采用GC-IMS 对4 个薄荷品种不同组织部位挥发性物质的研究

谢玉芬， 张昆明， 杨文丽， 马月玲，刘霄芸， 俞晓燕， 张光弟*1，2，

（1. 宁夏大学农学院， 宁夏银川 750021； 2. 宁夏食品微生物应用技术与安全控制重点实验室， 宁夏银川 750021； 3. 宁夏设施园艺（宁夏大学）技术创新中心，宁夏银川 750021； 4. 宁夏大学食品与葡萄酒学院，宁夏银川 750021）

薄荷（Mentha haplocalyx Briq.）是唇形科薄荷属多年生宿根草本植物[1]，多生长于山野、湿地、河流旁，广布于北半球的温带地区[2]。 是我国著名的香料植物，也是第一批药食同源植物，栽培历史悠久，应用广泛[3]。 薄荷既是常用的调味品[4]，又是化妆品的原料[5-6]；既有抗菌、消炎、抗氧化、抗病毒等功效[7-10]，又具有清香、提神、醒脑、解表等作用[11]。

研究表明，世界上薄荷属植物有30 个种，其中变种有140 多种， 现今在园艺栽培上已有600 多个品种[12]。 留兰香、椒样、香槟和葡萄柚是我国常见的4 个薄荷品种。 留兰香薄荷又名绿薄荷、香薄荷、荷兰薄荷，茎、叶经蒸馏可提取留兰香精油，可入药也可食用[13]。椒样薄荷又名胡椒薄荷，是水薄荷与绿薄荷杂交而成的不育品种，原产于欧洲[14]。椒样薄荷油具有令人心旷神怡的甜香味、药香味和椒香味，广泛应用于口香糖、牙膏、漱口水、薄荷饮料等产品中[15]。 香槟薄荷颜色深绿，香气清淡，因其具有一股香槟酒的气味而得名。 葡萄柚薄荷是薄荷的新品种之一，有很浓的葡萄柚味道，叶片较大，适合泡茶、拌沙拉、烹调，及用于咖啡、果汁、甜点等食品，其精油味道浓郁，具有很高的利用价值[16]。

关于薄荷挥发油成分的研究较多[17-19]，且大多采用茎叶组织作为实验材料，而研究薄荷根部的文献较少[20]。另外，未见文献记载不同薄荷品种挥发性成分的对比研究。 目前对于薄荷香气定性、定量分析主要采用气相色谱- 质谱联用（gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS）技术，而GC-IMS 运用较少。 与GC-MS 相比，GC-IMS 的样品前处理更为简单，可在较短时间内完成多组分混合物的定性和定量分析，可保证薄荷中的挥发性物质得到最大程度的保留[21-23]。 因此，采用GC-IMS 技术分析不同薄荷品种中不同部位的挥发性物质差异，明确挥发性物质的种类及含量，以期为薄荷合理换茬、品种更换、轮作等栽培管理提供理论依据，为今后薄荷产业发展、薄荷资源可持续利用奠定基础，为科学利用薄荷营造生态型、保健型、芳香型园林景观提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验地点与材料

1.1.1 实验地点实验地点位于宁夏贺兰县光明渔村科海渔业基地。

1.1.2 植物材料源于鱼-花（薄荷）闭环共生系统中浮板栽培模式，4 个不同薄荷品种（留兰香、椒样、香槟和葡萄柚）均为多年生（2 年生）。 以长度比3∶2∶3将板上植株分为3 个部位， 其中0～15 cm 为部位1，15～25 cm 为部位2，25～40 cm 为部位3， 浮板下3～5 cm 长度的根系为部位4。分别称取10 g 装入自封袋中，用于GC-IMS 分析，其标记见表1。

表1 4 种薄荷的不同部位标记Table 1 Different part markers of four kinds of mint

1.1.3 仪器FlavourSpec®风味分析仪：德国G.A.S.公司产品；SQP 电子天平：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司产品。

