4种山姜属植物的傅里叶变换红外光谱分析

刘 艳，司民真，李家旺，张川云，张德清，李 伦，熊 洋

(1.云南师范大学物理与电子信息学院，云南昆明 650500;2.楚雄师范学院光谱应用技术研究所，云南省高校分子光谱重点实验室，云南楚雄 675000)

山姜属植物(Alpinia)是姜科姜亚科姜族的一大属，全世界约有250种植物，主要分布于亚热带地区。该属植物具有重要的药用价值，特殊的辛香气味，含有多种有效成分，有散寒燥湿、消食止痛、暖胃止呕等传统功效，还具有抗癌、抗血栓、降血压血脂血糖、抗氧化等药理活性，临床上常用于脾胃寒证、胃寒呕吐、食积不化等症［1］。红豆蔻(A.galanga(L.)Willd)、云南草蔻(A.blepharocalyx K.Schum)、草豆蔻(A.katsumadae Hayata)、长柄山姜(A.kwangsiensis T.l.Wu＆Senjen)是姜科姜亚科山姜属植物，草豆蔻、红豆蔻等已被收录于中国药典。近年来对山姜属植物的研究多集中在药物化学成分、药理活性、单一化合物的提取等，所用到的方法有蒸馏法提取法、气相－质谱联用法(GC－MC)［2］、高效液相色谱方法(HPLC)［3］等。与研究药物生物活性的方法相比，傅里叶变换红外光谱法具有操作简单、灵敏度高、用样少、制样简单、重复性好等优点。笔者在此将利用傅里叶红外光谱法对草豆蔻、红豆蔻、云南草蔻、长柄山姜4种山姜属植物的红外光谱进行比较分析，为其合理的开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验仪器 红外光谱仪为Thermo Scientific NicoletTMiSTM5 spectrometer傅里叶变换红外光谱仪，扫描范围4 000～400 cm－1，分辨率4 cm－1，扫描次数16 次。

1.2 试材 草豆蔻、红豆蔻、云南草蔻、长柄山姜，采自于西双版纳。

1.3 样品制备、检测及数据处理 样品清洗后晾干，经粉碎后过100目筛，取适量进行研磨成粉末，按1∶100加入溴化钾搅磨均匀，压片测红外光谱。同一种植物测4次，用于计算平均光谱。光谱均扣除溴化钾背景，光谱数据用Omnic8.0软件处理。

2 结果与分析

2.1 4种山姜属植物的红外图谱 4种山姜属植物的原始红外光谱图如图1所示，其各吸收峰的峰位及官能团振动方式以及归属如表1所示。为了进一步分析它们之间的异同，将1 600～1 400、1 300 ～1 000 cm－1波段进行二阶导数处理(图2)。二阶导数谱最大的优势就是将原来重叠的峰区分开来，增加图谱分辨率，将原来重叠的特征峰分为多个吸收峰，使得图谱差异更为明显。

图1 4种植物的原始红外光谱图

表1 山姜属植物主要的吸收峰位置、振动方式及主要归属

图2 在1 600～1 400 cm－1(a)和1 300～1 000 cm－1(b)波段4种植物的二阶导数光谱图

2.2 4种山姜属植物的红外光谱对比分析

2.2.1 相似性。从图1可以看出，4种药材在3 417、1 636、1 045 cm－1附近有强峰出现，在 2 927、1 733、1 516、1 457、1 419、1 397、1 369、1 327、1 253、1 152、1 102、1 069、898 cm－1附近均有吸收峰出现。姜的主要化学成分复杂，有100多种［5］，根据近年来对该属植物化合物的研究，其主要的化学成分为挥发油类、黄酮类和二苯基庚烷类化合物等［6］，以此作为参考，由4种植物的红外光谱结合文献［5－14］，对其物质成分及药理活性作如下分析:

