金桂释放挥发性有机物的日动态分析

2015-02-03郭立春刘海燕肖文娅关庆伟中山陵园管理局江苏南京10014南京林业大学生物与环境学院江苏南京1007中山园林集团公司梅研中心江苏南京10014

江苏林业科技 2015年3期

陈　霞，郭立春，刘海燕，肖文娅，关庆伟*(1.中山陵园管理局，江苏　南京　10014;.南京林业大学生物与环境学院，江苏　南京　1007;.中山园林集团公司梅研中心，江苏　南京　10014)

金桂释放挥发性有机物的日动态分析

陈霞1，2，郭立春3，刘海燕2，肖文娅2，关庆伟2*
(1.中山陵园管理局，江苏南京210014;2.南京林业大学生物与环境学院，江苏南京210037;3.中山园林集团公司梅研中心，江苏南京210014)

摘要:采用动态顶空吸附法和热脱附-气相色谱-质谱联用法(TCT-GC/MS)，在紫金山国家森林公园灵谷寺景区，于10月对金桂日释放的挥发性有机物进行测定分析，对含花朵和不含花朵的枝叶释放含量进行比较，分析其日变化，并初步探讨与环境因素的关系。结果表明:金桂花期时共释放出73种挥发性有机物，以醇类、烯类化合物为主，占83.57%，主要是1，6-辛烯-3-醇、2-呋喃甲醇和β-水芹烯。1/3的挥发物(主要是18.58%的醇类化合物和小部分芳烃类化合物)是由金桂的花朵中挥发出来的。醇类化合物日变化先升后降，烯类化合物先降后升。

关键词:金桂;挥发性有机物;日动态

Daily dynamic analysis of volatile organic compounds released of Osmanthus fragrans var thunbergii

CHEN Xia1，2，Guo Li-chun3，LIU Hai-yan2，XIAO Wen-ya2，GUAN Qing-wei2*

(1.The Administration of Dr Sun Yatsen's Mausoleum，Nanjing 210014，China;2.College of Biology and Environment，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China;3.Plum Research Center，Nanjing Zhongshan Garden Group，Co.，Nanjing 210014，China)

Abstract:Using a dynamic headspace adsorption and thermal desorption cold trapping-gas chromatography-mass spectrometry (TCT-GC/MS)，we investigated VOCs (volatile organic compounds) released of Osmanthus fragrans var thunbergii in Linggu Temple area on Purple Mountain National Forest Park in October，and discussed the relationship between emissions and environmental factors.The results showed that 73 kinds of VOCs in total were released during the flowering period.Most of them were alcohols，vinyl compounds，accounting for 83.57%(mainly 1，6-octene-3-ol，2-furan methanol and βphellandrene).One third of volatiles (mainly 18.58% of the alcohol compound and a small portion of aromatic compounds) were from the flowers.Diurnal variation featured that alcohol compounds decreased after increase，and the amount of vinyl compounds increased firstly and then dropped.Our purpose is to guide forest planting to make a choice，and provide a reference to the implementation of refined management of scenic forest.

Key words:Osmanthus fragrans var thunbergii;VOCs;Diurnal variation

近年来，以植物精气为保健资源的森林浴在世界各地纷纷开展［1］，植物在生理过程中释放出生物活性有机挥发物(Biogenic volatile organic compounds，BVOCs)，包括烃类、醇类、醛类、酮类、酯类、有机酸以及一些含氮化合物等，大多具有芳香气味，被称为植物精气和芬多精(Phytoncidere)，是旅游区保健功能和空气清洁程度的重要指标［2］。

桂花(Osmanthus fragrans)为木樨科木樨属的一种常见栽培植物，为食、药、观赏、绿化等多用植物，对其资源的开发正日益受到重视［3］，而金桂(Os-

manthus fragrans var thunbergii)是桂花的主要栽培品种。目前，对金桂的研究主要集中于其芳香成分［4］、色素稳定性和提取［5］、栽培技术［6］及遗传表现［7］等，但对其花期释放BVOCs的研究相对较少。

紫金山国家森林公园自1993年至1999年充实扩建的灵谷寺桂园，已建成全园面积89 hm2，桂花16 000株以上，品种30种以上［8］。灵谷寺景区桂花规模越来越大，因此，从指导游客赏桂的角度出发，开展研究很有必要。

1　材料与方法

1.1供试材料

选取灵谷寺景区马尾松+金桂+荩草群落中的桂花［9］，树高3.5 m、冠幅2.5 m×2 m、树龄15 a，占景区内70%左右的金桂，作为该研究的供试材料。

1.2气体成分的收集

于2010年10月9日，晴朗，无风，从7: 00～18:00，每隔2 h取1次金桂带花朵和不带花朵的样本。使用动态顶空吸附采样法［10－12］(Dynamic Headspace Collection)进行采集。对植物挥发性物质的采集坚持活体采集的原则，保持植株正常生理状态，避免由机械损伤等因素导致的试验误差。具体步骤为(1)用塑料袋(美国Reynolds生产的微波炉袋)套住适量枝条后，立即用气泵抽尽塑料袋内空气;(2)用气泵泵入通过活性炭和GDX-51过滤的净化空气，并密闭系统;(3)充气至塑料袋内体积2/3时，开始循环收集，时间40 min;(4)收集完成后，取下样品管。为了减少大气干扰，收集大气挥发性物质作为试验本底。每次收集设重复3个(同一种植物不同个体植株)，取3次重复平均值。

