萜类化合物作为自然界最丰富的天然产物之一,近年来因其重要而多样的生物活性广受关注[1]。屠呦呦从中国传统草药青蒿中提取的倍半萜内酯青蒿素,被证实具有优异的抗疟、寄生虫清除、抗病毒和抗真菌等多种生物活性[2]。DE WEGER等[3]从红豆杉中分离出来的三环二萜紫杉醇,是非常优秀的天然抗肿瘤药物,在临床上用于治疗乳腺癌、卵巢癌和肺癌等多种癌症。不仅如此,萜类还具有独特的芳香和感官特性[4],阈值相对较低,有助于产生药香、辛香、花香和甜味等。如单萜芳樟醇(铃兰香、木香)和香叶醇(玫瑰香),以及倍半萜中的橙花叔醇(花木香、似玫瑰及苹果香)等,是茶叶的主要香气成分,与茶叶香气品质密切相关[5]。葡萄酒中也含有大量单萜和倍半萜,主要在葡萄藤的花和果实中天然合成,在抵御病原体、吸引昆虫传粉等方面具有重要生理活性作用,同时对葡萄酒复杂的风味和香气有显著贡献[6]。此前,范文来等[7]总结了酒中一些萜类化合物抗菌抗病毒、抗氧化抗癌以及消炎镇痛等功效。到目前为止,药香型白酒中已发现了β-紫罗兰酮、1,8-柑橘醛等82种萜烯,赋予董酒独特风味[4]。
劲酒作为中国保健酒的代表品牌,以优质清香型白酒为基酒,加上多种地道中药材精制而成,具有明确的抗疲劳、免疫调节等保健功能[8]。此前对劲酒活性成分的研究更多注重于活性多糖、总黄酮、皂苷类等高沸点物质,其中对丰富的萜类化合物缺乏重点关注[9]。
本研究应用溶剂辅助蒸馏技术(solvent assisted flavor evaporation, SAFE)和GC-MS对劲酒中的萜类化合物进行系统研究,通过深入讨论萜类化合物在劲酒中的风味贡献、功能影响,为进一步提高劲酒的产品质量提供理论基础,从而推动中国保健酒行业的理论研究和未来发展。
C7~C30正构烷烃,美国SUPELCO公司;NaCl、无水硫酸钠(均为分析纯),中国国药集团化学试剂有限公司;丁香酚-d3(纯度>99%,内标),加拿大TRC公司;α-蒎烯、β-蒎烯、莰烯、β-月桂烯、D-柠檬烯、β-罗勒烯、樟脑、芳樟醇、乙酸龙脑酯、乙酸异龙脑酯、(-)-4-萜品醇、异龙脑、α-松油醇、龙脑、β-大马酮、香叶基丙酮、β-紫罗兰酮、(Z)-肉桂醛、α-柏木烯、β-榄香烯、β-石竹烯、(+)-花侧柏烯、α-姜黄烯、(-)-蓝桉醇、喇叭茶萜醇、α-杜松醇等标准品(纯度均>95%)、无水乙醇和二氯甲烷(均为色谱纯),上海安谱实验科技股份有限公司;实验用水均为超纯水。
本研究使用的实验样品由劲牌有限公司(湖北,黄石)提供,酒精度均为35%vol,所有样品均避光、恒温(20 ℃左右)、恒湿(70%左右)储藏。
威立雅Flex 2纯水处理系统,上海威立雅水处理技术有限公司;AB135-S十万分之一电子分析天平,梅特勒托利多科技(中国)有限公司;FA2004万分之一天平,上海精密科学仪器有限公司;DC12H氮吹仪,上海安谱科技有限公司;SAFE溶剂辅助蒸馏装置,德国Glasblaserei Bahr;FJ-110分子泵机组,北京中科科仪股份有限公司;7890B-5977C气质联用仪、DB-FFAP毛细管色谱柱(60 m×0.25 mm,0.25 μm)、HP-5色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm),美国Agilent科技有限公司。
1.3.1 样品制备
取200 mL试验样品于1 000 mL分液漏斗,用超纯水稀释至酒精度为10%vol,加入NaCl至溶液饱和,采用二氯甲烷提取3次(每次70 mL),收集并合并有机相后加入无水Na2SO4脱水。将脱水后的有机相使用SAFE设备进行高真空蒸馏分离挥发性风味物质,恒温水浴和恒温水箱温度均设置为50 ℃,向SAFE装置的2个冷阱中加入液氮,当真空度达到1×10-4 Pa时,缓慢打开滴液漏斗塞,样品流速控制为5 mL/min,收集馏出物并加入无水Na2SO4于4 ℃下过夜脱水,过滤后于40 ℃下缓慢氮吹浓缩至约2 mL。
1.3.2 GC-MS分析
