11种柏科植物挥发油成分分析

林乐静,付涛,张立均,林立

11种柏科植物挥发油成分分析

林乐静,付涛,张立均,林立

宁波城市职业技术学院, 浙江 宁波 315100

为进一步了解柏科植物挥发油的组成。本文以11种柏科植物（匍地柏、铅笔柏、高山柏、鹿角柏、金钟柏、日本香柏、北美香柏、福建柏、绿干柏、孔雀柏和千头柏）叶为实验材料，采用有机溶剂-水蒸气蒸馏法提取铁挥发油，利用气质联用仪分析鉴定其中的化学成分和相对含量，并运用主成分分析(PCA)进行了多变量分析。结果表明：匍地柏、铅笔柏、高山柏和鹿角柏（圆柏属）、福建柏（福建柏属）和孔雀柏（扁柏属）主要以萜烯类和醇类为主；金钟柏、日本香柏和北美香柏（崖柏属）、绿干柏（柏木属）和千头柏（侧柏属）主要以萜烯类、醇类和酮类为主。11种柏科植物有49种共有成分（≥6），仅占所有挥发油成分的10.71%，特有成分较多（≤5），共有成分和特有成分共同作用使得每种植物呈现出不同气味。主成分分析提取了3个主成分因子，累计贡献率达到98.63%，同属植物基本能够聚集在一起。植物挥发油成分极其复杂，承担着抗菌、抑菌、杀虫等多种生物学功能，本研究为柏科植物的合理利用提供了一定的理论依据，此外，主成分分析的方法还可作为柏科植物分类的依据之一。

柏科植物; 挥发油; 成分分析

柏科植物约22属，是裸子植物中广泛分布于南北两半球的唯一的科，种数仅次于松科(Pinaceae)，近150种，分布于全球各地。其中种类最多的为圆柏属（），约50种，主要分布于北半球，此外，产于北半球的还有柏木属（，约20种）、崖柏属（，约6种）、扁柏属（，约6种）和翠柏属（，2种）等。中国产8属约30种，分布几遍全国，其中福建柏和侧柏为我国特有的单种属植物。柏科植物在中国多零散分布，成林植物通常为圆柏属的某些种类和柏木（）、台湾扁柏（（Hayata）Behd.）与福建柏（(Dunn) HenryThomas）等。

柏科植物不仅木材结构细致、均匀、纹理直，而且质地较重而坚韧，加工比较容易，耐腐性也较强。其中圆柏、柏木、扁柏、侧柏、崖柏等属的木材，均为世界上高级商用材，广泛应用于建筑、桥梁、家具、门窗、柱材及美术工艺等。除此之外，某些柏科植物还承担绿化、造林、固沙及水土保持等服务于人类、造福于人类的功能与作用。柏科植物含有桧黄素、榧黄素、西阿多黄素、苏铁黄素、柏黄素、外黄醇和二氢栎精等，具有一定的医药价值[1]。现代研究发现柏科植物的主要化学成分有挥发油（萜烯类）、黄酮类化合物、酚类化合物、有机酸、多糖、木脂素、鞣质、树脂、无机元素等，具有多种生物学效应，其中挥发油是柏科植物中最为重要的一类次生代谢产物，其含量较高，成分也最为复杂，具有抑菌、抗肿瘤、抗氧化等多种药理作用[2]。

目前国内已经有人对柏科相关植物的挥发油成分进行了相关研究，郝德君等利用水蒸气蒸馏技术，采用GC-MS法测定了圆柏、中山柏和龙柏的挥发油的具体成分和相对含量[3]；蒋继宏等对刺柏、圆柏、龙柏、日本扁柏和绒柏的挥发油进行了详细分析，此外还对挥发油进行了抗肿瘤活性的测定[4]；王道平等侧柏叶的挥发性成分进行了详细分析[5]；吴颖等对扁柏挥发油的提取及其成分进行了详细的分析[1]；吴章文等对日本扁柏、干香柏、柏木、西藏柏木、侧柏、圆柏、叉子圆柏和崖柏的精气成分及相对含量进行了详细测定[6]。本课题组成员前期对日本扁柏、柏木、偃柏、线柏和日本花柏的挥发油成分进行了准确的定性、定量分析[7]，但目前依然有大部分柏科植物挥发油化学成分还未被鉴定与公布，本文对适合于华东地区种植的11种柏科植物的挥发油成分进行准确的定性和定量分析，拟期望对该11种柏科植物的合理应用提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 主要仪器与装置

