基于气相-离子迁移谱的不同干燥方式下金银花挥发性成分分析

王 燕 ，卢 恒，张敏敏，王 晓，邹晓菊，李丽丽*

1.云南中医药大学中药学院，云南 昆明 650000

2.齐鲁工业大学（山东省科学院），山东省分析测试中心，山东 济南 250014

金银花为忍冬科忍冬属植物忍冬Lonicera japonicaThunb.的干燥花蕾或带初开的花，味甘性寒，气味芳香，具有清热解毒、疏散风热等功效[1]。金银花香气浓郁，甜润感十足，其浓郁的芳香气味源自金银花中挥发性成分[2]。这类成分约占金银花总成分的1%，化学组成复杂，数目繁多，具有显著的抗菌、抗病毒等作用[3]。以金银花挥发性成分为基料制成的产品也越来越多，如金银花露、金银花尾酒酿造的风味食醋[4]、金银花纯化固态发酵酒等[5]。

金银花挥发性成分研究多是采用气相色谱-质谱联用技术（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）。王莹等[6]采用GC-MS法分析金银花与4个来源山金银花挥发性成分的差异；郭向阳[7]采用GC-MS法分析金花、银花以及叶片挥发性成分的异同；侯冬岩等[8]采用GC-MS法分析云南、山东、辽宁等不同产地金银花挥发性成分的差异。GC-MS技术样品提取过程耗时长、检测费用高、谱图解析复杂[9]。GC与IMS技术联合应用，这使得GC的选择性与IMS的灵敏度协同作用。气相离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GCIMS）具有高分离度、高灵敏度、谱图直观可视化的优点且稳定性好、响应速度快、经济，特别适合于一些挥发性成分的痕量分析[10]。GC-IMS首先在气相色谱中进行预分离，然后预分离后的产物离子再根据其在电场中迁移速度的差异进一步分离，得到保留时间、迁移时间、离子强度的三维矩阵，获得更加丰富的化学信息[11]。

新鲜的金银花水分含量高，容易发生褐变，不易保存。已报道的金银花的干燥方式有阴干法、晒干法、低温烘干法、蒸制杀青-烘干法等[12]。金银花挥发性成分的种类和含量受干燥方式的影响，杨金平等[13]基于气相色谱-质谱联用技术研究了烘干对金银花挥发性成分的影响，发现烘干后的金银花中α-胡椒烯、6-十一醇等挥发性成分含量显著降低。已有研究指出[14-15]，蒸制杀青-烘干后绿原酸、木犀草苷等非挥发性药效成分含量明显高于晒干法、阴干法和低温烘干法。但基于GC-IMS的不同干燥方式下金银花的挥发性成分研究尚未见报道。本实验对金银花鲜样分别进行晒干、阴干、低温烘干、蒸制杀青-烘干处理，通过GC-IMS对不同干燥方法下金银花的挥发性成分进行分析，筛选不同干燥方式下的差异成分，为优化金银花干燥方式提供科学依据。

1 仪器与材料

1.1 仪器

Flavour Spec®气相离子迁移谱联用仪，德国G.A.S.公司；CPA225D型十万分之一电子分析天平，德国Sartorius公司；FW100型高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司；FNO烘干脱水温湿度自控仪，郑州福农达农业科技有限公司；ZTXY-101快速水分测定仪，南宁众思盛实验设备有限公司。

1.2 材料

金银花采自平邑金银花标准化种植基地（郑城镇武城村），经齐鲁工业大学（山东科学院）王晓研究员鉴定为忍冬科忍冬属植物忍冬L.japonicaThunb.的新鲜花蕾，品种为大毛花，采收时间为2021年5月19日（二白花期）。将新鲜金银花分别进行晒干、阴干、低温烘干、蒸制杀青-烘干处理，研磨成粉，过药典四号筛，密封备用。不同干燥处理方式如下。

1.2.1 晒干 将新鲜金银花均匀平铺在干燥洁净的竹编簸箕上，平铺厚度约0.3 cm，放于阳光充足处进行自然干燥，自然晒至足干（达到安全含水量10%，含水量使用水分测定仪进行测量，下同），日晒时间共72 h。

