基于GC-MS法的金丝桃精油香气成分分析

徐 晨, 赵 倩, 简 兴, 赵坤坤, 张远兵

(安徽科技学院 建筑学院,安徽 蚌埠 233000)

在植物分类学中,金丝桃(Hypericummonogynum)属于双子叶植物纲金丝桃科金丝桃属(HypericumLinn)植物,目前该属植物在全世界的野生自然状态下共发现400余种,主要分布在温带以及亚热带地区,中国现存有55个种8个亚种,分布于全国各地,特别是贵州、陕西等地区[1]。金丝桃属植物提取的化学物质丰富,如β-谷甾醇、金丝桃内酯丙、槲皮素和槲皮苷等,具有一定的药用价值,近年来备受关注[2]。金丝桃为金丝桃属的代表种,因其花开性状如桃花且为金黄色,花蕊细长,光泽灿若金丝,金丝桃因此得名。金丝桃花叶美丽,是一种常见的园林绿化花木,具有极佳的观赏价值。同时还是一种中草药,全株均可入药,具有药用价值。同属植物贯叶金丝桃(H.perforatum)提取的金丝桃素、金丝桃苷等物质属于类黄酮化合物,已经作为临床药物应用多年[3]。

植物的次生代谢产物为人类提供了工业、食品、医药等原材料,对人类的生活和发展有着重要的意义[4]。而金丝桃属植物化学成分复杂,富含金丝桃素、黄酮类、丹宁酸、氧二苯甲酮、间苯三酚类等多种营养成分,其中间苯三酚类因其化学结构新颖和丰富的药理活性备受关注[5-6]。其药用效果显著,能清心明目,活血化瘀,止血止疼,解毒消炎,其提取的挥发油有抑菌作用,对于人体的烧伤等外伤有一定治疗作用。可用于疼痛部位,能够减缓症状[7]。目前国内外已有多项研究关注到了金丝桃属植物的化学成分,但这些研究大都集中于对药用植物贯叶金丝桃的研究,而对金丝桃研究相比较少。近年来,关于挥发油的提取、分析及应用已成为研究热点。精油的提取有多种方法,包括水蒸气蒸馏法、溶剂萃取法、油脂吸收法、压榨法、CO2超临界流体萃取法等[8]。最广泛的提取植物精油的方法是水蒸气蒸馏法,其具有水与油不互相溶解、操作简单、成本较低等优点[9]。植物精油具有抗病毒、消炎止痛、抗癌抗瘤等多种生理活性,被广泛应用于工业、食品、医疗等方面[10]。有关金丝桃精油的香气成分研究尚未见报道,因此本研究通过研究金丝桃的香气成分,为该植物的进一步开发应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 试验材料 金丝桃样品于2021年6月采自安徽科技学院校园内。

1.1.2 试剂 无水乙醇(国药集团化学试剂有限公司);1,1-二苯基苦基苯肼(DPPH,国药集团化学试剂有限公司)。

1.1.3 仪器 水蒸气蒸馏器(四川省蜀玻集团有限责任公司);7890A-5975C气相色谱-质谱(GC-MS)联用仪(安捷伦科技(中国)有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 精油提取 分别称取金丝桃新鲜样品(1 500 g花苞,1 000 g花朵,2 000 g叶片),加入纯净水进行蒸馏。蒸馏温度为90 ℃,蒸馏时间为6 h。蒸馏过程中的产物经冷凝管收集到分离器中,上层为精油,使用棕色玻璃瓶收集精油[11]。收集完成后用保鲜膜封口,置于4 ℃冷藏备用,精油得率参照黎贵卿等[12]方法测定。

1.2.2 气相色谱-质谱检测条件 取1 g精油加入22 mL顶空瓶中,70 ℃下加热平衡30 min,固相微萃取后,280 ℃下解析5 min进样。色谱条件:所用毛细管柱为HP-5MS 30 m×0.25 mm×0.25 μm。载气为高纯氦气,流速为1 mL/min。不分流模式,进样口温度为250 ℃。柱温箱的升温程序:50 ℃下保持5 min,然后以3 ℃/min升至86 ℃,1 ℃/min升至90 ℃,3 ℃/min升至180 ℃,保持3 min,以15 ℃/min升至230 ℃,保持5 min[13];质谱条件:EI源,电子能量70 eV,离子源温度为230 ℃,四极杆温度为150 ℃;扫描模式为Scan;扫描质量范围为35～500 u,无溶剂延迟。

1.2.3 香气化合物的定性定量方法 对检测出的成分采用MS数据库NIST14和保留时间进行定性分析。数据库筛选结果中扣除掉杂质峰、柱流失峰等[14];面积内标法定量,即以鉴定成分峰面积占内标成分面积的百分比乘以内标质量作为定量结果[15]。

