劉艷等

摘要

利用傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)試了草豆蔻、紅豆蔻、云南草蔻、長(zhǎng)柄山姜的紅外光譜圖，分析比較其圖譜的差異，再結(jié)合原始紅外光譜，根據(jù)各種化學(xué)鍵和官能團(tuán)振動(dòng)所引起的吸收峰形狀和強(qiáng)度對(duì)山姜屬植物所含的化學(xué)成分以及藥理活性進(jìn)行分析，由此進(jìn)一步探討山姜屬植物的功效。結(jié)果表明，4種姜科植物的紅外圖譜峰形、峰位大體相似，化學(xué)物質(zhì)大體相同，均有揮發(fā)油、強(qiáng)心苷、β-谷甾醇、二苯基庚烷、黃酮、鞣質(zhì)、多糖、氨基酸等；但1 600～1 400、1 300～1 000 cm-1范圍的峰形、峰強(qiáng)差異明顯，利用此波段的二階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得出云南草蔻與草豆蔻的相關(guān)系數(shù)最大、關(guān)系最近。

關(guān)鍵詞傅里葉變換紅外光譜；山姜屬植物；吸光度；光譜差異

中圖分類號(hào)S567；O657.33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）24-049-03

山姜屬植物（Alpinia）是姜科姜亞科姜族的一大屬，全世界約有250種植物，主要分布于亞熱帶地區(qū)。該屬植物具有重要的藥用價(jià)值，特殊的辛香氣味，含有多種有效成分，有散寒燥濕、消食止痛、暖胃止嘔等傳統(tǒng)功效，還具有抗癌、抗血栓、降血壓血脂血糖、抗氧化等藥理活性，臨床上常用于脾胃寒證、胃寒嘔吐、食積不化等癥。紅豆蔻（A. galanga（L.）Willd）、云南草蔻（A. blepharocalyx K.Schum）、草豆蔻（A. katsumadae Hayata）、長(zhǎng)柄山姜（A. kwangsiensis T.l.Wu & Senjen）是姜科姜亞科山姜屬植物，草豆蔻、紅豆蔻等已被收錄于中國(guó)藥典。近年來(lái)對(duì)山姜屬植物的研究多集中在藥物化學(xué)成分、藥理活性、單一化合物的提取等，所用到的方法有蒸餾法提取法、氣相-質(zhì)譜聯(lián)用法（GC-MC）、高效液相色譜方法（HPLC）等。與研究藥物生物活性的方法相比，傅里葉變換紅外光譜法具有操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、用樣少、制樣簡(jiǎn)單、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。筆者在此將利用傅里葉紅外光譜法對(duì)草豆蔻、紅豆蔻、云南草蔻、長(zhǎng)柄山姜4種山姜屬植物的紅外光譜進(jìn)行比較分析，為其合理的開(kāi)發(fā)利用提供參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)儀器

紅外光譜儀為T(mén)hermo Scientific NicoletTMiSTM 5 spectrometer傅里葉變換紅外光譜儀，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)16次。

1.2試材

草豆蔻、紅豆蔻、云南草蔻、長(zhǎng)柄山姜，采自于西雙版納。

1.3 樣品制備、檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理

樣品清洗后晾干，經(jīng)粉碎后過(guò)100目篩，取適量進(jìn)行研磨成粉末，按1∶100加入溴化鉀攪磨均勻，壓片測(cè)紅外光譜。同一種植物測(cè)4次，用于計(jì)算平均光譜。光譜均扣除溴化鉀背景，光譜數(shù)據(jù)用Omnic8.0軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.14種山姜屬植物的紅外圖譜

4種山姜屬植物的原始紅外光譜圖如圖1所示，其各吸收峰的峰位及官能團(tuán)振動(dòng)方式以及歸屬如表1所示。為了進(jìn)一步分析它們之間的異同，將1 600～1 400、1 300～1 000 cm-1波段進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)處理（圖2）。二階導(dǎo)數(shù)譜最大的優(yōu)勢(shì)就是將原來(lái)重疊的峰區(qū)分

