基于GC-MS的萊蕪大姜秸稈及水提液揮發性成分分析

張一鳴，呂緒強，趙 巖，和法濤，初 樂，葛邦國，高 玲

（中華全國供銷合作總社濟南果品研究所，山東 濟南 250014）

萊蕪大姜種植歷史悠久，具有個大皮薄、絲少肉細等多種優點，含有豐富的營養元素和揮發性功能成分，如姜烯、檸檬醛、姜醇等[1-2]。萊蕪大姜品種優勢顯著，隨著大姜產量逐年提高，姜秸稈處理已成為困擾當地姜產業發展的難題。大姜秸稈最常見的處理方式為晾曬還田或焚燒還田，采用這兩種方式處理的大姜秸稈占總量的60%以上，但這兩種處理方式均會造成環境污染。除此之外，制備牲畜飼料、發酵有機肥和制作工業建材也是姜秸稈的處理方式，但是由于姜秸稈適口性差、專用處理裝備缺失等原因，上述幾種姜秸稈加工方式處理量較小[3]。姜秸稈具有濃郁的特征風味，若能對其中的主要風味成分進行鑒定、分離及加工利用，將會為姜秸稈的加工處理帶來新思路[4]。

目前揮發性成分分析主要采用頂空固相微萃?。╤eadspace solid-phase micro-extraction，HS-SPME）技術和氣相色譜-質譜聯用技術（gas chromatograph mass spectrometer，GC-MS）。HS-SPME 可有效萃取待測樣品目標成分，提高樣品揮發性成分組成分析結果的真實性，提升后續數據分析效率。GC-MS 可實現揮發性物質的分離，結合質譜數據庫可實現物質的鑒定。

HS-SPME-GC-MS 技術聯用已廣泛應用于食品、藥品及化妝品的揮發性成分分析與檢測，具有成熟的檢測依據和良好的分析基礎[5-6]。已有研究藜麥秸稈、蘆葦秸稈等原料使用該法分析揮發性成分，但目前關于姜秸稈的揮發性成分分析尚未見報道[7-8]。本研究采用HS-SPME-GC-MS 首次對萊蕪地區大姜秸稈進行分析，確定其中有效成分，可為姜秸稈加工利用提供理論依據，為萊蕪地區姜秸稈處理提供新思路，助力地方農業環境保護，加快農業綠色低碳發展。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

姜秸稈，萊蕪大姜秸稈，收集于山東省濟南市萊蕪區農貿市場。

二烯丙基二硫醚、二烯丙基三硫醚標準品，色譜純級，美國Sigma 公司；乙腈，色譜純級，美國TEDIA 公司；其他化學試劑均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

XS 365M電子天平，瑞士普里賽斯儀器有限公司；9Z-0.4 斬草粉碎機，鄭州商戰機械設備有限公司；TRACE 1300-ISQ 氣相色譜-質譜聯用儀，美國Thermos公司；2695 型液相色譜儀，沃特世科技（上海）有限公司；頂空固相微萃取手動套裝，青島貞正分析儀器有限公司。

1.3 試驗條件

1.3.1 工藝流程

姜鮮秸稈→斬拌粉碎→清洗→提取→檢測。

1.3.2 水溶液浸提提取

將姜鮮秸稈用8 刀頭斬草粉碎機粉碎3 次，取一定量姜鮮秸稈置于燒杯中，按純水∶秸稈=10∶1（V∶V）加入一定量純水，在水浴鍋中設置溫度40 ℃提取30 min后，取出水提液，4000r/min 離心10min 后取上清液待測。

1.3.3 揮發性成分測定

參考畢德春[4]、張一鳴等[5]的方法。在破碎機中加入姜鮮秸稈或水提液樣品1 g、蒸餾水15 g、20%氯化鈉溶液2.4 g 和1%氟化鈉溶液1.6 g，打漿混勻后取5 g 溶液，加入32.88μg/mL的2-辛醇200μL作為內標物，置于20mL頂空瓶中，待測。

頂空固相微萃取：經老化處理后纖維萃取頭的萃取深度18 mm，萃取時間35 min，萃取溫度40 ℃，萃取時振搖；進樣深度35mm，脫附時間300s 后，進行GC-MS分析。

GC 條件：色譜柱選擇TG-WAX MS（30 mm×0.25 mm，0.25 μm），選擇氮氣為載氣，進樣溫度250 ℃；流速1.660 mL/min。

MS 條件：離子源溫度為250 ℃，電子轟擊離子源能量70 eV。掃描方式為全掃描，質量掃描范圍m/z50～500。

1.4 數據分析

揮發性成分數據通過GC/MS 工作站軟件Xcalibur自帶的NIST 標準庫自動檢索各組分質譜數據，結合質譜裂解規律確定其化學成分，僅對能予以定性的物質（SI和RSI值大于800）進行探討，定量方法采取峰面積歸一法計算各成分的相對含量。

2 結果與分析

2.1 姜秸稈GC-MS 分析結果

采用GC-MS 對姜秸稈成分進行檢測，得到的總離子流圖如圖1所示。根據NIST 質譜數據庫檢測分析并定性定量，共檢出80 種高于檢測限且RSI 值大于800 的成分，其名稱及含量見表1。

圖1 姜秸稈揮發性成分總離子流圖Fig.1 Total ion flow diagram of volatile components in ginger stalk

由表1 可知，姜秸稈共包含揮發性成分80 種，其中烯類33 種、醇類17 種、烷類9 種、酮類8 種、醛類5 種、酯類2 種、苯類2 種、其它成分4 種。得到鑒定的成分峰面積之和占色譜總峰面積的99.38%，含量最高的5 種成分依次為石竹烯、β-蒎烯、香葉醇、α-法尼烯、月桂烯，它們在總揮發性成分中的含量占比分別為34.49%、10.65%、5.30%、3.54%、3.08%，5 種成分總量占全部揮發性成分總量的57.06%。