在DB-FFAP柱上分离的色谱条件:初温40 ℃,保持5 min,以3 ℃/min升至240 ℃,保持5 min;载气(高纯He≥99.999%),流速1.42 mL/min,进样口温度250 ℃,进样量1 μL,不分流进样。
在HP-5柱上分离的色谱条件:升温程序为初温40 ℃,保持5 min,以3 ℃/min升至240 ℃,以30 ℃/min升至320 ℃,保持5 min;载气(高纯He≥99.999%),流速1 mL/min,进样口温度280 ℃,进样量1 μL,不分流进样。
质谱条件:MS电离方式为电子轰击源(electron impact ion source, EI),能量70 eV;离子源温度230 ℃;四级杆温度150 ℃;辅助通道加热温度280 ℃;质谱扫描质量范围35~350 amu。
1.3.3 定性与定量
定性:各组分的保留指数(retention index, RI)根据文献[10]计算。各个组分经NIST 20谱库检索、与标准品在DB-FFAP和HP-5柱上的RI值对比以及参考文献报道的RI值对比分析,三者结合进行定性。
定量:准确称取一定量的标准品,以色谱纯无水乙醇为溶剂配制标准品储备液。分别吸取一定体积的各标准品储备液,以35%vol乙醇水溶液配制成标准混合工作液,并梯度稀释。准确吸取4 mL样品于50 mL离心管中,稀释至酒精度为10%vol,加入20 μL内标丁香酚-d3,混合均匀,加入NaCl饱和,振摇5 min,再分别加入2 mL不同萃取溶剂,振摇5 min,超声10 min,以8 000 r/min离心10 min,静置12 h,收集上层萃取液,加入无水Na2SO4置于冰箱冷冻室(-18 ℃)内干燥过夜,过滤后所得样液通过GC-MS经DB-FFAP柱分析。没有标准品的萜类化合物以出峰时间邻近的、相同分子质量化合物的校正因子进行定量。
样品提取主要涉及两个关键步骤,首先采用液液萃取技术提取劲酒中的成分,随后用SAFE装置提取挥发性成分。劲酒由清香型白酒和大量的中药材组合调配,富含大量的糖、色素、氨基酸等不挥发性物质,在液液萃取过程中这些成分也会被大量提取出来,故采用SAFE技术除去这些非挥发性成分,避免对色谱柱产生损伤,确保挥发性组分的有效分离。
2.1.1 液液萃取条件的选择
有机溶剂具有不同的溶解性、极性,对化合物的选择性也不同,因此对萃取效率具有重要影响,实验比较了乙醚、乙酸乙酯、正己烷、二氯甲烷对挥发性化合物的萃取效果(图1)。结果表明,在其他条件一定的前提下,以二氯甲烷为萃取溶剂时,萜类化合物的总峰面积最大。
图1 提取溶剂和酒精度对劲酒中萜类 化合物总峰面积的影响
Fig.1 Effects of extraction solvent and alcoholic content on the total peak area of terpenoids in Jingjiu
由于样品中酒精度对萃取效果存在影响,实验通过调整样品酒精度的方法,考察了35%vol、30%vol、25%vol、20%vol、15%vol、10%vol、5%vol不同酒精度水平下萜类化合物的实验结果(图1)。实验结果表明,以二氯甲烷为萃取溶剂时,随着样品中酒精质量浓度的降低,萜类化合物的总峰面积不断增加,当样品中酒精度稀释至10%vol时,萜类化合物总峰面积变化很小,基本趋于平衡。
2.1.2 SAFE条件的优化
影响SAFE提取挥发性化合物效率的因素主要有样品流速、循环水浴温度、真空度等。通常要求在高真空度(10-3 Pa)条件下进行提取,本实验真空度为1×10-4 Pa,可满足SAFE对高真空度的要求,本实验对样品流速、循环水浴温度进行了考察。在高真空度条件下,不同循环水浴温度下样品流速与劲酒中萜类化合物总峰面积的关系曲线如图2所示。随着样品流速减慢,萜类化合物的总峰面积不断增加;当样品流速为5 mL/min时,萜类化合物总峰面积变化很小,基本趋于平衡。当真空度为1×10-4 Pa、样品流速为5 mL/min的前提下,循环水浴温度为40 ℃时,萜类化合物总峰面积最大。因此本实验的SAFE条件为高真空(1×10-4 Pa)条件下,样品流程为5 mL/min,循环水浴温度为40 ℃。
