不同品种茶梅花挥发物成分研究*

廖祯妮 邓少华 崔 强 张海霞 徐毓泽 何才生 李茂娟，3

1 湖南省郴州市林业科学研究所 湖南郴州 423000

2 华南师范大学地理科学学院 广州 510631

3 郴州市林下经济植物资源培育与利用技术研发中心 湖南郴州 423000

4 郴州市森林环境资源开发与利用技术研发中心 湖南郴州 423000

随着 “森林康养” “健康中国” “园林城市”等概念的提出， 越来越多城市绿化植物的挥发性有机物成为研究热点[1-2]。 植物挥发物主要成分包括萜烯类、 醛酮类、 芳烃类、 烷烃类、 酯类等[3-4]，其中一些挥发性有机物成分可以镇静安神、 提高人体免疫力[5]， 还有一些能够降低空气中微生物的数量、 改善空气质量[6]。 因此， 这些挥发性有机物不仅是衡量植物应用性的参照指标， 也是评价植物抗菌抑菌、 改善人体健康等功效的重要参数[7-8]。

茶梅 (Camellia sasanquaThunb.) 为山茶科山茶属常绿冬季开花灌木或小乔木， 其花色艳丽、 花期长、 花量大， 体态优雅、 叶形雅致， 是观花、 赏叶俱佳的著名木本花卉； 此外， 由于适应性强、 具有一定耐荫性， 作为林下观赏花卉也有广阔的应用前景[9]。 茶梅起源于中国及日本， 栽培历史悠久，目前记载茶梅品种约500 种[10]。 近年来， 茶梅逐渐成为中国多地园林绿化应用的重要树种， 对其研究主要集中在品种资源的收集保存、 引种栽培和应用等方面[11-13]。 当下， 观赏功能是城市绿地植物造景、 树种选择的基础要求， 而人们对兼具改善环境、 净化空气、 康养保健等功能的园林景观树种则更为青睐[14]。 因此， 分析茶梅自然释放到环境中的挥发性有机物的主要化学成分及其含量，探讨其生理活性以及对人体健康等方面的作用具有重要意义。

茶梅香气宜人， 但目前茶梅产业深度开发尚有欠缺， 关于茶梅花挥发物的研究主要集中在成分鉴定与分析方面， 其中多以蒸馏 (SDE)、 顶空-固相微萃取 (HS-SPME) 为收集方法， 再结合气质联用 (GC-MS) 技术对所收集成分进行检测。 吴迪迪等[13]研究发现鲜茶梅花挥发油主要特征成分为丁香酚、 二十烷、 二十四烷、 棕榈酸、芳樟醇。 王洁等[15-17]对不同茶梅品种花朵、 不同茶梅花期及花器官的挥发性成分进行分析发现，组成各茶梅品种挥发性的物质各不相同， 同一品种茶梅在不同花期、 不同花器官挥发性成分及其含量也存在差异。 目前大多数的研究以破坏性萃取茶梅挥发物来分析其香气成分， 而对其活体植株上花自然释放的香气成分报道较为鲜见。 动态顶空吸附法 (DHS) 采集的成分能够真实地反映植物在自然生长状态下的挥发性成分组成， 该方法无溶剂干扰和热降解作用， 被广泛用于芳香植物的挥发性成分研究[18-19]。 鉴于此， 本研究采用动态顶空吸附法和全自动热脱附-气相色谱-质谱联用仪 (ATD-GC/MS) 技术首次测定和比较‘秋芍药’(C.sasanqua‘Qiushaoyao’)、‘美娇颜’(C.sasanqua‘ Meijiaoyan’) 和 ‘ 丹 玉 ’ (C.sasanqua‘Danyu’)3 个花色差异明显的茶梅栽培品种鲜花的香气成分和释放量， 以期了解3 个品种茶梅花挥发物成分的特性， 旨在从化学生态学角度为不同品种茶梅的推广与应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 植物材料与采样地点