1.3气体成分的分析条件

植物VOCs组成分析采用的是热脱附/气相色谱/质谱联用法(Thermal desorption Cold Trapping-Gas Chromatography/Mass Spectrum，TCT/GC/MS)分析技术。本试验所用的TCT装置是珀金埃尔默公司(PerkinElmer)生产的TurboMatrix 650 ATD-Clarus 600 GC-MS全自动热脱附-气质联用仪。

TCT的主要条件:系统压力: 20 kPa，杆温度: 250℃(10 min)，冷阱温度: 260℃。

GC的工作条件:色谱柱: DB-5 Low Bleed/MS 柱(60 m×0.32 mm×0.5 μm)，通过液氮脱附进样，He载气。程序升温: 40℃(3 min)→6℃/min→270 ℃(5 min)→280℃(5 min)。

MS的工作条件:电离方式: EI;离子能: 70eV;质量范围: 29～350 amu;接口温度: 250℃，离子源温度: 200℃，发射电流: 150 μA，全扫描，每次扫描所用时间0.4 s，质谱扫描范围: m/z 19～435。

1.4气体的鉴定与含量测定

GC/MS质量数据从Xealibur软件(Themro-Finnigna;LesUllis，France)获得。通过GC/MS分析可获得GC/MS原始数据-总离子流图(TIC)，图中各峰所代表的化学信息采用Xcaliburl.2版本软件，经计算机检索NlST98谱图库，兼顾色谱保留时间确认及筛选，以此对各种挥发物成分进行鉴定。通过面积归一化法定量各类挥发物的相对含量。

1.5气体的数据分析

对金桂挥发物日变化进行定量分析(包括各种成分的有无、含量的百分比等)，比较不同时间、不同环境条件对其组成和含量的影响。把采样过程中进入惰性袋内并起到循环流动载气作用的过滤空气组分作为挥发物分析的空白本底，其化学成分种类及相对含量、强度等是确定植物挥发性组分的参照。

2　结果与分析

分析显示，惰性袋内对照空气组分的主要化学成分为对二氯苯、丙苯、三环葵醇、甲苯、苯、丁醚、苯酚、己内酰胺、甲酸乙酸酐、三氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮、十一烷、1，3-二甲基苯、癸醛等。在各金桂品种挥发物的谱图中如果出现上述成分，必须严格甄别，如果数量级相同，则应予以剔除。

金桂挥发性有机物的组成以萜类为主，为便于区分和通俗易懂，本结果未采用专业的(为单萜、环烯醚萜、倍半萜、芳香族、脂肪族等)分类方法［13］，而是以分子结构中有机功能团的类型来分为醇、醛、酮、酯、烃等及其氧化物。

2.1金桂释放挥发性有机物的组成与含量

10月9日，共检测到金桂释放出73种挥发性有机物，检出的化合物成分与相对含量具体情况如表1所示，其中16种醇类化合物，23种烯类化合物，9种酮类化合物，7种酯类化合物，8种醛类化合物，10种烃类和杂环类化合物，这6类物质含量之和占离子流的99.87%。

表1　金桂挥发性有机物的组成与相对含量　%

续表1

在对金桂测得的73种挥发性有机物中，从表1和表2的日变化含量、平均含量可以看出，醇类化合物含量最高，达到了61.9%，烯类化合物其次，为21.67%，这2类化合物为金桂最主要的挥发物。酮类化合物居3，为7.39%，酯类化合物、醛类化合物、烃类和杂环类化合物含量相差不大。从同样是金桂9:00～10:00(见图1)的测定中，含花朵的和不含花朵的挥发性有机物中，醇类化合物增加了18.58%，最为明显，其次为芳烃类化合物，这说明有1/3的挥发物是由金桂的花朵中挥发出来的，主要为2-己烯醇、呋喃甲醇、吡喃-3-醇，α-蒎烯、环柠檬醛、酮等，特别是吲哚，为花朵独有。对于金桂精油的研究目前已经有很多，说明金桂花朵及枝叶的挥发物确实对人体健康有利，金桂花期赏桂值得推崇。

