啤酒中乙醛和联二酮检测方案(气相色谱仪)

Swafer 技术在检测啤酒中乙醛和联二酮含量中的应用 Auto channel switch testing VDK & acetaldehyde in beer by Swafer-GC 胡子豪（珀金埃尔默仪器（上海）有限公司） 吴彬（百威（武汉）国际啤酒有限公司） 摘要：对乙醛和联二酮含量的分析是啤酒生产质量控制过程中重要的测试项目，分析多采用HS-GC系统。由于对两者的分析，除都采用顶空进样外，分别需要不同的分析色谱柱及检测器，因此过去的操作一般需要配置两套系统，或一套系统中配置两个分析通道时，须不断地在两个通道间来回进行硬件变更才能实现。本应用采用了PerkinElmer公司最新的Swafer（多通道流路技术）附件连接同一系统中的两个不同分析通道。这样，仅需通过软件的简单设置即可实现样品经顶空进样后在两个分析通道间的自动切换。节约了日常分析的成本，提高了工作效率。 Abstract. Headspace sampling coupled with gas chromatography (HS-GC) is a widely used technique for testing VDK and acetaldehyde in beer throughout the world. Sharing the headspace sampling, the two analyses are traditionally performed using different Columns and GC detectors. Thus, two different systems or one system configured with two different channels (switched manually) are required in quality control of brewing process. In this application, a new D-Swafer accessory is used to connect the two different channels configured in the same system. In this way, auto-switching of the sample gas between the two channels can be achieved with method and sequence optimized in the GC workstation, which can lower the cost of daily testing job and enlarge the throughput. 介绍 顶空进样器和气相色谱仪的联用技术（HS-GC）是当今全球啤酒行业广泛 使用的质量控制分析技术。主要应用于对影响啤酒风味和口感的物质的含量进行测量和监控。这些物质包括联二酮类化合物、乙醛、三卤甲烷及含硫化合物等。其中又以对乙醛及联二酮类化合物的含量监控尤为重要。表1. 列举了啤酒质量控制中较为关注的四类化合物。 表1 啤酒酿造过程中进行的四种常见的顶空采样-气相色谱分析 1 联二酮（VDK） 2，3-丁二酮（双乙酰） 2，-3-戊二酮 2 乙醛 乙醛 3 三卤甲烷 二溴氯甲烷 溴仿 氯仿 二氯溴甲烷 4 硫 DMS（二甲基硫） 二氧化硫 硫化氢 啤酒中主要分析的联二酮（VDK）包括：2，3-丁二酮（双乙酰）以及2，3-戊二酮。它们是影响啤酒口感的重要因素之一。一般认为，高含量的这类化学物质会产生一种类似于黄油的气味；并且含量较高时被认为是对健康并无益处的。不同产地及酒精度的啤酒在VDK的含量上有较大的差别：低酒精度的淡啤一般VDK的含量在1~50 ppb；而常见于欧洲的高酒精度黑啤其VDK含量则可达数百ppb。对VDK的分析通常采用的系统是：顶空进样器进样，60 m厚液膜弱极性的色谱柱分离，由电子捕获检测器（ECD）进行检测。（见表2） 啤酒中另一种主要的分析目标化合物是乙醛。乙醛是由啤酒中的乙醇逆向氧化产生的。当其含量达到一定程度时，会有一种青苹果的气味。乙醛的分析采用系统是：顶空进样器进样，30m厚液膜的极性色谱柱分离，由氢火焰离子化检测器（FID）进行检测。（见表2） 表2 啤酒中乙醛分析和联二酮分析采用的不同系统 色谱柱 检测器 乙醛分析 Elite-WAX FID VDK分析 ELITE-5 ECD 由于分析乙醛和联二酮需要如上不同的系统，因此过去啤酒生产企业为实现对二者的分析，必须配备两套HS-GC的分析设备，或只配置一套HS-GC系统，但须人为在前后两个分析通道间不断地更换顶空进样器的连接。如此，或增加了成本购买两套设备，或降低了工作效率无法夜间连续工作。 在本应用中我们使用了D-Swafer的色谱柱切换 连接模式来帮助实现当同一套HS-GC同时配备了分析两类化合物的不同分析系统时，顶空进样在两通道之间的自动切换。即，将顶空进样器传输线连接于唯一进样口，随后由一根限流管将样品导入D-Swafer；当需要分析乙醛时，通过D-Swafer 的切换将样品全部导入Elite-WAX色谱柱及FID检测器；当需要分析联二酮时，则通过D-Swafer将样品导入另一通道的Elite-5色谱柱及ECD检测器。