植物释放有益挥发性有机物研究进展

李少宁 ，陶雪莹 ，李绣宏, ，赵娜，徐晓天，鲁绍伟 *

1. 沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110866；2. 北京市农林科学院林业果树研究所/北京燕山森林生态系统长期定位观测研究站，北京 100093；3. 河北农业大学，河北 保定 071000

挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）由人为源 VOCs（Anthropogenic Volatile Organic Compounds，AVOCs）和生物源 VOCs（Biogenic Volatile Organic Compounds，BVOCs）两部分组成。全球每年释放 AVOCs总量仅为植物源VOCs不到 10%（Guenther et al.，2012；Lun et al.，2020）。植物营养器官（叶片等）合成的BVOCs组成丰富，包含烃类、醇类、酯类、醛类、酮类、有机酸和一些含氮化合物。目前，有关植物挥发性有机物研究侧重其组成成分（刘荣家，2018；王君怡，2020）、动态变化（Aydin et al.，2014；Chen et al.，2014；Son et al.，2015）、医药保健（Hansen et al.，2016）及生理生态功能（Li et al.，2000）等方面。

据统计，多数植物释放的BVOCs具备较强生理活性和芳香气味，对人体生理和心理疾病具有保健功效（王茜等，2019）。尤其是烯烃类、酯类、醛类、酮类、醇类、有机酸和其他类化合物有益组分（孙延军等，2019），心理上可以舒缓情绪，令人身心放松（商天其，2018）；生理上可以消炎抑菌、调节血压、抗癌抗肿瘤（吕杨，2019）、增强免疫力、抗衰老及止血等功效（王茜，2015）。参阅国内外有关植物释放的有益BVOCs书籍文献，主要包括以下七类对人体健康影响明显的有益成分（表1）。

表1 对人体健康有明显保健作用BVOCs组分Table 1 The components of BVOCs that have obvious effect on human health

早在1930年Toknh B P提出这一概念，并将对人体有益的挥发性有机物组分定义为“芬多精（植物杀菌素）”，到 80年代，已被证实作为化学信号传递物质能够保护自身免受生物和非生物伤害（Baldwin et al.，1983）。Owen et al.（2002）指出植物BVOCs可以调节心理和生理状态，改善情绪，缓解压力。近年来，“生态园林”理念逐渐升温，从机理上揭示了以上有益成分具备的医疗保健功效（Ilmberger et al.，2001；谢小洋，2016）。

1 有益BVOCs组分概述

1.1 烯烃类挥发性有机物有益成分研究

对人体有益烯烃类挥发性有机物按结构可分为单萜烯、倍半萜烯和脂肪烯，前两者是有益BVOCs主要成分（Caser et al.，2018；Radwan et al.，2017）。林静等（2018）采集分析四川5种典型康养植物挥发性有机物成分及含量，实验表明柏木（）、马尾松（）、柳杉（）和香樟（）的单萜烯和倍半萜烯相对含量均在60%以上。Gao et al.（2005）对北京市4种针叶树挥发性有机物释放特征研究发现，油松释放 19种挥发性有机物，右旋萜二烯、-蒎烯、-蒎烯、莰烯占总量85.08%；白皮松释放21种挥发性有机物，-蒎烯、右旋萜二烯、-蒎烯、柏木烯占总量78.54%；红皮云杉（）释放17种挥发性有机物，右旋萜二烯、-蒎烯、月桂烯、莰烯、-蒎烯占总量90.83%；雪松（）释放20种挥发性有机物，右旋萜二烯、-蒎烯、月桂烯占总量63.96%。

植物单萜烯挥发性有机物能够镇痛、抗炎杀菌、广泛应用于医药原料中（夏荃等，2018；赵学丽等，2019）。Geron et al.（2000）利用提取、蒸馏方法从湿地松（）、火炬松（）、长叶松（）等代表美国东南部主要森林树种中分离鉴定出14种重要单萜烯化合物，结果表明-蒎烯和-蒎烯是首要挥发性有机物（Padhy et al.，2005）。目前对二者研究多集中离体植物保健药理方面，如Chen et al.（2014）发现马尾松挥发性有机物-蒎烯通过抑制人肝癌细胞BEL-7402增殖，降低周期依赖性激酶1（CDK1）活性，进而表达抗肿瘤效应。Orhan et al.（2006）在研究黄连木（）离体-蒎烯抗炎活性研究中，用 500 mg·kg的-蒎烯药品给予炎症小鼠，较健康小鼠表现出显著抗炎活性。此外，刘彬等（2020）利用PCR扩增技术对马尾松松材线虫外源施加-蒎烯和-蒎烯标准样品，证实了二者可抑制线虫活性，为树木虫害生物防治提供了新思路。

