三種紫蘇子的紅外光譜分析與鑒定

楊蘭芬　孫素琴　周群　馬芳

引言

紫蘇子為唇形科植物紫蘇Perilla frutescens (L.) Britt.的干燥成熟果實[1]。中藥紫蘇子味微辛、性溫，具有降氣化痰、止咳平喘、潤腸通便等作用[2]?；瘜W(xué)成分研究表明，紫蘇子中富含油脂、蛋白質(zhì)，還含有多種氨基酸、粗纖維以及大量不飽和脂肪酸[3-6]。我國紫蘇資源分布廣泛，魏長玲等[7]調(diào)查結(jié)果表明我國各地野生與栽培資源均十分豐富，但栽培紫蘇資源存在栽培類型多樣性和復(fù)雜性的問題。

中藥“多級紅外光譜宏觀指紋分析法”融合了中藥學(xué)與分析化學(xué)，是一種基于中藥材紅外光譜宏觀指紋特征的綜合分析方法[8]。相較于傳統(tǒng)的中藥分析法，此方法最大程度保留了樣品的原始狀態(tài)，能夠得到藥材的整體化學(xué)成分信息。本文運用紅外光譜三級鑒定法和整體解析法對三種紫蘇子進行了快速無損的分析和鑒定。

1　實驗部分

1.1　儀器設(shè)備

傅里葉變換紅外光譜儀：Perkin-Elmer公司的Spectrum One型紅外光譜儀，DTGS檢測器。光譜范圍為4000～400 cm-1，光譜分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為16次，測定過程中實時扣除H2O、CO2的干擾。

變溫控制附件：北京市朝陽自動化儀表廠生產(chǎn)的CKM-Ⅱ 型程序升溫儀。控溫范圍為50～120 ℃，升溫速度為 2 ℃ .min-1。

1.2　樣品來源

三個紫蘇子樣品來源地均為河北，2016年種植在北京藥用植物研究所實驗地。樣品編號分別為AG-1，AG-12，BJ-6。

1.3　方法與數(shù)據(jù)處理

將紫蘇子樣品研磨成粉末，再與KBr混合研磨，壓片，用傅里葉變換紅外光譜儀掃描得到樣品紅外光譜圖。二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜采用Spectrum v5.0.1數(shù)據(jù)處理軟件獲得，平滑點數(shù)為13。另將樣品薄片放入變溫控制附件，溫度從50℃上升到120℃，每10℃測定一次紅外光譜。二維相關(guān)紅外光譜采用清華大學(xué)分析中心自行設(shè)計的二維相關(guān)分析軟件獲得。

2　結(jié)果與討論

2.1　紫蘇子的紅外光譜分析

根據(jù)文獻報道，紫蘇子含有大量的油脂和蛋白質(zhì)，因此采用紅外光譜法對紫蘇子進行主體成分解析，得到高度相似的紅外圖譜，分析其相似性；運用多級紅外光譜，分析其差異性。如圖1所示，三種紫蘇子樣品的紅外光譜整體峰形相似，但部分譜峰的峰形、峰位和峰強存在差別，這可能與各種紫蘇子所含化學(xué)成分的含量差異有關(guān)。根據(jù)文獻[9-14]對紅外光譜吸收峰進行指認和歸屬。3334～3302 cm-1主要是多糖類中O-H的伸縮振動和蛋白質(zhì)、氨基酸中N-H的伸縮振動吸收峰；3011 cm-1為烯烴C-H的伸縮振動吸收峰，可能來自于不飽和脂肪酸及酯類物質(zhì)；2927、2854 cm-1分別為亞甲基C-H 反對稱和對稱伸縮振動吸收峰；1746～1745 cm-1對應(yīng)于酯羰基C=O 的伸縮振動吸收峰；1162～1160 cm-1為油脂和多糖(O)C-O伸縮振動吸收峰；723～721 cm-1是長鏈亞甲基（nC＞4）C-H 的彎曲振動吸收峰。上述一系列吸收峰為飽和與不飽和脂肪酸酯類分子的特征峰，說明紫蘇子中含有大量的油脂。紅外光譜中，還有1657～1655 cm-1和1636～1535 cm-1的較強吸收峰，這組峰是表征蛋白質(zhì)酰胺I帶和酰胺II帶的主要特征峰，說明紫蘇子還含有豐富的蛋白質(zhì)。