1.2 方法

1.2.1 样品前处理将各部位样品从自封袋中取出，剪碎混匀，称取每个部位样品各0.5 g，将薄荷样于20 mL 顶空进样瓶中，70 ℃条件下孵育20 min，经顶空进样用气相离子迁移谱FlavourSpec®进行测试，每个样品平行测定2 次。

1.2.2 分析条件色谱柱类型为FS-SE-54-CB-1（15 mm×0.53 mm，1 μm），载气为高纯氮气（纯度≥99.999%），载气流量（初始载气流量2 mL/min 条件下保持2 min；10 min 内上升到10 mL/min；20 min内上升到100 mL/min；25 min 内上升到150 mL/min，保持30 min； 分析时间55 min）， 漂移气流量150 mL/min，柱温60 ℃，离子迁移过程在45 ℃下进行，进样针温度85 ℃，进样体积100 μL。

1.2.3 数据分析方法采用软件内置的NIST 数据库和IMS 数据库对物质进行定性分析。 采用软件Laboratory Analytical Viewer （LAV） 的Gallery Plot插件， 绘制薄荷GC-IMS 指纹图谱。 利用软件LAV进行不同薄荷品种的不同部位之间挥发性物质的差异图谱分析， 通过使用软件The Unscrambler X 10.4进行主成分分析并使用TBtools 做可视化热图。 采用软件Microsoft Excel（2016 版）对数据进行处理。

2 结果与分析

2.1 4 种薄荷不同部位挥发性成分的GC-IMS 定性分析

根据保留时间和迁移时间， 通过软件GC×IMS Library Search 检索鉴定化合物，总鉴定化合物见表2。 结果显示，在4 种薄荷的不同部位中共分析鉴定出34 种挥发性物质，其中包含醇11 种、酮10 种、醛4 种、烯烃3 种、杂环化合物3 种、酯2 种、酚类1种。 留兰香、椒样、香槟、葡萄柚薄荷中分别鉴定出挥发性物质为27、26、22、26 种。

表2 4 种薄荷的不同部位中挥发性物质的定性分析Table 2 Qualitative analysis of volatile substances in different parts of four mint varieties

续表

续表

4 种薄荷所含挥发性物质中多以醇类、 酮类等为主。 4 种薄荷均含的挥发性物质有16 种，分别为1-丁醇、顺-3-己烯醇、1-辛烯-3-醇、芳樟醇、苯乙醇、α-松油醇、1-辛醇、2-庚酮、2-己酮、2-丁酮、2-辛酮、乙酸乙酯、苯甲醛、苯酚、柠檬烯和α-蒎烯。 4种薄荷各部位中较高的是芳樟醇、 苯乙醇、α-松油醇。 其中，芳樟醇对大肠杆菌具有抗菌活性[24-25]；1-丁醇可防止过氧化对细胞膜的破坏，降低细胞膜渗透率[26-27]；1-辛烯-3-醇不仅可抑制黄曲霉生长[1]，还有一定的杀虫作用[28]；α-松油醇对轮枝镰刀菌、黄曲霉、桔青霉、枯草芽孢杆菌、酵母菌等有抑菌作用[29]；1-辛醇对病虫害具有防控效果[30]；乙酸乙酯具有抗肿瘤活性[31]；苯甲醛是一种对黑色素合成限速酶（酪氨酸酶）具有抑制作用的生物活性物质[32]，还可作为食品合成香料，此外还有止咳平喘和杀虫抑菌等功效[33]；柠檬烯具有广谱抗菌性，可抑制真菌及细菌[34]，同时预防癌症、镇咳祛痰的活性显著，另外化感作用明显，不同浓度的柠檬烯对莱茵衣藻细胞生长有抑制或诱导死亡的作用[35]；α-蒎烯具有抗腺病毒作用[36-37]。

