葱属植物挥发性物质研究

司民真，张川云，李 伦，张德清

(楚雄师范学院光谱应用技术研究所，云南 楚雄 675000)

1.引言

葱属植物是多年生草本百合科植物，具有杀菌、降血脂、降胆固醇、减少血小板凝集、调节血糖、提高免疫力和抗癌等作用。［1，2］中国共有110种葱属植物，绝大部分的种具特殊的葱蒜气味。国内外对葱属植物如大葱、香葱、洋葱的挥发油成分提取、分离和检测进行过较多的报道，主要方法是采用水蒸气蒸馏萃取 (Steam Distillation，SD)［3，4］、同时蒸馏萃取 (Simultaneous Distillation extraction，SDE)［5—8］等方法萃取葱油，然后进行分析检测。然而，这些方法所需要的样品前处理时间较长，提取试剂用量大、步骤多。固相微萃取 (Solid Phase Microextraction，SPME)是由加拿大Waterloo大学Pawliszyn及其合作者于1990年提出的，由Supelco公司 (美国)1994年推出其商业化产品。与其他常用的挥发性物质测定技术相比，固相微萃取简便、快速、经济安全、无溶剂、选择性好且灵敏度高，集采样、萃取、浓缩、进样于一体，大大加快了分析检测的速度。［9］因此，顶空微萃取－气相色谱/质谱联用法或气相色谱/质谱联用法是目前常用方法，该方法可以对样品中全部或指定成分作定性和定量分析，是一种有效确定化合物分子结构的方法，并且具有灵敏度高的特点。然而，该方法所需要的流程为微萃取—气相色谱柱分离－质谱仪定性或定量，其中，在进行气相色谱分离时需要在较高的温度下进行，可能会引起生物活性分子的结构改变，而且不同萃取头的选取，会对测量的结果有影响。下面就顶空微萃取－气相色谱/质谱联用法或气相色谱/质谱联用法对各种葱属植物挥发性物质的研究进展作一简要介绍，并介绍我们课题组目前用顶空及表面增强拉曼 (SERS)对葱属植物挥发性物质的研究所取得的结果。

2.葱的挥发性物质的研究

大葱、洋葱、细香葱是人们日常生活中常食的蔬菜和调味品，除含碳水化合物和丰富的矿物盐、氨基酸、维生素外，还含有特殊的挥发性香辛物质。为进一步开发利用新的种质资源提供科学依据，杨天慧［10］等利用顶空固相微萃取与气相色谱－质谱联用 (GC—MS)技术对大葱、洋葱远缘杂交后代及其亲本挥发性成分进行分析，5个试验材料的GC－MS分析结果表明，一硫代有机物主要以1－丙硫醇、甲基丙基硫醚、1－乙烯基硫代丙烷为主.其中5个样品中1－丙硫醇的含量最高的为黄皮洋葱，达到总萃取成分的70.98%，最低的为大葱×黄皮洋葱杂交后代种，达到总萃取成分的57.96%。见表1。

这一结果与Zhuomin Zhan对大葱、洋葱的测量结果不一致。Zhuomin Zhan［11］等采用顶空固相微萃取与气相色谱－质谱联用技术对细香葱 (chive)、洋葱 (onion)、大葱 (scallion)、火葱(shallot)的挥发性物质进行了检测，发现四种葱中的主要挥发物质并不一样，分别是细香葱中丙烯醛 (propenal，22.85%)、洋葱中的 2，5－二甲基噻吩 (2，5－dimethyl－thiophene，17.36%)、大葱中的 ［E］－2－已烯醛 (［E］－2－hexenal，39.40%)、火葱中的丙烯醛 (propenal，12.09%)。见表一。

为了测试细香葱的风味成分，刘源［12］等采用手动SPME进样器，75LmCAR/PDMS萃取头，对市售细香葱用顶空固相微萃取气质联用，于45℃ 吸附40min，随后抽回纤维头，再将萃取头插入气相色谱仪于2500C解吸2min。试验条件下共检测到30种化合物，其中主要成分是二丙基二硫醚 (31.94%)、二丙基三硫醚 (16.4%)、1－丙硫醇 (11.27%)、二甲基硫醚 (10.36%)、甲基－2－丙烯基二硫 (6.11%)、1－丙烯－1－甲基硫醇 (3.49%)，占总提取成分的79.57%。见表一。