1.2.2 阴干 将新鲜金银花均匀平铺在干燥洁净的竹编簸箕上，平铺厚度约0.3 cm，放于阴凉通风处进行干燥，晾至足干，阴干时间共140 h。

1.2.3 低温烘干 将新鲜金银花平摊至不锈钢托盘内，平铺厚度约0.3 cm，使用FNO烘干脱水温湿度自控仪器进行烘干。温控参数设置[16]初始温度为38 ℃，1 h内线性升温至41 ℃，恒温1 h；然后1 h升温至44 ℃，恒温2 h；然后1 h内线性升温至47 ℃，恒温1 h；然后1 h内线性升温至50 ℃，恒温1 h；然后1 h内线性升温53 ℃，恒温1 h；然后1 h内线性升温到57 ℃；再1 h内线性升温至66 ℃，；恒温1 h，下同），烘干至足干，烘干时间共14 h。

1.2.4 蒸制杀青-烘干 将新鲜金银花平铺在蒸笼内，平铺厚度约0.3 cm，放到水浴锅上加热，以上汽时间计算，蒸制2 min[17]，然后再用FNO烘干脱水温湿度自控仪器烘干，烘干至足干，烘干时间14 h。

2 方法

2.1 样品制备

准确称取100 mg金银花粉末于顶空进样瓶中，每种干燥方式平行6份。

2.2 GC-IMS分析条件

顶空进样条件：顶空孵育温度80 ℃，孵育时间15 min，孵育转速500 r/min，进样针温度85 ℃，进样体积200 μL。

GC-IMS条件：色谱柱（FS-SE-54-CB-1，15 m×0.53 mm×1 μm，德国G.A.S.公司）；柱温45 ℃；载气/漂移气为高纯氮气（质量分数≥99.999%）；IMS探测器温度45 ℃；漂移气体积流量为150 mL/min；气相载气体积流量设置为初始体积流量2 mL/min，维持2 min；然后23 min内线性升至100 mL/min；再10 min内线性升至150 mL/min，维持1 min；梯度洗脱时间共36 min。

2.3 数据处理

金银花中挥发性成分，采用仪器配套的GC×IMS Library Search软件，通过内置的NIST气相保留指数数据库和IMS迁移时间数据库进行定性分析。仪器配套的LAV（laboratory analytical viewer）软件用于样品图谱的查看及主成分分析（principal component analysis，PCA），通过Reporter插件和Gallery Plot插件绘制不同样品的差异图谱和指纹图谱，采用Mev软件对数据进行非参数检验。

3 结果与分析

3.1 不同干燥方式金银花外观性状分析

金银花鲜样干燥后，外观性状发生了显著变化，不同干燥方式金银花的外观性状见图1。晒干后的金银花为黄棕色，阴干后的金银花为黄色、绿色相间，低温烘干后的金银花为淡绿色，蒸制杀青-烘干的金银花为黄色且明显皱缩。相比较而言，低温烘干法比其它干燥方式得到的金银花样品外观性状好。

图1 不同干燥方式下金银花的外观性状Fig.1 Appearance characters of LJF with different drying methods

3.2 金银花中挥发性成分定性分析

在GC-IMS中，通过将挥发性成分的气相保留时间和离子迁移时间与GC×IMS Library Search内置的NIST数据库和IMS数据库比对，共定性出48个化合物，包括14个醛类、10个醇类、5个酮类、6个吡嗪类、5个酯类、2个呋喃类、2个酸类、1个吡咯类和3个其他类成分，结果见表1和图2。

图2 金银花中挥发性成分的GC-IMS图 (数字代表定性出挥发性成分，白色代表含量较低，红色代表含量较高)Fig.2 GC-IMS diagram of volatile compounds of LJF (number represents volatile compounds, white represents lower content and red represents higher content)

表1 金银花中挥发性成分Table 1 Volatile compounds identified in LJF

3.3 不同干燥方式下金银花挥发性成分差异性分析

续表1

通过LAV软件中Reporter插件直接对比不同干燥方式下金银花样品的谱图，见图3。该谱图直观的反映了不同干燥方式下金银花挥发性成分的种类和含量差异显著。如图3所示，晒干处理的金银花样品亮点多，挥发性成分更为丰富，部分成分的含量也较高。

