不同干燥方法下西洋參的揮發(fā)性成分研究

李麗麗，張敏敏，李蒙，趙恒強(qiáng)，耿巖玲

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省分析測試中心，山東 濟(jì)南 250014)

西洋參(PanaxquinquefoliusL.)，又稱花旗參，為五加科人參屬植物,原產(chǎn)于北美洲加拿大的魁北克與美國的威斯康辛州。1975年以來，我國東北三省、北京、山東等地相繼引種并獲得成功[1]，成為西洋參世界三大主產(chǎn)地之一[2]?！吨袊幍洹分赋觯餮髤⒏?、微苦、涼,歸心、肺、腎經(jīng),補(bǔ)氣養(yǎng)陰，清熱生津,用于氣虛陰虧、虛熱煩倦、咳喘痰血、內(nèi)熱消渴、口燥咽干[3]。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，西洋參具有抗腫瘤、抗癌、降血壓、降血脂、抗疲勞等藥理活性[4]。

西洋參含有豐富的化學(xué)成分，包括皂苷[5-6]、多糖[7-8]、揮發(fā)油[9-10]等，其化學(xué)成分受不同干燥方法的影響。烘干和冷凍干燥是西洋參加工過程中常見的干燥方法。冷凍干燥法(凍干)是在低溫條件下將水分去除，特別適用于保留熱敏性、易氧化和易揮發(fā)性物質(zhì)，是目前保存植物生物活性成分最有效的干燥方法，廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、食品行業(yè)[11]。有報(bào)道指出西洋參花中的人參皂苷在40 ℃烘干條件下的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于凍干法[12]。目前對西洋參中皂苷成分的研究較多，而對不同干燥方法下西洋參揮發(fā)性成分的研究還未見報(bào)道。

揮發(fā)性化學(xué)成分是西洋參的重要活性成分之一?；谖餮髤馕肚逑銤饬液腿藚⑺幉南銡夂裰氐奶攸c(diǎn)，已有報(bào)道將揮發(fā)性成分用于人參和西洋參的鑒別[13-14]。氣相離子遷移譜(gas chromatography-ion mobility spectrometry, GC-IMS)是一種將離子遷移譜技術(shù)和氣相色譜技術(shù)相結(jié)合的檢測技術(shù)，融合了氣相色譜高效分離能力和離子遷移譜響應(yīng)速度快、高靈敏度的優(yōu)勢，具有簡單、快速、靈敏、對樣品無損等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于一些揮發(fā)性有機(jī)化合物的痕量檢測[15-17]。GC-IMS首先通過氣相色譜將復(fù)雜混合物分離，然后通過產(chǎn)物離子在電場中遷移速率的不同，將其進(jìn)一步分離，得到遷移時(shí)間和保留時(shí)間二維數(shù)據(jù)，提供更為豐富的化合物信息[18]。本文對西洋參分別進(jìn)行凍干和烘干處理，通過氣相離子遷移譜，對不同干燥方法下西洋參的揮發(fā)性成分進(jìn)行研究。

1 儀器與材料

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

FlavourSpec?氣相離子遷移譜聯(lián)用儀 (德國G.A.S.公司)；CPA225D型十萬分之一電子分析天平(德國Sartorius 公司)；FW100型高速萬能粉碎機(jī)(天津市泰斯特儀器有限公司)；Scientz-10N冷凍干燥機(jī)(寧波新芝生物科技股份有限公司)；GZX-9140 MBE數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱(上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

四年生新鮮西洋參在臨沂采收，分別進(jìn)行凍干和烘干。凍干條件：將新鮮西洋參在-20 ℃預(yù)凍24 h，然后放入冷凍干燥機(jī)中凍干至恒重。烘干條件：30 ℃初始溫度，每12 h升高1 ℃，干燥至恒重(45 ℃)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品制備

準(zhǔn)確稱取1 g西洋參粉末于頂空進(jìn)樣瓶中，凍干西洋參粉末平行6份，烘干西洋參粉末平行6份。

2.2 氣相離子遷移譜分析條件

頂空進(jìn)樣條件：進(jìn)樣體積200 μL，孵育時(shí)間15 min，孵育溫度80 ℃，進(jìn)樣針溫度85 ℃，孵化轉(zhuǎn)速500 r/min。

