任紅劍+豐震+王超
摘 要:植物有機(jī)揮發(fā)物(Biogenic Volatile Organic Compounds,簡稱 BVOCs)對大氣環(huán)境、空氣質(zhì)量以及人體健康都有重要影響。元寶楓是華北地區(qū)主要喬木樹種,應(yīng)用于行道樹或者藥用植物材料,用途廣泛。本試驗(yàn)以元寶楓花朵釋放的揮發(fā)物為主要研究內(nèi)容,運(yùn)用固相微萃取聯(lián)合氣質(zhì)聯(lián)用儀(SPME-GC-MS)檢測了10株元寶楓(Acer truncatum Bunge.)大樹花朵揮發(fā)物的釋放情況,分析了元寶楓花揮發(fā)物的主要成分。結(jié)果表明,共檢測出50種揮發(fā)物成分,歸屬烯烴、醇、醛、酯、酮、芳香烴等六大類型的有機(jī)物,其中主要成分是萜烯類化合物,其次是醇類、酯類和酮類以及芳烴類物質(zhì),主要物質(zhì)有芴、4,8-二甲基-1,3(E),7-壬烯、(順,反)-2,6-二甲基辛-2,4,6-三烯、月桂烯、羅勒烯、3-蒈烯、(E)-羅勒烯、莰烯、石竹烯、芳樟醇、α-異松油烯、鄰異丙基甲苯、3-乙烯-1,2-二甲基-1,4-環(huán)己二烯、桉樹醇、醇醋-12等。株間差異分析顯示,鄰異丙基甲苯、桉樹醇、醇酯-12等3類物質(zhì)株間差異不顯著,剩余其他主要揮發(fā)物成分各株間差異顯著。
關(guān)鍵詞:元寶楓花;揮發(fā)物;固相微萃?。粴庀嗌V—質(zhì)譜聯(lián)用
中圖分類號(hào):S792.119 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A DOI 編碼:10.3969/j.issn.1006-6500.2016.10.003
Abstract: Plant volatile organic compounds (Biogenic Volatile Organic compounds, referred BVOCs) has a significant impact on the atmospheric environment, air quality and human health. Acer truncatum is the main tree species in North China, widely used in street trees or use of medicinal plant material. This experiment takes volatiles released by Acer truncatum flowers as the main research content, use solid-phase micro-extraction combined with GC-MS (SPME-GC-MS) to detect the main component of volatiles released by 10 Acer truncatum (Acer truncatum Bunge.) . The results showed that 50 kinds of trees volatiles were detected and they are belonged to olefins, alcohols, aldehydes, esters, ketones, aromatic hydrocarbons, such as six types of organic matter. According to the analysis of the main components of Acer truncatum Meike flower volatiles the main ingredient includes fluorene, 4,8-dimethyl -1,3 (E), 7- nonene, (cis, trans) -2,6-dimethyl-2,4,6-triene-Partenkirchen, myrcene, basil hexene, 3-carene, (E) - basil, camphene, caryophyllene, linalool, α- terpinolene, o-cymene, 3-vinyl-1,2-dimethyl-1 , 4-cyclohexadiene, eucalyptus alcohols, alcohol vinegar -12 and the like. However, there were no significant differences between strains of obscure material O-cymene ,eucalyptus alcohol, -12 categories, and the differences between the remaining volatiles were significant.
