GC-MS分析比较3个特产香椿品种的挥发性成分

刘常金1，张 杰2,*，周争艳1，谢艳辉1，宛红颖1，刘胜斌1

(1.天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津 300457；2.天津科技大学食品安全战略与管理研究中心，天津 300457)

摘 要：采用顶空固相微萃取技术对香椿嫩芽的挥发性成分进行萃取，通过优化实验证明：65μm PDMS/DVB类型萃取头，在40℃环境中萃取30min可以达到最大的萃取效率。在此基础上，采用气相色谱-质谱联用(GC-MS)对山东西牟红香椿、河南焦作红香椿、安徽太和黑油椿3个著名地方品种香椿的挥发性风味成分进行比较，以探讨他们之间风味呈现异同的原因。结果表明：山东西牟红香椿挥发性成分主要为噻吩类化合物(61.613%)和萜烯类化合物(19.179%)；河南焦作红香椿挥发性成分主要为萜烯类化合物(52.137%)和噻吩类化合物(32.054%)；安徽太和黑油椿挥发性成分主要为萜烯类化合物(74.880%)和酯类化合物(19.496%)。3种香椿中硫醚类、噻吩类、硫酯类、噻喃类等含硫化合物的含量按以上顺序呈现递减趋势，而醛类、醇类、醚类、酯类、萜烯类化合物的含量呈现递增趋势。

关键词：香椿；著名地方品种；挥发性风味物质；顶空固相微萃取(HS-SPME)；气相色谱-质谱法(GC-MS)

Comparative Analysis of Volatile Components in Three Cultivars of Chinese Toon (Toona sinensis) by GC-MS

LIU Chang-jin1，ZHANG Jie2,*，ZHOU Zheng-yan1，XIE Yan-hui1，WAN Hong-ying1，LIU Sheng-bin1

(1. College of Food Engineering and Biotechnology, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China；

2. Center of Food Safety Strategy and Management, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China)

Abstract：In this study, the volatile compounds of Chinese toon shoots from three cultivars, Ximu red from Yantai city of Shandong province, Jiaozuo red from Jiaozuo city of Henan province and Heiyou purple from Taihe county of Anhui province were extracted by headspace solid-phase microextraction (HS-SPME) and analyzed by GC-MS. The maximum extraction efficiency was obtained after 30 min of extraction at 40 ℃ for using 65 μm polydimethylsiloxane/divinyl benzene (PDMS/DVB) fiber. Besides, the mechanism for the differences in their flavor characteristics was analyzed. The results indicated that thiophenes (61.613%) and terpenes (19.179%) were the major compounds from the Ximu red cultivar, while terpenes (52.137%) and thiophenes (32.054%) were the major compounds from the Jiaozuo red cultivar. Different from the former two, terpenes (74.880%) and esters (19.496%) were the major compounds in the Heiyou purple cultivar. The contents of thioethers, thiophenes, thioesters and thiopyran in the three cultivars followed a decreasing order: Ximu red, Jiaozuo red and Heiyou purple, while this was an increasing order for aldehydes, alcohols, ethers, esters and terpenes.

Key words：Toona sinensis；famous cultivar；volatile compounds；headspace solid-phase microextraction (HS-SPME)；gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)

中图分类号：TQ654.2 文献标志码：A 文章编号：1002-6630(2013)20-0261-07

doi:10.7506/spkx1002-6630-201320055

香椿是中国特有的一种传统蔬菜，风味浓郁，营养丰富，深受广大人民群众的喜爱。香椿分布于我国的大部分地区，品种多样，有红香椿、红油椿、绿香椿、黑油椿、青油椿、黄罗伞等品种，大体上来讲，分为紫椿和绿椿2个大品种[1]。由于分布位置和品种的不同，各地的香椿品种都有各自的口感和特色，其中最为著名的香椿品种为山东西牟的红香椿、河南焦作的红香椿和安徽太和的黑油椿[2]。