图3 不同干燥方式金银花挥发性成分的GC-IMS对比图Fig.3 GC-IMS comparison plot of volatile compounds of LJF with different drying methods

选取低温烘干的金银花样品谱图作为参比，其它干燥处理的谱图扣减参比，得到不同干燥方式下金银花的差异图，见图4。扣减后的谱图中，相同含量物质抵消为白色，红色表示该物质含量比低温烘干后所得物质含量高，蓝色表示该物质含量比低温烘干后所得物质含量低，颜色越深表示差异越大。从图中可以看出同一干燥方式（低温烘干样品1和低温烘干样品2）扣减后的挥发性成分基本抵消为白色，而与其它干燥方式相比色差明显。从图4中可以看出，晒干法与低温烘干法的差异最大，蒸制杀青-烘干法与低温烘干法的差异次之，阴干法与低温烘干法的差异最小。

图4 不同干燥方式金银花挥发性成分的GC-IMS差异图Fig.4 GC-IMS difference plot of volatile compounds of LJF with different drying methods

使用LAV软件对不同干燥方式下金银花的挥发性成分进行PCA，使用PC1和PC2绘制得分图（图5），前2个主成分的累计贡献率为76%。不同干燥方式处理的金银花样品在图中有明显的分离，蒸制杀青-烘干处理的金银花样品聚集在图的左边，阴干和低温烘干的金银花样品在图的右下方，晒干处理的金银花样品在图的右上方。晒干法和蒸制杀青-烘干法的距离最远，差异最大。阴干法和低温烘干法距离最近，差异最小。

图5 不同干燥方式金银花挥发性成分的PCA得分图Fig.5 PCA score diagram of volatile compounds of LJF with different drying methods

使用Mev软件对不同干燥方式的金银花样品两两组别间进行非参数检验（Wilcoxon，Mann-Whitney test），并进行本杰明-霍克伯格校正（Benjamini-Hochberg Correction，FDR），同时计算两两组别之间的倍率。通过P（FDR）值＜0.01和倍率＞2筛选差异化合物。结果显示晒干与蒸制杀青-烘干法、晒干与阴干法、晒干与低温烘干法、低温烘干与蒸制杀青-烘干法、阴干与蒸制杀青-烘干法、低温烘干与阴干法分别含有24、6、11、18、20、5个差异挥发性成分。由此可以发现不同干燥方式下挥发性成分差异显著。其中晒干与蒸制杀青-烘干法，阴干与蒸制杀青-烘干法的差异较大，而晒干与阴干法、低温烘干与阴干法之间差异较小。

3.4 不同干燥方式下金银花GC-IMS指纹图谱分析

为了进一步了解金银花不同干燥方式下挥发性成分的变化情况，通过Gallery Plot插件绘制了晒干、阴干、低温烘干、蒸制杀青-烘干处理的金银花挥发性成分的GC-IMS指纹图谱，结果见图6。每种干燥方式有6个平行样，最右侧为样品名称，底部为挥发性物质的定性结果，未知但差异比较大的成分用数字编号（1～16），每个亮点的颜色越深代表化合物含量越大。

图6 不同干燥方式下金银花挥发性成分的指纹图谱Fig.6 Fingerprint of volatile compounds of LJF by GC-IMS with different drying methods

