大戟科木薯皮矿物质及化学成分的波谱分析

陈晓明，李开绵，台建祥，叶剑秋，陆小静，吕飞杰，*

（1.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083；2.中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所，海南 儋州 571737；3.中国农业科学院作物科学研究所，北京 100081）

大戟科木薯皮矿物质及化学成分的波谱分析

陈晓明1，李开绵2，台建祥3，叶剑秋2，陆小静2，吕飞杰3，*

（1.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083；2.中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所，海南 儋州 571737；3.中国农业科学院作物科学研究所，北京 100081）

首次利用电感耦合等离子体发射光谱研究木薯皮的矿物质的种类及含量，又利用超临界及传统提取方法得到木薯皮不同极性部位的化学成分，并通过气—质联用、红外光谱、核磁共振技术等波谱分析方法对木薯皮化学成分做了初步定性分析。结果表明：木薯皮中矿物质含量最高的是K，含量最高为1453.29 mg/100 g干重，Ca含量次之，Na含量位居第三；微量元素中Ni含量最高，为87.22 mg/kg干重；木薯皮中检索匹配度大于90%的化学成分中检测出7-氨基-3-苯基香豆素和东莨菪内酯2种香豆素类物质，其它重要的化学成分有β-谷甾醇、乙酰愈创木酮、N,N'-羰基二咪唑、亚硝酸异戊酯等，以上化学成分均为首次在木薯皮中发现。

大戟科；木薯皮；化学成分；等离子体发射光谱；红外光谱；气-质联用；核磁共振；超临界CO2

木薯（Cassava），别名木番薯、树薯，大戟科（Euphorbiaceae），木薯属（Manihot）。木薯是灌木状多年生作物[1]。木薯的主要用途是食用、饲用和工业上开发利用，块根淀粉是工业上主要的制淀粉原料之一。世界上木薯全部产量的65%用于人类食物，是热带湿地低收入农户的主要食用作物。作为生产饲料的原料，木薯粗粉、叶片是一种高能量的饲料成分。在中国主要用作饲料、提取淀粉以及生产工业酒精。木薯提取淀粉后所残留的废弃物包括木薯皮、木薯渣和废水，其中大量的木薯皮被弃之，而没加以利用。目前国内外鲜有关于木薯皮的化学成分研究的相关报道。但由于木薯属于大戟科，而大戟大部分植物（如大戟狼毒、蓖麻、麻疯树等）都有一定的生理活性[2]，因此利用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）、红外光谱（FT-IR）、核磁共振（NMR）、气-质联用（GC-MS）等先进的波谱检测手段并结合超临界CO2萃取法对木薯皮的无机元素种类和含量及其不同提取部位的化学成分进行了初步分析研究，为木薯的综合利用奠定基础，以期更高地提升木薯的附加值。

1 试验材料与仪器

1.1 原料

试验原料木薯皮由海南省儋州市中国热带农业科学院品质资源研究所提供。先将10个品种（SC-124、SC-205、SC-5、SC-6、SC-7、SC-8、SC-9、SC-10、SC-8013、BRA900）的鲜木薯皮分别在105℃下烘箱杀青，再在50℃下烘干后粉碎过60目筛，最后等量混合，待用。

1.2 仪器设备

MAGNA-560傅里叶变换红外光谱仪：美国Nicolet公司生产；GC-MS联用仪（Finnigen Trace-polaris-Q）：美国THERMO公司；毛细管气相色谱柱（TR-5ms、TR-5和TR-wax）：美国THERMO公司；HPLC-MS联用仪（Waters Alliance 2695 HPLC-ZQ2000 Mass）：美国Waters公司；超临界CO2萃取设备（ISCO SFX-210）：美国；600M核磁共振（ECA-600）：日本JEOL牌；5300DV电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）：美国Pekin-Elmer公司；超声波清洗机（BRANSON-2210）：美国。

2 方法

2.1 矿物质及有害重金属的测定

利用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）分析木薯皮中的无机元素种类和平均含量。仪器分析的主要参数[3-4]为：功率1300W，冷却气流量（Ar）15.0L/min，辅助气流量（Ar）0.02 L/min，载气流量（Ar）0.08 L/min，蠕动泵流量1.5 mL/min。