香椿中丰富的风味化合物是其呈现独特气味的主要原因，根据前人对香椿挥发性化合物的分析，其主要的挥发性成分为萜烯类、含硫化合物、醇类、少量的醛类、酯类等[3-6]。其中含硫化合物和萜烯类化合物性质活泼、容易受温度影响或与其他物质进行反应。对香椿中挥发性风味化合物的分析需要采取最为有效地方法，其中对其风味化合物的萃取采用的传统方法有水蒸气蒸馏法[5-7]、同时蒸馏-萃取法[8]、超临界CO2流体萃取法[9]等。近年来，顶空固相微萃取法(headspace solid-phase microextraction，HS-SPME)以其重现性好、对样品无溶剂干扰、效率高等优点[10]，避免了传统方法中温度以及有机溶剂的干扰，也提高了萃取效率，减少了化合物在萃取过程中的流失，因此广泛应用于对于水果蔬菜挥发性成分的分析[11-12]。而李聚英[13]、Mu Ruimin[6]等也将此萃取技术成功用于对香椿嫩芽挥发性化合物的萃取。由于顶空固相微萃取自身特点，需要进行一系列的优化萃取方法来获得最大的萃取效率和重现性，通常这些优化的条件包括萃取头类型、萃取温度、萃取时间等[14]。

在最大效率的提取香椿挥发性化合物的基础上，挥发性化合物在气相色谱-质谱联用仪(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)中进行定性分析和半定量分析。本实验着重研究了山东西牟红香椿、河南焦作红香椿、安徽太和黑油椿我国最为著名的3个地方香椿品种挥发性化合物的相同点和不同点，包括化合物种类的异同、化合物含量的区别等，从而在化学本质上揭示3种不同品种的香椿呈现其各自不同风味的原因。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

所采用的香椿嫩芽来自山东烟台西牟村、河南焦作武陟县、安徽阜阳太和县。在2012年春嫩芽第一茬长出时采摘，采摘时间相同且随机采摘。当天运回天津科技大学分析测试中心进行分析，这3个品种经河南省农业科学研究院夏廉法研究员鉴定，品种分别为山东西牟红香椿、河南焦作红香椿和安徽太和黑油椿。

(Z)-1-甲硫基丙烯、(E)-1-甲硫基丙烯 美国Heowns公司；2,5-二甲基噻吩和3,4-二甲基噻吩 美国Accu Standard公司；C7～C33正构烷烃混标 美国Heowns公司。

1.2 仪器与设备

Varian4000 GC-MS(配备VF-5ms毛细管色谱柱(30m×0.25mm，0.25μm)) 美国瓦里安公司；顶空固相微萃取装置(包括手持式手柄，50/30μm DVB/PDMS、75μm CAR/PDMS、100μm PDMS、65μm PDMS/DVB 4种萃取头，40mL顶空瓶) 美国Supelco公司；电热恒温水浴锅 天津欧诺仪器仪表有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品处理

准确称量10.0g样品，经研钵中充分磨碎即刻放入40mL的顶空瓶中，用密封垫密封，在室温条件下放置一定时间达到平衡，再将萃取头插入顶空瓶中在最佳萃取温度和萃取时间条件下萃取，萃取完成后立即取下萃取头，插入GC-MS中解吸5min，每个样品平行3次，每个化合物面积采用3次平均值。

1.3.2 GC-MS条件

气相色谱条件：载气He，进样口温度250℃，分流比：20:1，柱流速1cm/min。升温程序：初始温度40℃，保持3min；以4℃/min升至150℃，保持1min；再以8℃/min升至259℃，保持6min。质谱条件：穿梭线温度280℃，电离方式为电子电离(electron ionization，EI)，离子阱温度220℃，扫描方式全扫描，扫描范围m/z 43～500。检索图库：NIST 05。

