不同干燥方式对丹参挥发性成分的影响

王雨晨,张敏敏,赵恒强,刘 伟,李 强,崔 莉*,王 晓

(1.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;2.山东中医药大学,山东济南 250355)

丹参为唇形科植物丹参(SalviamiltiorrhizaBunge.)的干燥根和根茎[1],为我国传统中药,具有活血祛瘀、通经止痛等功效,用药历史悠久且地域分布广泛。采后干燥是丹参生产中的必要环节,其传统的干燥方式主要是阴干与晒干,受地域、气候、天气影响较大[2],且效率较低,随着现代干燥技术的发展,已逐渐发展出热风干燥、真空冷冻干燥等干燥方式,目前由于产地采收加工与炮制方法参差不齐,导致丹参药材、饮片等质量差异很大[3-4],因此采用现代分析技术更好地评价和调控丹参的品质,对于提升丹参的质量稳定性至关重要。

丹参中有多种化学成分,目前对脂溶性的二萜醌类化合物和水溶性的酚酸类成分的相关研究较深入,但对其挥发性成分的研究报道相对较少[5-6],主要集中在丹参花、茎、叶、根等不同部位的挥发性成分组成,不同产地丹参的差异性比较,挥发性成分的活性评价等方面[7],对丹参干燥加工中挥发性成分变化的研究鲜见报道。研究显示丹参中挥发油具有抗氧化、抗阿尔茨海默病等功效[6],在药材的传统质量评价中,气味也是十分重要的评价指标[8],因而挥发性成分也是药材真伪和质量优劣的重要影响因素。

目前丹参挥发性成分研究主要采用气相色谱质谱联用技术(GC-MS),如周晓希[9]以萜类化合物为丹参挥发性成分的指标,采用GC-MS法对24个产地的丹参进行了分类评价;冀海伟等[10]从丹参根中鉴定出17种化合物,证实根中挥发性成分与茎、叶、花中差异较大。陈康健等[11]采用GC-MS技术在丹参根中分析鉴定出9种化合物,相对含量之和占总含量的5.67%。气相色谱-离子迁移谱技术(GC-IMS)是近年来新兴的一种气味分析技术[12],较GC-MS等相关技术具有快速高效、灵敏度高、前处理简单等优点[13],非常适合挥发性有机气体成分的快速鉴别与检测[14]。近年来越来越多地应用于中药材的鉴别、加工、质量控制等方面[15-17],但在丹参中相关应用研究鲜见报道。因此,该研究拟应用GC-IMS技术分析不同干燥方式对丹参挥发性成分的影响,以期为丹参的加工及质量控制提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料丹参采自山东省济南市莱芜紫光生态园种植基地,经山东中医药大学李佳教授鉴定为唇形科植物丹参(SalviamiltiorrhizaBunge.)。选择大小粗细均匀、无损伤的一年生样品,样品在采摘后剪去地上部位,用流动水冲洗表面泥土,沥干水分后备用。

1.2 仪器设备FlavourSpec®型气相离子迁移谱联用仪(德国 G.A.S.公司);FW100 型高速万能粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司);GZX-9140 MBE 型数显鼓风干燥箱(上海博迅实业有限公司医疗设备厂);MS205DU 型电子分析天平[梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司];Epsilon 2-4真空冷冻干燥机(德国Marin Christ公司)。

1.3 试验方法

1.3.1丹参的干燥处理。将丹参随机分成6组,单层平铺于托盘中,分别进行不同的干燥处理:晾干,即置于室内阴凉处,在室温下自然晾干;晒干,即置于室内向阳的窗户处,在室温条件下自然晒干;热风干燥,于鼓风干燥箱内进行,分别采用温度为40、60、80 ℃;真空冷冻干燥,冷阱温度为-70.4 ℃,绝对压力为0.204 hPa。干燥过程中进行称重,当前后2次测得的质量差小于0.1 g时,停止干燥。

1.3.2GC-IMS分析。将干燥后的丹参去除须根,置于粉碎机内粉碎,过5号筛,精密称定丹参粉末约1 g,放入20 mL色谱顶空瓶内。色谱柱为Multicapillary SE-54 毛细管色谱柱(0.32 mm×30 m,0.25 μm),柱温60 ℃,分析时间35 min。顶空进样时,孵化温度80 ℃,在转速500 r/min的条件下孵育15 min,进样体积为100 μL,载气程序为在20 min内从2 mL线性上升至150 mL,IMS温度为60 ℃。