2.2 木薯皮化学成分分析

利用超临界CO2流体萃取木薯皮粉中易挥发性成分；另外，再通过一定剂量夹带剂增大超临界CO2流体萃取极性成分的能力，以提取较强极性的成分；以及95%乙醇浸提物氯仿萃取部位的分析，这样就可以将木薯皮中非极性、极性及弱中极性3个部分的化学成分萃取出，最后通过气相色谱—质谱联用（GC-MS）分析，同时联合红外光谱（FT-IR）、核磁共振（NMR）等检测手段，对木薯皮的化学成分进行了初步分析。

2.2.1 样品制备

2.2.1.1 超临界CO2萃取物[5]

木薯皮粉3.5 g，萃取条件为：萃取压力50 MPa，萃取温度55 ℃，萃取时间2 h，CO2流速1.5 mL/min。

2.2.1.2 超临界CO2夹带50%的无水乙醇萃取物

木薯皮粉3.5 g，萃取条件为：萃取压力50 MPa，萃取温度55℃，萃取时间2 h，CO2夹带50%的无水乙醇，流速1.5 mL/min。

2.2.1.3 95%乙醇（95%）浸提物氯仿萃取部位

木薯皮粉50g，先用95%乙醇常温浸提8h，浸提3次，合并浸提液，并减压浓缩，再将浓缩物用蒸馏水溶解，最后用氯仿溶剂萃取后浓缩得到检测样品。

2.2.1.4 未知晶体

在超临界CO2夹带50%的无水乙醇萃取物浓缩的过程中析出一种白色方晶。

2.2.2 样品分析条件

GC-EI-MS分析：气相条件为毛细管色谱柱TR-5（30 m×0.25 mm×0.25μm）；进样口温度：250℃；不分流进样，溶剂为氯仿（色谱级），进样量1 μL，载气流量：恒流1 mL/min；

质谱条件：EI源温：250℃，接口温度280℃，质量扫描范围40-650，溶剂延迟时间3 min。

红外光谱（FT－IR）条件[6]:分辨率：4 cm-1；扫描次数20；光谱范围：4000 cm-1～400 cm-1；

核磁共振（NMR）条件：600 MHz，溶剂为氘代二甲基亚砜（DMSO-D6）。由北京清华大学化学系分析中心核磁共振实验室完成。

3 结果与分析

3.1 矿物质及有害重金属含量

通过等离子体-原子发射光谱（ICP-OES）测定木薯皮矿物质及有害金属含量的结果详见表1。可以看出，木薯皮中大量元素有K、Na、Ca、Mg、P、S，其中K含量最高，为1453.29 mg/100 g干重；Ca含量次之，为898.23 mg/100 g干重；Na含量最低为26.26 mg/100 g干重，Na含量较K含量低很多，Na/K比例小，约为1∶55，从植物生理学角度看，木薯皮的“高钾低钠”特点说明木薯适合在高钠盐土壤（盐碱地）生长，并且抗逆能力较强。因为适当提高钾含量能促使作物较好地利用氮，增加蛋白质的含量，并能促进糖分和淀粉的生成；可以增强产品抗碰伤和自然腐烂能力，延长贮运期限；可以提高作物抗逆性，如抗旱、抗寒、抗倒伏、抗病虫害侵袭的能力。

表 1 木薯皮矿物质及有害金属含量Table 1 The average content of minerals and harmful heavy metals of Cassava peel

木薯皮中微量元素Ni含量最高，为87.22 mg/kg干重，Se含量为6.98 mg/kg干重，仅次于Ni。此外Co含量也偏高，为4.67 mg/kg干重。木薯皮中Ni含量较高可能与其生长的土壤本身Ni含量有关，根据文献[7]“海南省地处热带地区,土壤镍含量为0.74 mg/kg～178.31 mg/kg，平均20.32 mg/kg，海南土壤镍含量的地理分异是自北而南,自东向西呈减少现象,山地土壤自基带到黄壤带呈增加的倾向。”

3.2 木薯皮化学成分检测分析结果

3.2.1 超临界CO2萃取物检测结果

超临界CO2萃取物检测结果，见图1。

木薯皮超临界CO2萃取物中共检测出30种化合物，通过自动质谱去卷积定性系统（AMDIS）解决杂质干扰问题，并检索NIST2005谱库定性，最后鉴定出9种检索匹配度（PRO）大于90%的化合物，检测结果详见表2。

