西南桦树皮精油产量和成分随树龄的变化规律

王彩云，杨海宽，王春胜，庞圣江，王 欢，曾 杰

（1. 中国林业科学研究院 热带林业研究所，广东 广州 510520；2. 南京林业大学，江苏 南京 210037；3. 江西省林业科学院，江西 南昌 330032；4. 中国林业科学研究院 热带林业实验中心，广西 凭祥 532600）

精油（Essential oil）是存在于植物组织中的一类挥发性油状液体的总称，可随水蒸气蒸馏，且多具有芳香气味[1]。精油产品因其涵盖美容护肤、情绪调节、促进身体健康等各个方面的综合效应，在国内外化妆品、医药市场的需求量较大，因此植物精油含量与挥发性成分研究日益受到重视[2]。大量研究表明，植物次生代谢物的积累不仅受生长条件、地理位置等环境因素的影响，亦与植物年龄、部位密切相关[3-4]。如，顶果树Acrocarpus fraxinifolius树皮中酚类物质含量随树龄增长而增大[4]；红豆杉Taxus baccata树皮中紫杉醇含量随树龄增长而升高[5]。树皮精油方面的研究亦多有报道，Geng 等[6]的研究表明，肉桂Cinnamomum cassia树皮精油提取率随树龄增大逐渐升高，其主要成分含量随树龄增大而降低，而化合物种类变化不明显；但不同部位树皮间出油率差异大，且化合物含量亦有所不同。陈佳菁等[7]则发现肉桂树皮挥发油含量随树龄增大而升高，而其主要成分含量随树龄增大而先升高后降低。由此可见，系统研究一个树种树皮精油产量、主要化学成分及其含量对于提高其资源利用率和经营效益至关重要。

西南桦Betula alnoides为桦木科桦木属落叶乔木，是我国华南地区的一个乡土珍贵用材树种。其木材材性优良，是高档家具、木地板、单板贴面、室内装饰的理想材料[8]。西南桦还有较高的药用价值，其树皮可用于治疗感冒、产后疼痛以及消化系统和骨科疾病等[9]，树皮提取物具有抗HIV-1 整合酶、抗炎、降血脂、减肥的作用[10-12]。从20 世纪末开始，由于国家退耕还林政策的实施，我国西南地区营建了大量西南桦人工林，目前其种植面积已达2.0×105hm2，然而一些地区由于初植密度高、经营水平低等原因，造成林分质量差，林木分化严重，急需抚育间伐以改善林分生长及健康状况。此外，早期营建的林分也陆续进入主伐期。一方面，由于西南桦间伐材利用价值低，林农间伐的积极性不高，严重制约了林分的健康及可持续经营；另一方面，主伐以及木材生产加工过程中，大量树皮遭到遗弃，造成了资源的严重浪费。实践发现，西南桦树皮具有浓烈芳香味，可用于精油的提取。印度和越南学者们曾经开展过西南桦树皮精油提取的初步研究[13-14]。研究不同年龄和部位西南桦树皮的挥发性成分，有助于提高西南桦间伐材以及采伐和加工剩余物的利用价值，提升其人工林经营效益，进而促进林农增收。因此，依据西南桦人工林经营过程选择系列典型年龄，研究树龄对西南桦树皮精油含量和成分的影响，同时探讨干皮和枝皮精油含量和化学成分差异，为西南桦资源的高效利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料采自广西凭祥中国林业科学研究院热带林业实验中心11、21、29、40 年生的西南桦试验示范林（表1），这些林分均采用当地种源营建。2019 年4 月中旬，分别从这些林分内选择生长旺盛的健康植株，采集其0 ～1.3 m 处的树皮和树冠下层一级（大）枝的枝皮为材料。每个树龄选择5株，共20 株。采集的所有树皮样品均置于室内自然阴干[6,15]，粉碎成80 目备用。

