HS-SPME-GC-MS分析西林火姜挥发性香气成分

张璐璐，王后政，刘慧勤，吴建文，黎贵卿，陆顺忠，李秋庭*

（1.广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530004；2.江南大学食品学院，江苏无锡214122；3.广西壮族自治区林业科学研究院，广西南宁530002）

西林火姜又名细肉姜、小黄姜，根、茎、皮、肉皆为淡黄色，肉质致密，姜香浓郁，辛辣味浓，益脾胃、除湿消痞、止咳祛痰的功效优良，是良好的香辛调味料和传统中医药材，也是广西百色市西林县著名特产，已被评为中国国家地理标志产品[1-3]。火姜作为西林县重要的经济作物，年种植面积一般在3 333 公顷左右，总产量约12.5 万吨，目前基本以干姜块（片）初级产品远销俄罗斯、日本等国[4]。

香气作为生姜香辛料的重要品质属性之一，对其质量评价、加工工艺改良以及开发前景均有重要意义，因此，一直是生姜的研究热点[5-6]。其中，顶空固相微萃取（headspace solid phase micro-extraction，HSSPME）因具有操作简单快捷、可避免非挥发成分污染色谱柱和方法重现性好，以及可结合气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）进一步分析等优点，已被广泛应用于研究生姜香气成分[7]。2015 年，杨小金等[8]使用65 μm PDMS/DVB 萃取头在加热至100 ℃的干姜粉中萃取平衡10 min，鉴定出42种挥发性成分，主要包括单萜及倍半萜、烯烃、醛类、醇类、酯类、酮类及脂肪烃类化合物。2017 年，LUO 等[9]通过该法测定了鲜仔姜的主要成分为香叶醇、乙酸香叶酯、β-红没药烯、β-倍半水芹烯、β-水芹烯、姜烯和α-法呢烯等。另外，研究发现HS-SPME 萃取结果受萃取头、样品量、样品浓度、萃取温度和萃取时间以及解析时间等因素影响[10-11]。2018 年，袁华伟等[12]采用65 μm PDMS/DVB 萃取头以总峰面积和峰数对生姜HSSPME 的萃取条件进行优化，得出在50 ℃下萃取30 min效果最佳，共检测到73 种挥发性成分，其中萜烯类54种（88.51%），醇类5 种（2.83%），醛类6 种（7.68%），醚类4 种（0.32%），酮类2 种（0.31%），其它2 种（0.059%）。

西林火姜是生姜的地方品种之一，为了了解其香辛特色成分，本文采用顶空固相微萃取方法研究西林火姜的挥发性香气成分，通过对萃取头、萃取时间以及解析时间进行单因素试验确立最佳萃取条件，并结合匹配度和保留指数进行定性，以期更好和更准确地反映西林火姜的香气成分，为西林火姜的进一步开发提供基础参考数据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

西林火姜干姜片：西林县富源植物开发有限公司生产提供，于2018 年12 月份中旬采收火姜，经热风干燥制成干姜片。主要加工工艺参数为：温度60℃～80℃，时间8 h。

MND-628 多功能养生料理机：中山市曼能达塑胶制品有限公司；萃取头（100 μm PDMS、50/30 μm DVB/CAR/PDMS、85 μm PA）、手动进样手柄：上海安谱实验科技股份有限公司；Scion.TQ 气相色谱-质谱联用仪：美国布鲁克道尔顿公司。

1.2 试验方法

1.2.1 挥发性香气成分萃取

西林火姜干姜片粉碎，过40 目筛得干姜粉。称取干姜粉3 g 于15 mL 顶空瓶中，聚四氟乙烯隔垫密封，老化萃取纤维头（85 μm PA：老化温度280 ℃，老化时间0.5 h；50/30 μm DVB/CAR/PDMS：老化温度270 ℃，老化时间1 h；100 μm PDMS：老化温度250 ℃，老化时间0.5 h）将其悬于顶空瓶中，在28 ℃下吸附一段时间后，快速插入250 ℃的GC-MS 进样口，解析一段时间，进行GC-MS 检测分析。对萃取头、萃取时间和解析时间进行单因素优化试验，优化指标为定性挥发性香气成分的总峰面积和峰数。所有试验均重复3 次。