HP7890B GC system/5977A MSD气相色谱－质谱联用仪:美国Agilent Technologies公司，配有色谱柱Agilent 19091S-433:93.92873 HP-5MS 5% Phenyl Methyl silox-60 ℃～325 ℃(325 ℃):30 m×250 μm×0.25 μm；METTLER TOLEDO电子天平:梅特勒-托利多仪器有限公司；MLLI-Q-超纯水仪:美国Millipore公司；挥发油提取器：北京北瑞达医药科技有限公司；0.45 µm滤器：上海安普实验科技股份有限公司。

1.2 主要材料与试剂

于2019年9月14日在上海辰山植物园采集了千头柏（Po）和日本香柏（Ts）；于2019年9月28日在杭州植物园采集了匍地柏（Sp）、铅笔柏（Sv）、高山柏（Ss）、鹿角柏（Sc）、金钟柏（Aa）、福建柏（Fh）绿干柏（Ca）、北美香柏（To）和孔雀柏（Co）。具体信息详见表1。

本研究利用到的试剂为乙酸乙酯（色谱纯）和无水硫酸钠（分析纯）。

表1 样品信息及其来源

1.3 试验条件

1.3.1 11份柏科植物挥发油的提取挥发油提取参考林立等的方法[7]，略有改进。分别称取11份柏科植物的健康叶片100 g～150 g（尽量去除死、病叶片以及部分枝干），使用剪刀尽量剪成碎末状，置烧瓶中，加纯净水850 mL和色谱纯级乙酸乙酯5 mL，加入一定量沸石并充分摇匀，1 h后进行常压水蒸气蒸馏法提取3 h，冷却静置0.5 h，排出水层、接收油层，再用无水硫酸钠除水2次，最后利用0.45 µm的滤器过滤得油状混合物用于后续进样、分析。

1.3.2GC条件柱温40 ℃；进样口温度250 ℃；柱内载气流量1.0 mL/min；载气为高纯度氦气（99.999%）；汽化室温度250 ℃，柱前压7.62 kPa；升温程序：从40 ℃开始保持1 min；以4 ℃/min升温至140 ℃，保持2 min，再以2 ℃/min的速度升到225 ℃，保持5 min；进样量1 µL，分流比5:1。

1.3.3MS条件EI离子源；离子源温度230 ℃；接口温度250 ℃；电子能量70 eV；MS四级杆温度150 ℃；调谐EMV为1149；溶剂延时2.6 min；扫描范围15～500 Amu。

1.4 数据处理

通过HP chemstation检索Nist 05标准质谱图库和wiley 275质谱图库，同时采用有关质谱图文献解析，以确认明日叶挥发性成分。通过HP chemstation数据处理系统，按峰面积归一化法计算求出各化学成分的相对百分含量。

采用SPSS19.0软件(IBM SPSS Statistics)对GC-MS分析结果进行聚类（CA）分析。

2 结果与讨论

2.1 11种柏科植物叶中的挥发油成分种类划分

从11种柏科植物(即匍地柏、铅笔柏、高山柏、鹿角柏、金钟柏、日本香柏、北美香柏、福建柏、绿干柏、孔雀柏和千头柏)叶中鉴定出的挥发油化合物数量依次为106种、127种、63种、114种、111种、105种、103种、50种、142种、77种和95种，共鉴定出448种化合物。该11种柏科植物挥发油成分可大致划分为萜烯类、醇类、酮类、酯类、有机酸、烃类及其衍生物和其它等7大类物质，每种柏科植物及其每一种类含量具体见表2。

表2 11种柏科植物挥发油的种类及其相对含量

注：表中括号内数字为具体成分种类数。Note: The numbers in brackets were component varieties.

由表2可知，匍地柏、铅笔柏、高山柏和鹿角柏（圆柏属）挥发油成分均以萜烯类和醇类为主（总含量依次为81.93%、81.39%、82.09%和81.79%），其它成分种类含量均较少；金钟柏、日本香柏和北美香柏（崖柏属）挥发油成分均以萜烯类、醇类和酮类为主（总含量依次为88.23%、82.77%和77.56%），其中酮类在该3种崖柏属植物中含量相对较高；福建柏（福建柏属）和孔雀柏（扁柏属）与圆柏属类似，均已萜烯类和醇类为主（总含量依次为71.11%和76.33%）；绿干柏（柏木属）和千头柏（侧柏属）与崖柏属类似，均已萜烯类、醇类和酮类为主（总含量依次为83.24%和90.24%）。

2.2 11种柏科植物叶中的挥发油共有成分分析

11种柏科植物挥发油虽然在成分种类上有统一性（同属）和区别性（不同属），但具体成分却有较大差异（即使是同属植物）。其中，共有成分（≥6）有49种，仅占10.71%，具体详见表3。