从图6可以看出，不同干燥方式下挥发性成分组成存在明显的差异，晒干的样品中红色亮点最多，含挥发性成分种类最丰富、部分成分含量较高；蒸制杀青-烘干的样品中红色亮点最少，含挥发性成分种类最少、大部分成分含量较低，2种干燥方式差异最大。将不同干燥方式下金银花样品的指纹图谱分成A、B、C、D、E 5个部分。A区域为5种干燥方式下金银花样品共有的挥发性成分，包括3-甲基丁醛、反式-2-戊烯醛、壬醛、2,3-戊二酮、2-甲基-3-乙基吡嗪、乙酸乙酯等成分。B区域挥发性成分在晒干金银花中含量较高，包括反式-2-辛烯醛、反式-2-庚烯醛、1-辛烯-3-酮、2-丁氧基乙醇、2-乙酰呋喃、2-戊基呋喃等成分，且2-乙酰呋喃和反式-2-辛烯醛在蒸制杀青-烘干样品中未检出。C区域挥发性成分在蒸制杀青-烘干这一干燥方式下含量较高，包括芳樟醇、2,4-庚二烯醛、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪、γ-丁内酯等成分。除了A和C区域，蒸制杀青-烘干在B、D、E区域的挥发性成分含量非常低。D区域挥发性成分在低温烘干金银花中含量较高，包括乙酸甲酯、乙酸己酯、2-甲基丁醇等成分。E区域挥发性成分在阴干金银花中下含量较高，包括苯甲醛、2,3-二乙基-5-甲基吡嗪、2-庚酮、α-蒎烯等成分，而且α-蒎烯在蒸制杀青-烘干样品中未检出。由此可见，挥发性成分的种类和含量可以作为区分金银花不同干燥方式的重要指征[18-19]。

3.5 不同干燥方式下金银花挥发性成分的变化

基于特征挥发性成分的峰体积，比较不同挥发性成分在不同干燥方式金银花样品中的含量。通过GC-IMS技术从不同干燥方式下金银花中一共定性出48个化合物，筛选出34种差异性成分，包括2个呋喃类、1个吡咯类、4个吡嗪类、5个酮类、8个醛类、7个醇类、4个酯类、1个酸类和2个其他类成分。

呋喃类物质具有一种令人愉悦的果香味、甜味[20]，2-乙酰呋喃和2-戊基呋喃在不同干燥方式下的含量次序均为晒干法＞阴干法＞低温烘干法＞蒸制杀青-烘干法。晒干法中2-乙酰呋喃的含量为阴干法、低温烘干法、蒸制杀青-烘干法的2.47、4.19、9.40倍，2-戊基呋喃的含量为阴干法、低温烘干法的1.42、1.83倍，而2-乙酰呋喃蒸制杀青-烘干后未检出。

吡咯类物质具有花香味[21]，2-乙酰吡咯在不同干燥方式下的含量次序为晒干法＞低温烘干法＞阴干法＞蒸制杀青-烘干法，其在晒干法中的含量为阴干法、低温烘干法、蒸制杀青-烘干法的1.36、1.46、4.34倍。

吡嗪类物质具有烤香、坚果香、咖啡香等香味[22]，2-甲基-3-乙基吡嗪和甲基吡嗪均以晒干法含量最高，蒸制杀青-烘干法含量最低，其在晒干法中的含量分别是蒸制杀青-烘干法的3.71、2.04倍。2,3-二乙基-5-甲基吡嗪在不同干燥方式下的含量次序为阴干法＞低温烘干法＞晒干法＞蒸制杀青-烘干法，阴干法中2,3-二乙基-5-甲基吡嗪的含量为晒干法、阴干法、低温烘干法、蒸制杀青-烘干法的1.79、1.53、6.93倍。以上3种吡嗪类物质均在蒸制杀青-烘干法中含量最低，但是2-乙基-3,5-二甲基吡嗪在蒸制杀青-烘干法中含量最高，其在蒸制杀青-烘干法中的含量约为晒干法、阴干法、低温烘干法的1.41、5.14、2.23倍。

1-辛烯-3-酮具有药香味，反式-2-辛烯醛具有青香、脂肪味[23-24]，两者均以晒干法含量最高，蒸制杀青-烘干法含量最低。晒干法中1-辛烯-3-酮的含量为蒸制杀青的2.73倍，而反式-2-辛烯醛在蒸制杀青-烘干后未检出。依据Pei等[25]关于C8化合物在热降解过程中降解的报道，推测1-辛烯-3-酮、反式-2-辛烯醛在蒸制杀青过程中热降解导致含量大幅度下降。2,3-丁二酮具有奶油味[26]，在不同干燥方式下的含量次序为晒干法＞阴干法＞蒸制杀青-烘干法＞低温烘干法，其在晒干法中的含量为阴干法、蒸制杀青-烘干法、低温烘干法的1.55、2.18、2.06倍。