GC-IMS 條件：色譜柱類型FS-SE-54 15 m,ID0.53 mm。柱溫45 ℃。載氣/漂移氣為高純氮?dú)?純度≥99.999%)。IMS 探測器溫度45 ℃。漂移氣流速 (E1)為150 mL/min。氣相載氣流速 (E2)為0～2 min，2 mL/min；25 min，100 mL/min； 35～36 min，150 mL/min。

2.3 數(shù)據(jù)處理

西洋參的揮發(fā)性成分，由儀器配套的GC×IMS Library Search軟件通過內(nèi)置的NIST和IMS數(shù)據(jù)庫進(jìn)行定性分析。儀器配套的 LAV(laboratory analytical viewer)軟件用于樣品圖譜的查看分析，通過Reporter 插件和Gallery Plot 插件繪制不同樣品的差異圖譜和指紋圖譜。峰體積由LAV通過定量功能得到(volume above area minimum)。主成分分析(principal component analysis，PCA)由SIMCA軟件(瑞典Umetrics公司)完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 西洋參中揮發(fā)性成分定性分析

在GC-IMS中，根據(jù)氣相色譜的保留時(shí)間(tR)和離子遷移時(shí)間(tD),通過數(shù)據(jù)庫在西洋參中共定性出52種揮發(fā)性成分，包括11種醇類、8種酮類、12種醛類、5種吡嗪類、5種酯類、4種酸類、2種烯烴類等(表1)。這些揮發(fā)性成分的保留指數(shù)(IR)、保留時(shí)間、離子遷移時(shí)間(tR)、分子量(m)請掃描OSID二維碼查看。

表1 西洋參中揮發(fā)性成分Table 1 Volatile components in Panax quinquefolius L.

3.2 不同干燥方法對西洋參揮發(fā)性成分的影響

西洋參通過烘干和凍干方式干燥后，其揮發(fā)性成分從種類和含量上都有明顯的差異。如圖1所示，烘干西洋參的氣相離子遷移譜圖和凍干西洋參有明顯的不同。在西洋參的氣相離子遷移譜圖中，識別出主要揮發(fā)性成分138個(gè)。基于138個(gè)變量進(jìn)行PCA分析，得分圖見圖2。主成分1(PC1)和主成分2(PC2)分別為0.849和0.083，說明干燥方法對西洋參的揮發(fā)性成分有很大影響。

(a)烘干西洋參 (b)凍干西洋參圖1 烘干和凍干西洋參中揮發(fā)性成分的氣相離子遷移譜圖Fig.1 GC-IMS spectra of the volatile components in heat-dried and freeze-dried Panax quinquefolius L.

紫色圓圈代表烘干西洋參，藍(lán)色方塊代表凍干西洋參圖2 西洋參PCA得分圖Fig. 2 PCA score plot of Panax quinquefolius L.

3.3 烘干和凍干西洋參揮發(fā)性成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較

針對已定性的揮發(fā)性成分，基于峰體積值，分別計(jì)算各類揮發(fā)性成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(圖3)。在烘干西洋參中，w(醛類)為31.5%、w(醇類)為11.8%、w(酯類)為19.2%、w(酸類)為10.5%、w(酮類)為10.4%、w(烯烴類)為4.7%、w(吡嗪類)為4.4%。在凍干西洋參中，w(醛類)為53.9%、w(醇類)為14.2%、w(酯類)為4.0%、w(酸類)為6.4%、w(酮類)為9.6%、w(烯烴類)為2.2%、w(吡嗪類)為2.9%。對比烘干和凍干處理西洋參揮發(fā)性成分，烘干西洋參中酯類、酸類、酮類、烯烴類、吡嗪類揮發(fā)性成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，而醛類和醇類揮發(fā)性成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。

