元宝枫花的挥发成分研究

2016-11-25任红剑丰震王超

天津农业科学 2016年10期

任红剑+丰震+王超

摘要：植物有机挥发物（Biogenic Volatile Organic Compounds，简称 BVOCs）对大气环境、空气质量以及人体健康都有重要影响。元宝枫是华北地区主要乔木树种，应用于行道树或者药用植物材料，用途广泛。本试验以元宝枫花朵释放的挥发物为主要研究内容，运用固相微萃取联合气质联用仪（SPME-GC-MS）检测了10株元宝枫（Acer truncatum Bunge.）大树花朵挥发物的释放情况，分析了元宝枫花挥发物的主要成分。结果表明，共检测出50种挥发物成分，归属烯烃、醇、醛、酯、酮、芳香烃等六大类型的有机物，其中主要成分是萜烯类化合物，其次是醇类、酯类和酮类以及芳烃类物质，主要物质有芴、4，8-二甲基-1，3（E），7-壬烯、（顺，反）-2，6-二甲基辛-2，4，6-三烯、月桂烯、罗勒烯、3-蒈烯、（E）-罗勒烯、莰烯、石竹烯、芳樟醇、α-异松油烯、邻异丙基甲苯、3-乙烯-1，2-二甲基-1，4-环己二烯、桉树醇、醇醋-12等。株间差异分析显示，邻异丙基甲苯、桉树醇、醇酯-12等3类物质株间差异不显著，剩余其他主要挥发物成分各株间差异显著。

关键词：元宝枫花；挥发物；固相微萃取；气相色谱—质谱联用

中图分类号：S792.119 文献标识码：A DOI 编码：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

绿色植物吸收CO2 释放O2 的时候，会随着它的次生代谢途径合成低沸点且易挥发的小分子有机化合物[1]，这类物质统称为植物挥发物（Volatile organic compounds VOCs）。这些年来随着人们对植物VOCs不断的深入研究，发现其在生态系统中的作用愈加重要，这引发了广泛关注[2-3]。植物 VOCs 中包含了抑菌、保健、空气净化等功能的活性成分，随着香气分析技术的发展及各学科之间的紧密结合，有些植物挥发成分的提取物被广泛应用在食品、医疗和保健等方面，国外研究者通过对植物精油的研究得到了具备保健功能的芳香植物精油[4]，它也经常作为食品产业中植物源食品抗氧化剂[5]被普遍采用。在城市园林绿地中芳香类植物具有许多作用[6]：城市的美化、香化；净化空气，驱虫杀菌；增加体验，改善心境；医疗保健，文化传承。所以，系统地调查植物挥发物组分测定，主旨在于推进群落生态学理论，以发挥城市绿地系统在城市生态平衡和可持续发展中的巨大作用，对改善城市空气质量，保障市民身心健康具有非常重要的意义。

元宝枫（Acer truncatum Bunge.）落叶乔木，树形优美、叶色缤纷多彩，为华北地区常见的彩叶树种，通常作为绿化或风景林的伴生树种，是华北多处城市常见的乔木树种，分布及应用很广。国内外对于此树种主要研究它的药用成分，包括黄酮和绿原酸等成分的提取与检测[7]，以及对它的提取物开发生产的保健品、饮料等方面[8]，而对其花的挥发物的相关研究则报道较少。对于它挥发成分的研究集中在对其叶的挥发成分的报道，研究表明，叶挥发成分中酯类物质含量最高的主要是乙酸叶醇酯。然而在城市绿地植物挥发物的研究当中，则多为侧柏、油松等常绿树种[9]，阔叶树种的花朵挥发成分尚未有系统研究。

本试验采用离体采样固相微萃取（SPME）结合GC-MS 方法分析元宝枫花朵挥发物的成分，目的是为创建生态保健型城市绿地提供理论和技术指导依据，为开发利用元宝枫花香气资源和元宝枫花茶开发提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料与取样方法

在山东农业大学校园（沙质壤土）内选择长势健壮良好的元宝枫大树10 株，树高约8～10 m，胸径约10 cm。于2016年3月27日早上（晴朗无风）选取树冠中部花朵较多的小侧枝，高枝剪剪取小侧枝，迅速放入呈有蒸馏水的玻璃瓶（已标号）内，之后迅速取样测定。

