5種藥食兼用菊花揮發性有機物的HS-GC-IMS與指紋圖譜

丁云龍 王浩東,2 唐國瑋 田 星,3

(1. 湖南中醫藥大學藥學院，湖南 長沙 410208；2. 湖南口味王集團有限責任公司，湖南 益陽 413056；3. 湖南省康德佳林業科技有限責任公司，湖南 永州 425600)

菊花(ChrysanthemummorifoliumRamat.)是一種傳統的藥食同源植物，有著悠久的食用歷史，含有豐富的維生素、礦物質及微量元素。目前，市場上的菊花加工產品種類繁多(如菊花茶餅、菊花醬、菊花釀、菊花茶等)，但關于菊花的研究主要集中在藥用菊花生物活性、營養繁殖和栽培技術等方面，而對于食用菊花的風味品質研究則鮮有報道[1-2]。

目前，揮發性風味成分檢測的技術主要有固相微萃取—氣相色譜—質譜(SPME-GC-MS)[3]、電子鼻和聯用技術[3-4]、全二維氣相色譜—質譜技術(GC×GC/TOFMS)[5-6]、氣相色譜嗅聞分析(GC-O)[7-8]、高效液相色譜(HPLC)[9]以及頂空固相微萃取和氣相色譜—質譜聯用(HS-SPME/GC-MS)[10]等技術，但上述方法或存在氣體傳感器陣列漂移現象，或存在檢測靈敏度易受溫度、濕度、樣品性狀穩定性等外界環境因素影響，或存在前處理復雜及應對復雜樣品分析復雜、對未知成分無法較好地定性等問題[11-13]。

頂空氣相色譜—離子遷移譜(HS-GC-IMS)是一種基于氣相色譜法和離子遷移譜儀聯用的新技術，可以檢測未經預處理的液體或固體樣品中揮發性有機物的指紋，并能更全面地保留樣品的風味物質[14]。由于其具有靈敏度高、響應快、分析高效、樣品無需預處理以及操作簡便等特點，已被用于食品中揮發性化合物的檢測[15-16]，而在菊花揮發性成分分析中的應用較少，尤其是在對不同品種菊花揮發性成分的指紋圖譜分析中的應用方面尚未見報道。

研究擬以5種不同品種藥食兼用菊花(金絲皇菊、皇菊、杭白菊、亳菊、貢菊)為研究對象，采用HS-GC-IMS技術對菊花中復雜揮發性有機物進行采集和痕量分析，以期為菊花品種和產地鑒別、揮發性風味成分特性的研究和品質控制提供數據支持和理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

金絲皇菊、皇菊：湖南省康德佳林業科技有限公司；

杭白菊：杭州巨佳茶葉有限公司；

亳菊、貢菊：安徽常富國藥有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

頂空氣相色譜—離子遷移譜儀器：FlavourSpec?型，山東海能科學儀器有限公司；

分析天平：E02140型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品處理 取1 g樣品置于20 mL頂空瓶中，80 ℃ 孵育20 min后進樣。每個樣本進行3次平行測定。

1.2.2 HS-GC-IMS測定條件 參考梁天一等[17]的方法并稍作修改，采用頂空氣相色譜—離子遷移譜(HS-GC-IMS)對不同品種菊花中揮發性風味物質進行分析。色譜柱類型：MXT-5 (15 m×0.53 mm，1 μm)，分析時間30 min，色譜柱溫度60 ℃，載氣/漂移氣：N2(純度≥99.999%)。載氣流量：初始流量2.0 mL/min，20 min內線性升至100.0 mL/min，保持7 min，運行時間15 min。漂移氣流量150 mL/min，IMS溫度45 ℃。采用自動頂空進樣，其條件為：進樣體積200 μL，孵育時間20 min，孵育溫度80 ℃，進樣針溫度85 ℃，孵化轉速500 r/min。

1.2.3 數據處理 使用HS-GC-IMS儀器自帶的分析軟件VOCal分析譜圖，應用軟件內置的NIST 2014保留指數數據庫(美國國家標準與技術研究所)和IMS 2019數據庫(山東海能科學儀器有限公司)對5種菊花的特征揮發性風味物質進行定性分析。采用Reporter插件對5種菊花樣品的譜圖進行直接比對，分析品種間的差異性。運用Gallery Plot插件對5種菊花樣品的指紋圖譜進行對比，定量比較不同品種菊花之間的揮發性有機物差異。采用Dynamic PCA插件生成動態主成分分析圖和相似度分析圖，根據樣品相似度利用TBtools軟件得出關系矩陣，進行5種菊花樣品間的動態主成分分析和相似度分析以及快速區分種類。

