采用GC-IMS 對(duì)4 個(gè)薄荷品種不同組織部位揮發(fā)性物質(zhì)的研究

謝玉芬， 張昆明， 楊文麗， 馬月玲，劉霄蕓， 俞曉燕， 張光弟*1，2，

（1. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 寧夏銀川 750021； 2. 寧夏食品微生物應(yīng)用技術(shù)與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 寧夏銀川 750021； 3. 寧夏設(shè)施園藝（寧夏大學(xué)）技術(shù)創(chuàng)新中心，寧夏銀川 750021； 4. 寧夏大學(xué)食品與葡萄酒學(xué)院，寧夏銀川 750021）

薄荷（Mentha haplocalyx Briq.）是唇形科薄荷屬多年生宿根草本植物[1]，多生長于山野、濕地、河流旁，廣布于北半球的溫帶地區(qū)[2]。 是我國著名的香料植物，也是第一批藥食同源植物，栽培歷史悠久，應(yīng)用廣泛[3]。 薄荷既是常用的調(diào)味品[4]，又是化妝品的原料[5-6]；既有抗菌、消炎、抗氧化、抗病毒等功效[7-10]，又具有清香、提神、醒腦、解表等作用[11]。

研究表明，世界上薄荷屬植物有30 個(gè)種，其中變種有140 多種， 現(xiàn)今在園藝栽培上已有600 多個(gè)品種[12]。 留蘭香、椒樣、香檳和葡萄柚是我國常見的4 個(gè)薄荷品種。 留蘭香薄荷又名綠薄荷、香薄荷、荷蘭薄荷，莖、葉經(jīng)蒸餾可提取留蘭香精油，可入藥也可食用[13]。椒樣薄荷又名胡椒薄荷，是水薄荷與綠薄荷雜交而成的不育品種，原產(chǎn)于歐洲[14]。椒樣薄荷油具有令人心曠神怡的甜香味、藥香味和椒香味，廣泛應(yīng)用于口香糖、牙膏、漱口水、薄荷飲料等產(chǎn)品中[15]。 香檳薄荷顏色深綠，香氣清淡，因其具有一股香檳酒的氣味而得名。 葡萄柚薄荷是薄荷的新品種之一，有很濃的葡萄柚味道，葉片較大，適合泡茶、拌沙拉、烹調(diào)，及用于咖啡、果汁、甜點(diǎn)等食品，其精油味道濃郁，具有很高的利用價(jià)值[16]。

關(guān)于薄荷揮發(fā)油成分的研究較多[17-19]，且大多采用莖葉組織作為實(shí)驗(yàn)材料，而研究薄荷根部的文獻(xiàn)較少[20]。另外，未見文獻(xiàn)記載不同薄荷品種揮發(fā)性成分的對(duì)比研究。 目前對(duì)于薄荷香氣定性、定量分析主要采用氣相色譜- 質(zhì)譜聯(lián)用（gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS）技術(shù)，而GC-IMS 運(yùn)用較少。 與GC-MS 相比，GC-IMS 的樣品前處理更為簡單，可在較短時(shí)間內(nèi)完成多組分混合物的定性和定量分析，可保證薄荷中的揮發(fā)性物質(zhì)得到最大程度的保留[21-23]。 因此，采用GC-IMS 技術(shù)分析不同薄荷品種中不同部位的揮發(fā)性物質(zhì)差異，明確揮發(fā)性物質(zhì)的種類及含量，以期為薄荷合理換茬、品種更換、輪作等栽培管理提供理論依據(jù)，為今后薄荷產(chǎn)業(yè)發(fā)展、薄荷資源可持續(xù)利用奠定基礎(chǔ)，為科學(xué)利用薄荷營造生態(tài)型、保健型、芳香型園林景觀提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)與材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于寧夏賀蘭縣光明漁村科海漁業(yè)基地。

1.1.2 植物材料源于魚-花（薄荷）閉環(huán)共生系統(tǒng)中浮板栽培模式，4 個(gè)不同薄荷品種（留蘭香、椒樣、香檳和葡萄柚）均為多年生（2 年生）。 以長度比3∶2∶3將板上植株分為3 個(gè)部位， 其中0～15 cm 為部位1，15～25 cm 為部位2，25～40 cm 為部位3， 浮板下3～5 cm 長度的根系為部位4。分別稱取10 g 裝入自封袋中，用于GC-IMS 分析，其標(biāo)記見表1。

