蔥屬植物揮發性物質研究

司民真，張川云，李 倫，張德清

(楚雄師范學院光譜應用技術研究所，云南 楚雄 675000)

1.引言

蔥屬植物是多年生草本百合科植物，具有殺菌、降血脂、降膽固醇、減少血小板凝集、調節血糖、提高免疫力和抗癌等作用。［1，2］中國共有110種蔥屬植物，絕大部分的種具特殊的蔥蒜氣味。國內外對蔥屬植物如大蔥、香蔥、洋蔥的揮發油成分提取、分離和檢測進行過較多的報道，主要方法是采用水蒸氣蒸餾萃取 (Steam Distillation，SD)［3，4］、同時蒸餾萃取 (Simultaneous Distillation extraction，SDE)［5—8］等方法萃取蔥油，然后進行分析檢測。然而，這些方法所需要的樣品前處理時間較長，提取試劑用量大、步驟多。固相微萃取 (Solid Phase Microextraction，SPME)是由加拿大Waterloo大學Pawliszyn及其合作者于1990年提出的，由Supelco公司 (美國)1994年推出其商業化產品。與其他常用的揮發性物質測定技術相比，固相微萃取簡便、快速、經濟安全、無溶劑、選擇性好且靈敏度高，集采樣、萃取、濃縮、進樣于一體，大大加快了分析檢測的速度。［9］因此，頂空微萃?。瓪庀嗌V/質譜聯用法或氣相色譜/質譜聯用法是目前常用方法，該方法可以對樣品中全部或指定成分作定性和定量分析，是一種有效確定化合物分子結構的方法，并且具有靈敏度高的特點。然而，該方法所需要的流程為微萃取—氣相色譜柱分離－質譜儀定性或定量，其中，在進行氣相色譜分離時需要在較高的溫度下進行，可能會引起生物活性分子的結構改變，而且不同萃取頭的選取，會對測量的結果有影響。下面就頂空微萃?。瓪庀嗌V/質譜聯用法或氣相色譜/質譜聯用法對各種蔥屬植物揮發性物質的研究進展作一簡要介紹，并介紹我們課題組目前用頂空及表面增強拉曼 (SERS)對蔥屬植物揮發性物質的研究所取得的結果。

2.蔥的揮發性物質的研究

大蔥、洋蔥、細香蔥是人們日常生活中常食的蔬菜和調味品，除含碳水化合物和豐富的礦物鹽、氨基酸、維生素外，還含有特殊的揮發性香辛物質。為進一步開發利用新的種質資源提供科學依據，楊天慧［10］等利用頂空固相微萃取與氣相色譜－質譜聯用 (GC—MS)技術對大蔥、洋蔥遠緣雜交后代及其親本揮發性成分進行分析，5個試驗材料的GC－MS分析結果表明，一硫代有機物主要以1－丙硫醇、甲基丙基硫醚、1－乙烯基硫代丙烷為主.其中5個樣品中1－丙硫醇的含量最高的為黃皮洋蔥，達到總萃取成分的70.98%，最低的為大蔥×黃皮洋蔥雜交后代種，達到總萃取成分的57.96%。見表1。

這一結果與Zhuomin Zhan對大蔥、洋蔥的測量結果不一致。Zhuomin Zhan［11］等采用頂空固相微萃取與氣相色譜－質譜聯用技術對細香蔥 (chive)、洋蔥 (onion)、大蔥 (scallion)、火蔥(shallot)的揮發性物質進行了檢測，發現四種蔥中的主要揮發物質并不一樣，分別是細香蔥中丙烯醛 (propenal，22.85%)、洋蔥中的 2，5－二甲基噻吩 (2，5－dimethyl－thiophene，17.36%)、大蔥中的 ［E］－2－已烯醛 (［E］－2－hexenal，39.40%)、火蔥中的丙烯醛 (propenal，12.09%)。見表一。

為了測試細香蔥的風味成分，劉源［12］等采用手動SPME進樣器，75LmCAR/PDMS萃取頭，對市售細香蔥用頂空固相微萃取氣質聯用，于45℃ 吸附40min，隨后抽回纖維頭，再將萃取頭插入氣相色譜儀于2500C解吸2min。試驗條件下共檢測到30種化合物，其中主要成分是二丙基二硫醚 (31.94%)、二丙基三硫醚 (16.4%)、1－丙硫醇 (11.27%)、二甲基硫醚 (10.36%)、甲基－2－丙烯基二硫 (6.11%)、1－丙烯－1－甲基硫醇 (3.49%)，占總提取成分的79.57%。見表一。