图2 SAFE循环水温度和样品流速对劲酒中萜类 化合物总峰面积的影响
Fig.2 Effects of SAFE temperature and sample flow rate on the total peak area of terpenoids in Jingjiu
图3为劲酒中挥发性成分在DB-FFAP色谱柱分离得到的GC-MS总离子流图。通过Masshunter软件自动解卷积结合手动谱库NIST 20检索以及RI比对,从劲酒中鉴定出萜类化合物共71种,被鉴定出的萜类化合物及其含量如表1所示。
表1 劲酒中被鉴定的萜类化合物及其含量
Table 1 Identified compounds and concentrations of terpenoids in Jingjiu
序号化合物RIDB-FFAPHP-5定性方法质量浓度/(μg/L)百分数/%单萜烯 monoterpenoids6 038.6614.47 1三环萜 tricyclene991922MS, RI134.85±6.240.32 2α-蒎烯 α-pinene1 034939MS, RI, S364.20±8.800.87 33-蒈烯 3-carene1 0591016MS, RI7.20±0.800.02 4β-蒎烯 β-pinene1 088979MS, RI, S1.20±0.070.00 5莰烯 camphene1 091954MS, RI, S2 658.80±44.606.37 6β-月桂烯 β-myrcene1 168992MS, RI, S65.30±3.500.16 7D-柠檬烯 D-limonene1 2111 026MS, RI, S581.00±12.501.39 8γ-松油烯 γ-terpinene1 2391 061MS, RI15.69±1.520.04 9对伞花烃 o-cymene1 2611 007MS, RI2 096.44±36.245.02 10异松油烯 terpinolene1 2731 080MS, RI45.77±0.420.11 11别罗勒烯 neo-alloocimene1 3691 131MS, RI13.18±0.960.03 12β-罗勒烯 β-ocimene1 5251 052MS, RI, S6.90±0.700.02 13(±)-柠檬烯 (±)-limonene1 759984MS, RI48.13±1.140.12 单萜氧化物 oxygenated monoterpenes33 647.8580.61 14乙酸小茴香 fenchyl acetate1 4611 221MS, RI14.10±2.720.03
续表1
序号化合物RIDB-FFAPHP-5定性方法质量浓度/(μg/L)百分数/%15樟脑 (+)-2-bornanone1 5101 125MS, RI, S10 920.80±225.1026.16 16芳樟醇 linalool1 5421 102MS, RI, S101.20±2.400.24 17乙酸龙脑酯 bornyl acetate1 5721 285MS, RI, S17 222.40±335.2041.26 18乙酸异龙脑酯 isobornyl acetate1 5741 280MS, RI, S258.90±4.300.62 19水合樟烯 camphenehydrate1 5901 150MS, RI205.81±3.960.49 20(-)-4-萜品醇 (-)-4-terpineol1 5961 175MS, RI, S135.30±12.100.32 21桃金娘烯醛 (1R)-(-)-myrtenal1 6231 136MS, RI25.30±0.470.06 