基于GC-MS的萊蕪大姜秸稈及水提液揮發(fā)性成分分析

張一鳴，呂緒強，趙 巖，和法濤，初 樂，葛邦國，高 玲

（中華全國供銷合作總社濟南果品研究所，山東 濟南 250014）

萊蕪大姜種植歷史悠久，具有個大皮薄、絲少肉細等多種優(yōu)點，含有豐富的營養(yǎng)元素和揮發(fā)性功能成分，如姜烯、檸檬醛、姜醇等[1-2]。萊蕪大姜品種優(yōu)勢顯著，隨著大姜產(chǎn)量逐年提高，姜秸稈處理已成為困擾當(dāng)?shù)亟a(chǎn)業(yè)發(fā)展的難題。大姜秸稈最常見的處理方式為晾曬還田或焚燒還田，采用這兩種方式處理的大姜秸稈占總量的60%以上，但這兩種處理方式均會造成環(huán)境污染。除此之外，制備牲畜飼料、發(fā)酵有機肥和制作工業(yè)建材也是姜秸稈的處理方式，但是由于姜秸稈適口性差、專用處理裝備缺失等原因，上述幾種姜秸稈加工方式處理量較小[3]。姜秸稈具有濃郁的特征風(fēng)味，若能對其中的主要風(fēng)味成分進行鑒定、分離及加工利用，將會為姜秸稈的加工處理帶來新思路[4]。

目前揮發(fā)性成分分析主要采用頂空固相微萃?。╤eadspace solid-phase micro-extraction，HS-SPME）技術(shù)和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（gas chromatograph mass spectrometer，GC-MS）。HS-SPME 可有效萃取待測樣品目標(biāo)成分，提高樣品揮發(fā)性成分組成分析結(jié)果的真實性，提升后續(xù)數(shù)據(jù)分析效率。GC-MS 可實現(xiàn)揮發(fā)性物質(zhì)的分離，結(jié)合質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)物質(zhì)的鑒定。

HS-SPME-GC-MS 技術(shù)聯(lián)用已廣泛應(yīng)用于食品、藥品及化妝品的揮發(fā)性成分分析與檢測，具有成熟的檢測依據(jù)和良好的分析基礎(chǔ)[5-6]。已有研究藜麥秸稈、蘆葦秸稈等原料使用該法分析揮發(fā)性成分，但目前關(guān)于姜秸稈的揮發(fā)性成分分析尚未見報道[7-8]。本研究采用HS-SPME-GC-MS 首次對萊蕪地區(qū)大姜秸稈進行分析，確定其中有效成分，可為姜秸稈加工利用提供理論依據(jù)，為萊蕪地區(qū)姜秸稈處理提供新思路，助力地方農(nóng)業(yè)環(huán)境保護，加快農(nóng)業(yè)綠色低碳發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

姜秸稈，萊蕪大姜秸稈，收集于山東省濟南市萊蕪區(qū)農(nóng)貿(mào)市場。

二烯丙基二硫醚、二烯丙基三硫醚標(biāo)準品，色譜純級，美國Sigma 公司；乙腈，色譜純級，美國TEDIA 公司；其他化學(xué)試劑均為分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

XS 365M電子天平，瑞士普里賽斯儀器有限公司；9Z-0.4 斬草粉碎機，鄭州商戰(zhàn)機械設(shè)備有限公司；TRACE 1300-ISQ 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國Thermos公司；2695 型液相色譜儀，沃特世科技（上海）有限公司；頂空固相微萃取手動套裝，青島貞正分析儀器有限公司。

1.3 試驗條件

1.3.1 工藝流程

姜鮮秸稈→斬拌粉碎→清洗→提取→檢測。

1.3.2 水溶液浸提提取

將姜鮮秸稈用8 刀頭斬草粉碎機粉碎3 次，取一定量姜鮮秸稈置于燒杯中，按純水∶秸稈=10∶1（V∶V）加入一定量純水，在水浴鍋中設(shè)置溫度40 ℃提取30 min后，取出水提液，4000r/min 離心10min 后取上清液待測。