開(kāi)來(lái)，增加圖譜分辨率，將原來(lái)重疊的特征峰分為多個(gè)吸收

2.24種山姜屬植物的紅外光譜對(duì)比分析

2.2.1

相似性。從圖1可以看出，4種藥材在3 417、1 636、1 045 cm-1附近有強(qiáng)峰出現(xiàn)，在2 927、1 733、1 516、1 457、1 419、1 397、1 369、1 327、1 253、1 152、1 102、1 069、898 cm-1附近均有吸收峰出現(xiàn)。姜的主要化學(xué)成分復(fù)雜，有100多種，根據(jù)近年來(lái)對(duì)該屬植物化合物的研究，其主要的化學(xué)成分為揮發(fā)油類、黃酮類和二苯基庚烷類化合物等，以此作為參考，由4種植物的紅外光譜結(jié)合文獻(xiàn)[5-14]，對(duì)其物質(zhì)成分及藥理活性作如下分析：

（1）在3 000～2 800 cm-1范圍內(nèi)是飽和烷烴的特征譜帶，為亞甲基碳?xì)渖炜s振動(dòng)，是揮發(fā)油類特征的表現(xiàn)。4種植物在2 927、2 854 cm-1附近有吸收峰出現(xiàn)，可推測(cè)含有揮發(fā)油。4種藥材在1 733 cm-1附近有C=O的吸收峰，在1 045～1 029 cm-1附近有強(qiáng)度較強(qiáng)、峰形尖銳的吸收峰，均伴有1 102 cm-1附近的肩峰，說(shuō)明分子中含有大量C-O基團(tuán)，表明山姜屬植物中含有強(qiáng)心苷成分，有加強(qiáng)心肌收縮力的作用。在1 369、1 253 cm-1附近有C-O鍵伸縮振動(dòng)所導(dǎo)致的吸收峰，表明其中含有萜類物質(zhì)，屬于含氧衍生物。萜類化合物有溶血作用，能疏通血脈、祛除瘀血，這充分驗(yàn)證了藥材已有的抗血栓藥理活性。芳香雜環(huán)的骨架振動(dòng)在1 600～1 500 cm-1范圍內(nèi)，四者均出現(xiàn)了1 516 cm-1吸收峰，表明山姜屬植物含有芳香族化合物。在2 927、2 854、1 733 cm-1附近四者均出現(xiàn)了脂類的紅外特征峰，表明其含有脂肪族化合物。揮發(fā)油主要是由芳香族化合物、萜類化合物、脂肪族化合物組成的，因此，植物中含有大量的揮發(fā)油。揮發(fā)油具有抑制血小板聚集、預(yù)防血栓形成的作用，能夠改善局部血液循環(huán)。揮發(fā)油中的含氧衍生物大多有較強(qiáng)的香氣和生物活性，是醫(yī)藥、化妝品工業(yè)的重要原料。

（2）圖1中，4種植物在3 417、1 419、1 397、1 327、1 253、1 045 cm-1附近的吸收峰有官能團(tuán)羥基苯環(huán)的存在。結(jié)合圖2可得，1 497、1 298、1 244、1 171、1 037 cm-1附近有吸收峰出現(xiàn)，說(shuō)明有甲氧基苯環(huán)的存在。898 cm-1附近的吸收峰是苯環(huán)上取代基位置引起的。根據(jù)雙苯基庚烷類化合物的結(jié)構(gòu)式，以庚烷骨架為母核，芳基上的取代基為羥基或甲氧基，因此可以推測(cè)這幾個(gè)峰有可能是二苯基庚烷類化合物的特征峰。這類化合物是山姜屬植物中的一大主要成分，藥理作用廣泛，有抗炎、鎮(zhèn)痛、抗腫瘤、抗氧化的生物活性。雙苯基庚烷類化合物的這些特征峰在紅外圖譜（圖1～2）上出峰相對(duì)較強(qiáng)，在山姜屬植物中的含量較高，這與安寧等研究的結(jié)論相吻合。對(duì)比四者圖譜上的這些特征峰，紅豆蔻相對(duì)較強(qiáng)，可以推測(cè)紅豆蔻中雙苯基庚烷類化合物含量最高，但對(duì)其藥理作用強(qiáng)弱的影響還有待進(jìn)一步深入研究。

