存儲5年的姜科藥材傅里葉變換紅外光譜分析

劉艷,尹德都,潘宏源,司民真

1.楚雄師范學(xué)院光譜應(yīng)用技術(shù)研究所,云南省高校分子光譜重點實驗室,楚雄 675000

0 引 言

姜科草本植物是我國重要的中藥材之一,主要分為姜屬、姜花屬、山姜屬、姜黃屬、豆蔻屬等。姜科味辛、性溫?zé)?主歸脾、胃經(jīng),主要功效為祛風(fēng)除濕、止嘔止瀉、活血止痛,臨床上用于脾胃寒凝、食積諸證[1]。其中山姜屬中好幾種藥材已被收錄于《中國藥典》,如紅豆蔻、草豆蔻等。本課題組之前利用光譜法研究過姜科植物的親緣關(guān)系、鑒別分類、揮發(fā)物分析、精油細(xì)胞分析等[2-6],為今后對姜科植物研究奠定了基礎(chǔ)。自2020年疫情爆發(fā)以來,全民抗疫、城市封控、道路受阻、市場關(guān)閉,中藥材流通在一定程度上也受到了阻礙,在疫情市場流通不可預(yù)期的情況下,積壓滯銷的藥材也只能長期存放,即使存放方式、地點等規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn),但是時長也有可能會造成藥材品質(zhì)的下降[7]。經(jīng)濟(jì)的損失讓一些不良商家繼續(xù)銷售此部分藥材,由于色澤、氣味很難憑經(jīng)驗分辨,一旦流入市場,藥效得不到保證,群眾安全得不到保障。因此,對長期積壓的藥材進(jìn)行品質(zhì)分析以及優(yōu)劣鑒別是很有必要的。查閱相關(guān)文獻(xiàn),由于傅里葉變換紅外光譜技術(shù)具有不損壞樣品、靈敏度高、特征性強的優(yōu)點,已被應(yīng)用于藥材間的分類鑒別、質(zhì)量分析、產(chǎn)地溯源等[8-10],其中近幾年對姜科藥材的研究主要有藥理分析和DNA鑒定等[11-13],對于姜科藥材的存放時長對品質(zhì)和藥效的影響并未見報道。本研究采用紅外光譜技術(shù)對存放5年之久的3屬22種姜科藥材進(jìn)行光譜研究,以期為姜科藥材存放時間長的品質(zhì)分析提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

紅外光譜儀為Thermo Scientific NicoletTMiSTM5 spectrometer傅里葉變換紅外光譜儀,掃描范圍4000～400 cm-1,分辨率4 cm-1,掃描次數(shù)16次。

1.2 樣品來源、制備、檢測及數(shù)據(jù)處理

本實驗材料均采自于西雙版納。取同一時期22種藥材的根來進(jìn)行測試。新鮮樣品清洗后晾干,經(jīng)粉碎后過100目篩,取適量粉末進(jìn)行研磨,用電子天平稱取1 mg的粉末樣品和100 mg的溴化鉀,按1∶100的比例混合后攪磨均勻,壓片測紅外光譜(5年前的光譜數(shù)據(jù))。剩余粉末用密封袋封存,存放地點保持干燥,氣溫24 ℃,存放時長為5年,用同樣的方法測5年后的光譜,同一種植物測10個光譜,用來計算平均光譜。光譜均扣除溴化鉀背景。

表1 姜科植物的樣品名稱及族屬關(guān)系

2 結(jié)果與分析

2.1 譜圖解析

圖1、圖2、圖3分別是山姜屬、姜屬、姜花屬中具有代表性的三種藥材5年前后的對比紅外譜圖。從圖中可見,同屬同種藥材5年前后的圖譜整體相似。為了便于比較分析,我將三屬中代表藥材的譜峰歸結(jié)于表2。對于譜峰的歸屬,沿用本課題組之前的研究,由圖1、圖2、圖3、表2結(jié)合參考文獻(xiàn)[2-4]對譜帶進(jìn)行歸屬分析:在3000～2800 cm-1范圍內(nèi)為CH2伸縮振動,歸屬為揮發(fā)油類。1736 cm-1處為C=O的伸縮振動峰,1635 cm-1為N-H的彎曲振動,歸屬為蛋白質(zhì)的酰胺Ⅰ帶,1516 cm-1附近的峰歸為酰胺Ⅱ帶吸收峰,1456 cm-1附近的吸收峰CH2彎曲振動模式。1425～1300 cm-1波段的吸收峰是烷烴類或糖類C-H鍵的振動吸收,其中,1384和1370 cm-1為含異丙基和叔丁基化合物的CH3對稱變角振動分裂的兩個譜帶的頻率[16]。1300～1200 cm-1范圍的峰為C-O和C-N的伸縮振動,其中1245 cm-1對應(yīng)的是酰胺Ⅲ帶特征吸收。1200～1000 cm-1范圍歸屬為糖類物質(zhì)的貢獻(xiàn),其中1155 cm-1為糖類C-O單鍵伸縮振動,1103 cm-1為糖類O-H變角振動,1068、1045 cm-1為糖類C-O伸縮振動。900～700 cm-1波段主要包含C-O、C-N、C-C的伸縮(彎曲)振動吸收峰。經(jīng)以上分析可得,姜科藥材存儲5年之后,所包含的化學(xué)成分基本沒有變,有揮發(fā)油、糖類、氨基酸等化合物,這和之前的研究結(jié)論一致[3-4]。

