不同萃取头分析大高良姜挥发性成分效果比较

黄百祺，沈丹妮，王如意，李双林，林焕怡，李咏梅

（1.广东科贸职业学院食品与生物工程学院，广东 广州 510430；2.广东食品药品职业学院实验实训中心，广东 广州 510520）

大高良姜为姜科山姜属植物红豆蔻Alpinia galanga（L.）Wild.的根茎，具有散寒、暖胃、行气止痛等功效［1]。研究表明，大高良姜含有挥发油类、二苯庚烷类、黄酮类、糖苷类等成分，具有菌、抗溃疡、抗肿瘤、抗氧化和降血糖等药理作用［2]。在我国粤东和东南亚地区，大高良姜亦常被用作调味料、香辛料、凉果保鲜剂等［3]，具有较高的药用和食用价值。

顶空固相微萃取（HS-SPME）是一种分析挥发性物质的前处理技术，集取样、萃取、浓缩和进样于一体［4]，广泛应用于食品、药物、纺织品和环境污染的挥发性物质分析［4-6]。近年来，已有学者采用HS-SPME 技术对山姜［7]、艳山姜［8]、高良姜［9]等山姜属植物的挥发性成分进行分析，但研究者往往采用单一类型涂层的萃取头进行检测，缺乏不同萃取头萃取效果的综合对比和分析。HS-SPME 技术的核心在于萃取头的涂层，不同类型涂层的萃取头对同一挥发性成分的选择性和灵敏度有较大差异［10]，故选择合适的萃取头是有效分析样品挥发性关键物质的前提。本实验利用HS-SPME-GC-MS法，比较7 μm PMDS、30 μm PMDS、100 μm PMDS、85 μm PA、65 μm PDMS/DVB、85 μm CAR/PDMS、50/30 μm DVB/CAR/PDMS 这7 种不同萃取头对大高良姜挥发性成分分析结果的差异，通过主成分分析进行综合评价，从中选择出最佳的萃取头，以期为进一步研究大高良姜乃至其他姜科植物的挥发性成分提供参考。

1 材料

QP2010 型气相色谱-质谱仪（日本Shimadzu 公司）；DK3001N 型顶空进样器（北京中兴汇利公司）；ME204E 型电子天平（瑞士梅特勒-托利多公司）；固相微萃取手柄、SPME 萃取头（美国Supelco 公司）。C8～C20正构烷烃混合标准品（质量浓度均为40 mg/L，美国Sigma 公司）。大高良姜采自广东省惠来县，经广东科贸职业学院吴巨贤副研究员鉴定为山姜属植物红豆蔻Alpinia galanga（L.）Wild.的根茎。

2 方法与结果

2.1 材料预处理 大高良姜采集后自然阴干，粉碎至粗粉，过2 号药筛，备用。

2.2 HS-SPME-GC-MS 分析

2.2.1 HS-SPME 法 参考文献［11-13] 方法并略作调整。称取大高良姜粉末0.5 g，置于10 mL 顶空瓶中，80 ℃平衡30 min，将固相微萃取手柄插入样品瓶中，推出萃取头（各型号萃取头使用前按产品说明书进行老化），顶空萃取60 min，取出后立即插入GC-MS 仪进样口，解吸5 min。

2.2.2 GC-MS 条件

2.2.2.1 GC Restek Rxi-5 Sil MS 石英毛细管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；进样口温度250 ℃；柱温采用程序升温，50 ℃保持3 min，以2 ℃/min 升到120 ℃，以3 ℃/min升 到150 ℃，保 持3 min，以10 ℃/min 升 到250 ℃，保持2 min，总时间63 min；载气高纯度氦气（纯度≥99.999%）；体积流量1.0 mL/min，不分流进样；溶剂延迟时间3 min。

2.2.2.2 MS 离子源电子轰击源（EI），电子能量70 eV；离子源温度230 ℃；接口温度250 ℃；质量扫描范围m/z 45～450；扫描方式全扫描。

2.3 不同萃取头总离子流图分析 由图1A～1C 可以看出，对于同一类型涂层的萃取头，涂层厚度对萃取效果有较大的影响，30、100 μm PDMS 萃取头的离子流丰度明显大于7 μm PDMS 萃取头，这可能是由于涂层厚度增加，提高了萃取量。萃取量的增加使检测信号增大，有利于挥发性成分的分析鉴定，故在选取萃取头时，适宜的涂层厚度有助于提升检测效果。采用极性涂层的85 μm PA 萃取头离子流丰度（图1D）总体上较小，推测可能是由于大高良姜含有较多的萜烯类化合物等非极性挥发性成分［2]，极性涂层对其萃取效果较差。图1E～1G 显示，3 种采用复合涂层的萃取头在离子流丰度和峰形上均比单一类型涂层萃取头更好，这可能是由于复合涂层萃取头兼具了不同类型涂层的优点，对挥发性和半挥发性成分均有吸附。综上所述，选取100 μm PDMS、85 μm PA、65 μm PDMS/DVB、85 μm CAR/PDMS、50/30 μm DVB/CAR/PDMS 这5 种萃取头进行后续成分分析。