2 結果與分析

2.1 揮發性有機物的HS-GC-IMS譜圖對比分析

如圖1所示，不同品種菊花的特征揮發性物質具有不同的HS-GC-IMS特征圖譜，其表現為在相同保留時間和漂移時間的情況下，揮發性有機物累積含量以及種類具有明顯差異，可以作為區分不同品種菊花指紋特征的依據。李冬玲[18]研究發現，菊花的種源或種是對其揮發性成分含量影響最大的因素。中國菊花品類多，分布廣，其生長的地域差異會帶來溫度、濕度、光照等外界生長環境的差異，從而影響菊花生長過程中的次生代謝反應以及其中小分子揮發性有機物的累計含量和組成，進而導致其品質、成分的差異[19]。因而可通過揮發性有機物的種類增減及含量識別不同品種的菊花。若要進一步對不同品種菊花的揮發性物質變化情況及其差異進行研究，還需對各品種菊花的指紋圖譜進行分析[20]。

圖1 5種菊花揮發性有機物的HS-GC-IMS定性分析

2.2 揮發性有機物的HS-GC-IMS定性分析

由圖1和表1可知，5種菊花中可識別出的揮發性物質共有87種(74種單體及部分物質的二聚體)，對87種物質進行分類，可分為10大類，其中酯類有22種(含4種二聚體)、醇類14種(含2種二聚體)、酮類8種、醛類17種(含4種二聚體)、羧酸類2種、醚類3種、呋喃類3種、噻唑類1種、吡嗪類1種、烯烴類16種(含3種二聚體)。

87種物質中，1,8-桉葉素、莰烯、α-蒎烯等物質在杭白菊和亳菊中含量較低，而在金絲皇菊、皇菊和貢菊中含量較高。其中屬于醇類的1,8-桉葉素，有類似樟腦氣味的特異芳香味，具有抗炎、抗菌殺菌、抗腫瘤等作用[21-22]，被廣泛應用于中藥制劑中[23]，同時也可作為食品添加劑使用。屬于烯烴類的莰烯具有抗氧化作用，α-蒎烯有顯著的松香味[1]，α-松油烯可用作橘子香精香料的調配[24]。

根據物質分類，對87種物質的峰體積數據進行歸類加和，得圖2。由于物質的峰體積與含量呈正比，因此峰體積值越大，物質的含量越高。根據圖2可知，貢菊中揮發性物質的總量明顯(P<0.05)高于其他4種菊花，主要是烯烴類物質明顯(P<0.05)高于其他4種菊花，這些物質的大量存在使得貢菊具有獨特濃郁的香氣。由此可知，5種菊花揮發性物質含量由高到低的順序為：貢菊、金絲皇菊、皇菊、亳菊和杭白菊。

圖2 5種菊花中各類揮發性物質峰體積數據柱狀圖

2.3 揮發性有機物的HS-GC-IMS指紋圖譜分析

為了進一步研究不同品種菊花揮發性有機物變化情況及其差異，基于HS-GC-IMS分析軟件中的Gallery Plot插件，利用5種菊花樣品的二維圖譜中的待分析峰生成指紋圖譜見圖3。由圖3及表1可知，5種菊花的特征性風味物質差異性較大。對于不同品種菊花的特征性風味物質進行區域劃分：A區域為金絲皇菊的特征峰區域，主要含有β-欖香烯、順式-石竹烯、肉桂酸乙酯等17種可檢出物質；B區域為皇菊的特征峰區域，主要含有α-松油醇、3-蒈烯、香茅醇等22種可檢出物質；C區域為貢菊的特征峰區域，主要含有α-水芹烯、1-辛烯-3-醇、乙偶姻等24種可檢出物質；D區域為亳菊的特征峰區域，主要含有2-蒈烯、檸檬烯、丁酸丙酯等25種可檢出物質；E區域為杭白菊的特征峰區域，與亳菊特征峰區域有很大的重合部分，主要含有乙酸丁酯、乙酸丙酯、檸檬烯等24種可檢出物質。菊花中主要存在的揮發性風味物質為烴類及其含氧衍生物(萜類化合物)，與周根等[25]、Yang等[26]的研究結果基本一致。

