姜油细胞原位拉曼光谱研究

司民真，张德清，李 伦，张川云

1. 楚雄师范学院云南省高校分子光谱重点实验室，云南 楚雄 675000 2. 楚雄师范学院光谱应用技术研究所，云南 楚雄 675000

姜油细胞原位拉曼光谱研究

司民真1,2，张德清1,2，李 伦1,2，张川云1,2

1. 楚雄师范学院云南省高校分子光谱重点实验室，云南 楚雄 675000 2. 楚雄师范学院光谱应用技术研究所，云南 楚雄 675000

提出一种用拉曼光谱原位分析新鲜姜油细胞中姜油主成分的方法。用徒手切片制备新鲜姜样品，该样品置于DXR 激光共焦显微拉曼光谱仪下，用20倍物镜观察到油细胞，将激光聚焦在该油细胞上，获得了姜油细胞中姜油的拉曼光谱，共21条谱峰。不同油细胞上获得的拉曼光谱非常相似。获得了姜精油的拉曼光谱，与姜精油拉曼光谱的37条谱峰比较，油细胞有19条谱峰与之有对应关系。为了解释油细胞精油及姜精油的拉曼光谱，用密度泛函理论计算了姜烯的拉曼光谱。姜精油拉曼光谱有31条谱峰，油细胞中有19条谱峰与计算光谱有对应关系。该研究提供了一种拉曼光谱技术与密度泛函理论计算结合的快速容易的精油质量控制方法。

拉曼光谱；姜油细胞；姜精油；姜烯；密度泛函理论

引 言

姜(ZingiberOfficialRosc.)是传统的调味料和加香剂，又是一种常用的中药，在我国广为种植。姜精油中主要成分姜烯具有多种生物活性，如抗病毒、抗溃疡和抗生育等，广泛用于化妆品和香料工业。对姜油的研究通常用GC-MS联用技术分离鉴定其中的化学组成，然而用该方法存在两个问题： 一是由于提取方法的不同，使得提取到的主要的挥发性物质不同，如，崔俭杰[1]对不同产地(山东、云南、安徽、江苏、新疆)的姜油中的挥发性成分进行分析和比较，其组成成分平均含量最高为姜烯(29.7%)，其他依次为β-倍半水芹烯(12.28%)、α-姜黄烯(9.7%)；张薇[2]得出超声复合酶法提取所得姜油成分含量最高的为姜酚25.36%, 其次是姜烯18.12%；超声法提取所得姜油成分含量最高的为姜烯24.41%, 其次是姜酚20.14%；Singh Gurdip[3]用水蒸馏法得到姜油，分析鉴定其主要的挥发物为香叶醛(25.9%)；刘源[4]用顶空固相微萃取气质联用检测生姜挥发性成分方法得到姜的主要挥发性物质为Z一柠檬醛(24.21%)和姜烯(17.1%)；Huang[5]用同样的方法，检测用普通炉子、微波炉、硅胶干燥方法干燥的干姜挥发性成分得到姜的主要挥发性物质为姜烯(26.4%～37.1%)，β-水芹烯(7.4%～12.9%)，β-倍半水芹烯(10.2%-12.8%), 及香叶醛(6.6%～8.1%)。二是该方法所需要的前期样品的制备时间较长，费用高，其流程为气相色谱柱分离-质谱仪定性或定量，其中在进行气相色谱分离时需要在较高的温度下进行，可能会引起生物活性分子的结构改变[6]。能否不通过繁杂提取且在常温下就能进行姜油的主要挥发性物质进行检测？ 本文对新鲜姜采用徒手切片制样，用显微拉曼光谱直接获得了姜的油细胞中姜精油的拉曼光谱，对所获得的拉曼光谱进行了研究。文献调研结果表明，还未见这方面的报道。

1 实验部分

实验样品鲜姜于2015年7月28日采购于楚雄市菜市场，用徒手切片法制样后待用。Jofont牌水蒸馏姜精油由宏芳香料(昆山)有限公司惠赠。DXR 激光共焦显微拉曼光谱仪(DXR Raman Microscope，美国Thermo Fisher)，激发波长785 nm，测定功率2 mW，曝光时间30 s，样品曝光次数3次。物镜倍数为20×。

