摘要:【目的】系統(tǒng)研究棉稈的化學(xué)成分,為其深入開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)?!痉椒ā坎捎贸咝б合嗌V-四極桿-靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜(ultra-high-performance liquid chromatography-quadrupole-electrostatic field orbitrap high resolution mass spectrometry, UHPLC-Q-Exactive orbitrap MS),色譜柱為Thermo Scientific Hypersil GOLDTM aQ(100 mm×2.1 mm, 1.9 μm),流動(dòng)相為0.1%甲酸水溶液(A)-乙腈(B),流速為0.3 mL·min-1,柱溫為40 ℃,進(jìn)樣量為2 μL;質(zhì)譜采用電噴霧離子源,在正、負(fù)離子模式下采用一級母離子全掃描和數(shù)據(jù)依賴性前三強(qiáng)二級子離子掃描并結(jié)合平行反應(yīng)監(jiān)測(parallel reaction monitoring, PRM)模式采集數(shù)據(jù)?!窘Y(jié)果】在棉稈中共鑒定了102種化合物,包括有機(jī)酸類化合物48種、黃酮及其苷類化合物13種、萜類化合物10種、核苷酸類化合物8種、氨基酸類化合物8種、香豆素類化合物3種、生物堿類化合物2種、其他化合物10種。其中,92種為首次在棉稈中發(fā)現(xiàn)?!窘Y(jié)論】建立的 UHPLC-Q-Exactive orbitrap MS結(jié)合PRM方法操作簡便,靈敏度高,分析速度快,鑒定了棉稈中102種化合物,首次鑒定了92種,為棉稈的深入開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:棉稈;成分;平行反應(yīng)監(jiān)測;有機(jī)酸類
Rapid identification of chemical constituents of cotton stalk based on UHPLC-Q-Exactive orbitrap MS with parallel reaction monitoring
Li Qing, Zhang Min, Yu Kaiquan, Li Jiaxin, Cai Wei*, Liu Lianghong*
(School of Pharmaceutical Sciences, Hunan University of Medicine,Huaihua,Hunan 418000,China)
Abstract: [Objective] This study aims to systematically identify the chemical constituents of cotton stalk, laying the basis for in-depth exploitation and utilization of cotton stalk.[Methods] The ultra-high-performance liquid chromatography-quadrupole-
electrostatic field orbitrap high resolution mass spectrometry (UHPLC-Q-Exactive orbitrap MS) was performed with a Thermo Scientific Hypersil GOLDTM aQ (100 mm × 2.1 mm, 1.9 μm) chromatographic column using gradient elution consist of 0.1% formic acid (A)-acetonitrile (B) as the mobile phase at a flow rate of 0.3 mL·min-1, while the column temperature was set at 40 ℃, and the injection volume was 2 μL. The MS used electrospray ionization(ESI) source to gain the high-resolution mass data in positive or negative models by full MS scan with data dependence MS2(full MS/dd-MS2) involved in parallel reaction monitoring (PRM). [Results] A total of 102 components from cotton stalk were identified, including 13 flavonoids, 48 organic acids, 8 nucleotides, 10 terpenoids, 8 amino acids, 3 coumarins, 2 alkaloids, and 10 other compounds. Among them, 92 were found in cotton stalk for the first time. [Conclusion] The method based on UHPLC-Q-Exactive orbitrap MS combined with PRM was established, which is easy to operation, with high sensitivity, good specificity and rapid analysis. By this method, 102 compounds were identified in cotton stalks, and 92 compounds were identified for the first time, laying the foundation for the further development and utilization of cotton stalk. It provides reference for the in-depth exploitation and utilization of cotton stalk.
Keywords: cotton stalk; component; parallel reaction monitoring; organic acids