椒样、香槟、葡萄柚薄荷中都有苯乙烯、丁醛和苯酚；留兰香、葡萄柚薄荷中都有2-丁酮、2-己烯醇和2，5-二甲基吡嗪， 其中2-己烯醇具有水果味和青草味[38]；留兰香、椒样、葡萄柚薄荷中都有苯乙酮、2，3-戊二酮和戊醛， 其中，2，3-戊二酮是一种奶香型香料，可制备药物、防腐剂等[39]。 留兰香、椒样、香槟薄荷中都有桉叶油醇和2-甲基吡嗪，其中，桉叶油醇可用于抑菌和急性神经性面部疼痛的镇痛[40]，而且与补骨脂素配伍使用能够增强补骨脂素的抗肿瘤活性[41]。

同时， 留兰香薄荷中独有1-戊醇和4-羟基-2，5-二甲基-3（2H）呋喃酮，其中，4-羟基-2，5-二甲基-3（2H）呋喃酮对单增李斯特菌AI-2 类群体感应有一定的干扰效应[42]；椒样薄荷中独有乙酸异戊酯和正己醇，其中，乙酸异戊酯广泛用于配制各种果味食品及日化香精[43]；葡萄柚薄荷中独有2，3-丁二酮和己醛，其中，己醛在适当浓度下具有显著抑制草莓球腔菌孢子萌发和菌丝生长的作用[44]。

2.2 4 种薄荷不同部位特征挥发性物质的GCIMS 指纹图谱分析

2.2.1 留兰香薄荷不同部位的挥发性物质分析由图1 可知，留兰香薄荷中不同部位挥发性化合物含量由高到低为SPLS-1＞SPLS-2＞SPLS-3＞SPR。 其中，SPLS-1 部位中主要包括1-丁醇、2-己烯醇、2-庚酮、顺-3-己烯醇、1-辛烯-3-醇、柠檬烯、4-羟基-2，5-二甲基-3（2H）呋喃酮、α-松油醇、苯甲醛、2-丁酮、2，3-戊二酮、 戊醛、1-戊醇、α-蒎烯、 桉叶油醇、苯酚和2-辛酮；α-松油醇含量最高，其次为柠檬烯；2-戊酮和2-己酮含量较低。SPLS-2 部位中主要包括乙酸乙酯、2-甲基吡嗪、2，5-二甲基吡嗪、芳樟醇、苯乙醇；芳樟醇含量最高，其次为苯乙醇；戊醛含量较低。 SPLS-3 部位中主要为环己酮，其含量最高；2-己烯醇、2，5-二甲基吡嗪、苯乙酮、1-辛醇、苯甲醛含量较低。 SPR 部位中主要包括2-戊酮、2-己酮、苯乙酮、1-辛醇；苯乙酮含量最高，其次为2-戊酮；2-甲基吡嗪、环己酮含量较低。

图1 留兰香薄荷不同部位挥发性化合物的GalleryPlot 示意图Fig. 1 Schematic diagram of GalleryPlot of volatile compounds in different parts of spearmint

2.2.2 椒样薄荷不同部位的挥发性物质分析由图2 可知，椒样薄荷中不同部位特征挥发性化合物含量由高到低为PPLS-1＞PPLS-3＞PPLS-2＞PPR。其中，PPLS-1 部位中主要包括1-丁醇、顺-3-己烯醇、1-辛烯-3-醇、柠檬烯、桉叶油醇、2-甲基吡嗪、2-辛酮、苯甲醛和α-蒎烯；柠檬烯含量最高，其次为1-辛烯-3-醇；乙酸乙酯含量较低。 PPLS-2 部位中主要包括乙酸乙酯、2-庚酮、苯乙酮、芳樟醇、α-松油醇和苯酚；α-松油醇含量最高，其次为芳樟醇；2-戊酮、1-丁醇、1-辛醇和戊醛含量较低。 PPLS-3 部位中主要为2-丁酮、2，3-戊二酮、 乙酸异戊酯、 正己醇、苯乙烯和苯乙醇；其中，苯乙醇含量最高；2-己酮、2-庚酮和丁醛含量较低。 PPR 部位中主要包括2-戊酮、2-己酮、1-辛醇、戊醛和丁醛；戊醛含量最高，其次为丁醛；乙酸异戊酯、正己醇和苯乙烯含量较低。