1.2.4 数据的处理与分析 金丝桃提取的精油香气成分先由气相色谱进行分离,形成各自对应的色谱峰,再采用质谱进行分析鉴定。通过计算机谱库检索和资料分析,结合保留指数,从而确定各个化学成分,运用峰面积归一化法,求得各成分的相对含量[16]。采用Origin和Excel软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 金丝桃提取精油得率比较

金丝桃提取精油得率见表1,其中花苞提取精油得率最高(0.29%),叶片提取精油得率最低(0.06%)。

表1 金丝桃精油提取结果

2.2 金丝桃精油香气成分的GC-MS分析

试验通过气相色谱-质谱(GC-MS)鉴定的方法,对金丝桃花朵、花苞、叶片精油的香气成分进行了测定分析。对检测出的成分采用MS数据库和保留时间定性,按照面积归一法定量,对提取精油的化学成分进行分析鉴定(图1)。分析表明,萜烯类物质是金丝桃精油的主要成分,在花苞、花朵、叶片中的相对含量分别占比52.96%、46.61%、59.86%。

图1 金丝桃精油各类别比例Fig.1 Proportion of essential oil of H. monogynum

2.2.1 花苞精油成分分析 花苞精油中挥发性成分较多,色谱峰主要集中在5～25 min。在花苞精油中共鉴定出110种挥发性物质(图2),主要成分有壬烷(17.04%)、β-蒎烯(10.80%)、γ-紫罗兰烯(5.87%)、姜黄烯(5.86%)、蒎烯(4.90%)、β-石竹烯(2.96%)、十一烷(2.25%)、卡地烯(2.09%)等。主要类别以及各类代表物质:萜烯类化合物(52.96%)共有35种,其中占比高的主要是β-蒎烯、γ-紫罗兰烯、姜黄烯、蒎烯、β-石竹烯、卡地烯、榄香烯、香橙烯、β-波旁烯等;烷烃类化合物(22.22%)共有15种,主要成分为壬烷、十一烷、1-氯-5-甲基己烷、十四甲基六硅氧烷、1-氨基-3-氯丙烷等;醇类化合物(9.62%)共有18种,主要成分为桃金娘醇、桉油烯醇、依兰油醇、松香醇、α-红没药醇、紫苏醇等;芳香族化合物(7.02%)共有10种,主要成分为八氢-四甲基-环丙烯萘、1-异丙基-4,7-二甲基-1,2,3,4,4a,5-六氢萘、6-甲基-1-亚甲基-4-异丙基-1,2,3,4-四氢萘、4,7-二甲基-1-丙二醇-1-烯-2-基-八氢萘等;酮类化合物(3.89%)共有8种,主要成分为表姜烯酮、松果酮、桉双烯酮、3,5-二甲基环己酮等;酯类化合物(2.69%)共有8种,主要成分为癸酸甲酯、2-癸烯酸甲酯、桃金娘酯、1,2-苯二甲酸二丁酯、辛酸甲酯等;除此之外还有其他化合物如2-苯丙胺、反式-2-癸烯醛等。

图2 金丝桃花苞精油总离子图Fig.2 Total ionchromatogram of essential oil from H. monogynum bud

2.2.2 花朵精油化学成分分析 花朵精油中挥发性成分较多,色谱峰主要集中在5～22 min。在花朵精油中共鉴定出74种挥发性物质(图3),主要成分有壬烷(15.09%)、β-蒎烯(7.18%)、α-可帕烯(6.56%)、去氢白菖烯(5.42%)、α-姜黄烯(5.26%)、1,3-苯二甲酸(3.35%)、蒎烯(2.87%)、别香橙烯(2.78%)等。主要类别包括萜烯类、烷烃类、醇类、芳香族、酮类、酯类等。主要类别以及各类代表物质:萜烯类化合物(46.61%)共有23种,主要成分为β-蒎烯、α-可帕烯、α-姜黄烯、去氢白菖烯、别香橙烯、蒎烯、β-石竹烯、香橙烯等;烷烃类化合物(19.13%)共有8种,主要成分为壬烷、十一烷、十四甲基六硅氧烷、癸烷等;醇类化合物(12.95%)共有13种,主要成分为檀香醇、桉油烯醇、桃金娘醇、3,4-二羧基苯乙二醇、木香醇、2-溴-2-硝基-1,3-丙醇等;芳香族化合物(7.02%)共有10种,主要成分为八氢-四甲基-环丙烯萘、6-甲基-1-亚甲基-4-异丙基-1,2,3,4-四氢萘、4,7-二甲基-1-丙二醇-1-烯-2-基-八氢萘等;酮类化合物(4.34%)共有7种,主要成分为4-(2,6,6-三甲基-1-环己烯基)-3-丁烯-2-酮、表姜烯酮、松果酮、4-壬酮等;酯类化合物(3.74%)共有10种,主要成分为癸酸甲酯、2-(甲氧苯基)氨基甲酸乙酯、2-癸烯酸甲酯、2-溴乙酸乙酯、辛酸甲酯等;除此之外还有其他化合物如2,3-噻吩二甲醛、1,3-苯二甲酸等。