实验材料为茶梅 ‘秋芍药’‘美娇颜’ 和 ‘丹玉’ 3 个品种， 均为 5 年生灌木。 ‘丹玉’ 花瓣呈玫红色， 花瓣其间有点带状白色斑块， 花型为“复瓣型”， 花期为12 月至翌年1 月； ‘美娇颜’花瓣呈粉红色， 花型为 “荷花型”， 花期 1—2月； ‘秋芍药’ 花瓣呈白色， 花型为 “芙蓉型”，花期为12 月至翌年1 月。

供试植株栽种于湖南省郴州市南岭植物园茶梅园 (25°15′N、 113°1′E)， 该园所在地区属于南亚热带向中亚热带过渡气候区， 年均气温17.8 ℃，年均降水量1 300～1 500 mm， 平均无霜期290 d，海拔 190 ～220 m； 土壤类型为石灰岩发育的红壤[20]。

1.2 实验方法

1.2.1 动态顶空采样

1) 采样前准备。 使用高温烘烤法， 将装满活性炭的气体干燥塔置于烘箱 (上海一恒科学仪器有限公司) 中， 在160 ℃的环境下烘5 h 以上密封备用； 惰性特氟龙采集袋和塑料管在100 ℃的温度环境下烘1 h 以上备用。 吸附管 (Tenax TA，英国Markes 公司) 用解吸管活化仪 (JH-1 型，北京中惠普有限公司) 在0.1 L·min-1高纯氮气(99.999%) 吹扫下， 330 ℃活化 2 h。 活化好后密封吸附管， 用锡箔纸包住装在玻璃干燥器内，置于4 ℃保存备用。

2) 挥发物采集。 结合各品种茶梅的开花特性，采样工作分别设在2020 年1 月各品种茶梅的盛花期 (开花量达整株树花苞的50%以上) 进行， 因冬季早晨有霜露， 上午植株表面湿气大， 为避免采集袋内外湿气不平衡， 样品采集均选择在晴朗天气的下午 15 ∶00-16 ∶00。 选取生长良好、 健康无病虫害的植株作为样本， 在树上选取6～10 朵花， 去其花枝上的叶片只保留花朵， 保证采样袋内花生物量基本一致， 采用动态顶空套袋法采集活体茶梅植株上花的挥发物， 每个品种茶梅鲜花各采集3 个气样， 同时以采样植株半径1.5 m 内的空气作为实验本底气样。 具体方法如下: 将惰性的特氟龙透明采集袋 (406 mm×444 mm， 美国Reynolds 公司) 罩住活体茶梅植株的花， 尽量保证袋子不与花接触以造成损伤， 用惰性特氟龙塑料管、 硅胶软管以及封口膜 (美国PARAFILM 公司) 连接各气路， 再用大气采样仪 (QC-1 型， 北京市劳动保护科学研究所) 迅速排出袋内空气， 然后泵入经活性炭过滤的空气， 当袋内气体达到袋子总体积3/4 时， 开始循环采气。 采样时气流速度保持在0.1 L·min-1， 吸附管采样时间1 h[21]。 采样结束后， 将吸附管用锡箔纸包好放入干燥器内， 并放在装有冰盒的保温盒中保存， 带回实验室后在-20 ℃条件下保存至检测， 15 d 内检测分析。 同时， 将采样袋内花和枝条带回实验室称鲜重， 然后将花和枝条在60℃的温度环境下烘48 h 后再称重。 挥发物采集时使用照度计 (LX1332B， 中国欣宝科仪有限公司) 监测光照，使用便携式气候检测仪(Kestrel 5500，美国Nielsen-Kellerman 公司)监测采样植株周围空气中的温度、湿度、风速、气压。 样品采集气候参数见表1。

表1 样品采集气候因子参数

1.2.2 花朵挥发物成分分析

1) 自动热脱附-解析。 使用TurboMatrix 650型自动热脱附-解析仪(美国珀金埃尔默公司)进行自动热脱附-解析，脱附温度280 ℃，脱附时间10 min，脱附流量35 mL·min-1，不分流进样，传输线温度200 ℃。 冷阱初始温度-30 ℃，脱附温度280 ℃，保持时间3 min，冷阱解析流量20 mL·min-1。