基于峰體積值繪制醛類和醇類中不同化合物的指紋圖譜(圖4)，并計(jì)算其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如圖4所示，壬醛、庚醛、(E)-2-庚烯醛、(E)-2-辛烯醛、苯乙醛、己醛、戊醛、辛醛、糠醛在凍干西洋參中的峰體積值明顯高于烘干西洋參。其中，辛醛和糠醛在烘干西洋參中沒有檢出。凍干西洋參中的w(壬醛)、w(庚醛)、w[(E)-2-庚烯醛]、w[(E)-2-辛烯醛]、w(苯乙醛)、w(己醛)分別是烘干西洋參的2.5、2.3、2.2、1.8、1.5、1.3倍。醇類中(Z)-3-己烯-1-醇、2-乙基己醇、1-辛烯-3-醇、己醇、(E)-3-己烯-1-醇在凍干西洋參中的峰體積值明顯高于烘干西洋參。其中己醇、(E)-3-己烯-1-醇在烘干西洋參中沒有檢出，凍干西洋參中w[(Z)-3-己烯-1-醇]、w(2-乙基己醇)和w(1-辛烯-3-醇)是烘干西洋參的2.0、1.6和1.4倍。而戊醇、3-甲基-3-丁烯-1-醇、(E)-2-己烯醇、丁醇在烘干西洋參中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，這4種醇類在凍干西洋參沒有檢出,表明醇類揮發(fā)性成分受干燥條件的影響較大。

圖3 烘干和凍干處理西洋參中，醛類、酮類、酯類、醇類、酸類、烯烴類、吡嗪類的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig. 3 Mass fractions of aldehydes, ketones, esters, alcohols, acids, alkenes, and pyrazines in heat-dried and freeze-dried Panax quinquefolius L.

H—烘干西洋參 D—凍干西洋參圖4 醛類和醇類在烘干和凍的指紋圖譜。Fig. 4 Fingerprints of aldehydes and alcohols in heat-dried and freeze-dried Panax quinquefolius L.

H—烘干西洋參 D—凍干西洋參 圖5 酯類、酸類、酮類、烯烴類、吡嗪類揮發(fā)性成分在烘干和凍干的指紋圖譜Fig. 5 Fingerprints of esters, acids, ketones, alkenes, and pyrazines in heat-dried and freeze-dried Panax quinquefolius L.

基于峰體積值繪制酯類、酸類、酮類、烯烴類、吡嗪類中不同化合物的指紋圖譜(圖5)，并計(jì)算其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如圖5所示，乳酸乙酯、丙酸乙酯、乙基-2-甲基丙酸酯、乙酸戊酯、乙酸丁酯在烘干西洋參中的峰體積值明顯高于凍干西洋參。其中，乳酸乙酯、丙酸乙酯、乙基-2-甲基丙酸酯在凍干西洋參中沒有檢出。烘干西洋參中w(乙酸戊酯)是凍干西洋參的3.1倍。西洋參通過烘干處理后，其酯類揮發(fā)性成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅提升。酸類成分中2-甲基丁酸、丙酸、戊酸在烘干西洋參中的峰體積值高，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是凍干西洋參的3.9、1.7、1.4倍。而己酸在凍干西洋參中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高。酮類揮發(fā)性成分中2-戊酮、羥基丙酮、2,3-戊二酮、環(huán)己酮、2-庚酮、2-己酮在烘干西洋參中的峰體積值高于凍干西洋參，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是凍干西洋參中的3.7、2.5、2.4、1.6、1.4、1.3倍。而1-辛烯-3-酮在凍干西洋參中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高。西洋參中的大部分酮類在烘干條件下質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高。苯乙烯和α-蒎烯在烘干西洋參中的峰體積值高，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是凍干西洋參的3.1和2.0倍。吡嗪類中，2,6-二甲基吡嗪、2-乙基吡嗪、2,5-二甲基吡嗪在烘干西洋參中峰體積値高。2,6-二甲基吡嗪、2-乙基吡嗪在凍干西洋參中未檢出。烘干西洋參中的w(2,5-二甲基吡嗪)是凍干西洋參的2.4倍。2-乙基-6-甲基吡嗪和2-甲基吡嗪在凍干西洋參中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，在烘干西洋參中未檢出。

4 結(jié)論

本研究基于氣相離子遷移譜對不同干燥方法處理的西洋參的揮發(fā)性成分進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)烘干和凍干西洋參的揮發(fā)性成分有很大差異。西洋參中酯類、酸類、酮類、烯烴類、吡嗪類、醛類和醇類等揮發(fā)性成分都受到干燥方法的影響。研究過程中發(fā)現(xiàn)還有一些揮發(fā)性成分在烘干和凍干西洋參中有顯著性差異，但受限于數(shù)據(jù)庫，未能鑒別，有待于今后進(jìn)一步的研究。