图1　10月9日挥发性有机物9:00～10:00的相对含量

2.2金桂释放挥发性有机物的日动态变化

各类化合物都有各自的变化规律，且各有差异(见表2)。金桂释放的挥发性有机物以醇类和烯类为主，各类物质有着各自的变化规律。

醇类化合物是金秋十月金桂释放的主要化合物，从表2中还可以看出，醇类化合物含量占到了50%以上，从早晨的55.06%逐渐上升，13:00～14:00时达到了最高值67.54%，然后逐渐下降至61.03%，这其中的主要成分是1，6-辛烯-3-醇和2-呋喃甲醇，所占比例超过了90%。1，6-辛烯-3-醇的变化规律是先升后降，13: 00～14: 00时达到最高值，早晨释放量是傍晚释放量的2倍，2-呋喃甲醇的变化规律是一直升高，早晨只有3.36%，17: 00～18:00时达到最高值31.66%，变化幅度非常大，接近早晨的10倍，2者变化趋势截然不同。其余的醇类化合物变化也不同，吡喃醇先降后升，植醇一直下降，2-乙基1-己醇先升后降再升。因此，醇类化合物的日变化较大。

烯类化合物在金桂释放的VOCs总量中仅次于醇类化合物，虽然不足醇类1/2，但其化合物种类最多，共鉴定出21种，其中单萜10种，含量超过一半，尤以β-水芹烯和1，3，6-辛三烯为主，4-蒈烯、α-蒎烯、β-蒎烯、β-月桂烯、柠檬烯、氧化柠檬烯释放量相似;倍半萜4种，甘菊环含量最高。烯类化合物在早晨的含量最高，占26.96%，随着温度升高逐渐降低，在13:00～14:00为16.98%，14: 00后释放量开始回升，傍晚时达到19.38%。大多数烯类化合物都以这样的趋势被释放，但也有在13:00～14: 00时释放量达到最高值，如1，3，6-辛三烯和α-蒎烯。单萜氧化物在上午能检测到，倍半萜氧化物则只在中午前后才开始检测到。

表2　10月9日金桂挥发性有机物日变化相对含量　%

从表2可以看出，金桂释放的酮类化合物与酯类化合物的变化正好相反。酮类化合物在早晨时只有4.16%，一直上升至傍晚时的13.07%，主要以3-丁烯-2-酮的释放量不断增加为主。酯类化合物从早晨的4.81%一直下降至傍晚的1.09%，主要以3-己烯-1-醇酯的释放量不断下降为主，棕榈酸甲酯只

有傍晚才有释放。

醛类化合物释放量先降后升，13: 00～14: 00时最低，只有2.58%，早晨(5.4%)比傍晚(3.24%)释放量高，主要以苯甲醛和3-甲基戊醛为主。烷烃、芳烃类和杂环类化合物的释放量与醛类化合物正好相反，先升后降，13: 00～14: 00时最高，为3.77%，早晨(2.96%)比傍晚(2.18%)释放量高，以1，1-二甲基-3-亚甲基-2-乙烯基环己烷释放量最高。2.3金桂释放挥发性有机物的环境条件日变化

通过10月9日对金桂叶片各项生理指标的测试(表3)可以看出，金桂的日生长曲线呈单峰状态，在9:00多时达到最高，这可能是金桂叶片的自身生理结构决定的，金桂叶片比较肥厚，叶色较深，叶绿素含量高，对光比较敏感，虽然中午时分光强最强，但是中午前已达到光饱和，有短暂的午休现象，即使温度在升高，但是气孔导度下降，胞间CO2浓度在升高，导致光合速率一直下降。但是随着温度的升高，蒸腾速率也在升高，样本室和参比室水分差距增大，说明水分蒸发增强，植物通过蒸腾降低叶面温度，环境温度比叶面温度高0.4℃左右。相对湿度早晨最高，一直下降后，到傍晚时分有所上升，和相对湿度一样，胞间CO2浓度在傍晚时也升高，这是因为呼吸作用强于光合作用，CO2浓度太大已导致气孔导度下降，挥发性有机物的释放强度也下降。

对照金桂释放的各类挥发性有机物，可以得出温度是其最大的影响因子，60%的醇类化合物日变化总趋势与温度日变化趋势相同。另外，醛类化合物的释放趋势与相对湿度的变化趋势相同，烷烃、芳烃类和杂环类化合物的释放趋势与光照度的变化趋势相同，其余的环境条件影响较小。

表3　10月9日金桂叶片的各项生理指标

3　讨论与结论

树种差异是决定树木VOCs释放的首要因素，树木的基本特征决定了不同树种所释放的VOCs的成分差异和释放速率的大小［9］。BVOCs是植物本身在生理过程中挥发出来的，日含量变化主要取决于植物本身的生理代谢、气候环境因素以及与空气中其他气体的化学反应［2］。温、湿度及光照是影响BVOCs释放的3个主要因素［1］。

金桂花期时共释放出73种挥发性有机物，以醇类化合物、烯类化合物、酮类化合物为主，占化合物含量的90.96%，主要以1，6-辛烯-3-醇、2-呋喃甲醇、β-水芹烯、1，3，6-辛三烯和3-丁烯-2-酮为主，其中1/3的挥发物是由金桂的花朵中挥发出来的。日变化中，醇类化合物先升后降，烯类化合物先降后升，酮类化合物一直上升。金桂的日生长曲线呈单峰状态，醇类化合物日变化总趋势与温度日变化趋势相同，烯类、醛类化合物的释放趋势与相对湿度的变化趋势相同。

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