其中包括1种烷烃类化合物（十三烷）；1种有机酸（丁基乙醛酸）；2个含N化合物（N，N＇－羰基二咪唑、亚硝酸异戊酯）；2个酮类化合物[2，6双（叔）－2，5－环己二烯-1,4-二酮、2，2-二甲基-3-己酮]；1个酯类化合物（己二酸，二己酯）；2个酚类化合物[2，2＇－亚甲基双－（4－甲基－6－叔丁基苯酚）、己基间苯二酚]。

其中1，1-羰基二咪唑，是一种重要的医药中间体，广泛用做酶和蛋白质黏合剂，抗生素类合成药物中间体，咪唑类农药，特别适于作合成多肽化合物的键合剂使用；2，2＇－亚甲基双－（4－甲基－6－叔丁基苯酚），是一种通用酚类抗氧剂，对氧、热引起的老化和日光造成的龟裂有防护性能。广泛用于天然橡胶、合成橡胶、胶乳及其他多种合成材料和石油制品中作抗氧剂；亚硝酸异戊酯，作为一种药物，是作用最快的亚硝酸酯类短效血管扩张剂，还用作氢氰酸及其盐类中毒的解毒剂。也用作合成香料、重氮化物的溶剂及氧化剂以及制取亚硝基化合物及重氮盐的试剂。

表 2 木薯皮超临界提取物化学成分Table 2 The chemical composition of supercritical carbon dioxide extraction of Cassava peel

3.2.2 超临界CO2夹带50%乙醇萃取物检测结果

超临界CO2夹带50%乙醇萃取物检测结果，见图2。

从木薯皮超临界CO2萃取物中共检测出25种化合物，通过自动质谱去卷积定性系统（AMDIS）解决杂质干扰问题，并检索NIST2005谱库定性，最后鉴定出6种检索匹配度（PRO）大于90%的化合物，检测结果详见表3。

其中酮类化合物有2种[2，6双（叔）－2，5－环己二烯－1，4－二酮、2，2－二甲基－ 3－己酮]；醇类化合物有1种（二丙酮醇）；含氮化合物2种（3，5－二氨基－1，2，4－三唑、2－硝基丙烷）；酚类化合物1种（己基间苯二酚）。

表 3 超临界夹带50%乙醇提取物化学成分Table 3 The chemical composition of supercritical CO2carrying 50%ethanol extraction of the Cassava peel

3.2.3 乙醇（95%）浸提物氯仿萃取部位成分检测结果

乙醇（95%）浸提物氯仿萃取部位成分检测结果，见图3。

从木薯皮超临界CO2萃取物中共检测出25种化合物，通过自动质谱去卷积定性系统（AMDIS）解决杂质干扰问题，并检索NIST2005谱库定性，最后鉴定出9种检索匹配度（PRO）大于90%的化合物，检测结果详见表4。

其中具有药用价值的化合物有：2种香豆素类化合物（7-氨基-3-苯基香豆素、东莨菪内酯）；1种甾体类化合物（β-谷甾醇）；一种酮类化合物（乙酰愈创木酮）。

其中东莨菪内酯具有祛风、抗炎、止痛、祛痰作用；β-谷甾醇具有降血脂、抗癌、抗炎症等作用。乙酰愈创木酮，别名叫乙酰香草酮、香草酮、罗布麻宁等，药理实验证明，对家兔有利胆作用。对大鼠子宫有收缩作用，对蛙心有抑制作用，具有抗关节炎活性，可作为抗氧化剂。

3.2.4 未知晶体结构鉴定

在用无水乙醇作夹带剂的情况下，超临界CO2萃取物用无水乙醇溶解，在50℃水浴中自然挥干的过程中，有白色方形晶体出现。通过红外光谱分析并检索谱库，得出该晶体与蔗糖有97.4%的相似度，红外谱图见图4。

为了进一步确认未知晶体化合物的结构，又通过核磁共振（1H谱、13C谱）分析定性，核磁共振图见图5、图6。

其中13C－NMR（600 MHz，DMSO－D6）δ：104.6（C－2′），92.2（C－1），83.1（C－3′），77.6（C－4′），74.8（C－5′），73.4（C－3），73.3（C－2），72.1（C－5），70.3（C－4），62.60（C－1′），62.62（C－6′），61.0（C－6），与参考文献[8]数据基本一致，故未知晶体被确认为蔗糖。