棉花(Gossypium spp.)是全球范圍內(nèi)普遍種植的重要經(jīng)濟(jì)作物,其主產(chǎn)品棉纖維具備極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。然而,除了棉纖維外,棉花的副產(chǎn)品如棉籽、棉籽殼、棉籽粕和棉稈等,同樣具備著不可忽視的利用價(jià)值。這些部位含有多種生物活性成分,在食品、農(nóng)業(yè)、化工和醫(yī)藥領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。具體而言,棉籽中油脂和蛋白質(zhì)含量高,被廣泛應(yīng)用于食用油的生產(chǎn)和動(dòng)物飼料的制作[1]。棉籽殼富含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素,是制備活性炭和生物燃料的優(yōu)質(zhì)原料。棉籽粕含有豐富的氨基酸,是畜禽養(yǎng)殖業(yè)中優(yōu)質(zhì)且成本較低的蛋白質(zhì)飼料[2]。相比之下,棉稈作為棉花的莖稈部分,多被用作生物質(zhì)能源原料或秸稈還田,對其進(jìn)一步的利用較少。近年來的研究表明,棉稈中含有木質(zhì)纖維素、蘆丁、槲皮素、沒食子酸、對羥基苯甲酸等多種化合物[3-5]。這些化合物具有抗氧化、抗炎和抗菌的生物活性,預(yù)示棉稈在藥用植物開發(fā)中的巨大潛力。對棉稈的化學(xué)成分進(jìn)行系統(tǒng)深入研究,能夠促進(jìn)對棉稈的開發(fā)利用,豐富藥用植物的資源庫,還能夠?yàn)殚_發(fā)新型天然藥物提供理論基礎(chǔ)。此外,棉稈的有效利用還可以推動(dòng)農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品的循環(huán)利用,具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
液相色譜質(zhì)譜法(liquid chromatography-mass spectrometry, LC-MS)是1種強(qiáng)大的分析鑒定技術(shù),可用于中藥、化學(xué)藥品或生物樣品中化學(xué)成分的鑒定[6-8]。這種分析技術(shù)結(jié)合了液相色譜的分離性能和質(zhì)譜的質(zhì)量分析能力,能夠高效地分析復(fù)雜樣品中的化學(xué)成分。相比傳統(tǒng)的液相色譜-質(zhì)譜技術(shù),超高效液相串聯(lián)-四極桿靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜(ultra-high-performance liquid chromatography - quadrupole - electrostatic field orbitrap high resolution mass spectrometry, UHPLC-Q-Exactive orbitrap MS)能夠提供更高的分辨率和質(zhì)量準(zhǔn)確度,使得低豐度化合物的鑒定更加可靠[6, 9]。然而,dd-MS2掃描不能完全獲得所有化合物的二級質(zhì)譜碎片,導(dǎo)致無法識別痕量化合物。平行反應(yīng)監(jiān)測(parallel reaction monitoring, PRM)是1種新的基于MS2掃描模式的包含前體離子的指定離子列表,可進(jìn)一步獲得目標(biāo)化合物的所有片段信息[10-11]。因此,為了全面深入地探索棉稈中的未知化學(xué)成分,本實(shí)驗(yàn)采用UHPLC-Q-Exactive orbitrap MS結(jié)合PRM技術(shù)對棉稈中的化學(xué)成分進(jìn)行了快速、有效、準(zhǔn)確的分析和鑒定,為棉稈的深入開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。
1 材料與方法
試驗(yàn)所用棉稈是自湖南省常德市安鄉(xiāng)縣棉花高效生產(chǎn)技術(shù)示范基地采集的陸地棉成熟期棉稈。
1.1 儀器
Thermo Q-Exactive四級桿-靜電場軌道阱高分辨質(zhì)譜儀,配置電噴霧離子化源(賽默飛世爾科技公司,美國);戴安超高效液相色譜儀(Dionex UltiMate 3000,美國),配置液相輸液泵、自動(dòng)進(jìn)樣器、柱溫箱;數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司);AUY120電子天平(日本島津制作所,精度0.1 mg)。
1.2 試劑及配制
棉稈于恒溫箱干燥,稱取樣品1.000 0 g于50 mL錐形瓶中,加入體積分?jǐn)?shù)為70%的甲醇10 mL,超聲提取1 h,樣品溶液經(jīng)0.22 μm微孔濾膜過濾,所得濾液即供試品溶液。
色譜甲醇、乙腈購于麥克林公司,甲酸購自賽默飛世爾科技有限公司,為LC/MS級;蒸餾水購自廣州屈臣氏食品飲料有限公司。綠原酸(批號L-007-171216)、新綠原酸(批號X-014-170309)、異綠原酸A(批號Y-068-170903)、異綠原酸B(批號Y-069-180105)、異綠原酸C(批號Y-070-170515)、異槲皮苷(批號Y-076-181025)均購自成都瑞芬思生物科技有限公司;腺嘌呤(批號B12474)、胞嘧啶(批號A14870)、尿嘧啶(批號D14868)、阿魏酸(批號UD3365500)、壬二酸(批號CM1980000)、辛二酸(批號20190620)、檸康酸(批號GE6650000)、沒食子酸(批號LW7525000)、脫落酸(批號A14891)、D-(-)-奎寧酸(批號B27510)均購自山東西亞化學(xué)股份有限公司;維生素B2(批號J24F7R9932)購自上海源葉生物科技有限公司;蘋果酸(批號M105695)、咖啡酸(批號C108306)、4-香豆酸(批號K1805057)均購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;棉酚(批號1517-200001)購自中國食品藥品檢定研究所。槲皮素(批號AF8041802)購自成都埃法生物科技有限公司;檸檬酸(批號C108869)購自天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司。原花青素B1(批號wkq19062802)購自四川省維克奇生物科技有限公司。以上試劑純度均大于98%。
對照品溶液制備。分別精確稱取上述試劑各0.001 0 g于10 mL容量瓶中,純甲醇定容,得到0.1 mg·mL-1的混合對照品溶液,貯存于4 ℃?zhèn)溆谩?/p>
1.3 檢測條件
1.3.1 液相色譜條件。采用Thermo Scientific Hypersil GOLDTM aQ(100 mm×2.1 mm, 1.9 μm)色譜柱,流動(dòng)相為0.1%甲酸水溶液(A)-乙腈(B),洗脫程序:0~2 min,95%→90% A;2~5 min,90%→80% A;5~10 min,80%→70% A;10~12 min,70%→50% A;12~15 min,50%→45% A,15~20 min, 45%→20% A;20~25 min,20%→5% A;25~30 min,5%→95% A。進(jìn)樣量為2 μL,流速為0.3 mL·min-1,柱溫40 ℃。
1.3.2 質(zhì)譜條件。在正離子模式下,電噴霧離子源(electrospray ionization,ESI)的噴霧電壓為3.5 kV,而負(fù)離子模式的噴霧電壓為3.0 kV。以下條件在正負(fù)離子模式均相同:輔助氣壓力為10 arb,鞘氣壓力為30 arb,離子傳送管的溫度為320 ℃,干燥氣溫為350 ℃,S-lens RF level為50。在全掃描模式下,MS數(shù)據(jù)采集使用一級母離子全掃描和數(shù)據(jù)依賴性前三強(qiáng)二級子離子掃描并結(jié)合平行反應(yīng)監(jiān)測模式(full MS/dd-MS2/PRM),以70 000的分辨率獲得MS數(shù)據(jù),掃描范圍為m/z 120~1 000,另外以17 500的分辨率獲得MS2數(shù)據(jù)。
