不同菊芋花香气成分比较分析

焦辉鉴，王 贵，孙雪梅

(1.青海大学农林科学院，青海 西宁 810016；2.青海省蔬菜遗传与生理重点实验室，青海 西宁 810016)

菊芋(HelianthustuberosusL.)，又名为洋姜、鬼子姜，属于菊科向日葵属的一种多年生草本植物，产于北美洲，十八世纪末传入中国[1]。菊芋作为一种多功能作物，目前针对菊芋方面的研究主要为种质资源[2, 3]、营养价值功能[4-6]、生态建设[7，8]和生物能源[9，10]等方面。

菊芋花色鲜艳，部分基因型花香浓郁，其花头状花序较大，常单生于枝端，呈黄色。在前人的研究中，关于芳香植物的研究，主要有玫瑰[11]、茉莉花[12]、野扇花[13]和兰花[14]等花香气成分研究已见报道，而菊芋花香气成分研究尚未见报道。由于菊芋抗逆性较强和耐寒耐旱，且部分品种资源具有枝繁叶茂、花朵较大、花周期较长、花色鲜艳及花香浓郁等优良性状，故这部分品种资源可以考虑作为提取精油的原料、园艺疗养植物、芳香植物园以及园林园艺观赏植物等[15，16]。

经本课题组前期观察发现，青海大学农林科学院收集的部分菊芋种质资源的花朵花香较浓郁，而其他的品种和种质资源基本呈现较淡的向日葵花香味。由于目前对菊芋花的芳香物质不明确，本文基于以上两个类型的花香味，经过人工嗅辨分别选取种植在青海大学农林科学院试验田花香较浓郁的菊芋种质资源204号、230号和花香较淡的青芋1号盛花初期的花朵(以下分别称为JA204、JA230、QY1)，分析两种不同花香味之间主要香气成分和相对含量的区别，并初步筛选出导致花香浓郁的主要物质，为花香较浓郁的菊芋品种、种质资源在生产和应用上提供一定的理论参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

试验材料为JA204、JA230、QY1开花状态一致的盛花初期花朵，采于青海大学农林科学院试验田。采样日期为2020年9月3日。由青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室的气相色谱三重四级杆质谱联用仪(GC-MS/MS)完成测定分析，型号为美国Thermo Fisher公司TSQ8000evo。

1.2 试验方法

1.2.1 样品制备

在清晨采集开花状态基本一致的盛花初期花朵，剪碎装入20ml顶空采样瓶中，2次重复。装入瓶中后立即送到实验室进行测定。

1.2.2试验条件

使用气相色谱三重四级杆质谱联用仪对样品进行测定，气相色谱型号TRACE 1310、质谱型号TSQ8000 Evo，色谱柱(TG-5MS 30m×0.32mm×0.25μm)。在顶空采样瓶中插入65μmPDMS/DVB萃取纤维头，固相微萃取(TRIPLUS RSH)进样口温度为265℃，分流进样，流速为50ml/min，分流比33.3∶1；恒流流速1ml/min，隔垫吹扫流速5ml/min。

以氦气(纯度≥99.999%)为载气，选择真空补偿，载气保护流速为20ml/min，2min。初温40℃，保持2min，以5℃/min升至120℃后，再以12℃/min升至240℃，停留10min；色谱柱最高耐受温度350℃，顶空进样999min，平衡时间0.5min。选择普通模式，接口传输线温度250℃，采用电子轰击电离源模式，离子源温度230℃，电离电压为70eV，电质谱全扫描时间1min，扫描离子范围为33-650，扫描时间0.2s。

1.3 数据处理分析

用GC自带Xcalibur软件系统处理试验数据，将测出的挥发物谱图与NIST MS Search 2.2谱库中标准物质的谱图比对，采用峰面积归一化法测定不同化合物的相对含量，记录相似度指数最大的前5个数据。通过测出的挥发物图谱与NIST MS Search 2.2谱库比对分析，在相似度指数最大的前5个数据中，排除硅烷化杂质，结合SI(正检索)和RSI(逆检索)以筛选出峰值所对应的化合物，计算各挥发性成分的相对百分含量。