（3）3 417、2 927、2 854、1 636、1 457、1 391、1 369和1 045 cm-1為β谷甾醇的紅外指紋特征峰，這是山姜屬植物含有的非揮發(fā)性物質(zhì)β谷甾醇，具有降低血清膽固醇、抗炎防癌的功效。4種植物在3 417 cm-1附近的0-H鍵的伸縮振動(dòng)強(qiáng)寬峰及1 200～1 000 cm-1區(qū)的C-O伸縮振動(dòng)，說(shuō)明含有糖類物質(zhì)。898 cm-1附近有多糖成分β型糖苷鍵的吸收峰，因此說(shuō)明4種植物含有多糖成分，且為β多糖。糖類有增強(qiáng)人體免疫的功能，與人類的生活息息相關(guān)。結(jié)合圖2b，4種植物在1 300～1 000 cm-1的峰位、峰形大不相同；1 204、1 159、1 124、1 105、1 075、1 037、1 021 cm-1附近的吸收峰有很大差異，這應(yīng)該是多糖的種類和多少不同造成的。

（4）在1 636、1 516 cm-1附近的吸收峰，分別是酰胺 Ⅰ 帶、酰胺 Ⅱ 帶的特征峰，相應(yīng)于3 417 cm-1附近強(qiáng)寬峰中N=H和O-H振動(dòng)吸收，說(shuō)明4種植物中含有氨基酸。在1 734～1 725 cm-1范圍內(nèi)的吸收峰歸屬為鞣質(zhì)類、黃酮類等活性成分的C=O伸縮振動(dòng)，對(duì)應(yīng)于2 925、1 045 cm-1附近的吸收峰，說(shuō)明有鞣質(zhì)成分，鞣質(zhì)具有收斂止血的作用。如圖1，在1 600～1 400 cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)吸收峰，峰形、峰位大體相似，是由苯環(huán)的骨架振動(dòng)所引起的；如圖2b，二階導(dǎo)數(shù)1 200～1 000 cm-1范圍內(nèi)有多個(gè)吸收峰，差異較大，它的強(qiáng)峰1 203、1 159、1 129、1 078、1 037 cm-1所對(duì)應(yīng)的是C-O單鍵的伸縮振動(dòng)，898 cm-1附近的吸收峰是苯環(huán)上取代基位置引起的。由此可知，藥材中含有羥基、羰基、不同位置取代的苯環(huán)、碳氧單鍵等官能團(tuán)，可以確定含有大量的黃酮類化合物和少量的鞣質(zhì)類，有抗腫瘤、抗氧化、抗炎鎮(zhèn)痛、保肝、降壓降脂的藥理活性。

以上說(shuō)明同屬不同種植物的化學(xué)物質(zhì)大體相同，4種植物均具有揮發(fā)油、強(qiáng)心苷、β谷甾醇、二苯基庚烷、黃酮、鞣質(zhì)、多糖、氨基酸等。

2.2.2

不同點(diǎn)。

2.2.2.1

峰位改變明顯，出現(xiàn)多峰或缺峰現(xiàn)象。紅豆蔻的吸收峰1 725 cm-1相比其余三者羰基的吸收峰（1 733 cm-1）而言，移了8個(gè)波數(shù)。云南草蔻在1 508 cm-1附近有吸收峰，其余三者在1 516 cm-1附近有吸收峰出現(xiàn)，移了8個(gè)波數(shù)。四者在1 327 cm-1附近均出現(xiàn)了吸收峰，但相對(duì)強(qiáng)度明顯不同，依次為紅豆蔻>草豆蔻>長(zhǎng)柄山姜，而云南草蔻的此峰極其微弱。紅豆蔻、草豆蔻在1 253 cm-1出現(xiàn)吸收峰，云南草蔻和長(zhǎng)柄山姜分別出現(xiàn)在1 243、1 241 cm-1，分別移了10、12個(gè)波數(shù)。四者對(duì)比，云南草蔻多了1 213、1 029 cm-1附近的吸收峰。

