4種山姜屬植物的傅里葉變換紅外光譜分析

劉艷等

摘要

利用傅里葉變換紅外光譜儀測試了草豆蔻、紅豆蔻、云南草蔻、長柄山姜的紅外光譜圖，分析比較其圖譜的差異，再結合原始紅外光譜，根據各種化學鍵和官能團振動所引起的吸收峰形狀和強度對山姜屬植物所含的化學成分以及藥理活性進行分析，由此進一步探討山姜屬植物的功效。結果表明，4種姜科植物的紅外圖譜峰形、峰位大體相似，化學物質大體相同，均有揮發(fā)油、強心苷、β-谷甾醇、二苯基庚烷、黃酮、鞣質、多糖、氨基酸等；但1 600～1 400、1 300～1 000 cm-1范圍的峰形、峰強差異明顯，利用此波段的二階導數(shù)進行相關性分析，得出云南草蔻與草豆蔻的相關系數(shù)最大、關系最近。

關鍵詞傅里葉變換紅外光譜；山姜屬植物；吸光度；光譜差異

中圖分類號S567；O657.33文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）24-049-03

山姜屬植物（Alpinia）是姜科姜亞科姜族的一大屬，全世界約有250種植物，主要分布于亞熱帶地區(qū)。該屬植物具有重要的藥用價值，特殊的辛香氣味，含有多種有效成分，有散寒燥濕、消食止痛、暖胃止嘔等傳統(tǒng)功效，還具有抗癌、抗血栓、降血壓血脂血糖、抗氧化等藥理活性，臨床上常用于脾胃寒證、胃寒嘔吐、食積不化等癥。紅豆蔻（A. galanga（L.）Willd）、云南草蔻（A. blepharocalyx K.Schum）、草豆蔻（A. katsumadae Hayata）、長柄山姜（A. kwangsiensis T.l.Wu & Senjen）是姜科姜亞科山姜屬植物，草豆蔻、紅豆蔻等已被收錄于中國藥典。近年來對山姜屬植物的研究多集中在藥物化學成分、藥理活性、單一化合物的提取等，所用到的方法有蒸餾法提取法、氣相-質譜聯(lián)用法（GC-MC）、高效液相色譜方法（HPLC）等。與研究藥物生物活性的方法相比，傅里葉變換紅外光譜法具有操作簡單、靈敏度高、用樣少、制樣簡單、重復性好等優(yōu)點。筆者在此將利用傅里葉紅外光譜法對草豆蔻、紅豆蔻、云南草蔻、長柄山姜4種山姜屬植物的紅外光譜進行比較分析，為其合理的開發(fā)利用提供參考。

1材料與方法

1.1試驗儀器

紅外光譜儀為Thermo Scientific NicoletTMiSTM 5 spectrometer傅里葉變換紅外光譜儀，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)16次。

1.2試材

草豆蔻、紅豆蔻、云南草蔻、長柄山姜，采自于西雙版納。

1.3 樣品制備、檢測及數(shù)據處理

樣品清洗后晾干，經粉碎后過100目篩，取適量進行研磨成粉末，按1∶100加入溴化鉀攪磨均勻，壓片測紅外光譜。同一種植物測4次，用于計算平均光譜。光譜均扣除溴化鉀背景，光譜數(shù)據用Omnic8.0軟件處理。

2 結果與分析

2.14種山姜屬植物的紅外圖譜

4種山姜屬植物的原始紅外光譜圖如圖1所示，其各吸收峰的峰位及官能團振動方式以及歸屬如表1所示。為了進一步分析它們之間的異同，將1 600～1 400、1 300～1 000 cm-1波段進行二階導數(shù)處理（圖2）。二階導數(shù)譜最大的優(yōu)勢就是將原來重疊的峰區(qū)分

開來，增加圖譜分辨率，將原來重疊的特征峰分為多個吸收

2.24種山姜屬植物的紅外光譜對比分析

2.2.1

相似性。從圖1可以看出，4種藥材在3 417、1 636、1 045 cm-1附近有強峰出現(xiàn)，在2 927、1 733、1 516、1 457、1 419、1 397、1 369、1 327、1 253、1 152、1 102、1 069、898 cm-1附近均有吸收峰出現(xiàn)。姜的主要化學成分復雜，有100多種，根據近年來對該屬植物化合物的研究，其主要的化學成分為揮發(fā)油類、黃酮類和二苯基庚烷類化合物等，以此作為參考，由4種植物的紅外光譜結合文獻[5-14]，對其物質成分及藥理活性作如下分析：