表1 各種蔥的揮發性物質

從表中可見，在楊天慧研究組的研究中，大蔥、洋蔥及雜交后代蔥的主要揮發性物質為1－丙硫醇，顯然與Zhuomin Zhan的研究結果不一致，后者的研究洋蔥的主要揮發性物質為2，5－二甲基噻吩 (2，5－dimethyl－thiophene);Zhuomin Zhan對細香蔥主要揮發物的測定與劉源的測定也不一致，前者所測的主要揮發物為丙烯醛，后者所測的主要揮發物為二丙基二硫醚，這可能與不同研究組的實驗條件不同有關。Eila P.J?rvenp??［13］等用頂空固相微萃取氣質聯用方法研究了萃取頭吸附時間對洋蔥 (fresh onion，Allium cepa L.)揮發性物質的影響，發現吸附時間是1分鐘時，主要揮發性氣體為丙硫醛 (thiopropanal S－oxide);吸附時間是30分鐘時，主要揮發性物質變為丙烯基丙基二硫醚 (Di－1－propenyl propengl disulphide);吸附時間是170分鐘時主要揮發性物質變為二丙基二硫醚 (Dipropyl disulphide)，但在整個時間段的所測揮發物中并未見有1－丙硫醇 (1－Propanethiol)，這與楊天慧的實驗結果也是明顯不同。

3.大蒜揮發性物質研究

大蒜 (Alium sativum L)是百合科蔥屬的多年生草本植物，以鱗莖、花莖、嫩葉為主要產品。我國是大蒜的主要生產國，約占世界總產量的1/4，鮮蒜及其加工制品除供國內消費外，還大量出口日本、東南亞等國家。由于大蒜具有較高的營養保健功效，使得測定大蒜中揮發性物質成為人們關注的熱點。不同的栽培品種能否用頂空固相微萃取—氣質聯用 (GC—MS)法及主成分分析將其分開，Jessica G.Clemente［14］等進行了這方面的研究，根據他們的研究數據我們可以看出(見表二)，不同栽培品種大蒜的主要揮發性成分為二烯丙基二硫。Ruta Galoburda等對來自于拉脫維亞及法國比利牛斯山的大蒜的不同亞種用相同的方法進行分析，得出兩種樣品的主要揮發物同樣為二烯丙基二硫，其峰面積占總峰面積為90.00%，92.00%。［15］

為了比較不同的提取過程對大蒜的主要揮發物是否會有影響，Sun－Neo Lee等［16］比較了同時蒸餾溶劑提取、水蒸氣蒸餾、用固相捕獲溶劑萃取、頂空固相微萃取與氣質聯用研究大蒜的揮發性物質，從所得結果 (見表2)可見，提取方法對主要揮發物成分沒有影響，都為二烯丙基二硫。

不同的處理方法，是否會影響大蒜的揮發性物質的相對含量，Na Young Kim［17］等對大蒜采用了八種不同的處理方式即生大蒜瓣 (raw garlic cloves，for short GC)，壓榨生大蒜 (raw－crushed garlic，for short CG)，高壓蒸汽處理大蒜瓣 (autoclaved garlic clove－AGC)，高壓蒸汽處理壓榨大蒜 (autoclaved－crushed garlic－ACG)，高溫陳化處理大蒜瓣 (aged－black garlic clove－BGC)，高溫陳化處理壓榨大蒜 (aged－black－crushed garlic－BCG)，烘烤大蒜瓣 (roasted garlic clove－RGC)，以及烘烤壓榨大蒜roasted－crushed garlic－RCG)后，用頂空固相微萃?。瓪赓|聯用法對揮發性物質進行了測定，實驗發現八個樣品的主要揮發性物質為二烯丙基二硫，但高壓處理及烘烤處理后，其二烯丙基三硫、烯丙基甲基三硫含量增高。

表2 大蒜的主要揮發性物質

從上面的研究可見，各研究組對大蒜的主要揮發物的研究結果是一樣的，大蒜的主要揮發物為二烯丙基二硫，而不論大蒜的栽種地區是什么地區及栽種品種是什么品種，這預示對大蒜可通過主要揮發物的測定，來進行種的鑒定。