表3 11种柏科植物共有挥发油成分（≥6）及其相对含量

2.3 主成分分析

以11种柏科植物挥发油主要成分（萜烯类、醇类、酮类和酯类）进行PCA分析，以各类化合物百分含量为测定指标[10]，累计贡献率达到85%以上；以特征值大于1来确定主成分的个数[11]。特征值大于1的主成分有3个，组分1、2和3分别代表了变量总方差的42.41.%、30.97%和25.25%，累计98.63%。根据0.5原则，pc1代表萜烯类和酮类化合物；pc2代表醇类化合物；pc3代表酯类化合物（表4）。将11个柏科植物对pc1、pc2、pc3作三维图（图1）。由图1可知，圆柏属植物匍地柏、铅笔柏、高山柏、鹿角柏聚集在一起；崖柏属植物金钟柏和北美香柏高度重叠在一起，但同为崖柏属的日本香柏却分散的较远，这可能与其含有很高的酮类物质有关；福建柏属的福建柏、扁柏属的孔雀柏和柏木属的绿干柏与圆柏属的4种植物聚在一起，这与其挥发油主要成分种类含量大致相同有关；但侧柏属的千头柏与其它10种柏科植物相聚较远。主成分分析结果表明，同属植物基本聚在一起；福建柏（福建柏属）、孔雀柏（扁柏属）、绿干柏（柏木属）与圆柏属植物聚集在一起，说明该几个属植物可能亲缘关系彼此较近；千头柏（侧柏属）与其它几个属的植物相聚较远，可能该变种（侧柏变种）与其它柏科属之间亲缘关系较远。

表4 主成分因子载荷矩阵

3 结论与讨论

本研究利用水蒸气蒸馏法提取11种柏科植物的挥发油，由于该方法温度较高，致使部分萜烯类物质（或其它易被氧化的物质）易被氧化，故本研究中发现部分物种成分中含有一定量的有机物氧化物成分（被划分于其它之中），这对本试验其它成分种类的含量结果有一定的影响。这与前人的研究结果柏科植物以萜烯类和醇类（部分物种还含有酮类或酯类）为主相一致。此外研究还发现，该11种柏科植物挥发油主要成分种类与产地无关，同属成分种类含量大致相同，因此，推测柏科植物挥发油成分主要受遗传物质控制，受环境影响较小。

图1 11个柏科植物主成分分析(PCA)得分图

11种柏科植物共有成分中有许多物质具有多种生物学效应，如其中的柠檬烯具有祛痰、镇咳效果；石竹烯具有平喘的功效，对老年慢性气管炎疗效显著；此外，其中也含有一些抑菌成分，如乙酸龙脑酯，杀菌效果明显等[7]。该11种柏科植物具有一定药用开发价值，其挥发油可用于研制生物杀菌剂、杀虫剂或添加到洗衣液、香皂等常用家庭生活用品中等，也可用于公园、学校、医脘等特殊杨所用于“森林疗法”，具有较好的医疗保健效果[6]。植物挥发油成分极其复杂，均属于次生代谢产物，为植物承担着抗菌、抑菌、杀虫等多种生物学功能，即使是同属植物虽在成分种类的含量上大致相同，但是具体物质成分却可能相差较大，这可能与不同物种的遗传表达、代谢以及与环境的相适应紧密相连。

大多数柏科植物具有浓郁的芳香气味，这与柏科植物含有大量的萜烯类和醇类等低沸点、低分子量物质有关（分子量较大、沸点较高等物质对植物气味几乎无贡献），表3中共有成分中大多数为萜烯类和醇类等低沸点、低分子量物质，柏科植物的芳香气味与这些易挥发物质有着重要联系。刘星星等对蜂胶的研究表明，人体嗅觉对化合物气味的感知与其含量和气味阈值都有关，含量较低可能由于气味阈值低而易被感知，反之含量高的化合物可能由于气味阈值高而不易感知[8]。例如与植物青香味有关的反式-2-己烯醛，其阈值为0.02 mg·kg-1，微量时就可以感觉到它的存在，因此，一些物质即使它们的含量很低，也会对植物的特殊气味起到重要作用，往往这类物质被称之为植物的特征香气成分。植物气味的产生非常复杂，气味的产生可能是由几种主要特征香气成分决定的，也可能是由各种成分通过融合、叠加、掩盖等相互作用表现出来的[9]。本研究中11种柏科植物绝大部分挥发油成分为各自或少部分物种（≤5）所特有(未列出)，该11种柏科植物特殊气味正是由这些共有成分和特有成分通过彼此融合、叠加等作用表现出来，亦或是其中的少许主要特征香气成分所决定。

