北山羊角化学成分解析

Chemical composition analysis of Capra sibirica horn

摘要

本文以北山羊角为主要研究对象，利用傅里叶变换红外光谱仪、气相色谱仪和全自动氨基酸分析仪检测分析其红外光谱、脂肪酸和氨基酸成分。结果表明：北山羊角红外光谱主要体现角蛋白组分的特征峰，其中1 540 cm^-1、1 653 cm^-1、3 061 cm^-1归属于角蛋白分子中酰胺类成分；1 454 cm^-1、2 875 cm^-1、2 963 cm^-1归属于角蛋白分子中脂类成分；北山羊角共检测出10种脂肪酸组分，主要成分包括棕榈酸、油酸、山俞酸，它们占脂肪酸总量的53.9%；17种氨基酸组分，总量为976.62 mg/g。

Abstract

Fourier transform infrared spectrometer， gas chromatograph and automatic amino acid analyzer were used to analyze the infrared spectrum， fatty acid and amino acid composition of the Capra Siberia horn. The results showed that the infrared spectrum mainly reflected the characteristic peak of the keratin composition， of which 1 540 cm^-1， 1 653 cm^-1， and 3 061 cm^-1 were assigned to the amide components in the keratin molecule， with 1 454 cm^-1， 2 875 cm^-1， 2 963 cm^-1 assigned to the lipid component. Ten kinds of fatty acid components were detected in Capra Siberia horn， including palmitic acid， oleic acid and sorbic acid， which accounted for 53.9% of the total fatty acids. Seventeen amino acids were also characterized with the total amount of 976.62 mg/g.

Graphical abstract

关键词

北山羊角 / 国家一级保护动物 / 红外光谱 / 脂肪酸 / 氨基酸

Key words

Capra sibirica horn / first class national protected animal / infrared spectrum / fatty acid / amino acid

0 引 言

北山羊（Capra sibirica）是我国国家一级重点保护野生动物^［1］，世界自然保护联盟（IUCN）观察名单物种^［2］，隶属于偶蹄目（Artiodactyla）牛科（Bovidae）羊亚科（Caprinae）山羊属（Capra）。前人对北山羊的研究主要包括其种群数量与分布^［3］、生境选择^［4］、食性结构^［5］、物种保护^［6］等方面。而有关于北山羊角的研究甚少，主要集中在其外形特点的描述。北山羊角长100~147.3 cm，根粗尖细，呈弧形向后弯曲，每一角的前面有大而明显的横脊，横脊数目一般为12~18个，每长一岁就增一脊，标志着北山羊的年龄^［7］。而有关于北山羊角其他方面的研究未见有系统报道。本文以北山羊角为研究对象，利用红外光谱仪、气相色谱仪、全自动氨基酸分析仪分别分析北山羊角的红外光谱特征、脂肪酸和氨基酸成分。本研究弥补了北山羊角在物质基础研究领域的空白，同时为角类产品人工合成领域的研究提供基础数据，也为不依赖样本的固有性状或因制成工艺品、粉末等而导致外观改变的北山羊角司法鉴定提供参考数据。

1 材料和方法

1.1 仪器设备与测试条件

红外光谱仪：Bruker TENSOR27傅里叶变换红外光谱仪。测试条件：扫描范围400~4 000 cm^-1和4 000~8 000 cm^-1，分辨率4 cm^-1，扫描次数16次，DTGS KBr探测器。

气相色谱仪：Agilent 6820气相色谱仪。测试条件：检测器：FID；色谱柱：DB⁃FFAP（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；载气：氮气，流速：1.2 mL/min；燃气：氢气，流速3.5 mL/min。流速比为10∶1。进样口温度：230 ℃，检测器温度：220 ℃，柱温：180 ℃，5 ℃升到230 ℃，分流进样（分流比为8∶1），进样量为1.0 μL。

全自动氨基酸分析仪：日本日立L⁃8900全自动氨基酸分析仪。测试条件：色谱柱尺寸4，粒度3 μm，检测波长440 nm、570 nm，交换树脂为日立专用离子交换树脂，柱温为50 ℃，反应温度135 ℃，体积20 μL进样，双通道检测，流速均为1 mL/min。

