利用TIMS-MS、环糊精加合物和计算化学方法对肉桂酸衍生物进行结构解析和定量分析

《Food Chemistry》：Structural elucidation and quantitative analysis of cinnamic acid derivatives using TIMS-MS, cyclodextrin adducts, and computational chemistry

本研究开发了一种快速TIMS-MS结合计算化学的方法，用于高效分离和定量三种肉桂酸衍生物异构体（2/4-羟基、α/β-甲基、o/m/p-甲氧基肉桂酸），通过形成具有不同碰撞截面的非共价三元复合物（环糊精-金属离子-分析物），实现分辨率达1.05，检测限≤3.27 ng/mL，在复杂基质中验证了其准确性和适用性，为食品质量控制提供新策略。

　　

Xueqian Sun|Ziyu Qu|Di Zhang|Chuan-Fan Ding|Fangling Wu

中国浙江省宁波市宁波大学材料科学与化学工程学院质谱研究所，315211

摘要

本研究开发了一种结合计算化学的快速TIMS-MS方法，用于区分和定量三组肉桂酸衍生物（CAD）异构体：2/4-羟基肉桂酸（2/4-HCA）、α/β-甲基肉桂酸（α/β-MCA）和o/m/p-甲氧基肉桂酸（o/m/p-MCA）。分离过程利用了α-、β-和γ-环糊精（CDs）与金属离子形成的独特非共价复合物。在最佳条件下，该方法实现了出色的分辨率（R_p-p高达1.05），尤其是对于[2/4-HCA?+?α-CD?+?Mg-H]⁺和[o/m/p-MCA?+?α-CD?+?Mg-H]⁺复合物。计算分析证实了构象差异和非共价相互作用位点，与实验结果高度一致（误差≤3.46%）。该方法具有较高的检测限（LOD）≤3.27?ng·mL^?1、线性（R²?>?0.99），并成功定量了菠萝叶和肉桂粉中的CAD异构体，回收率良好（≥80.60%），相对标准偏差（RSD）精度高（RSD ≤5.75%）。通过避免化学衍生化和色谱分离，我们的方法为生物活性食品成分的直接分析提供了一个快速简便的平台，对食品质量控制具有巨大潜力。

引言

肉桂酸衍生物（CADs）作为植物源食品中的关键酚类化合物，其生物活性与其结构特征密切相关（De等人，2011年）。研究表明，取代基的类型、位置和构型显著影响其功能特性：例如4-羟基肉桂酸（4-HCA）表现出显著的抗氧化和抗癌活性，而o-甲氧基肉桂酸（o-MCA）由于潜在的肝毒性被欧洲食品安全局列为高优先级监测物质（Zheng等人，2008年；EFSA食品接触材料、酶、调味剂和加工助剂小组（CEF），2011年）。值得注意的是，尽管合成异构体α-甲基肉桂酸（α-MCA）与天然存在的微量化合物β-甲基肉桂酸（β-MCA）具有相同的分子式（C??H??O?），但它们的代谢途径存在显著差异——前者会产生肾毒性苯丙酰乳酸（导致肌酐清除率降低30%），而后者则安全转化为马尿酸（Ruwizhi & Aderibigbe，2020年）。这种隐蔽的毒性使α-MCA成为调味品掺假的高风险物质。此外，加工条件也可能导致2-羟基肉桂酸（2-HCA）在酸性加热下环化为高毒性的香豆素，而4-羟基异构体（4-HCA）则表现出优异的热稳定性，并能有效抑制油炸食品中的丙烯酰胺形成，这突显了结构变化对食品安全的严重影响（Gallardo等人，2006年）。

随着食品工业的快速发展，供应链中CADs的存在变得越来越复杂，包括天然香料的广泛使用（如肉桂、香草）、加工过程中的化学转化以及潜在的非法掺假行为。这种复杂性使得精确监测成为食品安全的核心挑战。然而，由于结构异构体（如具有不同取代基位置的CADs）具有高度相似的物理化学性质，传统方法（如高效液相色谱（HPLC）、常规质谱（MS）在分析上常常遇到困难，导致分离困难和鉴定不明确（Tani等人，2019年；Zhang等人，2020年）。尽管色谱-质谱技术（如HPLC-MS）具有高灵敏度，但它们对结构相似异构体的分辨率仍然有限，通常需要复杂的样品制备或衍生化步骤，这限制了实际应用效率。因此，开发高度特异性和高通量的分析方法以准确区分CAD异构体已成为食品安全检测中的一个关键研究方向。

近年来，基于离子迁移谱（IMS）的质谱技术为食品中异构化合物的精确区分提供了革命性的方法，利用了它们独特的二维迁移率-电荷比分离能力（Gabelica & Marklund，2018年；Przybylski & Bonnet，2021年）。在这些技术中，陷阱离子迁移谱（TIMS）通过精确控制电场梯度实现了高效的离子捕获和选择性释放（Dodds & Baker，2019年）。TIMS-MS在食品化学中的最新应用，如蜂蜜中三糖的鉴别（Przybylski & Bonnet，2021年）、水果基质中花青素的表征（Schnitker等人，2024年）以及环糊精-维生素C复合物的研究（Ozturk等人，2025年），凸显了该技术在解决异构化合物方面的巨大潜力。本研究将这些方法扩展到肉桂酸衍生物，为食品相关酚类化合物提供了新的见解。

