基于GC-MS的莱芜大姜秸秆及水提液挥发性成分分析

张一鸣，吕绪强，赵 岩，和法涛，初 乐，葛邦国，高 玲

（中华全国供销合作总社济南果品研究所，山东 济南 250014）

莱芜大姜种植历史悠久，具有个大皮薄、丝少肉细等多种优点，含有丰富的营养元素和挥发性功能成分，如姜烯、柠檬醛、姜醇等[1-2]。莱芜大姜品种优势显著，随着大姜产量逐年提高，姜秸秆处理已成为困扰当地姜产业发展的难题。大姜秸秆最常见的处理方式为晾晒还田或焚烧还田，采用这两种方式处理的大姜秸秆占总量的60%以上，但这两种处理方式均会造成环境污染。除此之外，制备牲畜饲料、发酵有机肥和制作工业建材也是姜秸秆的处理方式，但是由于姜秸秆适口性差、专用处理装备缺失等原因，上述几种姜秸秆加工方式处理量较小[3]。姜秸秆具有浓郁的特征风味，若能对其中的主要风味成分进行鉴定、分离及加工利用，将会为姜秸秆的加工处理带来新思路[4]。

目前挥发性成分分析主要采用顶空固相微萃取（headspace solid-phase micro-extraction，HS-SPME）技术和气相色谱-质谱联用技术（gas chromatograph mass spectrometer，GC-MS）。HS-SPME 可有效萃取待测样品目标成分，提高样品挥发性成分组成分析结果的真实性，提升后续数据分析效率。GC-MS 可实现挥发性物质的分离，结合质谱数据库可实现物质的鉴定。

HS-SPME-GC-MS 技术联用已广泛应用于食品、药品及化妆品的挥发性成分分析与检测，具有成熟的检测依据和良好的分析基础[5-6]。已有研究藜麦秸秆、芦苇秸秆等原料使用该法分析挥发性成分，但目前关于姜秸秆的挥发性成分分析尚未见报道[7-8]。本研究采用HS-SPME-GC-MS 首次对莱芜地区大姜秸秆进行分析，确定其中有效成分，可为姜秸秆加工利用提供理论依据，为莱芜地区姜秸秆处理提供新思路，助力地方农业环境保护，加快农业绿色低碳发展。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

姜秸秆，莱芜大姜秸秆，收集于山东省济南市莱芜区农贸市场。

二烯丙基二硫醚、二烯丙基三硫醚标准品，色谱纯级，美国Sigma 公司；乙腈，色谱纯级，美国TEDIA 公司；其他化学试剂均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

XS 365M电子天平，瑞士普里赛斯仪器有限公司；9Z-0.4 斩草粉碎机，郑州商战机械设备有限公司；TRACE 1300-ISQ 气相色谱-质谱联用仪，美国Thermos公司；2695 型液相色谱仪，沃特世科技（上海）有限公司；顶空固相微萃取手动套装，青岛贞正分析仪器有限公司。

1.3 试验条件

1.3.1 工艺流程

姜鲜秸秆→斩拌粉碎→清洗→提取→检测。

1.3.2 水溶液浸提提取

将姜鲜秸秆用8 刀头斩草粉碎机粉碎3 次，取一定量姜鲜秸秆置于烧杯中，按纯水∶秸秆=10∶1（V∶V）加入一定量纯水，在水浴锅中设置温度40 ℃提取30 min后，取出水提液，4000r/min 离心10min 后取上清液待测。

1.3.3 挥发性成分测定

参考毕德春[4]、张一鸣等[5]的方法。在破碎机中加入姜鲜秸秆或水提液样品1 g、蒸馏水15 g、20%氯化钠溶液2.4 g 和1%氟化钠溶液1.6 g，打浆混匀后取5 g 溶液，加入32.88μg/mL的2-辛醇200μL作为内标物，置于20mL顶空瓶中，待测。

顶空固相微萃取：经老化处理后纤维萃取头的萃取深度18 mm，萃取时间35 min，萃取温度40 ℃，萃取时振摇；进样深度35mm，脱附时间300s 后，进行GC-MS分析。

GC 条件：色谱柱选择TG-WAX MS（30 mm×0.25 mm，0.25 μm），选择氮气为载气，进样温度250 ℃；流速1.660 mL/min。

MS 条件：离子源温度为250 ℃，电子轰击离子源能量70 eV。扫描方式为全扫描，质量扫描范围m/z50～500。

1.4 数据分析

挥发性成分数据通过GC/MS 工作站软件Xcalibur自带的NIST 标准库自动检索各组分质谱数据，结合质谱裂解规律确定其化学成分，仅对能予以定性的物质（SI和RSI值大于800）进行探讨，定量方法采取峰面积归一法计算各成分的相对含量。

2 结果与分析

2.1 姜秸秆GC-MS 分析结果

采用GC-MS 对姜秸秆成分进行检测，得到的总离子流图如图1所示。根据NIST 质谱数据库检测分析并定性定量，共检出80 种高于检测限且RSI 值大于800 的成分，其名称及含量见表1。

图1 姜秸秆挥发性成分总离子流图Fig.1 Total ion flow diagram of volatile components in ginger stalk

由表1 可知，姜秸秆共包含挥发性成分80 种，其中烯类33 种、醇类17 种、烷类9 种、酮类8 种、醛类5 种、酯类2 种、苯类2 种、其它成分4 种。得到鉴定的成分峰面积之和占色谱总峰面积的99.38%，含量最高的5 种成分依次为石竹烯、β-蒎烯、香叶醇、α-法尼烯、月桂烯，它们在总挥发性成分中的含量占比分别为34.49%、10.65%、5.30%、3.54%、3.08%，5 种成分总量占全部挥发性成分总量的57.06%。