Key words: Acer truncatum flowers; volatiles; solid phase micro extraction; gas chromatography - mass spectrometry
綠色植物吸收CO2 釋放O2 的時(shí)候,會(huì)隨著它的次生代謝途徑合成低沸點(diǎn)且易揮發(fā)的小分子有機(jī)化合物[1],這類物質(zhì)統(tǒng)稱為植物揮發(fā)物(Volatile organic compounds VOCs)。這些年來隨著人們對植物VOCs不斷的深入研究,發(fā)現(xiàn)其在生態(tài)系統(tǒng)中的作用愈加重要,這引發(fā)了廣泛關(guān)注[2-3]。植物 VOCs 中包含了抑菌、保健、空氣凈化等功能的活性成分, 隨著香氣分析技術(shù)的發(fā)展及各學(xué)科之間的緊密結(jié)合,有些植物揮發(fā)成分的提取物被廣泛應(yīng)用在食品、醫(yī)療和保健等方面,國外研究者通過對植物精油的研究得到了具備保健功能的芳香植物精油[4],它也經(jīng)常作為食品產(chǎn)業(yè)中植物源食品抗氧化劑[5]被普遍采用。在城市園林綠地中芳香類植物具有許多作用[6]:城市的美化、香化;凈化空氣,驅(qū)蟲殺菌;增加體驗(yàn),改善心境;醫(yī)療保健,文化傳承。所以,系統(tǒng)地調(diào)查植物揮發(fā)物組分測定,主旨在于推進(jìn)群落生態(tài)學(xué)理論,以發(fā)揮城市綠地系統(tǒng)在城市生態(tài)平衡和可持續(xù)發(fā)展中的巨大作用,對改善城市空氣質(zhì)量,保障市民身心健康具有非常重要的意義。
元寶楓(Acer truncatum Bunge.)落葉喬木,樹形優(yōu)美、葉色繽紛多彩,為華北地區(qū)常見的彩葉樹種,通常作為綠化或風(fēng)景林的伴生樹種,是華北多處城市常見的喬木樹種,分布及應(yīng)用很廣。國內(nèi)外對于此樹種主要研究它的藥用成分,包括黃酮和綠原酸等成分的提取與檢測[7],以及對它的提取物開發(fā)生產(chǎn)的保健品、飲料等方面[8],而對其花的揮發(fā)物的相關(guān)研究則報(bào)道較少。對于它揮發(fā)成分的研究集中在對其葉的揮發(fā)成分的報(bào)道,研究表明,葉揮發(fā)成分中酯類物質(zhì)含量最高的主要是乙酸葉醇酯。然而在城市綠地植物揮發(fā)物的研究當(dāng)中,則多為側(cè)柏、油松等常綠樹種[9],闊葉樹種的花朵揮發(fā)成分尚未有系統(tǒng)研究。
本試驗(yàn)采用離體采樣固相微萃取(SPME)結(jié)合GC-MS 方法分析元寶楓花朵揮發(fā)物的成分,目的是為創(chuàng)建生態(tài)保健型城市綠地提供理論和技術(shù)指導(dǎo)依據(jù),為開發(fā)利用元寶楓花香氣資源和元寶楓花茶開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。
1 材料和方法
1.1 試驗(yàn)材料與取樣方法
在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)校園(沙質(zhì)壤土)內(nèi)選擇長勢健壯良好的元寶楓大樹10 株,樹高約8~10 m,胸徑約10 cm。于2016年3月27日早上(晴朗無風(fēng))選取樹冠中部花朵較多的小側(cè)枝,高枝剪剪取小側(cè)枝,迅速放入呈有蒸餾水的玻璃瓶(已標(biāo)號(hào))內(nèi),之后迅速取樣測定。
