5种药食兼用菊花挥发性有机物的HS-GC-IMS与指纹图谱

丁云龙 王浩东,2 唐国玮 田 星,3

(1. 湖南中医药大学药学院，湖南 长沙 410208；2. 湖南口味王集团有限责任公司，湖南 益阳 413056；3. 湖南省康德佳林业科技有限责任公司，湖南 永州 425600)

菊花(ChrysanthemummorifoliumRamat.)是一种传统的药食同源植物，有着悠久的食用历史，含有丰富的维生素、矿物质及微量元素。目前，市场上的菊花加工产品种类繁多(如菊花茶饼、菊花酱、菊花酿、菊花茶等)，但关于菊花的研究主要集中在药用菊花生物活性、营养繁殖和栽培技术等方面，而对于食用菊花的风味品质研究则鲜有报道[1-2]。

目前，挥发性风味成分检测的技术主要有固相微萃取—气相色谱—质谱(SPME-GC-MS)[3]、电子鼻和联用技术[3-4]、全二维气相色谱—质谱技术(GC×GC/TOFMS)[5-6]、气相色谱嗅闻分析(GC-O)[7-8]、高效液相色谱(HPLC)[9]以及顶空固相微萃取和气相色谱—质谱联用(HS-SPME/GC-MS)[10]等技术，但上述方法或存在气体传感器阵列漂移现象，或存在检测灵敏度易受温度、湿度、样品性状稳定性等外界环境因素影响，或存在前处理复杂及应对复杂样品分析复杂、对未知成分无法较好地定性等问题[11-13]。

顶空气相色谱—离子迁移谱(HS-GC-IMS)是一种基于气相色谱法和离子迁移谱仪联用的新技术，可以检测未经预处理的液体或固体样品中挥发性有机物的指纹，并能更全面地保留样品的风味物质[14]。由于其具有灵敏度高、响应快、分析高效、样品无需预处理以及操作简便等特点，已被用于食品中挥发性化合物的检测[15-16]，而在菊花挥发性成分分析中的应用较少，尤其是在对不同品种菊花挥发性成分的指纹图谱分析中的应用方面尚未见报道。

研究拟以5种不同品种药食兼用菊花(金丝皇菊、皇菊、杭白菊、亳菊、贡菊)为研究对象，采用HS-GC-IMS技术对菊花中复杂挥发性有机物进行采集和痕量分析，以期为菊花品种和产地鉴别、挥发性风味成分特性的研究和品质控制提供数据支持和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

金丝皇菊、皇菊：湖南省康德佳林业科技有限公司；

杭白菊：杭州巨佳茶叶有限公司；

亳菊、贡菊：安徽常富国药有限公司。

1.1.2 主要仪器设备

顶空气相色谱—离子迁移谱仪器：FlavourSpec®型，山东海能科学仪器有限公司；

分析天平：E02140型，梅特勒—托利多仪器(上海)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 样品处理 取1 g样品置于20 mL顶空瓶中，80 ℃ 孵育20 min后进样。每个样本进行3次平行测定。

1.2.2 HS-GC-IMS测定条件 参考梁天一等[17]的方法并稍作修改，采用顶空气相色谱—离子迁移谱(HS-GC-IMS)对不同品种菊花中挥发性风味物质进行分析。色谱柱类型：MXT-5 (15 m×0.53 mm，1 μm)，分析时间30 min，色谱柱温度60 ℃，载气/漂移气：N2(纯度≥99.999%)。载气流量：初始流量2.0 mL/min，20 min内线性升至100.0 mL/min，保持7 min，运行时间15 min。漂移气流量150 mL/min，IMS温度45 ℃。采用自动顶空进样，其条件为：进样体积200 μL，孵育时间20 min，孵育温度80 ℃，进样针温度85 ℃，孵化转速500 r/min。

1.2.3 数据处理 使用HS-GC-IMS仪器自带的分析软件VOCal分析谱图，应用软件内置的NIST 2014保留指数数据库(美国国家标准与技术研究所)和IMS 2019数据库(山东海能科学仪器有限公司)对5种菊花的特征挥发性风味物质进行定性分析。采用Reporter插件对5种菊花样品的谱图进行直接比对，分析品种间的差异性。运用Gallery Plot插件对5种菊花样品的指纹图谱进行对比，定量比较不同品种菊花之间的挥发性有机物差异。采用Dynamic PCA插件生成动态主成分分析图和相似度分析图，根据样品相似度利用TBtools软件得出关系矩阵，进行5种菊花样品间的动态主成分分析和相似度分析以及快速区分种类。