圖1 山姜屬三種代表藥材5年前后的紅外譜圖 a:5年后的云南草蔻;A:5年前的云南草蔻;b:5年后的寬唇山姜;B:5年前的寬唇山姜;c:5年后的黑果山姜;C:5年前的黑果山姜

圖2 姜屬三種代表藥材5年前后的紅外譜圖 D:5年前的紫色姜;d:5年后的紫色姜;E:5年前的柱根姜;e:5年后的柱根姜;F:5年前的圓瓣姜;f:5年后的圓瓣姜

圖3 姜花屬三種代表藥材5年前后的紅外譜圖 G:5年前的紅姜花;g:5年后的紅姜花;H:5年前的普洱姜花;h:5年后的普洱姜花;J:5年前的肉紅姜花;j:5年后的肉紅姜花

表2 三屬姜科藥材中的主要吸收峰

圖1、圖2、圖3中,可看到1400～1300 cm-1范圍內(nèi)的峰強和峰形有差異,對此范圍進(jìn)行譜圖局部放大處理,可發(fā)現(xiàn):1、山姜屬、姜屬、姜花屬9種代表藥材中,1384 cm-1的峰強差異明顯,5年后較弱。同時5年后的藥材均出現(xiàn)了1370 cm-1的峰,這可能是由于隨著存儲時間的變化,含異丙基和叔丁基化合物的含量及化合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化所造成的[7]。1400 cm-1處的峰位發(fā)生移動,5年后分別為1400±20 cm-1,1400～1420 cm-1處為烯烴端基上的=CH2變角振動,結(jié)合文章[2,5,6],可推測出揮發(fā)油中的藥效成分肉桂酸甲酯或1,8桉葉油素等化合物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或者有新化合物產(chǎn)生,具體結(jié)果還需進(jìn)一步研究。2、1384 cm-1的峰強,可以將5年前后的姜科藥材區(qū)分開,峰強較弱的為5年后藥材,峰強較強的為5年前藥材。

表3 22種姜科藥材表征揮發(fā)油和糖類相對含量的相對吸收峰強比值

選取1157 cm-1、1105 cm-1、1074 cm-1吸收峰結(jié)合相對吸收峰強比A1157/A3418、A1105/A3418、A1074/A3418來定量分析糖類化合物的相對含量,如表3。結(jié)果為,5年后的數(shù)據(jù)較5年前相比,均增大,說明隨儲存時間變化,糖類在增多。

2.2 1300～1500 cm-1二階導(dǎo)數(shù)和曲線擬合分析

為了更深入的對比分析存儲時長不同的藥材成分變化,將1300～1500 cm-1范圍進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)處理,如圖4、圖5、圖6所示,山姜屬、姜屬、姜花屬9種代表藥材,此范圍峰1384 cm-1峰強明顯不同,較5年前,峰強明顯減弱,這和原始譜圖反饋的信息相一致,再次推斷,含異丙基和叔丁基化合物的含量可能隨著存儲時間增長而減少。

圖4 山姜屬三種代表藥材1300～1500 cm-1 5年前后的二階導(dǎo)數(shù)譜圖 a:5年后的云南草蔻;A:5年前的云南草蔻;b:5年后的寬唇山姜;B:5年前的寬唇山姜;c:5年后的黑果山姜;C:5年前的黑果山姜

圖5 姜屬三種代表藥材1300～1500cm-1 5年前后的二階導(dǎo)數(shù)譜圖 D:5年前的紫色姜;d:5年后的紫色姜;E:5年前的柱根姜;e:5年后的柱根姜;F:5年前的圓瓣姜;f:5年后的圓瓣姜

圖6 姜花屬三種代表藥材1300～1500 cm-1 5年前后的二階導(dǎo)數(shù)譜圖 G:5年前的紅姜花;g:5年后的紅姜花;H:5年前的普洱姜花;h:5年后的普洱姜花;J:5年前的肉紅姜花;j:5年后的肉紅姜花