圖 1　AG-1(a)，BJ-6(b)，AG-12(c)，油脂 (d)和蛋白質(zhì)(e)的紅外光譜

綜上分析，紫蘇子主體成分為油脂和蛋白質(zhì)，另含有一定量的多糖，與文獻報道相符。此外，采用COMPARE比對軟件比較三種紫蘇子樣品的紅外譜圖，以AG-1紫蘇子為標(biāo)準(zhǔn)，得到三個紫蘇子樣品AG-1、BJ-6、AG-12的相關(guān)系數(shù)依次為：1.0000，0.9848，0.9703，三者譜圖比較相似，但部分譜峰形狀和相對強度存在一定差異。如表1所示，紫蘇子AG-1、BJ-6、AG-12的1746 cm-1附近油脂特征峰與1655 cm-1附近蛋白質(zhì)特征峰的相對高度不同，分別為1.5489，1.0900，0.9309，說明三種紫蘇子油脂、蛋白質(zhì)的相對含量存在差異。AG-1紫蘇子中油脂特征峰與蛋白質(zhì)特征峰之間相對峰強度值最大，表明AG-1紫蘇子油脂的相對含量最高，BJ-6次之，AG-12所含油脂最低；蛋白質(zhì)的相對含量則是AG-12最高，BJ-6次之，AG-1則相對最低。此外，三種紫蘇子樣品1100 cm-1左右吸收峰的峰位、峰形存在差異，AG-1、BJ-6吸收峰位置分別為1100 cm-1，1099 cm-1，而AG-12的吸收峰則向低波數(shù)偏移至1063 cm-1，且AG-1峰形較尖，BJ-6，AG-12樣品峰形較寬。通過紅外光譜不僅可以分析出紫蘇子的主體成分，也可看出不同紫蘇子的差異。

表1　三種紫蘇子特征吸收峰之間的相對峰強度

2.2　紫蘇子的二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜分析

二階導(dǎo)數(shù)譜能夠使原始光譜中互相重疊的一部分吸收峰得到分離，增強譜圖的分辨能力[15-16]。如圖2所示，紫蘇子在1720～1530 cm-1，1400～1020 cm-1兩個波段的二階導(dǎo)數(shù)譜中譜峰特征顯著增多，如經(jīng)典紅外光譜中酰胺I帶和酰胺II帶吸收峰為單峰，但在二階導(dǎo)數(shù)譜中，酰胺帶吸收峰在1700～1500 cm-1波段內(nèi)分解為多個峰，說明了紫蘇子中不同二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的存在[17]。此外，三種紫蘇子樣品的二階導(dǎo)數(shù)譜中均出現(xiàn)了經(jīng)典紅外譜圖中沒有的1709cm-1左右的吸收峰；該峰對應(yīng)于有機酸類分子C＝O 的伸縮振動吸收峰[18]，再結(jié)合經(jīng)典紅外光譜中3011，2927，2854，720 cm-1附近的吸收峰，說明紫蘇子中含有一定量的不飽和脂肪酸，與文獻報道一致。不同之處在于，AG-12紫蘇子1709 cm-1附近的吸收峰在1720～1530 cm-1波段為中強吸收峰，但AG-1和BJ-6中該峰為弱吸收峰。此外，在1720～1530 cm-1波段，三種紫蘇子樣品在1694，1629，1562 cm-1等處的譜峰有顯著的差異，明顯體現(xiàn)出三者蛋白質(zhì)、氨基酸等成分的不同。在1400～1020 cm-1波段，BJ-6，AG-12紫蘇子樣品有1318 cm-1左右的吸收峰，AG-1中該峰并不明顯；但AG-1出現(xiàn)了1067 cm-1吸收峰，相比較而言，BJ-6，AG-12該峰并不明顯。在由此可知，隨著表觀分辨率的提高，三種紫蘇子之間的許多差異更加明顯。