1.3.3 萃取条件优化单因素试验

采用单个因素逐步优化的方法[15]对萃取头类型、萃取温度和萃取时间进行优化。根据极性及涂层厚度的不同，采用的萃取头有50/30μm DVB/PDMS、75μm CAR/PDMS、100μm PDMS、65μm PDMS/DVB 4种类型；采取的萃取温度为10、20、30、40、50℃ 5个梯度；时间为10、20、30、40、50min 5个梯度。根据不同梯度下色谱峰的总面积确定最佳的萃取头类型、萃取温度和时间等。

1.3.4 定性与半定量方法

香椿挥发性成分的定性上，除了将得出的质谱结果与NIST 05谱库对比之外，也采用计算保留指数的方法：将正构烷烃混标(200μg/mL溶于正己烷中)取1μL置于40mL顶空瓶底，采用同样的顶空固相微萃取方法进行萃取，按照以上的色谱条件进样，记录各正构烷烃保留时间，采用线性升温公式[16]计算各未知组分的保留指数(RI)。

RI=100×n＋100×(tR(x)－tR(n))/(tR(n＋1)－tR(n))

式中：tR(n)、tR(x)和tR(n＋1)分别为被分析组分和碳原子数处于n和n＋1之间的正构烷烃(tR(n)＜tR(x)＜tR(n＋1))的流出峰的保留时间。

将计算出的未知化合物的保留指数与工作站中NIST 05库参考文献的保留指数对比，或者检索美国国家标准与技术研究院网站中找出相同条件下的化合物的保留指数并与之对比，鉴别相对应的化合物。此外，在两者基础上仍难以鉴别的化合物，采用在同样色谱条件下将未知化合物的保留信息和质谱图与化学标准品相对比的方法进行鉴别。

半定量方法将每一种化合物所对应的峰面积积分，各个品种的化合物含量组成采用峰面积归一化法，对每一种化合物的相对含量进行统计，得出相应的相对含量值；不同品种化合物种类含量的差异通过计算每一种类化合物的总峰面积，用峰面积图的形式说明含量的差异。

2 结果与分析

2.1 最佳萃取条件的确定

通过对4种不同种类的萃取头的优化，由图1可以看出，65μm PDMS/DVB类型的萃取头所能包含的色谱峰数量和面积明显比其他三者高，这说明这种类型的萃取头具有最大的萃取效率，这与Mu Ruimin等[6]的结论相同。

图 1 不同萃取头类型对萃取效果的影响

Fig.1 Effect of different fiber types on extraction efficiency

图 2 不同萃取温度(A)和萃取时间(B)峰面积对比图

Fig.2 Effect of extraction temperature and time on total peak area

萃取温度和萃取时间影响萃取效率，通过对不同萃取温度和时间的逐步优化，计算相应的色谱峰的总面积，由图2可知，在10～40℃范围内，峰面积随着温度的升高而升高，40℃以后峰面积保持不变，说明在40℃条件下已经达到了最大的萃取效率；同样的，在10～30min内，峰面积随着萃取时间的延长而增大，30min以后峰面积的增大已经不明显，故取30min为最佳的萃取时间。

2.2 方法精密性的验证

在以上最佳条件下将3组同样的样品进行分析，统计可以在GC-MS中准确鉴别的10种代表性化合物的峰面积，并计算每一种化合物峰面积的相对标准偏差(RSD)，结果表明(表1)，所选取的化合物峰面积的相对标准偏差都在小于9%的范围内，证明以上方法精密度及准确度可行。

表 1 10种具有代表性的化合物峰面积的相对标准偏差

Table 1 Relative standard deviation (RSD) of peak area from triplicate separation of 10 representative compounds in Toona sinensis