表1 姜秸秆挥发性成分明细及含量Table 1 Details and content of volatile components in ginger straw

石竹烯是一类双环倍半萜类化合物，天然存在于柠檬、园柚、肉豆蔻、胡椒、覆盆子、黑加仑、肉桂叶油、丁香叶油中，具有辛香、木香、柑橘香、樟脑香，温和的丁香香气，可作为香精香料化妆品的原料，同时具有局部麻醉、抗炎、驱蚊虫、抗焦虑、抗抑郁等作用，存在一定的医学研究价值[9]。β-蒎烯是重要的人工香料原料中间体，目前全世界每年所消耗的萜烯合成香料约有2 万t，其中大部分中高档合成香料，如松油烯、柠檬烯等是由β-蒎烯合成的[10]。香叶醇是玫瑰系香精的主要添加剂，也可作为增甜剂，具有抑制细胞氧化应激、减轻血管内皮炎症反应，从而抗动脉粥样硬化，调节血胆固醇、三酰甘油代谢紊乱和抗多种肿瘤细胞增殖等作用[11-13]。法尼烯因具有高十六烷值和较低的碳排放，被认为是极具潜力的航空航天领域新型生物燃料[12-14]。月桂烯又名香叶烯，具有令人愉快的甜香脂气味，是香料化妆品产业中最重要的化学品原料和中间体之一，如合成薄荷、柠檬醛、香茅醇、香叶醇、橙花醇和芳樟醇等，月桂烯在天然植物的精油中含量很少，远不能满足香料化妆品工业的要求[15-16]。

续表

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2.2 姜秸秆水提液GC-MS 分析结果

采用GC-MS 对姜秸秆水提液成分进行检测，得到的总离子流图如图2（见下页）所示。根据NIST 质谱数据库检测分析并定性定量，共检出77 种高于检测限且RSI值大于800 的成分，其名称及含量见表2（见下页）。

图2 姜秸秆水提液挥发性成分总离子流图Fig.2 Total ion flow diagram of volatile components in water extract of ginger stalk

由表2 可知，姜秸秆水提液共包含挥发性成分77种，其中烯类25 种、醇类18 种、烷类6 种、酮类13 种、醛类2 种、酯类6 种、呋喃类2 种、其它5 种。得到鉴定的成分峰面积之和占色谱总峰面积的95.23%，含量最高的5种成分依次为石竹烯、2- 壬酮、香叶醇、橙花醇、芳樟醇，它们在总挥发性成分中的含量分别为13.00%、10.29%、8.84%、5.45%、5.39%，5 种成分总量占全部挥发性成分总量的42.97%。

表2 姜秸秆水提液挥发性成分明细及含量Table 2 Details and content of volatile components in water extract of ginger straw

续表

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相比秸秆中前5 种挥发性成分总量，水提液中2-壬酮、橙花醇、芳樟醇提取率较高，分析原因为2- 壬酮、橙花醇、芳樟醇相比β-蒎烯、α-法尼烯、月桂烯亲水性更好，以水作为提取溶剂时溶出较多。2- 壬酮呈果香、脂肪香和乳酪香，可用于有机合成中间体及制备香料，天然存在于草莓、干酪、姜等原料中[16]。橙花醇是香叶醇的异构体，香气较平和，微带柠檬样的果香，抑菌效果显著[17]。芳樟醇不仅可作为合成香精的原料之一，同时具有一定的抑菌功能[18-19]。

3 小结

姜秸秆挥发性成分中存在多种稀有的工业香精合成原料和中间体，如石竹烯、β-蒎烯及香叶醇等，水浸提法可提取部分姜秸秆中挥发性成分，如石竹烯、香叶醇等，可考虑采用蒸馏法、超临界萃取、亚临界萃取等方式进一步提高挥发性成分提取率[20-21]。姜秸秆水提液中部分挥发性成分如石竹烯、香叶醇、橙花醇、芳樟醇等具有显著的抗炎、抑菌、抗氧化等功效，经浓缩纯化后可用于液态化妆品或具有一定功能性的口服美容类食品中[12,17-19]。姜秸秆产量巨大，作为香料、香精及化妆品加工产业原料的成本较低，且姜秸秆的再加工利用，有利于大姜产地的环境保护，可以助力我国碳达峰、碳中和。本研究采用水提法对莱芜大姜秸秆进行成分提取，利用气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）对秸秆及秸秆水提液的挥发性成分进行分析鉴定，结果得出，姜秸秆鉴定出80种，峰面积之和占总峰面积的99.38%；姜秸秆水提液鉴定出77 种，峰面积之和占总峰面积的95.23%。采用内标法对各成分进行定量分析，确定姜秸秆挥发性成分含量最高的五种成分及含量占比为石竹烯34.49%、β-蒎烯10.65%、香叶醇5.30%、α-法尼烯3.54%、月桂烯3.08%，姜秸秆水提液挥发性成分含量最高的五种成分及含量占比为石竹烯13.00%、2-壬酮10.29%、香叶醇8.84%、橙花醇5.45%、芳樟醇5.39%。姜秸秆挥发性成分丰富，可作为香料、香精及化妆品加工产业原料，成本较低，本研究结果将能为姜秸秆的再加工利用提供基础。