倍半萜烯挥发性有机物同样具有杀菌消毒、抵抗炎症等多方面作用。李玲玉等（2020）采用动态封闭法探究干旱胁迫对马尾松挥发性有机物排放影响，表明在干旱前后倍半萜烯始终以石竹烯和长叶烯为主要成分（二者占比均为倍半萜烯 90%以上）。意大利学者Ghelardini et al.（2001）提取紫丁香（）干花蕾主要成分石竹烯，对家兔和大鼠进行结膜反射试验，证明了石竹烯局部麻醉活性。墨西哥学者Aguilar et al.（2019）利用天然石竹烯对糖尿病小鼠进行为期45天实验观察，研究显示，石竹烯能够减轻小鼠焦虑感受和抑郁样行为，并显著降低血糖含量。Tsuruta et al.（2011）在研究黑松（）挥发性有机物主要成分时发现，长叶烯对细菌和真菌具有较强抑制活性，能够控制赤潮浮游生物生长，对海洋生态环境同样有积极影响。作为植物挥发性提取物，长叶烯可以代替化学防治，发挥一定程度对抗寄生虫特性（Borges et al.，2016）。

1.2 酯类挥发性有机物有益成分研究

酯类植物挥发性有机物能够明显改善情绪障碍，是康体保健重要成分。李晓光等（2001）研究砂仁（Amomum villosum）挥发性有机物主要成分乙酸龙脑酯药理作用，证实乙酸龙脑酯对番泻叶引起小鼠腹泻行为有抑制作用，能够缓解冰醋酸所致小鼠疼痛感受。熊唯琛（2020）在分析合欢花（Albizia julibrissin）提取物对小鼠急性肝损伤作用机制中，发现挥发性有机物乙酸乙酯通过降低肝脏 NO水平，发挥保肝活性。

多数酯类具有芳香气味，是植物香气和食用香料重要来源。吕杨（2019）对乌桕（Sapium sebiferum）叶片释放挥发性有机物组分研究显示，单体成分含量最高为乙酸叶醇酯，是挥发性有机物伴有青草香气主要贡献者。各类化合物中，乙酸芳樟酯伴有柑橘和花香，是高档香料和皂用香精主要成分（王秋亚等，2018）；乙酸松油酯具有薰衣草和柠檬混合清香（徐杨斌等，2018）；丙酸芳樟酯伴有花香和果香（田卫环等，2017）。三者均是我国《食品添加剂使用卫生标准》（GB 2760—2014）允许使用的食品用合成香料。

1.3 醛类挥发性有机物有益成分研究

醛类挥发性有机物有益成分包括萜烯醛和脂肪醛。植物释放醛类化合物主要为脂肪醛。林富平（2012）研究桂花（Osmanthus fragrans）释放挥发物性有机物动态变化规律时，发现金桂、银桂、丹桂和四季桂叶片释放BVOCs均以己醛、天然壬醛和癸醛等醛类为主要成分。日动态变化研究中，银桂和四季桂的天然壬醛和癸醛、丹桂的己醛和天然壬醛全天都能检测到，金桂只有癸醛一天中都有释放。贾晓轩（2016）对北京市 8、9、10月银杏林和红松（Pinus koraiensis）林挥发性有机物释放规律研究发现，各月银杏枝叶和银杏林以及红松枝叶和红松林释放醛类主要成分均为天然壬醛和癸醛。可见己醛、天然壬醛和癸醛是植物释放主要醛类化合物。多项研究表明，己醛有青草香气，天然壬醛有柑橘和玫瑰气味，癸醛有花香，人体在自然状态下嗅觉其芳香气味，可作用于脑波中β波α慢波比例增加，使人产生美好感觉（李娟，2009；谢小洋，2016；闫秋菊等，2019）。