1.2 揮發(fā)物采集與分析方法(SPME-GC-MS)
每個(gè)玻璃瓶內(nèi),摘取分離、稱取新鮮花朵1 g,放入10 mL萃取瓶中,鋁箔紙封口, 50/30 m DVB/CAR/PDMS 萃取頭插入萃取瓶中,45 ℃頂空萃取35 min,吸附完成后萃取頭插入 GC-MS 進(jìn)樣口,于 250 ℃解吸3 min。GC-MS 分析方法:儀器采用日本島津公司 GC-MS-QP 2010 plus 氣—質(zhì)聯(lián)用儀,RTX-5MS 毛細(xì)管柱(60.0 m × 0.25 mm,0.25 μm),柱子300 ℃老化30 min。色譜條件:柱初溫40 ℃,保持 2 min,以 6 ℃ · min-1上升至90 ℃,再以10 ℃ · min-1上升至200 ℃,隨后以 15 ℃ · min-1上升至 250 ℃,保留5 min。質(zhì)譜條件:載氣 He 氣,流量 1.0 mL · min-1,EI 電離源,電子能量80 eV,離子源溫度 200 ℃,接口溫度 250 ℃,全掃描模式,掃描范圍 45 ~ 450 m·z-1。進(jìn)樣方式:不分流?;衔锒ㄐ耘c定量分析:經(jīng) NIST08 和NIST08S數(shù)據(jù)庫檢索,按 SI 相似度> 80%的原則對揮發(fā)物成分進(jìn)行定性分析;用峰面積歸一化法計(jì)算化合物的相對含量。
1.3 數(shù)據(jù)分析
采用 Microsoft Excel 和SPSS 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析和制圖,采用SPSS 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 元寶楓花朵揮發(fā)物成分分析
通過對元寶楓花朵揮發(fā)物離子流圖(圖1)分析,檢索出的物質(zhì)主要包括有酯、醇、醛、酮和萜烯類以及芳烴類等化合物。
本試驗(yàn)中所得化合物是取10株大樹元寶楓花的揮發(fā)物總和(表1),有些物質(zhì)多次出現(xiàn)且含量較高,而有的物質(zhì)只出現(xiàn)過一次且含量稀少。儀器共檢測出50種有機(jī)化合物成分,其中:萜烯類化合物共有26種,占揮發(fā)成分總種類的52%,在所有試驗(yàn)樣品中相對含量最高,約在70%~95%,大多數(shù)在80%左右;酯類化合物共有8種,占揮發(fā)成分總種類的16%,相對含量約在2%~15%,含量相對較高;醇類化合物共有7種,占揮發(fā)成分總種類的14%,相對含量約在2%~13%,一般平均含量在6%左右;芳烴類化合物共有4種,占揮發(fā)成分總種類的8%,相對含量約在0.62%~4.48%,含量相對較少;酮類化合物共有2種,占揮發(fā)成分總種類4%,相對含量約在0.07%~0.09%,另外還檢測出一種醛類化合物藏紅花醛(C10H14O),此類物質(zhì)天然存在于圓柚、藏紅花、綠茶中,它具有木香、辛香、藥香、粉香的香氣特征,經(jīng)常應(yīng)用于無花果、茶葉以及木香香型、藥草香型的食用香精(圖2)。
在表1當(dāng)中,在樣本1到10中均檢測到的平均含量在1.0%以上及有代表性的物質(zhì)主要有9種,分別是芴、4,8-二甲基-1,3(E),7-壬烯、(順,反)-2,6-二甲基辛-2,4,6-三烯、3-蒈烯、(E)-羅勒烯、莰烯、石竹烯、芳樟醇、α-異松油烯、3-乙烯-1,2-二甲基-1,4-環(huán)己二烯,其中石竹烯具有青葉香味,可作為食用香精,此種成分使元寶楓花朵呈現(xiàn)清新香氣。
