李家旺，劉艷，司民真

(楚雄師范學院光譜應用技術研究所,云南省楚雄市　675000)

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三種山姜干粉的紅外光譜對比分析

李家旺，劉艷，司民真

(楚雄師范學院光譜應用技術研究所,云南省楚雄市675000)

摘要:本文采用傅立葉變換紅外光譜(二階導數譜)法對三種山姜干粉紅外吸收光譜進行了對比分析。山姜塊根干粉中含有蛋白質(氨基酸)、姜辣素與二苯基庚烷、單糖與多糖(包括淀粉)。三種山姜糖類的化學成分的類型絕大多數是相同的，但不同類型糖的相對含量有一定的差異。三種山姜β轉角構型的蛋白質含量近似相等。桂南山姜的β轉角構型的蛋白質含量較高，寬唇山姜的β折疊構型的蛋白質含量較高。

關鍵詞：紅外光譜；山姜干粉；對比分析

1引言

山姜(拉丁學名：Alpinia japonica (Thunb.) Miq.)是姜科山姜屬多年生草本植物根莖,性溫，味辛，能理氣止痛，袪濕，消腫，活血通絡，治風濕性關節(jié)炎，胃氣痛，跌打損傷[1]。到目前為止，有關山姜化學成分的傅里葉變換紅外光譜對比分析研究還未見報道。利用傅里葉變換紅外光譜技術對山姜化學成分作對比分析的優(yōu)點是快速、簡便，不需要對成分進行分離提純，樣品需要量少，且獲得的光譜中包含了山姜成分指紋信息。作者采用傅里葉變換紅外光譜分析技術對寬唇山姜、長柄山姜及桂南山姜的塊根干粉的紅外光譜進行對比分析，以期為這三種山姜開發(fā)與綜合利用提供科學依據。

2實驗材料、儀器與方法

2.1材料

寬唇山姜(Alpinia platychilus K.Schum)、長柄山姜(Alpinia kwangsiensis T.L.Wu et Senjen)及桂南山姜(Alpinia guinanensis D.Fang et X.X.Chen)塊根采自西雙版納，經專家鑒定。先將這三種山姜的塊根涼干粉碎后過100目篩加工成山姜干粉。

2.2實驗儀器與方法

按1∶200取樣品加入KBr，用瑪瑙研缽研細后壓片，進行FTIR光譜法測定，光譜掃描范圍4000~500 cm-1,采用Perkin-Elemer公司的Spectrum v6.3.1操作軟件進行數據采集及譜圖處理。紅外光譜測試采用Perkin-Elemer公司的Spectrum 100傅里葉變換紅外光譜儀，分辨率為4 cm-1，掃描累加16次。

3結果與分析

3.1三種山姜的紅外吸收光譜的分析

3種山姜干粉樣品的紅外光譜圖(經基線自動校正)如圖1所示。

Fig.1Infrared spectra of three kinds of Alpinia Japonice.(a)Alpinia platychilus K.Schum;(b) Alpinia kwangsiensisT.L.Wu et senjen;(c) Alpinia guinanesis D.Fang et X.X.Chen

Tab.1　Band assiginments for the main infrared spectral band of Alpinia Japonica

按文獻將譜帶進行歸屬如表1所示，圖1表明,山姜塊根干粉中主要含有蛋白質(氨基酸)、辣味成分的姜辣素與二苯基庚烷(它們都含有3-甲氧基-4-羥基苯基官能團)、單糖與大量的多糖(包括淀粉)。其中1635 cm-1、1632 cm-1酰胺Ⅰ帶吸收峰。主要是C=O伸縮振動； 1253 cm-1、1243 cm-1為蛋白質的酰胺Ⅲ帶吸收峰，主要是C-N的伸縮振動和N-H的彎曲振動；1516 cm-1與1449 cm-1為姜辣素與二苯基庚烷的特征吸收峰，是苯環(huán)骨架振動；1155 cm-1、1104 cm-1、1078 cm-1、1059 cm-1、1053 cm-1及1051 cm-1為單糖與多糖(包括淀粉)的特征吸收峰；1730 cm-1為醛類的特征吸收峰。干姜為姜科植物姜(Zingiber officcnale Rosc)根莖的干燥品，文獻研究表明：干姜含多種氨基酸(總含量大約9%)[7]；含辣味成分的姜辣素(含量約為2%)[8]；含單糖與多糖(包括淀粉)[1]，單糖與多糖大約含20.21%[9]。從山姜紅外光譜分析得出的結論與文獻[1，7-9]結果相一致(化學成分的種類)。