表1 各种葱的挥发性物质

从表中可见，在杨天慧研究组的研究中，大葱、洋葱及杂交后代葱的主要挥发性物质为1－丙硫醇，显然与Zhuomin Zhan的研究结果不一致，后者的研究洋葱的主要挥发性物质为2，5－二甲基噻吩 (2，5－dimethyl－thiophene);Zhuomin Zhan对细香葱主要挥发物的测定与刘源的测定也不一致，前者所测的主要挥发物为丙烯醛，后者所测的主要挥发物为二丙基二硫醚，这可能与不同研究组的实验条件不同有关。Eila P.Järvenpää［13］等用顶空固相微萃取气质联用方法研究了萃取头吸附时间对洋葱 (fresh onion，Allium cepa L.)挥发性物质的影响，发现吸附时间是1分钟时，主要挥发性气体为丙硫醛 (thiopropanal S－oxide);吸附时间是30分钟时，主要挥发性物质变为丙烯基丙基二硫醚 (Di－1－propenyl propengl disulphide);吸附时间是170分钟时主要挥发性物质变为二丙基二硫醚 (Dipropyl disulphide)，但在整个时间段的所测挥发物中并未见有1－丙硫醇 (1－Propanethiol)，这与杨天慧的实验结果也是明显不同。

3.大蒜挥发性物质研究

大蒜 (Alium sativum L)是百合科葱属的多年生草本植物，以鳞茎、花茎、嫩叶为主要产品。我国是大蒜的主要生产国，约占世界总产量的1/4，鲜蒜及其加工制品除供国内消费外，还大量出口日本、东南亚等国家。由于大蒜具有较高的营养保健功效，使得测定大蒜中挥发性物质成为人们关注的热点。不同的栽培品种能否用顶空固相微萃取—气质联用 (GC—MS)法及主成分分析将其分开，Jessica G.Clemente［14］等进行了这方面的研究，根据他们的研究数据我们可以看出(见表二)，不同栽培品种大蒜的主要挥发性成分为二烯丙基二硫。Ruta Galoburda等对来自于拉脱维亚及法国比利牛斯山的大蒜的不同亚种用相同的方法进行分析，得出两种样品的主要挥发物同样为二烯丙基二硫，其峰面积占总峰面积为90.00%，92.00%。［15］

为了比较不同的提取过程对大蒜的主要挥发物是否会有影响，Sun－Neo Lee等［16］比较了同时蒸馏溶剂提取、水蒸气蒸馏、用固相捕获溶剂萃取、顶空固相微萃取与气质联用研究大蒜的挥发性物质，从所得结果 (见表2)可见，提取方法对主要挥发物成分没有影响，都为二烯丙基二硫。

不同的处理方法，是否会影响大蒜的挥发性物质的相对含量，Na Young Kim［17］等对大蒜采用了八种不同的处理方式即生大蒜瓣 (raw garlic cloves，for short GC)，压榨生大蒜 (raw－crushed garlic，for short CG)，高压蒸汽处理大蒜瓣 (autoclaved garlic clove－AGC)，高压蒸汽处理压榨大蒜 (autoclaved－crushed garlic－ACG)，高温陈化处理大蒜瓣 (aged－black garlic clove－BGC)，高温陈化处理压榨大蒜 (aged－black－crushed garlic－BCG)，烘烤大蒜瓣 (roasted garlic clove－RGC)，以及烘烤压榨大蒜roasted－crushed garlic－RCG)后，用顶空固相微萃取－气质联用法对挥发性物质进行了测定，实验发现八个样品的主要挥发性物质为二烯丙基二硫，但高压处理及烘烤处理后，其二烯丙基三硫、烯丙基甲基三硫含量增高。

表2 大蒜的主要挥发性物质

从上面的研究可见，各研究组对大蒜的主要挥发物的研究结果是一样的，大蒜的主要挥发物为二烯丙基二硫，而不论大蒜的栽种地区是什么地区及栽种品种是什么品种，这预示对大蒜可通过主要挥发物的测定，来进行种的鉴定。

