基于氣相離子遷移譜的檳榔炒制過程中揮發(fā)性成分的變化研究

李長庚 李俊賢 潘少斌 劉雙 孔娜 董紅敬

摘要：分析檳榔炒制過程中揮發(fā)性成分的變化規(guī)律，為生檳榔和炒檳榔的質(zhì)量控制提供參考。采用氣相離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）分析不同炒制時(shí)間檳榔中揮發(fā)性成分的含量變化，采用化學(xué)計(jì)量學(xué)篩選差異成分。從檳榔中共鑒定出31種揮發(fā)性成分，包括醛類、酯類、有機(jī)酸類和酮類等；檳榔炒制后揮發(fā)性成分發(fā)生了顯著變化；化學(xué)計(jì)量學(xué)結(jié)果表明，二甲基三硫、異戊醛、乙酸乙酯等成分的含量變化顯著?；贕C-IMS和化學(xué)計(jì)量學(xué)可以較好地描述檳榔炒制過程中揮發(fā)性成分的變化趨勢，并為不同炒制時(shí)間檳榔的鑒別及其質(zhì)量控制提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：檳榔；炒制；氣相離子遷移譜；揮發(fā)性成分

中圖分類號(hào)：R285?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)：1002-4026（2023）06-0015-07

The change in volatile compounds of Arecae Semen during stir-frying process

based on gas chromatography-ion mobility spectrometry

LI Changgeng1，2a，2b， LI Junxian1， PAN Shaobin1， LIU Shuang2a，2b， KONG Na1，2a，2b， DONG Hongjing2a，2b*

（1. School of Pharmacy， Shandong University of Traditional Chinese Medicine，Jinan 250300，China;

2. a. Shandong Analysis and Test Center；b. School of Pharmaceutical Sciences， Qilu University

of Technology （Shandong Academy of Science），Jinan 250014，China）

Abstract∶Analysis of changes in volatile components during the stir-frying process of Arecae Semen can provide references for quality control of raw and stir-fried Arecae Semen. The content of volatile components in Arecae Semen at different stir-frying times was analyzed via gas chromatography-ion mobility spectrometry （GC-IMS）， and chemometrics was applied to screen differential components. Thirty-one volatile components were identified in the Arecae Semen， including aldehydes， esters， organic acids， and ketones. The level of volatile components significantly changed after stir-frying. The results of chemometrics showed that the changes in the level of dimethyl trisulfide， isovaleraldehyde， and ethyl acetate were significant. Based on GC-IMS and chemometrics， the changes in volatile components during the stir-frying process of Arecae Semen were well described， and provided a basis for identification and quality control of Arecae Semen stir-fried for different times.

Key words∶Arecae Semen; stir-fried; gas chromatography-ion mobility spectrometry; volatile component

檳榔為棕櫚科植物檳榔Areca catechu L.的干燥成熟種子，具有殺蟲消積、降氣、行水、截瘧的功效［1-2］。檳榔有生、熟之分，其炮制品主要包括檳榔片（生片）、炒檳榔、焦檳榔、檳榔炭，在臨床使用時(shí)，普遍以“急治生用，緩治略炒”的原則［3］。炒制是中藥最常用的炮制方法之一，蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)道理。以往涉及檳榔中揮發(fā)性成分的研究，僅僅使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)進(jìn)行分析，如周大鵬等［4］采用頂空固相微萃取和氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)從檳榔發(fā)黃果種子及青果種子中共鑒定出22種揮發(fā)性成分；楊學(xué)雨等［5］采用頂空固相微萃取氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)在香料檳榔片成分檢測中鑒別出29種揮發(fā)性成分。目前，關(guān)于檳榔炒制過程中揮發(fā)性成分的變化規(guī)律研究尚未見報(bào)道。

氣相離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry ，GC-IMS）是一種基于氣相色譜和離子遷移譜聯(lián)用的技術(shù)，具有靈敏度高、譜圖直觀可視化和區(qū)分能力強(qiáng)等優(yōu)勢，更適合對含有揮發(fā)性成分的樣品進(jìn)行區(qū)分性地分析［6-7］。為了研究檳榔炒制過程中揮發(fā)性成分的變化，分別制備了不同炒制時(shí)間的檳榔樣品，采用GC-IMS分析其揮發(fā)性成分的變化趨勢并對不同炒制時(shí)間的樣品進(jìn)行區(qū)分，通過多元數(shù)據(jù)分析探討檳榔炒制過程中含量變化顯著的成分［8-9］，旨在為檳榔的揮發(fā)性成分研究提供參考，同時(shí)為炒檳榔的質(zhì)量控制提供理論據(jù)。

1 材料與儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

Flavour Spec氣相離子遷移譜聯(lián)用儀（德國GAS公司），CPA225D型十萬分之一電子分析天平（德國Sartorius公司），F(xiàn)W100型高速萬能粉碎機(jī)（天津市泰斯特儀器有限公司），NH310型色差計(jì)（深圳市三恩馳科技有限公司），JYL-C21T型料理機(jī)（九陽股份有限公司）。

