Хроматографический анализ эфирных и жирных масел.

Хроматографический анализ эфирных масел.

Является наиболее перспективным и наиболее информативным при исследовании эфирных масел. Газо-жидкостная хроматография (ГЖХ) – это эффективный способ разделения и установления количественных отношений в составе эфирных масел. 

Для проведения хроматографии с помощью микрошприца в узкую кварцевую капиллярную трубку (внутренний диаметр 0.25 мм) длиной 30 метров испаряют (при температуре 250⁰С) небольшую пробу (0.001 мкл) эфирного масла. Под действием постоянно протекающего через эту трубку газа-носителя (обычно гелий, водород или азот) эфирное масло в виде пара движется по трубке. Одновременно температура колонки повышается от 50⁰С до 220⁰С со скоростью 3-4 градуса/мин. Внутренняя поверхность трубки (которая называется колонка) покрыта тонким слоем (0.25 микрон) нейтральной жидкости полимерной природы (жидкая фаза, имеющая свое кодовое название, например, SE-30 или Carbowax 20M, отражающее хроматографические свойства фазы). Такая хроматография называется газо-жидкостной. 

Компоненты эфирного масла имеют различное адсорбционное сродство к жидкой фазе из-за чего скорость продвижения вдоль колонки веществ, составляющих эфирное масло отличается друг от друга. В результате компоненты выходят из колонки в виде отдельных веществ. Обычное время анализа эфирного масла не более 30-40 мин. В современных методиках отдельное вещество может выходить в течение 3-7 секунд. Таким образом за время анализа можно обнаружить сотни веществ. Эти вещества различными методами детектируются. 

Основным методом обнаружения веществ, выходящих из колонки является ионизационно-пламенное детектирование. С этой целью выходной конец колонки вставляется в детектор, представляющий собой тонкое сопло с непрерывно горящим пламенем водорода. Поступающие в пламя вещества ионизируются под действием высокой температуры и обнаруживаются по появлению этих ионов. Количество ионов пропорционально количеству вещества в пламени. 

В результате проведения хроматографического анализа получают хроматограмму, то есть графическое изображение состава эфирного масла в виде пиков. Размеры пика указывают на количество вещества в пробе. Количественные соотношения (обычно виде процентного отношения) рассчитываются автоматически с помощью специальных калькуляторов или с помощью компьютера. На рисунке приведена хроматограмма эфирного масла из цветков хризантемы: 

Основная проблема хроматографии – идентификация отдельных пиков, то есть расшифровка состава эфирного масла на основании данных, полученных в результате хроматографирования.

Так как время выхода различных компонентов эфирных масел отличается друг от друга, естественным способом их идентификации является использование этого времени, как постоянной для всех веществ. Использование этого метода имеет существенное ограничение, так как время выхода сильно зависит от условий хроматографирования (главным образом, давления газа и температуры) и поэтому используется очень редко в строго постоянных условиях работы хроматографической системы, с эфирными маслами, состав которых известен. Полученные результаты верны обычно только в пределах одной лаборатории и даже прибора. 

Более универсальным методом использования времени как хроматографической постоянной являются индексы удерживания Ковача (Kovach's retention index). Эти индексы рассчитываются по данным времени удерживания неизвестных веществ и веществ-стандартов, для которых индексы удерживания приняты постоянными. В качестве таких стандартов выбраны нормальные алканы. Например, индекс удерживания декана (алкана с 10 атомами углерода) принят как 1000, ундекана (11 атомов углерода) - 1100 и так далее. Если теперь взять неизвестное вещество и прохроматографировать в присутствии декана и ундекана, то в случае, если это неизвестное вещество выйдет по времени между этими стандартами, то его индекс удерживания будет располагаться между 1000 и 1100. Для более точных (но упрощенных) расчетов измеряют разность времен удерживания (Δ T=T₂-T₁) и разность индексов удерживания двух стандартных алканов (Δ RI=RI₂-RI₁), а также время удерживания неизвестного вещества (T) и вычисляют его индекс удерживания (RI) по формуле:

RI=RI₁+ΔRI/ΔT_*(T-T₁)

Индекс удерживания является характеристикой определенного вещества в условиях хроматографирования на определенной жидкой фазе. Полученные индексы удерживания  имеют универсальный характер и не зависят от динамических условий хроматографирования.  Если говорить более точно, условия хроматографирования (температурные градиенты в процессе анализа, природа газа-носителя) слегка изменяют значение индексов удерживания. Но эти отклонения составляют не более 0.5 единиц для неполярных фаз и не более 5-8 - для полярных фаз. 

Результаты хроматографического анализа представляют в виде таблицы веществ, составляющих эфирное масло с указанием индекса удерживания для каждого вещества и процентного содержания каждого компонента.

