固態(tài)發(fā)酵黑姜揮發(fā)性物質(zhì)的GC-MS測定

王麗媛，周寧，寧月寶

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

生姜是一種藥食同源的植物，在很多地區(qū)作為一種常用的烹飪調(diào)味品，用來去除食物中的膻腥味，增加鮮味，提高食物風(fēng)味[1-2]。生姜主要的活性成分是姜辣素，除此之外，還含有多種功能性物質(zhì)，如姜烯酚和姜酮等酚類物質(zhì)、嘌呤類化合物、抗氧化酶、姜油及多糖類、糖蛋白和黃酮類物質(zhì)[3-4]。生姜中含量最高的姜酚是姜辣素，其中大部分是6-姜辣素，其含量占總姜辣素的75%左右[5]。生姜具有抗腫瘤[6-7]、抗炎[8]、抗氧化[9-10]、保護(hù)心血管[11-12]、抗骨關(guān)節(jié)炎[13]以及抑制癌細(xì)胞活性等作用。生姜中的8-姜酚和10-姜酚對各種腫瘤細(xì)胞的活性都具有很好的抑制作用[14]。

生姜通過恒溫恒濕箱按照規(guī)定的條件(溫度(68.0±1.0) ℃，濕度(95.0±1.0))，發(fā)酵30 d得到一種黑色物質(zhì)，稱為發(fā)酵黑姜[15]。發(fā)酵黑姜的營養(yǎng)成分顯著升高，辛辣氣味減少，是一種天然健康的保健食品[16]。發(fā)酵過程主要發(fā)生了美拉德反應(yīng)[17]。本實驗采用同時蒸餾萃取法分別提取發(fā)酵黑姜與烘干姜中的揮發(fā)性成分并進(jìn)行對比分析，通過GC-MS分析，確定了發(fā)酵黑姜與烘干姜的化學(xué)組成和相對百分含量。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實驗材料

新鮮生姜：購自包頭市昆都侖區(qū)友誼菜市場；昆明種小鼠：購自內(nèi)蒙古大學(xué)實驗動物中心。

1.1.2 試劑

二氯甲烷(CH2Cl2)、氯化鈉(NaCl)、無水硫酸鈉(Na2SO4)：國產(chǎn)分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑三廠；四氧嘧啶(C4H2N2O4)：浙江中科瑞泰生物科技有限公司。

1.1.3 儀器

FA2104B型電子天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司；FTT-800C型多功能粉碎機 東莞市房太電器有限公司；QYZL-6B型同時蒸餾萃取裝置 上海喬躍電子科技有限公司；DZKW型恒溫水浴鍋 余姚市亞星儀器儀表有限公司；KDM500型控溫電熱套 山東鄄城華魯電熱儀器有限公司；RE52CS-2型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；Agilent 7890A-5975C GC-MS氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國Agilent公司；YZB/湘 0043-2012血糖儀 三諾生物傳感股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 生姜的發(fā)酵

將恒溫恒濕箱的濕度調(diào)在95%，溫度控制在68 ℃，再把新鮮生姜放入恒溫恒濕箱中，發(fā)酵30 d后生姜發(fā)生美拉德反應(yīng)顏色變黑，辛辣氣味揮發(fā)消失，得到發(fā)酵黑姜。

1.2.2 發(fā)酵黑姜的揮發(fā)物提取(SDE法)

操作SDE之前，在同時蒸餾萃取裝置的兩端同時加入二氯甲烷(30 mL)和超純水(350 mL)蒸餾2 h，清洗同時蒸餾萃取裝置以保證儀器潔凈。將發(fā)酵黑姜和烘干姜干燥好后用粉碎機打成粉末，分別稱取發(fā)酵黑姜和烘干姜樣品30 g(精確至1 mg)后把樣品放入燒杯中，加入適量的超純水和氯化鈉(NaCl分析純)溶解后把溶液倒入1000 mL的圓底燒瓶中，加入適量的沸石和超純水，再接上同時蒸餾萃取儀的一端用控溫電熱套加熱至微沸。取出圓底燒瓶(50 mL)，里面加入一些沸石和二氯甲烷(30 mL)，浸泡在恒溫水浴鍋(55 ℃)中，連續(xù)蒸餾萃取2 h。為保證實驗的精準(zhǔn)性，滴下溶劑的速度控制在5 s/滴左右。萃取完成后，把同時蒸餾萃取儀冷卻至室溫后再把儀器拆開，并把儀器中的有機溶劑和燒瓶中的萃取液合并到一起。在低溫冰柜(條件：-40 ℃)中冷凍過夜，再把殘留的水用無水硫酸鈉(Na2SO4分析純)除去，把溶劑用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀揮發(fā)，最后把提取物濃縮至1 mL(放入色譜瓶)進(jìn)行GC-MS分析[18]。

1.2.3 色譜條件

色譜柱：HP-5MS(60 m×0.25 mm×0.25 μm)；載氣：He，1.0 mL/min；升溫程序：柱初始溫度為50 ℃，保持2 min，以4 ℃/min的速率升溫至220 ℃；進(jìn)樣口的溫度為250 ℃；進(jìn)樣方式：分流進(jìn)樣，分流比是4∶1；進(jìn)樣量是1 μL。

質(zhì)譜條件：EI離子源，電子能量70 eV；電子倍增器電壓1635 V；質(zhì)量掃描范圍30～450 amu，離子源溫度230 ℃；傳輸線溫度240 ℃；四極桿溫度150 ℃。