图2 椒样薄荷不同部位挥发性化合物的GalleryPlot 示意图Fig. 2 Schematic diagram of GalleryPlot of volatile compounds in different parts of pepper mint

2.2.3 香槟薄荷不同部位的挥发性物质分析由图3 可知，香槟薄荷中不同部位特征挥发性化合物含量由高到低为CPLS-1＞CPLS-2＞CPLS-3＞CPR。其中，CPLS-1 部位中主要包括2-丁酮、1-丁醇、2-甲基吡嗪、顺-3-己烯醇、苯乙烯、2-庚酮、α-蒎烯、柠檬烯、 二异丁基酮、2-辛酮、 桉叶油醇和α-松油醇；柠檬烯含量最高，其次为α-松油醇。 CPLS-2 部位中主要包括乙酸乙酯、 环己酮、1-辛烯-3-醇、苯酚、芳樟醇、苯乙醇和苯甲醛；芳樟醇含量最高，其次为苯乙醇；2-戊酮、1-丁醇、2-己酮含量较低。CPLS-3 部位中主要为丁醛，其含量最高；环己酮、1-辛醇和苯甲醛含量较低。CPR 部位中主要包括2-己酮和1-辛醇，其中，1-辛醇含量最高；顺-3-己烯醇、α-蒎烯和2-甲基吡嗪含量较低。

图3 香槟薄荷不同部位挥发性化合物的GalleryPlot 示意图Fig. 3 Schematic diagram of GalleryPlot of volatile compounds in different parts of champagne mint

2.2.4 葡萄柚薄荷不同部位的挥发性物质分析由图4 可知，葡萄柚薄荷中不同部位特征挥发性化合物含量由高到低为GPLS-2＞GPLS-1＞GPLS-3＞GPR。其中，GPLS-1 部位中主要包括1-丁醇、戊醛、顺-3-己烯醇、苯乙烯、2，5-二甲基吡嗪、α-蒎烯、2-辛酮、1-辛烯-3-醇、苯酚、柠檬烯、芳樟醇、苯乙醇、α-松油醇和己醛；α-松油醇含量最高， 其次为柠檬烯；2-庚酮和2-己酮含量较低。GPLS-2 部位中主要包括2-丁酮、 乙酸乙酯、2，3-戊二酮、2，3-丁二酮、苯乙酮和1-辛醇；2，3-戊二酮含量最高， 其次为苯乙酮；2-戊酮、1-丁醇、2-己酮含量较低。GPLS-3 部位中主要为丁醛，其含量最高；戊醛、1-辛烯-3-醇和2-己烯醇含量较低。 GPR 部位中主要包括2-戊酮和2-己酮， 其中，2-戊酮含量最高； 顺-3-己烯醇、苯乙烯和苯甲醛含量较低。

图4 葡萄柚薄荷不同部位挥发性化合物的GalleryPlot 示意图Fig. 4 Schematic diagram of GalleryPlot of volatile compounds in different parts of grapefruit mint

2.3 4 种薄荷中不同部位的挥发性物质比较

2.3.1 挥发性组分分析结合表2 和图1～4 可知，总体而言，各个部位的挥发性物质含量由高到低为PLS-1＞PLS-2＞PLS-3＞PR。 各部位中均含的挥发性物质共16 种，分别为1-丁醇、顺-3-己烯醇、1-辛烯-3-醇、芳樟醇、苯乙醇、α-松油醇、1-辛醇、2-庚酮、2-己酮、2-丁酮、2-辛酮、乙酸乙酯、苯甲醛、苯酚、柠檬烯和α-蒎烯。 其中，部位PLS-1 和PLS-2中， 均是椒样薄荷中α-蒎烯和香槟薄荷中1-辛醇含量较高；部位PLS-3 中，椒样薄荷中的柠檬烯和芳樟醇含量较高， 留兰香薄荷中的顺-3-己烯醇含量较高，而葡萄柚薄荷中苯甲醛含量较低；部位PR中，柠檬烯、芳樟醇和苯乙烯的含量相对于其他部位更高，而1-辛醇在其部位的含量低于其他部位。

