大戟科木薯皮礦物質(zhì)及化學(xué)成分的波譜分析

陳曉明，李開(kāi)綿，臺(tái)建祥，葉劍秋，陸小靜，呂飛杰，*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所，海南 儋州 571737；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京 100081）

大戟科木薯皮礦物質(zhì)及化學(xué)成分的波譜分析

陳曉明1，李開(kāi)綿2，臺(tái)建祥3，葉劍秋2，陸小靜2，呂飛杰3，*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所，海南 儋州 571737；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京 100081）

首次利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜研究木薯皮的礦物質(zhì)的種類及含量，又利用超臨界及傳統(tǒng)提取方法得到木薯皮不同極性部位的化學(xué)成分，并通過(guò)氣—質(zhì)聯(lián)用、紅外光譜、核磁共振技術(shù)等波譜分析方法對(duì)木薯皮化學(xué)成分做了初步定性分析。結(jié)果表明：木薯皮中礦物質(zhì)含量最高的是K，含量最高為1453.29 mg/100 g干重，Ca含量次之，Na含量位居第三；微量元素中Ni含量最高，為87.22 mg/kg干重；木薯皮中檢索匹配度大于90%的化學(xué)成分中檢測(cè)出7-氨基-3-苯基香豆素和東莨菪內(nèi)酯2種香豆素類物質(zhì)，其它重要的化學(xué)成分有β-谷甾醇、乙酰愈創(chuàng)木酮、N,N'-羰基二咪唑、亞硝酸異戊酯等，以上化學(xué)成分均為首次在木薯皮中發(fā)現(xiàn)。

大戟科；木薯皮；化學(xué)成分；等離子體發(fā)射光譜；紅外光譜；氣-質(zhì)聯(lián)用；核磁共振；超臨界CO2

木薯（Cassava），別名木番薯、樹(shù)薯，大戟科（Euphorbiaceae），木薯屬（Manihot）。木薯是灌木狀多年生作物[1]。木薯的主要用途是食用、飼用和工業(yè)上開(kāi)發(fā)利用，塊根淀粉是工業(yè)上主要的制淀粉原料之一。世界上木薯全部產(chǎn)量的65%用于人類食物，是熱帶濕地低收入農(nóng)戶的主要食用作物。作為生產(chǎn)飼料的原料，木薯粗粉、葉片是一種高能量的飼料成分。在中國(guó)主要用作飼料、提取淀粉以及生產(chǎn)工業(yè)酒精。木薯提取淀粉后所殘留的廢棄物包括木薯皮、木薯渣和廢水，其中大量的木薯皮被棄之，而沒(méi)加以利用。目前國(guó)內(nèi)外鮮有關(guān)于木薯皮的化學(xué)成分研究的相關(guān)報(bào)道。但由于木薯屬于大戟科，而大戟大部分植物（如大戟狼毒、蓖麻、麻瘋樹(shù)等）都有一定的生理活性[2]，因此利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-OES）、紅外光譜（FT-IR）、核磁共振（NMR）、氣-質(zhì)聯(lián)用（GC-MS）等先進(jìn)的波譜檢測(cè)手段并結(jié)合超臨界CO2萃取法對(duì)木薯皮的無(wú)機(jī)元素種類和含量及其不同提取部位的化學(xué)成分進(jìn)行了初步分析研究，為木薯的綜合利用奠定基礎(chǔ)，以期更高地提升木薯的附加值。

1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1 原料

試驗(yàn)原料木薯皮由海南省儋州市中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院品質(zhì)資源研究所提供。先將10個(gè)品種（SC-124、SC-205、SC-5、SC-6、SC-7、SC-8、SC-9、SC-10、SC-8013、BRA900）的鮮木薯皮分別在105℃下烘箱殺青，再在50℃下烘干后粉碎過(guò)60目篩，最后等量混合，待用。

