姜科植物的FTIR鑒別分類研究

劉　艷, 司民真, 李家旺, 李　倫, 張德清

( 1. 云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，昆明 650500；2. 楚雄師范學(xué)院 云南省高校分子光譜重點實驗室，云南 楚雄 675000；3. 楚雄師范學(xué)院 光譜應(yīng)用技術(shù)研究所，云南 楚雄 675000 )

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姜科植物的FTIR鑒別分類研究

劉艷1, 司民真2,3*, 李家旺2,3, 李倫2,3, 張德清2,3

( 1. 云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，昆明 650500；2. 楚雄師范學(xué)院 云南省高校分子光譜重點實驗室，云南 楚雄 675000；3. 楚雄師范學(xué)院 光譜應(yīng)用技術(shù)研究所，云南 楚雄 675000 )

紅外光譜圖峰形峰位大體一致，所含化學(xué)成分基本相同，是由碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂類等生物大分子振動譜帶構(gòu)成。該研究采用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)結(jié)合聚類分析，對姜科植物姜亞科2族6屬29種植物進(jìn)行光譜測試，分析比較姜科同族不同屬和同屬不同種植物在紅外譜圖上表現(xiàn)出的差異。將1 800～1 000 cm-1進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)處理，并對差異較大的1 750～1 400、1 200～1 000 cm-1兩個波段分別進(jìn)行比較分析，用吸光度比值A(chǔ)1516/A3424、A1449/A3424來反映二苯基庚烷和姜辣素的相對含量，再將二階導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類。結(jié)果表明：姜科植物的主要化學(xué)成分姜辣素與二苯基庚烷類化合物的相對含量在族屬間和屬種間有差異，兩種化合物的相對含量在同族不同屬植物中差別很大，在同屬不同種植物中大體一致；姜科植物的糖類化學(xué)成分以單糖和多糖為主；在族屬級的水平分類中，2族6屬姜科植物的分類與傳統(tǒng)分類結(jié)果基本吻合，并從光譜角度建議心葉凹唇姜的族級分類應(yīng)該深入研究。通過研究可知，傅里葉變換紅外光譜技術(shù)結(jié)合聚類分析法可以應(yīng)用于姜科植物的分類。該研究結(jié)果為姜科植物的分類系統(tǒng)學(xué)提供了參考。

傅里葉變換紅外光譜，聚類分析，姜科植物，鑒別分類，族屬

姜科(Zingiberaceae)是單子葉植物姜目的一科。本科分為2亞科3族，約49屬1 500種，主產(chǎn)地為熱帶亞洲。在我國有19屬150余種，主產(chǎn)地為南方各地。本科植物有很多著名的藥材，如姜花、草豆蔻、姜、郁金、莪術(shù)等，為化瘀、止痛、驅(qū)風(fēng)、健胃等的良藥，豐盛佳肴的調(diào)料，美麗景觀的觀賞植物。如姜花的清香潔白，花期長，可供觀賞；姜的根莖肥厚，有芳香及辛辣味，可作烹飪調(diào)料；山姜的果實、種子含豐富的黃酮類化合物及揮發(fā)油，為芳香健胃、消化不良、腹痛、嘔吐等的良藥。此外蘘荷花芽可作蔬菜，姜黃可提取應(yīng)用于食品工業(yè)的黃色染料。姜科植物各有所長，刀紅英等(2014)根據(jù)臨床經(jīng)驗，將傣醫(yī)藥學(xué)常用的姜科植物基源作了梳理，將常用藥用姜科分為根莖和果實兩大類;漏新芬等(1994)用薄層色譜對14種姜科藥材進(jìn)行化合物分類分析，發(fā)現(xiàn)豆蔻屬植物彼此間較相似，山姜屬植物彼此間有差別;李維秀等(2008)研究了姜科3屬植物的染色體數(shù)目，發(fā)現(xiàn)姜屬植物染色體數(shù)目一致，而其余屬間植物有差異;唐源江等(2010)對姜科14屬植物的根進(jìn)行解剖結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果支持了原姜科4族劃分為2亞科的結(jié)論，但對姜亞科的族屬分類存在分歧。查閱近年來發(fā)表的分類系統(tǒng)學(xué)研究論文來看，主要的工作多集中在某一方面特性的分類系統(tǒng)學(xué)分析，大多是族屬及下一級水平的研究(Liao et al, 2000)。因此總體研究的特點有點分散，缺乏系統(tǒng)性和總結(jié)性的結(jié)果。Kress et al(2002)用基因組ITS序列和線粒體matK序列將姜科分為4亞科6族，這一結(jié)果與已有的分類系統(tǒng)完全不一致，因此所有姜科的分類系統(tǒng)與自然分類的吻合度還需要大量的證據(jù)以及時間的檢驗，從多方面補充相關(guān)資料來對姜科植物進(jìn)行分類相當(dāng)重要。

