存储5年的姜科药材傅里叶变换红外光谱分析

2023-10-27刘艳尹德都潘宏源司民真

光散射学报 2023年3期

刘艳,尹德都,潘宏源,司民真

1.楚雄师范学院光谱应用技术研究所,云南省高校分子光谱重点实验室,楚雄 675000

0 引言

姜科草本植物是我国重要的中药材之一,主要分为姜属、姜花属、山姜属、姜黄属、豆蔻属等。姜科味辛、性温热,主归脾、胃经,主要功效为祛风除湿、止呕止泻、活血止痛,临床上用于脾胃寒凝、食积诸证[1]。其中山姜属中好几种药材已被收录于《中国药典》,如红豆蔻、草豆蔻等。本课题组之前利用光谱法研究过姜科植物的亲缘关系、鉴别分类、挥发物分析、精油细胞分析等[2-6],为今后对姜科植物研究奠定了基础。自2020年疫情爆发以来,全民抗疫、城市封控、道路受阻、市场关闭,中药材流通在一定程度上也受到了阻碍,在疫情市场流通不可预期的情况下,积压滞销的药材也只能长期存放,即使存放方式、地点等规范严谨,但是时长也有可能会造成药材品质的下降[7]。经济的损失让一些不良商家继续销售此部分药材,由于色泽、气味很难凭经验分辨,一旦流入市场,药效得不到保证,群众安全得不到保障。因此,对长期积压的药材进行品质分析以及优劣鉴别是很有必要的。查阅相关文献,由于傅里叶变换红外光谱技术具有不损坏样品、灵敏度高、特征性强的优点,已被应用于药材间的分类鉴别、质量分析、产地溯源等[8-10],其中近几年对姜科药材的研究主要有药理分析和DNA鉴定等[11-13],对于姜科药材的存放时长对品质和药效的影响并未见报道。本研究采用红外光谱技术对存放5年之久的3属22种姜科药材进行光谱研究,以期为姜科药材存放时间长的品质分析提供参考。

1 实验部分

1.1 实验仪器

红外光谱仪为Thermo Scientific NicoletTMiSTM5 spectrometer傅里叶变换红外光谱仪,扫描范围4000～400 cm-1,分辨率4 cm-1,扫描次数16次。

1.2 样品来源、制备、检测及数据处理

本实验材料均采自于西双版纳。取同一时期22种药材的根来进行测试。新鲜样品清洗后晾干,经粉碎后过100目筛,取适量粉末进行研磨,用电子天平称取1 mg的粉末样品和100 mg的溴化钾,按1∶100的比例混合后搅磨均匀,压片测红外光谱(5年前的光谱数据)。剩余粉末用密封袋封存,存放地点保持干燥,气温24 ℃,存放时长为5年,用同样的方法测5年后的光谱,同一种植物测10个光谱,用来计算平均光谱。光谱均扣除溴化钾背景。

表1 姜科植物的样品名称及族属关系

2 结果与分析

2.1 谱图解析

图1、图2、图3分别是山姜属、姜属、姜花属中具有代表性的三种药材5年前后的对比红外谱图。从图中可见,同属同种药材5年前后的图谱整体相似。为了便于比较分析,我将三属中代表药材的谱峰归结于表2。对于谱峰的归属,沿用本课题组之前的研究,由图1、图2、图3、表2结合参考文献[2-4]对谱带进行归属分析:在3000～2800 cm-1范围内为CH2伸缩振动,归属为挥发油类。1736 cm-1处为C=O的伸缩振动峰,1635 cm-1为N-H的弯曲振动,归属为蛋白质的酰胺Ⅰ带,1516 cm-1附近的峰归为酰胺Ⅱ带吸收峰,1456 cm-1附近的吸收峰CH2弯曲振动模式。1425～1300 cm-1波段的吸收峰是烷烃类或糖类C-H键的振动吸收,其中,1384和1370 cm-1为含异丙基和叔丁基化合物的CH3对称变角振动分裂的两个谱带的频率[16]。1300～1200 cm-1范围的峰为C-O和C-N的伸缩振动,其中1245 cm-1对应的是酰胺Ⅲ带特征吸收。1200～1000 cm-1范围归属为糖类物质的贡献,其中1155 cm-1为糖类C-O单键伸缩振动,1103 cm-1为糖类O-H变角振动,1068、1045 cm-1为糖类C-O伸缩振动。900～700 cm-1波段主要包含C-O、C-N、C-C的伸缩(弯曲)振动吸收峰。经以上分析可得,姜科药材存储5年之后,所包含的化学成分基本没有变,有挥发油、糖类、氨基酸等化合物,这和之前的研究结论一致[3-4]。

图1 山姜属三种代表药材5年前后的红外谱图 a:5年后的云南草蔻;A:5年前的云南草蔻;b:5年后的宽唇山姜;B:5年前的宽唇山姜;c:5年后的黑果山姜;C:5年前的黑果山姜

图2 姜属三种代表药材5年前后的红外谱图 D:5年前的紫色姜;d:5年后的紫色姜;E:5年前的柱根姜;e:5年后的柱根姜;F:5年前的圆瓣姜;f:5年后的圆瓣姜

图3 姜花属三种代表药材5年前后的红外谱图 G:5年前的红姜花;g:5年后的红姜花;H:5年前的普洱姜花;h:5年后的普洱姜花;J:5年前的肉红姜花;j:5年后的肉红姜花

