基于FTIR，F(xiàn)T-Raman的脫毒繁育和硫磺熏制祁菊花的藥用成分分析研究和光譜表征

王玉田，曹麗芳，楊 哲，嚴(yán) 冰，張麗娟

燕山大學(xué)河北省測試計量技術(shù)與儀器重點實驗室，河北 秦皇島 066004

基于FTIR，F(xiàn)T-Raman的脫毒繁育和硫磺熏制祁菊花的藥用成分分析研究和光譜表征

王玉田，曹麗芳，楊 哲*，嚴(yán) 冰，張麗娟

燕山大學(xué)河北省測試計量技術(shù)與儀器重點實驗室，河北 秦皇島 066004

采用傅里葉變換紅外(FTIR)和拉曼(FT-Raman)光譜技術(shù)直接、快速地測定了脫毒繁育和硫磺熏制的三組不同祁菊花樣品有效藥用成分及含量的變化。對所測樣品的FTIR，F(xiàn)T-Raman光譜進行分析對比，結(jié)果表明，三組祁菊花樣品的FTIR光譜在1 800～500 cm-1區(qū)間多個紅外吸收峰的強度存在明顯差異，特征峰形狀也略有差異。FT-Raman譜特征峰的形狀有明顯差異。FTIR和FT-Raman譜直觀地反映出莖尖脫毒繁育會使祁菊花的揮發(fā)油、黃酮類物質(zhì)等藥用成分含量升高，硫磺熏制使其減少。FTIR和FT-Raman光譜技術(shù)為檢測脫毒繁育及硫磺熏制引起祁菊花有效藥用成分的變化建立科學(xué)依據(jù)，也為檢測其物質(zhì)成分含量提供一種有效方法。

祁菊花；FTIR；FT-Raman；脫毒育繁；硫磺熏制

引 言

菊花是菊科植物菊花的干燥頭狀花序，是藥食同源的常用中藥。具有散風(fēng)清熱, 平肝明目，解毒防輻射的功效[1]。在中醫(yī)藥中主要用于治療風(fēng)熱感冒、頭痛眩暈、目赤腫痛、眼目昏花[2]等病癥?，F(xiàn)代藥理學(xué)研究表明, 菊花具有防治心血管疾病、擴張冠狀動脈、降低血壓、預(yù)防高血脂、抗菌、抗癌、抗病毒、抗炎、抗衰老等多種生理活性[2-4]。祁菊花是我國藥用菊花市場上八大主流商品來源之一，具有“質(zhì)輕浮于水，疊瓣不粘連，味甘氣清香，花冠似玉盤”的特點?！吨兴幹尽份d稱：產(chǎn)于河北安國者，稱為“祁菊”。神農(nóng)本草經(jīng)列為上品[3-4]。以花大、色白、無黃心、藥性含量高著稱的祁菊花在現(xiàn)代中草藥中受到眾多藥商的青睞和重視。

利用現(xiàn)代組織培育技術(shù)的莖尖脫毒繁育法是在人工控制的條件下進行的無性繁殖方法[5]。因靠近根尖部分病毒少, 所以莖尖脫毒繁育法能避免病蟲害侵染, 組織培養(yǎng)離體繁殖周期短, 不受季節(jié)限制, 繁殖系數(shù)高，繁殖速度快，能有效解決重茬種植產(chǎn)量下降和產(chǎn)品退化的問題。祁菊花采用脫毒繁育后，花片多、厚，抗病能力強，產(chǎn)量高，藥用成分含量比原來普通的祁菊花高出16%左右[5]。菊花在生產(chǎn)加工過程中多數(shù)采用硫磺熏制方法，目的在于干燥、殺菌、防霉、防蟲及漂白，而殘留的二氧化硫易對人體造成傷害，如過敏反應(yīng)，骨質(zhì)流失等[7]。硫熏法還影響中藥材有效成分的含量，影響中藥材的質(zhì)量，關(guān)系到中藥產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[7]。所以研究脫毒繁育法和硫磺熏蒸法對祁菊花主要有效成分如揮發(fā)油(龍腦、樟腦、菊油環(huán)酮等)、黃酮類、氨基酸、腺嘌呤、膽堿、水蘇堿、菊苷等的變化機理和作用機制對祁菊花的藥用價值提升和產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要作用。