2.2 元寶楓花朵揮發(fā)物成分及出現(xiàn)頻率
元寶楓大樹10個(gè)樣本的花朵揮發(fā)物當(dāng)中出現(xiàn)頻率最高的是芴和4,8-二甲基-1,3(E),7-壬烯(表1),每個(gè)樣品內(nèi)都含有此種成分;月桂烯和羅勒烯兩種萜烯類化合物也都出現(xiàn)了9次,證明這兩種物質(zhì)是元寶楓花揮發(fā)物中普遍存在的成分;還有4種萜烯類化合物,3-蒈烯、(E)-羅勒烯、莰烯、石竹烯也分別在8組、7組、6組、6組樣品當(dāng)中檢測得到,說明3-蒈烯、(E)-羅勒烯、莰烯、石竹烯也在元寶楓花揮發(fā)物種類當(dāng)中占有較大部分。另外,在它的揮發(fā)物當(dāng)中出現(xiàn)次數(shù)最高的醇類物質(zhì)是芳樟醇,出現(xiàn)了5次,證明芳樟醇是元寶楓花揮發(fā)物當(dāng)中醇類物質(zhì)的代表,在以茶為基質(zhì)的芳香飲料中,茶葉(綠茶)的香氣成份中芳樟醇的相對含量達(dá)到19.88%,是最重要的香氣組分之一,芳樟醇可提高茶葉的香氣;α-異松油烯是一種食用香料也在4組樣品當(dāng)中出現(xiàn);醇醋-12 是一種新型成膜助劑, 由于它具有毒性低, 用量少, 能有效降低高玻璃化溫度乳膠漆的成膜溫度等特點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于水性乳膠漆中[10],3組樣品當(dāng)中都檢測到了這種物質(zhì);在10個(gè)樣品當(dāng)中1- 苊酮、順-茉莉酮作為兩種有機(jī)酮類物質(zhì)都出現(xiàn)了2次,其中順茉莉酮是非常有價(jià)值的香料之一,香氣類似茉莉花香,是茉莉油的重要香氣成份之一,應(yīng)用在高級(jí)茉莉系列化狀品的香精中,也可作為食用香料。上述這些物質(zhì)是出現(xiàn)次數(shù)比較多的揮發(fā)成分,研究檢測所得的這些物質(zhì)也是元寶楓花揮發(fā)成分的主要物質(zhì)成分。
圖2的柱狀圖表示每顆大樹元寶楓花朵揮發(fā)物成分中各種有機(jī)類物質(zhì)類別所占比例,以及它們在每個(gè)樣品當(dāng)中出現(xiàn)的次數(shù)。
2.3 元寶楓花朵揮發(fā)物成分的株間差異
根據(jù)表1可知,元寶楓花的主要揮發(fā)成分芴、4,8-二甲基-1,3(E),7-壬烯、(順,反)-2,6-二甲基辛-2,4,6-三烯、月桂烯、羅勒烯、3-蒈烯、(E)-羅勒烯、莰烯、石竹烯、芳樟醇、α-異松油烯、鄰異丙基甲苯、3-乙烯-1,2-二甲基-1,4-環(huán)己二烯、桉樹醇、醇醋-12在10個(gè)樣品當(dāng)中出現(xiàn)的次數(shù)≥3次。通過方差分析得到:醇醋-12的 P=0.181 ,差異性不顯著,它們的各株數(shù)內(nèi)無差異;鄰異丙基甲苯P=0.012,桉樹醇P= 0.015 ,差異性顯著,各株數(shù)間有差異;剩余其他的主要揮發(fā)成分,P=0.000,差異性極顯著,各株數(shù)間差異較大。
7、8、9號(hào)大樹所處的環(huán)境較差,位于居民區(qū)門前。光照、水分、空氣濕度等含量相對較低以及機(jī)械損傷情況較為頻繁。結(jié)果顯示,這幾棵大樹花朵揮發(fā)物成分種類主要是萜烯類化合物,8號(hào)樹還有一部分醇類化合物,但是和其他號(hào)的單株比較其含量都相對較少。這證明環(huán)境不同,揮發(fā)物質(zhì)成分有所差別。