3.2三種山姜干粉紅外吸收光譜的二階導數譜分析

三種山姜的紅外光譜十分相似,但也有一些微小差異。為更深入地對比分析三種山姜干粉的化學成分，采用Perkin-Elemer公司的Spectrum v6.3.1操作軟件求出了樣品紅外吸收光譜圖在1730~1400 cm-1及1750~930 cm-1的二階導數譜圖(“Order:second；Number of points:13”)，如圖2、圖3所示。

3.2.1三種山姜干粉的蛋白質紅外吸收光譜帶的二階導數譜分析

蛋白質譜帶歸屬其二級結構情況[5,10-11]如表2所示。從圖2、圖3可看出三種山姜均含有β折疊和β轉角構型的蛋白質。

Tab.2　Band assiginments for the secondary structure of proteinx

Fig.2Second derivatives spectra of three kinds of Alpinia Japonica in 1730~1400 cm-1.(a)Alpinia platychilus K.Schum;(b) Alpinia kwangsiensis T.L.Wu et senjen;(c) Alpinia guinanesis D.Fang et X.X.Chen

Fig.3Second derivatives spectra of three kinds of Alpinia Japonica in 1350~930 cm-1.(a)Alpinia platychilus K.Schum;(b) Alpinia kwangsiensis T.L.Wu et senjen;(c) Alpinia guinanesis D.Fang et X.X.Chen

Tab.3　The fitting calculation results of the secondary structure of protein to infrared spectra of the Alpinia Japonica in 1600~1700 cm-1

采用Perkin-Elemer公司的Spectrum v6.3.1操作軟件對樣品紅外吸收光譜進行基線自動校正，應用OriginPr8．5軟件對酰胺I帶和酰胺Ⅲ帶紅外光譜采用多峰擬合向導(找峰設置：用二階導數找隱藏峰)進行高斯曲線擬合，對峰位、峰高、峰寬等參數反復微調進行非線性回歸，求出各子峰的積分面積，計算酰胺I帶、酰胺Ⅲ帶全部擬合峰總面積，從而定量計算出三種山姜的蛋白質的二級結構相對含量如表3、表4所示。

Tab.4　The fitting calculation results of the secondary structure of protein to Infrared spectra of the Alpinia Japonica in 1220~1320 cm-1

參考文獻由[10-11]知，蛋白質的酰胺I帶、酰胺Ⅲ帶的譜帶范圍分別是1600~1700 cm-1與1220~1320 cm-1。峰面占比是指某個擬合峰的面積占其所處酰胺帶的全部擬合峰的總面積的百分比，總占比指某二級結構類型的蛋白質對應的全部峰面占比之和。

寬唇山姜、長柄山姜、桂南山姜β折疊構型蛋白質相對酰胺I帶(1600~1700 cm-1)的占比分別為25.16%，18.30%，22.53%；相對酰胺Ⅲ帶(1220~1320 cm-1)的占比分別為27.74%，17.13%，16.30%；β轉角構型蛋白質相對酰胺I帶(1600~1700 cm-1)的占比分別為18.09%，16.00%，19.56%；相對酰胺Ⅲ帶(1220~1320 cm-1)的占比分別為15.36%，15.94%，19.51%。表明：(1)三種山姜β轉角構型的蛋白質相對酰胺I帶與酰胺Ⅲ帶的總占比非常吻合，這與文獻[11]得出的結論是一致的，將譜帶1600~1700 cm-1與1200~1320 cm-1分別指認為酰胺I帶、酰胺Ⅲ帶是正確的，即這兩個譜帶的絕大多數的擬合譜峰來自于相同的物質結構-蛋白質。(2)桂南山姜的β折疊構型蛋白質相對酰胺I帶的總占比與相對酰胺Ⅲ帶的總占比相差比較大，它們分別是22.53%與16.30%，在酰胺I帶與相對酰胺Ⅲ帶中對折疊構型蛋白質的擬合峰的指認還不夠精準，還需深入探討。(3)三種山姜β轉角構型的蛋白質含量近似相等，總占比大約為17%。寬唇山姜的β折疊構型的蛋白質含量比桂南山姜與長柄山姜的含量高，桂南山姜β轉角構型的蛋白質含量比寬唇山姜與長柄山姜的含量高。