22异龙脑 isoborneol1 6491 170MS, RI, S54.10±1.900.13 23α-松油醇 α-terpineol1 6771 189MS, RI, S8.60±0.600.02 24龙脑 (-)-borneol1 7041 140MS, RI, S1 115.90±24.102.67 25β-大马酮 β-damascenone1 8041 387MS, RI, S5.60±0.200.01 26香叶基丙酮 geranyl acetone1 8341 455MS, RI, S0.80±0.050.00 27β-紫罗兰酮 β-lonone1 9181 495MS, RI, S1.20±0.080.00 28(Z)-肉桂醛 (Z)-cinnamaldehyde2 0291 266MS, RI, S3 570.20±44.208.55 29乙酸肉桂酯 cinnamyl acetate2 1471 444MS, RI7.64±0.660.02 倍半萜烯 sesquiterpenes951.412.28 30α-荜澄茄油烯 α-cubebene1 4711 371MS, RI33.68±1.320.08 31α-柏木烯 α-cedrene1 5521 410MS, RI, S0.10±0.0040.00 32β-榄香烯 β-elemene1 577-MS, RI, S0.70±0.020.00 33β-石竹烯 β-caryophyllene1 5941 583MS, RI, S31.90±0.600.08 34β-檀香烯 β-santalene1 6251 466MS, RI2.48±0.230.01 35香树烯 alloaromadendrene1 639-MS, RI2.63±0.320.01 36α-石竹烯 humulene1 6631 450MS, RI34.11±2.360.08 37衣兰油烯 γ-muurolene1 6801 461MS, RI24.07±1.050.06 38巴伦西亚橘烯 valencene1 7111 490MS, RI25.80±1.310.06 39α-依兰油烯 α-muurolene1 7181 481MS, RI28.41±1.110.07 40β-杜松烯 β-cadinene1 7491 505MS, RI87.01±4.140.21 41(+)-花侧柏烯 (+)-cuparene1 754-MS, RI, S32.50±2.400.08 42库贝烯 cubenene1 7761 528MS, RI34.09±1.140.08 43α-姜黄烯 α-curcumene1 8001 486MS, RI, S22.10±1.800.05 44菖蒲烯 calamenene1 826-MS, RI237.09±6.110.57 45α-白菖考烯 α-calacorene1 9091 516MS, RI172.49±3.710.41 46α-去二氢荜澄茄烯 α-corocalene2 0541 629MS, RI42.14±0.860.10 47γ-瑟林烯 γ-selinene2 174-MS, RI15.86±0.340.04 48卡达烯 cadalene2 2181 687MS, RI124.25±1.710.30 倍半萜氧化物 oxygenated sesquiterpenes1 101.722.64 49倍半西尼内醇 sesquicineole1 737-MS, RI111.65±10.880.27 50喇叭茶醇 palustrol1 9211 559MS, RI15.50±1.200.04 51杜松脑 juniper camphor1 9741 550MS, RI55.95±6.040.13 52石竹素 caryophyllene oxide1 9771 580MS, RI10.46±0.870.03 53gleenol2 026-MS, RI94.08±5020.23 