1.2 仪器与试剂

精油提取在江西省林业科学院国家林业和草原局樟树工程中心完成。所用仪器：高速粉碎机（浙江屹立工贸有限公司）、标准筛（浙江上虞市华丰五金仪器有限公司）、电子天平（德国赛多利斯公司）、Molgene210a 超纯水机（上海摩尔科学仪器有限公司）、水蒸气蒸馏装置（自制）、精油提取器（国产,定制）、移液枪及枪头（艾本德上海国际贸易有限公司）、气相色谱-质谱联用仪（7890B-5977A,美国、安捷伦）。试剂：超纯水、无水乙醇（天津市永大化学试剂有限公司）、无水硫酸钠（天津市大茂化学试剂场）、正构烷烃混合对照品C7—C30（美国Sigma-Aidrich 公司），均为分析纯。

表1 样品采集信息Table 1 Information of sample collection

1.3 试验方法

称取粉碎后的树皮1 000 g，放入自制水蒸气蒸馏装置中；加入4 000 mL 超纯水，回流提取3 h，挥发油提取器分离水油混合物；将分离出的精油用足量的无水硫酸钠干燥，计算出油率；参考任三香等[16]的方法，经优化后应用于西南桦树皮精油的GC-MS 检测。GC 条件：色谱柱为HP-MS（30 m×0.25 mm，0.25 µm），进样口温度280 ℃，程序升温（起始温度70 ℃，6 ℃·min-1升至280 ℃），载气为高纯氦气，总流量为10.0 mL·min-1，分流比为：10/1。MS 条件：电离方式为电子轰击（EI），电离能量70 eV，离子源温度：230 ℃，接口温度：280 ℃，采集质量范围35 ～450 amu。

1.4 数据处理与分析

按照1.3 中的条件测定正构烷烃C7—C30混合对照品，根据GC-MS 离子流图出峰时间计算保留指数：tx、tn，tn+1分别为被分析组分、碳原子为n、n+1 的正构烷保留时间，且tn＜tx＜tn+1[17]。根据NIST14 质谱数据库初步检索样品精油的挥发性成分，选择相似度较高的检索结果，并结合保留指数(RI)定性分析。通过峰面积归一化法计算各组分的相对含量。利用Excel 2010 和SPSS 21.0 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 西南桦树皮精油提取率

应用水蒸气蒸馏法提取的西南桦树皮精油呈淡黄色，提取率随树龄的增加整体上呈现下降趋势。图1A 看出，11 年生西南桦的干皮精油提取率为0.08%，显著高于其它树龄（P＜0.05），40年生西南桦的干皮提取率最低（0.02%），但与21和29 年生西南桦差异不显著（P≥0.05）。图1B看出，11、21 生西南桦的枝皮精油提取率分别为0.09%、0.10%，显著高于29 和40 年生植株，11与21 年生以及29 与40 年生西南桦之间枝皮精油提取率差异不显著。

2.2 西南桦树皮精油成分

应用GC-MS 从西南桦树皮精油中共分析出19种化合物（表2），其中，酯类、醇类、烯烃类化合物种类较多，分别为7、6、3 种，另有酚类2 种，酮类1 种。11、21、29、40 年生西南桦树皮中分别鉴定出12、13、12、15 种化合物。

图1 不同树龄西南桦树皮精油的提取率Fig. 1 Comparison on essential oil extraction rate of barks from Betula alnoides trees with different ages

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2.3 不同树龄西南桦树皮精油成分比较

2.3.1 西南桦干皮和枝皮精油成分差异

从表2 可知，西南桦干皮、枝皮精油分别鉴定出15、14 种组分。其中有3 种化合物仅在西南桦枝皮精油中鉴定出，4 种仅在西南桦干皮中鉴定出。西南桦干皮与枝皮包含7 种共有成分：水杨酸甲酯、水杨酸乙酯、芳樟醇、2-（5-甲基-5-乙烯基四氢呋喃-2-基）丙-2-基碳酸乙酯、桉叶油醇、4-萜烯醇、2-茨酮。

西南桦干皮和枝皮精油成分均以酯类化合物为主，其中40 年生西南桦枝皮中的酯类化合物总含量及其主要成分水杨酸甲酯含量显著高于干皮（P＜0.05），而其它树龄间差异不显著（P≥0.05）。21 年生和40 年生西南桦干皮中的醇类化合物含量及芳樟醇含量显著高于枝皮（P＜0.05）。