(1)在3 000～2 800 cm－1范围内是饱和烷烃的特征谱带，为亚甲基碳氢伸缩振动，是挥发油类特征的表现。4种植物在2 927、2 854 cm－1附近有吸收峰出现，可推测含有挥发油。4种药材在1 733 cm－1附近有C=O的吸收峰，在1 045～1 029 cm－1附近有强度较强、峰形尖锐的吸收峰，均伴有1 102 cm－1附近的肩峰，说明分子中含有大量C－O基团，表明山姜属植物中含有强心苷成分，有加强心肌收缩力的作用。在1 369、1 253 cm－1附近有C－O键伸缩振动所导致的吸收峰，表明其中含有萜类物质，属于含氧衍生物。萜类化合物有溶血作用，能疏通血脉、祛除瘀血，这充分验证了药材已有的抗血栓药理活性。芳香杂环的骨架振动在1 600～1 500 cm－1范围内［9］，四者均出现了1 516 cm－1吸收峰，表明山姜属植物含有芳香族化合物［10］。在 2 927、2 854、1 733 cm－1附近四者均出现了脂类的红外特征峰，表明其含有脂肪族化合物。挥发油主要是由芳香族化合物、萜类化合物、脂肪族化合物组成的［8］，因此，植物中含有大量的挥发油。挥发油具有抑制血小板聚集、预防血栓形成的作用，能够改善局部血液循环。挥发油中的含氧衍生物大多有较强的香气和生物活性，是医药、化妆品工业的重要原料［11］。

(2)图1 中，4 种植物在3 417、1 419、1 397、1 327、1 253、1 045 cm－1附近的吸收峰有官能团羟基苯环的存在［9］。结合图2 可得，1 497、1 298、1 244、1 171、1 037 cm－1附近有吸收峰出现，说明有甲氧基苯环的存在［6］。898 cm－1附近的吸收峰是苯环上取代基位置引起的。根据双苯基庚烷类化合物的结构式，以庚烷骨架为母核，芳基上的取代基为羟基或甲氧基［12］，因此可以推测这几个峰有可能是二苯基庚烷类化合物的特征峰。这类化合物是山姜属植物中的一大主要成分，药理作用广泛，有抗炎、镇痛、抗肿瘤、抗氧化的生物活性［13］。双苯基庚烷类化合物的这些特征峰在红外图谱(图1～2)上出峰相对较强，在山姜属植物中的含量较高，这与安宁等研究的结论［6］相吻合。对比四者图谱上的这些特征峰，红豆蔻相对较强，可以推测红豆蔻中双苯基庚烷类化合物含量最高，但对其药理作用强弱的影响还有待进一步深入研究。

(3)3 417、2 927、2 854、1 636、1 457、1 391、1 369 和1 045 cm－1为β-谷甾醇的红外指纹特征峰，这是山姜属植物含有的非挥发性物质β-谷甾醇，具有降低血清胆固醇、抗炎防癌的功效［12］。4种植物在3 417 cm－1附近的0－H键的伸缩振动强宽峰及1 200～1 000 cm－1区的C－O伸缩振动，说明含有糖类物质。898 cm－1附近有多糖成分β-型糖苷键的吸收峰，因此说明4种植物含有多糖成分，且为β-多糖［13］。糖类有增强人体免疫的功能，与人类的生活息息相关。结合图2b，4种植物在1 300～1 000 cm－1的峰位、峰形大不相同;1 204、1 159、1 124、1 105、1 075、1 037、1 021 cm－1附近的吸收峰有很大差异，这应该是多糖的种类和多少不同造成的。

(4)在1 636、1 516 cm－1附近的吸收峰，分别是酰胺Ⅰ带、酰胺Ⅱ带的特征峰，相应于3 417 cm－1附近强宽峰中N=H和O－H振动吸收，说明4种植物中含有氨基酸。在1 734～1 725 cm－1范围内的吸收峰归属为鞣质类、黄酮类等活性成分的C=O 伸缩振动［9］，对应于2 925、1 045 cm－1附近的吸收峰，说明有鞣质成分，鞣质具有收敛止血的作用［14］。如图1，在1 600～1 400 cm－1范围内出现多个吸收峰，峰形、峰位大体相似，是由苯环的骨架振动所引起的［7］;如图2b，二阶导数1 200～1 000 cm－1范围内有多个吸收峰，差异较大，它的强峰1 203、1 159、1 129、1 078、1 037 cm－1所对应的是 C － O 单键的伸缩振动，898 cm－1附近的吸收峰是苯环上取代基位置引起的。由此可知，药材中含有羟基、羰基、不同位置取代的苯环、碳氧单键等官能团，可以确定含有大量的黄酮类化合物和少量的鞣质类，有抗肿瘤、抗氧化、抗炎镇痛、保肝、降压降脂的药理活性。