傅里葉變換紅外光譜技術(shù)具有重復(fù)性好，預(yù)處理簡單，測試速度快，樣品需求量少，在植物分類中，已有學(xué)者利用該技術(shù)對杜鵑花科(羅庇榮等, 2009)、金絲桃屬(呂洪飛等, 2004)、竹亞科(李倫等, 2013)、棕櫚科(張黎等, 2013)等植物進(jìn)行成功分類。但紅外技術(shù)應(yīng)用于姜科植物的族屬分類還尚未見報道。本研究將利用FTIR結(jié)合聚類分析方法對姜科1族6屬29種植物進(jìn)行分類研究，以期為姜科植物的分類系統(tǒng)學(xué)提供參考。

1　實驗部分

1.1 實驗儀器

紅外光譜儀為Thermo Scientific NicoletTMiSTM5 spectrometer傅里葉變換紅外光譜儀，掃描范圍400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)16次。

1.2 樣品來源、制備、檢測及數(shù)據(jù)處理

本研究材料均采自于西雙版納。取同一時期29種藥材的根來進(jìn)行測試。樣品清洗后晾干，經(jīng)粉碎后過100目篩，取適量進(jìn)行研磨成粉末，用電子天平稱取1 mg的粉末樣品和100 mg的溴化鉀，按1∶100的比例混合后攪磨均勻，壓片測紅外光譜。同一種植物測3個光譜，用來計算平均光譜。光譜均扣除溴化鉀背景，光譜數(shù)據(jù)用Omnic 8.0軟件進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)處理，應(yīng)用IBM Spass Statistics 20進(jìn)行系統(tǒng)聚類。

2　結(jié)果與分析

2.1 姜科同族不同屬植物的紅外光譜分析

圖1是從姜科姜亞科2族6屬植物中分別選取的6種代表性植物(姜花族: A. 頂花莪術(shù); B. 心葉凹唇姜; C. 普洱姜花; 姜族: a.寬唇山姜; b. 野草果; c. 紅球姜) 的同族不同屬紅外光譜圖比較。光譜各譜峰的歸屬如下：(1)3 400 cm-1附近的吸收峰來自于羥基和氨基的吸收疊加；(2)2 927 cm-1附近的吸收峰亞甲基不對稱伸縮振動；(3)1 633 cm-1附近的吸收峰尖而強，歸屬為蛋白質(zhì)的酰胺Ⅰ帶；(4)1 516 cm-1附近的峰歸為木質(zhì)素中苯環(huán)的骨架振動(杜甫佑等, 2005)；(5)1 425～1 300 cm-1波段的吸收峰為C-H鍵的伸縮振動；(6)1 300～1 200 cm-1范圍的峰歸屬為蛋白質(zhì)中的C-N和酚類中C-O伸縮振動峰的疊加；(7)1 200～1 000 cm-1范圍主要歸屬為糖類和皂苷類物質(zhì)的貢獻(xiàn)；900～700 cm-1范圍包含C-O、C-N、C-C的伸縮(彎曲)振動吸收峰(趙帥群等, 2014)。以上分析的紅外光譜圖是碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂類等生物大分子的綜合反映。

表 1　姜科植物的樣品名稱及族屬關(guān)系

圖 1　姜科各屬代表植物的紅外光譜圖　A. 頂花莪術(shù)；B. 心葉凹唇姜；C. 普洱姜花. a. 寬唇山姜；b. 野草果；c. 紅球姜。下同。Fig. 1　FTIR spectra of Zingiberaceae representative speciesA. Curcuma yunnanensis；B. Boesenbergia longiflora；C. Hedychium puerense. a. Alpinia platychilus; b. Amomum koenigii; c. Zingiber zerumbet. The same below.