傅里葉變換紅外(FTIR)技術(shù)具有速度快、效率高、成本低、測試重現(xiàn)性好、測試方便等特點, 已經(jīng)被越來越多地應(yīng)用于食品工業(yè)、石油化工、制藥工業(yè)等領(lǐng)域[8-10]。拉曼(FT-Raman)光譜技術(shù)具有取樣少，不需對樣品進行分離、提純，且處理快速、簡便，干擾小，精度高等特點[11]，可有效直接測定其成分含量。提出FTIR和FT-Raman聯(lián)用光譜法對脫毒繁育-硫磺熏蒸祁菊花進行測定分析。詳細(xì)分析了譜圖中所有特征峰來源，對烘干脫毒祁菊、硫熏脫毒祁菊和硫熏祁菊三組祁菊花進行了對比分析，其結(jié)果為檢測硫磺熏制導(dǎo)致菊花的主要化學(xué)成分發(fā)生變化提供科學(xué)、有效的依據(jù)，為檢測其他物質(zhì)成分及含量找到一種新方法。

1 實驗部分

1.1 樣品

分別采集普通培育的祁菊花和莖尖脫毒選育的祁菊花，脫毒祁菊花一部分進行烘干處理，另一部分脫毒祁菊花和普通祁菊花進行硫磺熏蒸處理。三組樣品經(jīng)60 ℃烘干24 h，均研磨成細(xì)粉末, 經(jīng)KBr壓片法制樣。各樣品命名為：a烘干脫毒祁菊、b硫熏祁菊、c硫熏脫毒祁菊。

1.2 儀器

實驗所用儀器為德國Bruker公司生產(chǎn)的傅里葉紅外/拉曼E55+ FRA106型光譜儀。FTIR檢測參數(shù)為：紅外光譜分辨率4 cm-1，測量范圍4 000～400 cm-1，掃描信號累加16次。FT-Raman檢測參數(shù)為：激發(fā)光波長為1 064 nm，激光功率為200 mW，掃描范圍在3 500～250 cm-1，光譜分辨率為4 cm-1，掃描信號累加16次。

2 結(jié)果與討論

菊花是我國常用中藥，化學(xué)成分比較復(fù)雜，因產(chǎn)地和品種的不同，化學(xué)成分也有一定差異。祁菊花主要化學(xué)成分為揮發(fā)油(龍腦、樟腦、菊油環(huán)酮等)、黃酮類、氨基酸還含有腺嘌呤、膽堿、水蘇堿、菊苷、及微量維生素B1等[2-4]。

2.1 FTIR光譜分析

由FTIR/FT-Raman光譜儀得到的烘干脫毒祁菊、硫熏脫毒祁菊和硫熏祁菊三組樣品的FTIR光譜如圖1所示。由圖可見，三組祁菊花的FTIR譜圖譜線形狀、吸收峰峰位基本一致，但吸收峰強度卻有明顯差異。表明三組樣品主要化學(xué)成分基本相同，但其含量卻有一定程度的差異。根據(jù)祁菊的主要化學(xué)成分，祁菊的FTIR譜特征峰譜帶歸屬和差異[12]分析如下。

圖1 三組祁菊樣品的FTIR譜

(1)3 400 cm-1為中心的特征峰 以3 400 cm-1為中心的吸收峰表現(xiàn)為峰值強、譜帶寬。這是由多聚體中分子間締合羥基O—H伸縮振動引起，這部分羥基來自祁菊中的有機酸類以及醇類、酚類等。

(2)2 920 cm-1為中心的特征峰 以2 920 cm-1為中心的吸收峰為亞甲基中的C—H鍵的不對稱伸縮振動峰，來自揮發(fā)油類物質(zhì)等。

(3)2 853 cm-1為中心的特征峰 以2 853 cm-1為中心的吸收峰為亞甲基中的C—H鍵的對稱伸縮振動峰，與2 920 cm-1附近的吸收峰為同一原因所致，但較其弱小，為C—H鍵的小吸收峰。

(7)1 443和1 373 cm-1為中心的特征峰 以1 443和1 373 cm-1為中心的吸收峰為黃酮的芳環(huán)骨架振動及揮發(fā)油中的甲基和亞甲基的彎曲振動產(chǎn)生。

(8)1 320 cm-1為中心的特征峰 以1 320 cm-1為中心的吸收峰為脂肪醇、酚等的羥基O—H的彎曲振動吸收，也可能有二氧化硫化合物SO2的反對稱伸縮振動對此吸收峰的貢獻。

