8种木犀科植物的花香成分分析与聚类分析

刘雅兰,金梦然，姚瑞红，史宝胜

(河北农业大学 园林与旅游学院，河北 保定 071000)

植物花香是植物最重要的观赏性状之一，由花朵释放的一系列低分子量、低沸点、挥发性化合物所组成[1-2]。花香作为植物的主要挥发性成分，在观赏植物中具有重要的感官意义与美学价值；具有吸引昆虫传粉，以保证植物的生殖繁衍的作用；当植物在遭遇外来生物入侵时，花香中具有强烈气味的次生代谢产物，可起到驱赶入侵生物以及吸引其天敌的作用[3]。目前关于观赏植物的香气研究已有较多报道，萜烯类化合物广泛存在于高等植物及某些真核生物中，是植物次生代谢的重要产物。Yang等[4]发现萜类化合物是丁香属植物的主要成分，对丁香属植物的挥发性成分贡献最大。施婷婷等[5]对桂花不同花期花香挥发物进行了主成分分析，发现 β-紫罗兰酮是金桂初花期和盛花期产生的主要化合物。夏雪娟等[6]研究得出了桂花中含有芳香醇类、紫罗酮类、罗勒烯类及蒎烯类等花香成分，也含有其他不同的香气成分，这种成分的差异可能与地区不同或品种不同、甚至与检测方法不同有关系。木犀科植物的花香成分研究较少，尤其是女贞属植物的花香成分研究，为此，以8种木犀科丁香属、女贞属植物花朵为试材，研究花香成分，以期为丁香属与女贞属植物的花香成分研究提供了参考。

木犀科属双子叶植物纲菊亚纲，约27属，600余种，广布于温带和热带地区，亚洲地区种类最多，我国约有12属。匈牙利丁香(SyringajosikaeaJ.Jacq. ex Rchb.f.)，小叶丁香(SyringamicrophyllaDiels)，什锦丁香(Syringa×chinensisSchmidt)和北京丁香(SyringapekinensisRupr.)属于丁香属，灌木或小乔木，花序排列整齐，花香浓郁芬芳，常用于园林绿化和观赏。女贞(LigustrumlucidumAit.)，金叶女贞(Ligustrum×vicaryiRehder)，小叶女贞(LigustrumquihouiCarr.)和辽东水蜡(LigustrumobtusifoliumSieb.)属于女贞属，乔木或灌木，大多数树种耐修剪，枝叶繁茂且为常绿树种，多用于行道树、园道树、街道绿化等，花多且芬芳，具有很高的观赏性。本研究以木犀科2个属8种植物为试验材料，通过气质联用仪(GC-MS)测定8种植物的盛花期挥发物成分，分析8种植物的花香主要成分，木犀科植物的分类建立在宏观结构上，微观视角研究较少，对于亲缘关系和进化地位尚无明确的判断方法。以花香成分为基础进行聚类分析，为木犀科丁香属与女贞属植物的亲缘关系界定提供参考依据，也为提高木犀科植物的综合效益提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验材料

试验所用的8种植物花朵采集于河北省保定市河北农业大学西校区校园与河北绿地花卉景观研创中心。试验材料均为多年生植株，每种植物选择生长健壮、无病虫害的处于盛花期的3～5株植株，早8:00在每株大致相同部位进行采样，将每株植物上采集的花朵混匀，保鲜保湿迅速带回实验室处理并进行挥发物萃取，每个样品重复3次。

1.2 香气成分与含量测定

植物花香成分采集与分析采用顶空固相微萃取法(HS-SMPE)与安捷伦7890A/5975C气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)相结合[7-9]。手动固相微萃取进样器、萃取纤维头与气相色谱-质谱联用仪均为美国Supelco公司制造。

每种植物采集好的样品称量1 g(±0.001)置于20 mL的顶空取样瓶中，插入SMPE纤维头，将顶空取样瓶放入恒温水浴锅内，42 ℃下顶空萃取30 min。萃取纤维头在第1次使用前，需在250 ℃下老化1 h。萃取完成后，收回纤维头，取出插入GC-MS进样口，解析6 min后，进样分析。

气相色谱-质谱联用仪色谱柱为HP-5MS(60 m × 320 μm × 0.25 μm)石英纤维毛细管柱。载气为高纯氦气，流速1.0 mL/min。色谱条件是：柱温50 ℃ 保持3min，由3 ℃升到120 ℃保持1 min，接着由10 ℃升到 220 ℃保持1 min，最后由4 ℃升到240 ℃保持4 min。质谱条件：进样口温度维持在230 ℃，电离方式EI，电子能量70 eV，离子源温度为230 ℃，MS四极杆温度是150 ℃，扫描范围为40～450 amu。