1.2 儀器設(shè)備

MAGNA-560傅里葉變換紅外光譜儀：美國(guó)Nicolet公司生產(chǎn)；GC-MS聯(lián)用儀（Finnigen Trace-polaris-Q）：美國(guó)THERMO公司；毛細(xì)管氣相色譜柱（TR-5ms、TR-5和TR-wax）：美國(guó)THERMO公司；HPLC-MS聯(lián)用儀（Waters Alliance 2695 HPLC-ZQ2000 Mass）：美國(guó)Waters公司；超臨界CO2萃取設(shè)備（ISCO SFX-210）：美國(guó)；600M核磁共振（ECA-600）：日本JEOL牌；5300DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）：美國(guó)Pekin-Elmer公司；超聲波清洗機(jī)（BRANSON-2210）：美國(guó)。

2 方法

2.1 礦物質(zhì)及有害重金屬的測(cè)定

利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）分析木薯皮中的無(wú)機(jī)元素種類和平均含量。儀器分析的主要參數(shù)[3-4]為：功率1300W，冷卻氣流量（Ar）15.0L/min，輔助氣流量（Ar）0.02 L/min，載氣流量（Ar）0.08 L/min，蠕動(dòng)泵流量1.5 mL/min。

2.2 木薯皮化學(xué)成分分析

利用超臨界CO2流體萃取木薯皮粉中易揮發(fā)性成分；另外，再通過(guò)一定劑量夾帶劑增大超臨界CO2流體萃取極性成分的能力，以提取較強(qiáng)極性的成分；以及95%乙醇浸提物氯仿萃取部位的分析，這樣就可以將木薯皮中非極性、極性及弱中極性3個(gè)部分的化學(xué)成分萃取出，最后通過(guò)氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）分析，同時(shí)聯(lián)合紅外光譜（FT-IR）、核磁共振（NMR）等檢測(cè)手段，對(duì)木薯皮的化學(xué)成分進(jìn)行了初步分析。

2.2.1 樣品制備

2.2.1.1 超臨界CO2萃取物[5]

木薯皮粉3.5 g，萃取條件為：萃取壓力50 MPa，萃取溫度55 ℃，萃取時(shí)間2 h，CO2流速1.5 mL/min。

2.2.1.2 超臨界CO2夾帶50%的無(wú)水乙醇萃取物

木薯皮粉3.5 g，萃取條件為：萃取壓力50 MPa，萃取溫度55℃，萃取時(shí)間2 h，CO2夾帶50%的無(wú)水乙醇，流速1.5 mL/min。

2.2.1.3 95%乙醇（95%）浸提物氯仿萃取部位

木薯皮粉50g，先用95%乙醇常溫浸提8h，浸提3次，合并浸提液，并減壓濃縮，再將濃縮物用蒸餾水溶解，最后用氯仿溶劑萃取后濃縮得到檢測(cè)樣品。

2.2.1.4 未知晶體

在超臨界CO2夾帶50%的無(wú)水乙醇萃取物濃縮的過(guò)程中析出一種白色方晶。

2.2.2 樣品分析條件

GC-EI-MS分析：氣相條件為毛細(xì)管色譜柱TR-5（30 m×0.25 mm×0.25μm）；進(jìn)樣口溫度：250℃；不分流進(jìn)樣，溶劑為氯仿（色譜級(jí)），進(jìn)樣量1 μL，載氣流量：恒流1 mL/min；

質(zhì)譜條件：EI源溫：250℃，接口溫度280℃，質(zhì)量掃描范圍40-650，溶劑延遲時(shí)間3 min。

紅外光譜（FT－IR）條件[6]:分辨率：4 cm-1；掃描次數(shù)20；光譜范圍：4000 cm-1～400 cm-1；

核磁共振（NMR）條件：600 MHz，溶劑為氘代二甲基亞砜（DMSO-D6）。由北京清華大學(xué)化學(xué)系分析中心核磁共振實(shí)驗(yàn)室完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 礦物質(zhì)及有害重金屬含量