（1）在3 000～2 800 cm-1范圍內是飽和烷烴的特征譜帶，為亞甲基碳氫伸縮振動，是揮發(fā)油類特征的表現(xiàn)。4種植物在2 927、2 854 cm-1附近有吸收峰出現(xiàn)，可推測含有揮發(fā)油。4種藥材在1 733 cm-1附近有C=O的吸收峰，在1 045～1 029 cm-1附近有強度較強、峰形尖銳的吸收峰，均伴有1 102 cm-1附近的肩峰，說明分子中含有大量C-O基團，表明山姜屬植物中含有強心苷成分，有加強心肌收縮力的作用。在1 369、1 253 cm-1附近有C-O鍵伸縮振動所導致的吸收峰，表明其中含有萜類物質，屬于含氧衍生物。萜類化合物有溶血作用，能疏通血脈、祛除瘀血，這充分驗證了藥材已有的抗血栓藥理活性。芳香雜環(huán)的骨架振動在1 600～1 500 cm-1范圍內，四者均出現(xiàn)了1 516 cm-1吸收峰，表明山姜屬植物含有芳香族化合物。在2 927、2 854、1 733 cm-1附近四者均出現(xiàn)了脂類的紅外特征峰，表明其含有脂肪族化合物。揮發(fā)油主要是由芳香族化合物、萜類化合物、脂肪族化合物組成的，因此，植物中含有大量的揮發(fā)油。揮發(fā)油具有抑制血小板聚集、預防血栓形成的作用，能夠改善局部血液循環(huán)。揮發(fā)油中的含氧衍生物大多有較強的香氣和生物活性，是醫(yī)藥、化妝品工業(yè)的重要原料。

（2）圖1中，4種植物在3 417、1 419、1 397、1 327、1 253、1 045 cm-1附近的吸收峰有官能團羥基苯環(huán)的存在。結合圖2可得，1 497、1 298、1 244、1 171、1 037 cm-1附近有吸收峰出現(xiàn)，說明有甲氧基苯環(huán)的存在。898 cm-1附近的吸收峰是苯環(huán)上取代基位置引起的。根據雙苯基庚烷類化合物的結構式，以庚烷骨架為母核，芳基上的取代基為羥基或甲氧基，因此可以推測這幾個峰有可能是二苯基庚烷類化合物的特征峰。這類化合物是山姜屬植物中的一大主要成分，藥理作用廣泛，有抗炎、鎮(zhèn)痛、抗腫瘤、抗氧化的生物活性。雙苯基庚烷類化合物的這些特征峰在紅外圖譜（圖1～2）上出峰相對較強，在山姜屬植物中的含量較高，這與安寧等研究的結論相吻合。對比四者圖譜上的這些特征峰，紅豆蔻相對較強，可以推測紅豆蔻中雙苯基庚烷類化合物含量最高，但對其藥理作用強弱的影響還有待進一步深入研究。

（3）3 417、2 927、2 854、1 636、1 457、1 391、1 369和1 045 cm-1為β谷甾醇的紅外指紋特征峰，這是山姜屬植物含有的非揮發(fā)性物質β谷甾醇，具有降低血清膽固醇、抗炎防癌的功效。4種植物在3 417 cm-1附近的0-H鍵的伸縮振動強寬峰及1 200～1 000 cm-1區(qū)的C-O伸縮振動，說明含有糖類物質。898 cm-1附近有多糖成分β型糖苷鍵的吸收峰，因此說明4種植物含有多糖成分，且為β多糖。糖類有增強人體免疫的功能，與人類的生活息息相關。結合圖2b，4種植物在1 300～1 000 cm-1的峰位、峰形大不相同；1 204、1 159、1 124、1 105、1 075、1 037、1 021 cm-1附近的吸收峰有很大差異，這應該是多糖的種類和多少不同造成的。

（4）在1 636、1 516 cm-1附近的吸收峰，分別是酰胺 Ⅰ 帶、酰胺 Ⅱ 帶的特征峰，相應于3 417 cm-1附近強寬峰中N=H和O-H振動吸收，說明4種植物中含有氨基酸。在1 734～1 725 cm-1范圍內的吸收峰歸屬為鞣質類、黃酮類等活性成分的C=O伸縮振動，對應于2 925、1 045 cm-1附近的吸收峰，說明有鞣質成分，鞣質具有收斂止血的作用。如圖1，在1 600～1 400 cm-1范圍內出現(xiàn)多個吸收峰，峰形、峰位大體相似，是由苯環(huán)的骨架振動所引起的；如圖2b，二階導數(shù)1 200～1 000 cm-1范圍內有多個吸收峰，差異較大，它的強峰1 203、1 159、1 129、1 078、1 037 cm-1所對應的是C-O單鍵的伸縮振動，898 cm-1附近的吸收峰是苯環(huán)上取代基位置引起的。由此可知，藥材中含有羥基、羰基、不同位置取代的苯環(huán)、碳氧單鍵等官能團，可以確定含有大量的黃酮類化合物和少量的鞣質類，有抗腫瘤、抗氧化、抗炎鎮(zhèn)痛、保肝、降壓降脂的藥理活性。