圖 2　姜科各屬代表植物的二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜圖Fig. 2　The second derivative spectra of Zingiberaceae representative species

圖1中，分別對比兩族植物姜花族(A、B、C)和姜族(a、b、c)，發(fā)現(xiàn)圖譜峰形峰位基本一致，但1 800～1 000 cm-1存在著差異，主要表現(xiàn)在(1)姜花族：頂花莪術(shù)1 401 cm-1吸收峰表現(xiàn)為弱峰，而心葉凹唇姜、普洱姜花表現(xiàn)為中強峰；普洱姜花1 325 cm-1為一尖峰，而頂花莪術(shù)、心葉凹唇姜的1 325 cm-1峰太微弱以至于不呈現(xiàn)；在1 200～1 000 cm-1波段中，頂花莪術(shù)呈現(xiàn)出1 153、1 078、1 028 cm-1階梯峰，而其余兩種植物的這三個峰明顯異于頂花莪術(shù)，這可能是各植物所含的糖類化合物多少和類型不同而造成的。(2)姜族：姜族中三種代表植物的最大差異表現(xiàn)在糖類吸收區(qū)域1 200～1 000 cm-1，三者均出現(xiàn)階梯峰，但寬唇山姜的1 153、1 078、1 028 cm-1峰比其余兩者尖而強；紅球姜的1 078 cm-1左邊有一小肩峰，其余兩者沒有；野草果1 078、1 028 cm-1出現(xiàn)藍(lán)移，為1 102、1 137 cm-1。

圖 3　姜屬不同種植物的紅外光譜圖(a)和姜屬不同種植物的二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜圖(b) 　A. 版納姜; B. 紅球姜; C. 黃斑姜; D. 勐海姜; E. 彎管姜; F. 圓瓣姜; G. 柱根姜; H. 紫色姜。Fig. 3　FTIR spectra of Zingiber different kinds (a) and second derivative spectra of Zingiber different kinds (b)　A. Zingiber xishuangbannaense; B. Z. zerumbet; C. Z. flavomaculosum; D. Z. menghaiense; E. Z. recurvatum; F. Z. orbiculatum; G. Z. teres; H. Z. purpureum.

1 516 cm-1與1 449 cm-1是苯環(huán)骨架振動，為姜辣素與二苯基庚烷的特征峰(有3-甲氧基-4-羥基苯基官能團)(周立新, 2004)，姜辣素為姜科植物的辣味成分，二苯基庚烷是抗炎鎮(zhèn)痛、抗氧化、抗腫瘤等藥效主成成分，兩者在姜科植物中分布較為廣泛。用吸光度比值法A1516/A3424、A1449/A3424來定義植物中所含姜辣素與二苯基庚烷的含量多少(李倫等, 2013)。姜花族：頂花莪術(shù)A1516/A3424、A1449/A3424為0.02、0.06；心葉凹唇姜為0.07、0.1；普洱姜花為0.03、0.1。姜族。寬唇山姜為0.03、0.04；野草果為0.05、0.1；紅球姜為0.02、0.08。由以上比較可知，兩族A1516/A3424、A1449/A3424的比值相差較大，姜花族中心葉凹唇姜的比值最大，姜族中野草果的比值最大。比值的差異說明姜科同族不同屬植物中所含的姜辣素與二苯基庚烷的相對含量不一樣。

二階導(dǎo)數(shù)能增大樣品間譜峰的差異，提高譜圖分辨率。將6種姜科植物1 800～1 000 cm-1范圍的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行二階導(dǎo)處理，從整體來查找圖譜差異，見圖2。從圖2可以看出，姜科2族6屬植物差異主要在1 750～1 400、1 200～1 000 cm-1范圍內(nèi)。兩族植物中1 516 cm-1峰強明顯不同，其中最強的是心葉凹唇姜。在1 210、1 170、1 155、1 078、1028 cm-1附近峰強的比較中，寬唇山姜相對較強；此外，心葉凹唇姜的1 210 cm-1峰移了7個波數(shù)，且多出1 178 cm-1峰。