1.2.4 姜辣素對小鼠的降血糖作用

將小鼠隨機分成兩組，對照組10只，實驗組20只，稱平均體重。給實驗組小鼠的腹腔注射20 mg/kg的四氧嘧啶溶液，建立小鼠糖尿病模型。對照組的小鼠注射同等劑量的生理鹽水。通過血糖儀檢測小鼠的血糖濃度，將高于7.0 mmol/L 的小鼠歸為高血糖小鼠，高血糖小鼠按照血糖高低再分為中高血糖組(13.78 mmol/L)和高血糖組(27.97 mmol/L)兩組。用黑姜姜辣素給實驗組小鼠連續(xù)灌胃28 d，給姜辣素400 mg/kg，在給小鼠灌胃的第14天和第28天，禁食12 h以后，測量其血糖值。

2 結(jié)果分析

2.1 同時蒸餾萃取法發(fā)酵黑姜的測定結(jié)果

發(fā)酵黑姜中揮發(fā)性成分的GC-MS總離子流圖見圖1。使用專業(yè)分析軟件(Shimadzu GC-MS solution Release 2.10)對總離子流進(jìn)行分析，分析結(jié)果得到361種化合物?；衔锔鹘M中的相對峰要按照面積歸一法計算百分比含量[19]。根據(jù)所得到的質(zhì)譜信息可鑒定成分，使用譜庫檢索數(shù)據(jù)實行檢索。通過與標(biāo)準(zhǔn)圖譜相對比，進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)的確認(rèn)。其中鑒定出了16種化合物，占總含量的27.81%。

圖1 發(fā)酵黑姜中揮發(fā)性成分的總離子流圖Fig.1 Total ion flow diagram of volatile components in fermented black ginger

通過對發(fā)酵黑姜揮發(fā)性物質(zhì)的化學(xué)成分進(jìn)行GC-MS分析鑒定出了姜辣素，主要相對總含量：β-紅沒藥烯(12.89%)和金合歡烯(11.57%)，見表1。其中還鑒定出了22種硫醚類化合物，其中硫醚類化合物總含量為0.24%，硫醚類化合物見表2。

表1 發(fā)酵黑姜中揮發(fā)性成分鑒定結(jié)果Table 1 Identification results of volatile components in fermented black ginger

表2 發(fā)酵黑姜揮發(fā)性物質(zhì)中含有的硫醚類化合物Table 2 Thioether compounds contained in volatile substances of fermented black ginger

續(xù) 表

2.2 同時蒸餾萃取法烘干姜的測定結(jié)果

烘干姜中揮發(fā)性物質(zhì)的總離子流圖見圖2。

圖2 烘干姜中揮發(fā)性成分的總離子流圖Fig.2 Total ion flow diagram of volatile components in dried ginger

通過對烘干姜揮發(fā)性物質(zhì)的化學(xué)成分進(jìn)行GC-MS分析，鑒定出了14種化合物，占總含量的24.23%。其揮發(fā)性成分主要由β-紅沒藥烯(6.3%)和β-姜黃素(3.95%)組成，其相對總含量為10.25%，見表3。其中還鑒定出了7種硫醚類化合物，其中硫醚類化合物總含量為0.24%，見表4。

表3 烘干姜中揮發(fā)性成分鑒定結(jié)果Table 3 Identification results of volatile components in dried ginger

表4 烘干姜揮發(fā)性物質(zhì)中含有的硫醚類化合物Table 4 Thioether compounds contained in volatile substances of dried ginger

續(xù) 表

為了更直觀地對發(fā)酵黑姜與烘干姜做對比，現(xiàn)將發(fā)酵黑姜與烘干姜主要揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行對比總結(jié)，結(jié)果見表5。

表5 發(fā)酵黑姜與烘干姜主要揮發(fā)性物質(zhì)對比Table 5 Comparison of main volatile compounds between fermented black ginger and dried ginger %

2.3 姜辣素對小鼠降血糖作用的測定結(jié)果

高血糖組小鼠灌胃后血糖值與灌胃前相比，血糖下降率為71%，中高血糖值組小鼠灌胃后血糖值與灌胃前相比，血糖下降率為52.44%。結(jié)果表明，黑姜姜辣素對小鼠具有很好的降血糖作用(見表6)。

表6 黑姜姜辣素對小鼠血糖的影響Table 6 Effect of gingerol in black ginger on blood glucose of mice

3 結(jié)論

以上數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，發(fā)酵黑姜的揮發(fā)性成分中β-紅沒藥烯為12.89%，金合歡烯為11.57%，這兩種成分都屬于姜辣素，而烘干姜的揮發(fā)性成分中β-紅沒藥烯僅為6.3%，且并沒有發(fā)現(xiàn)金合歡烯的存在。經(jīng)過GC-MS分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵黑姜的姜辣素中β-紅沒藥烯比烘干姜中含有的β-紅沒藥烯提高了2.04倍，發(fā)酵黑姜的姜辣素比烘干姜的姜辣素提高了3.88倍，發(fā)酵黑姜的姜辣素含量明顯升高，并且通過實驗發(fā)現(xiàn)，姜辣素可以顯著降低小鼠的血糖值，因此，發(fā)酵黑姜的降血糖效果比烘干姜的降血糖效果更顯著。