现有萜烯醛研究更多关注其生理生态作用机制，代表成分有柠檬醛和香茅醛。郝蕙玲等（2011）研究香茅醛对白纹伊蚊行为反应影响，发现高浓度香茅醛能够趋避伊蚊，低浓度则有引诱作用。由于化学药物治疗癌症很大程度影响心脏正常活动，Darinee et al.（2015）利用天然成分柠檬醛联合阿霉素对人离体淋巴瘤细胞进行抗性试验，在不损害正常细胞前提下，柠檬醛能够增加促凋亡蛋白 BAK表达，降低抗凋亡蛋白BCL-XL表达至5.26倍，发挥其抗癌活性。目前，二者已在食品化工、香精香料和医疗保健等方面发挥重要作用（刘树文，2009；贾潜等，2019；陈怡君等，2020）。

1.4 酮类挥发性有机物有益成分研究

酮类挥发性有机物有益成分研究较少，更多关注萜烯酮类特征成分樟脑和 β-紫罗兰酮。张薇等（2007）选取湖南植物园银杏、香樟、枫香（Liquidambar formosana）等20种园林植物研究挥发性有机物抑菌作用，结果表明，各挥发性有机物组分中，樟脑抑菌效果最显著，能够有效抑制大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等多种细菌活性，绿化中对经空气传播的流行疾病有一定控制意义。在提取樟树挥发性有机物樟脑配制芳香蒸汽试验对清醒豚鼠咳嗽反映时，得出结论，500 mg樟脑芳香剂显著缓解小鼠咳嗽，证实了樟脑具有潜在镇咳功效（熊颖等，2009）。β-紫罗兰酮广泛存在香水、化妆品等香料中。Liu et al.（2004a，2004b，2005）多次开展 β-紫罗兰酮对人胃癌细胞生存和凋亡影响实验，发现β-紫罗兰酮通过抑制细胞周期蛋白转录表达，诱导癌细胞凋亡。

此外，利用异佛尔酮作为医药原料，制备血管扩张药物环扁桃酯，治疗脑动脉硬化、脑外伤后遗症等血管障碍疾病有临床功效（杨水萌，2018；卢昌利等，2020）。

1.5 醇类挥发性有机物有益成分研究

萜烯形成的醇生态保健功能显著。特征组分包括芳樟醇、龙脑和(+/-)-薄荷醇等。芳樟醇伴有铃兰花香，有“香料美王”之誉（李树炎等，2020），是栀子（Gardenia jasminoides）、黄连（Coptis chinensis）、茉莉（Jasminum sambac）等植物主要香气成分（安会敏等，2020；徐晓俞等，2020）。Re et al.（2000）研究芳樟醇药理活性时发现，其对小鼠中枢神经系统（CNS）具有镇静作用，以芳樟醇为主要成分的薰衣草精油联合植物芳香疗法能够镇静助眠，缓解患者精神焦虑（Reis et al.，2017；许金钗等，2020）。Paraschos et al.（2011）采用GC-MS提取分析乳香木（Boswellia carterii）挥发性有机物主要成分，发现芳樟醇对大肠杆菌、念珠菌抗菌活性较强。龙脑常作为中药辅药或引药。周小虎（2014）对志愿者进行透皮吸收试验，证实了龙脑可显著增加甲硝唑、氟脲嘧啶的透皮渗透率，提高外用药临床疗效。姜梦丽（2015）研究睡眠剥夺大鼠行为机制，结果显示芳冰鼻吸剂（芳樟醇、(+/-)-薄荷醇和龙脑）可以调节大鼠海马区 5-HT、NA、DA含量，降低心率，获得镇静安眠效果。

脂肪醇类挥发性有机物气味芳香，有较强的杀菌、消炎解热、抗肿瘤、改善记忆作用（Guzmán et al.，2012；2015）。如顺-3-己烯-1-醇（叶醇）几乎存在所有绿色植物中，伴有强烈青草香气，是植物“绿色”本体在气味上的体现（熊皓平等，2004；刘俊，2017）。研究表明叶醇是绿茶、红豆杉（Taxus chinensis）、金叶女贞（Ligustrum vicaryi）、马比木等（Nothapodytes pittosporoides）植物释放主要芳香挥发性有机物之一（杨水萌，2018；卫强等，2019；范培珍等，2020）。Rajendran et al.（2019）尝试从植物化学角度研究抗癌活性，证实了天然成分香茅醇对乳腺癌具有化学防治功效，可有效抑制癌症发病率。