己醛具有青草香、果香[27]，在不同干燥方式下含量次序为晒干法＞蒸制杀青-烘干法＞低温烘干法＞阴干法，其在晒干法中的含量为阴干法、低温烘干法、蒸制杀青-烘干法的1.53、2.06、1.29倍。反式2-庚烯醛具有果香味[28]，在不同干燥方式下含量次序为晒干法＞阴干法＞蒸制杀青-烘干法＞低温烘干法，其在晒干法中的含量为阴干法、蒸制杀青-烘干法、低温烘干法的1.86、2.91、2.71倍。

2-庚醇具有药草香、青香[29]，在不同干燥方式下的含量次序为晒干法＞阴干法＞低温烘干法＞蒸制杀青-烘干法，其在晒干法中的含量为阴干法、低温烘干法、蒸制杀青-烘干法的1.17、1.43、2.49倍。芳樟醇具有花香、青香及木香[30]，对细菌和真菌具有显著的抑制作用[31]，在不同干燥方式下的含量次序为蒸制杀青-烘干法＞晒干法＞低温烘干法＞阴干法，其在蒸制杀青-烘干法中的含量为晒干法、阴干法、低温烘干法的1.66、2.12、1.99倍。2-甲基丁醇[32]具有葡萄味、果味，在不同干燥方式下含量次序为低温烘干法＞晒干法＞阴干法＞蒸制杀青-烘干法，其在低温烘干法中的含量为晒干法、阴干法、蒸制杀青-烘干法的1.31、1.72、6.38倍。

酯类物质具有典型的果香和花香[33]，醋酸乙酯、乙酸己酯、乙酸甲酯均在低温烘干法中含量最高，晒干法中含量次之，阴干法与蒸制杀青-烘干法中含量较低。乙酸乙酯还具有抗炎、抗血栓、保护急性肝损伤等作用[34]。α-蒎烯具有树脂香、松香[35]，在不同干燥方式下含量次序为阴干法＞晒干法＞低温烘干法＞蒸制杀青-烘干法，其在阴干法中的含量为晒干法、低温烘干法、蒸制杀青-烘干法的2.70、3.88、15.52倍。

4 讨论

本研究首次将GC-IMS技术应用于不同干燥方式下金银花的挥发性成分分析。基于GC-IMS技术可以快速、准确的对金银花不同干燥方式下挥发性成分进行鉴别，本研究在金银花中共鉴别出48种成分，包括醛类、醇类、酮类、吡嗪类、吡咯类、呋喃类、酯类、酸类。GC-IMS指纹图谱直观的看出不同干燥方式下挥发性成分的差异。

GC-IMS技术可以对挥发性成分进行定性定量分析，挥发性成分的变化与金银花的风味和药效密切相关。呋喃类成分具有果香、甜味，吡咯类成分具有花香，吡嗪类成分具有烤香、坚果香、咖啡香，酮类成分具有青香、药香，醛类成分具有果香、花香及青香，醇类成分具有花香、青香、药草香，酯类成分具有花香和果香[36-38]。

通过对不同干燥方式下差异挥发性成分的含量对比分析，发现高温蒸制杀青处理的金银花中醛类、醇类、吡嗪类、呋喃类、吡咯类、酯类挥发性成分种类减少、含量大幅度降低，风味明显变淡。造成此现象的原因一方面可能是热敏感、易降解的成分经高温蒸制杀青后损失；另一方面可能是高温蒸制过程抑制了金银花风味物质合成酶的活性[39-40]。晒干法中金银花挥发性成分种类较多，总体含量较高，保留风味最佳，因此，晒干法是将金银花用于香精调制或者卷烟、食醋等日化品加香的最佳干燥方式[41-42]。通过差异分析发现阴干与低温烘干法之间差异较小，这2种方法保留风味物质的能力优于蒸制杀青-烘干法，但次于晒干法。

综上所述，本研究建立了不同干燥方式下金银花挥发性成分的GC-IMS快速分析方法，通过综合比较不同干燥方式对金银花挥发性成分种类、含量以及外观形态的影响，确定晒干法最适合保留金银花的风味，是将金银花制作芳香健康功效的食品、香料的最佳干燥方式。本研究为金银花干燥方式的优化、芳香健康功效及风味品质的研究提供科学理论指导。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突