2) GC/MS 分析。 使用 QP2010 Plus 型 GC/MS(日本SHIMADZU 岛津公司)， DB-624 毛细管色谱柱 (60 m×0.25 mm×1.40 μm， 美国 Agilent 公司)进行分析， 进样口温度 200 ℃， 隔垫吹扫流5 mL·min-1， 分流比 10.0。 升温程序: 起始温度35 ℃， 然后以5 ℃·min-1升至 220 ℃， 保持2 min。质谱条件为EI 离子源， 电子能量为70 eV， 采集模式为全扫描， 扫描质量范围为 33 ～400 amu。 离子源温度为230 ℃， 四级杆温度为150 ℃。

1.2.3 数据处理

由ATD-GC/MS 分析得到总离子流图 (Total Ion Current， TIC)， 对 获 取 的 质 谱 数 据 经TurboMass 软件检索并比对标准谱库NIST 17.0，以质谱匹配度和保留指数 (Retention Index， RI)值匹配度最高的化合物为最佳鉴定结果， 确定茶梅花样品挥发物中的化学成分， 各化学成分的相对百分含量用峰面积归一化法计算。 使用Excel对数据进行统计处理， Origin2018 进行制图。

2 结果与分析

2.1 挥发物成分的相对含量

本研究共鉴定出45 种挥发性化合物， 包括醇类、 萜烯类、 酸酯类、 醛酮类、 烷烃类和苯形烃类共6 类。 不同品种茶梅花的挥发物成分的数量及其相对含量存在差异。 由表2 可知: 茶梅 ‘秋芍药’ 花释放的挥发物检测出26 种化合物， 主要特征成分有碳酸二乙酯 (21.33%) 和4， 6-二甲基十二烷 (11.16%)； 茶梅 ‘美娇颜’ 花释放的挥发物检测出18 种化合物， 主要特征成分有二十烷 (20.13%)、 壬醛 (17.77%)、 2-甲基-4-戊醛(15.79%)、 十七烷 (12.00%)； 茶梅 ‘丹玉’花释放的挥发物检测出21 种化合物， 主要特征成分有 2-甲基-4-戊醛 (19.41%)、 二十烷 (15.26%)和 3-甲基-1-戊烯-1-醇 (10.49%)。 3 个品种茶梅花挥发物的共有化合物成分为丙酮、 癸醛、 二十烷、 甲苯， 其中 ‘丹玉’ 的丙酮和癸醛相对含量最高， 分别为3.29%和4.77%； ‘秋芍药’ 的甲苯相对含量最高， 达3.29%； ‘美娇颜’ 的二十烷相对含量最高， 为20.13%， 而 ‘秋芍药’ 的二十烷相对含量只有4.77%。 ‘秋芍药’ 以2， 3-丁二醇、 正辛醇、 反式-芳樟醇氧化物、 1-十七烷醇、 7-环外反式-1-丙烯基-二环辛烯、 碳酸二乙酯、正己醛、 4， 6-二甲基十二烷、 2， 6， 11-三甲基十二烷、 2， 6， 10-三甲基十三烷、 二十四烷、 苯、 乙苯为特有成分； ‘美娇颜’ 的特有成分有2-乙基丁醇、 己基癸醇、 2-丁酮、 7-十六碳烯醛、 14-甲基-8-十六碳烯-1-缩醛、 十七烷、 异亚丙基-1， 2-二醇-二十二烷； ‘丹玉’ 的特有成分有3-甲基-1-戊烯-1-醇、 1-戊烯、 乙酸乙酯、 2-庚烯酸、 甲基丙烯酸月桂酯、 乙醛、 异戊烷、 2-甲基二十六烷。

表2 不同品种茶梅花挥发物成分及其相对含量

表2(续)