(9)1 261 cm-1為中心的特征峰 以1 261 cm-1為中心的吸收峰為酰胺Ⅲ和芳胺的C—N的伸縮振動產(chǎn)生，來自氨基酸、腺嘌呤等。

(10)1 157和1 057 cm-1為中心的特征峰 以1 157和1 057 cm-1為中心的吸收峰為糖類、苷類中C—O鍵、酸酐的C—O—C的伸縮振動、脂肪胺中C—N的伸縮振動、醇類的C—OH的伸縮振動產(chǎn)生。

(13)818和777 cm-1為中心的特征峰 以818和777 cm-1為中心的吸收峰為S—O鍵的伸縮振動及黃酮類化合物的苯環(huán)上C—H的面外彎曲振動產(chǎn)生。

結(jié)合圖1比較分析可得，2 920，1 738，1 636，1 443，1 373，1 157，1 057，818和777 cm-1處吸收峰的強度為樣品a.烘干脫毒祁菊比樣品c.硫熏脫毒祁菊的強，表明揮發(fā)油、黃酮類物質(zhì)的含量為樣品c.硫熏脫毒祁菊比樣品a.烘干脫毒祁菊的低，表明脫毒培育的祁菊硫熏后揮發(fā)油、黃酮類物質(zhì)等活性成分含量明顯下降；2 920，2 853，1 738，1 443，1 373，1 319，1 261，1 057，818和777 cm-1處吸收峰的強度樣品b.硫熏脫毒祁菊樣品比樣品c.硫熏祁菊在上述波數(shù)的各個峰的強度強，表明脫毒繁育會引起揮發(fā)油、黃酮類物質(zhì)等活性成分含量上升。綜合(4)～(13)來看，在1 800～500 cm-1吸收峰密集區(qū)，多數(shù)吸收峰的強度存在明顯差異，表明三組祁菊樣品的活性成分的含量有較明顯差異，上述差異為脫毒繁育和硫磺熏制引起菊花中相應(yīng)化學(xué)成分及含量的變化產(chǎn)生。

2.2 FT-Raman光譜分析

由FTIR/FT-Raman光譜儀得到的烘干脫毒祁菊、硫熏脫毒祁菊和硫熏祁菊三組樣品的拉曼光譜圖如圖2所示。由圖可見，三組祁菊的Raman光譜圖譜線形狀、吸收峰峰位大體一致，但譜線強度卻有明顯差異。與FTIR譜同樣表明三組樣品主要化學(xué)成分基本相同，但其含量卻有一定程度的差異。三組樣品在2920和1 607 cm-1附近均有散射特征峰出現(xiàn)，根據(jù)祁菊的主要化學(xué)成分，祁菊的FT-Raman光譜特征峰分析和差異比較如下。

圖2 三組祁菊樣品的FT-Raman譜

(1)2 920 cm-1為中心的特征峰 以2 920 cm-1為中心的吸收峰為甲基和亞甲基的C-H鍵的伸縮振動產(chǎn)生，這主要來自揮發(fā)油等物質(zhì)的吸收。

硫熏脫毒祁菊與烘干脫毒祁菊這兩者的峰形極其相似，而在2 920 cm-1附近硫熏祁菊的峰形較硫熏脫毒祁菊、烘干脫毒祁菊明顯寬而矮，表明硫熏祁菊揮發(fā)油的組分更加復(fù)雜。

3 結(jié) 論

對烘干脫毒祁菊、硫熏脫毒祁菊和硫熏祁菊三組祁菊花樣品的測試和兩種光譜進行了比較分析，結(jié)果表明，傅里葉變換紅外光譜和拉曼光譜能有效分析祁菊花的分子結(jié)構(gòu)特征和有效含量的差異。經(jīng)莖尖脫毒繁育后的祁菊花揮發(fā)油、黃酮類物質(zhì)等藥用成分含量比原來普通的祁菊花高；祁菊花經(jīng)硫熏后揮發(fā)油、黃酮類物質(zhì)等活性成分含量明顯降低。因此從保留藥用有效成分角度考慮，可經(jīng)脫毒繁選育并去除菊花硫熏工藝。利用FTIR和FT-Raman光譜技術(shù)對檢測脫毒選育及硫磺熏制導(dǎo)致祁菊花的某些化學(xué)成分發(fā)生變化過程為測定其物質(zhì)成分及含量提供一種可行有效的方法。

[1] The Pharmacopoeia Committe of the People’s Republic of China(中華人民共和國藥典委員會).Pharmacopeia of the People’s Republic of China(中華人民共和國藥典).Beijing：Chemical Industry Press (北京: 化學(xué)工業(yè)出版社), 2005.218.

[2] FU Wei-lin, SUN Gui-ju(付為琳，孫桂菊).Science and Technology of Food Industry(食品工業(yè)科技), 2008, 29(3): 296.

