氣質(zhì)聯(lián)用結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)對(duì)中國(guó)白菊特征揮發(fā)性成分的研究

摘要為探究不同產(chǎn)地中國(guó)白菊的特征揮發(fā)性成分，利用吹掃捕集-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（Purge-and-trap-gaschromatography-massspectrometry,P&T-GC-MS）對(duì)江蘇如東、湖北蔣場(chǎng)、湖北黃潭、河南武涉、北京延慶5個(gè)產(chǎn)地的菊花樣品的揮發(fā)性成分進(jìn)行檢測(cè)，利用autoGCMSDataAnal策略及化學(xué)計(jì)量算法對(duì)其特征揮發(fā)性成分進(jìn)行篩選。結(jié)果共獲得醇、烯、酯、烷烴等多種共有化合物。其中，α-蒎烯、菊油環(huán)酮等化合物在如東菊花中含量最高，2,6-二甲基-5,7-辛二烯-2-醇在延慶菊花中含量最高，桉葉油醇在武涉縣菊花中含量最高，Β-倍半水芹烯、β-石竹烯等在蔣場(chǎng)鎮(zhèn)菊花中含量最高。另外，基于上述特征化合物的判別模型可對(duì)菊花的產(chǎn)地進(jìn)行精準(zhǔn)判別，準(zhǔn)確率可達(dá)98%以上。本研究篩選的特征揮發(fā)性成分可為菊花的產(chǎn)地溯源提供一定的理論基礎(chǔ)。

前言中國(guó)白菊為菊科植物菊Chrysanthemummorifolium

Ramat.的干燥頭狀花序，是我國(guó)常見(jiàn)的一種中藥材或茶類(lèi)飲品，2009年被國(guó)家列入“藥食同源”物品名單。其性微寒，味苦、甘，歸肺、肝經(jīng)。具有疏風(fēng)散熱、清肝護(hù)目、清熱解毒之功效。臨床上主要用于治療風(fēng)熱感冒、頭暈頭痛、目赤腫痛、眼目昏花和瘡癰腫毒等?，F(xiàn)代研究表明，菊花中含有多種活性成分，如揮發(fā)油類(lèi)、黃酮類(lèi)、多糖類(lèi)、酚類(lèi)和氨基酸類(lèi)等，具有抗菌消炎、降血糖、降血脂和增強(qiáng)免疫等作用。其按品種可分為杭白菊、貢菊、滁菊、懷菊、亳菊、祁菊等，主要分布于江蘇、浙江、安徽、河南、湖北等地。由于菊花獨(dú)特的風(fēng)味以及含有豐富的活性物質(zhì)，其也已被廣泛開(kāi)發(fā)成各類(lèi)商品，如與不同種類(lèi)的茶進(jìn)行拼配的菊花茶。揮發(fā)性化合物是菊花主要的活性成分之一，具有顯著的抗菌消炎、抗病毒、抗腫瘤和保護(hù)心血管等作用，同時(shí)也是構(gòu)成菊花香氣的重要成分。國(guó)內(nèi)對(duì)菊花的研究主要集中在引種馴化、營(yíng)養(yǎng)繁殖和高產(chǎn)栽培方面。并且主要關(guān)注花型、花色、抗性及產(chǎn)量方面，而忽略了菊花的香氣選育，由于對(duì)香氣的認(rèn)識(shí)和了解不足，導(dǎo)致關(guān)于菊花香氣研究進(jìn)度相對(duì)比較緩慢。目前，國(guó)內(nèi)外菊花揮發(fā)性化合物方面的研究主要采用氣相色譜法或氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法。利用固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（solid-phasemicroextractions-gaschromatgraphymassspectrometrometry,SPME-GC-MS）從菊花中共鑒定出51種揮發(fā)性成分，包括烯類(lèi)、酯類(lèi)、醇類(lèi)，還有少量酸、雜環(huán)類(lèi)和烷類(lèi)物質(zhì)，其中主要成分為單萜類(lèi)化合物α-蒎烯（74.04%）、β-月桂烯（5.24%）、α-松油烯（3.96%）、β-蒎烯（3.44%）和γ-松油烯（2.01%）。肖作兵等[21,22]經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，菊花精油中特征香氣物質(zhì)主要包括α-蒎烯、檜烯、2-β-蒎烯、β-月桂烯、對(duì)傘花烴、羅勒烯、α-萜品油烯、樟腦、異龍腦、松油醇、香芹酮、石竹烯、金合歡烯、大根香葉烯B、桉葉油醇和龍腦。研究了不同產(chǎn)地杭白菊揮發(fā)油成分的差異并表明，杭白菊栽培品種、栽培環(huán)境和加工方法的不同，都會(huì)使其揮發(fā)油成分出現(xiàn)差異。周明瑞等[24]研究發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地野菊花的揮發(fā)性成分各不相同，相對(duì)含量也不一樣。欒川與嵩縣同在河南，地理位置毗鄰，其所產(chǎn)野菊花有較多的相同成分，但相對(duì)含量有很大差異；而不同省份所產(chǎn)野菊花的化學(xué)成分種類(lèi)則懸殊較大，可見(jiàn)產(chǎn)地對(duì)成分的影響之大。黃亞非等[25]研究發(fā)現(xiàn)廣西、廣東、湖北野菊花揮發(fā)油化學(xué)成分種類(lèi)和含量均有明顯的差別，并認(rèn)為這些差異可能與野菊花的產(chǎn)地、氣候、生長(zhǎng)環(huán)境采集時(shí)間以及提取條件有密切的關(guān)系。綜上所述，菊花的產(chǎn)地不同會(huì)導(dǎo)致?lián)]發(fā)性物質(zhì)組成及含量差異。本研究以江蘇省如東縣、湖北省黃潭鎮(zhèn)、北京市延慶區(qū)、河南省武涉縣、湖北省蔣場(chǎng)鎮(zhèn)五個(gè)產(chǎn)區(qū)菊花作為研究對(duì)象，首次運(yùn)用吹掃捕集-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)不同產(chǎn)地菊花揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，并結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法高通量篩選不同產(chǎn)地菊花中的特征揮發(fā)性成分，來(lái)探究揮發(fā)性成分與產(chǎn)地之間的相關(guān)性。本文運(yùn)用具有色譜圖提取，峰值提取，峰值注釋?zhuān)瑫r(shí)間偏移校正和統(tǒng)計(jì)分析等功能的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，避免了由于人為分析工作量大且容易遺漏大部分有用化合物信息等問(wèn)題，為菊花中的特征揮發(fā)性化合物的組成以及產(chǎn)地溯源分析提供一定的理論基礎(chǔ)。目錄1