图3 金丝桃花朵精油总离子图Fig.3 Total ionchromatogram of essential oil from H. monogynum flower

2.2.3 叶片精油化学成分分析 由图4可以看出,叶片精油中挥发性成分较少,色谱峰主要集中在5～19 min。在叶片精油中共鉴定出41种挥发性物质,主要成分有顺式木罗拉-3,5-二烯(17.59%)、β-石竹烯(12.09%)、异来烯(10.91%)、2-对硝基苯基-恶二唑-1,3,4-酮-5(8.57%)、反式佛手柑(3.83%)、1-异丙基-4,7-二甲基六氢萘(3.82%)、古芸烯(3.17%)、五氯乙烷(2.34%)、壬烷(2.56%)等。主要类别包括萜烯类、酮类、芳香族、酯类、烷烃类等。主要类别以及各类代表物质为:萜烯类化合物(59.86%)共有12种,主要成分为顺式木罗拉-3,5-二烯、β-石竹烯、异来烯、古芸烯、大牛儿烯D、β-波旁烯等;烷烃类化合物(7.24%)共有4种,主要成分为壬烷、五氯乙烷、1-氨基丁烷等;芳香族化合物(8.77%)共有6种,主要成分为1-异丙基-4,7-二甲基六氢萘、八氢-环丙萘、1-(2-羟基-4,5-二甲氧基苯基)-3-甲基等;酮类化合物(8.97%)共有2种,主要成分为2-对硝基苯基-恶二唑-1,3,4-酮-5、5,5-二氯-6,6-二甲基,螺环-己烷-4-酮等;酯类化合物(8.60%)共有8种,主要成分为反式佛手柑、三甲基-1,5-二烯-4-基乙酸酯、异亚硝基丙二酸二乙酯等;醇类化合物(1.50%)共有2种,主要成分为2-氨基-1-苯基乙醇、3-丁炔-1-醇;除此之外还有化合物如酰胺咪嗪(0.97%)、2-苯乙胺(0.65%)、1,11-十一碳胺(0.50%)等。

图4 金丝桃叶片精油总离子图Fig.4 Total ionchromatogram of essential oil from H. monogynum leaf

2.3 金丝桃精油成分比较分析

通过气相色谱-质谱(GC-MS)对金丝桃花朵、花苞、叶片精油的香气成分进行分析,并利用质谱库NIST14对提取精油的化学成分进行分析鉴定。获得金丝桃花朵、花苞、叶片精油中香气成分数据后进行主成分分析(图5)。选取30种含量较多(>2%)的化合物从金丝桃不同花期、不同部位提取精油进行分析比较(表2)。

图5 金丝桃精油主成分分析Fig.5 Principal component analysis of essential oil from H. monogynum

表2 金丝桃精油比较分析结果

2.3.1 主成分分析 由图5可知,本次主成分分析共提取2个主成分(PC1和PC2),PC1和PC2的方差解释率分别是60.3%和33.1%,累计方差解释率为93.4%,说明这2个主成分能够表达分析项93.4%的信息量,分析效果较好。花苞与花朵的向量夹角较小,叶片与花苞和花朵的向量夹角较大。说明花苞与花朵之间差异较小,花(花苞和花朵)与叶之间差异较大。萜烯类置信区间面积最大,烷烃类次之,这与图1的结果一致。此外叶片、花苞、花朵向量上的代表挥发物与2.2节结果一致。

2.3.2 不同花期精油化学成分分析 由表2可知,不同花期得到的金丝桃精油成分类别差异相对较小,均以萜烯类化合物为第一大类,第二大类为烷烃类化合物。主要挥发性物质为壬烷、β-蒎烯、α-姜黄烯、蒎烯、β-石竹烯、香橙烯等,且在花苞精油中的相对含量略高于花朵精油。由色谱图可以看出,相比于花朵精油,花苞精油中挥发性成分较多,花朵精油中的挥发性成分较少,二者的相同化学成分相对含量差异性较小。花苞精油中萜烯类(52.96%)、烃类(22.22%)、芳香族(7.02%)均高于花朵精油中萜烯类(46.61%)、烃类(19.13%)、芳香族(6.61%);而花苞精油中醇类(9.62%)、酮类(3.89%)、酯类(2.63%)均低于花朵精油中醇类(12.95%)、酮类(4.34%)、酯类(3.74%)。