2.3 3个品种挥发性化合物的分析

2.3.1 3个香椿品种挥发性成分鉴定结果

3个品种挥发性化合物的总离子流图对比效果如图3所示。

由图3可得出各个品种香椿嫩芽的挥发性成分，具体结果见表2，表中包含了各化合物的保留指数、化合物名称、鉴别方法以及每一种化合物的相对含量。3个品种香椿的挥发性成分中，总共分离出80个色谱峰，其中共鉴别出75种化合物，每1种化合物在各个品种中的相对含量有所不同，而每1个品种的香椿又都有其独有的化合物。统计结果表明，山东西牟红香椿中特有的成分有甲基丙烯基二硫醚、α-侧柏烯、2-丙基四氢噻吩以及1种未鉴别的化合物；与另外两种相比缺少的化合物有乙酸己酯、α-荜澄茄油烯、γ-杜松烯等。河南焦作红香椿的所有挥发性成分在其他两种中都能找到，而缺少另外两种中含有的萜品油烯。安徽太和黑油椿中所含有的特有物质较多，主要为另外两个品种所不含有的醇类、醛类、萜烯类以及萜烯类氧化物，包括2-甲基丁醛、
cis-2-戊烯-1-醇、(Z)-2-己烯-1-醇、(Z)-2-己烯酯、cis-罗勒烯、(2E,6Z)-2,6-壬二烯醛、(E)-2-壬烯醛、桃金娘烯醇、衣兰烯、(1)-香树烯氧化物、(2)-香树烯氧化物、
cis-澳白檀醇等，此外，安徽太和黑油椿中缺少另外两种所含有的含硫化合物和萜烯类化合物，如2,5-二甲基噻吩、1种未鉴别的化合物、3-乙基-1,3-二硫环己-4-烯、
α-芹子烯、1,5-二甲基-8-异丙烯基-1,5-二烯环十烷、1,6-二甲基-4-异丙基-1,2,3,4,4a,7-六氢化萘、大根香叶烯B，以及另外一种未鉴别的化合物等。

A.山东西牟红香椿；B.河南焦作红香椿；C.安徽太和黑油椿。

图 3 3种香椿挥发性成分的总离子流图

Fig.3 Total ion chromatograms of volatile compounds from three cultivars of Toona sinensis

山东西牟红香椿中含量最高的10种物质是trans-3,4-二甲基-2-巯基-2,3-脱氢噻吩(25.650%)、cis-3,4-二甲基-2-巯基-2,3-脱氢噻吩(22.210%)、β-石竹烯(12.610%)、3,4-二甲基噻吩(11.710%)、3-乙基-1,2-二硫环己-5-烯(4.511%)、3-乙基-1,2-二硫环己-4-烯(4.434%)、3-乙基-1,3-二硫环己-4-烯(2.989%)、二硫代丙酸丙烯酯(2.446%)、硫化丙烯(2.093%)、a-蒎烯(1.730%)；河南焦作红香椿中含量最高的10种物质是β-石竹烯(32.860%)、trans-3,4-二甲基-2-巯基-2,3-脱氢噻吩(13.530%)、cis-3,4-二甲基-2-巯基-2,3-脱氢噻吩(11.18%)、3,4-二甲基噻吩(5.373%)、α-石竹稀(3.845%)、α-榄香烯(3.556%)、3-乙基-1,3-二硫环己-4-烯(2.645%)、硫化丙烯(2.492%)、α-可巴烯(2.259%)、乙酸-1,7-二甲基-4-异丙烯基-二环[4,4,0]-6-烯-9-酯(2.153%)；而安徽太和黑油椿中含量最高的10种物质是β-石竹烯(31.140%)、(Z)-丁子香烯(26.660%)、α-石竹稀(6.645%)、乙酸-1,7-二甲基-4-异丙烯基-二环[4,4,0]-6-烯-9-酯(18.790%)、α-可巴烯(4.331%)、2-甲基-9-(2-烯丙醇)-二环[4,4,0]-2-烯-4-醇(1.732%)、α-榄香烯(1.140%)、(Z)-2-己烯-1-醇(0.737%)、(E)-2-己烯-1-醇(0.075%)、γ-古芸烯(0.626%)。可见，前两种香椿含有的主要化合物是含硫化合物而太和黑油椿中主要是萜烯类化合物及酯类、醇类等，这可能是三者呈现不同味道的原因。