1.2.2 萃取头的优化

萃取头对HS-SPME 效果的影响最大，不同的材料和厚度涂层，其极性会存在一定差异，萃取结果也明显不同[13]。研究表明，生姜的挥发性成分主要由萜烯类组成[14-16]。因此，分别选用100 μm PDMS（适用于小分子挥发性非极性物质）、50/30 μm DVB/CAR/PDMS（适用于C3～C6 大范围分析）、85 μm PA（适用于极性半挥发物质，酚类）3 种萃取头，萃取30 min，解析3 min 进行优化。

1.2.3 萃取时间的优化

萃取头存在萃取平衡状态，因此HS-SPME 分析不同的挥发性有机物时，所需时间不同。萃取时间过长，会导致出峰分离度差，甚至质谱检测器过饱和，影响定性定量；萃取时间过短，不能全面准确反映成分组成。一般情况下10 min 之内可达最高吸附量，而对于复杂及半挥发性有机物，30 min 至60 min 才能达到平衡[17]。火姜香气成分复杂，因此，使用确定的最佳萃取头，分别萃取干姜粉30、40、50、60 min，解析3 min进行优化。

1.2.4 解析时间的优化

萃取头HS-SPME 萃取完成后，需要在GC 进样口解析进样。进样口温度较高且恒定，解析时间过长，可能对萃取头涂层产生破坏，缩短使用寿命。反之解析时间过短，则不能完全解析，不仅会降低GC-MS 分析结果的准确性，还可能污染后续试验[18-19]。因此，使用已确定最佳萃取头和萃取时间，分别解析1、2、3、4 min进行优化。

1.2.5 GC-MS 条件

1.2.5.1 GC 条件

色谱柱型号BR-5ms（60 m×0.25 mm×0.25 μm）；升温程序：初始温度50 ℃，保持1 min，再以3 ℃/min升温至150 ℃，保持2 min，最后以20 ℃/min 升温至250 ℃，保持2 min；进样口温度250 ℃，载气：高纯氦气，纯度99.999%，分流比1 ∶10，流量1.20 mL/min，柱压为2.4 kPa。

1.2.5.2 MS 条件

电离方式EI，离子源温度230 ℃，电子能量70 eV，传输线温度250 ℃，电子倍增管电压为800 V，扫描间隔1 s，扫描范围（m/z）30 ～550。

1.3 数据处理

定性方法：采用谱库检索与保留指数相结合的方法。（1）质谱鉴定：通过与NIST11 谱库进行比对，要求正、反匹配度都大于800；（2）保留指数（retention index，RI）鉴定：C8～C40 的正构烷烃混合标准液，采用相同的气质升温程序，根据保留时间计算样品中化合物的保留指数，并与文献中使用相同气相色谱柱的同种物质保留指数进行比较确认。保留指数计算公式如下。

式中：Tx为化合物X 的保留时间，min；Z 和Z+1 分别为化合物X 出峰前后相邻正构烷烃标准品的碳原子数；TZ与TZ+1分别为Z 和Z+1 个碳原子对应正构烷烃的保留时间，min。

定量方法：面积归一法。

2 结果与分析

2.1 萃取头的优化结果

干姜粉经不同萃取头萃取所得的总峰面积和峰数如表1 所示。

表1 不同萃取头对HS-SPME 萃取效果的影响Table 1 Extraction efficiencies of HS-SPME with different SPME fibers

由表1 可知，不同的萃取头对干姜粉的萃取效果不同。其中，萃取头100 μm PDMS 萃取干姜粉所得总峰面积最大，峰数最多，萃取效果明显高于其它两种萃取头。因此，确定100 μm PDMS 为最佳萃取头。

2.2 萃取时间的优化结果

干姜粉使用100 μm PDMS 萃取头在不同萃取时间下所得的总峰面积和峰数如图1 所示。

图1 萃取时间对HS-SPME 萃取效果的影响Fig.1 Extraction efficiencies of HS-SPME with different extraction time

由图1 可知，随着萃取时间的延长，萃取干姜粉所得总峰面积不断增加，经单因素分析，30 min 与40 min的总峰面积存在差异，40 min 与50、60 min 均不存在差异。而萃取所得峰数在30 min ～40 min 增加，40 min时峰数最大，40 min ～60 min 持续减少，这可能是由于萃取头在达到萃取饱和状态后，继续增加萃取时间，导致样品瓶中低沸点高含量的香气成分与高沸点低含量的香气成分竞争吸附，使得总峰面积在持续增加而峰数降低。因此综合考虑，确定40 min 为干姜粉的最佳萃取时间。