1.6 有机酸和其他类挥发性有机物有益成分研究

由于有机酸和其他类有益成分相对较少，故本文将二者归纳为一点进行论述。

姚贻烈等（2015）研究桐花树（Aegiceras corniculatum）活体枝叶挥发性有机物成分组成，对比分析无花枝叶和开花带果枝叶，得出结论，后者释放壬酸和辛酸等有机酸类含量超过前者10%，已被证实是多数花果和食品香气共有成分（林翔云，2007）。Bandyopadhyay et al.（2016）试图阐明阿江榄仁（Terminalia arjuna）提取物主要成分油酸的生理活性机制，以雄性白化大鼠为实验对象，发现油酸对白化大鼠肾上腺素诱导的心肌损伤具有保护作用。

左旋樟脑和甘菊蓝是除以上六类有益挥发性有机物类别外，生态保健研究广泛的挥发性有机物组分。左旋樟脑具有薄荷、樟脑清凉气味，是迷迭香精油、六经头痛片主要成分（张晓燕等，2017；牛彪等，2019）能够镇痛和兴奋神经中枢（李俊妮，2020）。陈云霞等（2020）利用GC-MS辅助鉴别4种樟属木材时发现，猴樟（Cinnamomum bodinieri）、卵叶桂（Cinnamomum rigidissimum）、辣汁树（Cinnamomum tsangii）和钝叶桂（Cinnamomum bejolghota）挥发组分均含有左旋樟脑。Ogata et al.（2005）提取母菊（Matricaria recutita）中甘菊蓝配制溶剂，分析志愿者实验前后反应，观察到甘菊蓝具有抗炎作用，可以缓解气管插管患者术后疼痛感。Kalil et al.（2014）实验结果也证实了这一结论。

2 植物释放有益BVOCs时间动态

有关植物释放BVOCs时间变动研究多以整体或各类别为对象，针对有益组分少之又少，各BVOCs组分存在时间变动特异性。毛竹（Phyllostachys heterocycla）林春夏秋季α-蒎烯日峰值分别出现在15:00、15:00和09:00，β-蒎烯日峰值分别出现在23:00、05:00和13:00（王茜，2015）。一天中侧柏释放主要成分α-蒎烯、右旋萜二烯和己醛日峰值分别出现在14:00、08:00和10:00；垂柳的乙酸叶醇酯、己醛、异佛尔酮和叶醇日峰值分别在 18:00、10:00、10:00、和 16:00（王君怡，2020）。

不同林分类型季节性变动差异较大。谢小洋（2016）分析油松和国槐主要挥发性有机物季节动态变化，研究显示，油松主要成分 α-蒎烯秋季>春季>夏季，β-蒎烯夏季>秋季>春季；国槐的 α-蒎烯春季>夏季>秋季，右旋萜二烯和β-蒎烯夏季>春季>秋季；桧柏主要成分柠檬烯夏季释放量最高，秋季次之，β-蒎烯、α-蒎烯和月桂烯夏季释放量最高，春季次之（高岩，2005）。可见不同植物每个月都可能出现其特征化合物，有益组分季节变化显著（Aaltonen et al.，2010；Son et al.，2015）。

以上结果表明，植物释放有益挥发性有机物可能与光照、叶面温度、湿度等外界环境条件以及自身生理调控关系密切。正因如此，一天中不同条件变化影响有益BVOCs合成和释放也相应呈现一定特异性。

3 影响植物有益挥发性有机物释放的内外在因素

有益BVOCs以不同浓度配比存在植物体中，组分含量表现为时间上多变和空间复杂多样，受植物自身和外界环境共同作用（王琦，2014）。

树种差异是决定有益BVOCs释放首要内在因素，不同科属树种间差异较大。针叶树种主要释放α-蒎烯、β-蒎烯、月桂烯、柠檬烯等单萜烯组分，占总挥发性有机物69%；阔叶树仅占总挥发性有机物16%，包括少量柠檬烯、罗勒烯、石竹烯、桧烯等（Aydin et al.，2014）。其中，多数植物特征有益组分不同，如油松和侧柏α-蒎烯含量最高；白桦（Betula platyphylla）桧烯含量最高（Lun et al.，2020）；湿地松（Pinus elliottii）β-蒎烯含量最高（任露洁，2012）。植物在不同发育阶段释放 BVOCs也存在一定动态性，这与树龄、叶龄、气孔导度和体内有机物相关酶调控活性等关系密切（谢小洋，2016）。