1.3.3 揮發(fā)性成分測定

參考畢德春[4]、張一鳴等[5]的方法。在破碎機中加入姜鮮秸稈或水提液樣品1 g、蒸餾水15 g、20%氯化鈉溶液2.4 g 和1%氟化鈉溶液1.6 g，打漿混勻后取5 g 溶液，加入32.88μg/mL的2-辛醇200μL作為內(nèi)標(biāo)物，置于20mL頂空瓶中，待測。

頂空固相微萃?。航?jīng)老化處理后纖維萃取頭的萃取深度18 mm，萃取時間35 min，萃取溫度40 ℃，萃取時振搖；進樣深度35mm，脫附時間300s 后，進行GC-MS分析。

GC 條件：色譜柱選擇TG-WAX MS（30 mm×0.25 mm，0.25 μm），選擇氮氣為載氣，進樣溫度250 ℃；流速1.660 mL/min。

MS 條件：離子源溫度為250 ℃，電子轟擊離子源能量70 eV。掃描方式為全掃描，質(zhì)量掃描范圍m/z50～500。

1.4 數(shù)據(jù)分析

揮發(fā)性成分數(shù)據(jù)通過GC/MS 工作站軟件Xcalibur自帶的NIST 標(biāo)準庫自動檢索各組分質(zhì)譜數(shù)據(jù)，結(jié)合質(zhì)譜裂解規(guī)律確定其化學(xué)成分，僅對能予以定性的物質(zhì)（SI和RSI值大于800）進行探討，定量方法采取峰面積歸一法計算各成分的相對含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 姜秸稈GC-MS 分析結(jié)果

采用GC-MS 對姜秸稈成分進行檢測，得到的總離子流圖如圖1所示。根據(jù)NIST 質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫檢測分析并定性定量，共檢出80 種高于檢測限且RSI 值大于800 的成分，其名稱及含量見表1。

圖1 姜秸稈揮發(fā)性成分總離子流圖Fig.1 Total ion flow diagram of volatile components in ginger stalk

由表1 可知，姜秸稈共包含揮發(fā)性成分80 種，其中烯類33 種、醇類17 種、烷類9 種、酮類8 種、醛類5 種、酯類2 種、苯類2 種、其它成分4 種。得到鑒定的成分峰面積之和占色譜總峰面積的99.38%，含量最高的5 種成分依次為石竹烯、β-蒎烯、香葉醇、α-法尼烯、月桂烯，它們在總揮發(fā)性成分中的含量占比分別為34.49%、10.65%、5.30%、3.54%、3.08%，5 種成分總量占全部揮發(fā)性成分總量的57.06%。

表1 姜秸稈揮發(fā)性成分明細及含量Table 1 Details and content of volatile components in ginger straw

石竹烯是一類雙環(huán)倍半萜類化合物，天然存在于檸檬、園柚、肉豆蔻、胡椒、覆盆子、黑加侖、肉桂葉油、丁香葉油中，具有辛香、木香、柑橘香、樟腦香，溫和的丁香香氣，可作為香精香料化妝品的原料，同時具有局部麻醉、抗炎、驅(qū)蚊蟲、抗焦慮、抗抑郁等作用，存在一定的醫(yī)學(xué)研究價值[9]。β-蒎烯是重要的人工香料原料中間體，目前全世界每年所消耗的萜烯合成香料約有2 萬t，其中大部分中高檔合成香料，如松油烯、檸檬烯等是由β-蒎烯合成的[10]。香葉醇是玫瑰系香精的主要添加劑，也可作為增甜劑，具有抑制細胞氧化應(yīng)激、減輕血管內(nèi)皮炎癥反應(yīng)，從而抗動脈粥樣硬化，調(diào)節(jié)血膽固醇、三酰甘油代謝紊亂和抗多種腫瘤細胞增殖等作用[11-13]。法尼烯因具有高十六烷值和較低的碳排放，被認為是極具潛力的航空航天領(lǐng)域新型生物燃料[12-14]。月桂烯又名香葉烯，具有令人愉快的甜香脂氣味，是香料化妝品產(chǎn)業(yè)中最重要的化學(xué)品原料和中間體之一，如合成薄荷、檸檬醛、香茅醇、香葉醇、橙花醇和芳樟醇等，月桂烯在天然植物的精油中含量很少，遠不能滿足香料化妝品工業(yè)的要求[15-16]。