以上說明同屬不同種植物的化學物質大體相同，4種植物均具有揮發(fā)油、強心苷、β谷甾醇、二苯基庚烷、黃酮、鞣質、多糖、氨基酸等。

2.2.2

不同點。

2.2.2.1

峰位改變明顯，出現(xiàn)多峰或缺峰現(xiàn)象。紅豆蔻的吸收峰1 725 cm-1相比其余三者羰基的吸收峰（1 733 cm-1）而言，移了8個波數(shù)。云南草蔻在1 508 cm-1附近有吸收峰，其余三者在1 516 cm-1附近有吸收峰出現(xiàn)，移了8個波數(shù)。四者在1 327 cm-1附近均出現(xiàn)了吸收峰，但相對強度明顯不同，依次為紅豆蔻>草豆蔻>長柄山姜，而云南草蔻的此峰極其微弱。紅豆蔻、草豆蔻在1 253 cm-1出現(xiàn)吸收峰，云南草蔻和長柄山姜分別出現(xiàn)在1 243、1 241 cm-1，分別移了10、12個波數(shù)。四者對比，云南草蔻多了1 213、1 029 cm-1附近的吸收峰。

2.2.2.2

峰形不同，種間藥材的關系有遠近，相關系數(shù)有差異。在二階導數(shù)1 600～1 400、1 200～1 000 cm-1波段中，如圖2a虛線框出的區(qū)域中，1 517 cm-1右邊、1 497 cm-1左邊，肩峰形狀以及有無肩峰不一致，說明所對應的化合物較復雜。同時，云南草蔻、紅豆蔻缺1 443 cm-1附近的峰。對比紅外圖2a和2b的峰，其中差異最大的是1 200～1 000 cm-1，這個波段的峰主要來自于糖類的貢獻，無論從峰形、峰位還是峰強來看，此波段差別最明顯，說明4種植物中糖的種類以及相對含量不同。利用此波段進行相關性分析，相關系數(shù)越大的關系越近，相關系數(shù)越小的關系越遠。從表2可看出，云南草蔻與草豆蔻的相關系數(shù)為0.691，紅豆蔻與草豆蔻的相關系數(shù)為0.678，長柄山姜與草豆蔻和云南草蔻的相關系數(shù)為0.622，長柄山姜與紅豆蔻的相關系數(shù)為0.204，云南草蔻與紅豆蔻的相關系數(shù)為0.183；相比之下，云南草蔻與草豆蔻的相關系數(shù)最大，關系最近，云南草蔻和紅豆蔻的相關系數(shù)最小，關系最遠。憑借著這些特征的差異性可以初步區(qū)分4種姜科植物。

2.2.2.3

有些峰強不同，說明它們含有相同的化學成分，但含量不同。由于化合物分子振動容易受到外部環(huán)境的影響，因此在4種植物中相差5 cm-1以內的峰作為同一官能團振動的峰，選取其中一個代表峰來作分析。1 734～1 725 cm-1歸屬為鞣質類、黃酮類等活性成分的C=O伸縮振動，1 029～1 068 cm-1處為糖類成分C-O伸縮振動，用4種藥材鞣質類、黃酮類特征峰（C=O）與糖類成分特征峰（C-O）的吸光度比值來表示鞣質、黃酮類化合物的相對含量。在紅外圖譜上，糖類、蛋白質具有明顯的紅外指紋特征，用吸光度比A1045/A2925和A1635/A2925分別表示4種植物中糖類和蛋白質的相對含量，由表3可知，糖類（A4/A1）相對含量依次為云南草蔻>草豆蔻=紅豆蔻>長柄山姜，蛋白質（A3/A1）相對含量依次為草豆蔻>紅豆蔻>云南草蔻>長柄山姜，鞣質類、黃酮類（A2/A3）相對含量依次為

長柄山姜>云南草蔻>紅豆蔻>草豆蔻。根據這些不同點，4種植物的藥理活性強弱也可能不同。相對來說，糖類的免疫活性中云南草蔻最強，蛋白質的活性中草豆蔻最強，鞣質、黃酮的收斂止血、保肝、抗氧化等活性中長柄山姜最強。

3 結論

該研究對4種山姜屬植物的紅外光譜圖進行對比，分析比較其圖譜的差異。結果表明，4種山姜屬植物均有揮發(fā)油、二苯基庚烷、β-谷甾醇、強心苷、糖苷、蛋白質、黃酮類及少量的鞣質等化合物；不僅圖譜峰形、峰位、峰強有所不同，

1 600～1 000 cm-1范圍內的二階導數(shù)差異較為明顯，且有些化合物的相對含量也不同。如云南草蔻的糖類相對含量較多，草豆蔻的蛋白質較多，鞣質、黃酮的相對含量四者相當?？偨Y山姜屬植物的藥理活性，有抗氧化、抗腫瘤、抗血栓、降血壓血脂等，推測其相關的官能團，這為進一步加強姜科植物的生物活性研究以及開發(fā)與利用提供一個輔助。

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