1.3.3软件分析。采用仪器配套的GC×IMS Library Search软件进行挥发性成分的定性分析,比较不同挥发性风味成分的保留时间和离子迁移时间,并通过内置气相保留指数数据库(NIST)和离子迁移谱数据库(IMS)进行匹配。采用LAV(laboratory analytical viewer)软件查看分析图谱,从而对丹参的挥发性成分进行定量分析。利用LAV软件的Gallery Plot和Reporter插件,获得指纹图谱及差异图谱,采用origin软件进行主成分分析并作图。

2 结果与分析

2.1 丹参样品的GC-IMS谱图分析比较不同挥发性风味成分的保留时间和离子迁移时间,并利用 GC-IMS中 Library Search 内置数据库进行匹配[16],从而对丹参挥发性成分进行定性分析,如图1所示,水平方向表征离子迁移时间,竖直方向表征气相色谱保留时间,最左侧为归一化处理后的反应离子峰(RIP),RIP均为8.22 ms,RIP峰右侧的点代表丹参干燥后所含有的挥发性成分,点的颜色深浅反映成分含量的多少,点的颜色越红,则该组分的含量越多。真空冷冻干燥的丹参深色点的数目很少,即挥发性成分的种类和含量明显少于其他5种干燥方式,在姬松茸、冬笋等的相关研究中也得到相似的结论[18-19],推测可能长时间处在低压的环境下,沸点较低的物质(酯类、烃类等)会挥发损失[19],同时干燥温度较低,丹参无法发生美拉德等化学反应,因而未产生新的挥发性成分。另外5种干燥方式处理的丹参样品中挥发性成分的数量差异不大。A区域为晒干、晾干和热风干燥共有的化学成分,真空冷冻干燥的丹参样品中没有此成分。B区域为真空冷冻干燥样品中颜色较深的点,可以作为真空冷冻干燥丹参的特异性成分。C区域为80 ℃热风干燥的丹参区别于其他干燥方式含量较多的化学成分。

注:a.真空冷冻干燥;b.晾干;c.晒干;d.40 ℃热风干燥;e.60 ℃热风干燥;f.80 ℃热风干燥。Note:a.Vacuum freeze-drying;b.Air drying;c.Sundrying;d.40 ℃ hot air drying;e.60 ℃ hot air drying;f.Dry with hot air at 80 ℃.图1 不同干燥方式丹参中挥发性成分的GC-IMS谱图Fig.1 GC-IMS diagram of volatile components in S.miltiorrhiza with different drying methods

2.2 丹参中挥发性成分的定性分析从表1可以看出,采用GC-IMS分析,在真空冷冻干燥的样品中鉴定出24种挥发性成分,在晾干、晒干和40 ℃热风干燥的丹参样品中,鉴定出的挥发性成分一致,均为30种,在60 ℃热风干燥的样品中鉴定出29种,在80 ℃热风干燥的样品中鉴定出25种挥发性成分。

选择40 ℃热风干燥的丹参进行分析,根据图2中的特征峰分布选取位置点,在鉴定出的30种化合物中,其中有9种醇类化合物、7种醛类化合物和4种酮类化合物。除此之外,还有酯类化合物、呋喃、有机酸、吡嗪、噻唑和硫醚。其中一部分挥发性成分可在离子迁移谱图上检测出一个以上的信号,即谱图上出现了2个被定性为同一挥发性成分的点,为此成分的单体与二聚体,单体与二聚体的化学式和CAS号均相同,仅形态不同。

2.3 GC-IMS指纹图谱分析采用LAV软件的Gallery Plot插件进行指纹图谱分析,进一步对比不同干燥方式对丹参挥发性成分的影响,结果如图3所示,每一列为一种挥发性成分的信号峰,每一行为一种干燥方式下选取的全部信号峰,各化合物编号见表1。反式-2-戊烯醛、(E)-2-庚醛、3-甲基丁醛、1-辛烯-3-酮、2-苯乙醇、(E)-2-辛烯醛、2,3-二甲基6-乙基-吡嗪、二甲基三硫醚和(Z)-3-己烯-1-醇为6种干燥方式中丹参中共有且含量均较多的挥发性成分,在A区域中可以看出,2,3-二甲基6-乙基-吡嗪、二甲基三硫醚、2-乙基己醇和(Z)-3-己烯-1-醇在真空冷冻干燥的丹参中含量较多。B区域内,正壬醛、1-戊醇、2-甲基丙酸、二甲基酮、1-辛烯-3-醇、异硫氰酸烯丙酯、庚醛7种挥发性成分在晒干、晾干和40 ℃热风干燥的丹参中含量较多。C区域内,3-羟基丁酮、2-戊基呋喃和2-甲基丁酸为晒干、晾干、40 ℃热风干燥和60 ℃热风干燥的丹参中含量较多的化合物。