2 结果与分析

2.1 挥发性有机物的HS-GC-IMS谱图对比分析

如图1所示，不同品种菊花的特征挥发性物质具有不同的HS-GC-IMS特征图谱，其表现为在相同保留时间和漂移时间的情况下，挥发性有机物累积含量以及种类具有明显差异，可以作为区分不同品种菊花指纹特征的依据。李冬玲[18]研究发现，菊花的种源或种是对其挥发性成分含量影响最大的因素。中国菊花品类多，分布广，其生长的地域差异会带来温度、湿度、光照等外界生长环境的差异，从而影响菊花生长过程中的次生代谢反应以及其中小分子挥发性有机物的累计含量和组成，进而导致其品质、成分的差异[19]。因而可通过挥发性有机物的种类增减及含量识别不同品种的菊花。若要进一步对不同品种菊花的挥发性物质变化情况及其差异进行研究，还需对各品种菊花的指纹图谱进行分析[20]。

图1 5种菊花挥发性有机物的HS-GC-IMS定性分析

2.2 挥发性有机物的HS-GC-IMS定性分析

由图1和表1可知，5种菊花中可识别出的挥发性物质共有87种(74种单体及部分物质的二聚体)，对87种物质进行分类，可分为10大类，其中酯类有22种(含4种二聚体)、醇类14种(含2种二聚体)、酮类8种、醛类17种(含4种二聚体)、羧酸类2种、醚类3种、呋喃类3种、噻唑类1种、吡嗪类1种、烯烃类16种(含3种二聚体)。

87种物质中，1,8-桉叶素、莰烯、α-蒎烯等物质在杭白菊和亳菊中含量较低，而在金丝皇菊、皇菊和贡菊中含量较高。其中属于醇类的1,8-桉叶素，有类似樟脑气味的特异芳香味，具有抗炎、抗菌杀菌、抗肿瘤等作用[21-22]，被广泛应用于中药制剂中[23]，同时也可作为食品添加剂使用。属于烯烃类的莰烯具有抗氧化作用，α-蒎烯有显著的松香味[1]，α-松油烯可用作橘子香精香料的调配[24]。

根据物质分类，对87种物质的峰体积数据进行归类加和，得图2。由于物质的峰体积与含量呈正比，因此峰体积值越大，物质的含量越高。根据图2可知，贡菊中挥发性物质的总量明显(P<0.05)高于其他4种菊花，主要是烯烃类物质明显(P<0.05)高于其他4种菊花，这些物质的大量存在使得贡菊具有独特浓郁的香气。由此可知，5种菊花挥发性物质含量由高到低的顺序为：贡菊、金丝皇菊、皇菊、亳菊和杭白菊。

图2 5种菊花中各类挥发性物质峰体积数据柱状图

2.3 挥发性有机物的HS-GC-IMS指纹图谱分析

为了进一步研究不同品种菊花挥发性有机物变化情况及其差异，基于HS-GC-IMS分析软件中的Gallery Plot插件，利用5种菊花样品的二维图谱中的待分析峰生成指纹图谱见图3。由图3及表1可知，5种菊花的特征性风味物质差异性较大。对于不同品种菊花的特征性风味物质进行区域划分：A区域为金丝皇菊的特征峰区域，主要含有β-榄香烯、顺式-石竹烯、肉桂酸乙酯等17种可检出物质；B区域为皇菊的特征峰区域，主要含有α-松油醇、3-蒈烯、香茅醇等22种可检出物质；C区域为贡菊的特征峰区域，主要含有α-水芹烯、1-辛烯-3-醇、乙偶姻等24种可检出物质；D区域为亳菊的特征峰区域，主要含有2-蒈烯、柠檬烯、丁酸丙酯等25种可检出物质；E区域为杭白菊的特征峰区域，与亳菊特征峰区域有很大的重合部分，主要含有乙酸丁酯、乙酸丙酯、柠檬烯等24种可检出物质。菊花中主要存在的挥发性风味物质为烃类及其含氧衍生物(萜类化合物)，与周根等[25]、Yang等[26]的研究结果基本一致。