1.2 挥发物采集与分析方法（SPME-GC-MS）

每个玻璃瓶内，摘取分离、称取新鲜花朵1 g，放入10 mL萃取瓶中，铝箔纸封口， 50/30 m DVB/CAR/PDMS 萃取头插入萃取瓶中，45 ℃顶空萃取35 min，吸附完成后萃取头插入 GC-MS 进样口，于 250 ℃解吸3 min。GC-MS 分析方法：仪器采用日本岛津公司 GC-MS-QP 2010 plus 气—质联用仪，RTX-5MS 毛细管柱（60.0 m × 0.25 mm，0.25 μm），柱子300 ℃老化30 min。色谱条件：柱初温40 ℃，保持 2 min，以 6 ℃ · min-1上升至90 ℃，再以10 ℃ · min-1上升至200 ℃，随后以 15 ℃ · min-1上升至 250 ℃，保留5 min。质谱条件：载气 He 气，流量 1.0 mL · min-1，EI 电离源，电子能量80 eV，离子源温度 200 ℃，接口温度 250 ℃，全扫描模式，扫描范围 45 ～ 450 m·z-1。进样方式：不分流。化合物定性与定量分析：经 NIST08 和NIST08S数据库检索，按 SI 相似度> 80%的原则对挥发物成分进行定性分析；用峰面积归一化法计算化合物的相对含量。

1.3 数据分析

采用 Microsoft Excel 和SPSS 软件对数据进行整理、分析和制图，采用SPSS 软件对数据进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 元宝枫花朵挥发物成分分析

通过对元宝枫花朵挥发物离子流图（图1）分析，检索出的物质主要包括有酯、醇、醛、酮和萜烯类以及芳烃类等化合物。

本试验中所得化合物是取10株大树元宝枫花的挥发物总和（表1），有些物质多次出现且含量较高，而有的物质只出现过一次且含量稀少。仪器共检测出50种有机化合物成分，其中：萜烯类化合物共有26种，占挥发成分总种类的52%，在所有试验样品中相对含量最高，约在70%～95%，大多数在80%左右；酯类化合物共有8种，占挥发成分总种类的16%，相对含量约在2%～15%，含量相对较高；醇类化合物共有7种，占挥发成分总种类的14%，相对含量约在2%～13%，一般平均含量在6%左右；芳烃类化合物共有4种，占挥发成分总种类的8%，相对含量约在0.62%～4.48%，含量相对较少；酮类化合物共有2种，占挥发成分总种类4%，相对含量约在0.07%～0.09%，另外还检测出一种醛类化合物藏红花醛（C10H14O），此类物质天然存在于圆柚、藏红花、绿茶中，它具有木香、辛香、药香、粉香的香气特征，经常应用于无花果、茶叶以及木香香型、药草香型的食用香精（图2）。

在表1当中，在样本1到10中均检测到的平均含量在1.0%以上及有代表性的物质主要有9种，分别是芴、4，8-二甲基-1，3（E），7-壬烯、（顺，反）-2，6-二甲基辛-2，4，6-三烯、3-蒈烯、（E）-罗勒烯、莰烯、石竹烯、芳樟醇、α-异松油烯、3-乙烯-1，2-二甲基-1，4-环己二烯，其中石竹烯具有青叶香味，可作为食用香精，此种成分使元宝枫花朵呈现清新香气。