这一技术的采用，即可结合序列操作使分析过程可以在乙醛和联二酮的两个分析通道间自动切换。如此，在啤酒质量控制中为两种不同的分析只配备一台具有双通道的HS-GC设备，而使连续的夜间工作成为可能。 实验 系统搭建 所有的分析都使用了PerkinElmer® TurboMatrix™自动顶空进样器以及Clarus® 580气相色谱。Clarus® 580气相色谱配有火焰离子化检测器（FID）以及电子捕获检测器（ECD）及D-Swafer多通道流路技术附件。 图1给出了D-Swafer在这一系统中的连接方式。如图所示，由顶空所产生气体样品经传输线导入GC进样口后，首先由一窄口径限流管导入D-Swafer。由D-Swafer将样品分向其后的两个分析通道：A. 弱极性柱（Elite-5）连接ECD，用于分析联二酮；B. 极性柱（Elite-Wax）连接FID，用于分析乙醛。样品于两通道的自动切换，仅依靠P2阀的开关。其中，方法所涉及各管路长度及各点载气操作压力均由专门的Swafer自带方法开发软件优化计算得到（图2）。 图1 双通道切换分析啤酒中的乙醛和联二酮应用中D-Swafer连接方式 图2 Swafer用户方法开发软件界面帮助确定方法中各设定参数 样品处理 啤酒样品需要在顶空分析之前进行除气。对啤酒进行完全除气非常重要，可以在顶空加热过程中不让溶解在啤酒中的二氧化碳（CO2）影响内压，并且降低在气谱图生成过程中由于溶解了二氧化碳而对气相色谱基线的干扰。 样品除气的方式很多，可以振摇除气，亦可超声脱气。除气后，向顶空进样小瓶中加入5-10ml样品，同时用聚四氟乙烯/硅橡胶进样垫将其封口。 工作曲线配制 以含5%乙醇的水溶液配制适量浓度的乙醛和联二酮标准工作溶液。 日常样品分析方式 为实现两个分析通道的自动切换，须分别为两个通道编辑一个GC方法。这两个通道的GC方法差别仅在于时间事件页面中对控制D-Swafer的阀开关的设置（见图3 及图4 ）。如此在日常分析中，仅需在序列设置时将前后样品的分析方法选为不同，即可实现在不变更顶空传输线连接进样口的位置前提下于分析通道的自动切换（图5）。 图3 当将时间事件页面中的阀设置设成V3开/V4开时，即可实现将组分均导向乙醛分析通道 图4 当将时间事件页面中的阀设置设成V3开/V4关时，即可实现将组分均导向联二酮分析通道 图5 在序列设置时，在需要进行不同通道分析的样品的方法栏中选择相应的GC方法，即可实现在不变更顶空传输线连接进样口的位置前提下于分析通道的自动切换 方法切换效果 图6 给出的是运行实际啤酒样品乙醛分析方法时双通道数据采集的色谱图。可以看到当运行的方法为乙醛分析通道，即全部样品组分被导向Elite-WAX色谱柱及FID检测器时，在A数据通道的色谱图中得到包括乙醛在内的各啤酒中挥发性组分的信号；而同时于B数据通道上并无任何的信号产生。 ( 乙醛 ) 图6 当运行乙醛分析的GC方法时同时获得的两个数据通道的色谱图 图7 给出的是运行实际啤酒样品联二酮分析方法时双通道数据采集的色谱图。同样在B数据通道获得联二酮信号时，A数据通道无任何的信号产生。这说明，在此应用中，虽然顶空的传输线同时连接于两个分析通道，但可以使用D-Swafer 在之间自动地切换。 ( 2 ， 3- 丁二酮 ) ( 2 ， 3- 戊 二酮 ) 图7 当运行联二酮分析的GC方法时同时获得的两个数据通道的色谱图 方法表现 依据Swafer方法开发软件所确定的方法条件及各目标组分的标准工作液浓度运行各级标准工作液，得到图8、图9及图10乙醛和联二酮的 标准工作曲线。由图可见，该方法下各目标化合物都具有出色的线性响应。 图8 乙醛的工作曲线 图9 2，3-丁二酮的工作曲线 图10 2，3-戊二酮的工作曲线 表3 给出了该方法对各目标化合物的10次同一实际啤酒样品分析的重现性，得到的各化合物相对标准偏差均处于1.8% ~ 4.1% 。这说明该方法在复杂的样品基体中，对各目标化合物仍具有出色的精密度。 表3 10次同一实际啤酒样品分析获得的乙醛和联二酮的重现性 乙醛 2，3-丁二酮 2，3-戊二酮 分析次数n 10 RSD % 1.77 4.08 3.12 结论 乙醛含量分析和联二酮含量分析是啤酒质量控制中最为重要的两个部分。过去对其的分析需要采用两套 不同的HS-GC分析设配；或合并为同一套设备的两个分析通道时，则需要人为不断将顶空进样器的传输线于不同的进样口间反复地进行拆装。本应用在这一传统的分析中引入了D-Swafer附件，使顶空进样器只连接于一个进样口的前提下，通过序列的编辑即可实现目标分析物在不同分析通道间的自动切换。从而在节约了成本的同时提高了工作效率。同时，新的应用仍然可以得到和传统方法一样出色的目标化合物检出、线性回归和重现性。 对乙醛和联二酮含量的分析是啤酒生产质量控制过程中重要的测试项目，分析多采用HS-GC系统。由于对两者的分析，除都采用顶空进样外，分别需要不同的分析色谱柱及检测器，因此过去的操作一般需要配置两套系统，或一套系统中配置两个分析通道时，须不断地在两个通道间来回进行硬件变更才能实现。本应用采用了PerkinElmer公司最新的Swafer（多通道流路技术）附件连接同一系统中的两个不同分析通道。这样，仅需通过软件的简单设置即可实现样品经顶空进样后在两个分析通道间的自动切换。节约了日常分析的成本，提高了工作效率。