續(xù)表

續(xù)表

2.2 姜秸稈水提液GC-MS 分析結(jié)果

采用GC-MS 對姜秸稈水提液成分進行檢測，得到的總離子流圖如圖2（見下頁）所示。根據(jù)NIST 質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫檢測分析并定性定量，共檢出77 種高于檢測限且RSI值大于800 的成分，其名稱及含量見表2（見下頁）。

圖2 姜秸稈水提液揮發(fā)性成分總離子流圖Fig.2 Total ion flow diagram of volatile components in water extract of ginger stalk

由表2 可知，姜秸稈水提液共包含揮發(fā)性成分77種，其中烯類25 種、醇類18 種、烷類6 種、酮類13 種、醛類2 種、酯類6 種、呋喃類2 種、其它5 種。得到鑒定的成分峰面積之和占色譜總峰面積的95.23%，含量最高的5種成分依次為石竹烯、2- 壬酮、香葉醇、橙花醇、芳樟醇，它們在總揮發(fā)性成分中的含量分別為13.00%、10.29%、8.84%、5.45%、5.39%，5 種成分總量占全部揮發(fā)性成分總量的42.97%。

表2 姜秸稈水提液揮發(fā)性成分明細及含量Table 2 Details and content of volatile components in water extract of ginger straw

續(xù)表

續(xù)表

相比秸稈中前5 種揮發(fā)性成分總量，水提液中2-壬酮、橙花醇、芳樟醇提取率較高，分析原因為2- 壬酮、橙花醇、芳樟醇相比β-蒎烯、α-法尼烯、月桂烯親水性更好，以水作為提取溶劑時溶出較多。2- 壬酮呈果香、脂肪香和乳酪香，可用于有機合成中間體及制備香料，天然存在于草莓、干酪、姜等原料中[16]。橙花醇是香葉醇的異構(gòu)體，香氣較平和，微帶檸檬樣的果香，抑菌效果顯著[17]。芳樟醇不僅可作為合成香精的原料之一，同時具有一定的抑菌功能[18-19]。

3 小結(jié)

姜秸稈揮發(fā)性成分中存在多種稀有的工業(yè)香精合成原料和中間體，如石竹烯、β-蒎烯及香葉醇等，水浸提法可提取部分姜秸稈中揮發(fā)性成分，如石竹烯、香葉醇等，可考慮采用蒸餾法、超臨界萃取、亞臨界萃取等方式進一步提高揮發(fā)性成分提取率[20-21]。姜秸稈水提液中部分揮發(fā)性成分如石竹烯、香葉醇、橙花醇、芳樟醇等具有顯著的抗炎、抑菌、抗氧化等功效，經(jīng)濃縮純化后可用于液態(tài)化妝品或具有一定功能性的口服美容類食品中[12,17-19]。姜秸稈產(chǎn)量巨大，作為香料、香精及化妝品加工產(chǎn)業(yè)原料的成本較低，且姜秸稈的再加工利用，有利于大姜產(chǎn)地的環(huán)境保護，可以助力我國碳達峰、碳中和。本研究采用水提法對萊蕪大姜秸稈進行成分提取，利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）對秸稈及秸稈水提液的揮發(fā)性成分進行分析鑒定，結(jié)果得出，姜秸稈鑒定出80種，峰面積之和占總峰面積的99.38%；姜秸稈水提液鑒定出77 種，峰面積之和占總峰面積的95.23%。采用內(nèi)標(biāo)法對各成分進行定量分析，確定姜秸稈揮發(fā)性成分含量最高的五種成分及含量占比為石竹烯34.49%、β-蒎烯10.65%、香葉醇5.30%、α-法尼烯3.54%、月桂烯3.08%，姜秸稈水提液揮發(fā)性成分含量最高的五種成分及含量占比為石竹烯13.00%、2-壬酮10.29%、香葉醇8.84%、橙花醇5.45%、芳樟醇5.39%。姜秸稈揮發(fā)性成分豐富，可作為香料、香精及化妝品加工產(chǎn)業(yè)原料，成本較低，本研究結(jié)果將能為姜秸稈的再加工利用提供基礎(chǔ)。