2.2 元宝枫花朵挥发物成分及出现频率

元宝枫大树10个样本的花朵挥发物当中出现频率最高的是芴和4，8-二甲基-1，3（E），7-壬烯（表1），每个样品内都含有此种成分；月桂烯和罗勒烯两种萜烯类化合物也都出现了9次，证明这两种物质是元宝枫花挥发物中普遍存在的成分；还有4种萜烯类化合物，3-蒈烯、（E）-罗勒烯、莰烯、石竹烯也分别在8组、7组、6组、6组样品当中检测得到，说明3-蒈烯、（E）-罗勒烯、莰烯、石竹烯也在元宝枫花挥发物种类当中占有较大部分。另外，在它的挥发物当中出现次数最高的醇类物质是芳樟醇，出现了5次，证明芳樟醇是元宝枫花挥发物当中醇类物质的代表，在以茶为基质的芳香饮料中，茶叶（绿茶）的香气成份中芳樟醇的相对含量达到19.88%，是最重要的香气组分之一，芳樟醇可提高茶叶的香气；α-异松油烯是一种食用香料也在4组样品当中出现；醇醋-12 是一种新型成膜助剂，由于它具有毒性低，用量少，能有效降低高玻璃化温度乳胶漆的成膜温度等特点，广泛应用于水性乳胶漆中[10]，3组样品当中都检测到了这种物质；在10个样品当中1- 苊酮、顺-茉莉酮作为两种有机酮类物质都出现了2次，其中顺茉莉酮是非常有价值的香料之一，香气类似茉莉花香，是茉莉油的重要香气成份之一，应用在高级茉莉系列化状品的香精中，也可作为食用香料。上述这些物质是出现次数比较多的挥发成分，研究检测所得的这些物质也是元宝枫花挥发成分的主要物质成分。

图2的柱状图表示每颗大树元宝枫花朵挥发物成分中各种有机类物质类别所占比例，以及它们在每个样品当中出现的次数。

2.3 元宝枫花朵挥发物成分的株间差异

根据表1可知，元宝枫花的主要挥发成分芴、4，8-二甲基-1，3（E），7-壬烯、（顺，反）-2，6-二甲基辛-2，4，6-三烯、月桂烯、罗勒烯、3-蒈烯、（E）-罗勒烯、莰烯、石竹烯、芳樟醇、α-异松油烯、邻异丙基甲苯、3-乙烯-1，2-二甲基-1，4-环己二烯、桉树醇、醇醋-12在10个样品当中出现的次数≥3次。通过方差分析得到：醇醋-12的 P=0.181 ，差异性不显著，它们的各株数内无差异；邻异丙基甲苯P=0.012，桉树醇P= 0.015 ，差异性显著，各株数间有差异；剩余其他的主要挥发成分，P=0.000，差异性极显著，各株数间差异较大。

7、8、9号大树所处的环境较差，位于居民区门前。光照、水分、空气湿度等含量相对较低以及机械损伤情况较为频繁。结果显示，这几棵大树花朵挥发物成分种类主要是萜烯类化合物，8号树还有一部分醇类化合物，但是和其他号的单株比较其含量都相对较少。这证明环境不同，挥发物质成分有所差别。

但是作为环境差异不大的1、2、3、4、10号树，挥发物种类却存在不小的差异。只有1、4号树挥发物中含有酚类化合物，并且1号树是含量最高的。这证明了环境相同，但是花朵挥发物成分差异较大，为以后该树种的遗传育种工作提供了重要的试验材料。

3 结论与讨论

有关槭树科植物挥发物的探究，张风娟等[11]是采用超临界CO2萃取对复叶槭挥发成分进行收集，运用TCT/GC -MS 分析挥发物的物质成分，得到了与元宝枫同科类的植物—复叶槭挥发物的主要化合物包括醇、醛、酮、脂、萜类和少量含氮化合物。其中复叶槭挥发物当中含有α-蒎烯、石竹烯两类物质，元宝枫花朵挥发成分也含有这两种成分。因为复叶槭和元宝枫同属槭树科，挥发成分当中应该有相类似成分，这些成分结果与前人有相似部分，对比分析来看，本研究采用的试验方法可行。

在元宝枫挥发物成分测定的相关试验当中，宋秀华等[12]在元宝枫叶片挥发物成分及其季节差异研究中，大量分析了元宝枫叶片挥发成分测定的方法和测试结果，其中应用了固相微萃取结合气质联用仪（SPME-GC-MS）的方法进行检测。固相微萃技术结合气质联用，大部分花的挥发成分都是运用此类方法。彭红明[13]在中国兰花特征香气的研究当中，就应用了顶空固相微萃取法采集检测兰花的特征香气成分；徐瑾等[14]在菊花不同花期及花序不同部位香气成分和挥发研究中，也是应用手动SPME进样器和50/30 μmDVB/CAR/PDMS 萃取头对不同品种菊花香气特征成分进行收集后测定。所以以固相微萃取技术收集植物挥发物，不光是在元宝枫叶当中采用，各大类花朵挥发物采集也都在应用，即可以应用此方法来收集元宝枫花朵挥发物成分。