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图1 不同萃取头萃取大高良姜挥发性成分的总离子流图

2.4 不同萃取头挥发性成分组分分析 所得GC-MS 谱图数据利用NIST 17 质谱库进行检索、定性分析，同时将实测保留指数（retention index，RI）与NIST Chemistry WebBook数据库及文献［14] 进行对比，以质谱相似度≥90%和RI接近度最高的化合物为综合判定结果，对于查阅不到RI 的化合物以MS 相似度进行判定，并采用峰面积归一化法计算各化合物在挥发性成分中的相对含量，结果见表1。

表1 不同萃取头萃取大高良姜挥发性成分分析结果

续表1

5 种萃取头共检测出大高良姜挥发性成分81 种，其中萜烯类34 种，醇类21 种，酯类10 种，烃类9 种，醚类3种，醛酮类3 种，其他类1 种；共有检出成分只有24 种，表明不同萃取头对大高良姜挥发性成分的萃取能力有较大差异；相对含量最高的成分均为1，8-桉叶素，这与同属植物山姜、高良姜一致［7]，推测它在部分山姜属植物中的含量分布规律可能具有一定相似性，可作为该属植物鉴定和品质评价的一个指标。

5 种萃取头检出大高良姜挥发性成分的数量和相对含量见图2～3，可知其数量依次为65 μm PDMS/DVB＞85 μm CAR/PDMS＞50/30 μm DVB/CAR/PDMS ＞100 μm PDMS ＞85 μm PA，分别有64、60、54、37、35 种，由此可见，复合涂层萃取头萃取大高良姜挥发性成分的数量明显高于单一类型涂层萃取头，推测由于复合涂层萃取头兼具了不同极性的固定相，对不同种类的化合物均有亲和力。100 μm PDMS 萃取头检出成分总数较少，但其总相对含量占比最高（80.51%），表明该萃取头萃取的物质较少、萃取效果较差，其次 为50/30 μm DVB/CAR/PDMS（76.01%），85 μm PA 最低（56.77%）。

由图2 可知，大高良姜挥发性成分中萜烯类和醇类的数量明显高于其他类，前者不仅是香料、调味品和化妆品的重要原料，并且具有多种药理活性［14]。65 μm PMDS/DVB 萃取头检出的萜烯类化合物数量最多（29 个），其次为85 μm CAR/PDMS 和50/30 μm DVB/CAR/PDMS（均为28 个）；相对含量最高为85 μm CAR/PDMS（36.8%），其次为50/30 μm DVB/CAR/PDMS（32.73%）。5 种萃取头中检出含量最高的前2 个萜烯类化合物均为α-金合欢烯和γ-杜松烯，其中γ-杜松烯带有木香、壤香，有祛痰功效［15]，α-金合欢烯有花香、青草香和香脂香味［16]。除此以外，α-蒎烯、莰烯、β-蒎烯、石竹烯、α-檀香烯、α-香柠檬烯、α-律草烯、β-芹子烯、α-芹子烯、芹子二烯在5 种萃取头中均有检出，这些都是大高良姜中重要的萜烯类成分［7]。

图2 不同萃取头萃取大高良姜挥发性成分数量

图3 不同萃取头萃取大高良姜挥发性成分相对含量

醇类化合物通常具有花香、果香、木香等味道，是大高良姜挥发油香气的重要来源。65 μm PMDS/DVB 萃取头检出的醇类化合物数量最多（18 个），相对含量为21.09%，仅次于85 μm PA（33.08%）；100 μm PDMS 萃取头检出的醇类化合物数量（10 个）和总相对含量（14.01%）均为最低。5 种萃取头中检出含量最高的醇类化合物中均为α-松油醇，其次为荜澄茄油烯醇，其中α-松油醇是一种重要的医药和香精原料［14]，荜澄茄油烯醇是大高良姜重要的特殊风味物质［16]。在5 种萃取头中均检出的醇类化合物还有α-香柠檬醇、4-萜品醇、表蓝桉醇、龙脑。

5 种萃取头中检出酯类物质数量最多的是65 μm PMDS/DVB（9 种），乙酰氧基胡椒酚乙酸酯为5 种萃取头中检出含量最高的酯类物质，与文献［17] 报道一致。它是大高良姜主要的辛辣成分，呈现独特的辛辣感觉，具有抗肿瘤、抑菌、抗溃疡、抗氧化等生物活性，但其在高良姜、生姜、艳山姜、益智等其他山姜属植物中未被检出［8，10]，可能是大高良姜特征成分。