圖 2　AG-1(a)， BJ-6(b)， AG-12(c) 的二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜

2.3　紫蘇子的二維相關(guān)紅外光譜分析

利用二維相關(guān)紅外光譜可以獲得測試樣品在不同外界微擾的動態(tài)變化信息，將光譜在第二維上展開，能夠更加明顯表現(xiàn)出樣品成分間的差異[19-20]。實驗以溫度變化為微擾，選取1400～1800 cm-1，900～1300 cm-1兩個波段對三種紫蘇子進行二維相關(guān)紅外光譜分析。1400～1800 cm-1區(qū)域的譜峰主要對應(yīng)于C=O伸縮振動吸收峰、蛋白質(zhì)酰胺帶振動吸收峰及芳香類化合物的骨架振動吸收峰。如圖3所示，在此區(qū)域AG-1紫蘇子的二維相關(guān)紅外光譜主要自動峰有10個，分別在1465，1492，1556，1567，1625，1634，1645，1653，1739，1759 cm-1附近，最強自動峰為1739 cm-1；BJ-6紫蘇子主要自動峰有7個，分別在1466，1490，1556，1627，1655，1740，1759 cm-1， 其 中 1627，1740 cm-1強度相當(dāng)，為該波段的強自動峰；AG-12紫蘇子主要自動峰有7個，分別在1465，1495，1556，1629，1656，1742，1760 cm-1，最強自動峰在1629 cm-1。該波段二維相關(guān)紅外光譜的差異說明了三者油脂、蛋白質(zhì)、氨基酸及芳香類物質(zhì)等化學(xué)成分存在差異，同時進一步佐證了三種紫蘇子油脂和蛋白質(zhì)的相對含量存在差別。

900～1300 cm-1區(qū)域主要為C-O伸縮振動吸收峰，這組峰主要對應(yīng)于多糖類吸收峰。如圖4所示，在此波段二維相關(guān)紅外光譜中，AG-1紫蘇子有6個主要的自動峰，分別在1011，1103，1133，1138，1167，1216 cm-1附近，最強自動峰為1216 cm-1；BJ-6紫蘇子有4個主要自動峰，分別在942，1008，1141，1216 cm-1，最強自動峰為1216 cm-1；AG-12紫蘇子有5個主要自動峰，分別在942，1007，1091，1144，1214 cm-1，最強自動峰為 1214 cm-1。該波段二維相關(guān)紅外光譜的不同主要體現(xiàn)出三種紫蘇子多糖類成分存在差異。

3　結(jié)論

利用紅外光譜三級鑒定法和整體解析法，對來源地均為河北的三種紫蘇子進行主體成分解析和鑒定。結(jié)果顯示，三種紫蘇子的紅外光譜、二階導(dǎo)數(shù)譜和二維相關(guān)譜差異都較為明顯，可據(jù)此進行有效區(qū)分，同時還可對其中所含主要成分進行定性和相對含量分析。紫蘇子主體成分為油脂、蛋白質(zhì)，通過比較二者特征吸收峰之間的相對強度，得出三種紫蘇子中油脂、蛋白質(zhì)的相對含量存在差異。進一步利用二階導(dǎo)數(shù)譜，得到1709 cm-1附近屬于有機酸類的特征吸收峰；運用二維相關(guān)紅外光譜，得到樣品受溫度變化影響顯著的成分間的差別，進一步區(qū)分鑒別三種不同紫蘇子。該研究工作可為紫蘇子種質(zhì)鑒別和紫蘇資源的開發(fā)利用提供研究思路和方法。

圖3　AG-1(a)，BJ-6(b)，AG-12(c)的二維相關(guān)紅外光譜及對應(yīng)自動峰 (1400～1800 cm-1)

圖4　AG-1(a)，BJ-6(b)，AG-12(c)的二維相關(guān)紅外光譜及對應(yīng)自動峰 (900～1300 cm-1)

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