表1 4 種薄荷的不同部位標(biāo)記Table 1 Different part markers of four kinds of mint

1.1.3 儀器FlavourSpec?風(fēng)味分析儀：德國G.A.S.公司產(chǎn)品；SQP 電子天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司產(chǎn)品。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理將各部位樣品從自封袋中取出，剪碎混勻，稱取每個(gè)部位樣品各0.5 g，將薄荷樣于20 mL 頂空進(jìn)樣瓶中，70 ℃條件下孵育20 min，經(jīng)頂空進(jìn)樣用氣相離子遷移譜FlavourSpec?進(jìn)行測試，每個(gè)樣品平行測定2 次。

1.2.2 分析條件色譜柱類型為FS-SE-54-CB-1（15 mm×0.53 mm，1 μm），載氣為高純氮?dú)猓兌取?9.999%），載氣流量（初始載氣流量2 mL/min 條件下保持2 min；10 min 內(nèi)上升到10 mL/min；20 min內(nèi)上升到100 mL/min；25 min 內(nèi)上升到150 mL/min，保持30 min； 分析時(shí)間55 min）， 漂移氣流量150 mL/min，柱溫60 ℃，離子遷移過程在45 ℃下進(jìn)行，進(jìn)樣針溫度85 ℃，進(jìn)樣體積100 μL。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析方法采用軟件內(nèi)置的NIST 數(shù)據(jù)庫和IMS 數(shù)據(jù)庫對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性分析。 采用軟件Laboratory Analytical Viewer （LAV） 的Gallery Plot插件， 繪制薄荷GC-IMS 指紋圖譜。 利用軟件LAV進(jìn)行不同薄荷品種的不同部位之間揮發(fā)性物質(zhì)的差異圖譜分析， 通過使用軟件The Unscrambler X 10.4進(jìn)行主成分分析并使用TBtools 做可視化熱圖。 采用軟件Microsoft Excel（2016 版）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 4 種薄荷不同部位揮發(fā)性成分的GC-IMS 定性分析

根據(jù)保留時(shí)間和遷移時(shí)間， 通過軟件GC×IMS Library Search 檢索鑒定化合物，總鑒定化合物見表2。 結(jié)果顯示，在4 種薄荷的不同部位中共分析鑒定出34 種揮發(fā)性物質(zhì)，其中包含醇11 種、酮10 種、醛4 種、烯烴3 種、雜環(huán)化合物3 種、酯2 種、酚類1種。 留蘭香、椒樣、香檳、葡萄柚薄荷中分別鑒定出揮發(fā)性物質(zhì)為27、26、22、26 種。

表2 4 種薄荷的不同部位中揮發(fā)性物質(zhì)的定性分析Table 2 Qualitative analysis of volatile substances in different parts of four mint varieties

續(xù)表

續(xù)表

4 種薄荷所含揮發(fā)性物質(zhì)中多以醇類、 酮類等為主。 4 種薄荷均含的揮發(fā)性物質(zhì)有16 種，分別為1-丁醇、順-3-己烯醇、1-辛烯-3-醇、芳樟醇、苯乙醇、α-松油醇、1-辛醇、2-庚酮、2-己酮、2-丁酮、2-辛酮、乙酸乙酯、苯甲醛、苯酚、檸檬烯和α-蒎烯。 4種薄荷各部位中較高的是芳樟醇、 苯乙醇、α-松油醇。 其中，芳樟醇對(duì)大腸桿菌具有抗菌活性[24-25]；1-丁醇可防止過氧化對(duì)細(xì)胞膜的破壞，降低細(xì)胞膜滲透率[26-27]；1-辛烯-3-醇不僅可抑制黃曲霉生長[1]，還有一定的殺蟲作用[28]；α-松油醇對(duì)輪枝鐮刀菌、黃曲霉、桔青霉、枯草芽孢桿菌、酵母菌等有抑菌作用[29]；1-辛醇對(duì)病蟲害具有防控效果[30]；乙酸乙酯具有抗腫瘤活性[31]；苯甲醛是一種對(duì)黑色素合成限速酶（酪氨酸酶）具有抑制作用的生物活性物質(zhì)[32]，還可作為食品合成香料，此外還有止咳平喘和殺蟲抑菌等功效[33]；檸檬烯具有廣譜抗菌性，可抑制真菌及細(xì)菌[34]，同時(shí)預(yù)防癌癥、鎮(zhèn)咳祛痰的活性顯著，另外化感作用明顯，不同濃度的檸檬烯對(duì)萊茵衣藻細(xì)胞生長有抑制或誘導(dǎo)死亡的作用[35]；α-蒎烯具有抗腺病毒作用[36-37]。