1.4 數(shù)據(jù)處理和分析
得到的原始數(shù)據(jù)使用Compound Discover version 3.0和xcalibur進(jìn)行處理。對樣品中痕量組分,通過PRM采集模式獲得其碎片離子,使棉稈的成分表征更加充分。最后,根據(jù)MS全掃描、MS2數(shù)據(jù)、保留時(shí)間、數(shù)據(jù)庫和參考文獻(xiàn)對化合物進(jìn)行鑒定。
2 結(jié)果與分析
2.1 UHPLC-Q-Exactive orbitrap MS條件優(yōu)化
為了達(dá)到更優(yōu)的色譜峰和分離效果,在鑒定過程中研究了多種變量,其中包括使用60%~100%甲醇作為提取溶劑;流動(dòng)相梯度;不同類型的流動(dòng)相如甲醇、乙腈、水等;不等柱溫(35℃、40℃、45℃)。在相同的流動(dòng)相梯度洗脫條件下,對比了0.1%甲酸水溶液-水、0.1%甲酸水溶液-甲醇和0.1%甲酸水溶液-乙腈3種流動(dòng)相在物質(zhì)分離過程中的效果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,采用0.1%甲酸水溶液-乙腈作為流動(dòng)相時(shí),提取離子流圖展現(xiàn)出更優(yōu)的峰形與分辨率,各成分間的分離效果更為理想。最終研究數(shù)據(jù)顯示,40 ℃柱溫下使用70%甲醇作為提取溶劑,并選擇乙腈與0.1%甲酸水溶液作為流動(dòng)相,分離效果最佳。
2.2 化學(xué)成分鑒定
在正、負(fù)離子掃描模式下從棉稈提取物中共篩選出102種化合物,其中92種為首次從棉稈中鑒定,正、負(fù)離子模式下提取離子流圖見圖1。各化合物的保留時(shí)間、準(zhǔn)分子離子峰質(zhì)荷比的實(shí)測值與理論值、二級碎片離子信息見附表1。從棉稈中鑒定了13種黃酮及其苷類化合物、48種有機(jī)酸類化合物、8種核苷酸類化合物、10種萜類化合物、8種氨基酸類化合物、3種香豆素類化合物、2種生物堿類化合物和10種其他化合物。
2.2.1 核苷酸類化合物。共鑒定8種核苷酸類化合物,包括化合物9、12、14、16、17、21、23、24,核苷酸含有磷酸和核糖基團(tuán),在質(zhì)譜中經(jīng)能量碰撞容易失去核糖,形成帶負(fù)電的離子。其中,經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)品比對鑒定的有化合物9、14、16。
化合物9、14、16的出峰時(shí)間分別為0.95 min、1.04 min、1.09 min,在正離子模式下分別產(chǎn)生準(zhǔn)分子離子峰m/z 112.050 84 [M+H]+、136.061 81 [M+H]+、113.034 81 [M+H]+,通過丟失一分子NH3得到二級碎片離子m/z 95.022 4[M+H-NH3]+、119.035 3 [M+H-NH3]+、96.008 6 [M+H-NH3]+,經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)品的保留時(shí)間和二級質(zhì)譜數(shù)據(jù)對比,分別鑒定為胞嘧啶、腺嘌呤、尿嘧啶。
化合物12、24的保留時(shí)間分別為1.02 min、1.25 min,精確分子式為C5H5N5O,在正離子模式下得到相同的準(zhǔn)分子離子峰m/z 152.056 68 [M+H]+和二級碎片離子m/z 135.03 [M+H-NH3]+、110.035 1 [M+H-CH2N2]+,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[13],推測為鳥嘌呤的同分異構(gòu)體。
化合物17的保留時(shí)間為1.10 min,精確分子式為C9H12N2O6,在負(fù)離子模式下產(chǎn)生準(zhǔn)分子離子峰m/z 243.062 25 [M-H]和二級碎片離子m/z 200.055 9 [M-H-CHNO]、110.023 6 [M-H-C4H7NO4],結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[14],推測為尿苷。
化合物21的出峰時(shí)間為1.23 min,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 268.103 94 [M+H]+,在正離子模式下產(chǎn)生二級碎片離子m/z 136.061 8 [M+H-C5H8O4]+,根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[13],推測為腺苷。
化合物23的保留時(shí)間為1.24 min,精確分子式為C10H13N5O5,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 282.084 39 [M-H],在負(fù)離子模式下產(chǎn)生二級碎片離子m/z 150.041 2 [M-H-C5H8O4],結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[14],推測為鳥苷。
2.2.2 黃酮及其苷類化合物。在棉稈中共鑒定出13種黃酮及其苷類化合物,包括化合物40、46、57、60、64、66、67、72、77、78、79、83、85。其中與標(biāo)準(zhǔn)品的保留時(shí)間和高分辨二級質(zhì)譜數(shù)據(jù)比對鑒定的有化合物40、66、67。黃酮類化合物是1類具有2-苯基色原酮結(jié)構(gòu)的化合物,黃酮類化合物主要發(fā)生逆狄爾斯-阿德爾反應(yīng)(retro Diels-Alder reaction,RDA反應(yīng)) 、脫去CO、CO2、H2O等基團(tuán)的反應(yīng)及重排反應(yīng),黃酮苷易連續(xù)脫去一分子葡萄糖殘基(162 Da)、槐糖苷(324 Da)、CO(28 Da)等中性碎片。
化合物40、66和67的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 577.135 93 [M-H]-、463.088 90 [M-H]-和303.049 59 [M+H]+,通過與標(biāo)準(zhǔn)品的保留時(shí)間、高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)、二級碎片信息對比,分別準(zhǔn)確鑒定為原花青素B1、異槲皮苷和槲皮素。
化合物64的出峰時(shí)間為7.06 min,產(chǎn)生與槲皮素相同的準(zhǔn)分子離子峰m/z 303.049 74 [M+H]+和二級碎片離子m/z 153.018 [M+H-C8H6O3]+、229.049 [M+H-2CO-H2O]+,因此鑒定為槲皮素的同分異構(gòu)體。
