集成气相色谱-离子迁移谱（GC–IMS）、气相色谱-质谱（GC–MS）和电子鼻（E-nose）技术，并结合多元分析方法，揭示了 Pinellia ternata 发酵过程中挥发性化合物的动态变化规律

《Microchemical Journal》：Integrated GC–IMS, GC–MS and E-nose coupled with multivariate analysis reveal dynamic evolution of volatile compounds during Pinellia ternata fermentation

本研究通过整合气相色谱-电雾式离子迁移谱（GC-IMS）、气相色谱-质谱（GC-MS）和电子鼻技术，系统解析了颠茄叶双相固态发酵过程中挥发性及半挥发性化合物的动态演变规律。研究发现，发酵时间显著影响成分组成，第3天起毒性酯类（如4-羟基丁酸内酯）和刺激性物质（α-柠檬烯）显著减少，而糖类和酸类分别于第10天和第15天达到峰值。多变量数据分析（PCA、HCA、NNFA、ANOSIM）证实发酵时间为主成分差异因素，代谢途径分析揭示糖代谢及微生物酶活性主导挥发性组分变化，为颠茄叶发酵工艺优化及安全性提升提供科学依据。

　　

云丽|林成|司芳|田秀娟|胡芳迪

甘肃中医药大学，兰州730000，中国

摘要

本研究通过结合气相色谱-离子迁移谱（GC–IMS）、气相色谱-质谱（GC–MS）和电子鼻（E-nose）分析技术，全面研究了Pinellia ternata发酵过程中挥发性及半挥发性化合物的动态变化。我们的目标是阐明发酵时间与挥发性成分之间的关系，以指导降低毒性并提升产品质量。共鉴定出107种不同的化合物。GC–IMS数据显示，从第三天开始，大多数有毒酯类和刺激性物质（如4-羟基丁酸内酯和α-柠檬烯）的含量显著下降。GC–MS分析显示糖类和酸类的含量发生了显著变化，分别在第10天和第15天达到峰值。多元数据分析（包括PCA、HCA、NNFA和ANOSIM）表明，发酵时间是决定成分变化的主要因素，强调了其在发酵过程中的关键作用。代谢途径分析表明，这些挥发性成分的变化主要受糖类代谢和微生物酶反应的控制。这些发现为Pinellia ternata的定向发酵和针对性质量提升提供了科学依据，有助于最大化所需生物活性同时最小化有毒化合物的含量。

引言

Pinellia ternata (Thunb.) Breit.（P. ternata）是一种具有两千多年历史的中药，以其化痰、止咳和止吐的功效而闻名。然而，其原始形式具有显著的刺激性毒性，需要通过姜、明矾或发酵等处理方法来减轻这些不良影响，同时保留或增强其治疗作用[1]。传统的发酵方法依赖于环境中的微生物群，但往往存在微生物纯度不稳定和操作技术粗糙的问题，导致产量不稳定且难以保证最终产品质量[2]。为了解决这些问题，我们的研究团队开发了一种新的制备技术，即P. ternata与灵芝（Ganoderma lucidum）的双向固态发酵。这种方法利用了药用真菌与草药基质之间的共生代谢相互作用。灵芝富含三萜类和多糖等活性成分，可能通过代谢调节显著改变P. ternata的理化和药理特性，从而降低毒性并可能增强其疗效[3]。

挥发性有机化合物（VOCs）是反映中药特有气味、毒性和疗效的关键成分，尤其是那些具有辛辣和刺激性的中药。虽然目前关于P. ternata加工的研究主要集中在非挥发性成分（如生物碱和多糖）上[4]，但发酵过程中VOCs的动态变化尚未得到系统研究。这一空白非常重要，因为P. ternata在发酵后从辛辣转变为酸苦，表明VOCs是解毒过程的关键指标[5]。因此，研究VOCs的动态变化可以为理解发酵后P. ternata的毒性降低和疗效保持机制提供新的科学依据。

此外，传统的分析方法（如单独使用GC–MS）往往难以全面捕捉不同发酵阶段的复杂且动态的挥发性特征。这些方法通常缺乏智能数据挖掘策略来识别关键差异性生物标志物并准确区分发酵时间线[6]。因此，迫切需要将多维分析技术与先进的机器学习算法相结合，深入探索灵芝-P. ternata双向发酵系统中VOCs的演变机制。

为了解决这些挑战，本研究采用了多平台分析策略。气相色谱-质谱（GC–MS）用于高沸点半挥发性化合物的详细鉴定，而气相色谱-离子迁移谱（GC–IMS）则用于低沸点VOCs的快速、灵敏的成分分析。电子鼻（E-nose）技术则提供了整体气味特征的评估，为挥发性物质谱提供了补充视角[[7], [8], [9]]。多元分析（PCA、HCA）用于降低数据维度并揭示时间趋势[10]，热图可视化和ANOSIM验证了组别分离并突出了不同阶段的化合物积累[11]。这些方法提高了数据的可解释性，并支持了化学变化与发酵进程之间的关联，有助于优化P. ternata的加工过程，以提高安全性和生物活性。本调查建立了指导P. ternata发酵过程质量控制和时间优化的理论框架。我们的发现为开发旨在持续生产高质量、生物活性增强的P. ternata的加工技术提供了基础知识。

材料、试剂和仪器

实验材料来自中国湖北省天门市杜堡镇的P. ternata样本。灵芝（Ganoderma lucidum）菌株（编号NO. 5.896）由中国普通微生物菌种保藏中心（CGMCC）提供。

使用的标准试剂包括甲醇（分析级）、甲酸（分析级）、乙腈（色谱级）和N-甲基-N-(三甲基硅基)三氟乙酰胺（MSTFA，衍生化级）[北京新华制药化学试剂有限公司]

GC–IMS在Pinellia ternata发酵过程中对VOCs的鉴定

GC–IMS的定性和定量分析基于相对DT和峰体积，如图1A和B所示。GC–IMS分析生成了三维谱图，其中X轴、Y轴和Z轴分别对应离子漂移时间、保留时间和挥发性化合物的峰强度。二维光谱图更清晰地展示了发酵过程中VOCs的变化情况。y轴表示气相色谱的保留时间，x轴表示...

结论

本研究通过结合GC–IMS和GC–MS分析，成功描绘了P. ternata发酵过程中的动态代谢图谱。我们的多技术方法鉴定出了107种挥发性及半挥发性化合物，为发酵过程提供了前所未有的概览。一个关键发现是，从第三天开始，关键刺激性毒素（尤其是酯类）的含量显著下降。这一下降证实了微生物...

CRediT作者贡献声明

云丽：监督、项目管理和资金获取。林成：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、概念构思。司芳：正式分析。田秀娟：验证。胡芳迪：软件支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了甘肃省特色优势农产品评价项目（2024ZZBA00099）和甘肃省科技计划项目（25ZDFA001）的支持。