2.3.2 不同树龄西南桦干皮精油成分比较

西南桦干皮中共鉴定出15 种化合物，其中酯类化合物有6 种，醇类化合物有4 种，烯烃类、酚类各有2 种，酮类1 种（表2）。11、21、29、40 年生西南桦干皮中分别鉴定出7、10、8、13 种化合物。由图2A1、图3A1可知，不同年龄植株的干皮精油挥发性成分种类存在差异。酯类化合物的种类随树龄的增大而增多，由 11 年生时的4 种增至40 年生时的6 种；烯烃类化合物仅在21 年生植株中鉴定出，酚类化合物仅在29、40 年生植株中鉴定出；21、40 年生西南桦有4 种醇类化合物，而11、29 年生有3 种。4 个年龄植株的干皮精油具8 种共有成分（表2），分别为水杨酸甲酯、水杨酸乙酯、2-（5-甲基-5-乙烯基四氢呋喃-2-基）丙-2-基碳酸乙酯、芳樟醇、4-萜烯醇、桉叶油醇、2-茨酮、棕榈酸甲酯。

西南桦的干皮精油主要成分以酯类化合物为主，且随着树龄的增大，酯类化合物含量逐渐减少。干皮酯类化合物含量由11 年生时的99.67%降至40 年生时的91.49%，以40 年生时显著最低（图2A2）；而干皮醇类化合物含量随着树龄的增大而升高（图3A2），40 年生时为8.17%，显著高于其它树龄（P＜0.05），11、21、29 年生西南桦之间干皮醇类化合物含量差异不显著（P≥0.05）。

4 个年龄植株的干皮挥发性成分均以水杨酸甲酯、芳樟醇和水杨酸乙酯为主，但其含量存在差异，其含量分别为：90.80%～99.08%，0.21%～7.67%，0.59%～1.45%（表 2）。其中，水杨酸甲酯的含量随树龄的增大而减少，由11 年生时的99.08%降至40 年生时的90.80%，但4 个树龄之间差异不显著；芳樟醇的含量随树龄的增大而升高，40 年生时达到7.67%，且显著高于其它树龄；水杨酸乙酯含量则呈先升高后降低的趋势。

图2 西南桦树皮精油酯类化合物数量及相对含量Fig. 2 Quantity and relative contents of estercompounds in essential oil of Betula alnoides barks

图3 西南桦树皮精油醇、酚、酮及烯烃类化合物数量及相对含量Fig. 3 Quantity and relative contents of alcohol, phenol, ketone and olefin compounds in essential oil of Betula alnoida bark

2.3.3 不同树龄西南桦枝皮精油成分比较

从西南桦4 个树龄的枝皮中共鉴定出14 种化合物，分别为醇类6 种、酯类5 种、酮类、烯烃类、酚类各1 种（图2B1、图3B1）。11、21、29、40年生西南桦枝皮分别鉴定出13、9、12、12种化合物。由图2B1、图3B1可知，不同树龄西南桦的枝皮精油挥发成分种类差异不大，具9 种共有成分，分别为水杨酸甲酯、水杨酸乙酯、2-（5-甲基-5-乙烯基四氢呋喃-2-基）丙-2-基碳酸乙酯、芳樟醇、桉叶油醇、4-萜烯醇、2-茨酮、反式α-香柠檬、(3R,6S)-2,2,6-三甲基-6-乙烯基四氢-2H-吡喃-3-醇（表2）。西南桦的枝皮精油主要成分亦以酯类化合物为主，且随着树龄的增大，酯类化合物含量也逐渐减少（图2B2），而醇类化合物随着树龄的增大呈上升趋势（图3B2），但两者于树龄间差异均不显著（P≥0.05）。

