李家旺，劉艷，司民真

(楚雄師范學(xué)院光譜應(yīng)用技術(shù)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(duì)比分析

李家旺，劉艷，司民真

(楚雄師范學(xué)院光譜應(yīng)用技術(shù)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(dǎo)數(shù)譜)法對(duì)三種山姜干粉紅外吸收光譜進(jìn)行了對(duì)比分析。山姜塊根干粉中含有蛋白質(zhì)(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(xué)成分的類型絕大多數(shù)是相同的，但不同類型糖的相對(duì)含量有一定的差異。三種山姜β轉(zhuǎn)角構(gòu)型的蛋白質(zhì)含量近似相等。桂南山姜的β轉(zhuǎn)角構(gòu)型的蛋白質(zhì)含量較高，寬唇山姜的β折疊構(gòu)型的蛋白質(zhì)含量較高。

關(guān)鍵詞：紅外光譜；山姜干粉；對(duì)比分析

1引言

山姜(拉丁學(xué)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(luò)，治風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎，胃氣痛，跌打損傷[1]。到目前為止，有關(guān)山姜化學(xué)成分的傅里葉變換紅外光譜對(duì)比分析研究還未見報(bào)道。利用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)對(duì)山姜化學(xué)成分作對(duì)比分析的優(yōu)點(diǎn)是快速、簡(jiǎn)便，不需要對(duì)成分進(jìn)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(shù)對(duì)寬唇山姜、長(zhǎng)柄山姜及桂南山姜的塊根干粉的紅外光譜進(jìn)行對(duì)比分析，以期為這三種山姜開發(fā)與綜合利用提供科學(xué)依據(jù)。

2實(shí)驗(yàn)材料、儀器與方法

2.1材料

寬唇山姜(Alpinia platychilus K.Schum)、長(zhǎng)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(jīng)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(shí)驗(yàn)儀器與方法

按1∶200取樣品加入KBr，用瑪瑙研缽研細(xì)后壓片，進(jìn)行FTIR光譜法測(cè)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集及譜圖處理。紅外光譜測(cè)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(jié)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(jīng)基線自動(dòng)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(xiàn)將譜帶進(jìn)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(zhì)(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(tuán))、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(dòng)； 1253 cm-1、1243 cm-1為蛋白質(zhì)的酰胺Ⅲ帶吸收峰，主要是C-N的伸縮振動(dòng)和N-H的彎曲振動(dòng)；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(dòng)；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(xiàn)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(jié)論與文獻(xiàn)[1，7-9]結(jié)果相一致(化學(xué)成分的種類)。

3.2三種山姜干粉紅外吸收光譜的二階導(dǎo)數(shù)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(duì)比分析三種山姜干粉的化學(xué)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(dǎo)數(shù)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(zhì)紅外吸收光譜帶的二階導(dǎo)數(shù)譜分析

蛋白質(zhì)譜帶歸屬其二級(jí)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)角構(gòu)型的蛋白質(zhì)。

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(duì)樣品紅外吸收光譜進(jìn)行基線自動(dòng)校正，應(yīng)用OriginPr8．5軟件對(duì)酰胺I帶和酰胺Ⅲ帶紅外光譜采用多峰擬合向?qū)?找峰設(shè)置：用二階導(dǎo)數(shù)找隱藏峰)進(jìn)行高斯曲線擬合，對(duì)峰位、峰高、峰寬等參數(shù)反復(fù)微調(diào)進(jìn)行非線性回歸，求出各子峰的積分面積，計(jì)算酰胺I帶、酰胺Ⅲ帶全部擬合峰總面積，從而定量計(jì)算出三種山姜的蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)相對(duì)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(xiàn)由[10-11]知，蛋白質(zhì)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(gè)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(jí)結(jié)構(gòu)類型的蛋白質(zhì)對(duì)應(yīng)的全部峰面占比之和。