1.2 实验材料

北山羊角样品两份，分别用玛瑙研钵研磨成粉末，分别制成样品Ⅰ2.00 g、样品Ⅱ2.00 g。

溴化钾（光谱纯）、盐酸、石油醚（沸程：30~60 ℃）、乙醇、乙醚、焦性没食子酸、三氟化硼、硫酸钠、氯化钠、正庚烷（色谱纯）、甲醇（色谱纯）、19种脂肪酸混合标准溶液1.0 mg/mL；茚三酮；17种氨基酸混合标样。

1.3 样本处理

中红外光谱测试：精密称取上述样品Ⅰ、样品Ⅱ各2 mg，分别混合200 mg溴化钾，置于玛瑙研钵中充分研磨。制成溴化钾压片。近红外光谱测试：分别称取上述样品各20 mg、溴化钾200 mg，其余步骤同上。

脂肪酸测试：①脂肪的提取：称取样品Ⅰ、Ⅱ各1.00 g分别加入10 mL 95%乙醇，该水解液转移到分液漏斗中，用50 mL乙醚石油醚混合液冲洗瓶盖和塞子3次，冲洗液并入分液漏斗。将醚层提取液收集到250 mL烧瓶中。再旋转蒸发浓缩至干，残留物即为脂肪提取物。②脂肪的皂化与脂肪酸的甲酯化：称取上述脂肪提取物各0.10 g，加三氟化硼的甲醇溶液5 mL，在80 ℃水浴回流10 min，停止加热，冷却至温室。从冷凝管加入正庚烷4 mL，再水浴回流10 min，冷却后加饱和氯化钠溶液20 mL，静置使分层，吸取正庚烷层提取溶液，并将其通过装有无水硫酸钠0.10 g的玻璃柱，振摇1 min，静置5 min，吸取上层溶液到进样瓶中待测。GC进样，用面积归一化法计算各脂肪酸组成百分比。

氨基酸测试：准确称取0.10 g样品置于15 mL硬质玻璃水解管中，加入6 mL 6 mol/L盐酸溶液，在110 ℃条件下水解22 h。水解结束待完全冷却后转移到50 mL离心管中，调节pH值至2.0~2.5之间，定容至25 mL，后稀释10倍，取4 mL水解液10 000 r/min离心10 min，取上清液过0.45 μm滤膜后，利用全自动氨基酸分析仪的水解蛋白分析系统测定氨基酸组成。

2 结果与分析

2.1 北山羊角的红外光谱及分析

由图1、表1可知，北山羊角的中红外光谱主要体现角蛋白成分中的酰胺类、脂质类成分。酰胺Ⅰ带的吸收为蛋白质分子中C-O基团伸缩振动与N-H面内弯曲振动产生，北山羊角中1 653 cm^-1归属于酰胺Ⅰ带振动吸收；1 540 cm^-1归属于酰胺Ⅱ带吸收峰，酰胺Ⅱ带的吸收由角蛋白分子中C-N键伸缩振动和N-H键面内弯曲振动引起^［8，9］。1 398 cm^-1、1 453 cm^-1分别归属于角蛋白膜脂分子中CH₃、CH₂基团弯曲振动。1 172 cm^-1为蛋白质分子中丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸的残基C-O基团伸缩振动所致。此外，以660 cm^-1为中心的吸收宽谱带归属于H₂O的摇摆振动^［8］；1 081 cm^-1、1 241cm^-1分别为其核酸分子中磷酸二脂基团PO^2-的对称、非对称伸缩振动所致^［10］。

12 000~4 000 cm^-1主要为近红外光谱波段的吸收，近红外光谱主要是有机分子的合频与倍频吸收带，包括C-H、N-H、O-H等含氢基团的倍频与合频吸收带^［11］。北山羊角的近红外光谱见图2，谱峰主要集中在4 000~5 200 cm^-1波段（见表2）。其中4 260 cm^-1 、4 380 cm^-1分别为N-H对称伸缩振动、反对称伸缩振动与NH₂摇摆振动的组合频。4 605 cm^-1为酰胺Ⅰ带N-H面内弯曲振动的一级倍频与酰胺Ⅲ带中C-N伸缩振动的组合频；4 880 cm^-1、5 170 cm^-1分别为N-H的对称伸缩振动、反对称伸缩振动与酰胺Ⅱ带中C-N-H面内弯曲振动的组合频。