4.韭菜挥发性物质研究

韭菜 (Allium tuberosum Roettler ex Sprengel)多年生草本植物，原产亚洲东南部，全国及世界各地均有栽培，是人们喜爱的蔬菜，花序腌制可做作咸菜，种子可入药，用于胸痛、胸闷、心绞痛、胁肋刺痛、咳嗽、慢性支气管炎、慢性胃炎、痢疾。韭菜中所含的挥发性含硫化合物，既可使韭菜具有特殊的香味，又有降低血脂作用，对治疗高血压及冠心病也有一定的疗效，国内外对韭菜的香味来源作了一些研究但其结果不尽相同。R.S.Mann等［18］用顶空固相微萃取气质联用法得到了韭菜的五种主要挥发性物质是烯丙基甲基硫醚 (allyl methyl sulfide)，二烯丙基二硫醚(diallyl disulfide)，烯丙基甲基二硫(Allyl methyl disulfide)，二甲基二硫醚 (Dimethyl disulfide)及二甲基三硫醚 (dimethyl trisulfide)。而Gongke Li等［19］同样用顶空固相微萃取气质连用法得到了韭菜的五种主要挥发性物质是烯丙基甲基二硫(allyl methyl disulfide)，二烯丙基二硫 (diallyl disulfide)，二甲基三硫醚 (dimethyl trisulfide)以及二烯丙基硫醚(diallyl sulfide)，其中烯丙基甲基二硫的含量达到46.4ug/g。这与Yuji Yabuki［20］用气相色谱和液相色谱分析16个样品得出的结论不同。后者分析得出的主要挥发性物质为二甲基二硫醚 (Dimethyl disulphide)、丙烯基甲基二硫(Allyl methyl disulfide)、甲基丙烯基二硫醚 (Methyl 1－ (E)－propenyl disulphide)、二甲基三硫醚 (Dimethyl trisulphide)。

Mi－Sook Chung［21］对于和韭菜一样同属根茎组的山韭用顶空固相微萃取气质联用法研究其挥发性物质，得出无论是温室种植的还是野生的都是二丙基二硫醚 (Dipropyl disulfide)、丙烯基丙基二硫醚 (Propyl allyl disulfide)为主要挥发性物质，以野生为例，分别占挥发性成分的40.95%和27.3%。为便于比较将上面结果列于表3中。

表3 韭菜及山韭的主要挥发物

5.对藠头和小根蒜的挥发性物质研究

藠头 (Allium chinensis G.Don.)，为多年生宿根草本植物，原产我国，分布广泛:中国，朝鲜，日本以及东南亚等地均可见到，以我国南方各省栽培最多。全株供食用，作蔬菜、调料。鳞茎常用以制腌菜、酱菜。鳞茎入药，古称薤白，为健胃药，也对心脏有益。小根蒜 (Allium Macrostemon Bunge)除新疆、青海外，全国有分布。俄罗斯、朝鲜、日本也有。鳞茎供药用，现为中药中的“薤白”内服有理气、宽胸、散结、祛痰之效，用于痢疾、慢性支气管炎、慢性胃炎等;外用治火伤。由于两者在中药中都作为薤白使用，因此彭军鹏等［22—23］用水蒸气蒸馏石油醚收集后，进行GS－MS分析，其主要结果见表4，从表4可见两者有共同的挥发物为二甲基三硫。但Kameoka等［24］研究了日本产同种植物的挥发油成分，其主要挥发物为二丙基二硫，占总挥发油的30.6%。

表4 藠头及小根蒜的主要挥发物

从上面可见，同是葱属植物但不同的种其主要的挥发性物质不一样;即使是对同一种葱属植物主要挥发性物质的研究，不同文献报道得出的结论不尽相同 (见表1、表3)。这与萃取头的选取、气相色谱仪进样口的温度及解吸时间 (一般在200摄氏度以上)不同有关。由于葱属植物的挥发性物质的热不稳定性，在温度较高时会发生热分解。要在室温下对葱属植物挥发性物质进行检测，必须寻找另外的方法，表面增强拉曼光谱 (SERS)就是满足该条件的方法之一。