54反式-橙花叔醇 (±)-trans-nerolidol2 0321 572MS, RI40.20±0.670.10 55表荜澄茄油烯醇 1-epi-cubenol2 0511 610MS, RI107.86±3.030.26 56Di-epi-1,10-库贝醇 di-epi-1,10-cubenol2 0591 616MS, RI1.30±0.050.00 57(-)-蓝桉醇 (-)-globulol2 0691 587MS, RI, S21.60±0.400.05 58绿花白千层醇 (+)-viridiflorol2 076-MS, RI43.92±0.550.11 59罗西叶醇 rosifoliol2 097-MS, RI36.71±0.450.09 60喇叭茶萜醇 ledol2 1071 563MS, RI15.50±1.200.04 61桉油烯醇 (-)-spathulenol2 1141 576MS, RI2.10±0.300.01 62菖蒲醇 β-acorenol2 126-MS, RI6.11±0.170.01 63β-红没药醇 β-bisabolol2 1461 670MS, RI19.31±0.270.05 64copaborneol2 169-MS, RI33.42±0.600.08 65α-杜松醇 α-cadinol2 1551 651MS, RI, S236.20±20.300.57 66古巴烯 copaene2 190-MS, RI93.27±6.370.22 67α-红没药醇 α-bisabolol2 2071 684MS, RI26.34±0.240.06 68τ-杜松醇 tau-cadinol2 2231 639MS, RI35.42±1.940.08
续表1
序号化合物RIDB-FFAPHP-5定性方法质量浓度/(μg/L)百分数/%69α-顺式檀香醇 cis-α-santalol2 2761 454MS, RI15.14±0.10.04 70α-檀香醇 α-santalol2 3731 671MS, RI40.80±3.200.10 71佛手柑醇 bergamotenol2 383-MS, RI38.88±1.240.09
注:定性方法:MS质谱检测;RI保留指数鉴定;S.标准品鉴定。-未解析出该化合物。
图3 劲酒中挥发性成分的GC-MS总离子流色谱图
Fig.3 GC-MS total ion chromatogram of volatile compounds of Jingjiu
可以看出劲酒中的挥发性萜类物质主要分为单萜和倍半萜,其中单萜类29种,含量高达39 686.51 μg/L,包括13种单萜烯和16种单萜氧化物;倍半萜42种,含量仅为2 053.13 μg/L,包含19种倍半萜烯和23种倍半萜含氧衍生物。单萜类化合物主要来源于植物挥发油,通常被认为与花果香、草本香和辛香等香气特征有关。研究表明,单萜类大多具有抗炎抗氧化,提高免疫力的功效,不仅是天然的食品添加剂,在医药和香料工业中也发挥着重要作用[11]。倍半萜广泛存在于植物、微生物和某些昆虫中,含天然香气和生物活性,主要功能是抗菌和修复,还有些抗癌、降压和提高免疫力的作用,在医药行业备受关注且前景广阔[2-3]。在劲酒中,单萜类化合物含量较高,而倍半萜种类更多,这些丰富的萜类化合物赋予了劲酒独特的风味特征和生理活性。
萜类化合物广泛分布于植物根茎叶及其果实中[12],不仅保护植物免受真菌等病原体的危害,还在授粉昆虫吸引和食草动物驱避方面发挥作用,萜类化合物也是葡萄酒这类发酵果酒中的重要风味物质[13]。而劲酒以优质清香型白酒为基酒,添加多种珍贵中药材[8]。这些中药材富含大量萜类化合物,如蒎烯、乙酸龙脑酯、肉桂醛、杜松醇等[14-16],是劲酒中萜烯的主要来源,另外部分产生于基酒的发酵蒸馏过程。发酵过程中的微生物多样性会产生多种对风味和健康都有益的代谢副产物,如酿酒酵母菌等微生物或相关酶可以利用底物进行生物合成和调控萜类化合物等[12,14]。