2.2 姜科同屬不同種植物的紅外光譜分析

圖3是8種姜屬植物的紅外光譜圖。從圖3可以看出，同屬植物中紅外譜圖峰位、峰形大體相似。圖3:a中1 516、1 449 cm-1峰強有差異，1 200～1 000 cm-1(虛線框出的區(qū)域)峰形差異很大。比較8種植物的吸光度比值A(chǔ)1516/A3424、A1449/A3424。版納姜A1516/A3424、A1449/A3424為0.025、0.012；紅球姜為0.026、0.107；黃斑姜為0.027、0.008；勐海姜為0.036、0.01；彎管姜為0.029、0.017；圓瓣姜為0.023、0.076；柱根姜為0.02、0.126；紫色姜為0.031、0.106。通過比較可得知，8種同屬植物A1516/A3424的比值近似為0.027，相差不大；A1449/A3424的比值相差較大，版納姜、黃斑姜、勐海姜、彎管姜(0.01左右)小于紅球姜、圓瓣姜、柱根姜、紫色姜(0.1左右)。以上結(jié)果說明8種同屬植物所含姜辣素與二苯基庚烷的含量大體一致，但兩種化合物各自所占的比重有差異。將1 200～1 000 cm-1此區(qū)域進(jìn)行二階導(dǎo)處理，如圖3:b。從圖3:b可看出，糖類特征區(qū)域峰形峰強差異明顯，如1 156、1 129、1 078、1 028 cm-1。彎管姜在1 200～1 000 cm-1區(qū)域被分為5個峰，而版納姜、紅球姜、勐海姜、紫色姜分為4個峰，黃斑姜、圓瓣姜、柱根姜被分為3個峰，出現(xiàn)多峰缺峰現(xiàn)象。將糖類特征譜帶進(jìn)行歸屬。由表2可知，姜屬植物的糖類以多糖和單糖為主。

圖 4　姜科植物二階導(dǎo)數(shù)光譜在1 800～800 cm-1范圍的聚類分析Fig. 4　The second derivative spectra of Zingiberaceae in 1 800-800 cm-1 range of cluster diagram

2.3 姜科植物的聚類分析

圖4是姜科姜亞科2族6屬29種植物的聚類分析圖?；谄椒綒W式距離，采用組間聯(lián)接方式，來分析姜亞科2族(姜花族和姜族)，6屬(姜屬、姜黃屬、姜花屬、山姜屬、凹唇姜屬、豆蔻屬)的分類情況。在距離為5時，山姜屬9種植物全聚在一起，姜屬7種植物全聚在一起，且三屬合并在一起，同屬姜族。在距離為6時，姜花屬5種植物聚在一起，只有白姜花和姜屬植物聚在一起，姜黃屬5種植物聚在了一起，且兩屬合并在一起，同屬姜花族；凹唇姜屬的心葉凹唇姜單獨聚類。在距離為7時，姜族和姜花族合并在一起，到距離為25時，再與心葉凹唇姜匯合，同屬姜亞科。紅外光譜的聚類分析情況與傳統(tǒng)的分類學(xué)結(jié)論基本吻合，但也有差異之處：(1)吻合處。在距離為7以內(nèi)，山姜屬(9種)，姜屬(7種)，姜花屬(5種)，姜黃屬(5種)分別聚在了一起，在屬級分類中，聚合度較好，吻合傳統(tǒng)分類。在距離為7時，山姜屬、豆蔻屬、姜屬先合并為姜族；姜花屬和姜黃屬合并為姜花族，最后兩族合并為姜亞科，在族級水平分類中，和傳統(tǒng)分類一致。(2)差異處。在距離為1時，豆蔻屬野草果和山姜屬植物聚在一起，姜花屬白姜花和姜屬植物聚在了一起；在距離25時，凹唇姜屬心葉凹唇姜才和兩族植物聚在一起并為姜亞科，在族屬級的分類中，這和傳統(tǒng)分類不一樣。

表 2　姜屬植物在1 200～1 000 cm-1的紅外二階導(dǎo)數(shù)譜帶的歸屬情況

紅外光譜的聚類和傳統(tǒng)分類差異之處，有可能是由于物種間化合物成分組成以及相對含量多少不同而造成的。從光譜角度來看，心葉凹唇姜沒有先和姜花族聚在一起，這和某些化合物的組成和類型相關(guān)，比如姜辣素與二苯基庚烷的相對含量比較中，姜花族中心葉凹唇姜的比值最大，說明姜科同族不同屬植物化合物相對含量不一樣，而這種現(xiàn)象在系統(tǒng)聚類中有所體現(xiàn)，心葉凹唇姜獨成一類，這成了光譜聚類的一個依據(jù)。對于心葉凹唇姜是姜花族這一說法，光譜聚類建議再深入研究。