化合物46的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 597.182 50 [M+H]+,在4.92 min時(shí)產(chǎn)生二級碎片離子m/z 195.028 6 [M+H-C18H25O10]+,219.028 7 [M+H-C16H25O10]+,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[15],推測為圣草次苷。
化合物57的保留時(shí)間為6.45 min,精確分子式為C26H28O14,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 563.141 6 [M-H]-,通過連續(xù)失去中性分子CH2O產(chǎn)生二級碎片離子m/z 503.120 3 [M-H-C2H4O2]-、473.109 4 [M-H-C3H6O3]-、443.098 8 [M-H-C4H8O4]-、383.077 3 [M-H-C6H12O6]-、353.066 9 [M-H-C7H14O7]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[16],推測為夏佛塔苷。
化合物60、72的出峰時(shí)間分別為6.85 min、8.01 min,精確分子式為C12H16O3,均得到準(zhǔn)分子離子峰m/z 209.117 1 [M+H]+和相同的二級碎片離子m/z 191.10 [M+H-H2O]+,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[17],推測為洋川芎內(nèi)酯G的同分異構(gòu)體。
化合物77、79的準(zhǔn)分子離子峰均為m/z 419.133 [M+H]+,分別在9.08 min、9.63 min時(shí)產(chǎn)生相同的二級碎片離子m/z 147.044 [M+H-C13H20O6]+、119.049 [M+H-C14H20O7]+,根據(jù)自建數(shù)據(jù)庫信息比對,化合物77、79分別鑒定為異甘草苷、甘草苷。
化合物78、85的出峰時(shí)間分別為9.54 min、12.13 min,精確分子式為C15H18O3,均得到準(zhǔn)分子離子峰m/z 247.13 [M+H]+和相同的二級碎片離子m/z 229.12 [M+H-H2O]+,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[18],推測為zedoarol的同分異構(gòu)體。
化合物83的保留時(shí)間為11.38 min,精確分子式為C15H12O5,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 271.156 56 [M-H]-,產(chǎn)生二級碎片離子m/z 177.019 3 [M-H-C6H6O]-、151.003 4 [M-H-C8H8O]-、119.049 6 [M-H-C7H4O4]-,與自建數(shù)據(jù)庫信息比對,推測為柚皮素。
2.2.3 有機(jī)酸類化合物。從棉稈中共鑒定了48種有機(jī)酸類化合物。有機(jī)酸類化合物在負(fù)離子模式下容易丟失CO2和H2O等中性碎片。其中與標(biāo)準(zhǔn)品比對鑒定了16種有機(jī)酸化合物:化合物3、6、10、26、27、36、44、45、52、53、59、68、70、71、76、94,其保留時(shí)間分別為0.85 min、0.92 min、0.97 min、1.38 min、1.49 min、2.96 min、4.56 min、4.77 min、6.08 min、6.11 min、6.80 min、7.64 min、7.86 min、7.86 min、8.59 min、13.45 min,通過與標(biāo)準(zhǔn)品的保留時(shí)間、質(zhì)譜數(shù)據(jù)比對,分別鑒定為D-(-)-奎寧酸、蘋果酸、檸檬酸、檸康酸、沒食子酸、新綠原酸、綠原酸、咖啡酸、辛二酸、4-香豆酸、阿魏酸、異綠原酸B、壬二酸、異綠原酸A、異綠原酸C、脫落酸。
化合物11的保留時(shí)間為1.01 min,產(chǎn)生與標(biāo)準(zhǔn)品檸康酸相同的準(zhǔn)分子離子峰m/z 129.018 31 [M-H]-以及二級碎片離m/z 128.034 3 [M-H-H]-、85.028 2 [M-H-CO2]-,因此推測為檸康酸的同分異構(gòu)體。類似的,推測保留時(shí)間為8.05 min的化合物73為阿魏酸的同分異構(gòu)體。
化合物2的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 195.050 45 [M-H]-,在保留時(shí)間為0.83 min時(shí)產(chǎn)生二級碎片離子m/z 129.018 1 [M-H-CH6O3]-、75.007 3 [M-H-C4H8O4]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[14],推測為半乳糖酸。
化合物13的保留時(shí)間為1.03 min,精確分子式為C6H6O6,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 173.008" 45 [M-H]-,產(chǎn)生二級碎片離子m/z 129.018 3 [M-H-C2H4O]-、111.007 6 [M-H-2CH3O]-、85.028 2 [M-H-C3H4O3]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[14],推測為烏頭酸。
化合物18的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 117.018 27 [M-H]-,在保留時(shí)間為1.15 min時(shí)丟失一分子CO2產(chǎn)生二級碎片離子m/z 73.028 2 [M-H-CO2]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[14],推測為丁二酸。
化合物22的保留時(shí)間為1.24 min,精確分子式為C7H10O5,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 173.044 86 [M-H]-,產(chǎn)生二級碎片離子m/z 111.044 0 [M-H-CH2O3]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[14],推測為莽草酸。
化合物31的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 315.072 63 [M-H]-,在保留時(shí)間為1.94 min時(shí)連續(xù)丟失一分子六碳糖基和一分子CO2產(chǎn)生二級碎片離子m/z 153.015 8 [M-H-Glc]-、152.010 6 [M-H-Glc-H]-、109.028 4 [M-H-Glc-CO2]-、108.020 5 [M-H-Glc-CO2-H]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[19],推測為龍膽酸-5-O-葡萄糖苷。
