4種山姜屬植物的傅里葉變換紅外光譜分析

劉 艷，司民真，李家旺，張川云，張德清，李 倫，熊 洋

(1.云南師范大學物理與電子信息學院，云南昆明 650500;2.楚雄師范學院光譜應用技術研究所，云南省高校分子光譜重點實驗室，云南楚雄 675000)

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［1］。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)［2］、高效液相色譜方法(HPLC)［3］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 NicoletTMiSTM5 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(jù)處理 樣品清洗后晾干，經(jīng)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(jù)用Omnic8.0軟件處理。

2 結果與分析

2.1 4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峰，使得圖譜差異更為明顯。

圖1 4種植物的原始紅外光譜圖

表1 山姜屬植物主要的吸收峰位置、振動方式及主要歸屬

圖2 在1 600～1 400 cm－1(a)和1 300～1 000 cm－1(b)波段4種植物的二階導數(shù)光譜圖

2.2 4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［5］，根據(jù)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［6］，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［9］，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［10］。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［8］，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［11］。

(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［9］。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［6］。898 cm－1附近的吸收峰是苯環(huán)上取代基位置引起的。根據(jù)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［12］，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［13］。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［6］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［12］。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［13］。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［9］，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［14］。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［7］;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［15］。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。

表2 4種山姜屬植物的相關系數(shù)

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［14］，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(jù)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。

表3 4種山姜屬植物代表峰的吸光度及吸光度比值

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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