寬唇山姜、長(zhǎng)柄山姜、桂南山姜β折疊構(gòu)型蛋白質(zhì)相對(duì)酰胺I帶(1600~1700 cm-1)的占比分別為25.16%，18.30%，22.53%；相對(duì)酰胺Ⅲ帶(1220~1320 cm-1)的占比分別為27.74%，17.13%，16.30%；β轉(zhuǎn)角構(gòu)型蛋白質(zhì)相對(duì)酰胺I帶(1600~1700 cm-1)的占比分別為18.09%，16.00%，19.56%；相對(duì)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(zhuǎn)角構(gòu)型的蛋白質(zhì)相對(duì)酰胺I帶與酰胺Ⅲ帶的總占比非常吻合，這與文獻(xiàn)[11]得出的結(jié)論是一致的，將譜帶1600~1700 cm-1與1200~1320 cm-1分別指認(rèn)為酰胺I帶、酰胺Ⅲ帶是正確的，即這兩個(gè)譜帶的絕大多數(shù)的擬合譜峰來自于相同的物質(zhì)結(jié)構(gòu)-蛋白質(zhì)。(2)桂南山姜的β折疊構(gòu)型蛋白質(zhì)相對(duì)酰胺I帶的總占比與相對(duì)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(duì)酰胺Ⅲ帶中對(duì)折疊構(gòu)型蛋白質(zhì)的擬合峰的指認(rèn)還不夠精準(zhǔn)，還需深入探討。(3)三種山姜β轉(zhuǎn)角構(gòu)型的蛋白質(zhì)含量近似相等，總占比大約為17%。寬唇山姜的β折疊構(gòu)型的蛋白質(zhì)含量比桂南山姜與長(zhǎng)柄山姜的含量高，桂南山姜β轉(zhuǎn)角構(gòu)型的蛋白質(zhì)含量比寬唇山姜與長(zhǎng)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(dǎo)數(shù)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(duì)比分析了糖類和蛋白質(zhì)紅外吸收光譜帶的二階導(dǎo)數(shù)譜，重點(diǎn)分析了三種山姜干粉含糖類和蛋白質(zhì)的異同?？梢愿鶕?jù)得出的結(jié)果辨別三種山姜，分析過程相對(duì)比較麻煩。下一步我們將測(cè)試更多的山姜樣品的紅外光譜，再求出糖類和蛋白質(zhì)紅外吸收光譜帶的二階導(dǎo)數(shù)譜，統(tǒng)計(jì)出多種山姜樣品中糖類和蛋白質(zhì)的二階導(dǎo)數(shù)譜帶共同的特征峰，可依此判斷樣品是不是山姜；統(tǒng)計(jì)某種山姜樣品獨(dú)有的特征峰來判斷樣品所屬種類。

文獻(xiàn)[11]得出蛋白質(zhì)的某種二級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)型對(duì)應(yīng)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(jié)論。據(jù)此我們可以根據(jù)蛋白質(zhì)的某種二級(jí)構(gòu)型的擬合峰在蛋白質(zhì)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(duì)該種構(gòu)型的蛋白質(zhì)的峰指認(rèn)是否正確。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)的某種二級(jí)構(gòu)型相對(duì)酰胺I帶的總占比與相對(duì)酰胺Ⅲ帶的總占比相差較大時(shí)，若將處于酰胺I帶或酰胺Ⅲ帶中的某種二級(jí)構(gòu)型對(duì)應(yīng)的某個(gè)峰排除時(shí)，這種二級(jí)構(gòu)型相對(duì)酰胺I帶的總占比與相對(duì)酰胺Ⅲ帶的總占比剛好接近，表明排除的這個(gè)峰可能不是來自于這種二級(jí)構(gòu)型，甚至于它也不是來自于蛋白質(zhì)，這可以在我們研究復(fù)雜混合物如中藥成分時(shí)，提供一種指認(rèn)蛋白質(zhì)的特征峰的輔助方法，對(duì)這種方法的相關(guān)論述將另撰文詳細(xì)說明。

5結(jié)論

三種山姜干粉紅外吸收光譜對(duì)比分析得出：

1、山姜塊根干粉中主要含有蛋白質(zhì)(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(xué)成分的類型絕大多數(shù)是相同的，但各種類型的相對(duì)含量有一定的差異。

3、三種山姜β轉(zhuǎn)角構(gòu)型的蛋白質(zhì)相對(duì)酰胺I帶與相對(duì)酰胺Ⅲ帶的總占比非常吻合，這與文獻(xiàn)[9]得出的結(jié)論是一致的。寬唇山姜的β折疊構(gòu)型的蛋白質(zhì)含量比桂南山姜與長(zhǎng)柄山姜的含量高，桂南山姜β轉(zhuǎn)角構(gòu)型的蛋白質(zhì)含量比寬唇山姜和長(zhǎng)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(hào)：O43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.13883/j.issn1004-5929.201601011

作者簡(jiǎn)介：李家旺(1967-)，男，云南大姚人，副教授，主要從事物理教學(xué)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(xiàng)目：云南省基金資助項(xiàng)目(2009CD097),國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11064001)

收稿日期：2015-01-15; 修改稿日期:2015-03-04

文章編號(hào)：1004-5929(2016)01-0056-06