基于气相离子迁移谱的槟榔炒制过程中挥发性成分的变化研究

李长庚 李俊贤 潘少斌 刘双 孔娜 董红敬

摘要：分析槟榔炒制过程中挥发性成分的变化规律，为生槟榔和炒槟榔的质量控制提供参考。采用气相离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS）分析不同炒制时间槟榔中挥发性成分的含量变化，采用化学计量学筛选差异成分。从槟榔中共鉴定出31种挥发性成分，包括醛类、酯类、有机酸类和酮类等；槟榔炒制后挥发性成分发生了显著变化；化学计量学结果表明，二甲基三硫、异戊醛、乙酸乙酯等成分的含量变化显著。基于GC-IMS和化学计量学可以较好地描述槟榔炒制过程中挥发性成分的变化趋势，并为不同炒制时间槟榔的鉴别及其质量控制提供依据。

关键词：槟榔；炒制；气相离子迁移谱；挥发性成分

中图分类号：R285   文献标志码：A   文章编号：1002-4026（2023）06-0015-07

The change in volatile compounds of Arecae Semen during stir-frying process

based on gas chromatography-ion mobility spectrometry

LI Changgeng1，2a，2b， LI Junxian1， PAN Shaobin1， LIU Shuang2a，2b， KONG Na1，2a，2b， DONG Hongjing2a，2b*

（1. School of Pharmacy， Shandong University of Traditional Chinese Medicine，Jinan 250300，China;

2. a. Shandong Analysis and Test Center；b. School of Pharmaceutical Sciences， Qilu University

of Technology （Shandong Academy of Science），Jinan 250014，China）

Abstract∶Analysis of changes in volatile components during the stir-frying process of Arecae Semen can provide references for quality control of raw and stir-fried Arecae Semen. The content of volatile components in Arecae Semen at different stir-frying times was analyzed via gas chromatography-ion mobility spectrometry （GC-IMS）， and chemometrics was applied to screen differential components. Thirty-one volatile components were identified in the Arecae Semen， including aldehydes， esters， organic acids， and ketones. The level of volatile components significantly changed after stir-frying. The results of chemometrics showed that the changes in the level of dimethyl trisulfide， isovaleraldehyde， and ethyl acetate were significant. Based on GC-IMS and chemometrics， the changes in volatile components during the stir-frying process of Arecae Semen were well described， and provided a basis for identification and quality control of Arecae Semen stir-fried for different times.

Key words∶Arecae Semen; stir-fried; gas chromatography-ion mobility spectrometry; volatile component

檳榔为棕榈科植物槟榔Areca catechu L.的干燥成熟种子，具有杀虫消积、降气、行水、截疟的功效［1-2］。槟榔有生、熟之分，其炮制品主要包括槟榔片（生片）、炒槟榔、焦槟榔、槟榔炭，在临床使用时，普遍以“急治生用，缓治略炒”的原则［3］。炒制是中药最常用的炮制方法之一，蕴含着丰富的科学道理。以往涉及槟榔中挥发性成分的研究，仅仅使用气相色谱-质谱联用技术进行分析，如周大鹏等［4］采用顶空固相微萃取和气质联用技术从槟榔发黄果种子及青果种子中共鉴定出22种挥发性成分；杨学雨等［5］采用顶空固相微萃取气质联用技术在香料槟榔片成分检测中鉴别出29种挥发性成分。目前，关于槟榔炒制过程中挥发性成分的变化规律研究尚未见报道。

气相离子迁移谱（gas chromatography-ion mobility spectrometry ，GC-IMS）是一种基于气相色谱和离子迁移谱联用的技术，具有灵敏度高、谱图直观可视化和区分能力强等优势，更适合对含有挥发性成分的样品进行区分性地分析［6-7］。为了研究槟榔炒制过程中挥发性成分的变化，分别制备了不同炒制时间的槟榔样品，采用GC-IMS分析其挥发性成分的变化趋势并对不同炒制时间的样品进行区分，通过多元数据分析探讨槟榔炒制过程中含量变化显著的成分［8-9］，旨在为槟榔的挥发性成分研究提供参考，同时为炒槟榔的质量控制提供理论据。

