張璐璐，王后政，劉慧勤，吳建文，黎貴卿，陸順忠，李秋庭*

（1.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫214122；3.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西南寧530002）

西林火姜又名細肉姜、小黃姜，根、莖、皮、肉皆為淡黃色，肉質(zhì)致密，姜香濃郁，辛辣味濃，益脾胃、除濕消痞、止咳祛痰的功效優(yōu)良，是良好的香辛調(diào)味料和傳統(tǒng)中醫(yī)藥材，也是廣西百色市西林縣著名特產(chǎn)，已被評為中國國家地理標志產(chǎn)品[1-3]?；鸾鳛槲髁挚h重要的經(jīng)濟作物，年種植面積一般在3 333 公頃左右，總產(chǎn)量約12.5 萬噸，目前基本以干姜塊（片）初級產(chǎn)品遠銷俄羅斯、日本等國[4]。

香氣作為生姜香辛料的重要品質(zhì)屬性之一，對其質(zhì)量評價、加工工藝改良以及開發(fā)前景均有重要意義，因此，一直是生姜的研究熱點[5-6]。其中，頂空固相微萃?。╤eadspace solid phase micro-extraction，HSSPME）因具有操作簡單快捷、可避免非揮發(fā)成分污染色譜柱和方法重現(xiàn)性好，以及可結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）進一步分析等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于研究生姜香氣成分[7]。2015 年，楊小金等[8]使用65 μm PDMS/DVB 萃取頭在加熱至100 ℃的干姜粉中萃取平衡10 min，鑒定出42種揮發(fā)性成分，主要包括單萜及倍半萜、烯烴、醛類、醇類、酯類、酮類及脂肪烴類化合物。2017 年，LUO 等[9]通過該法測定了鮮仔姜的主要成分為香葉醇、乙酸香葉酯、β-紅沒藥烯、β-倍半水芹烯、β-水芹烯、姜烯和α-法呢烯等。另外，研究發(fā)現(xiàn)HS-SPME 萃取結(jié)果受萃取頭、樣品量、樣品濃度、萃取溫度和萃取時間以及解析時間等因素影響[10-11]。2018 年，袁華偉等[12]采用65 μm PDMS/DVB 萃取頭以總峰面積和峰數(shù)對生姜HSSPME 的萃取條件進行優(yōu)化，得出在50 ℃下萃取30 min效果最佳，共檢測到73 種揮發(fā)性成分，其中萜烯類54種（88.51%），醇類5 種（2.83%），醛類6 種（7.68%），醚類4 種（0.32%），酮類2 種（0.31%），其它2 種（0.059%）。

西林火姜是生姜的地方品種之一，為了了解其香辛特色成分，本文采用頂空固相微萃取方法研究西林火姜的揮發(fā)性香氣成分，通過對萃取頭、萃取時間以及解析時間進行單因素試驗確立最佳萃取條件，并結(jié)合匹配度和保留指數(shù)進行定性，以期更好和更準確地反映西林火姜的香氣成分，為西林火姜的進一步開發(fā)提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

西林火姜干姜片：西林縣富源植物開發(fā)有限公司生產(chǎn)提供，于2018 年12 月份中旬采收火姜，經(jīng)熱風(fēng)干燥制成干姜片。主要加工工藝參數(shù)為：溫度60℃～80℃，時間8 h。

MND-628 多功能養(yǎng)生料理機：中山市曼能達塑膠制品有限公司；萃取頭（100 μm PDMS、50/30 μm DVB/CAR/PDMS、85 μm PA）、手動進樣手柄：上海安譜實驗科技股份有限公司；Scion.TQ 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀：美國布魯克道爾頓公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 揮發(fā)性香氣成分萃取

西林火姜干姜片粉碎，過40 目篩得干姜粉。稱取干姜粉3 g 于15 mL 頂空瓶中，聚四氟乙烯隔墊密封，老化萃取纖維頭（85 μm PA：老化溫度280 ℃，老化時間0.5 h；50/30 μm DVB/CAR/PDMS：老化溫度270 ℃，老化時間1 h；100 μm PDMS：老化溫度250 ℃，老化時間0.5 h）將其懸于頂空瓶中，在28 ℃下吸附一段時間后，快速插入250 ℃的GC-MS 進樣口，解析一段時間，進行GC-MS 檢測分析。對萃取頭、萃取時間和解析時間進行單因素優(yōu)化試驗，優(yōu)化指標為定性揮發(fā)性香氣成分的總峰面積和峰數(shù)。所有試驗均重復(fù)3 次。

1.2.2 萃取頭的優(yōu)化

萃取頭對HS-SPME 效果的影響最大，不同的材料和厚度涂層，其極性會存在一定差異，萃取結(jié)果也明顯不同[13]。研究表明，生姜的揮發(fā)性成分主要由萜烯類組成[14-16]。因此，分別選用100 μm PDMS（適用于小分子揮發(fā)性非極性物質(zhì)）、50/30 μm DVB/CAR/PDMS（適用于C3～C6 大范圍分析）、85 μm PA（適用于極性半揮發(fā)物質(zhì)，酚類）3 種萃取頭，萃取30 min，解析3 min 進行優(yōu)化。

