陈静慧,石浩,张强,马奕瑜,王洪新*
(江南大学 食品学院,江苏 无锡,214122)
摘 要: 利用电子鼻结合顶空固相微萃取-气相质谱联用(headspace-solid phase micro extraction followed by gas chromatography mass spectrometry,HS-SPME-GC-MS)技术,对不同处理方法得到的柠檬草提取物挥发性成分进行分析,并研究电子鼻对柠檬草提取物挥发性成分的判别能力。应用主成分分析(principal component analysis,PCA)、识别因子法(discriminate factorial analysis,DFA)及峰面积归一化法从挥发性成分差异及挥发性物质组成的角度比较处理方法的不同对提取物中挥发性香味物质的影响。电子鼻结果表明,通过不同方法提取的柠檬草水提物中,挥发性成分差异较小,尤其是通过沸水冲泡得到的柠檬草水提物中挥发性成分与柠檬草精油中的挥发性成分最为接近;HS-SPME-GC-MS检测分析后共得到24种主要挥发性物质,如橙花醛、香叶醛,香叶醇等,结果表明不同方法得到的柠檬草提取物中挥发性成分组成接近于柠檬草精油,尤其是通过沸水冲泡得到的柠檬草提取物。由此得出结论,沸水冲泡柠檬草是得到柠檬草中大部分挥发性物质的有效手段;电子鼻结合HS-SPME-GC-MS可以对不同方法得到的柠檬草提取物中挥发性成分进行有效分析与判别。
关键词 电子鼻;顶空固相微萃取-气相质谱联用(HS-SPME-GC-MS);柠檬草;挥发性成分;判别
第一作者:硕士研究生(王洪新教授为通讯作者,E-mail:hxwang@jiangnan.edu.cn)。
基金项目:国家食品科学与工程一流学科建设项目(JUFSTR 20180204)
收稿日期:2018-04-09,改回日期:2018-07-04
DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.017488
柠檬草(Cymbopogon citratus(DC.) Stapf),又名香茅,是一种生长于热带地区的多年生草本药材,具有柠檬挥发性,既可入药,也可食用,常以香料形式出现于越南、泰国等东南亚菜品中。在巴西,煎煮口服柠檬草是一种民间药方。柠檬草性温,味辛、甘,具有祛风通络、温中止痛、止泻的功效,可用于治疗风寒湿痹、脘腹冷痛、泄泻、跌打损伤,以及由感冒引起的头身疼痛等,其挥发性还具有安神、镇静、助眠的功效[1]。
通过水蒸气蒸馏法得到柠檬草精油是目前柠檬草的主要应用。近期研究发现,柠檬草精油具有抗菌、防腐、抗氧化、祛风、镇痛、助眠、抗抑郁、健胃、促消化的功效[2-5]。柠檬草标志性成分有橙花醛、香叶醛、柠檬烯、香茅醛及香叶醇等[6],据《巴西药典》,柠檬草精油中至少含有60%的柠檬醛(由互为顺反结构的橙花醛和香叶醛组成)。杨欣等[3]将柠檬草精油与合成抗氧化剂没食子酸丙酯(propionate gallate, PG)从总体抗氧化能力、清除羟基自由基能力、清除超氧阴离子自由基能力等3个方面做比较,实验结果表明,在一定浓度范围内,柠檬草的总抗氧化能力及清除羟基自由基能力高于PG;清除超氧阴离子自由基能力高于PG。李楠[7]以猪油为介质,以过氧化值为指标考察了柠檬草精油对油脂过氧化的抑制能力,研究发现,柠檬草精油在猪油中的抗氧化性与丁基羟基甲苯(butyl hydroxytoluene, BHT)相近。吴慧清等[8]发现,柠檬草精油对大肠杆菌(Escherichia coli)8099、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)ATCC6538、枯草杆菌黑色变种(Bacillus subtilis)ATCC9372、白色念珠菌(Candida albicans)ATCC 1 023 1和黑曲霉(Aspergillus niger)ATCCl6404具有显著的抑菌效果。陈佳龄等[9]发现,柠檬草水提液具有较强的羟自由基清除能力,且该能力与样品浓度呈正相关。陈丽芬等[10]发现,柠檬草水提物可以抵抗由高血糖引起的小鼠体质量的下降。