3　 結(jié)論

應(yīng)用FTIR光譜技術(shù)對29種姜科植物進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，同族不同屬和同屬不同種植物的紅外圖譜基本一樣，譜帶是由碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂類等生物大分子構(gòu)成。對1 800～1 000 cm-1進(jìn)行二階導(dǎo)處理，發(fā)現(xiàn)差異主要集中在1 750～1 400、1 200～1 000 cm-1區(qū)域內(nèi)。用吸光度比值A(chǔ)1516/A3424、A1449/A3424來反映二苯基庚烷和姜辣素的相對含量，將1 200～1 000 cm-1的二階導(dǎo)譜峰進(jìn)行歸屬，并用二階導(dǎo)1 800～1 000 cm-1數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析。結(jié)果顯示同族不同屬植物比值差異大，二苯基庚烷和姜辣素的相對含量懸殊大，同屬不同種植物比值差異小，相對含量基本一致。姜科植物的糖類以單糖和多糖為主。在族屬級的水平分類中，姜科植物的族屬分類與傳統(tǒng)分類結(jié)果基本吻合，但有一定的差異。結(jié)果表明，傅里葉變換紅外光譜技術(shù)能應(yīng)用于姜科植物的分類系統(tǒng)學(xué)。

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Discrimination of Zingiberaceae using FTIR spectroscopy

LIU Yan1, SI Min-Zhen2,3*, LI Jia-Wang2,3, LI Lun2,3, ZHANG De-Qing2,3

( 1. School of Physics and Electronic Information, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China; 2. YunnanKeyLaboratoryofuniversitiesforMolecularSpectrum, Chuxiong 675000,Yunnna, China; 3.Instituteofspectralappliedtechnology,ChuxiongNormalUniversity, Chuxiong 675000, Yunnna, China )

We measured ginger Zingiberaceae subfamily six species of two genera and 29 species of plants spectrum measurement with Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and analysed and compared different genra of Zingiberaceae and different species of the same genus in the infrared spectrum picture. The combined with clustering analysis of. Infrared spectrum chart peak positions were basically the same, and the chemical composition were roughly the same. They were composed of carbohydrate, protein, lipid and other biological molecular vibration spectrum band. From 1 800 to 1 000 cm-1for second derivative conduction, the difference were mainly concentrated in 1 750-1 400, 1 200-1 000 cm-1region, the second derivative could increase the difference of spectral peaks, and improve the resolution of the spectrum. The 1 800-1 000 cm-1the second derivative processing, and the differences of the 1 750-1 400, 1 200-1 000 cm-1were compared. The absorbance ratios A1516/A3424and A1449/A3424were used to reflect the relative content of gingerols and diarylheptanoids, and then the data were analyzed and clustered. The results showed that relative contents of the main chemical constituents of the plant of gingerols and diarylheptanoids compounds in family and species were quite different; the relative contents were significantly different in different gera of the same group, but were similar in different species of the same genus plants. The chemical composition of the sugars in the plant of the ginger family were composed of many types of compounds, but mainly monosaccharides and polysaccharides. At the level of the family, the classification of six families and two genera of the family was in agreement with the results of the traditional classification, and from the point of view of the spectrum. It is suggested that the group level classification ofB.longiflorashould take the time, energy, and more information and further research in many aspects. It can be known that the Fourier transform infrared spectroscopy combined with clustering analysis method can be applied to the classification of Zingiberaceae. This study provides an academic value and a meaningful reference for the classificeation of ginger family.

Fourier transform infrared spectroscopy, system cluster, Zingiberaceae, discrimination, clan

10.11931/guihaia.gxzw201509008

2015-12-15

2016-02-16

國家自然科學(xué)基金(13064001, 10864001) [Supported by the National Natural Science Fundation of China(13064001, 10864001)]。

劉艷(1990-)，女，云南人，在讀碩士，主要從事生物光譜學(xué)方面研究，(E-mail)340596704@qq.com。

司民真,博士,教授,主要從事拉曼光譜和紅外光譜研究，(E-mail)siminzhen@hotmail.com。

Q944，O657.37

A

1000-3142(2016)10-1253-07

劉艷, 司民真, 李家旺，等. 姜科植物的FTIR鑒別分類研究 [J]. 廣西植物，2016，36(10):1253-1258

LIU Y, SI MZ, LI JW，et al. Discrimination of Zingiberaceae using FTIR spectroscopy [J]. Guihaia，2016，36(10):1253-1258