通過(guò)等離子體-原子發(fā)射光譜（ICP-OES）測(cè)定木薯皮礦物質(zhì)及有害金屬含量的結(jié)果詳見(jiàn)表1。可以看出，木薯皮中大量元素有K、Na、Ca、Mg、P、S，其中K含量最高，為1453.29 mg/100 g干重；Ca含量次之，為898.23 mg/100 g干重；Na含量最低為26.26 mg/100 g干重，Na含量較K含量低很多，Na/K比例小，約為1∶55，從植物生理學(xué)角度看，木薯皮的“高鉀低鈉”特點(diǎn)說(shuō)明木薯適合在高鈉鹽土壤（鹽堿地）生長(zhǎng)，并且抗逆能力較強(qiáng)。因?yàn)檫m當(dāng)提高鉀含量能促使作物較好地利用氮，增加蛋白質(zhì)的含量，并能促進(jìn)糖分和淀粉的生成；可以增強(qiáng)產(chǎn)品抗碰傷和自然腐爛能力，延長(zhǎng)貯運(yùn)期限；可以提高作物抗逆性，如抗旱、抗寒、抗倒伏、抗病蟲(chóng)害侵襲的能力。

表 1 木薯皮礦物質(zhì)及有害金屬含量Table 1 The average content of minerals and harmful heavy metals of Cassava peel

木薯皮中微量元素Ni含量最高，為87.22 mg/kg干重，Se含量為6.98 mg/kg干重，僅次于Ni。此外Co含量也偏高，為4.67 mg/kg干重。木薯皮中Ni含量較高可能與其生長(zhǎng)的土壤本身Ni含量有關(guān)，根據(jù)文獻(xiàn)[7]“海南省地處熱帶地區(qū),土壤鎳含量為0.74 mg/kg～178.31 mg/kg，平均20.32 mg/kg，海南土壤鎳含量的地理分異是自北而南,自東向西呈減少現(xiàn)象,山地土壤自基帶到黃壤帶呈增加的傾向。”

3.2 木薯皮化學(xué)成分檢測(cè)分析結(jié)果

3.2.1 超臨界CO2萃取物檢測(cè)結(jié)果

超臨界CO2萃取物檢測(cè)結(jié)果，見(jiàn)圖1。

木薯皮超臨界CO2萃取物中共檢測(cè)出30種化合物，通過(guò)自動(dòng)質(zhì)譜去卷積定性系統(tǒng)（AMDIS）解決雜質(zhì)干擾問(wèn)題，并檢索NIST2005譜庫(kù)定性，最后鑒定出9種檢索匹配度（PRO）大于90%的化合物，檢測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表2。

其中包括1種烷烴類化合物（十三烷）；1種有機(jī)酸（丁基乙醛酸）；2個(gè)含N化合物（N，N＇－羰基二咪唑、亞硝酸異戊酯）；2個(gè)酮類化合物[2，6雙（叔）－2，5－環(huán)己二烯-1,4-二酮、2，2-二甲基-3-己酮]；1個(gè)酯類化合物（己二酸，二己酯）；2個(gè)酚類化合物[2，2＇－亞甲基雙－（4－甲基－6－叔丁基苯酚）、己基間苯二酚]。

其中1，1-羰基二咪唑，是一種重要的醫(yī)藥中間體，廣泛用做酶和蛋白質(zhì)黏合劑，抗生素類合成藥物中間體，咪唑類農(nóng)藥，特別適于作合成多肽化合物的鍵合劑使用；2，2＇－亞甲基雙－（4－甲基－6－叔丁基苯酚），是一種通用酚類抗氧劑，對(duì)氧、熱引起的老化和日光造成的龜裂有防護(hù)性能。廣泛用于天然橡膠、合成橡膠、膠乳及其他多種合成材料和石油制品中作抗氧劑；亞硝酸異戊酯，作為一種藥物，是作用最快的亞硝酸酯類短效血管擴(kuò)張劑，還用作氫氰酸及其鹽類中毒的解毒劑。也用作合成香料、重氮化物的溶劑及氧化劑以及制取亞硝基化合物及重氮鹽的試劑。