2.2 北山羊角的气相色谱及分析

根据1.1、1.3，测得北山羊角样品Ⅰ、Ⅱ的脂肪酸甲酯气相色谱图，脂肪酸相对含量按照面积归一化法算出，结果见表3。

Y _i =A _Si ×F_FAMEi-Fai/∑A _Si ×F_FAMEi-Fai （1）

式（1）中，Y_i 为试样中某个脂肪酸占总脂肪酸的百分比；A _Si 为峰面积；F_FAMEi-Fai为转化系数，参见表1；∑A_Si 为试样测定液中各脂肪酸甲酯的峰面积之和。

脂肪酸（fatty acid，FA）是指一端含有1个羧基的脂肪族碳氢链，根据脂肪酸分子结构中碳碳键的类型和数目可分为饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸^［12］。由表3可见，北山羊角中共鉴定出10种脂肪酸类成分，其中不饱和脂肪酸4种（棕榈油酸、油酸、亚油酸、α⁃亚麻酸），占脂肪酸总量的30.3%；饱和脂肪酸6种（豆蔻酸、棕榈酸、十五烷酸、十七烷酸、硬脂酸、山俞酸），占总量的54%。其他9种脂肪酸含量无或者极低，均低于低于仪器的检出限，无法检测出结果。

北山羊角主要的脂肪酸组分是棕榈酸（20.9%）、油酸（14.3%）、山俞酸（18.7%），共占脂肪酸总量的53.9%，另外还有少量的豆蔻酸（7.1%）、十五烷酸（0.6%）、棕榈油酸（8.7%）、十七烷酸（1.1%）、硬脂酸（5.6%）、亚油酸（1.7%）、亚麻酸（0.8%）。

2.3 北山羊角的氨基酸分离图谱及分析

北山羊角样品共检测出17种氨基酸组分，总量为976.62 mg/g，所以北山羊角中氨基酸为其主要的化学组分。这17种氨基酸为：天冬氨酸（74.82 mg/g）、苏氨酸（44.01 mg/g）、丝氨酸（77.54 mg/g）、谷氨酸（130.34 mg/g）、甘氨酸（68.8 mg/g）、丙氨酸（36.93 mg/g）、半胱氨酸（57.09 mg/g）、缬氨酸（44.3 mg/g）、甲硫氨酸（7.62 mg/g）、异亮氨酸（32.61 mg/g）、亮氨酸（90.07 mg/g）、络氨酸（84.4 mg/g）、苯丙氨酸（38.55 mg/g）、赖氨酸（41.38 mg/g）、组氨酸（12.56 mg/g）、精氨酸（92.88 mg/g）、脯氨酸（38.72 mg/g）。其中含量最高为谷氨酸，最低者为甲硫氨酸，分别占总量的13.40%、0.78%。

3 结 论

本研究使用红外光谱仪、气相色谱仪与全自动氨基酸分析仪对北山羊角供试品的红外光谱、脂肪酸与氨基酸组分进行分析，得出结论如下：红外光谱主要为角蛋白组分的吸收峰，其中 1 540 cm^-1、1 653 cm^-1、3 061 cm^-1归属于角蛋白分子中酰胺类成分；1 454 cm^-1、2 875 cm^-1、2 963 cm^-1归属于角蛋白分子中脂类成分；样品的主要化学成分为氨基酸，其总含量为976.62 mg/g，其中含量最高的为谷氨酸，最低者为甲硫氨酸；样品检测出10种脂肪酸组分，主要为棕榈酸、油酸、山俞酸，这几种脂肪酸共占脂肪酸总量的53.9%。本研究为不依赖样本的固有性状或因外观改变的北山羊角司法鉴定提供参考数据，以期有助于相关部门与执法人员更好的执行野生动物保护工作。

参考文献

[1] Li Y, Yu Y Q, Shi L. Foraging and bedding site selection by asiatic ibex (Capra sibirica) during summer in central Tianshan mountains [J]. Pakistan Journal of Zoology, 2015, 47(1): 1⁃6.