5 种萃取头检出的醚类和醛酮类化合物数量均较少，且不同萃取头间差别不大。由于醚类化合物中的1，8-桉叶素是大高良姜挥发性成分中含量最高的化合物，故5 种萃取头检出的醚类化合物数量虽然较少，但相对含量高于酯类、烃类化合物。对于烃类化合物，85 μm CAR/PMDS 表现出较高的敏感性，检出数量（9 种）明显高于其他萃取头，并且有5 种为独有物质，分别为α-姜黄烯、愈创兰油烃、十五烷、十七烷和十九烷。

2.5 不同萃取头对各种类化合物灵敏度分析 相同操作条件下，不同萃取头对同一化合物的萃取峰面积不尽相同，因此须将不同萃取头对相同化合物的峰面积进行标准化处理后才能准确比较。刘非等［18]采用累积峰面积标准化值（cumulative area normalization value，CANV）评价不同萃取头对各类化合物的灵敏度，相同保留时间下对某类化合物CANV 值越大的萃取头，则对该类化合物的灵敏度越高。

由图4 可知，85 μm CAR/PMDS 萃取头对萜烯类、烃类化合物具有最大的CANV 值，其次为65 μm PMDS/DVB；65 μm PMDS/DVB 萃取头对醇类、酯类、醛酮醚类化合物有最大的CANV 值，萃取灵敏度较高。总体上，85 μm PA、100 μm PDMS 萃取头对各类化合物的CANV 值较小，表明单一涂层萃取头对大高良姜各类挥发性成分萃取灵敏度不高，萃取效果较差。

图4 不同萃取头萃取各类化合物的峰面积累积标准化值

2.6 基于主成分分析的不同萃取头萃取效果评价 以特征值大于0.8，累计方差贡献率≥85.0% 为依据，利用SPSS 25.0 软件对5 种萃取头所萃取的大高良姜各类挥发性成分的相对含量进行主成分分析［19]。见表2～3。

表2 主成分因子特征值及贡献率

表3 主成分因子载荷矩阵

结果显示，共提取到主成分3 个，累积方差贡献率为98.95%，基本上能反映原变量的信息［20]。其中，第一主成分（PC1）方差贡献率为58.86%，主要反映萜烯类、酯类、烃类、醛酮类化合物的变异信息；第二主成分（PC2）方差贡献率为24.94%，主要反映醇类化合物的变异信息；第三主成分（PC3）方差贡献率为15.16%，主要反映醚类化合物的变异信息。各主成分得分（F）方程为F1=0.469 X1+0.386 X2+0.487 X3+0.339 X4+0.526 X5-0.034 X6、F2=-0.176 X1+0.488 X2+0.296 X3-0.585 X4-0.064 X5+0.545 X6、F3=0.432 X1-0.322 X2-0.165 X3+0.255 X4-0.111 X5+0.778 X6。

以各主成分方差贡献率为权重，构建萃取头对大高良姜挥发性成分萃取效果的综合评价模型，表达式为F=0.5886 F1+0.2494 F2+0.1516 F3，模型得分越高，表明该萃取头的萃取效果越好。由表4 可知，65 μm PDMS/DVB萃取头得分最高，为萃取大高良姜挥发性成分的最优选择。

表4 萃取头综合评价得分

3 讨论

本实验采用7 种萃取头，通过HS-SPME 结合GC-MS对大高良姜挥发性成分进行萃取和检测。通过总离子流图分析，选取100 μm PMDS、85 μm PA、65 μm PDMS/DVB 85 μm CAR/PDMS、50/30 μm DVB/CAR/PDMS 这5 种萃取头萃取的成分进行分析鉴定。结果表明，5 种萃取头共检测出81 种成分，包括萜烯类34 种，醇类21 种，酯类10种，烃类9 种，醚类3 种，醛酮类3 种，其他类1 种，检出成分数量高于前期报道［7，17]。总体上，具有复合涂层的萃取头在检出物数量、总相对含量和萃取灵敏度方面优于单一涂层的萃取头。

采用主成分分析评价不同萃取头对大高良姜挥发性成分的萃取效果，提取到3 个主成分，累积方差贡献率为98.95%，能充分解释不同萃取头萃取大高良姜挥发性成分的信息。根据所建立的评价模型，确定65 μm PDMS/DVB为大高良姜挥发性成分分析的最佳萃取头，可为进一步研究该药材乃至其他山姜属植物的挥发性成分及建立相关质量标准提供参考。