2.3.2 特征挥发性物质热图和PCA 分析 通过挥发性化合物相对峰体积对4 种薄荷不同部位中挥发性物质进行可视化热图聚类分析（见图5）和主成分分析（见图6），可以更直观地看出4 种薄荷不同部位中挥发性化合物的差异。从聚类分析可得，4 种薄荷的不同部位可聚为4 类，其中，留兰香薄荷中SPLS-1 和SPLS-2 部位聚为第一类， 而SPLS-3 和SPR 部位聚为第二类，葡萄柚薄荷的4 个部位为第三类， 椒样和香槟薄荷的4 个部位为第四类。 由PCA 分析可以看出，4 种薄荷的各部位中，第一主成分PC-1 贡献率为69%， 第二主成分PC-2 贡献率为17%，二者累计贡献率为86%，这基本代表了样品的全部特征信息。4 种薄荷中各部位点分别汇聚，而4 种薄荷不同部位间集合间距差异明显，说明不同部位之间存在差异性，特征成分在4 种薄荷部位中的分布具有特征性，可利用主成分进行放大。 从PC-1 来看，独有部位SPLS-3 聚集于PC-1 负半轴，其他部位都聚集于PC-1 正半轴部分， 说明部位SPLS-3 与其他部位主要在PC-1 上差异较大；从PC-2 来看， 部位SPLS-1、SPLS-2、SPLS-3、SPR、CPLS-1、CPLS-2、CPLS-3、CPR、PPLS-2 和PPLS-3都聚集于PC-2 负半轴， 可见检测装置不能将两种样品区分开，说明留兰香和香槟薄荷具有一定相似性，而部位GPLS-1、GPLS-2、GPLS-3、GPR、PPLS-1和PPR 都聚集于PC-2 正半轴，说明葡萄柚和椒样薄荷具有一定相似性，可根据品种的差异选取不同部位的薄荷加以利用。 PCA 结果显示4 种薄荷中各部位基本可以很好地被区分开，且该结果与热图聚类分析结果具有一定相似性。

图5 4 种薄荷中不同部位挥发性化合物TBtools 热图分析Fig. 5 TBtools heat map analysis of volatile compounds in different parts of four kinds of mint

图6 4 种薄荷中不同部位挥发性物质PCA 分析Fig. 6 PCA analysis of volatile substances in different parts of four kinds of mint

3 结 语

通过GC-IMS 方法对4 种薄荷不同部位中的挥发性成分进行分析，共定性出34 种挥发性成分，醇类和酮类物质组成及含量占据了很大优势，α-松油醇、苯乙醇、芳樟醇等是4 种薄荷挥发性成分的主要构成物质；柠檬烯等烯烃类物质含量仅次于酮类。 4 种薄荷中检测出16 种共有成分， 包括1-丁醇、顺-3-己烯醇、1-辛烯-3-醇、芳樟醇、苯乙醇、α-松油醇、1-辛醇、2-庚酮、2-己酮、2-丁酮、2-辛酮、乙酸乙酯、苯甲醛、苯酚、柠檬烯和α-蒎烯。 4 种薄荷中，留兰香薄荷独有1-戊醇和4-羟基-2，5-二甲基-3（2H）呋喃酮，在部位SPR 含量较高；椒样薄荷中独有乙酸异戊酯和正己醇， 在部位PPLS-3 含量较高；葡萄柚薄荷独有2，3-丁二酮和己醛，在部位GPR 含量最高， 而己醛在部位GPLS-3 含量最高。部位PLS-1 是薄荷挥发性成分的主要部位，醇类和酮类化合物作为薄荷挥发性成分的关键化合物，决定了不同薄荷品种各自的风味。 该研究可为薄荷的品种鉴定及不同部位的合理利用提供理论依据。