电子鼻(E-nose)气味指纹分析技术是将物质挥发成分的整体信息即“指纹数据”得到的信号与数据库中的信号作出比较和判断,从而得出样品气味的综合判断结果,常用于不同挥发性物质中组成成分的区别判定[11-12]。该技术可以在短时间内迅速分析、判别样品中的挥发性成分,目前已经应用于食品加工工艺的优化和风味品质的监控,用于判别赤霞珠葡萄酒、梨果醋、不同烘烤程度咖啡及不同品种苹果中挥发性成分的差异[12-14]。顶空固相微萃取-气相质谱联用技术(head-space solid phase micro-extraction followed by gas chromatography-mass specteometry,HS-SPME-GC-MS)是目前对挥发性样品中成分进行定性分析的重要手段,具有操作简单、进样快、分析迅速、选择性好、重复性高等优点,整个分析过程集采样、吸附、萃取、浓缩、进样、分析于一体[14-16]。该技术可以对不同蜡梅属植物叶片、贯叶连翘叶及大曲发酵过程中挥发性成分进行快速比较和定性分析[17-20]。
目前对于柠檬草的研究主要集中于对其精油中成分及功效的研究,而对柠檬草作为代茶及香料食用时成分组成的研究很少。柠檬草精油主要应用于化妆品及按摩用油,且提炼精油耗时长、温度高,操作过程难以日常化。加热回流、煮沸及沸水冲泡柠檬草,操作简单,用时少且便于日常化。电子鼻结合HS-SPME-GC-MS技术目前已经成为对挥发性成分及挥发性物质组成进行精确定性、定量分析有效手段[21-24]。本文拟采用电子鼻结合HS-SPME-GC-MS技术比较及分析作为代茶饮用的柠檬草与柠檬草精油的主要挥发性物质成分间异同,从而为柠檬草的实际应用、鉴别及生产加工中质量控制提供理论依据和有效方法。
实验材料:柠檬草干叶,购于欧尚超市;柠檬草精油,购于阿拉丁试剂网;实验用去离子水。
电子分析天平(AR224CN),奥豪斯仪器(上海)有限公司;400Y多功能粉碎机,铂欧五金厂;HH-4数显搅拌水浴锅,常州赛普实验仪器厂;美的电磁炉;TSQ Quantum XLS三重四级杆气质联用仪,美国赛默飞世尔科技公司;Heracles II快速气相电子鼻,法国Alpha MOS S.A.有限公司
1.3.1 样品前处理方法
处理组A采用加热回流:将干净柠檬草干叶粉碎、过筛,准确称取5 g于250 mL圆底烧瓶中,以料液比1∶15(g∶mL)加入75 mL去离子水,95 ℃加热回流30 min;处理组B采用煮沸法:精确称取5 g粉碎、过筛后的柠檬草干叶,75 mL去离子水浸泡1 h后煮沸5 min;处理组C采用沸水冲泡:另取5 g精确称量的柠檬草粉碎叶用75 mL沸水冲泡,待样品处理完成后,过300目筛收集滤液,分别取3 mL滤液及柠檬草精油(标记为样品D)移入20 mL顶空进样瓶,每组取5个平行样品,4 ℃保存,备用。
1.3.2 电子鼻检测
以空气为空白样品;进样量4 000 μL;孵化温度70 ℃,前加热35 s,初始箱温50 ℃,初始等温线80 ℃时,保持2 s,然后以3.0 ℃/s升温到250 ℃,持续21 s;注射速度125 μL/s;注射器温度200 ℃;注射时间37 s;捕获温度50 ℃,捕获持续时间42 s;分流10 mL/min;恒定流速75.8 mL/min;初始压力80 kPa,升压速度1.67 kPa/s,最终压力180 kPa;采集时间110 s,采集周期0.01 s;2个火焰离子检测器温度均为260 ℃。
表1 电子鼻传感器信息
Table 1 Information of E-nose sensor
1.3.3 HS-SPME-GC-MS检测
(1)顶空固相微萃取:采用二乙烯基苯/碳分子筛/聚二甲基硅氧烷(50/30 μm,DVB/CAR/PDMS)固相微萃取头,萃取前应先对萃取头进行老化,250 ℃老化30 min。
(2)气相质谱条件:采用HP-5 MS石英弹性毛细管柱(0.2 5 μm×250 μm×30.0 m)起始温度50 ℃,无保留,每分钟升温5 ℃到240 ℃持续5 min。进样压力70 kPa,气液流速20 mL/min,气液时间2 min,质谱传输线温度230 ℃,萃取深度40 mm,穿透速度40 mm/s。解析时间5 min,载气为氦气,载气流速1.0 mL/min,不分流进样,清洗流速50 mL/min;质量扫描范围(m/z) 30~500;电子电离源;电子能量70 eV。