4.韭菜揮發性物質研究

韭菜 (Allium tuberosum Roettler ex Sprengel)多年生草本植物，原產亞洲東南部，全國及世界各地均有栽培，是人們喜愛的蔬菜，花序腌制可做作咸菜，種子可入藥，用于胸痛、胸悶、心絞痛、脅肋刺痛、咳嗽、慢性支氣管炎、慢性胃炎、痢疾。韭菜中所含的揮發性含硫化合物，既可使韭菜具有特殊的香味，又有降低血脂作用，對治療高血壓及冠心病也有一定的療效，國內外對韭菜的香味來源作了一些研究但其結果不盡相同。R.S.Mann等［18］用頂空固相微萃取氣質聯用法得到了韭菜的五種主要揮發性物質是烯丙基甲基硫醚 (allyl methyl sulfide)，二烯丙基二硫醚(diallyl disulfide)，烯丙基甲基二硫(Allyl methyl disulfide)，二甲基二硫醚 (Dimethyl disulfide)及二甲基三硫醚 (dimethyl trisulfide)。而Gongke Li等［19］同樣用頂空固相微萃取氣質連用法得到了韭菜的五種主要揮發性物質是烯丙基甲基二硫(allyl methyl disulfide)，二烯丙基二硫 (diallyl disulfide)，二甲基三硫醚 (dimethyl trisulfide)以及二烯丙基硫醚(diallyl sulfide)，其中烯丙基甲基二硫的含量達到46.4ug/g。這與Yuji Yabuki［20］用氣相色譜和液相色譜分析16個樣品得出的結論不同。后者分析得出的主要揮發性物質為二甲基二硫醚 (Dimethyl disulphide)、丙烯基甲基二硫(Allyl methyl disulfide)、甲基丙烯基二硫醚 (Methyl 1－ (E)－propenyl disulphide)、二甲基三硫醚 (Dimethyl trisulphide)。

Mi－Sook Chung［21］對于和韭菜一樣同屬根莖組的山韭用頂空固相微萃取氣質聯用法研究其揮發性物質，得出無論是溫室種植的還是野生的都是二丙基二硫醚 (Dipropyl disulfide)、丙烯基丙基二硫醚 (Propyl allyl disulfide)為主要揮發性物質，以野生為例，分別占揮發性成分的40.95%和27.3%。為便于比較將上面結果列于表3中。

表3 韭菜及山韭的主要揮發物

5.對藠頭和小根蒜的揮發性物質研究

藠頭 (Allium chinensis G.Don.)，為多年生宿根草本植物，原產我國，分布廣泛:中國，朝鮮，日本以及東南亞等地均可見到，以我國南方各省栽培最多。全株供食用，作蔬菜、調料。鱗莖常用以制腌菜、醬菜。鱗莖入藥，古稱薤白，為健胃藥，也對心臟有益。小根蒜 (Allium Macrostemon Bunge)除新疆、青海外，全國有分布。俄羅斯、朝鮮、日本也有。鱗莖供藥用，現為中藥中的“薤白”內服有理氣、寬胸、散結、祛痰之效，用于痢疾、慢性支氣管炎、慢性胃炎等;外用治火傷。由于兩者在中藥中都作為薤白使用，因此彭軍鵬等［22—23］用水蒸氣蒸餾石油醚收集后，進行GS－MS分析，其主要結果見表4，從表4可見兩者有共同的揮發物為二甲基三硫。但Kameoka等［24］研究了日本產同種植物的揮發油成分，其主要揮發物為二丙基二硫，占總揮發油的30.6%。

表4 藠頭及小根蒜的主要揮發物

從上面可見，同是蔥屬植物但不同的種其主要的揮發性物質不一樣;即使是對同一種蔥屬植物主要揮發性物質的研究，不同文獻報道得出的結論不盡相同 (見表1、表3)。這與萃取頭的選取、氣相色譜儀進樣口的溫度及解吸時間 (一般在200攝氏度以上)不同有關。由于蔥屬植物的揮發性物質的熱不穩定性，在溫度較高時會發生熱分解。要在室溫下對蔥屬植物揮發性物質進行檢測，必須尋找另外的方法，表面增強拉曼光譜 (SERS)就是滿足該條件的方法之一。