椒樣、香檳、葡萄柚薄荷中都有苯乙烯、丁醛和苯酚；留蘭香、葡萄柚薄荷中都有2-丁酮、2-己烯醇和2，5-二甲基吡嗪， 其中2-己烯醇具有水果味和青草味[38]；留蘭香、椒樣、葡萄柚薄荷中都有苯乙酮、2，3-戊二酮和戊醛， 其中，2，3-戊二酮是一種奶香型香料，可制備藥物、防腐劑等[39]。 留蘭香、椒樣、香檳薄荷中都有桉葉油醇和2-甲基吡嗪，其中，桉葉油醇可用于抑菌和急性神經(jīng)性面部疼痛的鎮(zhèn)痛[40]，而且與補(bǔ)骨脂素配伍使用能夠增強(qiáng)補(bǔ)骨脂素的抗腫瘤活性[41]。

同時(shí)， 留蘭香薄荷中獨(dú)有1-戊醇和4-羥基-2，5-二甲基-3（2H）呋喃酮，其中，4-羥基-2，5-二甲基-3（2H）呋喃酮對(duì)單增李斯特菌AI-2 類群體感應(yīng)有一定的干擾效應(yīng)[42]；椒樣薄荷中獨(dú)有乙酸異戊酯和正己醇，其中，乙酸異戊酯廣泛用于配制各種果味食品及日化香精[43]；葡萄柚薄荷中獨(dú)有2，3-丁二酮和己醛，其中，己醛在適當(dāng)濃度下具有顯著抑制草莓球腔菌孢子萌發(fā)和菌絲生長的作用[44]。

2.2 4 種薄荷不同部位特征揮發(fā)性物質(zhì)的GCIMS 指紋圖譜分析

2.2.1 留蘭香薄荷不同部位的揮發(fā)性物質(zhì)分析由圖1 可知，留蘭香薄荷中不同部位揮發(fā)性化合物含量由高到低為SPLS-1＞SPLS-2＞SPLS-3＞SPR。 其中，SPLS-1 部位中主要包括1-丁醇、2-己烯醇、2-庚酮、順-3-己烯醇、1-辛烯-3-醇、檸檬烯、4-羥基-2，5-二甲基-3（2H）呋喃酮、α-松油醇、苯甲醛、2-丁酮、2，3-戊二酮、 戊醛、1-戊醇、α-蒎烯、 桉葉油醇、苯酚和2-辛酮；α-松油醇含量最高，其次為檸檬烯；2-戊酮和2-己酮含量較低。SPLS-2 部位中主要包括乙酸乙酯、2-甲基吡嗪、2，5-二甲基吡嗪、芳樟醇、苯乙醇；芳樟醇含量最高，其次為苯乙醇；戊醛含量較低。 SPLS-3 部位中主要為環(huán)己酮，其含量最高；2-己烯醇、2，5-二甲基吡嗪、苯乙酮、1-辛醇、苯甲醛含量較低。 SPR 部位中主要包括2-戊酮、2-己酮、苯乙酮、1-辛醇；苯乙酮含量最高，其次為2-戊酮；2-甲基吡嗪、環(huán)己酮含量較低。

圖1 留蘭香薄荷不同部位揮發(fā)性化合物的GalleryPlot 示意圖Fig. 1 Schematic diagram of GalleryPlot of volatile compounds in different parts of spearmint

2.2.2 椒樣薄荷不同部位的揮發(fā)性物質(zhì)分析由圖2 可知，椒樣薄荷中不同部位特征揮發(fā)性化合物含量由高到低為PPLS-1＞PPLS-3＞PPLS-2＞PPR。其中，PPLS-1 部位中主要包括1-丁醇、順-3-己烯醇、1-辛烯-3-醇、檸檬烯、桉葉油醇、2-甲基吡嗪、2-辛酮、苯甲醛和α-蒎烯；檸檬烯含量最高，其次為1-辛烯-3-醇；乙酸乙酯含量較低。 PPLS-2 部位中主要包括乙酸乙酯、2-庚酮、苯乙酮、芳樟醇、α-松油醇和苯酚；α-松油醇含量最高，其次為芳樟醇；2-戊酮、1-丁醇、1-辛醇和戊醛含量較低。 PPLS-3 部位中主要為2-丁酮、2，3-戊二酮、 乙酸異戊酯、 正己醇、苯乙烯和苯乙醇；其中，苯乙醇含量最高；2-己酮、2-庚酮和丁醛含量較低。 PPR 部位中主要包括2-戊酮、2-己酮、1-辛醇、戊醛和丁醛；戊醛含量最高，其次為丁醛；乙酸異戊酯、正己醇和苯乙烯含量較低。