1.2.3 萃取時間的優(yōu)化

萃取頭存在萃取平衡狀態(tài)，因此HS-SPME 分析不同的揮發(fā)性有機物時，所需時間不同。萃取時間過長，會導(dǎo)致出峰分離度差，甚至質(zhì)譜檢測器過飽和，影響定性定量；萃取時間過短，不能全面準確反映成分組成。一般情況下10 min 之內(nèi)可達最高吸附量，而對于復(fù)雜及半揮發(fā)性有機物，30 min 至60 min 才能達到平衡[17]?；鸾銡獬煞謴?fù)雜，因此，使用確定的最佳萃取頭，分別萃取干姜粉30、40、50、60 min，解析3 min進行優(yōu)化。

1.2.4 解析時間的優(yōu)化

萃取頭HS-SPME 萃取完成后，需要在GC 進樣口解析進樣。進樣口溫度較高且恒定，解析時間過長，可能對萃取頭涂層產(chǎn)生破壞，縮短使用壽命。反之解析時間過短，則不能完全解析，不僅會降低GC-MS 分析結(jié)果的準確性，還可能污染后續(xù)試驗[18-19]。因此，使用已確定最佳萃取頭和萃取時間，分別解析1、2、3、4 min進行優(yōu)化。

1.2.5 GC-MS 條件

1.2.5.1 GC 條件

色譜柱型號BR-5ms（60 m×0.25 mm×0.25 μm）；升溫程序：初始溫度50 ℃，保持1 min，再以3 ℃/min升溫至150 ℃，保持2 min，最后以20 ℃/min 升溫至250 ℃，保持2 min；進樣口溫度250 ℃，載氣：高純氦氣，純度99.999%，分流比1 ∶10，流量1.20 mL/min，柱壓為2.4 kPa。

1.2.5.2 MS 條件

電離方式EI，離子源溫度230 ℃，電子能量70 eV，傳輸線溫度250 ℃，電子倍增管電壓為800 V，掃描間隔1 s，掃描范圍（m/z）30 ～550。

1.3 數(shù)據(jù)處理

定性方法：采用譜庫檢索與保留指數(shù)相結(jié)合的方法。（1）質(zhì)譜鑒定：通過與NIST11 譜庫進行比對，要求正、反匹配度都大于800；（2）保留指數(shù)（retention index，RI）鑒定：C8～C40 的正構(gòu)烷烴混合標準液，采用相同的氣質(zhì)升溫程序，根據(jù)保留時間計算樣品中化合物的保留指數(shù)，并與文獻中使用相同氣相色譜柱的同種物質(zhì)保留指數(shù)進行比較確認。保留指數(shù)計算公式如下。

式中：Tx為化合物X 的保留時間，min；Z 和Z+1 分別為化合物X 出峰前后相鄰正構(gòu)烷烴標準品的碳原子數(shù)；TZ與TZ+1分別為Z 和Z+1 個碳原子對應(yīng)正構(gòu)烷烴的保留時間，min。

定量方法：面積歸一法。

2 結(jié)果與分析

2.1 萃取頭的優(yōu)化結(jié)果

干姜粉經(jīng)不同萃取頭萃取所得的總峰面積和峰數(shù)如表1 所示。

表1 不同萃取頭對HS-SPME 萃取效果的影響Table 1 Extraction efficiencies of HS-SPME with different SPME fibers

由表1 可知，不同的萃取頭對干姜粉的萃取效果不同。其中，萃取頭100 μm PDMS 萃取干姜粉所得總峰面積最大，峰數(shù)最多，萃取效果明顯高于其它兩種萃取頭。因此，確定100 μm PDMS 為最佳萃取頭。

2.2 萃取時間的優(yōu)化結(jié)果

干姜粉使用100 μm PDMS 萃取頭在不同萃取時間下所得的總峰面積和峰數(shù)如圖1 所示。

圖1 萃取時間對HS-SPME 萃取效果的影響Fig.1 Extraction efficiencies of HS-SPME with different extraction time

由圖1 可知，隨著萃取時間的延長，萃取干姜粉所得總峰面積不斷增加，經(jīng)單因素分析，30 min 與40 min的總峰面積存在差異，40 min 與50、60 min 均不存在差異。而萃取所得峰數(shù)在30 min ～40 min 增加，40 min時峰數(shù)最大，40 min ～60 min 持續(xù)減少，這可能是由于萃取頭在達到萃取飽和狀態(tài)后，繼續(xù)增加萃取時間，導(dǎo)致樣品瓶中低沸點高含量的香氣成分與高沸點低含量的香氣成分競爭吸附，使得總峰面積在持續(xù)增加而峰數(shù)降低。因此綜合考慮，確定40 min 為干姜粉的最佳萃取時間。