化合物33的保留時(shí)間為2.46 min,精確分子式為C7H6O4,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 153.018 45 [M-H]-,通過丟失一分子CO2分子產(chǎn)生二級碎片離子m/z 109.028 3 [M-H-CO2]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[20],推測為原兒茶酸。
化合物35的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 181.050 02 [M-H]-,在保留時(shí)間為2.91 min時(shí)連續(xù)丟失一分子H2O和一分子CO2產(chǎn)生二級碎片離子m/z 163.039 2 [M-H-H2O]-、135.044 1 [M-H- H2O-CO]-、119.049 0 [M-H-H2O-CO2]-、89.023 1 [M-H-C5O2]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[21],推測為4-羥基苯乳酸。
化合物38的保留時(shí)間為3.26 min,精確分子式為C7H12O5,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 175.060 52 [M-H]-,產(chǎn)生二級碎片離子m/z 115.038 9 [M-H-2CH2O]-、113.059 7 [M-H-CH2O3]-、85.064 6 [M-H-C2H2O4]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[12],推測為2-異丙基蘋果酸。
化合物39、47的精確分子式為C8H6O4,保留時(shí)間分別為3.84 min、5.42 min,在負(fù)離子模式下得到相同的準(zhǔn)分子離子峰m/z 165.018 62 [M-H]-和二級碎片離子m/z 121.028 4 [M-H-CO2]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[12],推測為間二苯甲酸的同分異構(gòu)體。
化合物41的保留時(shí)間為4.12 min,精確分子式為C15H18O9,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 341.088 13 [M-H]-,產(chǎn)生二級碎片離子m/z 179.034 2 [M-H-Glc]-、161.023 8 [M-H-Glc-H2O]-、135.044 1 [M-H-Glc-CO2]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[6],推測為咖啡酸己糖苷。
化合物42的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 289.072 08 [M-H]-,在保留時(shí)間為4.17 min時(shí)產(chǎn)生二級碎片離子m/z 245.081 8 [M-H-CO2]-、125.023 4 [M-H-C9H8O3]-、109.028 4 [M-H-C9H8O4]-、103.070 0 [M-H-C12H10O2]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[22],推測為兒茶素。
化合物43的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 131.070 39 [M-H]-,在保留時(shí)間為4.47 min時(shí)產(chǎn)生二級碎片離子m/z 85.064 5 [M-H-CH2O2]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[21],推測為2-羥基己酸。
化合物48、58的保留時(shí)間分別為5.54 min、6.57 min,精確分子式為C9H10O3,均得到相同的準(zhǔn)分子離子峰m/z 165.054 9 [M-H]-和二級碎片離子m/z 147.044 2 [M-H-H2O]-,通過與文獻(xiàn)分析比對[21],推測為3-(4-羥基苯基)丙酸的同分異構(gòu)體。
化合物50、54、56的精確分子式為C17H20O9,分別在保留時(shí)間為5.88 min、6.13 min、6.40 min得到相同的準(zhǔn)分子離子峰m/z 367.103 [M-H]-和二級碎片離子m/z 173.044 [M-H-C7H10O5-H2-H2O]-、193.050 [M-H-C7H10O5]-、191.055 [M-H-C7H10O5-H2]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[22],推測為4-FQA的同分異構(gòu)體。
化合物51的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 197.045 06 [M-H]-,在保留時(shí)間為5.95 min時(shí)產(chǎn)生二級碎片離子m/z 182.021 5 [M-H-CH3]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[21],推測為丁香酸。
化合物55的保留時(shí)間為6.22 min,精確分子式為C10H9NO2,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 174.055 39 [M-H]-,產(chǎn)生二級碎片離子m/z 146.060 3 [M-H-CO]-、130.065 1 [M-H-CO2]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[21],推測為吲哚-3-乙酸。
化合物63的保留時(shí)間為7.05 min,精確分子式為C7H6O3,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 137.023" 45 [M-H]-,通過丟失一分子CO2產(chǎn)生二級碎片離子m/z 93.033 3 [M-H-CO2]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[21],推測為4-羥基苯甲酸。
化合物69的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 209.080 83 [M+H]+,在保留時(shí)間為7.74 min時(shí)丟失一分子H2O產(chǎn)生二級碎片離子m/z 191.070 0 [M+H-H2O]+,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[12],推測為3,4-二甲氧基肉桂酸。