表 4 95%乙醇提取物的氯仿萃取部位化学成分Table 4 The chemical composition of chloroform extraction of 95%ethanol extraction of Cassava peel

4 结论及展望

木薯皮中主要的矿物质元素K、Na、Ca，其中K含量最高，Ca含量次之，Na含量位居第三。木薯皮中微量元素Ni含量最高，可能与其生长土壤有关。

利用气相色谱-质谱（GC-MS）联用技术检测木薯皮化学成分，通过自动质谱去卷积定性系统（AMDIS）解决杂质干扰问题，并检索NIST2005谱库定性，其中检索匹配度（PRO）大于90%的化合物中利用价值较大的主要有：7-氨基-3-苯基香豆素、东莨菪内酯、β-谷甾醇、乙酰愈创木酮、N,N'-羰基二咪唑、亚硝酸异戊酯。

本文首次对木薯皮中的的化学成分做了初步定性分析，定量分析将在以后的研究过程中完成。在此次研究的过程中发现匹配度（PRO）60%～90%之间的化合物中还含有多种生物碱、香豆素等重要的活性物质。所以今后要对木薯皮的化学成分做进一步的分离纯化以及相关的活性实验，以期不断完善对木薯皮的化学成分及生理活性的研究。

[1]中国科学院中国植物志编辑委员会.中国植物志[M].第44卷,第2分册.北京:科学出版社出版,1996:172-174

[2]李同琴,郭秋红.田质芬.大戟科植物药用历史沿革及价值的探讨[J].中医药学刊，2003，21(8)：1349-1350

[3]刘东艳,张圆力.直接酸提取电感耦合等离子体发射光谱法测定煤中主要成灰元素的方法研究[J].光谱与光谱分析,2000,20(4):514-517

[4]生吉萍,刘灿,申琳.ICP-OES法分析桑椹果实成熟过程中14种矿物元素含量的变化[J].光谱学与光谱分析,2009,29(9):2574-2576

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The Minerals and Chemical Composition of the Spectrum Analysis of the Tegumen of Cassava of Euphorbiaceae

CHEN Xiao-ming1，LI Kai-mian2，TAI Jian-xiang3，YE Jian-qiu2，LU Xiao-jing2，Lü Fei-jie3，*

（1.The College of Food Science＆ Nutritional Engineering of China Agricultural University，Beijing 100083，China；2.Tropical Cropos Genetic Resources Institute of Chinese Academy of Tropical Academy of Agricultrual Sciences，Danzhou 571737，Hainan，China；3.The Crop Science Institute of the Chinese Academy of Agricultrual Sciences，Beijing 100081，China）

The types and content of minerals in the Cassava peel were researched by Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer（ICP－OES）；different polar parts of cassava tegumen chemical composition were extracted throuth making use of Supercritical carbon dioxide and conventional extraction methods，and analysed by gas chromatography－massspectrometry（GC－MS），infrared spectroscopy，nuclear magnetic resonance（NMR）for the first time.The results showed that：Cassava peel mineral content is the highest K content of up to 1453.29 mg/100 g dry weight，Ca content in the second，Na content in third；Ni content of up to 87.22 mg/kg dry weight in the trace elements.7－Amino－3－phenylcoumarin and Chrysatropic acid are detected in the matching more than 90%of the chemical composition.Other important chemical ingredients were β －sitosterol，acetoguaiacone，1，1＇－Carbonyldiimidazole，Isoamyl nitrite，etc.The above chemical composition were found in the first time in cassava tegumen.

Euphorbiaceae；cassava peel；chemical components；ICP －OES；FT －IR；GC －MS；NMR；supercritical carbon dioxide

国家木薯产业技术体系（编号:nycytx-17）；国家公益性行业（农业）科研专项经费项目（nyhyzx07-013）

陈晓明（1977—），男（汉），在读博士研究生，研究方向：天然产物研究与开发。

*通信作者：吕飞杰（1943—），男（汉），研究员，博士生导师，研究方向：大宗农产品加工及天然产物研究。

2011-04-17