三种山姜干粉的红外光谱对比分析

李家旺，刘艳，司民真

(楚雄师范学院光谱应用技术研究所,云南省楚雄市　675000)



三种山姜干粉的红外光谱对比分析

李家旺，刘艳，司民真

(楚雄师范学院光谱应用技术研究所,云南省楚雄市675000)

摘要:本文采用傅立叶变换红外光谱(二阶导数谱)法对三种山姜干粉红外吸收光谱进行了对比分析。山姜块根干粉中含有蛋白质(氨基酸)、姜辣素与二苯基庚烷、单糖与多糖(包括淀粉)。三种山姜糖类的化学成分的类型绝大多数是相同的，但不同类型糖的相对含量有一定的差异。三种山姜β转角构型的蛋白质含量近似相等。桂南山姜的β转角构型的蛋白质含量较高，宽唇山姜的β折叠构型的蛋白质含量较高。

关键词：红外光谱；山姜干粉；对比分析

1引言

山姜(拉丁学名：Alpinia japonica (Thunb.) Miq.)是姜科山姜属多年生草本植物根茎,性温，味辛，能理气止痛，袪湿，消肿，活血通络，治风湿性关节炎，胃气痛，跌打损伤[1]。到目前为止，有关山姜化学成分的傅里叶变换红外光谱对比分析研究还未见报道。利用傅里叶变换红外光谱技术对山姜化学成分作对比分析的优点是快速、简便，不需要对成分进行分离提纯，样品需要量少，且获得的光谱中包含了山姜成分指纹信息。作者采用傅里叶变换红外光谱分析技术对宽唇山姜、长柄山姜及桂南山姜的块根干粉的红外光谱进行对比分析，以期为这三种山姜开发与综合利用提供科学依据。

2实验材料、仪器与方法

2.1材料

宽唇山姜(Alpinia platychilus K.Schum)、长柄山姜(Alpinia kwangsiensis T.L.Wu et Senjen)及桂南山姜(Alpinia guinanensis D.Fang et X.X.Chen)块根采自西双版纳，经专家鉴定。先将这三种山姜的块根凉干粉碎后过100目筛加工成山姜干粉。

2.2实验仪器与方法

按1∶200取样品加入KBr，用玛瑙研钵研细后压片，进行FTIR光谱法测定，光谱扫描范围4000~500 cm-1,采用Perkin-Elemer公司的Spectrum v6.3.1操作软件进行数据采集及谱图处理。红外光谱测试采用Perkin-Elemer公司的Spectrum 100傅里叶变换红外光谱仪，分辨率为4 cm-1，扫描累加16次。

3结果与分析

3.1三种山姜的红外吸收光谱的分析

3种山姜干粉样品的红外光谱图(经基线自动校正)如图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

按文献将谱带进行归属如表1所示，图1表明,山姜块根干粉中主要含有蛋白质(氨基酸)、辣味成分的姜辣素与二苯基庚烷(它们都含有3-甲氧基-4-羟基苯基官能团)、单糖与大量的多糖(包括淀粉)。其中1635 cm-1、1632 cm-1酰胺Ⅰ带吸收峰。主要是C=O伸缩振动； 1253 cm-1、1243 cm-1为蛋白质的酰胺Ⅲ带吸收峰，主要是C-N的伸缩振动和N-H的弯曲振动；1516 cm-1与1449 cm-1为姜辣素与二苯基庚烷的特征吸收峰，是苯环骨架振动；1155 cm-1、1104 cm-1、1078 cm-1、1059 cm-1、1053 cm-1及1051 cm-1为单糖与多糖(包括淀粉)的特征吸收峰；1730 cm-1为醛类的特征吸收峰。干姜为姜科植物姜(Zingiber officcnale Rosc)根茎的干燥品，文献研究表明：干姜含多种氨基酸(总含量大约9%)[7]；含辣味成分的姜辣素(含量约为2%)[8]；含单糖与多糖(包括淀粉)[1]，单糖与多糖大约含20.21%[9]。从山姜红外光谱分析得出的结论与文献[1，7-9]结果相一致(化学成分的种类)。

3.2三种山姜干粉红外吸收光谱的二阶导数谱分析

三种山姜的红外光谱十分相似,但也有一些微小差异。为更深入地对比分析三种山姜干粉的化学成分，采用Perkin-Elemer公司的Spectrum v6.3.1操作软件求出了样品红外吸收光谱图在1730~1400 cm-1及1750~930 cm-1的二阶导数谱图(“Order:second；Number of points:13”)，如图2、图3所示。

3.2.1三种山姜干粉的蛋白质红外吸收光谱带的二阶导数谱分析

蛋白质谱带归属其二级结构情况[5,10-11]如表2所示。从图2、图3可看出三种山姜均含有β折叠和β转角构型的蛋白质。

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操作软件对样品红外吸收光谱进行基线自动校正，应用OriginPr8．5软件对酰胺I带和酰胺Ⅲ带红外光谱采用多峰拟合向导(找峰设置：用二阶导数找隐藏峰)进行高斯曲线拟合，对峰位、峰高、峰宽等参数反复微调进行非线性回归，求出各子峰的积分面积，计算酰胺I带、酰胺Ⅲ带全部拟合峰总面积，从而定量计算出三种山姜的蛋白质的二级结构相对含量如表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