2 计算方法

理论计算采用Gaussian’03 程序，运用RB3LYP方法(交换函数为Becke3, 相关函数为LYP)在6-311G基组水平上，对姜烯的几何结构进行优化，在优化的基础上计算了振动频率，姜烯的计算波数乘以校准因子0.968 5。

3 结果与讨论

3.1 样品拉曼光谱重现性及稳定性检测

将切片置于显微镜下，调焦后可清楚的见到姜的细胞结构，寻找近圆形的油细胞，将激光聚焦该点如图1所示，得到油细胞中精油的拉曼光谱如图2所示。为考察光谱的重现性及稳定性，寻找不同的5个油细胞，得到五条光谱线，如图2所示。

图1 显微镜下的姜油细胞

图2 五个不同油细胞的拉曼光谱

从图2可见，从不同油细胞中得到的拉曼光谱具有较好的重复性和稳定性。

3.2 油细胞中姜油与惠赠姜油拉曼光谱比较

为了考察油细胞中姜油的拉曼光谱与惠赠的姜油拉曼光谱是否相同，图3a给出惠赠姜油的拉曼光谱，为便于比较，油细胞中的拉曼光谱一同在图3b给出。其相应的波数列于表1中。

图3 姜精油(a)及姜油细胞(b)的拉曼光谱

从图2及表1中可见，油细胞中姜精油的拉曼峰，较强峰出现在1 674，1 636和1 594 cm-1，次强峰出现在1 451，1 437，1 380，1 343，1 303，1 216和1 155 cm-1。惠赠姜油的较强峰出现在1 674，1 637和1 591 cm-1，次强峰出现在1 450，1 380，1 216，925，875和801 cm-1，此外还有一些较弱的峰，这些峰在油细胞拉曼谱中没有出现。姜油的大部分拉曼峰与油细胞中姜油的拉曼峰一致，说明惠赠姜油在提取过程中其化学主成分没有发生根本的变化，但一些较弱峰的出现则有两种可能，1是惠赠的姜油中，还有与油细胞中不同的成分，2是油细胞中该成分的量太少，未能检出。Hartwig Schulz用FT-Raman获得了姜的根部中心的拉曼光谱[7]，见表1。其中1 666，1 634，1 601，1 452，1 381，477和441 cm-1处的谱峰与油细胞及姜油的谱峰都有对应的关系，这说明不同产地的姜的主成分是相同的。

表1 姜烯分子计算的拉曼光谱及姜精油、油细胞拉曼谱的归属

续表1

5951.55612wtwistingvibration(11CH2)andγ(C—H)635m636w651m6801.30670mγ(5CH2)7504.05762mγ(22CH2&25CH2)7795.94782m779wγ(22CH2,25CH2&5CH2)8092.98801mtwistingvibration(11CH2)8656.01875m867skeletalvibration9204.23925m925wringdeformation9533.01956m940γ(C—H)10143.321018wskeletalvibration10334.501041wν(6C—1C)10922.051081w1090wγ(C—H)110316.081109ringdeformationandγ(C—H)11655.611158w1125ν(3C—11C)andγ(C—H)11742.821171w11927.831184w1187w121614.841215m1214w1264γ(C—H)129813.631295m1300w13273.881328m133713576.091361w136914.441380s1378w1381γ(25C—26H&28C—29H)1439s1436w146730.761451s1451w1452scissoringvibration(5CH2)andγ(C—H)158891.971591s1599m1601ν(1C=2C,3C=4C&3C—2C)1637s1636m1634167465.501674s1675m1666ν(28C=30C)2729m2718287475.852871vsγ(16C—17H)2917114.492915vs2916m2913ν(18CH3)297184.062963vs2972wν(5C—10H)301333.423025m3016wν(35C—37H)3070158.043077w3077wν(1C—7H&2C—8H)

aKey： w=weak; m=medium; s=strong; vs=very strong.ν=stretching mode;γ=rocking mode