但是作為環(huán)境差異不大的1、2、3、4、10號(hào)樹,揮發(fā)物種類卻存在不小的差異。只有1、4號(hào)樹揮發(fā)物中含有酚類化合物,并且1號(hào)樹是含量最高的。這證明了環(huán)境相同,但是花朵揮發(fā)物成分差異較大,為以后該樹種的遺傳育種工作提供了重要的試驗(yàn)材料。
3 結(jié)論與討論
有關(guān)槭樹科植物揮發(fā)物的探究,張風(fēng)娟等[11]是采用超臨界CO2萃取對復(fù)葉槭揮發(fā)成分進(jìn)行收集,運(yùn)用TCT/GC -MS 分析揮發(fā)物的物質(zhì)成分,得到了與元寶楓同科類的植物—復(fù)葉槭揮發(fā)物的主要化合物包括醇、醛、酮、脂、萜類和少量含氮化合物。其中復(fù)葉槭揮發(fā)物當(dāng)中含有α-蒎烯、石竹烯兩類物質(zhì),元寶楓花朵揮發(fā)成分也含有這兩種成分。因?yàn)閺?fù)葉槭和元寶楓同屬槭樹科,揮發(fā)成分當(dāng)中應(yīng)該有相類似成分,這些成分結(jié)果與前人有相似部分,對比分析來看,本研究采用的試驗(yàn)方法可行。
在元寶楓揮發(fā)物成分測定的相關(guān)試驗(yàn)當(dāng)中,宋秀華等[12]在元寶楓葉片揮發(fā)物成分及其季節(jié)差異研究中,大量分析了元寶楓葉片揮發(fā)成分測定的方法和測試結(jié)果,其中應(yīng)用了固相微萃取結(jié)合氣質(zhì)聯(lián)用儀(SPME-GC-MS)的方法進(jìn)行檢測。固相微萃技術(shù)結(jié)合氣質(zhì)聯(lián)用,大部分花的揮發(fā)成分都是運(yùn)用此類方法。彭紅明[13]在中國蘭花特征香氣的研究當(dāng)中,就應(yīng)用了頂空固相微萃取法采集檢測蘭花的特征香氣成分;徐瑾等[14]在菊花不同花期及花序不同部位香氣成分和揮發(fā)研究中,也是應(yīng)用手動(dòng)SPME進(jìn)樣器和50/30 μmDVB/CAR/PDMS 萃取頭對不同品種菊花香氣特征成分進(jìn)行收集后測定。所以以固相微萃取技術(shù)收集植物揮發(fā)物,不光是在元寶楓葉當(dāng)中采用,各大類花朵揮發(fā)物采集也都在應(yīng)用,即可以應(yīng)用此方法來收集元寶楓花朵揮發(fā)物成分。
有關(guān)植物花朵揮發(fā)物成分的測定結(jié)果方面,王麗艷[15]應(yīng)用氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)對槐花揮發(fā)油成分進(jìn)行了分析,槐花揮發(fā)油的主要成分為萜類 、酯類 、醇 、酮 、醛及少量的長 鏈烷烴,萜烯類物質(zhì)含量較高,其中α-蒎烯含量較高。這個(gè)結(jié)果和元寶楓花朵揮發(fā)物主成分類似,都是萜烯類物質(zhì)含量較高,此試驗(yàn)結(jié)果具有一定參考價(jià)值。徐瑾等在菊花香氣研究當(dāng)中,在花蕾期以酯類和酮類物質(zhì)為主,花朵進(jìn)入始花期,萜烯類和酮類化合物增加幅度最大,進(jìn)入盛花期后,萜烯類和酮類化合物含量達(dá)到峰值。本試驗(yàn)取材的元寶楓花朵也已進(jìn)入盛花期,萜烯類物質(zhì)含量最高,其中部分也含有酮類化合物,試驗(yàn)結(jié)果有類似部分,即推測在植物花朵進(jìn)入盛花期后,揮發(fā)物成分當(dāng)中萜烯類物質(zhì)會(huì)迅速增加,而由于植物物種和品種不同它們的揮發(fā)物成分有所差異。