电子鼻数据的PCA、DFA分析由仪器自带AlphaSoft V12.0及SPSS 20.0、Excel软件进行处理,SPME-GC-MS检测重复3次,结果通过仪器分析及对比NIST11、Wiley275谱图进行检索,并结合相关文献进行定性分析。各组分含量百分数采用峰面积归一化法进行分析。
SPME-GC-MS保留指数(kovats index,KI)的计算:
I=100×
(1)
式中:I为Kovats保留指数;n为小于待测物质保留时间的正构烷烃碳原子个数;N为待测物质保留时间;为调整后的保留时间。
从图1可知,第1主成分PC1(83.571%)与第2主成分PC2(9.106%)贡献率之和在92%以上,表明可以用这2个主成分对通过不同提取方法得到的柠檬草提取物的挥发性成分进行概括分析。区分指数(discrimination index,DI)最大值为100,其值越大表明不同组数据之间区分度越好,一般≥80表示能够有效区分[22]。本次实验PCA图显示电子鼻区分指数为74(<80),表示电子鼻不可以对不同样品中的挥发性成分进行有效区分,即各组间差异小。进一步观察图1发现,不同样品间的差异可以通过PCA图上的距离表征,图1中直线距离的长短表征差异性的大小,柠檬草精油(D)与浸泡后煮沸的柠檬草叶(B)差异主要体现在第二主成分轴上。沸水冲泡处理的柠檬草叶(C)与柠檬草精油(D)间第一主成分间差异小。而95 ℃回流30 min处理的柠檬草叶(A)与柠檬草精油(D)之间的差异主要体现在第二主成分轴上。
A-通过加热回流得到的样品;B-通过煮沸得到的
样品;C-沸水冲泡得到的样品;D-柠檬草精油,下同
图1 不同提取方法处理后的柠檬草挥发性
成分PCA图
Fig.1 Principal component analysis of volatile
components of Cymbopogon citratus obtained by different
extracting methods
从图2雷达图中可以看出,不同样品气味指纹图谱基本相似,主要区别是含量的不同,在同一传感器上相同保留时间内成分的差异主要是量的差异。沸水冲泡得到的柠檬草水提物(C)中挥发性成分与柠檬草精油(D)最为接近。
图2 不同提取方法处理后的柠檬草挥发性
成分雷达图
Fig.2 Radar of volatile components of Cymbopogon
citratus obtained by different extracting methods
图3 DFA分析是在PCA分析数据基础上扩大组间差距,缩小组内差距,以更加直观的形式体现不同样品间差异的分析方法。在图3中,第一判别因子(DF1)与第二判别因子(DF2)累计贡献率达到93%以上。DFA分析进一步验证了PCA与雷达分析得出的结论。
图3 不同提取方法处理后的柠檬草挥发性成分DFA图
Fig.3 Dscriminate factorial analysis of volatile
components of Cymbopogon citratus obtained by
different extracting methods
对HS-SPME-GS-MC分析检测得到的数据进行分析(表2),采用峰面积归一化法确定挥发性物质的相对含量百分数。结合NIST11谱库、Wiley275质谱工作站进行比较检索,并结合相关文献[2,25-27],共分析得到24种挥发性化合物,分别为橙花醛、香叶醛、香叶醇、乙酸香叶酯、月桂烯、橙花醇、橙花叔醇、香叶酸、β-蒎烯、乙酸橙花酯、芳樟醇、苯乙酸香叶酯、香芹醇、β-石竹烯、甲酸香叶酯、左旋柠檬烯、对位-2-薄荷烯、香茅醇、甲基庚烯酮、马鞭草烯醇、三氢顺式α-古巴烯、石竹烯氧化物、棕榈酸、松油醇。
表2 柠檬草中主要挥发性成分
Table 2 Major volatile components of Cymbopogon citratus
注:“—”表示未检出,本实验数据为重复3次实验后取平均值所得,误差<1%。表中A、B、C、D分别代表4种不同处理方法得到的的样品,其中A代表经95 ℃加热回流30 min处理后的样品,B代表浸泡1 h后煮沸5 min的样品,C代表直接沸水冲泡得到的样品,D代表柠檬草精油。