[2] Khan B, Ablimit A, Khan G, et al. Abundance, distribution and conservation status of Siberian ibex, Marco Polo and blue sheep in Karakoram-Pamir mountain area [J]. Journal of King Saud University Science, 2016, 28(3): 216⁃225.

[3] 李丽. 内蒙古北山羊分布现状及栖息地选择[D]. 呼和浩特:内蒙古师范大学, 2020.

[4] Li L. Distribution status and habitat selection of ibex (C.s.hagenbecki) in Inner Mongolia [D]. Hohhot: Inner Mongolia Normal University. 2020.

[5] Bragin N, Amgalanbaatar S, Wingard G, et al. Creating a model of habitat suitability using vegetation and ruggedness for Ovis ammon and Capra sibirica (Artiodactyla: Bovidae) in Mongolia [J]. J Asia⁃Pac Biodivers, 2017, 10(3): 390⁃395.

[6] 罗东, 李叶, 时磊. 天山中部地区北山羊食性及其季节变化[J]. 动物学杂志, 2018,53(3): 321⁃328.

[7] Luo D, Li Y, Shi L. Seasonal variation in feeding habits of the Asiatic ibex (Capra sibirica) in the central Tianshan mountains [J]. Chinese Journal of Zoology, 2018,53(3): 321⁃328.

[8] Bagchi S, Mishra C, Bhatnagar Y V. Conflicts between traditional pastoralism and conservation of Himalayan ibex (Capra sibirica) in the trans⁃Himalayan mountains [J]. Animal Conserv, 2004, 7(2) : 121⁃128.

[9] 蒋南桦. 北山羊:高山岩石上的勇士[J]. 新疆林业, 2015,(1): 34⁃35.

[10] Jiang N H. Capra sibirica: warriors on the rocks [J]. Forestry of Xinjiang, 2015,(1): 34⁃35.

[11] 翁诗甫, 徐怡庄. 傅里叶变换红外光谱分析[M]. 北京:化学工业出版社,2015.

[12] Weng S F, Xu Y Z. Fourier transform infrared spectroscopy analysis [M]. Beijing:Chemical Industry Press, 2015.

[13] 王燕华, 金春爱, 孙印石, 等. 不同加工方式的鹿茸脂肪酸的气相色谱分析[J]. 中草药, 2017, 48(12): 2431⁃2441.

[14] Wang Y H, Jin C A, Sun Y S, et al. Analysis on fatty acids of Cervi Cornu Pantotrichum with different processing methods by gas chromatography [J]. Chinese Traditional and Herbal Drugs, 2017, 48(12): 2431⁃2441.

[15] Wong P, Papavassiliou E D, Rigas B. Phosphodiester stretching bands in the infrared spectra of human tissues and cultured cells [J]. Appl Spectrosc, 1991.45(9): 1563⁃1567.

[16] 李晓静,虞澜,祖恩东.近红外光谱分析技术在宝石研究中的应用[J]. 光谱学与光谱分析, 2018. 38(1): 54⁃57.

[17] Li X J, Yu L, Zu E D. Application of near infrared spectroscopy in the study of gems [J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018. 38(1): 54⁃57.

[18] 李美艳, 赵庆豪, 刘丽清,等. 脂肪酸代谢预处理及其检测方法的研究进展[J]. 检验医学与临床, 2015. (6): 848⁃849, 863.

[19] Li M Y, Zhao Q H, Liu L Q, et al. Research progress on pretreatment and detection methods of fatty acid metabolism [J]. Laboratory Medicine and Clinic, 2015. (6): 848⁃849, 863.

基金资助

2021年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目(2021KY0677)

2019年度教育部人文社会科学研究青年基金项目资助(19YJC760158)