表1 姜秸稈揮發性成分明細及含量Table 1 Details and content of volatile components in ginger straw

石竹烯是一類雙環倍半萜類化合物，天然存在于檸檬、園柚、肉豆蔻、胡椒、覆盆子、黑加侖、肉桂葉油、丁香葉油中，具有辛香、木香、柑橘香、樟腦香，溫和的丁香香氣，可作為香精香料化妝品的原料，同時具有局部麻醉、抗炎、驅蚊蟲、抗焦慮、抗抑郁等作用，存在一定的醫學研究價值[9]。β-蒎烯是重要的人工香料原料中間體，目前全世界每年所消耗的萜烯合成香料約有2 萬t，其中大部分中高檔合成香料，如松油烯、檸檬烯等是由β-蒎烯合成的[10]。香葉醇是玫瑰系香精的主要添加劑，也可作為增甜劑，具有抑制細胞氧化應激、減輕血管內皮炎癥反應，從而抗動脈粥樣硬化，調節血膽固醇、三酰甘油代謝紊亂和抗多種腫瘤細胞增殖等作用[11-13]。法尼烯因具有高十六烷值和較低的碳排放，被認為是極具潛力的航空航天領域新型生物燃料[12-14]。月桂烯又名香葉烯，具有令人愉快的甜香脂氣味，是香料化妝品產業中最重要的化學品原料和中間體之一，如合成薄荷、檸檬醛、香茅醇、香葉醇、橙花醇和芳樟醇等，月桂烯在天然植物的精油中含量很少，遠不能滿足香料化妝品工業的要求[15-16]。

續表

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2.2 姜秸稈水提液GC-MS 分析結果

采用GC-MS 對姜秸稈水提液成分進行檢測，得到的總離子流圖如圖2（見下頁）所示。根據NIST 質譜數據庫檢測分析并定性定量，共檢出77 種高于檢測限且RSI值大于800 的成分，其名稱及含量見表2（見下頁）。

圖2 姜秸稈水提液揮發性成分總離子流圖Fig.2 Total ion flow diagram of volatile components in water extract of ginger stalk

由表2 可知，姜秸稈水提液共包含揮發性成分77種，其中烯類25 種、醇類18 種、烷類6 種、酮類13 種、醛類2 種、酯類6 種、呋喃類2 種、其它5 種。得到鑒定的成分峰面積之和占色譜總峰面積的95.23%，含量最高的5種成分依次為石竹烯、2- 壬酮、香葉醇、橙花醇、芳樟醇，它們在總揮發性成分中的含量分別為13.00%、10.29%、8.84%、5.45%、5.39%，5 種成分總量占全部揮發性成分總量的42.97%。

表2 姜秸稈水提液揮發性成分明細及含量Table 2 Details and content of volatile components in water extract of ginger straw

續表

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相比秸稈中前5 種揮發性成分總量，水提液中2-壬酮、橙花醇、芳樟醇提取率較高，分析原因為2- 壬酮、橙花醇、芳樟醇相比β-蒎烯、α-法尼烯、月桂烯親水性更好，以水作為提取溶劑時溶出較多。2- 壬酮呈果香、脂肪香和乳酪香，可用于有機合成中間體及制備香料，天然存在于草莓、干酪、姜等原料中[16]。橙花醇是香葉醇的異構體，香氣較平和，微帶檸檬樣的果香，抑菌效果顯著[17]。芳樟醇不僅可作為合成香精的原料之一，同時具有一定的抑菌功能[18-19]。

3 小結

姜秸稈揮發性成分中存在多種稀有的工業香精合成原料和中間體，如石竹烯、β-蒎烯及香葉醇等，水浸提法可提取部分姜秸稈中揮發性成分，如石竹烯、香葉醇等，可考慮采用蒸餾法、超臨界萃取、亞臨界萃取等方式進一步提高揮發性成分提取率[20-21]。姜秸稈水提液中部分揮發性成分如石竹烯、香葉醇、橙花醇、芳樟醇等具有顯著的抗炎、抑菌、抗氧化等功效，經濃縮純化后可用于液態化妝品或具有一定功能性的口服美容類食品中[12,17-19]。姜秸稈產量巨大，作為香料、香精及化妝品加工產業原料的成本較低，且姜秸稈的再加工利用，有利于大姜產地的環境保護，可以助力我國碳達峰、碳中和。本研究采用水提法對萊蕪大姜秸稈進行成分提取，利用氣相色譜-質譜聯用技術（GC-MS）對秸稈及秸稈水提液的揮發性成分進行分析鑒定，結果得出，姜秸稈鑒定出80種，峰面積之和占總峰面積的99.38%；姜秸稈水提液鑒定出77 種，峰面積之和占總峰面積的95.23%。采用內標法對各成分進行定量分析，確定姜秸稈揮發性成分含量最高的五種成分及含量占比為石竹烯34.49%、β-蒎烯10.65%、香葉醇5.30%、α-法尼烯3.54%、月桂烯3.08%，姜秸稈水提液揮發性成分含量最高的五種成分及含量占比為石竹烯13.00%、2-壬酮10.29%、香葉醇8.84%、橙花醇5.45%、芳樟醇5.39%。姜秸稈揮發性成分豐富，可作為香料、香精及化妝品加工產業原料，成本較低，本研究結果將能為姜秸稈的再加工利用提供基礎。