化合物74的保留時(shí)間為8.28 min,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 225.075 61 [M+H]+,通過連續(xù)丟失一分子H2O和一分子CO2產(chǎn)生二級碎片離子m/z 207.065 1 [M+H-H2O]+、163.075 2 [M+H-H2O-CO2]+,與文獻(xiàn)信息[23]比對分析,推測為芥子酸。
化合物80的保留時(shí)間為9.92 min,精確分子式為C10H18O4,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 201.112 98 [M-H]-,通過連續(xù)丟失一分子H2O和一分子CO2產(chǎn)生二級碎片離子m/z 183.102 2 [M-H-H2O]-、139.112 0 [M-H-H2O-CO2]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[21],推測為3-叔丁基丙酸。
化合物81的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 257.176 54 [M-H]-,在保留時(shí)間為10.51 min時(shí)丟失一分子H2O產(chǎn)生二級碎片離子m/z 239.165 8 [M-H-H2O]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[21],推測為十四烷二酸。
化合物90的精確分子式為C18H34O5,保留時(shí)間為13.35 min,在負(fù)離子模式下得到準(zhǔn)分子離子峰m/z 329.236 08 [M-H]-和二級碎片離子m/z 229.125 1 [M-H-C6H12O]-、211.135 0 [M-H-C6H12O-H2O]-、171.103 0 [M-H-C9H18O2]-,與文獻(xiàn)信息對比[24],推測為Pinellic acid。
化合物92的保留時(shí)間為13.35 min,精確分子式為C18H30O4,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 309.210 02 [M-H]-,通過連續(xù)丟失一分子H2O產(chǎn)生二級碎片離子m/z 291.196 7 [M-H-H2O]-、263.201 7 [M-H-H2O-CO]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[24],推測為porrigenic acid。
化合物93的精確分子式為C10H20O3,保留時(shí)間為13.45 min,在負(fù)離子模式下得到準(zhǔn)分子離子峰m/z 187.135 04 [M-H]-和二級碎片離子m/z 59.013 0 [M-H-C8H16O]-,與文獻(xiàn)信息對比[21],推測為10-羥基癸酸。
化合物99的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 313.241 39 [M-H]-,在保留時(shí)間為19.05 min時(shí)產(chǎn)生二級碎片離子m/z 251.240 2 [M-H-CH2O3]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[25],推測為12,13-二羥基-9Z-十八碳烯酸(12, 13-diHOME)。
化合物101的保留時(shí)間為21.12 min,精確分子式為C16H32O3,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 271.228 64 [M-H]-,在負(fù)離子模式下產(chǎn)生二級碎片離子m/z 225.222 6 [M-H-CH2O2]-,結(jié)合文獻(xiàn)分析[24],推測為16-羥基十六烷酸。
2.2.4 氨基酸類化合物。共鑒定了8種氨基酸類化合物。化合物1的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 175.118 93 [M+H]+,在保留時(shí)間0.82 min時(shí)產(chǎn)生二級碎片離子m/z 158.092 5 [M+H-NH3]+、130.097 5 [M+H-NH3-CO]+、116.070 8 [M+H-NH3-CO-CH2]+,根據(jù)文獻(xiàn)信息[12]比對,推測為精氨酸。
化合物5的保留時(shí)間為0.91 min,精確分子式為C5H9NO2,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 116.070 80 [M+H]+,產(chǎn)生二級碎片離子m/z 70.065 8 [M+H-CH2O2]+,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[12],推測為脯氨酸。
化合物8 的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 148.060 47 [M+H]+,在保留時(shí)間0.93 min時(shí)產(chǎn)生二級碎片離子m/z 130.044 9[M+H-H2O]+、102.055 3 [M+H-H2O-C2H4]+、84.044 9 [M+H-2H2O-C2H4]+,根據(jù)文獻(xiàn)信息比對[12],推測為谷氨酸。
化合物15的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 188.055 91 [M-H]-,在保留時(shí)間1.06 min時(shí)產(chǎn)生二級碎片離子m/z 170.045 1 [M-H-H2O]-、144.065 6 [M-H-CO2]-、128.034 2 [M-H-C2H4O2]-,根據(jù)文獻(xiàn)信息比對[21],推測為N-乙酰-谷氨酸。
化合物19的保留時(shí)間為1.16 min,精確分子式為C9H11NO3,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 182.081 25 [M+H]+,在正離子模式下產(chǎn)生二級碎片離子m/z 136.075 7 [M+H-OH-CHO]+、165.054 7 [M+H-OH]+、123.044 2 [M+H-OH-C2H2O]+,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[12],推測為酪氨酸。
化合物20的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 132.101 96 [M+H]+,在保留時(shí)間1.23 min時(shí)產(chǎn)生二級碎片離子m/z 86.096 9 [M+H-CH2O2]+,根據(jù)文獻(xiàn)信息[12]比對,推測為亮氨酸。