参考文献由[10-11]知，蛋白质的酰胺I带、酰胺Ⅲ带的谱带范围分别是1600~1700 cm-1与1220~1320 cm-1。峰面占比是指某个拟合峰的面积占其所处酰胺带的全部拟合峰的总面积的百分比，总占比指某二级结构类型的蛋白质对应的全部峰面占比之和。

宽唇山姜、长柄山姜、桂南山姜β折叠构型蛋白质相对酰胺I带(1600~1700 cm-1)的占比分别为25.16%，18.30%，22.53%；相对酰胺Ⅲ带(1220~1320 cm-1)的占比分别为27.74%，17.13%，16.30%；β转角构型蛋白质相对酰胺I带(1600~1700 cm-1)的占比分别为18.09%，16.00%，19.56%；相对酰胺Ⅲ带(1220~1320 cm-1)的占比分别为15.36%，15.94%，19.51%。表明：(1)三种山姜β转角构型的蛋白质相对酰胺I带与酰胺Ⅲ带的总占比非常吻合，这与文献[11]得出的结论是一致的，将谱带1600~1700 cm-1与1200~1320 cm-1分别指认为酰胺I带、酰胺Ⅲ带是正确的，即这两个谱带的绝大多数的拟合谱峰来自于相同的物质结构-蛋白质。(2)桂南山姜的β折叠构型蛋白质相对酰胺I带的总占比与相对酰胺Ⅲ带的总占比相差比较大，它们分别是22.53%与16.30%，在酰胺I带与相对酰胺Ⅲ带中对折叠构型蛋白质的拟合峰的指认还不够精准，还需深入探讨。(3)三种山姜β转角构型的蛋白质含量近似相等，总占比大约为17%。宽唇山姜的β折叠构型的蛋白质含量比桂南山姜与长柄山姜的含量高，桂南山姜β转角构型的蛋白质含量比宽唇山姜与长柄山姜的含量高。

3.2.2三种山姜干粉的单糖与多糖(淀粉)红外吸收光谱带的二阶导数谱分析

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

4讨论

本文对比分析了糖类和蛋白质红外吸收光谱带的二阶导数谱，重点分析了三种山姜干粉含糖类和蛋白质的异同。可以根据得出的结果辨别三种山姜，分析过程相对比较麻烦。下一步我们将测试更多的山姜样品的红外光谱，再求出糖类和蛋白质红外吸收光谱带的二阶导数谱，统计出多种山姜样品中糖类和蛋白质的二阶导数谱带共同的特征峰，可依此判断样品是不是山姜；统计某种山姜样品独有的特征峰来判断样品所属种类。

文献[11]得出蛋白质的某种二级结构构型对应的拟合峰面积在酰胺I带的占比与酰胺Ⅲ带的总占比是一致的，本文也得到相同的结论。据此我们可以根据蛋白质的某种二级构型的拟合峰在蛋白质的酰胺I带的总占比与酰胺Ⅲ带的总占比是否近似相等来判断对该种构型的蛋白质的峰指认是否正确。当蛋白质的某种二级构型相对酰胺I带的总占比与相对酰胺Ⅲ带的总占比相差较大时，若将处于酰胺I带或酰胺Ⅲ带中的某种二级构型对应的某个峰排除时，这种二级构型相对酰胺I带的总占比与相对酰胺Ⅲ带的总占比刚好接近，表明排除的这个峰可能不是来自于这种二级构型，甚至于它也不是来自于蛋白质，这可以在我们研究复杂混合物如中药成分时，提供一种指认蛋白质的特征峰的辅助方法，对这种方法的相关论述将另撰文详细说明。

5结论

三种山姜干粉红外吸收光谱对比分析得出：

1、山姜块根干粉中主要含有蛋白质(氨基酸)、辣味成分的姜辣素与二苯基庚烷、单糖与多糖(包括淀粉)。

2、三种山姜糖类的化学成分的类型绝大多数是相同的，但各种类型的相对含量有一定的差异。

3、三种山姜β转角构型的蛋白质相对酰胺I带与相对酰胺Ⅲ带的总占比非常吻合，这与文献[9]得出的结论是一致的。宽唇山姜的β折叠构型的蛋白质含量比桂南山姜与长柄山姜的含量高，桂南山姜β转角构型的蛋白质含量比宽唇山姜和长柄山姜的含量高。

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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

中图分类号：O43

文献标志码：A

doi:10.13883/j.issn1004-5929.201601011

作者简介：李家旺(1967-)，男，云南大姚人，副教授，主要从事物理教学与红外光谱研究工作,E-mail:lijiaw@cxtc.edu.cn通讯作者：司民真，E-mail:siminzhen@cxtc.edu.cn

基金项目：云南省基金资助项目(2009CD097),国家自然科学基金资助项目(11064001)

收稿日期：2015-01-15; 修改稿日期:2015-03-04

文章编号：1004-5929(2016)01-0056-06