在前文敘述的花朵揮發(fā)物成分及出現(xiàn)頻率情況調(diào)查當(dāng)中,環(huán)境和個(gè)體差異關(guān)系較大。李娟等人[16]在研究揮發(fā)物釋放情況當(dāng)中,指出一般在一定范圍內(nèi)隨著光照增強(qiáng)、溫度升高、濕度減小,揮發(fā)物的釋放量會(huì)增加。植物通過次生代謝合成的產(chǎn)物即揮發(fā)物,是通過光合、呼吸和蒸騰等作用釋放到大氣環(huán)境中的,這些生理作用及條件對植物揮發(fā)物的釋放情況具有直接影響。另外,次生代謝酶影響植株的生理作用,可促成植物體內(nèi)化合物的生成和轉(zhuǎn)化,從而導(dǎo)致植物揮發(fā)物的種類和釋放情況,這一類情況還需要進(jìn)一步研究。
元寶楓為中國特有的槭樹科槭樹屬植物。元寶楓葉中含有黃酮類、有機(jī)酸、蛋白質(zhì)、多糖、單寧等多種化學(xué)成分, 在醫(yī)療、食品和化工等多種行業(yè)有廣泛應(yīng)用前景[17]。元寶楓的綜合應(yīng)用價(jià)值很高,但是前人的研究主要集中在對其葉片、果實(shí)的研究,有關(guān)元寶楓花中化學(xué)成分的研究報(bào)道則較少,本研究揭示了元寶楓花中含有藥用成分芴及多種芳香成分,獲得的結(jié)論如下。
(1) 首次發(fā)現(xiàn)芴是元寶楓花的代表性關(guān)鍵揮發(fā)物之一。其衍生物芴酮作為醫(yī)藥中間體可用來生產(chǎn)抗癌藥物,止痙攣劑、交感神經(jīng)抑制劑、降血壓藥及抗痙攣藥等藥物;作為農(nóng)藥中間體,芴酮可用于制備除草劑、滅蟲劑、植物生長調(diào)節(jié)劑等[18]。國內(nèi)外市場對芴的需求量大增,所以研究芴的提取精制方法顯得越來越重要,已經(jīng)有人開始研究它的精制工作[19]。
(2)元寶楓花揮發(fā)物種類豐富。在檢測出的50種揮發(fā)物成分,歸屬于烯烴、醇、醛、酯、酮、芳香烴等六大類型有機(jī)物,其中主要成分是萜烯類化合物,其次是醇類、酯類和酮類以及芳烴類物質(zhì)。
(3)某些揮發(fā)物成分存在顯著的株間變異情況。株間差異分析顯示,在元寶楓花的主要物質(zhì)芴、4,8-二甲基-1,3(E),7-壬烯、(順,反)-2,6-二甲基辛-2,4,6-三烯、月桂烯、羅勒烯、3-蒈烯、(E)-羅勒烯、莰烯、石竹烯、芳樟醇、α-異松油烯、鄰異丙基甲苯、3-乙烯-1,2-二甲基-1,4-環(huán)己二烯、桉樹醇、醇醋-12當(dāng)中,鄰異丙基甲苯、桉樹醇、醇酯-12等3類物質(zhì)株間差異不顯著,剩余其他主要揮發(fā)物成分各株間差異顯著。
(4)元寶楓花的主要揮發(fā)物中多數(shù)萜烯類化合物在食品應(yīng)用中出現(xiàn)頻率較高。如月桂烯是一種天然的萜烯類有機(jī)化合物, 是香料產(chǎn)業(yè)中重要的化學(xué)品原料和中間體,如合成薄荷、檸檬醛、香茅醇、香葉醇、橙花醇和芳樟醇等[20];羅勒烯,它的甜香幾乎是一種花香,純的羅勒烯是一種能馬上讓人聯(lián)想起橙花油的香氣[21]。3-蒈烯特殊的三元環(huán)結(jié)構(gòu)以及生物活性, 使其在藥物、農(nóng)藥、香料及化妝品等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值, 可以直接作為活性成分使用, 也可以作為合成香料、藥物和農(nóng)藥或者相應(yīng)中間體的原料進(jìn)行利用[22]。
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