圖2 FT-ICR-MS 測試得到的樣品負離子質譜圖Fig.2 The negative ion mass spectrum of the sample obtained by FT-ICR-MS

表2 負離子模式下質荷比計算值與實測值的相對誤差Table 2 Relative error between calculated mass-to-charge ratio and measured mass-to-charge ratio in negative ion mode

離子峰的歸屬：

①序號1～2歸屬為游離脂肪酸峰，歸屬如下：

質量數為m/z255.2330 的離子，可歸屬為棕櫚酸酯的減氫峰［C16H32O2-H］-；質量數為m/z283.2643的離子，可歸屬為硬脂酸的減氫峰［C18H36O2-H］-。

②序號3～12歸屬為聚甘油單脂肪酸酯峰，歸屬如下：

質量數m/z403.3066 的離子，可歸屬為二聚甘油單棕櫚酸酯的減氫峰［C22H44O6-H］-；質量數m/z431.3379 的離子，可歸屬為二聚甘油單硬脂酸酯的減氫峰［C24H48O6-H］-；質量數m/z477.3434 的離子，可歸屬為三聚甘油單棕櫚酸酯的減氫峰［C25H50O8-H］-；質量數m/z505.3746的離子，可歸屬為三聚甘油單硬脂酸酯的減氫峰［C27H54O8-H］-；質量數m/z551.3801的離子，可歸屬為四聚甘油單棕櫚酸酯的減氫峰［C28H56O10-H］-；質量數m/z579.4115 的離子，可歸屬為四聚甘油單硬脂酸酯的減氫峰［C30H60O10-H］-；質量數m/z625.4166 的離子，可歸屬為五聚甘油單棕櫚酸酯的減氫峰［C31H62O12-H］-；質量數m/z653.4482 的離子，可歸屬為五聚甘油單硬脂酸酯的減氫峰［C33H66O12-H］-；質量數m/z699.4534的離子，可歸屬為六聚甘油單棕櫚酸酯的減氫峰［C34H68O14-H］-；質量數m/z727.4849的離子，可歸屬為六聚甘油單硬脂酸酯的減氫峰［C36H72O14-H］-。

③序號13～25歸屬為聚甘油二脂肪酸酯峰，歸屬如下：

質量數m/z687.5782的離子，可歸屬為二聚甘油棕櫚酸硬脂酸酯的加OH-峰［C40H78O7+OH］-；質量數m/z715.6093 的離子，可歸屬為二聚甘油二硬脂酸酯的加OH-峰［C42H82O7+OH］-；質量數m/z761.6141 的離子，可歸屬為三聚甘油棕櫚酸硬脂酸酯的加OH-峰［C43H84O9+OH］-；質量數m/z789.6459 的離子，可歸屬為三聚甘油二硬脂酸酯的加OH-峰［C45H88O9+OH］-；質量數m/z835.6505 的離子，可歸屬為四聚甘油棕櫚酸硬脂酸酯的加OH-峰［C46H90O11+OH］-；質量數m/z863.6776 的離子，可歸屬為四聚甘油二硬脂酸酯的加OH-峰［C48H94O11+OH］-；質量數m/z909.6868 的離子，可歸屬為五聚甘油棕櫚酸硬脂酸酯的加OH-峰［C49H96O13+OH］-；質量數m/z937.7119 的離子，可歸屬為五聚甘油二硬脂酸酯的加OH-峰［C51H100O13+OH］-；質量數m/z743.6044 的離子，可歸屬為三聚甘油棕櫚酸硬脂酸酯的減氫峰［C43H84O9-H］-；質量數m/z771.6355 的離子，可歸屬為三聚甘油二硬脂酸酯的減氫峰［C45H88O9-H］-；質量數m/z817.6414的離子，可歸屬為四聚甘油棕櫚酸硬脂酸酯的減氫峰［C46H90O11-H］-；質量數m/z845.6719的離子，可歸屬為四聚甘油二硬脂酸酯的減氫峰［C48H94O11-H］-；質量數m/z919.7055的離子，可歸屬為五聚甘油二硬脂酸酯的減氫峰［C51H100O13-H］-。

2.2 聚甘油脂肪酸酯的1H NMR分析

取適量樣品，以氘代氯仿溶解后，經1H NMR 測定，結果如圖3 所示。聚甘油脂肪酸酯的1H NMR譜圖具有特征性，按n=A2/（a×5）（a=A1/3，A1 為化學位移δ0.884 處的積分面積，代表脂肪酸甲基的3 個氫；A2 為化學位移δ3.553～4.172 處的積分面積，代表聚甘油的2 個—CH2和1 個—CH，共5 個氫）計算，得到甘油的聚合度n約為4～5，與FT-ICR-MS結果相符。

圖3 聚甘油脂肪酸酯的1H NMRFig.3 1H NMR spectrum of polyglycerol fatty acid esters

2.3 聚甘油脂肪酸酯中脂肪酸組成的分析

取適量樣品，水解后對脂肪酸部分進行甲酯化，用正庚烷萃取后，經GC-MS 測定，總離子流圖如圖4 所示。經人工解析并與計算機標準圖譜對照，鑒定脂肪酸的結構，采用面積歸一化法計算脂肪酸的相對含量（見表3）。

表3 聚甘油脂肪酸酯中的脂肪酸組成及其相對含量Table 3 Composition and relative content of fatty acids in polyglycerol fatty acid esters

圖4 聚甘油脂肪酸酯中脂肪酸組成的GC-MS總離子流圖Fig.4 Total ion chromatogram（TIC）of fatty acids composition in polyglycerol fatty acid esters

2.4 鑒定結果

綜合上述3 種測試技術對聚甘油脂肪酸酯的結構進行鑒定，結果顯示該聚甘油脂肪酸酯中甘油的聚合度為2～6，以三聚、四聚為主，有單酯、雙酯，以單酯為主，脂肪酸為棕櫚酸和硬脂酸。

3 結論

本文采用FT-ICR-MS、1H NMR及GC-MS技術，對聚甘油脂肪酸酯的結構進行鑒定，確定了甘油的聚合度、脂肪酸的組成以及酯的類型，為聚合物的結構鑒定提供了一種新的思路和方法。