每一行代表一个样品中选取的全部信号峰 每一列代表同一物质在不同样品中的信号峰 1. 1-甲基-4-(1-甲基乙基)-1,4-环己二烯 2. 2-(4-甲基苯基)丙-2-醇 3. 2,5-二甲基呋喃 4. 2-乙酰基呋喃 5. 正戊酸 6. 4-甲基-1-戊醇 7. α,α-5-三甲基-5-乙烯基四氢化呋喃-2-甲醇 8. 3,7-二甲基-6-辛烯-1-醇 9. 1-丁醇 10. 异松油烯 11. 3,7,7-三甲基二环[4.1.0]庚-3-烯 12. 3,7-二甲基-1,3,6-辛三烯 13. 4-甲基-2-戊酮 14. 2-甲基丁酸乙酯 15. 乙酸戊酯 16. 苯乙酸乙酯 17. 3-苯丙酸乙酯(二聚体) 18. 3-苯丙酸乙酯(单体) 19. 异戊酸甲酯 20. 乙酸冰片酯 21. 2-(4-甲基-3-环己烯基)-2-丙醇 22. [1R-(1R*,4Z,9S*)]-4,11,11-三甲基-8-亚甲基-二环[7.2.0]4-十一烯(单体) 23. [1R-(1R*,4Z,9S*)]-4,11,11-三甲基-8-亚甲基-二环[7.2.0]4-十一烯(二聚体) 24. 2-乙基呋喃 25. 苯甲醛(二聚体) 26. 正庚醛 27. 乙醇(二聚体) 28. 甲醇 29. 2,4,5-三甲基噻唑 30. 乙酸乙酯 31. 乳酸乙酯 32. 异戊酸乙酯 33. β-榄香烯(二聚体) 34. β-榄香烯(单体) 35. 正丁酸 36. 环己酮 37. 肉桂酸乙酯 38. 2-环己烯-1-酮 39. 2-乙基吡嗪 40. 乙酸丙酯 41. 乙酸丁酯(二聚体) 42. 乙酸丁酯(单体) 43. 二甲基硫 44. 二丙硫醚 45. 2-甲基丙醛 46. 1,4-二氧己环 47. 甲基庚烯酮 48. 顺式-2-己烯醛 49. 己醛(二聚体) 50. 己醛(单体) 51. 辛醛 52. 戊醛 53. 苯甲醛(单体) 54. 丁酸丙酯 55. 丙酸丁酯(单体) 56. 丙酸丁酯(二聚体) 57. 糠醛(单体) 58. 糠醛(二聚体) 59. 3-甲基丁醛 60. 乙醇(单体) 61. 丙酮 62. 双戊烯 63. 2-蒈烯 64. 正己醇 65. (2E,4E)-2,4-辛二烯醛 66. 2-甲基丙醇 67. 反式-2-戊烯醛(单体) 68. 反式-2-戊烯醛(二聚体) 69. 反式-2-己烯醛 70. 2-丁酮 71. 三环萜 72. 桧烯(二聚体) 73. 桧烯(单体) 74. 2-蒎烯 75. 樟脑萜 76. 1,8-环氧对孟烷(二聚体) 77. 1,8-环氧对孟烷(单体) 78. 3-羟基-2-丁酮 79. 1-烯-3-辛醇 80. 2-庚酮 81. 2-癸烯醛 82. α-水芹烯 83. 2-环己烯-1-醇 84. 苯甲酸乙酯 85. 乙酸-3-甲基丁酯 86～118. NF(未检出)

表1 5种菊花HS-GC-IMS图谱部分挥发性物质定性结果

2.4 挥发性有机物的HS-GC-IMS动态主成分分析及相似度分析

为了更好地呈现和区分不同品种菊花的挥发性有机物的相关性，采用Dynamic PCA插件程序绘制主成分分析图。由图4可知，从菊花的挥发性成分差异上来看5种菊花样品两两之间的相似度均基本低于70%，说明5种菊花之间的特征性的挥发性有机物有一定的差异，每个样品均有其独特的挥发性成分。同时，菊花品种间的差异以数据为基础，PC1的贡献率为43%，PC2的贡献率为22%，两者之和贡献率达65%，说明这两部分代表了样品的绝大部分信息。5个品种的菊花样本之间的距离较大，说明菊花的品种对于挥发性成分的影响较大，与Yang等[26]的结果，即不同品种菊花的挥发性成分分布具有显著性差异保持一致。

图4 5种菊花挥发性成分的主成分分析结果

3 结论

以5种不同品种的药食兼用菊花(金丝皇菊、皇菊、杭白菊、亳菊、贡菊)为原料，基于顶空气相色谱—离子迁移谱对不同品种菊花的挥发性风味成分进行了综合分析，共检测出87种挥发性有机物，综合比对二维差异图谱和指纹差异图谱表明5种菊花的挥发性有机物累积含量和种类都有显著性差异，采用动态主成分分析对各品种样品进行分离，表明5种菊花之间的特征性风味物质有一定差异。

顶空气相色谱—离子迁移谱可作为菊花挥发性成分分析的有效辅助技术，可通过指纹图谱中特征成分的差异精确区分菊花的品种及地理来源差异，为菊花品种、产地鉴别提供理论依据和数据支持。