表2 三属姜科药材中的主要吸收峰

图1、图2、图3中,可看到1400～1300 cm-1范围内的峰强和峰形有差异,对此范围进行谱图局部放大处理,可发现:1、山姜属、姜属、姜花属9种代表药材中,1384 cm-1的峰强差异明显,5年后较弱。同时5年后的药材均出现了1370 cm-1的峰,这可能是由于随着存储时间的变化,含异丙基和叔丁基化合物的含量及化合物内部结构发生变化所造成的[7]。1400 cm-1处的峰位发生移动,5年后分别为1400±20 cm-1,1400～1420 cm-1处为烯烃端基上的=CH2变角振动,结合文章[2,5,6],可推测出挥发油中的药效成分肉桂酸甲酯或1,8桉叶油素等化合物的内部结构发生变化或者有新化合物产生,具体结果还需进一步研究。2、1384 cm-1的峰强,可以将5年前后的姜科药材区分开,峰强较弱的为5年后药材,峰强较强的为5年前药材。

表3 22种姜科药材表征挥发油和糖类相对含量的相对吸收峰强比值

选取1157 cm-1、1105 cm-1、1074 cm-1吸收峰结合相对吸收峰强比A1157/A3418、A1105/A3418、A1074/A3418来定量分析糖类化合物的相对含量,如表3。结果为,5年后的数据较5年前相比,均增大,说明随储存时间变化,糖类在增多。

2.2 1300～1500 cm-1二阶导数和曲线拟合分析

为了更深入的对比分析存储时长不同的药材成分变化,将1300～1500 cm-1范围进行二阶导数处理,如图4、图5、图6所示,山姜属、姜属、姜花属9种代表药材,此范围峰1384 cm-1峰强明显不同,较5年前,峰强明显减弱,这和原始谱图反馈的信息相一致,再次推断,含异丙基和叔丁基化合物的含量可能随着存储时间增长而减少。

图4 山姜属三种代表药材1300～1500 cm-1 5年前后的二阶导数谱图 a:5年后的云南草蔻;A:5年前的云南草蔻;b:5年后的宽唇山姜;B:5年前的宽唇山姜;c:5年后的黑果山姜;C:5年前的黑果山姜

图5 姜属三种代表药材1300～1500cm-1 5年前后的二阶导数谱图 D:5年前的紫色姜;d:5年后的紫色姜;E:5年前的柱根姜;e:5年后的柱根姜;F:5年前的圆瓣姜;f:5年后的圆瓣姜

图6 姜花属三种代表药材1300～1500 cm-1 5年前后的二阶导数谱图 G:5年前的红姜花;g:5年后的红姜花;H:5年前的普洱姜花;h:5年后的普洱姜花;J:5年前的肉红姜花;j:5年后的肉红姜花

为了进一步研究化合物含量的变化,利用二阶导数结合曲线拟合对化合物进行定量分析是应用较多的方法之一[14]。用二阶导数光谱确定所选范围重叠峰的位置和个数,再用曲线拟合对所选范围的原始红外光谱进行拟合,用拟合吸收峰的面积来表征化合物含量[14]。姜科药材1380～1390 cm-1和1060～1170 cm-1的拟合结果如表4、表5。从表4中可以得出:1384±2 cm-1的峰面积,5年前的指数均为10-2,而5年后仅有10-3,峰面积差距表明:含异丙基和叔丁基化合物的含量随着储藏时间的变化而流失严重。挥发油类化合物有很多成分,含异丙基和叔丁基的化合物成分归属于挥发油大类,这和[17]的研究结果相吻合,随着储藏时间的变化,挥发油成分会流失,再一次证明挥发油含量减少,这也解释了气味变淡的原因。

表4 三属姜科药材在1380～1390 cm-1范围内拟合峰面积情况

表5 三属姜科药材在1060～1170 cm-1范围内拟合峰面积情况

2.3 1060～1170 cm-1二阶导数和曲线拟合分析

1060～1170 cm-1归属于糖类,经过二阶导数处理,如图7、图8、图9,此范围峰确定4个波数归属糖类的特征峰:1155±4 cm-1,1075±5 cm-1,1127±2,1107±2 cm-1。从图7中可以看到,1128 cm-1处的峰强有差异,山姜属中3种代表药材5年后的峰强普遍较弱;图8、图9中姜属、姜花属药材1128 cm-1在5年后向低波数移动,为1126 cm-1,1123 cm-1,1122 cm-1,均有红移现象,且峰强较弱。除此峰外,另外3个波数在图谱中变化不太明显。根据差异,可以推断出:随着储存时间的变化,糖类含量及内部结构可能发生变化。将此范围进行拟合,拟合结果如表5。从表5中可以看到:(1)1127±2 cm-1有部分药材在5年后的峰拟合中没有拟合出来,因为二阶导数分峰时,此峰太弱而没有表现出来或者直接消失,原因可能是因为糖单元以及糖苷键类型和振动方式逐渐趋于单一化、简单化[15]。如:山姜属中的黑果山姜、节鞭山姜、美山姜、长柄山姜;姜属中的红球姜、黄斑姜、勐海姜、弯管姜、圆瓣姜、紫色姜;姜花属中的白姜花、普洱姜花、肉红姜花、小毛姜花。(2)单糖特征峰1107±2 cm-1的峰面积,5年后的值较5年前的大,如红豆蔻A(5年前)0.084