1.3 香气成分的鉴定与分析

根据各个样品的GC-MS总离子流色谱图，解析各个峰所对应的质谱图，将所得到的质谱数据，经计算机谱库NIST 05标准谱库检索及资料分析，按SI相似度>80%的原则结合网站上对应物质所列举的相关文献对样品进行定性分析，根据离子流峰面积归一化法计算各组分在总挥发物中的相对含量。

1.4 数据处理

采用OriginPro2019b数据分析软件对数据进行后期分析处理。

2 结果与分析

2.1 8种植物的花香成分及其相对含量

在8种木犀科植物的盛花期共检测出114种花香物质，可分为9大类：萜烯类、醚类、芳香烃、醇类、酯类、酚类、醛类、烷烃和酮类。

8种木犀科植物的挥发性成分类别见表1。

表1 8种木犀科植物的挥发性成分主要类别Table 1 Types of volatile components of 8 species of Oleaceae plants %

由表1可知，每种植物盛花期花香成分差异较大，8种木犀科植物中均检测并识别到萜烯类物质和醇类物质。其中，萜烯类物质在4种丁香和金叶女贞、女贞中的相对含量较大，是其花香成分的主要类别。8种木犀科植物中，匈牙利丁香的萜烯类物质相对含量最高，有73.86%；其次是小叶丁香，萜烯类物质相对含量为71.01%；小叶女贞的萜烯类物质相对含量最低，仅有2.04%。匈牙利丁香的萜烯类物质相对含量是小叶女贞的36倍。在8种木犀科植物中均识别到醇类物质，但是在各植物的挥发性成分中酯类物质的相对含量较低，小叶丁香花香挥发物中的物质占比最重，相对含量为10.75%，其次是什锦丁香，相对含量为10.07%，匈牙利丁香中的醇类物质相对含量最低，仅占1.06%。除辽东水蜡之外的7种植物中均检测到酯类物质，其相对含量最高的是小叶女贞，其相对含量有61.02%，而匈牙利丁香中的酯类物质最少，其相对含量只有0.19%。在北京丁香、女贞、小叶女贞和辽东水蜡4种植物的花香挥发物中检测到酮类物质，其中相对含量最高的是辽东水蜡，其相对含量有61.15%，北京丁香、女贞和小叶女贞中酮类物质的相对含量都很低。植物的花香组成复杂，每种植物的挥发物成分种类与含量都不相同，化合物种类较多，小叶女贞中检测到的花香挥发物涵盖了所有花香物质的类别[10-11]；有的植物检测到的挥发物质数量较少，化合物种类也较少，小叶丁香、金叶女贞和辽东水蜡中检测出的花香成分都只占到4个类别。小叶女贞检测出9个类别的花香物质合计32种有效成分，什锦丁香检测出8个类别的27种有效成分，辽东水蜡则只测定出4类共9种有效成分。

2.2 4种丁香属植物花香成分分析

4种丁香共检测出69种主要花香成分,见表2。不同品种的丁香检测到的挥发成分有差别，匈牙利丁香检测到23种，小叶丁香检测到20种，什锦丁香检测到27种，北京丁香检测到27种。4种丁香属植物中共同检测出了萜烯类、醇类和酯类化合物，其中萜烯类成分是其各自挥发物相对含量的最大值。匈牙利丁香的萜烯类物质相对含量为73.86%，小叶丁香的萜烯类相对含量为71.01%，什锦丁香的萜烯类占50.5%，北京丁香的萜烯类相对含量是55.5%。萜烯类化合物中(Z)-β-罗勒烯在匈牙利丁香中相对含量最高，为67.98%，北京丁香为47.7%，什锦丁香43.03%，小叶丁香20.03%。α-法呢烯在小叶丁香中相对含量最高，为49.39%，北京丁香1.32%，匈牙利丁香0.12%，什锦丁香中没有检测到此成分。(E)-β-罗勒烯在什锦丁香和北京丁香中相对含量分别占4.22%和3.22%。别罗勒烯存在于匈牙利丁香、小叶丁香和北京丁香中，其相对含量分别是0.99%、0.14%和0.82%。醇类化合物在4种丁香中的占比情况分别是：小叶丁香10.75%，什锦丁香10.07%，北京丁香7.37%，匈牙利丁香1.06%。由此可知，4种丁香中，小叶丁香的醇类物质最多。酯类物质中的苯乙醇和苯甲醇含量较高，且分别在小叶丁香、什锦丁香和北京丁香中测得。匈牙利丁香中测得的醇类物质有丁香醇D和丁香醇A。在4种丁香属植物中的酯类物质相对含量较低，但数量较多，大部分酯类成分只在小叶丁香中测得。