通过对比4组样品中主要挥发性物质的种类、含量及进一步观察气相质谱丰度与保留时间图(图4、图5)后发现,通过沸水冲泡得到的柠檬草水提物中的主要挥发性成分与柠檬草精油中的主要挥发性物质较为接近,该结果与电子鼻PCA及雷达图分析的结果一致,通过不同提取方法得到的柠檬草水提物气味指纹图谱相似,即含有较多相同物质。而柠檬草精油中各主成分的含量与文献[28-30]中报道的有差异,这可能是由品种、产地、气候条件及处理方法的不同引起的[31]。
本研究证明,沸水冲泡后的柠檬草中主要挥发性成分与柠檬草精油最为接近,即柠檬草日常茶饮获得的物质与柠檬草精油中活性物质大部分重叠,茶汤中挥发性成分与柠檬草精油中挥发性成分基本相似。本次研究还发现,电子鼻结合HS-SPME-GS-MC技术可以清晰、有选择性、高效地分析、检测柠檬草中的挥发性物质。电子鼻结合顶空固相微萃取联合气相质谱技术可以判别柠檬草中主要挥发性成分的差异并对柠檬草水提物中的挥发性成分进行定性定量分析,从而为柠檬草的分析、质量判定及应用提供基础数据。
图4 样品C丰度与保留时间图
Fig.4 Abundance of volatile components of sample 3
图5 样品D丰度与保留时间图
Fig.5 Abundance of volatile components of sample 4
参考文献
[1] 国家中医药管理局《中华本草》编委会. 中华本草(第八卷)[M]. 上海:上海科学技术出版社, 1999: 7 416-7 417
[2] BARBOSA L C, PEREIRA U A, MARTINAZZO A P, et al. Evaluation of the chemical composition of Brazilian commercial Cymbopogon citratus (D.C.) Stapf samples[J]. Molecules, 2008, 13(8):1 864-1 874.
[3] 杨欣,姜子涛,李荣,等. 柠檬草精油的成分分析和抗氧化能力比较[J]. 食品科技,2010,35(8):311-316.
[4] 赵杰,周超英,顾振芳,等. 柠檬草精油对9种植物病原菌的抑菌活性[J]. 上海交通大学学报(农业科学版),2011,29(4):72-74;86.
[5] 佟棽棽. 迷迭香和柠檬草的挥发性成分及其抗抑郁、抑菌作用的研究[D].上海:上海交通大学,2009.
[6] MARQUES A M, LIMA C H P, ALVIANO D S, et al. Traditional use, chemical composition and antimicrobial activity of Pectis brevipedunculata essential oil: A correlated lemongrass species in Brazil[J]. Emirates Journal of Food & Agriculture, 2013, 25(10):798-808.
[7] 李楠. 柠檬草精油对食用油脂的抗氧化性研究[J]. 安徽农业科学, 2012, 40(4):2 315-2 317.
[8] 吴慧清,吴清平,石立三,等.植物精油对微生物的抑菌效果评估研究[J].食品科学,2008,29(12):83-86.
[9] 陈佳龄,张凯,郭平叶,等. 迷迭香、柠檬草、薄荷水提液清除羟自由基能力的研究[J]. 日用化学品科学, 2014, 37(3):27-29.
[10] 陈丽芬,施茂周,蔡伟琼,等. 柠檬草水提物对高血糖模型小鼠降糖作用的实验研究[J]. 现代医药卫生, 2014(21):3 203-3 205.
[11] 赵国群,姚瑶,关军锋. 鸭梨、雪梨果醋挥发性成分的电子鼻分析[J]. 食品工业科技, 2013, 34(22):62-65.
[12] 曾辉,刘璇,吴昕烨,等. 基于电子鼻技术的不同苹果品种挥发性的表征与识别[J]. 食品与发酵工业,2016,42(4):197-203.
[13] 孙海燕,郭松年,王华. 电子鼻对不同年份赤霞珠葡萄酒挥发性的检测分析[J]. 食品工业,2017,38(4):281-284.
[14] 何余勤,胡荣锁,张海德,等. 基于电子鼻技术检测不同焙烤程度咖啡的特征性挥发性[J]. 农业工程学报,2015,31(18):247-255.
[15] 孙建勋,杨飞,王金梅,等. 固相微萃取-气质联用法分析贵州产贯叶连翘叶挥发性成分[J]. 中国实验方剂学杂志,2011,17(11):96-99.