每一行代表一個樣品中選取的全部信號峰 每一列代表同一物質在不同樣品中的信號峰 1. 1-甲基-4-(1-甲基乙基)-1,4-環己二烯 2. 2-(4-甲基苯基)丙-2-醇 3. 2,5-二甲基呋喃 4. 2-乙酰基呋喃 5. 正戊酸 6. 4-甲基-1-戊醇 7. α,α-5-三甲基-5-乙烯基四氫化呋喃-2-甲醇 8. 3,7-二甲基-6-辛烯-1-醇 9. 1-丁醇 10. 異松油烯 11. 3,7,7-三甲基二環[4.1.0]庚-3-烯 12. 3,7-二甲基-1,3,6-辛三烯 13. 4-甲基-2-戊酮 14. 2-甲基丁酸乙酯 15. 乙酸戊酯 16. 苯乙酸乙酯 17. 3-苯丙酸乙酯(二聚體) 18. 3-苯丙酸乙酯(單體) 19. 異戊酸甲酯 20. 乙酸冰片酯 21. 2-(4-甲基-3-環己烯基)-2-丙醇 22. [1R-(1R*,4Z,9S*)]-4,11,11-三甲基-8-亞甲基-二環[7.2.0]4-十一烯(單體) 23. [1R-(1R*,4Z,9S*)]-4,11,11-三甲基-8-亞甲基-二環[7.2.0]4-十一烯(二聚體) 24. 2-乙基呋喃 25. 苯甲醛(二聚體) 26. 正庚醛 27. 乙醇(二聚體) 28. 甲醇 29. 2,4,5-三甲基噻唑 30. 乙酸乙酯 31. 乳酸乙酯 32. 異戊酸乙酯 33. β-欖香烯(二聚體) 34. β-欖香烯(單體) 35. 正丁酸 36. 環己酮 37. 肉桂酸乙酯 38. 2-環己烯-1-酮 39. 2-乙基吡嗪 40. 乙酸丙酯 41. 乙酸丁酯(二聚體) 42. 乙酸丁酯(單體) 43. 二甲基硫 44. 二丙硫醚 45. 2-甲基丙醛 46. 1,4-二氧己環 47. 甲基庚烯酮 48. 順式-2-己烯醛 49. 己醛(二聚體) 50. 己醛(單體) 51. 辛醛 52. 戊醛 53. 苯甲醛(單體) 54. 丁酸丙酯 55. 丙酸丁酯(單體) 56. 丙酸丁酯(二聚體) 57. 糠醛(單體) 58. 糠醛(二聚體) 59. 3-甲基丁醛 60. 乙醇(單體) 61. 丙酮 62. 雙戊烯 63. 2-蒈烯 64. 正己醇 65. (2E,4E)-2,4-辛二烯醛 66. 2-甲基丙醇 67. 反式-2-戊烯醛(單體) 68. 反式-2-戊烯醛(二聚體) 69. 反式-2-己烯醛 70. 2-丁酮 71. 三環萜 72. 檜烯(二聚體) 73. 檜烯(單體) 74. 2-蒎烯 75. 樟腦萜 76. 1,8-環氧對孟烷(二聚體) 77. 1,8-環氧對孟烷(單體) 78. 3-羥基-2-丁酮 79. 1-烯-3-辛醇 80. 2-庚酮 81. 2-癸烯醛 82. α-水芹烯 83. 2-環己烯-1-醇 84. 苯甲酸乙酯 85. 乙酸-3-甲基丁酯 86～118. NF(未檢出)

表1 5種菊花HS-GC-IMS圖譜部分揮發性物質定性結果

2.4 揮發性有機物的HS-GC-IMS動態主成分分析及相似度分析

為了更好地呈現和區分不同品種菊花的揮發性有機物的相關性，采用Dynamic PCA插件程序繪制主成分分析圖。由圖4可知，從菊花的揮發性成分差異上來看5種菊花樣品兩兩之間的相似度均基本低于70%，說明5種菊花之間的特征性的揮發性有機物有一定的差異，每個樣品均有其獨特的揮發性成分。同時，菊花品種間的差異以數據為基礎，PC1的貢獻率為43%，PC2的貢獻率為22%，兩者之和貢獻率達65%，說明這兩部分代表了樣品的絕大部分信息。5個品種的菊花樣本之間的距離較大，說明菊花的品種對于揮發性成分的影響較大，與Yang等[26]的結果，即不同品種菊花的揮發性成分分布具有顯著性差異保持一致。

圖4 5種菊花揮發性成分的主成分分析結果

3 結論

以5種不同品種的藥食兼用菊花(金絲皇菊、皇菊、杭白菊、亳菊、貢菊)為原料，基于頂空氣相色譜—離子遷移譜對不同品種菊花的揮發性風味成分進行了綜合分析，共檢測出87種揮發性有機物，綜合比對二維差異圖譜和指紋差異圖譜表明5種菊花的揮發性有機物累積含量和種類都有顯著性差異，采用動態主成分分析對各品種樣品進行分離，表明5種菊花之間的特征性風味物質有一定差異。

頂空氣相色譜—離子遷移譜可作為菊花揮發性成分分析的有效輔助技術，可通過指紋圖譜中特征成分的差異精確區分菊花的品種及地理來源差異，為菊花品種、產地鑒別提供理論依據和數據支持。