由于姜精油和姜辣素混合存在于同一种类型的油细胞中，而姜精油和姜辣素的成分又复杂，要对油细胞中获得的谱峰进行归属是很困难的。而用蒸馏法得到的姜精油的主要成分为姜烯，故对姜烯的拉曼光谱进行了计算，其分子优化结构见图4，其振动归属列于表1中。

图4 姜烯分子的优化结构图

图5 姜精油(a)及计算的姜烯分子(b)的拉曼光谱

Fig.5 Observed (a) Raman spectrum of ginger oil and Calculated (b) Raman spectrum of Zingiberene

3 结 论

用徒手切片法制样，在显微拉曼光谱仪上可清楚看到鲜姜中的油细胞，在油细胞上获得了姜油的拉曼光谱。惠赠姜油的拉曼光谱与油细胞姜油的拉曼光谱相似，大部分的谱峰来源于姜烯。直接测量油细胞中的拉曼谱可避免复杂的提取及样品的制备过程，最大限度避免姜油活性成分变化，可对姜油的质量进行控制。由于姜科植物大都可提取精油，具有油细胞，用此方法可直接对姜科植物精油进行质量控制及开发研究。

[1] CUI Jian-jie, LI Qiong(崔俭杰, 李 琼). Flavour Fragrance Cosmetics(香料香精化妆品)，2011, 1: 1.

[2] ZHANG Wei, WU Hao, YANG Shao-lan, et al(张 薇, 吴 昊, 杨绍兰, 等). Journal of Food Safety and Quality(食品安全质量检测学报), 2014, 5(2): 533.

[3] Singh Gurdip, Kapoor I P S, Singh Pratibha, et al. Food and Chemical Toxicology, 2008, 46(10): 3295.

[4] LIU Yuan，XU Xing-lian，ZHOU Guang-hong(刘 源，徐幸莲，周光宏). China Condiment(中国调味品), 2004, 1: 42.

[5] Huang Baokang, Wang Guowei, Chu Zhiyong, et al. Drying Technology, 2012, 30(3): 248.

[6] SI Min-zhen, ZHANG De-qing, LIU Ren-ming(司民真，张德清, 刘仁明). Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析)，2014, 34(9): 2449.

[7] Andreev G N, Schrader B, Schulz H, et al. J. Anal. Chem., 2001, 371: 1009.

(Received Aug. 16, 2015; accepted Dec. 18, 2015)

In Situ Research on Ginger Oil Cell with Raman

SI Min-zhen1,2, ZHANG De-qing1,2, LI Lun1,2, ZHANG Chuan-yun1,2

1. Key Laboratory of Molecular Spectroscopy, Colleges and Universities in Yunnan Province, Chuxiong Normal University, Chuxiong 675000, China 2. Application Institute of Spectroscopy Technology, Chuxiong Normal University, Chuxiong 675000, China

This article presents a novel and original approach to analyze the main components of the essential oils in ginger oil cell by means of Raman spectroscopy. Fresh ginger sample was prepareed with free-hand section. Under the DXR Laser confocal micro Raman spectrometer, the oil cell has 20 objective lens. As to the ginger oil cell, the Raman spectrum, all together 21 spectroscopic bands, was obtained. It has been found that the obtained Raman spectrums at different oil cells are very similar. The Raman spectrum of the commercial essential oils of ginger, together 37 spectroscopic bands, was obtained. It has been found that the 19 presented spectroscopic bands of ginger oil cell correlate very well with those obtained by the commercial essential oils. Density Functional Theory (DFT) of zingiberene calculations were performed in order to interpret the spectra of the essential oils of the ginger oil cell and essential oils of ginger. There are 31 spectroscopic bands of the essential oils of ginger, and 19 spectroscopic bands of ginger oil cell correlate very well with calculations. All these investigations are helpful tools to generate a fast and easy method to control the quality of the essential oils with Raman spectroscopic techniques in combination with DFT calculations.

Raman spectrum；Ginger oil cell；Essential oils of ginger；Zingiberene；Density functional theory

2015-08-16，

2015-12-18

国家自然科学基金项目(11364001, 10864001)资助

司民真，女，1962年生，楚雄师范学院云南省高校分子光谱重点实验室教授 e-mail: siminzhen@cxtc.edu.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)11-3578-04