[16] 徐刚,史茗歌,吴明红,等.固相微萃取的原理及应用[J]. 上海大学学报,2013,15(4): 368-373.
[17] REINHARD H, SAGER F, ZOLLER O. Citrus juice classification by SPME-GC-MS and electronic nose measurements[J]. LWT - Food Science and Technology, 2008, 41(10):1 906-1 912.
[18] 樊美余,曹福福,徐萌,等. HS-SPME-GC-MS法分析5种蜡梅属植物叶片的挥发性成分[J].分子植物育种,2017, 15(6): 2 381-2 388.
[19] 邓霞,李臻峰,王辉,等.基于zNoseTM电子鼻对不同品牌汾酒的快速识别[J]. 食品与发酵工艺,2017,47(11):211-215.
[20] 吴靖娜,路海霞,蔡水淋,等. 基于电子鼻和SPME-GC-MS评价烟熏液对熏鲍挥发性风味物质的影响[J]. 现代食品科技,2016,32(7):220-230.
[21] 顾赛麒,王锡昌,陶宁萍,等. 顶空固相微萃取-气质联用及电子鼻技术检测中华绒螯蟹不同可食部位中的挥发性成分[J]. 食品科学,2013,34(18):239-244.
[22] 李婷婷,丁婷,邹朝阳,等. 顶空固相微萃取-气质联用技术结合电子鼻分析4℃冷藏过程中三文鱼片挥发性成分的变化[J]. 现代食品科技,2015,31(2):249-260.
[23] 陆宽,王雪雅,霍昕,等. 电子鼻结合顶空SPME-GC-MS联用技术分析贵州不同品种辣椒发酵后挥发性成分[J]. 食品科学,2018,39(4):199-205.
[24] 金洋,步婷婷,李密,等. 电子鼻结合顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用技术对干制乌贼挥发性成分分析[J]. 食品科学,2016,37(20):75-80.
[25] URAKU A J. Determination of chemical compositions of Cymbopogon citratus leaves by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) method[J]. Research Journal of Phytochemistry, 2015, 9(4):175-187.
[26] KASALI A A, OYEDEJI A O, ASHILOKUN A O. Volatile leaf oil constituents of Cymbopogon citratus (DC) Stapf[J]. Flavour & Fragrance Journal, 2001, 16(5):377-378.
[27] FARHANG V, AMINI J, JAVADI T, et al. Chemical composition and antifungal activity of essential oil of Cymbopogon citratus (DC.) Stapf[J]. Against Three Phytophthora Species, 2013, 3(8):292-298.
[28] 赵建芬,韦寿莲,陈子冲. 香茅草挥发油的提取及其化学成分分析[J]. 食品研究与开发,2015,19(1):55-58.
[29] 王勇,王瑞祥,李永辉. 新鲜海南柠檬草精油的GC-MS分析[J]. 海南医学院学报,2012,9(1):1 203-1 205.
[30] 邓小勇,谷茂,许伯球,等. SPME/GC-MS法分析柠檬草挥发气体成分[J]. 深圳职业技术学院学报, 2008, 7(2):36-40.
[31] 欧阳婷,杨琼梁,颜红,等. 不同产地香茅挥发油的化学成分比较研究[J]. 林产化学与工业, 2017, 37(1):141-148.
CHEN Jinghui,SHI Hao,ZHANG Qiang,MA Yiyu,WANG Hongxin*
(School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)
ABSTRACT Electronic nose (E-nose) and headspace-solid phase micro extraction-gas chromatography mass spectrometry (HS-SPME-GC-MS) were used together to evaluate and compare volatile compounds of Cymbopogon Citratus extracted by different methods. The ability of E-nose to distinguish volatile components of Cymbopogon Citratus was also evaluated. The results of both E-nose and HS-SPME-GC-MS showed that volatile compounds of Cymbopogon Citratus extracted by water were similar to its essential oil, especially from boiling water. In addition, twenty-four kinds of volatile compounds were analyzed by HS-SPME-GC-MS,such as neroli, geranyl, and geraniol etc. Therefore, Cymbopogon Citratus brewed with boiling water can obtain most of its volatile compounds. E-nose combined with HS-SPME-GC-MS can be used as an effective technique to analyse and discriminate volatile compounds of Cymbopogon citratus, and also for its quality control during process.
Key words electronic(E-nose); head-space solid phase micro-extraction gas chromatography-mass specteometry (HS-SPME-GC-MS); Cymbopogon citratus; volatile components; discrimination