化合物29的精確分子式為C9H11O2N,保留時(shí)間為1.79 min,在正離子模式下得到準(zhǔn)分子離子峰m/z 166.086 29 [M+H]+和二級碎片離子m/z 120.080 8 [M+H-CO2-H2]+,與文獻(xiàn)信息[12]對比,推測為L-苯丙氨酸。
化合物37的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 205.097 08 [M+H]+,在保留時(shí)間3.11 min時(shí)產(chǎn)生二級碎片離子m/z 188.070 4 [M+H-H3N]+、146.059 9 [M+H-C2H5ON]+、118.065 2 [M+H-C3H5O2N]+,根據(jù)文獻(xiàn)信息[12]比對,推測為色氨酸。
2.2.5 萜類化合物。共鑒定了10種萜類化合物?;衔?00的保留時(shí)間為20.44 min,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 517.188 78 [M-H]-,通過與標(biāo)準(zhǔn)品的保留時(shí)間和二級碎片信息對比,準(zhǔn)確鑒定為棉酚。棉酚可能的裂解途徑如圖2所示。
化合物82、84、86、88、95、98的精確分子式為C15H20O2,保留時(shí)間分別為10.51 min、11.68 min、12.41 min、13.09 min、13.50 min、13.87 min,在正離子模式下均得到準(zhǔn)分子離子峰m/z 233.155 [M+H]+和二級碎片離子m/z 187.14 [M+H-CH2O2]+、159.11 [M+H-C3H6O2]+、145.10 [M+H-C3H6O2-CH2]+,與文獻(xiàn)信息[27]比對,推測均為白術(shù)內(nèi)酯Ⅱ的同分異構(gòu)體。
化合物91、96的準(zhǔn)分子離子峰均為m/z 249.150 [M+H]+,在保留時(shí)間分別為13.25 min、13.75 min時(shí)產(chǎn)生相同的二級碎片離子m/z 231.140 [M+H-H2O]+、213.129 5 [M+H-2H2O]+、203.14 [M+H-H2O -CO]+、189.092 [M+H-C3H8O]+,根據(jù)數(shù)據(jù)庫二級質(zhì)譜數(shù)據(jù),推測為白術(shù)內(nèi)酯Ⅲ的同分異構(gòu)體。
化合物97的出峰時(shí)間為13.83 min,精確分子式為C42H62O16,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 821.403 93 [M-H]-,在負(fù)離子模式下產(chǎn)生二級碎片離子m/z 351.060 5 [M-H-C30H46O4]-、193.036 4 [M-H-C30H46O4-C6H6O5]-、113.024 4 [M-H-C30H46O4-C6H6O5-CH4O4]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[16],推測為甘草酸。
2.2.6 香豆素類化合物。共鑒定了3種香豆素類化合物?;衔?1、65的精確分子式為C11H10O5,保留時(shí)間分別為6.85 min、7.33 min,在正離子模式下得到相同的準(zhǔn)分子離子峰m/z 223.059 9 [M+H]+和二級碎片離子m/z 208.036 5、190.025 9、162.031,與數(shù)據(jù)庫二級質(zhì)譜信息比對,推測為異嗪皮啶的同分異構(gòu)體。化合物75的出峰時(shí)間為8.47 min,精確分子式為C11H12O3,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 193.085 92 [M+H]+,在正離子模式下連續(xù)丟失一分子H2O和CO中性分子,產(chǎn)生二級碎片離子m/z 175.075 2 [M+H-H2O]+、147.080 3 [M+H-H2O-CO]+,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[12],推測為5-甲基蜂蜜曲霉素。
2.2.7 生物堿及其苷類化合物。共鑒定了2種生物堿及其苷類化合物。化合物7的準(zhǔn)分子離子峰為m/z 138.054 93 [M+H]+,在保留時(shí)間為0.93 min時(shí)丟失中性分子CO2而產(chǎn)生二級碎片離子m/z 94.065 5 [M+H-CO2]+,根據(jù)文獻(xiàn)信息[26]比對,推測為葫蘆巴堿?;衔?5的精確分子式為C10H13O5N5,保留時(shí)間為1.25 min,在正離子模式下得到準(zhǔn)分子離子峰m/z" 284.098 94 [M+H]+,經(jīng)能量碰撞丟失1個(gè)五碳糖產(chǎn)生二級碎片離子m/z 152.056 6 [M+H-C5H8O4]+,與自建數(shù)據(jù)庫質(zhì)譜信息比對,推測為巴豆苷。
2.2.8 其他類化合物。棉稈中還鑒定了10種其他類化合物,包括化合物4、28、30、32、34、49、62、87、89、102?;衔?9的保留時(shí)間為5.64 min,精確分子式為C17H20N4O6,在正離子模式下產(chǎn)生準(zhǔn)分子離子峰m/z 377.145 42 [M+H]+和二級碎片離子m/z 243.084 7 [M+H-C5H10O4]+,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)品的保留時(shí)間及二級質(zhì)譜數(shù)據(jù)比對,鑒定為維生素B2。
化合物4的精確分子式為C5H13NO,保留時(shí)間為0.89 min,在正離子模式下得到準(zhǔn)分子離子峰m/z 104.107 37 [M+H]+和二級碎片離子m/z 60.081 5 [M+H-CO2]+,根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[12],推測為膽堿。
化合物28、32的準(zhǔn)分子離子峰均為m/z 127.039 0 [M+H]+,在保留時(shí)間分別為1.79 min、2.22 min時(shí)產(chǎn)生相同的二級碎片離子m/z 109.028 [M+H-H2O]+、81.034 0 [M+H-H2O-CO]+,根據(jù)文獻(xiàn)信息[28]比對,推測為5-羥甲基糠醛的同分異構(gòu)體。
化合物30的保留時(shí)間為1.92 min,精確分子式為C9H17NO5,在負(fù)離子模式下產(chǎn)生準(zhǔn)分子離子峰m/z 218.103 16 [M-H]-和二級碎片離子m/z 146.081 3 [M-H-C3H4O2]-、88.039 1 [M-H-C6H10O3]-,根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[14],鑒定為泛酸。
化合物34的出峰時(shí)間為2.82 min,精確分子式為C19H26O13,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 461.130 68 [M-H]-,在負(fù)離子模式下產(chǎn)生二級碎片離子m/z 167.034 2 [M-H-C18H14O4]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[16],推測為糖槭酚C/D。