2 结果与分析

2.1 不同基因型菊芋花挥发性成分分析

通过气相色谱分别对JA204、JA230、QY1花香气进行分离得出相应的色谱图(图1)。

图1 三种基因型菊芋花香气成分色谱图Fig.1 Chromatogram of aroma components of three genotypes of Jerusalem artichoke flowers

分别计算JA204、JA230、QY1相对含量大于1%的挥发性成分(表1)。JA204中相对含量大于1%的挥发性成分占总量的90.23%，其中β-异丁烯二烯含量最高为87.25%，甲酰胺次之为1.59%，Z-1,6-十一碳二烯为1.39%。JA230中相对含量大于1%的挥发性成分占总量的80.85%，其中反式-香柠檬烯含量最高为21.71%，甲酰胺次之，为9.53%，3,6-二乙基-3,6-二甲基三环[3.1.0.02,4]己烷、(3Z，6E)-α-法尼烯、1,7-辛二烯、莰烯、可可烯、氧化环己烯、反式—马鞭烯醇、乙基7-辛烯酸酯、(1R,5S)-6,6-二甲基-双环[3.1.1]庚-2-烯-2-甲醇、2-甲氧基-3-(2-丙烯基)-苯酚、金合欢烯、2,6-二甲基庚-1,5-二烯分别为8.87%、7.40%、7.35%、7.09%、4.92%、3.63%、2.30%、2.03%、1.75%、1.68%、1.37%、1.22%。QY1相对含量大于1%的挥发性成分占总量的89.57%，苯丙胺含量最高为83.67%，乙醇胺、Z-1,6-十一碳二烯、亚麻酸乙酯分别为2.30%、1.79%、1.81%。在三者物质中具有清香薄荷味的莰烯、氧化环己烯、(1R,5S)-6,6-二甲基-双环[3.1.1]庚-2-烯-2-甲醇、可可烯、反式—香柠檬烯、金合欢烯、β-异丁烯二烯都可能是菊芋的关键致香成分。

表1 三种基因型菊芋花香气相对含量>1%的成分及相对含量Tab.1 Components with>1% relative aroma content and relative content of the three genotypes of Jerusalem artichoke flowers

2.2 不同基因型菊芋花挥发性成分种类组成和相对含量比较

不同菊芋花香气成分相对含量大于1%主要分为以下几类(图2)：JA204有3类，分别为烯类(92.34%)、酯类(2.04%)、胺类(1.72%)；JA230有8类，分别烯类(59.14%)、烷类(10.33%)、胺类(9.69%)、醇类(6.44%)、酯类(6.15%)、酚类(2.33%)、醛类(2.16%)、酮类(1.64%)；QY1有4类，分别为胺类(86.29%)、烯类(5.62%)、醇类(2.68%)、酯类(2.17%)。在JA204、JA230、QY1的挥发物成分中烯、胺类占比较大，烷、酯类其次，因JA204、JA230的菊芋花香较浓郁而QY1菊芋花香较淡，且烯类在JA204、JA230中占比较大，故而烯类物质可能是菊芋浓郁花香的主要致香成分。QY1清淡花香的主要致香成分可能是胺、烯、醇类物质。

图2 三种基因型菊芋花主要挥发性成分种类组成和相对含量Fig.2 Composition and relative content of the main volatile components of the three genotypes of Jerusalem artichoke flowers

2.3 不同基因型菊芋花相同挥发性成分比较

JA204、JA230和QY1有相同的12种挥发性物质(表2)，其中2-甲氧基-3-(2-丙烯基)-苯酚、反式—香柠檬烯含量和辛酸乙酯均较高，由于QY1不存在特殊香味，故这些物质可能不是对菊芋浓郁花香的主要贡献成分。