表2 4种丁香盛花期主要挥发性成分及其相对含量Table 2 The main volatile components of 4 kinds of Syringa and their relative content %

续表2

续表2

2.3 4种女贞属植物花香成分分析

女贞属4种植物共测出65种挥发成分，见表3。

表3 4种女贞属植物盛花期主要挥发性成分及其相对含量Table 3 The main volatile components of the four Ligustrums plants in their full blooming period and their relative contents %

续表3

续表3

由表3可知，金叶女贞23种，女贞28种，小叶女贞32种，辽东水蜡10种。挥发物质按类别划分分别是：酯类31种、萜烯类10种、芳香烃5种、 醇类5种、烷烃类5种、酮类3种、醛类3种、醚类2种、酚类1种。其中，萜烯类和醇类是4种女贞属植物都存在的挥发物成分种类，4种植物的萜烯类相对含量分别是：金叶女贞20.51%、女贞35.47、小叶女贞2.04%、辽东水蜡13.14%；(Z)-β-罗勒烯存在于4种女贞属植物中，在女贞中的含量最高，为30.97%，其次是金叶女贞18.07%，辽东水蜡2.06%，小叶女贞中的含量最低0.84%。α-法尼烯存在于辽东水蜡、女贞和金叶女贞中，辽东水蜡中的含量最高，其次是女贞和金叶女贞，含量分别是6.76%、1.36%和1.11%。(E)-β-罗勒烯只在女贞和金叶女贞中测得，分别为1.86%和0.84%。别罗勒烯也在金叶女贞和女贞中测得，相对含量分别是0.49%和0.29%。4种植物的醇类相对含量分别是：金叶女贞4.16%、女贞1.48%、小叶女贞2.25%、辽东水蜡5.71%，其中金叶女贞的醇类物质相对含量最高。苯甲醇在金叶女贞、女贞和小叶女贞的相对含量分别是1.68%、0.33%和0.92%，但是辽东水蜡中并未检测到苯甲醇。

有的植物上某种成分占比较大，但是在另一种植物中它含量却非常低，甚至不存在。例如，酯类的挥发物数量在9类成分类别中最多，但是只有小叶女贞的酯类相对含量最高，为61.02%，金叶女贞24%，女贞14.7%，辽东水蜡并未检测出酯类成分。小叶女贞中相对含量最高的物质是安息香酸乙酯，占比35.7%。酮类在辽东水蜡中的相对含量为61.15%，女贞0.19%，小叶女贞0.37%，金叶女贞中未检测出酮类成分。小叶女贞中相对含量最高的物质是苯乙酮，相对含量为51.88%。酚类物质只在小叶女贞中检测出来，愈创木酚含量为0.5%。

2.4 8种植物的花香成分聚类分析

丁香属与女贞属植物在系统分类学上一直处于相近的位置。丁香属内各类群划分为长花冠管组和短花冠管组，其下级分类又可分为长花冠管组的顶生花序系、巧玲花系、欧丁香系和短花冠组的羽叶丁香系[12]，共4个系别。以8种植物的花香成分为基础，用OriginPro 2019b对8种木犀科植物进行聚类分析，此次试验的4种丁香分别选自于4个系别。如图1可知，在数据信息保留量达到40%时，8种木犀科植物可以划分为2个类群: 第一类群有匈牙利丁香、小叶丁香、什锦丁香、北京丁香和女贞。这一类植物的萜烯类含量都较高，是花香挥发物质的主要来源。第二类群是金叶女贞、辽东水蜡、小叶女贞。这组植物的花香主要成分除萜烯类物质外，还有其他物质，金叶女贞中的醚类花香物质较多，辽东水蜡中的酮类物质较多，小叶女贞中的酯类物质较多，3种植物中的醇类物质相对含量相似。当数据信息保留在20%时，可以分为3类：第1类是匈牙利丁香和小叶丁香，其主要花香成分都是萜烯类物质，相对含量都高于70%，匈牙利丁香的主要花香成分是(Z)-β-罗勒烯、对苯二甲醚等，其中(Z)-β-罗勒烯的相对含量是67.98%；小叶丁香的主要花香成分是α-法呢烯和(Z)-β-罗勒烯，其中α-法呢烯的相对含量是49.39%。第2类是什锦丁香、北京丁香和女贞，丁香属植物的挥发物质与女贞属植物的挥发物质之间存在一定相似性。什锦丁香的主要花香成分有(Z)-β-罗勒烯、苯甲醛和苄甲醚；北京丁香的主要花香成分有(Z)-β-罗勒烯、(E)-β-罗勒烯和顺式氧化芳樟醇；女贞的主要花香成分有(Z)-β-罗勒烯、苯酸甲酯和甲氧基苯甲酸甲酯。它们的主要花香成分是由大量的(Z)-β-罗勒烯的一定比例的其他物质组成，其中(Z)-β-罗勒烯的相对含量分别为43.03%、47.7%和30.97%。第3类是金叶女贞、辽东水蜡和小叶女贞，金叶女贞花香的主要类别是酯类和萜烯类物质；小叶女贞花香的主要类别是酯类物质；辽东水蜡花香的主要类别则是酮类物质。金叶女贞花香的主要成分有(Z)-β-罗勒烯、苯甲醚和邻苯二甲醚；小叶女贞花香的主要成分有安息香酸乙酯、柳酸甲酯和水杨酸乙酯；辽东水蜡花香的主要成分是苯乙酮和2’-羟基苯乙酮。第3类植物的花香成分复杂多样，差异较大，主要花香成分各不相同。