圖2 椒樣薄荷不同部位揮發(fā)性化合物的GalleryPlot 示意圖Fig. 2 Schematic diagram of GalleryPlot of volatile compounds in different parts of pepper mint

2.2.3 香檳薄荷不同部位的揮發(fā)性物質(zhì)分析由圖3 可知，香檳薄荷中不同部位特征揮發(fā)性化合物含量由高到低為CPLS-1＞CPLS-2＞CPLS-3＞CPR。其中，CPLS-1 部位中主要包括2-丁酮、1-丁醇、2-甲基吡嗪、順-3-己烯醇、苯乙烯、2-庚酮、α-蒎烯、檸檬烯、 二異丁基酮、2-辛酮、 桉葉油醇和α-松油醇；檸檬烯含量最高，其次為α-松油醇。 CPLS-2 部位中主要包括乙酸乙酯、 環(huán)己酮、1-辛烯-3-醇、苯酚、芳樟醇、苯乙醇和苯甲醛；芳樟醇含量最高，其次為苯乙醇；2-戊酮、1-丁醇、2-己酮含量較低。CPLS-3 部位中主要為丁醛，其含量最高；環(huán)己酮、1-辛醇和苯甲醛含量較低。CPR 部位中主要包括2-己酮和1-辛醇，其中，1-辛醇含量最高；順-3-己烯醇、α-蒎烯和2-甲基吡嗪含量較低。

圖3 香檳薄荷不同部位揮發(fā)性化合物的GalleryPlot 示意圖Fig. 3 Schematic diagram of GalleryPlot of volatile compounds in different parts of champagne mint

2.2.4 葡萄柚薄荷不同部位的揮發(fā)性物質(zhì)分析由圖4 可知，葡萄柚薄荷中不同部位特征揮發(fā)性化合物含量由高到低為GPLS-2＞GPLS-1＞GPLS-3＞GPR。其中，GPLS-1 部位中主要包括1-丁醇、戊醛、順-3-己烯醇、苯乙烯、2，5-二甲基吡嗪、α-蒎烯、2-辛酮、1-辛烯-3-醇、苯酚、檸檬烯、芳樟醇、苯乙醇、α-松油醇和己醛；α-松油醇含量最高， 其次為檸檬烯；2-庚酮和2-己酮含量較低。GPLS-2 部位中主要包括2-丁酮、 乙酸乙酯、2，3-戊二酮、2，3-丁二酮、苯乙酮和1-辛醇；2，3-戊二酮含量最高， 其次為苯乙酮；2-戊酮、1-丁醇、2-己酮含量較低。GPLS-3 部位中主要為丁醛，其含量最高；戊醛、1-辛烯-3-醇和2-己烯醇含量較低。 GPR 部位中主要包括2-戊酮和2-己酮， 其中，2-戊酮含量最高； 順-3-己烯醇、苯乙烯和苯甲醛含量較低。

圖4 葡萄柚薄荷不同部位揮發(fā)性化合物的GalleryPlot 示意圖Fig. 4 Schematic diagram of GalleryPlot of volatile compounds in different parts of grapefruit mint

2.3 4 種薄荷中不同部位的揮發(fā)性物質(zhì)比較

2.3.1 揮發(fā)性組分分析結(jié)合表2 和圖1～4 可知，總體而言，各個(gè)部位的揮發(fā)性物質(zhì)含量由高到低為PLS-1＞PLS-2＞PLS-3＞PR。 各部位中均含的揮發(fā)性物質(zhì)共16 種，分別為1-丁醇、順-3-己烯醇、1-辛烯-3-醇、芳樟醇、苯乙醇、α-松油醇、1-辛醇、2-庚酮、2-己酮、2-丁酮、2-辛酮、乙酸乙酯、苯甲醛、苯酚、檸檬烯和α-蒎烯。 其中，部位PLS-1 和PLS-2中， 均是椒樣薄荷中α-蒎烯和香檳薄荷中1-辛醇含量較高；部位PLS-3 中，椒樣薄荷中的檸檬烯和芳樟醇含量較高， 留蘭香薄荷中的順-3-己烯醇含量較高，而葡萄柚薄荷中苯甲醛含量較低；部位PR中，檸檬烯、芳樟醇和苯乙烯的含量相對(duì)于其他部位更高，而1-辛醇在其部位的含量低于其他部位。