2.3 解析時間的優(yōu)化結(jié)果

干姜粉使用100 μm PDMS 萃取頭，萃取40 min，發(fā)現(xiàn)1 min ～4 min 的解析時間對峰數(shù)變化無影響，均為45 個色譜峰，而對總峰面積影響較大，如圖2所示。

圖2 解析時間對HS-SPME 萃取效果的影響Fig.2 Extraction efficiencies of HS-SPME with different desorption time

由圖2 可知，解析時間在1 min ～3 min 所得總峰面積一直處于上升趨勢，4 min 時有所降低，證明3 min時已基本解析完全，因此，確定3 min 作為干姜粉的最佳解析時間。

2.4 西林火姜揮發(fā)性香氣成分的分析

西林火姜干姜粉3 g，在100 μm PDMS 萃取頭，萃取40 min，解析3 min 的最佳萃取條件下，所得香氣成分總離子流圖如圖3 所示。

由圖3 可知，在最佳條件下，西林火姜干姜揮發(fā)性香氣成分基線平穩(wěn)，峰型尖銳且無過飽和狀態(tài)。對揮發(fā)性香氣成分進行檢索結(jié)合保留指數(shù)定性，并計算相對百分含量，匯總結(jié)果如表2 所示。

圖3 干姜揮發(fā)性香氣成分的GC-MS 總離子流圖Fig.3 GC-MS total ion current chromatogram of volatile aroma components extracted from ginger

表2 干姜揮發(fā)性香氣成分的GC-MS 鑒定結(jié)果及相對百分含量Table 2 Identification results and relative percentage of volatile aroma components of dried ginger

續(xù)表2 干姜揮發(fā)性香氣成分的GC-MS 鑒定結(jié)果及相對百分含量Continue table 2 Identification results and relative percentage of volatile aroma components of dried ginger

由表2 可知，西林火姜干姜中檢測出45 種揮發(fā)性香氣成分，萜烴類化合物共23 種是干姜中最豐富的香氣成分，含量高達91.96%，這類化合物一般具有一定的香氣。其次醇類11 種、醛類3 種、酯類3 種、酮類4 種，含量由高到低為醇類（2.91%）＞醛類（2.11%）＞酯類（0.94%）＞酮類（0.61%），這些香氣成分中大部分為萜烴通過氧化作用形成的產(chǎn)物，擁有更為復(fù)雜的香氣[20]。除此之外，還檢測到少量環(huán)氧化物，含量為1.48%。這些物質(zhì)相互協(xié)同增效，賦予了西林火姜濃郁的辛香特色。

在這些物質(zhì)中姜烯（42.09%）、β-倍半水芹烯（15.40%）、（E，E）-α-法呢烯（9.70%）、β-紅沒藥烯（8.21%）、α-姜黃烯（6.66%）、β-蓽澄茄油烯（2.85%），2-茨醇（1.36%）、α-檸檬醛（1.17%）、β-欖香烯（1.13%）等為主要揮發(fā)性香氣成分，對西林火姜的香氣有重要貢獻，并且這些香氣成分許多已被證明具有一定的抗氧化、抗菌、促進其它治療物質(zhì)的吸收和利用的作用[21-22]。尤其是姜烯、姜黃素、β-倍半水芹烯等在抗炎、抗菌、抗病毒、抗增殖、抗腫瘤等方面具有良好的療效，是醫(yī)藥、食品、香料和化妝品工業(yè)的重要原料[23-24]。另外，對比西林火姜與其它生姜的香氣成分發(fā)現(xiàn)，它們的物質(zhì)組成具有一定相似性，含量有較大不同，其中姜烯、姜黃素、β-倍半水芹烯的百分含量明顯高于楊小金等[8]、袁華偉等[12]的生姜研究結(jié)果，這可能是西林火姜姜香濃郁，辛辣味濃和藥用性能好的原因。

3 結(jié)論

本研究確立了HS-SPME-GC-MS 分析西林火姜香氣成分的最佳萃取條件為：3 g 干姜粉，采用100 μm PDMS 萃取頭、萃取時間40 min，解析時間3 min，在此條件下，結(jié)合匹配度與保留指數(shù)共定性出萜烴類、醇類、醛類、酮類和酯類等45 種香氣成分。西林火姜干姜片揮發(fā)性香氣成分豐富，姜烯、β-倍半水芹烯、（E，E）-α-法呢烯、β-紅沒藥烯、α-姜黃烯、β-蓽澄茄油烯、2-茨醇、α-檸檬、β-欖香烯為主要揮發(fā)性香氣成分，尤其姜烯、姜黃素、β-倍半水芹烯百分含量明顯高于其他生姜，這些成分可能對西林火姜的香辛特色具有重要意義。