然而，目前关于肉桂酸衍生物（CAD）异构体分离的研究仍存在显著局限性：首先，现有文献主要集中在简单的酚酸上，而对复杂取代的CAD异构体（如多取代的甲氧基/羟基系统）的系统研究仍然很少。其次，位置异构引起的构象变化（如邻位取代产生的分子内氢键）与离子迁移行为之间的定量关系尚未阐明，这阻碍了预测模型的发展（Fiuza等人，2004年；Kopjar等人，2021年）。此外，对复杂食品基质（如香料提取物）如何影响TIMS分离效率的系统评估也明显不足。

为了解决TIMS-MS在分离异构化合物时的固有分辨率限制，一种创新策略是利用主客体相互作用将略有不同的异构分子转化为具有显著不同结构特征的主客体复合物，从而放大它们的分离特性（Lin等人，2025年；Yan等人，2024年）。这种方法侧重于使用大环主分子选择性识别客体异构体，通过空间位阻效应或构象锁定机制显著改变它们的碰撞截面（CCS）和迁移行为。常用的环糊精（CDs）、n葫芦脲（CBs）、冠醚、杯芳烃（Cong等人，2011年；Mohamadhoseini & Mohamadnia，2021年；Wu等人，2022年）等大环主分子。

环糊精（CDs）是由α-(1,4)-连接的d-葡萄糖单元组成的环状寡糖，形成截锥形的巨环结构，具有疏水内腔和亲水外表面（Del Valle，2004年）。三种最常见的类型——α-、β-和γ-CD分别由6个、7个和8个葡萄糖单元组成，腔体直径从0.5?nm（α-CD）到1.0?nm（γ-CD）不等。它们的独特结构使其能够通过非共价相互作用（范德华力、疏水效应和氢键）与疏水客体分子（如芳香环或烷基链）选择性结合（Cid-Samamed等人，2022年；Crini，2014年）。因此，CDs因其能够与多种分子形成选择性包合物而在分离科学和食品分析中得到广泛应用。

鉴于当前的色谱和质谱技术通常涉及复杂的样品制备或衍生化步骤，或者耗时较长，本研究提出了一种基于TIMS-TOF平台的策略，用于高效分离三组代表性的CAD异构体（图S1）。通过使用α、β、γ-CD作为分离试剂（图S2中的结构），我们利用它们独特的腔体结构与目标分子形成非共价复合物，并通过金属离子配位进一步调节构象差异。使用协同作用的三元复合物（分析物-CD-金属）是一种战略性的进步，旨在为挑战性异构体创造更刚性、更特定的结合环境，从而提高分辨率（Liu等人，2022年）。此外，通过结合理论计算，我们系统阐明了取代基位置、分子构型和CCS之间的相关性，提供了分子层面的迁移分离机制见解。此外，我们建立了这些异构体的定量分析方法，并验证了其在复杂食品基质中的适用性。这项工作不仅为准确鉴定CAD类型异构体提供了技术支持，还为扩展TIMS-MS在食品分析中的应用范围奠定了方法论基础。

材料与试剂

2-羟基肉桂酸（2-HCA，98%，MW：164.16?g·mol^?1）、4-羟基肉桂酸（4-HCA，98%，MW：164.16?g·mol^{?1?1）购自Macklin Biochemical Technology Co., Ltd.（中国上海）。3-甲氧基肉桂酸（m-MCA，98%，MW：178.18?g·mol?1）、α-甲基肉桂酸（α-MCA，99%，MW：162.19?g·mol?1）、α-CD（98%，MW：972.84?g·mol?1?1?1）购自}

利用TIMS-MS直接分析CAD异构体

对α-MCA/β-MCA、2-HCA/4-HCA和o-/m-/p-MCA异构体进行了初步分析，未添加任何添加剂。如图1a–c所示，质量谱中观察到明显的峰位于 162.19、164.16和178.18，分别对应于去质子化的分子[α/β-MCA-H]^?、[2/4-HCA-H]^?和[o/m/p-MCA-H]^?。离子迁移谱（图1d–f）显示了分离挑战，α/β-MCA异构体的峰完全重叠（R_????=?0），分离度极低（R

结论

在本研究中，我们使用TIMS-MS和计算化学方法成功鉴定并表征了三组异构分子：2/4-HCA、α/β-MCA和o/m/p-MCA。这些异构体的区分是通过与α-、β-和γ-CDs及金属离子形成结构不同的非共价复合物实现的，随后通过TIMS-MS进行分离。结果表明，分离效率取决于所使用的特定金属离子和CD。

CRediT作者贡献声明

Xueqian Sun：撰写——初稿、软件、方法学、数据分析。Ziyu Qu：软件、方法学、数据分析。Di Zhang：软件、方法学、数据分析。Chuan-Fan Ding：撰写——审稿与编辑。Fangling Wu：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、监督、软件、项目管理、方法学、资金获取、数据分析、概念化。

未引用参考文献

?ztürk等人，2025年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了宁波市自然科学基金（2023J378）的支持。