1 材料与仪器

1.1 实验仪器

Flavour Spec气相离子迁移谱联用仪（德国GAS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），NH310型色差计（深圳市三恩驰科技有限公司），JYL-C21T型料理机（九阳股份有限公司）。

槟榔饮片购于山东百味堂中药饮片有限公司，经齐鲁工业大学（山东科学院）山东省分析测试中心董红敬副研究员鉴定为棕榈科植物槟榔Areca catechu L.的干燥成熟种子。

1.2 不同炒制时间样品的制备

根据《中国药典》（2020版）的规定［10］，首先将洗净干燥的河砂放入炒药锅中，武火加热至滑利状态。将槟榔饮片（160 g）放入盛有预热河砂的锅中，待槟榔饮片均匀分布在砂子中后开始计时，于0、20、30、40、50、60、70 min取样，每组20 g共8组，筛去河砂后放置，待冷却到室温分别将8组样品粉碎，后过20目筛，得到槟榔粉末备用。将样品和样品粉末分别进行拍照记录。

2 实验方法

2.1 色差數据采集

使用色差仪对槟榔粉末的色度进行测定，色差计测定条件为光源D65， 标准观察角10°， 照明口径8 mm。取各样品粉末适量置于培养皿中，压制平整，色差检测前需要进行白板矫正。每个样品重复测量3次，取平均值，得粉末色度数据。测量包括L*值、a*值、b*值，其中，L*表示明暗度（黑白），其值越大，颜色越亮（白）；a*表示红绿色，其值越大，颜色越偏红色；b*表示黄蓝色，其值越大，颜色越偏黄色［11-12］。 E*的计算公式如下：

E*= （L*-L）2+（a*-a）2+（b*-b）2，（1）

式中，E*表示整体色差，L、a和b为白板的测量值。

2.2 GC-IMS分析

2.2.1 样品制备

将炒制不同时间的槟榔粉末准确称取500 mg于顶空进样瓶中，每个样品平行测定3次。

2.2.2 GC-IMS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150 μL。色谱柱（FS-SE-54-CB-1，15 m×0.53 mm×1 μm，德国GAS）;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为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5 min；梯度洗脱时间共40 min。

2.3 数据处理

槟榔中挥发性成分采用GC×IMS Library Search软件中内置NIST气相保留指数数据库与IMS迁移时间数据库进行定性分析，通过Reporter插件和Gallery Plot插件生成所测样品的差异图谱和指纹图谱，采用

SIMCA 13.0软件对槟榔样品图谱的挥发性成分进行主成分分析和偏最小二乘判别分析 ［13-14］。

3 结果与讨论

3.1 不同炒制时间槟榔外观形态变化

如图1所示，随着炒制时间的延长，槟榔饮片外观、气味等发生显著变化，槟榔样品的颜色由生槟榔的淡黄棕色变为褐色，随着炒制程度加深又变为黑褐色；粉末由淡黄色逐渐变为红褐色；槟榔因炒制逐渐产生香气，炒制时间延长焦香味加深［15］。从表1中可以看出，随着炒制时间的延长，L*、a*、b*值均变小，E*值逐渐升高且60 min与70 min时E*值较相似，结合图1可以明显看出，随着炒制时间的延长，E*值越大，样品粉末颜色与生槟榔粉末颜色差异越明显［16］。

3.2 槟榔中挥发性成分定性分析

基于挥发性成分的气相保留时间和离子迁移时间，共鉴定出31个挥发性成分，主要挥发性成分见表2（全表见OSID科学数据与内容附表1），包括5个酯类化合物、6个醛类化合物、4个杂环类化合物、5个有机酸类化合物、1个酚类化合物、4个烃类化合物、3个酮类化合物、3个醇类化合物。