表 2 3个品种香椿挥发性成分鉴定结果

Table 2 Volatile compounds of three cultivars of Toona sinensis

注：MS.与NIST 05谱库中的质谱信息进行对比；RIL.与NIST谱库或网站中文献的保留指数对比鉴定；RS.和相同色谱条件下标准品的保留时间和质谱信息对比鉴定。—.化合物含量未鉴别到。

2.3.2 3种香椿化合物种类的构成

3种香椿所含的挥发性化合物可分为以下几类：硫醚类、萜烯类、噻吩类、醛类、酯类、醇类、醚类、噻喃类，硫酯类、呋喃类等。由图4可知，山东西牟红香椿中含量最高的为噻吩类化合物(61.613%)，其次为萜烯类化合物(19.179%)；河南焦作红香椿中含量最高的为萜烯类化合物(52.137%)，其次为噻吩类化合物(32.054%)，安徽太和黑油椿与前两者不同，含量最高的为萜烯类化合物(74.880%)，其次为酯类化合物(19.496%)。可见，无论哪一种香椿，萜烯类化合物都是其嫩芽挥发性化合物中的主要成分。

A.山东西牟红香椿

B.河南焦作红香椿

C.安徽太和黑油椿

图 4 3个品种香椿各自化合物种类组成相对含量图

Fig.4 Relative contents of various groups of volatile compounds in three cultivars of Toona sinensis

2.3.3 3种香椿化合物种类含量的比较分析

化合物含量的比较可以通过峰面积的大小来确定。由图5可知，3种品种各类化合物的含量不尽相同，硫醚类、噻吩类、硫酯类、噻喃类等含硫化合物的含量按山东西牟红香椿、河南焦作红香椿、安徽太和黑油椿的顺序呈现递减趋势，而醛类、醇类、醚类、酯类、萜烯类化合物的含量按顺序呈现递增趋势。含硫化合物具有类似大蒜的辛辣、刺激味以及肉香味[17]，而许多花朵、水果中含有醇类、醛类、酯类、萜烯类化合物，这些化合物具有类似草味、花香、水果香的味道[18-19]。实验室简单的感官实验证实，山东西牟红香椿的香椿味最浓，有时感到气味略微刺鼻，并且与焦作红香椿的味道差别不大，而安徽太和黑油椿的花香、酯香味为最浓，气味比较柔和，更容易让人接受。可以讨论，与大蒜[20]、韭菜[21]等刺激性植物的味道类似，种类多而且含量高的含硫化合物可能与香椿的特征性味道有关，而醇类、醛类、酯类、萜烯类化合物的存在可能中和了这种刺激的味道，因此香椿呈现一种复杂的味道。

图 5 3种不同品种的香椿各类化合物峰面积的对比图

Fig.5 Peak area comparisons of various groups of volatile compounds in three cultivars of Toona sinensis

3 结 论

采用顶空固相微萃取法对香椿嫩芽的挥发性化成分进行萃取，通过对萃取条件优化，65μm PDMS/DVB萃取头在40℃萃取30min可以达到最大的萃取效率，在此条件下，着重分析了国内最为著名的3种香椿：山东西牟红香椿、河南焦作红香椿和安徽太和黑油椿的挥发性化学成分，其中山东西牟红香椿中含量最高的为噻吩类化合物(61.613%)和萜烯类化合物(19.179%)；河南焦作红香椿中含量最高的为萜烯类化合物(52.137%)和噻吩类化合物(32.054%)，安徽太和黑油椿中含量最高的为萜烯类化合物(74.880%)和酯类化合物(19.496%)。3种香椿各类化合物含量的对比中，硫醚类、噻吩类、硫酯类、噻喃类化合物等含硫化合物的含量按山东西牟红香椿、河南焦作红香椿和安徽太和黑油椿的顺序呈现递减趋势，而醛类、醇类、醚类、酯类、萜烯类化合物的含量按以上顺序呈现递增趋势。三者化合物种类及含量的不同导致了感官上的差别，有关引起香椿特有风味的化学物质，正在进一步研究当中。

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