檳榔飲片購于山東百味堂中藥飲片有限公司，經(jīng)齊魯工業(yè)大學(xué)（山東科學(xué)院）山東省分析測試中心董紅敬副研究員鑒定為棕櫚科植物檳榔Areca catechu L.的干燥成熟種子。

1.2 不同炒制時(shí)間樣品的制備

根據(jù)《中國藥典》（2020版）的規(guī)定［10］，首先將洗凈干燥的河砂放入炒藥鍋中，武火加熱至滑利狀態(tài)。將檳榔飲片（160 g）放入盛有預(yù)熱河砂的鍋中，待檳榔飲片均勻分布在砂子中后開始計(jì)時(shí)，于0、20、30、40、50、60、70 min取樣，每組20 g共8組，篩去河砂后放置，待冷卻到室溫分別將8組樣品粉碎，后過20目篩，得到檳榔粉末備用。將樣品和樣品粉末分別進(jìn)行拍照記錄。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 色差數(shù)據(jù)采集

使用色差儀對檳榔粉末的色度進(jìn)行測定，色差計(jì)測定條件為光源D65， 標(biāo)準(zhǔn)觀察角10°， 照明口徑8 mm。取各樣品粉末適量置于培養(yǎng)皿中，壓制平整，色差檢測前需要進(jìn)行白板矯正。每個(gè)樣品重復(fù)測量3次，取平均值，得粉末色度數(shù)據(jù)。測量包括L*值、a*值、b*值，其中，L*表示明暗度（黑白），其值越大，顏色越亮（白）；a*表示紅綠色，其值越大，顏色越偏紅色；b*表示黃藍(lán)色，其值越大，顏色越偏黃色［11-12］。 E*的計(jì)算公式如下：

E*= （L*-L）2+（a*-a）2+（b*-b）2，（1）

式中，E*表示整體色差，L、a和b為白板的測量值。

2.2 GC-IMS分析

2.2.1 樣品制備

將炒制不同時(shí)間的檳榔粉末準(zhǔn)確稱取500 mg于頂空進(jìn)樣瓶中，每個(gè)樣品平行測定3次。

2.2.2 GC-IMS條件

頂空孵育溫度80 ℃，孵育時(shí)間15 min，孵育轉(zhuǎn)速500 r/min，進(jìn)樣針溫度85 ℃，進(jìn)樣體積150 μL。色譜柱（FS-SE-54-CB-1，15 m×0.53 mm×1 μm，德國GAS）;柱溫45 ℃；載氣/漂移氣為高純氮?dú)猓ㄙ|(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.999%）；IMS探測器溫度45 ℃；漂移氣體積流量為150 mL/min；氣相載氣體積流量設(shè)置為初始體積流量為2 mL/min，維持2 min；然后23 min內(nèi)線性升至100 mL/min；再10 min內(nèi)線性升至150 mL/min，維持5 min；梯度洗脫時(shí)間共40 min。

2.3 數(shù)據(jù)處理

檳榔中揮發(fā)性成分采用GC×IMS Library Search軟件中內(nèi)置NIST氣相保留指數(shù)數(shù)據(jù)庫與IMS遷移時(shí)間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行定性分析，通過Reporter插件和Gallery Plot插件生成所測樣品的差異圖譜和指紋圖譜，采用

SIMCA 13.0軟件對檳榔樣品圖譜的揮發(fā)性成分進(jìn)行主成分分析和偏最小二乘判別分析 ［13-14］。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同炒制時(shí)間檳榔外觀形態(tài)變化

如圖1所示，隨著炒制時(shí)間的延長，檳榔飲片外觀、氣味等發(fā)生顯著變化，檳榔樣品的顏色由生檳榔的淡黃棕色變?yōu)楹稚?，隨著炒制程度加深又變?yōu)楹诤稚环勰┯傻S色逐漸變?yōu)榧t褐色；檳榔因炒制逐漸產(chǎn)生香氣，炒制時(shí)間延長焦香味加深［15］。從表1中可以看出，隨著炒制時(shí)間的延長，L*、a*、b*值均變小，E*值逐漸升高且60 min與70 min時(shí)E*值較相似，結(jié)合圖1可以明顯看出，隨著炒制時(shí)間的延長，E*值越大，樣品粉末顏色與生檳榔粉末顏色差異越明顯［16］。

3.2 檳榔中揮發(fā)性成分定性分析

基于揮發(fā)性成分的氣相保留時(shí)間和離子遷移時(shí)間，共鑒定出31個(gè)揮發(fā)性成分，主要揮發(fā)性成分見表2（全表見OSID科學(xué)數(shù)據(jù)與內(nèi)容附表1），包括5個(gè)酯類化合物、6個(gè)醛類化合物、4個(gè)雜環(huán)類化合物、5個(gè)有機(jī)酸類化合物、1個(gè)酚類化合物、4個(gè)烴類化合物、3個(gè)酮類化合物、3個(gè)醇類化合物。