表 2 木薯皮超臨界提取物化學(xué)成分Table 2 The chemical composition of supercritical carbon dioxide extraction of Cassava peel

3.2.2 超臨界CO2夾帶50%乙醇萃取物檢測(cè)結(jié)果

超臨界CO2夾帶50%乙醇萃取物檢測(cè)結(jié)果，見(jiàn)圖2。

從木薯皮超臨界CO2萃取物中共檢測(cè)出25種化合物，通過(guò)自動(dòng)質(zhì)譜去卷積定性系統(tǒng)（AMDIS）解決雜質(zhì)干擾問(wèn)題，并檢索NIST2005譜庫(kù)定性，最后鑒定出6種檢索匹配度（PRO）大于90%的化合物，檢測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表3。

其中酮類化合物有2種[2，6雙（叔）－2，5－環(huán)己二烯－1，4－二酮、2，2－二甲基－ 3－己酮]；醇類化合物有1種（二丙酮醇）；含氮化合物2種（3，5－二氨基－1，2，4－三唑、2－硝基丙烷）；酚類化合物1種（己基間苯二酚）。

表 3 超臨界夾帶50%乙醇提取物化學(xué)成分Table 3 The chemical composition of supercritical CO2carrying 50%ethanol extraction of the Cassava peel

3.2.3 乙醇（95%）浸提物氯仿萃取部位成分檢測(cè)結(jié)果

乙醇（95%）浸提物氯仿萃取部位成分檢測(cè)結(jié)果，見(jiàn)圖3。

從木薯皮超臨界CO2萃取物中共檢測(cè)出25種化合物，通過(guò)自動(dòng)質(zhì)譜去卷積定性系統(tǒng)（AMDIS）解決雜質(zhì)干擾問(wèn)題，并檢索NIST2005譜庫(kù)定性，最后鑒定出9種檢索匹配度（PRO）大于90%的化合物，檢測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表4。

其中具有藥用價(jià)值的化合物有：2種香豆素類化合物（7-氨基-3-苯基香豆素、東莨菪內(nèi)酯）；1種甾體類化合物（β-谷甾醇）；一種酮類化合物（乙酰愈創(chuàng)木酮）。

其中東莨菪內(nèi)酯具有祛風(fēng)、抗炎、止痛、祛痰作用；β-谷甾醇具有降血脂、抗癌、抗炎癥等作用。乙酰愈創(chuàng)木酮，別名叫乙酰香草酮、香草酮、羅布麻寧等，藥理實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)家兔有利膽作用。對(duì)大鼠子宮有收縮作用，對(duì)蛙心有抑制作用，具有抗關(guān)節(jié)炎活性，可作為抗氧化劑。

3.2.4 未知晶體結(jié)構(gòu)鑒定

在用無(wú)水乙醇作夾帶劑的情況下，超臨界CO2萃取物用無(wú)水乙醇溶解，在50℃水浴中自然揮干的過(guò)程中，有白色方形晶體出現(xiàn)。通過(guò)紅外光譜分析并檢索譜庫(kù)，得出該晶體與蔗糖有97.4%的相似度，紅外譜圖見(jiàn)圖4。

為了進(jìn)一步確認(rèn)未知晶體化合物的結(jié)構(gòu)，又通過(guò)核磁共振（1H譜、13C譜）分析定性，核磁共振圖見(jiàn)圖5、圖6。

其中13C－NMR（600 MHz，DMSO－D6）δ：104.6（C－2′），92.2（C－1），83.1（C－3′），77.6（C－4′），74.8（C－5′），73.4（C－3），73.3（C－2），72.1（C－5），70.3（C－4），62.60（C－1′），62.62（C－6′），61.0（C－6），與參考文獻(xiàn)[8]數(shù)據(jù)基本一致，故未知晶體被確認(rèn)為蔗糖。

表 4 95%乙醇提取物的氯仿萃取部位化學(xué)成分Table 4 The chemical composition of chloroform extraction of 95%ethanol extraction of Cassava peel