2.3 解析时间的优化结果

干姜粉使用100 μm PDMS 萃取头，萃取40 min，发现1 min ～4 min 的解析时间对峰数变化无影响，均为45 个色谱峰，而对总峰面积影响较大，如图2所示。

图2 解析时间对HS-SPME 萃取效果的影响Fig.2 Extraction efficiencies of HS-SPME with different desorption time

由图2 可知，解析时间在1 min ～3 min 所得总峰面积一直处于上升趋势，4 min 时有所降低，证明3 min时已基本解析完全，因此，确定3 min 作为干姜粉的最佳解析时间。

2.4 西林火姜挥发性香气成分的分析

西林火姜干姜粉3 g，在100 μm PDMS 萃取头，萃取40 min，解析3 min 的最佳萃取条件下，所得香气成分总离子流图如图3 所示。

由图3 可知，在最佳条件下，西林火姜干姜挥发性香气成分基线平稳，峰型尖锐且无过饱和状态。对挥发性香气成分进行检索结合保留指数定性，并计算相对百分含量，汇总结果如表2 所示。

图3 干姜挥发性香气成分的GC-MS 总离子流图Fig.3 GC-MS total ion current chromatogram of volatile aroma components extracted from ginger

表2 干姜挥发性香气成分的GC-MS 鉴定结果及相对百分含量Table 2 Identification results and relative percentage of volatile aroma components of dried ginger

续表2 干姜挥发性香气成分的GC-MS 鉴定结果及相对百分含量Continue table 2 Identification results and relative percentage of volatile aroma components of dried ginger

由表2 可知，西林火姜干姜中检测出45 种挥发性香气成分，萜烃类化合物共23 种是干姜中最丰富的香气成分，含量高达91.96%，这类化合物一般具有一定的香气。其次醇类11 种、醛类3 种、酯类3 种、酮类4 种，含量由高到低为醇类（2.91%）＞醛类（2.11%）＞酯类（0.94%）＞酮类（0.61%），这些香气成分中大部分为萜烃通过氧化作用形成的产物，拥有更为复杂的香气[20]。除此之外，还检测到少量环氧化物，含量为1.48%。这些物质相互协同增效，赋予了西林火姜浓郁的辛香特色。

在这些物质中姜烯（42.09%）、β-倍半水芹烯（15.40%）、（E，E）-α-法呢烯（9.70%）、β-红没药烯（8.21%）、α-姜黄烯（6.66%）、β-荜澄茄油烯（2.85%），2-茨醇（1.36%）、α-柠檬醛（1.17%）、β-榄香烯（1.13%）等为主要挥发性香气成分，对西林火姜的香气有重要贡献，并且这些香气成分许多已被证明具有一定的抗氧化、抗菌、促进其它治疗物质的吸收和利用的作用[21-22]。尤其是姜烯、姜黄素、β-倍半水芹烯等在抗炎、抗菌、抗病毒、抗增殖、抗肿瘤等方面具有良好的疗效，是医药、食品、香料和化妆品工业的重要原料[23-24]。另外，对比西林火姜与其它生姜的香气成分发现，它们的物质组成具有一定相似性，含量有较大不同，其中姜烯、姜黄素、β-倍半水芹烯的百分含量明显高于杨小金等[8]、袁华伟等[12]的生姜研究结果，这可能是西林火姜姜香浓郁，辛辣味浓和药用性能好的原因。

3 结论

本研究确立了HS-SPME-GC-MS 分析西林火姜香气成分的最佳萃取条件为：3 g 干姜粉，采用100 μm PDMS 萃取头、萃取时间40 min，解析时间3 min，在此条件下，结合匹配度与保留指数共定性出萜烃类、醇类、醛类、酮类和酯类等45 种香气成分。西林火姜干姜片挥发性香气成分丰富，姜烯、β-倍半水芹烯、（E，E）-α-法呢烯、β-红没药烯、α-姜黄烯、β-荜澄茄油烯、2-茨醇、α-柠檬、β-榄香烯为主要挥发性香气成分，尤其姜烯、姜黄素、β-倍半水芹烯百分含量明显高于其他生姜，这些成分可能对西林火姜的香辛特色具有重要意义。