6.顶空及表面增强拉曼散射 (SERS)结合对葱属植物的研究

顶空技术通常是与色谱分析联用的一种分析方法，其原理是将待测样品放置于一密闭容器中，静止或加温使待测样品的挥发性组分从样品基质中挥发出来，达到平衡后直接抽取上部气体进行色谱分析，从而检测样品中可挥发性组分的成分及含量。该技术的优势在于直接收集样品中的易挥发成分，无需溶剂提取减少了对分析人员及环境的危害。

表面增强拉曼散射 (Surface－Enhanced Raman Scattering，SERS)是指在纳米级粗糙金属表面或溶胶中，吸附分子的拉曼散射信号比普通拉曼散射信号大大增强的现象。

当单色入射光照射到具有一定粗糙度的贵金属表面时，吸附在金属表面的某些有机物的拉曼散射信号可以得到大大增强，其增强因子可以达到105—106倍［25］。自从1974年，Fleischmann等人［26］首次在粗糙的银电极表面单分子层吡啶吸附物的拉曼散射实验中观察到这种现象，此后SERS逐渐发展为一个非常活跃的研究领域。目前，SERS检测已达到了单分子探测水平［27—28］。

SERS在挥发性气体检测方面的文献较少，1995年Keith T.Carron将SERS与气相色谱结合，获得了苯、甲苯、乙苯及二甲苯的表面增强拉曼光谱［29］。为了远距离、实时、在线检测挥发性有机化合物，P.A.Mosier－Boss研究小组，将表面有硫醇膜的SERS基底安装在热电冷却器上，制成传感器，用该传感器成功获得了有机氯溶剂 (三氯乙烯、氯仿、全氯乙烯)、芳香族化合物(苯、甲苯、乙苯及二甲苯)、甲基叔丁基醚的SERS谱［30］。最近，韩国首尔大学的Kwan kim等将2，6－二甲基苯异腈吸附在聚 (乙烯亚胺)包覆的纳米金上，构建传感器。当传感器探测到植物挥发性有机物，如异戊二烯、法尼醇、(+)－α－蒎烯时，2，6－二甲基苯异腈的N－C伸缩振动峰的峰位会发生移动，从而间接的检测植物挥发性有机物［31］。目前未见用表面增强拉曼光谱技术直接研究植物挥发性有机物的报道。

本课题组用顶空 (headspace)与SERS技术结合的方式，对葱属植物大蒜 (garlic)、韭菜(Chinese chive)、大葱 (scallion)、多星韭、大花韭、木里韭、藠头等的挥发性物质进行初步研究，并与标准样品的SERS谱对比。

大蒜的主要挥发性物质为二丙烯基二硫;大葱挥发性气体SERS谱主要为1－丙硫醇和丙烯基甲基硫醚气体的SERS谱带组成;韭的挥发性气体SERS谱主要以烯丙基甲基硫醚和二烯丙基二硫气体的SERS谱带组成;多星韭挥发物中含有1－丙硫醇成分;大花韭的挥发物中含有丙烯基甲基硫醚和二烯丙基二硫成分;木里韭挥发物中含有二烯丙基二硫、1－丙硫醇、丙烯基甲基硫醚成分;藠头、小根蒜挥发性气体的SERS谱主要为丙烯基甲基硫醚和1－丙硫醇气体的SERS谱带组成。具体见表5。

表5 所测样品主要挥发物

从实验结果看，大蒜的主要挥发物与文献 ［14］、［15］、［16］、［17］的一致都为二烯丙基二硫，大葱的主要挥发物与文献 ［10］一致，主要为1－丙硫醇，韭菜的主要挥发物与文献［18］中的两种一样，即烯丙基甲基硫醚和二烯丙基二硫醚，而小根蒜、藠头的主要挥发物与文献 ［22］、［23］、［24］都不一样;葱属植物不同种的主要挥发物不一样。说明顶空技术SERS结合可直接用于葱属植物的主要挥发物的鉴别研究。从实验的过程看，所得实验结果的重复性好。

某些种类植物在生长过程中会释放出挥发性气体物质，而且这些挥发性气体物质对某一种植物具有一定特异性 (如:根据其气味我们能分辨是大蒜还是藠头)。因此能否用顶空－SERS方法结合化学计量方法进行葱属植物种的分类，该方法是否可用于其他属植物挥发性物质研究，都是非常值得研究的课题，而且，这些研究对合理开发云南省丰富的植物资源具有重要的意义。

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