實(shí)驗(yàn)部分1.1

主要儀器與試劑1.2

實(shí)驗(yàn)方法1.2.1

吹掃捕集儀器方法1.2.2

氣相色譜-質(zhì)譜分析色譜柱為熔融石英毛細(xì)管柱DB-WAX（30m×0.25mm×0.25μm）；載氣為高純氮?dú)猓兌?9.99%），進(jìn)樣口溫度為200°C；程序升溫過(guò)程如下：初始溫度為40°C，保持3min，以3℃/min升溫至100℃，保持1min，再以8℃/min升溫至240℃，保持5min。1.2.3

標(biāo)準(zhǔn)溶液配置方法取100μL正構(gòu)烷烴，用正己烷稀釋100倍，然后用注射針進(jìn)行液體進(jìn)樣，用于化合物保留指數(shù)計(jì)算；取10μL2,3-二甲基吡嗪，用超純水稀釋2000倍，得到最終濃度為0.051mg/L的內(nèi)標(biāo)溶液，用于菊花揮發(fā)性成分的定量分析。1.2.4

菊花樣品的處理方法采樣獲得的菊花鮮樣于60℃烘箱中干燥24～48h，干燥后的樣本于室溫下干燥儲(chǔ)存。取1.00g菊花干樣于進(jìn)樣瓶中，加入1.00mL內(nèi)標(biāo)溶液，用于吹掃捕集-GC-MS分析。1.3