有关植物花朵挥发物成分的测定结果方面，王丽艳[15]应用气质联用技术对槐花挥发油成分进行了分析，槐花挥发油的主要成分为萜类、酯类、醇、酮、醛及少量的长链烷烃，萜烯类物质含量较高，其中α-蒎烯含量较高。这个结果和元宝枫花朵挥发物主成分类似，都是萜烯类物质含量较高，此试验结果具有一定参考价值。徐瑾等在菊花香气研究当中，在花蕾期以酯类和酮类物质为主，花朵进入始花期，萜烯类和酮类化合物增加幅度最大，进入盛花期后，萜烯类和酮类化合物含量达到峰值。本试验取材的元宝枫花朵也已进入盛花期，萜烯类物质含量最高，其中部分也含有酮类化合物，试验结果有类似部分，即推测在植物花朵进入盛花期后，挥发物成分当中萜烯类物质会迅速增加，而由于植物物种和品种不同它们的挥发物成分有所差异。

在前文叙述的花朵挥发物成分及出现频率情况调查当中，环境和个体差异关系较大。李娟等人[16]在研究挥发物释放情况当中，指出一般在一定范围内随着光照增强、温度升高、湿度减小，挥发物的释放量会增加。植物通过次生代谢合成的产物即挥发物，是通过光合、呼吸和蒸腾等作用释放到大气环境中的，这些生理作用及条件对植物挥发物的释放情况具有直接影响。另外，次生代谢酶影响植株的生理作用，可促成植物体内化合物的生成和转化，从而导致植物挥发物的种类和释放情况，这一类情况还需要进一步研究。

元宝枫为中国特有的槭树科槭树属植物。元宝枫叶中含有黄酮类、有机酸、蛋白质、多糖、单宁等多种化学成分，在医疗、食品和化工等多种行业有广泛应用前景[17]。元宝枫的综合应用价值很高，但是前人的研究主要集中在对其叶片、果实的研究，有关元宝枫花中化学成分的研究报道则较少，本研究揭示了元宝枫花中含有药用成分芴及多种芳香成分，获得的结论如下。

（1）首次发现芴是元宝枫花的代表性关键挥发物之一。其衍生物芴酮作为医药中间体可用来生产抗癌药物，止痉挛剂、交感神经抑制剂、降血压药及抗痉挛药等药物；作为农药中间体，芴酮可用于制备除草剂、灭虫剂、植物生长调节剂等[18]。国内外市场对芴的需求量大增，所以研究芴的提取精制方法显得越来越重要，已经有人开始研究它的精制工作[19]。

（2）元宝枫花挥发物种类丰富。在检测出的50种挥发物成分，归属于烯烃、醇、醛、酯、酮、芳香烃等六大类型有机物，其中主要成分是萜烯类化合物，其次是醇类、酯类和酮类以及芳烃类物质。

（3）某些挥发物成分存在显著的株间变异情况。株间差异分析显示，在元宝枫花的主要物质芴、4，8-二甲基-1，3（E），7-壬烯、（顺，反）-2，6-二甲基辛-2，4，6-三烯、月桂烯、罗勒烯、3-蒈烯、（E）-罗勒烯、莰烯、石竹烯、芳樟醇、α-异松油烯、邻异丙基甲苯、3-乙烯-1，2-二甲基-1，4-环己二烯、桉树醇、醇醋-12当中，邻异丙基甲苯、桉树醇、醇酯-12等3类物质株间差异不显著，剩余其他主要挥发物成分各株间差异显著。

（4）元宝枫花的主要挥发物中多数萜烯类化合物在食品应用中出现频率较高。如月桂烯是一种天然的萜烯类有机化合物，是香料产业中重要的化学品原料和中间体，如合成薄荷、柠檬醛、香茅醇、香叶醇、橙花醇和芳樟醇等[20]；罗勒烯，它的甜香几乎是一种花香，纯的罗勒烯是一种能马上让人联想起橙花油的香气[21]。3-蒈烯特殊的三元环结构以及生物活性，使其在药物、农药、香料及化妆品等方面有重要的应用价值，可以直接作为活性成分使用，也可以作为合成香料、药物和农药或者相应中间体的原料进行利用[22]。

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