单萜类化合物在劲酒中的含量差异很大,从几微克每升到几十毫克每升,沸点较低,香气类型丰富。其中含量较多的包括乙酸龙脑酯、樟脑、反式肉桂醛、莰烯、对伞花烃、龙脑等,均在毫克每升级别。乙酸龙脑酯含量最高,高达(17 222.4±335.2) μg/L,是一种双环单萜,具有清爽的松木香气,不仅对劲酒的整体香气有重要贡献,还具有杀菌、抗炎、止痛等药理作用[15]。研究发现乙酸龙脑酯可以通过抗炎作用和维持血脑屏障完整性治疗自身免疫性脑脊髓炎[16],同时在免疫调节和肠道保护方面也具有应用前景[17]。其次,含量较高的是浓郁药香的樟脑[(10 920.8±225.1) μg/L],与乙酸龙脑酯有相似的气味和功效,在医药上主要作刺激剂和强心剂[18]。而莰烯[(2 658.8±44.6) μg/L],也叫樟脑萜,是樟脑和龙脑的重要前体物质[19]。除了乙酸龙脑酯和樟脑之外,含量最高的是反式肉桂醛[(3 570.2±44.2) μg/L],具有浓郁的肉桂香味,研究发现其具有抗微生物、抗炎、抗氧化和潜在的降血糖作用,在口腔卫生、食品防腐和药物制备领域应用前景良好[20]。此外,值得关注的还有柠檬烯,含量仅为(581±12.5) μg/L,但其属于量微香大的化合物,典型的柠檬香气丰富了劲酒的风味,具有促进伤口愈合、改善压力抑郁,抗炎抗病毒等作用,表现出多种抗癌和抗肿瘤机制[11]。
倍半萜类化合物挥发性低于单萜,沸点较高,结构更复杂,其含氧衍生物大多有较强的生物活性,是天然产物化学中极为活跃的研究领域之一。劲酒中倍半萜的种类丰富,达42种,大多呈药草香和辛香,其中含量较高的有菖蒲烯、α-杜松醇、α-白菖考烯、卡达烯、表荜澄茄油烯醇等。菖蒲烯[(237.09±6.11) μg/L]呈清凉樟脑气味,是含量最高的倍半萜,具有杀螨活性,主要通过损害蜱虫雌性的生殖功能,从而影响其产卵的数量和质量[21]。不仅如此,菖蒲烯还在基于树突状细胞的癌症免疫疗法上有广阔的应用前景[22]。α-白菖考烯通常被描述为木质香气,拥有清热、暖肾和平喘等药理学特性,因其性质可用于制药领域,合成具备相关药效的药物[23]。而α-杜松醇[(236.2±20.3) μg/L]、卡达烯[(124.25±1.71) μg/L]和表荜澄茄油烯醇[(107.86±3.03) μg/L],都属于杜松烷型双环倍半萜,具有良好的抗菌活性,在农业上有着很高的应用价值[24]。其中DIBWE研究团队表明α-杜松醇可能具有抗癌潜力,特别在营养匮乏条件下对胰腺癌细胞具有特异性的细胞毒性作用[25]。除此之外,较受关注的还有三环倍半萜烯古巴烯[(93.27±6.37) μg/L],具有蒿草气味,天然存在于许多药用和芳香植物的精油中,以其优秀的抗氧化损伤、抗肿瘤活性和不具有遗传毒性而闻名[26]。
萜类化合物作为植物中种类最多,结构最多样化的天然产物家族,对人类健康发挥着举足轻重的作用。传统中药材所含化学成分十分复杂,受其生长过程内外环境因素及炮制过程的影响较大。随着现代分析检测技术和手段的不断发展,人们对中药材中所含成分的认知也在不断更新。本研究采用溶剂辅助蒸馏结合气质联用法,对劲酒中的萜类化合物进行了深度挖掘与分析。结果表明,劲酒中的萜类化合物种类繁多,包括29种单萜类和42种倍半萜类化合物。单萜类化合物如乙酸龙脑酯、樟脑和龙脑赋予酒类独特的松木、药香气味,并具有抗炎和抗氧化等药理学特性。倍半萜类化合物如菖蒲烯、α-杜松醇和卡达烯呈现出药草香和辛香,具有抗菌和抗癌潜力。总而言之,大多数化合物除了感官风味贡献,还具有消炎镇痛、抗菌、抗癌、抗肿瘤、改善氧化应激等功效。正是这些丰富的萜类化合物种类,才赋予了劲酒独特的风味特征和生理活性。本研究为劲酒的产品调控提供了技术手段和数据支持,同时进一步为中国保健酒的品质研究和未来发展提供了理论支撑。
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