与此同时，植物通过调节有益组分释放适应环境生物因子。如鼠尾草（Salvia japonica）通过降低α-蒎烯、柠檬烯和罗勒烯含量，提高龙脑释放量适应干旱胁迫（Caser et al.，2018）。油松球果在发生虫害后能够产生包括石竹烯、右旋萜二烯、α-蒎烯和β-蒎烯等特异性化合物，作为化学信号在植株间传递信息，保护自身驱避害虫并引诱其天敌（李新岗等，2006）。影响植物有益挥发性有机物释放非生物环境因子如光照对植物排放α-蒎烯、β-蒎烯、月桂烯和樟脑有一定直接影响（马楠，2012），罗勒烯对其响应激烈（Owen et al.，2002），而张学珍等（2015）研究表明，单萜烯有益成分排放速率由温度和光照共同决定，当植物体储存量足够大时，与温度呈正相关关系。此外，环境的相对湿度也会影响植物释放有益BVOCs，Janson（1993）对比干湿条件下苏格兰松（Pinus sylvestris ）和挪威云杉（Picea excelsa ）发现在湿润条件下二者α-蒎烯和β-蒎烯释放的更高。综上所述，开展影响植物释放有益BVOCs多种影响因素的单一作用和协同作用的研究是很有必要的。

4 植物BVOCs应用与争议

早在上世纪30年代就有植物“芳香疗法”，近年来，俄罗斯“植物气体诊疗所”、德国“森林医院”、日本“森林浴场”等均从机理上证实了有益 BVOCs生态保健效益，而我国对有益的BVOCs的利用也进行了尝试，近年也在一些林区建立了一批森林浴场，如北京开发的红螺松林浴园、浙江天目山森林健康医院及广东鼎湖山的天然氧吧等。但事物普遍具有两面性，植物释放BVOCs也不例外。研究表明，植物释放某些挥发性有机物会对人体产生不利影响，如暴马丁香（Syringa reticulata）释放的BVOCs含有大量里哪醇、苯甲醛和苯乙醛；珍珠梅（Sorbaria sorbifolia）释放的乙酸甲酯和含氮类挥发性有机物均具有刺激性，长时间嗅闻使人精神高度紧张（高岩，2005；高媛，2019）。同时，植物释放BVOCs具有生理活性易与大气中其他化合物发生化学反应，特别是大气污染物，产生危害人体健康和生态环境的物质。如与 NO反应形成臭氧，是形成臭氧的前体物（Lun et al.，2020；刘东焕等，2016）。其中，NO主要来源于城市汽车尾气和化石燃料燃烧，更多的BVOCs排放，会导致部分有大量植被覆盖的城市郊区反而具有更高的臭氧浓度（程灏旻，2021）。事实上，并非有害气体存在就会影响身心健康，它还受到环境因素和浓度大小制约。研究已经证实，大部分植物释放的有害BVOCs成分和含量极其微弱，容易被氧化，如夹竹桃（Nerium oleander）释放的丙稀醛容易被氧化成丙烯酸。因此，我们应该对植物释放BVOCs有更加清楚认知，更重视植物挥发性有机物有益功能。

5 研究展望

（1）不同林分及群落对有益 BVOCs释放是否具有其他作用还不清楚，林木密度、栽植数量和树种配置模式等条件对有益挥发物释放影响没有定论，建议今后开展此方向研究，为创建复合型生态群落提供科学配置建议。

（2）现有研究局限于明确更多对人体康健有益挥发物成分，忽略了其保健机制与浓度阈值的紧密联系，今后开展工作应重点探究各挥发物浓度阈值对康体保健及生态功能发挥影响，可以借助小白鼠模拟浓度试验，更加全面细致测定对人类生理指标产生正面效应的有益BVOCs最佳浓度，达到康体保健理想效果。

（3）有益 BVOCs以不同浓度配比存在植物体中，组分含量表现为时间上多变和空间上复杂多样；在生长过程中伴随外界环境因子和自身生理调控发生变化，应进一步开展长期观测，加大各环境因子与有益BVOCs相关性分析，此外，夜间有益BVOCs释放研究也是不容忽视，可为实现人为调控其释放达到更加理想康养功能提供建议。

（4）植物在释放有益 BVOCs同时，也合成了危害人体的挥发物组分，在今后城市园林绿地建设中，尝试利用植物间相互作用等方式权衡好景观生态与化学生态效益，建设以人为本宜居环境，综合提升植物美与生态保健功能。