2.3.2 特征揮發(fā)性物質(zhì)熱圖和PCA 分析 通過揮發(fā)性化合物相對(duì)峰體積對(duì)4 種薄荷不同部位中揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行可視化熱圖聚類分析（見圖5）和主成分分析（見圖6），可以更直觀地看出4 種薄荷不同部位中揮發(fā)性化合物的差異。從聚類分析可得，4 種薄荷的不同部位可聚為4 類，其中，留蘭香薄荷中SPLS-1 和SPLS-2 部位聚為第一類， 而SPLS-3 和SPR 部位聚為第二類，葡萄柚薄荷的4 個(gè)部位為第三類， 椒樣和香檳薄荷的4 個(gè)部位為第四類。 由PCA 分析可以看出，4 種薄荷的各部位中，第一主成分PC-1 貢獻(xiàn)率為69%， 第二主成分PC-2 貢獻(xiàn)率為17%，二者累計(jì)貢獻(xiàn)率為86%，這基本代表了樣品的全部特征信息。4 種薄荷中各部位點(diǎn)分別匯聚，而4 種薄荷不同部位間集合間距差異明顯，說明不同部位之間存在差異性，特征成分在4 種薄荷部位中的分布具有特征性，可利用主成分進(jìn)行放大。 從PC-1 來看，獨(dú)有部位SPLS-3 聚集于PC-1 負(fù)半軸，其他部位都聚集于PC-1 正半軸部分， 說明部位SPLS-3 與其他部位主要在PC-1 上差異較大；從PC-2 來看， 部位SPLS-1、SPLS-2、SPLS-3、SPR、CPLS-1、CPLS-2、CPLS-3、CPR、PPLS-2 和PPLS-3都聚集于PC-2 負(fù)半軸， 可見檢測裝置不能將兩種樣品區(qū)分開，說明留蘭香和香檳薄荷具有一定相似性，而部位GPLS-1、GPLS-2、GPLS-3、GPR、PPLS-1和PPR 都聚集于PC-2 正半軸，說明葡萄柚和椒樣薄荷具有一定相似性，可根據(jù)品種的差異選取不同部位的薄荷加以利用。 PCA 結(jié)果顯示4 種薄荷中各部位基本可以很好地被區(qū)分開，且該結(jié)果與熱圖聚類分析結(jié)果具有一定相似性。

圖5 4 種薄荷中不同部位揮發(fā)性化合物TBtools 熱圖分析Fig. 5 TBtools heat map analysis of volatile compounds in different parts of four kinds of mint

圖6 4 種薄荷中不同部位揮發(fā)性物質(zhì)PCA 分析Fig. 6 PCA analysis of volatile substances in different parts of four kinds of mint

3 結(jié) 語

通過GC-IMS 方法對(duì)4 種薄荷不同部位中的揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，共定性出34 種揮發(fā)性成分，醇類和酮類物質(zhì)組成及含量占據(jù)了很大優(yōu)勢，α-松油醇、苯乙醇、芳樟醇等是4 種薄荷揮發(fā)性成分的主要構(gòu)成物質(zhì)；檸檬烯等烯烴類物質(zhì)含量僅次于酮類。 4 種薄荷中檢測出16 種共有成分， 包括1-丁醇、順-3-己烯醇、1-辛烯-3-醇、芳樟醇、苯乙醇、α-松油醇、1-辛醇、2-庚酮、2-己酮、2-丁酮、2-辛酮、乙酸乙酯、苯甲醛、苯酚、檸檬烯和α-蒎烯。 4 種薄荷中，留蘭香薄荷獨(dú)有1-戊醇和4-羥基-2，5-二甲基-3（2H）呋喃酮，在部位SPR 含量較高；椒樣薄荷中獨(dú)有乙酸異戊酯和正己醇， 在部位PPLS-3 含量較高；葡萄柚薄荷獨(dú)有2，3-丁二酮和己醛，在部位GPR 含量最高， 而己醛在部位GPLS-3 含量最高。部位PLS-1 是薄荷揮發(fā)性成分的主要部位，醇類和酮類化合物作為薄荷揮發(fā)性成分的關(guān)鍵化合物，決定了不同薄荷品種各自的風(fēng)味。 該研究可為薄荷的品種鑒定及不同部位的合理利用提供理論依據(jù)。