3.3 檳榔不同炒制時(shí)間的GC-IMS指紋圖譜

為了研究檳榔飲片在炒制過程中揮發(fā)性成分的變化趨勢，采用Gallery Plot插件生成了不同炒制時(shí)間的檳榔揮發(fā)性成分的GC-IMS指紋圖譜（圖2），橫坐標(biāo)代表揮發(fā)性成分，縱坐標(biāo)代表樣品名稱，顏色越深表示成分含量越高。如圖2所示，檳榔中揮發(fā)性成分呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，將檳榔樣品的指紋圖譜劃分成5個(gè)區(qū)域。如區(qū)域A和B所示，未炒制的檳榔中具有9個(gè)代表性成分，主要包括3個(gè)有機(jī)酸類化合物（如異丁酸、正己酸和正戊酸）、2個(gè)醛類化合物（如正辛醛和2-辛醇）和3個(gè)酯類化合物（如γ-丁內(nèi)酯、異戊酸甲酯和乙酸甲酯）等；隨著炒制時(shí)間的延長，這些成分的含量顯著降低，醛類化合物含量的降低可能是美拉德反應(yīng)中醛氨聚合和醇醛縮合所致［17］。如區(qū)域C所示，這些成分的含量變化不顯著，對不同炒制時(shí)間檳榔樣品的區(qū)分貢獻(xiàn)程度小。如區(qū)域D和E所示，炒制后7個(gè)化學(xué)成分的含量顯著升高，主要包括1個(gè)醛類化合物（如異戊醛）、1個(gè)有機(jī)酸類化合物（如丙酸）和1個(gè)酮類化合物（如2-庚酮）等。有機(jī)酸類化合物含量的增加可以歸因于炒制過程中醇類化合物的氧化反應(yīng)。酮類化合物含量的增加可能是糖類化合物在沒有氨基化合物存在的情況下而發(fā)生脫水與降解而裂解成醛、酮［18］。

3.4 不同炒制時(shí)間檳榔的揮發(fā)性成分差異分析

采用SIMCA軟件對不同炒制時(shí)間的樣品進(jìn)行主成分分析，當(dāng)主成分?jǐn)?shù)為13時(shí)，模型的R2和Q2分別為0.995和0.716，表明模型的擬合能力優(yōu)秀且預(yù)測能力良好。如圖3所示，不同炒制時(shí)間的檳榔可以被有效地區(qū)分為3部分，BL-1組與其他組的距離較遠(yuǎn)，表明生檳榔與炒檳榔存在顯著性差異。然而，BL-2組、BL-3組、BL-4組和BL-5組的距離較近，表明4個(gè)組的成分差異較小，這與指紋圖譜的結(jié)果一致，推測該4個(gè)組可能是檳榔炒制過程中的產(chǎn)品，而非炒檳榔產(chǎn)品。BL-6組、BL-7組和BL-8組可以聚為一部分，表明3個(gè)組的揮發(fā)性成分差異較小，而BL-7組和BL-8組的距離相對較近，表明BL-7組和BL-8組的揮發(fā)性成分更相似，且與BL-6組存在差異，這與指紋圖譜的結(jié)果一致，這是2-乙?；?1-吡咯啉、異戊醛和二甲基三硫等揮發(fā)性成分的含量差異所致。

基于炒制過程中揮發(fā)性成分的含量變化，采用偏最小二乘判別分析篩選炒制過程中變化顯著的揮發(fā)性成分，模型的R2和Q2分別為0.983和0.635，表明模型的擬合能力優(yōu)秀且預(yù)測能力良好，如圖4所示。以P<0.05和變量重要性投影（variable importance in the projection， VIP）>1為篩選條件，篩選出10個(gè)揮發(fā)性成分，表明這些成分在炒制過程中含量變化顯著，主要包括4個(gè)醛類化合物（3-甲硫基丙醛、糠醛、異戊醛、異戊醛）、2個(gè)雜環(huán)類化合物（2-甲氧基吡嗪、2-乙?；?1-吡咯啉）和1個(gè)酮類化合物（2-庚酮）等。

4 結(jié)論

本研究采用GC-IMS技術(shù)研究檳榔炒制過程中揮發(fā)性成分的變化趨勢，共鑒別出檳榔的31種揮發(fā)性成分，包括5個(gè)酯類化合物、6個(gè)醛類化合物、4個(gè)雜環(huán)類化合物、5個(gè)有機(jī)酸類化合物、1個(gè)酚類化合物、4個(gè)烴類化合物、3個(gè)酮類化合物和3個(gè)醇類化合物。通過GC-IMS可以將不同炒制時(shí)間的檳榔樣品有效地區(qū)分。同時(shí)，炒制過程伴隨著有機(jī)酸類、醛類和酯類化合物含量的降低以及新的醛類、有機(jī)酸類和酮類化合物含量的升高。通過偏最小二乘判別分析篩選出糠醛、2-甲氧基吡嗪和2-庚酮等含量變化顯著的揮發(fā)性成分。綜合考慮外觀、氣味及揮發(fā)性成分的變化，檳榔的炒制時(shí)間應(yīng)控制在60 min為宜?；贕C-IMS及多元數(shù)據(jù)分析探討檳榔炒制過程中揮發(fā)性成分的輪廓變化，可以為生檳榔和炒檳榔的質(zhì)量控制提供參考。

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