图2 40 ℃热风干燥丹参的GC-IMS谱图Fig.2 GC-IMS diagram of S.miltiorrhiza dried by 40 ℃ hot air drying

真空冷冻干燥样品的指纹图谱颜色较其他干燥方式浅,部分挥发性成分已完全消失,醇类化合物、醛类化合物和酮类化合物数目较少,60和80 ℃热风干燥的丹参指纹图谱颜色大多较40 ℃热风干燥样品浅,这与图1所得的结论相同,80 ℃热风干燥的丹参中醇类化合物和酮类化合物的数目比40 ℃热风干燥丹参少,结果见表2。目前普遍认为真空冷冻干燥较高温加热等方式可更好地保留药材中的黄酮等活性成分[20],但该研究中发现在真空冷冻干燥的丹参中鉴定出的挥发性成分种类最少,且大多化合物的含量也较低,说明真空冷冻干燥技术对丹参中挥发性成分具有较大的影响,会造成风味的损失,在无花果、太子参等研究中也有类似的结果[21-22],但真空冷冻干燥技术对挥发性成分的影响机理尚不明确,同时真空冷冻干燥技术的成本较高,也限制了此技术在中药干燥中的应用。

图3 不同干燥方式丹参中挥发性成分的GC-IMS指纹谱Fig.3 GC-IMS fingerprint of volatile components in S.miltiorrhiza dried by different methods

表2 丹参中不同种类挥发性成分分析

2.4 PCA分析为更直观地比较各组别之间的差异,采用origin 软件对不同干燥处理的丹参样品进行PCA主成分分析(图4),第一主成分(PC1)与第二主成分(PC2)之和占比为65.4%,真空冷冻干燥的丹参与其他方法干燥的丹参可以实现较好的分类,60 ℃热风干燥和80 ℃热风干燥的丹参样品中主成分含量相近,2种方法与40 ℃热风干燥、晒干、晾干的丹参成分含量差异明显,可以实现较好的分类。而40 ℃热风干燥、晒干、晾干的丹参样品中主成分含量相近。

高温热风干燥(60、80 ℃)过程中,丹参样品中的化学成分受热发生反应,其所含有的挥发性成分与低温热风干燥(40 ℃)的丹参不同,推测丹参样品在40 ℃以上的温度加热时,其挥发性成分即发生明显改变,6种方法中仅有真空冷冻干燥的样品在第三象限,直观反映出丹参在真空与极低温的环境下干燥过程与其他干燥方法都有明显差异,最终得到不同的挥发性成分。

图4 不同干燥方式下丹参中挥发性成分的PCA分析Fig.4 PCA analysis of volatile components in S.miltiorrhiza dried by different methods

3 结论

该研究首次将GC-IMS 技术应用于丹参的挥发性成分研究,通过比较不同干燥方法的丹参挥发性成分差异,共鉴定出化合物有30种,其中有9种醇类化合物、7种醛类化合物、4种酮类化合物,化合物的种类为醇类>醛类>酮类。高温热风干燥(60、80 ℃)的丹参中部分挥发性成分的含量较低,80 ℃热风干燥丹参中醇类化合物和酮类化合物的种类比40 ℃热风干燥时减少。采用主成分分析真空冷冻干燥的丹参与其他方法干燥的丹参可以实现较好的分类,40 ℃热风干燥、晒干、晾干的丹参样品中成分相近。

目前关于丹参中活性成分研究主要集中于水溶性成分和脂溶性成分,对其挥发性成分的研究较少。已有学者证实丹参地上部分的挥发油成分具有抗炎、抗氧化能力[9]。丹参挥发性成分的抗氧化作用也让其在化妆品领域有一定的研究应用,因此对挥发性成分的研究为丹参产业化及丹参产品的开发提供了新的思路。GC-IMS法是目前食品药品中挥发性成分的新兴分析检测技术,其相较于以往广泛应用于中药挥发性成分研究的GC-MS技术具有非常明显的优势,具有广阔的发展前景。