3.2.2三種山姜干粉的單糖與多糖(淀粉)紅外吸收光譜帶的二階導數譜分析

Tab.5　Band of second derivatives spectra assiginments for three kinds of Alpinia Japonica in 1160~941 cm-1

4討論

本文對比分析了糖類和蛋白質紅外吸收光譜帶的二階導數譜，重點分析了三種山姜干粉含糖類和蛋白質的異同?？梢愿鶕贸龅慕Y果辨別三種山姜，分析過程相對比較麻煩。下一步我們將測試更多的山姜樣品的紅外光譜，再求出糖類和蛋白質紅外吸收光譜帶的二階導數譜，統計出多種山姜樣品中糖類和蛋白質的二階導數譜帶共同的特征峰，可依此判斷樣品是不是山姜；統計某種山姜樣品獨有的特征峰來判斷樣品所屬種類。

文獻[11]得出蛋白質的某種二級結構構型對應的擬合峰面積在酰胺I帶的占比與酰胺Ⅲ帶的總占比是一致的，本文也得到相同的結論。據此我們可以根據蛋白質的某種二級構型的擬合峰在蛋白質的酰胺I帶的總占比與酰胺Ⅲ帶的總占比是否近似相等來判斷對該種構型的蛋白質的峰指認是否正確。當蛋白質的某種二級構型相對酰胺I帶的總占比與相對酰胺Ⅲ帶的總占比相差較大時，若將處于酰胺I帶或酰胺Ⅲ帶中的某種二級構型對應的某個峰排除時，這種二級構型相對酰胺I帶的總占比與相對酰胺Ⅲ帶的總占比剛好接近，表明排除的這個峰可能不是來自于這種二級構型，甚至于它也不是來自于蛋白質，這可以在我們研究復雜混合物如中藥成分時，提供一種指認蛋白質的特征峰的輔助方法，對這種方法的相關論述將另撰文詳細說明。

5結論

三種山姜干粉紅外吸收光譜對比分析得出：

1、山姜塊根干粉中主要含有蛋白質(氨基酸)、辣味成分的姜辣素與二苯基庚烷、單糖與多糖(包括淀粉)。

2、三種山姜糖類的化學成分的類型絕大多數是相同的，但各種類型的相對含量有一定的差異。

3、三種山姜β轉角構型的蛋白質相對酰胺I帶與相對酰胺Ⅲ帶的總占比非常吻合，這與文獻[9]得出的結論是一致的。寬唇山姜的β折疊構型的蛋白質含量比桂南山姜與長柄山姜的含量高，桂南山姜β轉角構型的蛋白質含量比寬唇山姜和長柄山姜的含量高。

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A Comparison Analysis of Infrared Spectrum to Three Kinds of Alpinia Japonica Powder

LI Jia-wang,LIU Yan,SI Min-zhen

(InstituteofSpectrumAppliedTechnique,ChuxiongNormalUniversity,Chuxiong675000,YunNan,China)

Abstract:In this paper,a comparison analysis of infrared absorption spectrum has been done to three kinds of Alpinia Japonica powder.The tuberous root of Alpinia Japonica powder contains protein (amino acid),gingerols and diarylheptanoids,monosaccharide and polysaccharides (including starch).The most of type of the chemical composition of three Alpinia Japonica sugar is the same,but the relative content of different kinds of sugar have certain differences.The protein content of β- Angle configuration to three kinds of Alpinia Japonica is approximately equal.The protein content of β-Angle configurations to Alpinia guinanensis D.Fang et X.X.Chen is higher,β- folding conformations to Alpinia platychilus K.Schum is higher.

Key words:Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy; Alpinia Japonica powder; comparison analysis

中圖分類號：O43

文獻標志碼：A

doi:10.13883/j.issn1004-5929.201601011

作者簡介：李家旺(1967-)，男，云南大姚人，副教授，主要從事物理教學與紅外光譜研究工作,E-mail:lijiaw@cxtc.edu.cn通訊作者：司民真，E-mail:siminzhen@cxtc.edu.cn

基金項目：云南省基金資助項目(2009CD097),國家自然科學基金資助項目(11064001)

收稿日期：2015-01-15; 修改稿日期:2015-03-04

文章編號：1004-5929(2016)01-0056-06