6.頂空及表面增強拉曼散射 (SERS)結合對蔥屬植物的研究

頂空技術通常是與色譜分析聯用的一種分析方法，其原理是將待測樣品放置于一密閉容器中，靜止或加溫使待測樣品的揮發性組分從樣品基質中揮發出來，達到平衡后直接抽取上部氣體進行色譜分析，從而檢測樣品中可揮發性組分的成分及含量。該技術的優勢在于直接收集樣品中的易揮發成分，無需溶劑提取減少了對分析人員及環境的危害。

表面增強拉曼散射 (Surface－Enhanced Raman Scattering，SERS)是指在納米級粗糙金屬表面或溶膠中，吸附分子的拉曼散射信號比普通拉曼散射信號大大增強的現象。

當單色入射光照射到具有一定粗糙度的貴金屬表面時，吸附在金屬表面的某些有機物的拉曼散射信號可以得到大大增強，其增強因子可以達到105—106倍［25］。自從1974年，Fleischmann等人［26］首次在粗糙的銀電極表面單分子層吡啶吸附物的拉曼散射實驗中觀察到這種現象，此后SERS逐漸發展為一個非?；钴S的研究領域。目前，SERS檢測已達到了單分子探測水平［27—28］。

SERS在揮發性氣體檢測方面的文獻較少，1995年Keith T.Carron將SERS與氣相色譜結合，獲得了苯、甲苯、乙苯及二甲苯的表面增強拉曼光譜［29］。為了遠距離、實時、在線檢測揮發性有機化合物，P.A.Mosier－Boss研究小組，將表面有硫醇膜的SERS基底安裝在熱電冷卻器上，制成傳感器，用該傳感器成功獲得了有機氯溶劑 (三氯乙烯、氯仿、全氯乙烯)、芳香族化合物(苯、甲苯、乙苯及二甲苯)、甲基叔丁基醚的SERS譜［30］。最近，韓國首爾大學的Kwan kim等將2，6－二甲基苯異腈吸附在聚 (乙烯亞胺)包覆的納米金上，構建傳感器。當傳感器探測到植物揮發性有機物，如異戊二烯、法尼醇、(+)－α－蒎烯時，2，6－二甲基苯異腈的N－C伸縮振動峰的峰位會發生移動，從而間接的檢測植物揮發性有機物［31］。目前未見用表面增強拉曼光譜技術直接研究植物揮發性有機物的報道。

本課題組用頂空 (headspace)與SERS技術結合的方式，對蔥屬植物大蒜 (garlic)、韭菜(Chinese chive)、大蔥 (scallion)、多星韭、大花韭、木里韭、藠頭等的揮發性物質進行初步研究，并與標準樣品的SERS譜對比。

大蒜的主要揮發性物質為二丙烯基二硫;大蔥揮發性氣體SERS譜主要為1－丙硫醇和丙烯基甲基硫醚氣體的SERS譜帶組成;韭的揮發性氣體SERS譜主要以烯丙基甲基硫醚和二烯丙基二硫氣體的SERS譜帶組成;多星韭揮發物中含有1－丙硫醇成分;大花韭的揮發物中含有丙烯基甲基硫醚和二烯丙基二硫成分;木里韭揮發物中含有二烯丙基二硫、1－丙硫醇、丙烯基甲基硫醚成分;藠頭、小根蒜揮發性氣體的SERS譜主要為丙烯基甲基硫醚和1－丙硫醇氣體的SERS譜帶組成。具體見表5。

表5 所測樣品主要揮發物

從實驗結果看，大蒜的主要揮發物與文獻 ［14］、［15］、［16］、［17］的一致都為二烯丙基二硫，大蔥的主要揮發物與文獻 ［10］一致，主要為1－丙硫醇，韭菜的主要揮發物與文獻［18］中的兩種一樣，即烯丙基甲基硫醚和二烯丙基二硫醚，而小根蒜、藠頭的主要揮發物與文獻 ［22］、［23］、［24］都不一樣;蔥屬植物不同種的主要揮發物不一樣。說明頂空技術SERS結合可直接用于蔥屬植物的主要揮發物的鑒別研究。從實驗的過程看，所得實驗結果的重復性好。

某些種類植物在生長過程中會釋放出揮發性氣體物質，而且這些揮發性氣體物質對某一種植物具有一定特異性 (如:根據其氣味我們能分辨是大蒜還是藠頭)。因此能否用頂空－SERS方法結合化學計量方法進行蔥屬植物種的分類，該方法是否可用于其他屬植物揮發性物質研究，都是非常值得研究的課題，而且，這些研究對合理開發云南省豐富的植物資源具有重要的意義。

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