3.3 槟榔不同炒制时间的GC-IMS指纹图谱

为了研究槟榔饮片在炒制过程中挥发性成分的变化趋势，采用Gallery Plot插件生成了不同炒制时间的槟榔挥发性成分的GC-IMS指纹图谱（图2），横坐标代表挥发性成分，纵坐标代表样品名称，颜色越深表示成分含量越高。如图2所示，槟榔中挥发性成分呈现出规律性的变化，将槟榔样品的指纹图谱划分成5个区域。如区域A和B所示，未炒制的槟榔中具有9个代表性成分，主要包括3个有机酸类化合物（如异丁酸、正己酸和正戊酸）、2个醛类化合物（如正辛醛和2-辛醇）和3个酯类化合物（如γ-丁内酯、异戊酸甲酯和乙酸甲酯）等；随着炒制时间的延长，这些成分的含量显著降低，醛类化合物含量的降低可能是美拉德反应中醛氨聚合和醇醛缩合所致［17］。如区域C所示，这些成分的含量变化不显著，对不同炒制时间槟榔样品的区分贡献程度小。如区域D和E所示，炒制后7个化学成分的含量显著升高，主要包括1个醛类化合物（如异戊醛）、1个有机酸类化合物（如丙酸）和1个酮类化合物（如2-庚酮）等。有机酸类化合物含量的增加可以归因于炒制过程中醇类化合物的氧化反应。酮类化合物含量的增加可能是糖类化合物在没有氨基化合物存在的情况下而发生脱水与降解而裂解成醛、酮［18］。

3.4 不同炒制时间槟榔的挥发性成分差异分析

采用SIMCA软件对不同炒制时间的样品进行主成分分析，当主成分数为13时，模型的R2和Q2分别为0.995和0.716，表明模型的拟合能力优秀且预测能力良好。如图3所示，不同炒制时间的槟榔可以被有效地区分为3部分，BL-1组与其他组的距离较远，表明生槟榔与炒槟榔存在显著性差异。然而，BL-2组、BL-3组、BL-4组和BL-5组的距离较近，表明4个组的成分差异较小，这与指纹图谱的结果一致，推测该4个组可能是槟榔炒制过程中的产品，而非炒槟榔产品。BL-6组、BL-7组和BL-8组可以聚为一部分，表明3个组的挥发性成分差异较小，而BL-7组和BL-8组的距离相对较近，表明BL-7组和BL-8组的挥发性成分更相似，且与BL-6组存在差异，这与指纹图谱的结果一致，这是2-乙酰基-1-吡咯啉、异戊醛和二甲基三硫等挥发性成分的含量差异所致。

基于炒制過程中挥发性成分的含量变化，采用偏最小二乘判别分析筛选炒制过程中变化显著的挥发性成分，模型的R2和Q2分别为0.983和0.635，表明模型的拟合能力优秀且预测能力良好，如图4所示。以P<0.05和变量重要性投影（variable importance in the projection， VIP）>1为筛选条件，筛选出10个挥发性成分，表明这些成分在炒制过程中含量变化显著，主要包括4个醛类化合物（3-甲硫基丙醛、糠醛、异戊醛、异戊醛）、2个杂环类化合物（2-甲氧基吡嗪、2-乙酰基-1-吡咯啉）和1个酮类化合物（2-庚酮）等。

4 结论

本研究采用GC-IMS技术研究槟榔炒制过程中挥发性成分的变化趋势，共鉴别出槟榔的31种挥发性成分，包括5个酯类化合物、6个醛类化合物、4个杂环类化合物、5个有机酸类化合物、1个酚类化合物、4个烃类化合物、3个酮类化合物和3个醇类化合物。通过GC-IMS可以将不同炒制时间的槟榔样品有效地区分。同时，炒制过程伴随着有机酸类、醛类和酯类化合物含量的降低以及新的醛类、有机酸类和酮类化合物含量的升高。通过偏最小二乘判别分析筛选出糠醛、2-甲氧基吡嗪和2-庚酮等含量变化显著的挥发性成分。综合考虑外观、气味及挥发性成分的变化，槟榔的炒制时间应控制在60 min为宜。基于GC-IMS及多元数据分析探讨槟榔炒制过程中挥发性成分的轮廓变化，可以为生槟榔和炒槟榔的质量控制提供参考。

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