數(shù)據(jù)處理菊花樣品的GC-MS數(shù)據(jù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室自主開(kāi)發(fā)的autoGCMSDataAnal軟件進(jìn)行解卷積和主要差異性化合物初步篩選?；衔镨b定基于質(zhì)譜匹配N(xiāo)IST庫(kù)（2017版）和保留指數(shù)（NISTChemistryWebBookSRD69）。SIMCA（Version14.1）軟件用于不同產(chǎn)地菊花特征揮發(fā)性化合物的精準(zhǔn)篩選。IBMSPSSStatistics19軟件用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetwork，ANN）分析；MATLAB2017a用于偏最小二乘判別分析（PartialLeastSquaresDiscriminantAnalysis，PLSDA）；SYSTAT13軟件用于線性判別分析（lineardiscriminantanalysis，LDA）。2

結(jié)果與討論2.1

不同產(chǎn)地菊花揮發(fā)性成分的GC-MS分析為了明確不同產(chǎn)地菊花中的主要揮發(fā)性成分，5種來(lái)自不同產(chǎn)地的藥用菊花被采集并按同一方法進(jìn)行干燥加工，如圖1所示，后通過(guò)吹掃捕集-氣相色譜質(zhì)譜對(duì)其揮發(fā)性成分進(jìn)行檢測(cè)。2.2

5種產(chǎn)地菊花的特征揮發(fā)性成分的精準(zhǔn)篩選為了進(jìn)一步研究如東、蔣場(chǎng)、黃潭、武涉以及延慶菊花中特征揮發(fā)性化合物，采用autoGCMSDataAnal策略及化學(xué)計(jì)量算法對(duì)其特征揮發(fā)性成分進(jìn)行初步篩選并用PLSDA進(jìn)行判別分析，結(jié)果如圖2a所示，不同產(chǎn)地的菊花樣本得到較好的聚類(lèi)，黃潭與武涉以及延慶菊花樣本部分重疊，如東與蔣場(chǎng)菊花得到較好的區(qū)分。圖2b為各個(gè)化合物的變量投影重要性分析值（VIP），通常認(rèn)為，VIP值大于1的變量為差異性化合物，由該圖可知5個(gè)產(chǎn)地菊花樣本的VIP

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1的化合物共有23個(gè)，其中Var6和Var18的化合物的含量?jī)H為其他成分的千分之一，VIP值也較低（分別為1.05和1.19），且無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確定性，作為特征性揮發(fā)成分意義不大，因此本文著重討論其他21個(gè)化合物，分別為α-蒎烯、2-甲基-5-(1-甲基乙基)-雙環(huán)[3.1.0]-2-己烯、1-戊烯-3-醇、4-異丙基甲苯等，具體信息如表1和圖3所示。由結(jié)果可知，5個(gè)產(chǎn)地的菊花樣本特征揮發(fā)性化合物主要集中在烯類(lèi)和醇類(lèi)中。2.3

5種產(chǎn)地菊花的化學(xué)計(jì)量學(xué)分析將所得到差異性化合物用于菊花產(chǎn)地判別的可行性研究，通過(guò)線性判別分析（LDA），偏最小二乘判別分析（PLSDA）以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等算法等對(duì)不同產(chǎn)地菊花進(jìn)行產(chǎn)地溯源研究。3

結(jié)論結(jié)論本文以5種不同產(chǎn)地中國(guó)白菊為研究對(duì)象，利用吹掃捕集-氣相色譜三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用儀分析了菊花中含有的揮發(fā)性化合物，結(jié)果表明5種產(chǎn)地菊花中均含有醇類(lèi)、烯類(lèi)、酯類(lèi)以及少量雜環(huán)類(lèi)化合物。通過(guò)autoGCMSDataAnal策略以及化學(xué)計(jì)量學(xué)手段共篩選并定性定量分析了21種特征揮發(fā)性成分，其中烯類(lèi)和醇類(lèi)為主要特征成分。其中蔣場(chǎng)菊花中有3種區(qū)別于其他產(chǎn)地菊花的特征性化合物，武涉菊花有3種特征性化合物，延慶菊花有3種特征性化合物，黃潭菊花有1種特征性化合物，如東菊花有4種特征性化合物。這些特征性揮發(fā)成分如α-蒎烯、β-石竹烯、1-戊烯-3-醇等也是食品中常見(jiàn)的香精，具有不同的香味，賦予了不同產(chǎn)地菊花不同的風(fēng)味。通過(guò)21種差異性化合