本研究利用GC-MS同时准确、定量测定了柏科植物的相对含量，其中圆柏属的4种植物（匍地柏、铅笔柏、高山柏和鹿角柏）、福建柏（福建柏属）和孔雀柏（扁柏属）主要以萜烯类和醇类为主；崖柏属的3种植物（金钟柏、日本香柏和北美香柏）、绿干柏（柏木属）和千头柏（侧柏属）主要以萜烯类、醇类和酮类为主。11种柏科植物共有成分（≥6）有49种物质，仅占所有物质的10.71%，每一种柏科植物的特殊气味可能正是由这些共有成分和特有成分通过彼此融合、叠加等作用表现出来的。通过主成分分析表明，同属植物基本能够聚集在一起。本研究结果为柏科植物的合理利用提供了一定的理论依据，此外，主成分分析的方法(利用挥发油成分种类的相对百分含量)还可作为柏科植物分类的依据之一。

[1] 吴颖,季红斌,张泓,等.扁柏精油提取工艺的优化及成分分析[J].上海应用技术学院学报(自然科学版),2015,15(1):55-58

[2] 高静,单鸣秋,丁安伟,等.柏科药用植物研究进展[J].中药材,2008,31(11):1765-1769

[3] 郝德君,张永慧,戴华国,等.气相色谱/质谱法分析柏树叶挥发油的化学成分[J].色谱,2006,24(2):185-187

[4] 蒋继宏,李晓储,高甜惠,等.几种柏科植物挥发物质及抗肿瘤活性初步研究[J].福建林业科技,2006,33(2):52-57

[5] 王道平,潘卫东.侧柏叶香味成分SPME-GC/MS分析[J].中南林业科技大学学报,2012,32(9):135-137

[6] 吴章文,吴楚材,陈奕洪,等.8种柏科植物的精气成分及其生理功效分析[J].中南林业科技大学学报,2010,30(10):1-9

[7] 林立,岑佳乐,金华玖,等.五种柏科植物挥发油成分的GC-MS分析[J].广西植物,2015,35(4):580-585

[8] 刘星星,张茜,郭夏丽,等.不同化学型樟树叶挥发性成分组成的多变量分析[J].植物学报,2014,49(2):161-166

[9] 付涛,王志龙.GC-MS法分析不同部位仿野生与组培快繁铁皮石斛中的挥发性成分[J].中成药,2015,37(12):2702–2709

[10] Sun FJ, Levin GA, Downie SR. A multivariate analysis of, formerly known as(Apiaceae) [J]. Rhodora, 2005,107:359-385

[11] Gong SJ, Luo LP, Gong W,. Multivariate analyses of element concentrations revealed the groupings of propolis from different regions in China [J]. Food Chem, 2012,134:583-588

Analysis on Essential Oil Components from Eleven Species of Cupressaceae

LIN Le-jing, FU Tao*, ZHANG Li-jun, LIN Li

315500,

In order to further understand the composition of essential oil from Cupressaceae, the essential oil obtained from the leaves of Cupressaceae ((Endl.) Iwata et Kusaka,(L.) Antoine,(Buch.-Hamilt.) Ant,(L.) Antoine cv. Pfitzeriana,,(Gord.) Carr,L.,(Dunn) HenryThomas,Greene,cv.and‘sieboldii’) were analyzed in this study, The volatile oil were obtained by ethyl acetate distillation method and then analyzed by GC-MS, besides, multivariate analysis was performed by using principal component analysis (PCA). The study showed that(Endl.) Iwata et Kusaka,(L.) Antoine,(Buch.-Hamilt.) Ant and(L.) Antoine cv.(Sabina),(Dunn)HenryThomas() andcv.() were mainly composed of terpene and alcohols.,(Gord.) Carr,L. (valuable arborvitae),Greene ( cypresses) and‘sieboldii’ (Platycladus) were mainly composed of terpene, alcohols and ketones. There were 49 kinds of common components (≥6) in 11 kinds of plants, accounted for only 10.71% of all essential oil components, and more specific components (≤5), common composition and unique elements together make each plant presents different smell. Three principal components were formed, and their total accounted for 98.63% of the total variation, same genus were basically able to gather together. The results of this study provide a theoretical basis for the rational utilization of the cupressaceae, in addition, the method of principal component analysis could be used as one of the basis for the classification of the cupressaceae.

Cupressaceae; essential oil; component analysis

Q946.91

A

1000-2324(2021)03-0456-05

2019-11-05

2020-02-17

宁波市园林植物开发重点实验室项目:宁波市园林植物开发重点实验室(2014A22008);宁波城市职业技术学院科研项目:11种柏科植物精油成分分析和应用研究(ZZS14043)

林乐静(1983-),女,硕士,高级实验师,主要从事植物资源开发与应用工作. E-mail:linlejing01@163.com