[3] WANG Ting-ting, WANG Shao-kang, HUANG Gui-ling, et al(王婷婷，王少康，黃桂玲, 等).Food Science(食品科學(xué)), 2013, 34(5): 95.

[4] ZHANG Xiao-yuan, DUAN Li-hua, ZHAO Ding(張曉媛，段立華，趙 丁).Lishizhen Medicine and Materia Medica Research(時珍國醫(yī)國藥), 2008, 19(7): 1702.

[5] LIU Wei-ping(劉衛(wèi)平).Study on Development Present Status and Cuntermeasure of Virus Free Seed Potato in Heilongjiang Province(馬鈴薯脫毒種薯繁育發(fā)展現(xiàn)狀與對策分析).Chinese Academy of Agricultural Sciences(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院).Master Dissertation, 2013.

[6] HAN Qiang, WANG Zong-hua, GUO Xin-mei, et al(韓 強，王宗花，郭新美，等).Chinese Journal of Analysis Laboratory(分析實驗室), 2012, 31(3): 29.

[7] ZHOU Xia, YAN Mao-wei, WAN Jun(周 霞，嚴(yán)茂偉，萬 軍).Lishizhen Medicine and Materia Medica Research(時珍國醫(yī)國藥), 2009, 20(l2): 3104.

[8] LIU Sheng-jin, YANG Huan, WU De-kang et al(劉圣金，楊 歡，吳德康，等).Spectroscopy and Spectral Analysis(光譜學(xué)與光譜分析), 2015, 35(4): 909.

[9] WANG Qing，BAI Xi，TANG Jun(王 青，白 希，唐 軍).Chinese Journal of Spectroscopy Labaratory(光譜實驗室), 2013, 30(5): 2084.

[10] ZHAO Xian-de, DONG Da-ming, ZHENG Wen-gang(趙賢德，董大明，鄭文剛).Spectroscopy and Spectral Analysis(光譜學(xué)與光譜分析), 2014, 34(10): 2667.

[11] WU Juan-xia, XU Hua, ZHANG Jin(吳娟霞，徐 華，張 錦).Acta Chimica Sinica(化學(xué)學(xué)報), 2014, 72: 301.

[12] XIE Jing-xi，CHANG Jun-biao，WANG Xu-ming(謝晶曦，常俊標(biāo)，王緒明).The Application of Infrared Spectroscopy in Organic Chemistry and Medical Chemistry(紅外光譜在有機化學(xué)和藥物化學(xué)中的作用).Beijing：Science Press(北京：科學(xué)出版社)，2001.46.

(Received Jun.9, 2015; accepted Oct.24, 2015)

*Corresponding author

Research on the Medicinal Effective Component and Characterization of Virus-Free Breeding and Sulfur Smoked Qi Chrysanthemum Based on FTIR and FT-Raman

WANG Yu-tian, CAO Li-fang, YANG Zhe*, YAN Bing, ZHANG Li-juan

Measurement Technology and Instrument Key Lab of Hebei Province, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China

Based on Fourier transform infrared (FTIR) and Raman spectroscopy (FT - Raman), the effective medicinal composition and its content change of Qi chrysanthemum are directly and quickly determined among the virus-free breeding and sulfur smoked samples of three different groups.FTIR and FT-Raman spectra of three groups of Qi chrysanthemum sample are compared and analyzed.The results show that the intensities of multiple infrared absorption peaks are obvious different within the range of 1 800～500 cm-1and the characteristic peak shapes are slightly different in the FTIR spectra of the three groups with obvious differences of characteristic peak shapes in FT - Raman spectrum have.FTIR and FT - Raman spectrum directly reflect that the stem tip virus-free breeding will make the volatile oil, flavonoids and other medicinal component content increase in Qi Chrysanthemum, but the sulfur smoked reduce.The FTIR, FT Raman spectroscopy for detection of effective medicinal composition changes in Qi Chrysanthemum caused by virus-free breeding or sulfur smoked establishes a scientific basis, also an effective method to test their component content.

Qi Chrysanthemum; FTIR spectra; FT-Raman spectra; Virus-free breeding; Sulfur smoked

2015-06-09，

2015-10-24

國家自然科學(xué)基金項目(61471312)和河北省自然科學(xué)基金項目(F2015203240，C2014203212)資助

王玉田，1952年生，燕山大學(xué)河北省測試計量技術(shù)與儀器重點實驗室教授 e-mail：y.t.wang@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: zheyang_her@163.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-2780-04