化合物62的保留時(shí)間為7.01 min,精確分子式為C10H10O4,產(chǎn)生準(zhǔn)分子離子峰m/z 195.065 17 [M+H]+和二級碎片離子m/z 177.054 4 [M+H-H2O]+、149.059 5 [M+H-H2O-CO]+,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[12],推測為Gibepyrone D。
化合物87的出峰時(shí)間為12.53 min,精確分子式為C18H32O5,準(zhǔn)分子離子峰為m/z 327.219 91 [M-H]-,在負(fù)離子模式下產(chǎn)生二級碎片離子m/z 229.145 79 [M-H-C6H10O]-、211.134 9 [M-H-C6H10O-H2O]-,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[25],推測為黃麻脂肪酸F。
化合物89的精確分子式為C18H30O20,保留時(shí)間為13.11 min,在正離子模式下得到準(zhǔn)分子離子峰m/z 279.233 70 [M+H]+和二級碎片離子m/z 109.101 4 [M+H-C10H18O2]+、95.085 9 [M+H-C10H18O2-CH2]+,根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[26],推測為α-亞麻酸。
化合物102的保留時(shí)間為23.82 min,精確分子式為C24H38O4,產(chǎn)生準(zhǔn)分子離子峰m/z 391.284 06 [M+H]+和二級碎片離子m/z 149.023 3 [M+H-C16H34O]+、71.086 2 [M+H- C19H28O4]+,結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道[12],推測為鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯。
3 討論
我國棉花栽培區(qū)域遼闊,棉稈的回收方式以就地粉碎還田為主,此舉雖簡便易行,卻會(huì)帶來許多弊端。棉稈還田后,由于其表層結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬,在當(dāng)年內(nèi)難以充分腐熟,從而影響還田效果的穩(wěn)定性;此外多數(shù)棉根仍遺留在土壤中,加大了次年生產(chǎn)作業(yè)的成本。棉稈還田影響對肥料施用量的精確控制,這也給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了一定的挑戰(zhàn),更為嚴(yán)重的是棉稈還田容易造成土壤污染,進(jìn)而對來年棉籽的發(fā)芽與生長產(chǎn)生不利影響[29]。與玉米秸稈、水稻秸稈和小麥秸稈不同,棉稈中包含游離棉酚等抗?fàn)I養(yǎng)因子,并且粗纖維含量比較高,制約了棉副產(chǎn)品的進(jìn)一步開發(fā)[2]。通過對化學(xué)成分及其生物活性分析,將棉稈中有效活性成分回收并應(yīng)用于生物能源、醫(yī)藥等領(lǐng)域,既可循環(huán)利用棉稈資源,同時(shí)也可為棉花種植的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件,是1種實(shí)現(xiàn)低碳循環(huán)的有效方法。棉稈的成分研究報(bào)道較少,少量文獻(xiàn)報(bào)道棉稈中黃酮類成分含量較高,有良好的生物活性[4]。本研究發(fā)現(xiàn)棉稈中含有大量有機(jī)酸類化合物,比如阿魏酸、綠原酸和沒食子酸等,這類物質(zhì)大多均具有較好的生物活性。特別值得一提的是棉稈中的萜類化合物棉酚,作為1種植物抗毒素,不僅對病原體表現(xiàn)出誘導(dǎo)型抗性[4],還能與CPP2b結(jié)合形成有效復(fù)合物,該復(fù)合物可殺滅特定的MCF-7乳腺癌細(xì)胞,從而起到抗癌作用[30-32]。此外,棉酚在抗菌[33-34]和男性避孕方面[35-37]的應(yīng)用也已被廣泛研究。綠原酸則因具有清除自由基和減少脂質(zhì)過氧化等作用而在糖尿病、肥胖、心血管疾病和癌癥防治方面發(fā)揮著重要作用[6,38-39]。本研究還從棉稈中發(fā)現(xiàn)了核苷酸類化合物如胞嘧啶和鳥嘌呤等,這類物質(zhì)能夠顯著地抑制大鼠肝癌細(xì)胞RH35增殖相關(guān)基因的表達(dá),同時(shí)促進(jìn)凋亡相關(guān)基因的表達(dá),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對其活性的有效抑制和加速凋亡過程[40]。由于實(shí)驗(yàn)限制,本研究未能對棉稈具體化學(xué)成分的藥理活性、作用機(jī)制及可能存在的副作用等進(jìn)行深入研究,還需在未來加大研究力度,希望能推動(dòng)棉稈中化合物在生物和醫(yī)藥領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。通過對棉稈的深加工和高附加值產(chǎn)品的開發(fā),可以為農(nóng)民帶來更多的經(jīng)濟(jì)收益,促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)民生活水平的提高。
總之,基于UHPLC-Q-Exactive orbitrap MS結(jié)合PRM技術(shù)對棉稈化學(xué)成分的快速鑒定,不僅有助于深入了解棉稈的化學(xué)組成,還為棉花副產(chǎn)品的高值化利用提供新的思路和有力支持。這對于推動(dòng)農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物的資源化利用、促進(jìn)醫(yī)藥領(lǐng)域和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的理論和實(shí)踐意義。
4 結(jié)論
本實(shí)驗(yàn)建立的UHPLC-Q-Exactive orbitrap MS結(jié)合PRM技術(shù)為棉稈化學(xué)成分的全面定性分析提供了1種高效、快速的分析手段,并鑒定或初步表征了102種化學(xué)成分,包括有機(jī)酸類化合物48種,黃酮及其苷類化合物13種,萜類化合物10種,核苷酸類化合物8種,氨基酸類化合物8種,香豆素類化合物3種,生物堿類化合物2種,其他化合物10種。其中92種化合物是從棉稈中首次發(fā)現(xiàn)。
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(責(zé)任編輯:王國鑫 責(zé)任校對:王小璐)
第一作者簡介:李卿(2001―),女,在讀研究生,lq13319661296@163.com。
*通信作者:蔡偉,20120941161@bucm.edu.cn;劉良紅,llhfe@qq.com