各年龄植株枝皮精油具体挥发性成分含量存在差异（表2）。比较其主要成分，29 年生西南桦枝皮水杨酸甲酯含量最低（96.04%），比11 年生西南桦低2.73%，总体呈下降趋势，但各年龄植株之间含量差异不显著；芳樟醇的含量随树龄的增大而增多，而水杨酸乙酯的含量随树龄的增大呈减小趋势，但由于整体上含量均较少，各年龄植株之间含量差异也不显著。

3 讨 论

3.1 树皮精油出油率

本研究中，西南桦干皮出油率为0.02%～0.08%，枝皮出油率为0.03%～0.10%。而印度Assam 地区[13]和越南山罗省[14]的西南桦新鲜树皮（实际为干皮）精油提取率分别为0.05%和0.18%，其差异可能与环境条件以及地域差异等因素有关，材料处理方式亦影响较大[18-20]。本研究中采用阴干树皮，在处理过程中可闻到强烈芳香气味，可能损失部分挥发性物质，导致其精油提取率相对于新鲜树皮而言偏低。本研究发现，西南桦树皮精油提取率随着树龄的增大逐渐减少，且枝皮出油率高于干皮，与Geng 等[6]对于肉桂的研究结果一致。究其原因，可能与其分泌结构（Secretory structure）类型有关，油细胞中精油代谢机制以及树皮结构变异亦可能导致林木生长过程中树皮挥发油含量的变化[6]。考虑到本研究中最低林分年龄仅为11 a，未来可考虑结合修枝探讨更小年龄西南桦植株的枝皮精油含量，以提高西南桦林分经营收益。

3.2 树皮精油挥发性组分

通过GC-MS 鉴定，从西南桦树皮精油中共鉴定出挥发性组分19 种，主要成分是水杨酸甲酯（90.80%～99.26%）、芳樟醇（0.21%～7.67%）、水杨酸乙酯（0.46%～1.45%），种类多于以往研究[13-14]。Nath 等[13]的研究表明，西南桦树皮精油中水杨酸甲酯相对含量最高（98.20%）；Dũng 等[14]发现西南桦树皮精油的主要成分是水杨酸甲酯（99.40%），亦鉴定出α-蒎烯、β-蒎烯、樟脑、柠檬烯、芳樟醇、α-松油醇等6 种化合物，但其含量极少。虽然研究结果与以往研究存在差异，但均证明西南桦树皮精油中以水杨酸甲酯含量最高。由于水杨酸甲酯用途广泛，它具有消炎镇痛作用，主要应用于局部肌肉疼痛搽剂[21-22]；它亦是一种安全、绿色的植物生长调节剂[23]，并具有抗虫性[24-26]、抗冷性[27]，因此，西南桦树皮精油可做医药产品的开发，也可用于化工产品生产。

西南桦树皮精油挥发性成分种类数量在4 种年龄植株之间差异不明显，而其挥发性成分含量则因树龄而异。如，最主要成分水杨酸甲酯的含量随树龄的增大而减少。这可能是由于次生代谢物在植物体内相互转换等原因导致的[28]，有待进一步验证。就不同部位而言，西南桦干皮与枝皮精油的挥发性组分存在差异，分别含有4 和3 种特有成分。究其原因，植物次生代谢物分布于不同器官、组织、细胞乃至细胞内不同细胞器内，其合成、运输、积累等既具有关联性，而且由于受多种环境因素影响，又存在相对独立性，因而造成不同部位挥发性成分的差异[29-31]。

本研究还发现，不同年龄个体之间主要成分含量存在较大差异，如，40 年生植株干皮中芳樟醇含量均值为7.67%，变化幅度为0.34%～19.19%，未来可开展西南桦单株选优，选育含量高的优良无性系，以提升精油产量和质量。

4 结 论

不同树龄、不同部位西南桦树皮精油提取率差异显著，且西南桦枝皮出油率高于干皮。西南桦树皮精油共鉴定出19 种挥发性成分，以水杨酸甲酯含量最高；干皮与枝皮精油具7 种共有成分。西南桦间伐和主伐时收集树皮加以利用，以提高西南桦资源利用率。建议后期采用新鲜树皮进行提取，或改善储藏方式，以提高出油率，减少有效成分的挥发。