图1 8种木犀科植物类群聚类结果Figure 1 Clustering results of 8 species of Oleaceae plants

3 结论与讨论

不同植物挥发性物质成分种类及比例不同导致每种植物有其独特香味。本研究在木犀科8种植物的盛花期检测到的花香成分种类丰富，萜烯类化合物是丁香属植物和女贞的主要物质成分，是判断丁香属与女贞属亲缘关系的重要依据。其中，4种丁香属植物花香成分中的萜烯类物质相对含量明显高于4种女贞属植物。(Z)-β-罗勒烯、α-法呢烯是萜烯类化合物中的重要物质，是匈牙利丁香、北京丁香、什锦丁香、小叶丁香、金叶女贞和女贞的主要花香成分。植物花香还表现出某些物质的特异性，匈牙利丁香的主要香气成分为对苯二甲醚等；小叶丁香的主要香气成分为α-法尼烯、苯甲等；什锦丁香的主要香气成分为甲基丁香酚、苯乙醇等；北京丁香的主要香气成分为顺式氧化芳樟醇等；金叶女贞测出的主要成分则为苯甲醚、安息香酸乙酯等；女贞的主要成分为苯酸甲酯、(Z)-甲氧基苯甲酸甲酯。小叶女贞的花香主要成分为安息香酸乙酯、柳酸甲酯和水杨酸乙酯。辽东水蜡的花香主要成分是苯乙酮和2’-羟基苯乙酮。根据8种植物的花香成分进行聚类，当聚为2个类群时，因为萜烯类物质的相对含量都较高，女贞与4种丁香聚为一类。第2类是金叶女贞、小叶女贞和辽东水蜡，这类植物因为花香主要成分除萜烯类物质外，还含有大量其他物质而聚为一类。

丁香属现有研究已报道的化学成分主要有萜类、苯丙素类、苯乙醇类、黄酮类等[13]。Woniak M等通过HPLC-DAD-MS方法，分析了欧丁香树皮、叶、花、果实中的成分，并首次报道了4种环烯醚萜。其中，萜类成分是该属植物的特征成分[14-15]。与本试验的研究结果一致，对丁香属以及木犀科植物的亲缘关系、系统发育及地理分布等具有重要参考意义。Dudarte等[16]通过对野生型丁香属植物不同成熟期果实进行研究发现, 果实中以(E)-β-罗勒烯为主要成分。本研究中得出(Z)-β-罗勒烯是萜烯类化合物中的重要花香成分，(Z)-β-罗勒烯是(E)-β-罗勒烯的衍生物，存在于多种植物与水果中，这种化合物自身或混合物有令人愉快的清香味，故而常用于香水制造，具有很高的开发价值。(Z)-β-罗勒烯在女贞属植物中检测到的数量较丁香属植物少，但是均存在于4种女贞属植物中。近20年来，国内外学者对女贞属植物进行了较为深入的研究，女贞属植物的挥发性成分丰富，女贞属植物的主要成分有萜类、苯乙醇类、黄酮类以及挥发油等。环烯醚萜类是近年来女贞属植物化学成分研究中报道最多的一类成分[17]。女贞属药用植物中也测得了大量萜类、苯乙醇类、黄酮类等成分[18]。