表2 三种基因型菊芋花香气相同成分及相对含量Table.2 Identical components of aroma and relative content of the three genotypes of Jerusalem artichoke flowers

JA204和JA230相同挥发性物质中与QY1不同的成分有11种(表3)，这些物质可能都与其浓郁花香有较大的关联，其中(3Z，6E)-α-法尼烯、金合欢烯含量较高，可能是JA204和JA230花香浓郁的主要致香成分。

表3 JA204和JA230相同花香成分及相对含量Table.3 Identical floral components and relative contents of JA204 and JA230

3 讨论与结论

花香、花色等特性作为观花植物重要的指标，观赏植物均有其观赏特性[17]。本试验采用HSPME-GC-MS技术对JA204、JA230和QY1菊芋花挥发性成分进行测定，共检测出19种相对含量大于1%的物质，其中莰烯、氧化环己烯、(1R,5S)-6,6-二甲基-双环[3.1.1]庚-2-烯-2-甲醇、可可烯、反式—香柠檬烯、金合欢烯、β-异丁烯二烯为主要挥发性物质成分。比较三种基因型菊芋花挥发性成分种类组成和相对含量发现Y204、JA230、QY1的挥发物成分中烯、胺类占比较大，烷、酯类次之。JA204和JA230菊芋花香浓郁而QY1菊芋花香清淡，且烯类在JA204和JA230中占比较大，故烯类物质可能是造成菊芋花香浓郁的主要致香成分。此结果与前人在菊科作物花香成分的研究结果一致[18]。

对三种基因型菊芋花挥发性成分比较分析，发现JA204、JA230共有挥发性物质中与QY1不同的成分有11种，这些物质可能都与其特征香味有关，其中(3Z，6E)-α-法尼烯、金合欢烯含量较高。JA204和JA230具有较为浓郁的花香，(3Z，6E)-α-法尼烯和金合欢烯均为JA204、JA230共有而QY1没有的挥发性物质，且均属于烯类，故(3Z，6E)-α-法尼烯、金合欢烯可能是菊芋最重要的致香成分。α-法尼烯是茉莉花释放的重要化合物[19]，在1964年，Murray首先从苹果的天然蜡质层中鉴定出一种倍半萜物质法尼烯[20]。1966年，Hulin和Murray进一步查明这种物质是(3Z，6E)-α-法尼烯[21]。(3Z，6E)-α-法尼烯是小花茉莉[22]和兰花[23]等植物主要花香成分之一，与本研究结果一致。此外，绝大部分果实香气成分都含有(3Z，6E)-α-法尼烯[24]。金合欢烯广泛存在蕙兰[25]、春兰花[26]和丁香等植物中，郑冉冉等[27]采用顶空固相微萃取和气相色谱—质谱联用技术对5种不同香型百合花的挥发性物质进行定性和定量分析，发现金合欢烯是玫红百合的主要致香成分，还有徐瑾等[28]测定菊花不同花发育期和花序不同部位的香气成分种类和含量，也发现金合欢烯是菊花香气的主要成分，与本研究结果相似。

在JA204和JA230花香成分中，有较高含量的法尼烯和金合欢烯，这对菊芋改良为观赏植物有先天优势。本试验结果表明三种基因型菊芋花的芳香物质均以烯类为主，其中JA204和JA230菊芋花朵含有较高的(3Z，6E)-α-法尼烯、金合欢烯，说明花香浓郁的菊芋花朵特征香气很可能与(3Z，6E)-α-法尼烯、金合欢烯有关。本研究为选用花香较浓郁的菊芋品种、种质资源在生产和应用上提供参考，也为丰富菊科作物香气物质成分数据库提供参考价值。今后，可以利用多组学对菊芋花香进一步研究，筛选出关键呈香物质的候选基因，以期为解析菊芋花香物质生物合成分子机理研究和更好利用花香浓郁的菊芋种质资源奠定基础。