為了進(jìn)一步研究化合物含量的變化,利用二階導(dǎo)數(shù)結(jié)合曲線擬合對化合物進(jìn)行定量分析是應(yīng)用較多的方法之一[14]。用二階導(dǎo)數(shù)光譜確定所選范圍重疊峰的位置和個數(shù),再用曲線擬合對所選范圍的原始紅外光譜進(jìn)行擬合,用擬合吸收峰的面積來表征化合物含量[14]。姜科藥材1380～1390 cm-1和1060～1170 cm-1的擬合結(jié)果如表4、表5。從表4中可以得出:1384±2 cm-1的峰面積,5年前的指數(shù)均為10-2,而5年后僅有10-3,峰面積差距表明:含異丙基和叔丁基化合物的含量隨著儲藏時間的變化而流失嚴(yán)重。揮發(fā)油類化合物有很多成分,含異丙基和叔丁基的化合物成分歸屬于揮發(fā)油大類,這和[17]的研究結(jié)果相吻合,隨著儲藏時間的變化,揮發(fā)油成分會流失,再一次證明揮發(fā)油含量減少,這也解釋了氣味變淡的原因。

表4 三屬姜科藥材在1380～1390 cm-1范圍內(nèi)擬合峰面積情況

表5 三屬姜科藥材在1060～1170 cm-1范圍內(nèi)擬合峰面積情況

2.3 1060～1170 cm-1二階導(dǎo)數(shù)和曲線擬合分析

1060～1170 cm-1歸屬于糖類,經(jīng)過二階導(dǎo)數(shù)處理,如圖7、圖8、圖9,此范圍峰確定4個波數(shù)歸屬糖類的特征峰:1155±4 cm-1,1075±5 cm-1,1127±2,1107±2 cm-1。從圖7中可以看到,1128 cm-1處的峰強有差異,山姜屬中3種代表藥材5年后的峰強普遍較弱;圖8、圖9中姜屬、姜花屬藥材1128 cm-1在5年后向低波數(shù)移動,為1126 cm-1,1123 cm-1,1122 cm-1,均有紅移現(xiàn)象,且峰強較弱。除此峰外,另外3個波數(shù)在圖譜中變化不太明顯。根據(jù)差異,可以推斷出:隨著儲存時間的變化,糖類含量及內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化。將此范圍進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果如表5。從表5中可以看到:(1)1127±2 cm-1有部分藥材在5年后的峰擬合中沒有擬合出來,因為二階導(dǎo)數(shù)分峰時,此峰太弱而沒有表現(xiàn)出來或者直接消失,原因可能是因為糖單元以及糖苷鍵類型和振動方式逐漸趨于單一化、簡單化[15]。如:山姜屬中的黑果山姜、節(jié)鞭山姜、美山姜、長柄山姜;姜屬中的紅球姜、黃斑姜、勐海姜、彎管姜、圓瓣姜、紫色姜;姜花屬中的白姜花、普洱姜花、肉紅姜花、小毛姜花。(2)單糖特征峰1107±2 cm-1的峰面積,5年后的值較5年前的大,如紅豆蔻A(5年前)0.084

圖7 山姜屬三種代表藥材1000～1300 cm-1 5年前后的二階導(dǎo)數(shù)譜圖 a:5年后的云南草蔻;A:5年前的云南草蔻;b:5年后的寬唇山姜;B:5年前的寬唇山姜;c:5年后的黑果山姜;C:5年前的黑果山姜

圖8 姜屬三種代表藥材1000～1300 cm-1 5年前后的二階導(dǎo)數(shù)譜圖 D:5年前的紫色姜;d:5年后的紫色姜;E:5年前的柱根姜;e:5年后的柱根姜;F:5年前的圓瓣姜;f:5年后的圓瓣姜

圖9 姜花屬三種代表藥材1000～1300 cm-1 5年前后的二階導(dǎo)數(shù)譜圖 G:5年前的紅姜花;g:5年后的紅姜花;H:5年前的普洱姜花;h:5年后的普洱姜花;J:5年前的肉紅姜花;j:5年后的肉紅姜花

3 結(jié)論

利用FTIR結(jié)合曲線擬合技術(shù)對存儲5年時間的22種姜科藥材進(jìn)行分析,結(jié)果表明:隨著存儲時間的變化,揮發(fā)油成分的含量減少,糖類含量增加。該技術(shù)有信息量大、速度快、可信度高的優(yōu)點,所以,FTIR結(jié)合曲線擬合技術(shù)可以作為姜科藥材存儲期間品質(zhì)分析的一種可行性手段。