以上说明同属不同种植物的化学物质大体相同，4种植物均具有挥发油、强心苷、β-谷甾醇、二苯基庚烷、黄酮、鞣质、多糖、氨基酸等。

2.2.2 不同点。

2.2.2.1 峰位改变明显，出现多峰或缺峰现象。红豆蔻的吸收峰1 725 cm－1相比其余三者羰基的吸收峰(1 733 cm－1)而言，移了8个波数。云南草蔻在1 508 cm－1附近有吸收峰，其余三者在1 516 cm－1附近有吸收峰出现，移了8个波数。四者在1 327 cm－1附近均出现了吸收峰，但相对强度明显不同，依次为红豆蔻＞草豆蔻＞长柄山姜，而云南草蔻的此峰极其微弱。红豆蔻、草豆蔻在1 253 cm－1出现吸收峰，云南草蔻和长柄山姜分别出现在1 243、1 241 cm－1，分别移了10、12个波数。四者对比，云南草蔻多了1 213、1 029 cm－1附近的吸收峰。

2.2.2.2 峰形不同，种间药材的关系有远近，相关系数有差异。在二阶导数1 600～1 400、1 200～1 000 cm－1波段中，如图2a虚线框出的区域中，1 517 cm－1右边、1 497 cm－1左边，肩峰形状以及有无肩峰不一致，说明所对应的化合物较复杂。同时，云南草蔻、红豆蔻缺1 443 cm－1附近的峰。对比红外图2a和2b的峰，其中差异最大的是1 200～1 000 cm－1，这个波段的峰主要来自于糖类的贡献，无论从峰形、峰位还是峰强来看，此波段差别最明显，说明4种植物中糖的种类以及相对含量不同。利用此波段进行相关性分析，相关系数越大的关系越近，相关系数越小的关系越远［15］。从表2可看出，云南草蔻与草豆蔻的相关系数为0.691，红豆蔻与草豆蔻的相关系数为0.678，长柄山姜与草豆蔻和云南草蔻的相关系数为0.622，长柄山姜与红豆蔻的相关系数为0.204，云南草蔻与红豆蔻的相关系数为0.183;相比之下，云南草蔻与草豆蔻的相关系数最大，关系最近，云南草蔻和红豆蔻的相关系数最小，关系最远。凭借着这些特征的差异性可以初步区分4种姜科植物。

表2 4种山姜属植物的相关系数

2.2.2.3 有些峰强不同，说明它们含有相同的化学成分，但含量不同。由于化合物分子振动容易受到外部环境的影响，因此在4种植物中相差5 cm－1以内的峰作为同一官能团振动的峰，选取其中一个代表峰来作分析。1 734～1 725 cm－1归属为鞣质类、黄酮类等活性成分的C=O伸缩振动，1 029～1 068 cm－1处为糖类成分C－O伸缩振动［14］，用4种药材鞣质类、黄酮类特征峰(C=O)与糖类成分特征峰(C－O)的吸光度比值来表示鞣质、黄酮类化合物的相对含量。在红外图谱上，糖类、蛋白质具有明显的红外指纹特征，用吸光度比A1045/A2925和A1635/A2925分别表示4种植物中糖类和蛋白质的相对含量，由表3可知，糖类(A4/A1)相对含量依次为云南草蔻＞草豆蔻=红豆蔻＞长柄山姜，蛋白质(A3/A1)相对含量依次为草豆蔻＞红豆蔻＞云南草蔻＞长柄山姜，鞣质类、黄酮类(A2/A3)相对含量依次为长柄山姜＞云南草蔻＞红豆蔻＞草豆蔻。根据这些不同点，4种植物的药理活性强弱也可能不同。相对来说，糖类的免疫活性中云南草蔻最强，蛋白质的活性中草豆蔻最强，鞣质、黄酮的收敛止血、保肝、抗氧化等活性中长柄山姜最强。

表3 4种山姜属植物代表峰的吸光度及吸光度比值

3 结论

该研究对4种山姜属植物的红外光谱图进行对比，分析比较其图谱的差异。结果表明，4种山姜属植物均有挥发油、二苯基庚烷、β－谷甾醇、强心苷、糖苷、蛋白质、黄酮类及少量的鞣质等化合物;不仅图谱峰形、峰位、峰强有所不同，1 600～1 000 cm－1范围内的二阶导数差异较为明显，且有些化合物的相对含量也不同。如云南草蔻的糖类相对含量较多，草豆蔻的蛋白质较多，鞣质、黄酮的相对含量四者相当。总结山姜属植物的药理活性，有抗氧化、抗肿瘤、抗血栓、降血压血脂等，推测其相关的官能团，这为进一步加强姜科植物的生物活性研究以及开发与利用提供一个辅助。

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