Конечно, когда разделяемые вещества имеют близкие индексы удерживания, условия хроматографирования могут привести к наложению пиков, что хорошо заметно при работе на высокоразрешающих капиллярных колонках. Тогда возникает необходимость коррекции условий анализа. Например, на неполярной фазе SE-30 при применении газа-носителя азота происходит неполное разделение пиков пара-цимена, 1,8-цинеола и цис-β-оцимена. Использование водорода дает полное разделение этих веществ. При этом применение азота на неполярной фазе удобно для разделения триплета нерол, нераль и цитронеллол, тогда как применение водорода приводит к почти полному наложению этих пиков. 

Различные режимы программирования температуры в ходе анализа также влияет на индексы удерживания. Некоторые вещества имеют "плавающие" индексы удерживания. Это происходит в случае, если проба содержит большое количество растворителя. В зависимости от величины пробы растворитель в большей или меньше степени как бы "притягивает" некоторые вещества, изменяя их индекс удерживания. Например, этилацетат в присутствии большого количества этилового спирта уменьшает свой индекс удерживания (до 10 единиц) и может совмещаться с бутанол-2 (при анализе компонентов коньячного спирта).

Обычная хроматография имеет ограниченные возможности идентификации. Появление масс-спектрометрического детектора сделало возможным проводить идентификацию компонентов эфирного масла автоматически, в ходе выполнения аналитического цикла. Такие хроматографы сочетающие обычный хроматограф (GC) и масс-спектрометрический детектор (MS) получили название хромато-масс-спектрометра (ХМС, GCMS – gas-chromatography-mass-spectrometry). Обычная стоимость хроматографа 10,000-50,000$, стоимость хромато-масс-спектрометрического детектора 150,000-250,000$. При идентификации компонентов методом MS выходящие из колонки вещества не попадают в горящее пламя водорода, а направляются в поток электронов, имеющих стандартную энергию (70 эв). Эти электроны разбивают молекулу вещества на заряженные осколки, состав, заряд и количество которых в стандартных условиях для каждого вещества является постоянным. Эта информация хранится в виде баз данных в компьютерах, обслуживающих работу GCMS. Размер такой библиотеки масс-спектров может составлять более 220000 веществ. 

В процессе хроматографического разделения по мере выхода веществ из колонки происходит непрерывная их бомбардировка электронами, получение масс-спектра, сравнение его с базой данных и выдача результатов. Обычно результаты GCMS представляют собой ряд предложений по идентификации в виде альтернативных формул веществ. Задача исследователя – отобрать из них наиболее приемлемый вариант. При этом пользуются законами взаимосвязи компонентов в эфирных маслах. Например, если в эфирном масле идентифицирован линалилацетат и не найден линалоол, то это не является правильным выбором (или надо искать линалоол). Аналогично, если идентифицирован нерол, а отсутствует гераниол (эти два вещества всегда присутствуют вместе), то такая идентификация сомнительна (или надо искать гераниол). Часто тимол сопровождает карвакрол, пара-цимен и гамма-терпинен, пинокамфон - изопинокамфон и т. д. Взаимосвязи компонентов в эфирных маслах обусловлены биогенетическими связями и существующими в растениях достаточно однообразными биохимическими процессами, которые связывают все компоненты эфирных масел в единый биологический цикл. Знание таких процессов позволяет избежать ошибок при идентификации. 

Частая ошибка идентификации - ложные пики, образующие как артефакты при выделении эфирных масел (остатки от предыдущей пробы, примеси в растворителях, продукты разложения жидкой фазы в колонках). Такие "находки" следует ждать всегда. По крайней мере надо хорошо представлять возможный химический состав хроматографируемого объекта и упредить появление возможных "фантомов".

Кроме того каждый компонент, идентифицированный с помощью хромато-масс-спектрометра должен быть сверен со своим индексом удерживания и лишь на основании такой всесторонней оценки делается вывод об окончательной идентификации. 

Иногда для получения вспомогательной информации (для уточнения идентификации) проводят хромато-ольфактометрию профиля компонентов эфирных масел. Для этого в процессе хроматографического анализа выходной конец хроматографической колонки обнюхивают. Выходящие последовательно компоненты эфирного масла оцениваются экспертами качественно. Наиболее интересные вещества идентифицируются для возможности дальнейшего их синтеза и использования для создания парфюмерных композиций. Этим методом, удается четко и наглядно представить себе вклад отдельных составляющих эфирного масла в его аромат. Так было установлено, что в состав эфирного масла розы входят на уровне миллионных долей органические сульфиды, гнилостный запах которых иногда удается почувствовать в некоторых образцах эфирного масла розы. Не следует думать, что "плохой" запах - это плохо. Среди компонентов эфирных масел многих цветочных растений (жасмин, например) содержатся производные индола, имеющие в чистом виде запах человеческих экскрементов. Но при содержании на уровне 0.001% они имеют запах очень похожий на запах жасмина.

Большая база данных по запаху и индексам удерживания различных веществ, входящих в состав ароматических продуктов находится на сайте  Mottram D.S. (университет в Рединге, Великобритания) по адресу http://www.mottram.uklinux.net/

Рассмотрим пример. Поступил образец масла жожоба (на самом деле жожоба – это не масло, а растительный воск) для проверки чистоты от других жирных масел.