2.3.3 不同部位精油化学成分分析 由表2可知,不同部位得到的金丝桃精油成分种类差异相对较大。虽然均以萜烯类化合物为主,花朵精油中检测出的挥发性成分种类较多,叶片精油中的挥发性成分较少。此外,花朵和叶片中检测出的相同物质的相对含量差异也较大。如壬烷在花朵精油中相对含量为15.09%,在叶片精油中为2.56%。β-石竹烯在花朵精油中相对含量为2.48%,在叶片精油中为12.09%。叶片精油中萜烯类(59.86%)、酮类(8.97%)、芳香族(8.77%)所占比重较大,高于花朵精油中萜烯类(46.61%)、酮类(4.34%)、芳香族(6.61%);叶片精油中烷烃类(7.24%)、醇类(1.5%)低于花朵精油中烷烃类(19.13%)、醇类(12.95%)。

3 结论与讨论

邵菲等[17]、李杰等[18]对墨兰花的花朵精油的成分进行了GC-MS分析,发现其花蕾期精油主要成分为棕榈酸、亚油酸等,而盛花期萜烯类、酮类占比急剧增加,表明萜烯类、酮类可能对其花香有重要作用。本研究中发现金丝桃花朵中萜烯类占比极高,是金丝桃精油的主要来源。此外,白艳荣等[19]对四照花花朵的挥发性物质进行了GC-MS分析,发现其中不仅萜烯类占比很高,烷烃类也有很高比例,表明烷烃类可能也是很多花朵的重要组分。本试验结果发现壬烷(15.09%)是金丝桃花朵精油中含量最高的挥发性成分。在桂花、杜鹃花等其它多种香花植物花朵中也发现了高含量的壬烷[20-23]。进一步表明壬烷等烷烃类物质对花香的重要性。

此外,花苞精油中检测到较高水平的γ-紫罗兰烯(5.87%),该物质在花朵精油中则没有检测到。γ-紫罗兰烯是紫罗兰酮的一种衍生物,紫罗兰酮及其衍生物通常具有紫罗兰的香气,是桂花、茶叶等多种植物中重要的赋香物质[24-26],可见在金丝桃花苞中,γ-紫罗兰烯可能是重要的香气物质。值得注意的是,在花朵精油和花苞精油中均检测到了很高比例的蒎烯及其衍生物,而在叶片中则没有检测到。蒎烯及其衍生物在茉莉、番荔枝等多种植物的鲜花挥发性成分中均具有很高比例,是重要的香味物质[27-28]。蒎烯及其衍生物对金丝桃鲜花的香气具有重要贡献。本研究通过对金丝桃花苞、花朵、叶片提取精油的香气成分进行分析,为今后金丝桃在食品、药品、园林绿化等多个领域的应用提供了重要的理论依据。精油含量与植物样品特性、提取方法、仪器等都有关系,需要设计试验进行验证,后续可以在本试验基础上进一步研究影响精油得率的原因。

采用水蒸气蒸馏法提取金丝桃精油,工艺条件为蒸馏时间6 h,该条件下不同精油得率比较结果为花苞精油>花朵精油>叶片精油,并用气相色谱-质谱(GC-MS)鉴定其香气成分及相对含量。主成分分析表明,萜烯类物质是花苞、花朵、叶片精油中的第一大类主要成分。金丝桃花苞精油中共鉴定出110种挥发性物质,其中占比较多的为萜烯类(52.96%)、烷烃类(22.22%)、醇类(9.62%)。代表成分有壬烷(17.04%)、β-蒎烯(10.80%)、γ-紫罗兰烯(5.87%)、姜黄烯(5.86%)等物质;金丝桃花朵精油中共鉴定出74种挥发性物质,其中占比较多的为萜烯类(46.61%)、烷烃类(19.13%)、醇类(12.95%)。代表成分有壬烷(15.09%)、β-蒎烯(7.18%)、α-可帕烯(6.56%)、去氢白菖烯(5.42%)等物质;在金丝桃叶片精油中共鉴定出41种挥发性物质,其中占比较多的为萜烯类(59.86%)、酮类(8.97%)、芳香族(8.77%)。代表成分有顺式木罗拉-3,5-二烯(17.59%)、β-石竹烯(12.09%)、异来烯(10.91%)、2-对硝基苯基-恶二唑-1,3,4-酮-5(8.57%)等物质。不同花期分析结果表明,花苞与花朵精油中成分类别差异相对较小,且花苞精油中代表挥发物如壬烷、β-蒎烯等物质相对含量略高于花朵精油。不同部位分析结果表明,花朵与叶片精油中成分类别差异相对较大,叶片精油中代表挥发物如β-石竹烯、异来烯等物质显著高于花朵精油。