4 結(jié)論及展望

木薯皮中主要的礦物質(zhì)元素K、Na、Ca，其中K含量最高，Ca含量次之，Na含量位居第三。木薯皮中微量元素Ni含量最高，可能與其生長(zhǎng)土壤有關(guān)。

利用氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用技術(shù)檢測(cè)木薯皮化學(xué)成分，通過(guò)自動(dòng)質(zhì)譜去卷積定性系統(tǒng)（AMDIS）解決雜質(zhì)干擾問(wèn)題，并檢索NIST2005譜庫(kù)定性，其中檢索匹配度（PRO）大于90%的化合物中利用價(jià)值較大的主要有：7-氨基-3-苯基香豆素、東莨菪內(nèi)酯、β-谷甾醇、乙酰愈創(chuàng)木酮、N,N'-羰基二咪唑、亞硝酸異戊酯。

本文首次對(duì)木薯皮中的的化學(xué)成分做了初步定性分析，定量分析將在以后的研究過(guò)程中完成。在此次研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)匹配度（PRO）60%～90%之間的化合物中還含有多種生物堿、香豆素等重要的活性物質(zhì)。所以今后要對(duì)木薯皮的化學(xué)成分做進(jìn)一步的分離純化以及相關(guān)的活性實(shí)驗(yàn)，以期不斷完善對(duì)木薯皮的化學(xué)成分及生理活性的研究。

[1]中國(guó)科學(xué)院中國(guó)植物志編輯委員會(huì).中國(guó)植物志[M].第44卷,第2分冊(cè).北京:科學(xué)出版社出版,1996:172-174

[2]李同琴,郭秋紅.田質(zhì)芬.大戟科植物藥用歷史沿革及價(jià)值的探討[J].中醫(yī)藥學(xué)刊，2003，21(8)：1349-1350

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The Minerals and Chemical Composition of the Spectrum Analysis of the Tegumen of Cassava of Euphorbiaceae

CHEN Xiao-ming1，LI Kai-mian2，TAI Jian-xiang3，YE Jian-qiu2，LU Xiao-jing2，Lü Fei-jie3，*

（1.The College of Food Science＆ Nutritional Engineering of China Agricultural University，Beijing 100083，China；2.Tropical Cropos Genetic Resources Institute of Chinese Academy of Tropical Academy of Agricultrual Sciences，Danzhou 571737，Hainan，China；3.The Crop Science Institute of the Chinese Academy of Agricultrual Sciences，Beijing 100081，China）

The types and content of minerals in the Cassava peel were researched by Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer（ICP－OES）；different polar parts of cassava tegumen chemical composition were extracted throuth making use of Supercritical carbon dioxide and conventional extraction methods，and analysed by gas chromatography－massspectrometry（GC－MS），infrared spectroscopy，nuclear magnetic resonance（NMR）for the first time.The results showed that：Cassava peel mineral content is the highest K content of up to 1453.29 mg/100 g dry weight，Ca content in the second，Na content in third；Ni content of up to 87.22 mg/kg dry weight in the trace elements.7－Amino－3－phenylcoumarin and Chrysatropic acid are detected in the matching more than 90%of the chemical composition.Other important chemical ingredients were β －sitosterol，acetoguaiacone，1，1＇－Carbonyldiimidazole，Isoamyl nitrite，etc.The above chemical composition were found in the first time in cassava tegumen.

Euphorbiaceae；cassava peel；chemical components；ICP －OES；FT －IR；GC －MS；NMR；supercritical carbon dioxide

國(guó)家木薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（編號(hào):nycytx-17）；國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（nyhyzx07-013）

陳曉明（1977—），男（漢），在讀博士研究生，研究方向：天然產(chǎn)物研究與開(kāi)發(fā)。

*通信作者：呂飛杰（1943—），男（漢），研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向：大宗農(nóng)產(chǎn)品加工及天然產(chǎn)物研究。

2011-04-17