2.2.2.2

峰形不同，種間藥材的關(guān)系有遠(yuǎn)近，相關(guān)系數(shù)有差異。在二階導(dǎo)數(shù)1 600～1 400、1 200～1 000 cm-1波段中，如圖2a虛線框出的區(qū)域中，1 517 cm-1右邊、1 497 cm-1左邊，肩峰形狀以及有無(wú)肩峰不一致，說(shuō)明所對(duì)應(yīng)的化合物較復(fù)雜。同時(shí)，云南草蔻、紅豆蔻缺1 443 cm-1附近的峰。對(duì)比紅外圖2a和2b的峰，其中差異最大的是1 200～1 000 cm-1，這個(gè)波段的峰主要來(lái)自于糖類的貢獻(xiàn)，無(wú)論從峰形、峰位還是峰強(qiáng)來(lái)看，此波段差別最明顯，說(shuō)明4種植物中糖的種類以及相對(duì)含量不同。利用此波段進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)越大的關(guān)系越近，相關(guān)系數(shù)越小的關(guān)系越遠(yuǎn)。從表2可看出，云南草蔻與草豆蔻的相關(guān)系數(shù)為0.691，紅豆蔻與草豆蔻的相關(guān)系數(shù)為0.678，長(zhǎng)柄山姜與草豆蔻和云南草蔻的相關(guān)系數(shù)為0.622，長(zhǎng)柄山姜與紅豆蔻的相關(guān)系數(shù)為0.204，云南草蔻與紅豆蔻的相關(guān)系數(shù)為0.183；相比之下，云南草蔻與草豆蔻的相關(guān)系數(shù)最大，關(guān)系最近，云南草蔻和紅豆蔻的相關(guān)系數(shù)最小，關(guān)系最遠(yuǎn)。憑借著這些特征的差異性可以初步區(qū)分4種姜科植物。

2.2.2.3

有些峰強(qiáng)不同，說(shuō)明它們含有相同的化學(xué)成分，但含量不同。由于化合物分子振動(dòng)容易受到外部環(huán)境的影響，因此在4種植物中相差5 cm-1以內(nèi)的峰作為同一官能團(tuán)振動(dòng)的峰，選取其中一個(gè)代表峰來(lái)作分析。1 734～1 725 cm-1歸屬為鞣質(zhì)類、黃酮類等活性成分的C=O伸縮振動(dòng)，1 029～1 068 cm-1處為糖類成分C-O伸縮振動(dòng)，用4種藥材鞣質(zhì)類、黃酮類特征峰（C=O）與糖類成分特征峰（C-O）的吸光度比值來(lái)表示鞣質(zhì)、黃酮類化合物的相對(duì)含量。在紅外圖譜上，糖類、蛋白質(zhì)具有明顯的紅外指紋特征，用吸光度比A1045/A2925和A1635/A2925分別表示4種植物中糖類和蛋白質(zhì)的相對(duì)含量，由表3可知，糖類（A4/A1）相對(duì)含量依次為云南草蔻>草豆蔻=紅豆蔻>長(zhǎng)柄山姜，蛋白質(zhì)（A3/A1）相對(duì)含量依次為草豆蔻>紅豆蔻>云南草蔻>長(zhǎng)柄山姜，鞣質(zhì)類、黃酮類（A2/A3）相對(duì)含量依次為

長(zhǎng)柄山姜>云南草蔻>紅豆蔻>草豆蔻。根據(jù)這些不同點(diǎn)，4種植物的藥理活性強(qiáng)弱也可能不同。相對(duì)來(lái)說(shuō)，糖類的免疫活性中云南草蔻最強(qiáng)，蛋白質(zhì)的活性中草豆蔻最強(qiáng)，鞣質(zhì)、黃酮的收斂止血、保肝、抗氧化等活性中長(zhǎng)柄山姜最強(qiáng)。

3 結(jié)論

該研究對(duì)4種山姜屬植物的紅外光譜圖進(jìn)行對(duì)比，分析比較其圖譜的差異。結(jié)果表明，4種山姜屬植物均有揮發(fā)油、二苯基庚烷、β-谷甾醇、強(qiáng)心苷、糖苷、蛋白質(zhì)、黃酮類及少量的鞣質(zhì)等化合物；不僅圖譜峰形、峰位、峰強(qiáng)有所不同，

1 600～1 000 cm-1范圍內(nèi)的二階導(dǎo)數(shù)差異較為明顯，且有些化合物的相對(duì)含量也不同。如云南草蔻的糖類相對(duì)含量較多，草豆蔻的蛋白質(zhì)較多，鞣質(zhì)、黃酮的相對(duì)含量四者相當(dāng)?？偨Y(jié)山姜屬植物的藥理活性，有抗氧化、抗腫瘤、抗血栓、降血壓血脂等，推測(cè)其相關(guān)的官能團(tuán)，這為進(jìn)一步加強(qiáng)姜科植物的生物活性研究以及開(kāi)發(fā)與利用提供一個(gè)輔助。

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