2.2 挥发物成分的类型

对3 个品种茶梅花的挥发物成分进行分类，结果 (图1) 发现， ‘秋芍药’ 和 ‘丹玉’ 花释放的挥发物种类均包含了6 类成分， 而 ‘美娇颜’ 花释放的挥发物种类包含了4 类成分， 未释放萜烯类和酸酯类化合物。 3 个品种茶梅花释放的挥发物种类均以醛酮类和烷烃类化合物种类较多， 其中， ‘秋芍药’ 花的挥发物成分以烷烃类和酸酯类化合物为主， 占BVOCs 成分的48.53%；‘美娇颜’ 花的挥发物成分以烷烃类和醛酮类化合物为主， 占 BVOCs 成分的91.50%； ‘丹玉’ 花的挥发物成分以烷烃类和醛酮类化合物为主， 占BVOCs 成分的64.49%。

图1 不同品种茶梅花挥发物成分分类及其相对含量

2.3 挥发物与环境因子的相关性

由表3 可知: 茶梅花中挥发性有机化合物总数量与烷烃类、 醛酮类化合物的相对含量呈负相关关系， 即挥发性有机物的数量越多， 则烷烃类和醛酮类化合物所占挥发物总量的相对含量越低。茶梅花中挥发性有机化合物总数量与光照强度、风速呈负相关关系， 与光照强度呈极显著负相关关系， 而烷烃类和醛酮类化合物的相对含量均与光照强度、 风速呈正相关关系。 茶梅林中温度与茶梅花挥发性有机化合物总数量、 烷烃类化合物的相对含量呈负相关关系， 与醛酮类化合物的相对含量呈正相关关系。 茶梅林中挥发性有机化合物总数量与相对湿度呈正相关关系， 烷烃类和醛酮类化合物的相对含量均与相对湿度呈负相关关系。 茶梅林中大气压强与茶梅花挥发性有机化合物总数量、 烷烃类化合物的相对含量呈正相关关系， 与醛酮类化合物的相对含量呈负相关关系。

表3 茶梅园各指标的相关性分析

3 讨论

不同品种的茶梅花中特有的释香成分决定了品种间的香味差异。 本研究利用ATD-GC/MS 方法对 3 个品种 ( ‘丹玉’‘美娇颜’ 和 ‘秋芍药’ ) 茶梅花的挥发物进行分析， 结果共鉴定出挥发物45 种， 其中醛酮类和烷烃类化合物的相对含量较高。 据报道， 醛类物质大多具有花香、 果香和清香等令人愉悦的香味且阈值低[22]， 对总体香味影响较大， 本研究中的3 个品种茶梅花中醛酮类物质的相对含量为19. 59%～57. 03%， 因此推测其也是赋予茶梅花香气的重要影响因子。王洁等[15]研究表明醛酮类化合物是影响茶梅花香气浓郁程度的关键成分， 与本研究结果相似。 烷烃类物质的相对含量为25.75%～34.47%， 烷烃类物质一般具有较高的香气阈值[22]， 主要用于提高整体香味。

植物气体挥发物中醛类挥发物具有镇静作用，酯类挥发物具有净化空气的作用， 烯萜类挥发物具有杀菌、 抗炎、 抗癌的作用， 对人体健康有重要意义[23]。 茶梅品种 ‘美娇颜’ 花挥发物中醛酮类化合物相对含量最高， 达57.03%； ‘丹玉’ 花挥发物中醛酮类化合物相对含量达38.74%； ‘秋芍药’ 花挥发物成分中主要以烷烃类和酸酯类化合物为主， 分别为27.20%和21.33%。 鉴此， 根据3 个品种各自花的生物特性及其花香主要特征成分特点提出 “个性化” 的应用方式: ‘秋芍药’花色淡雅， 香气挥发物成分种类多， 酸酯类化合物含量高， 可以将其用作净化空气为主导的绿地应用品种； ‘美娇颜’ 花朵大且花量多， 但花挥发物中未检测出烯萜类和酸酯类化合物， 适合用于冬季城市景观应用树种； ‘丹玉’ 花色艳丽且花量多， 醛酮类化合物含量高， 且含有烯萜类挥发物， 更有优势作为冬季城市景观和康养保健综合型应用树种。 王洁等[15]利用固相微萃取和气相色谱-质谱联用法对6 个茶梅品种花朵挥发物成分进行分析， 发现挥发物成分以醛酮类、 醇类和烷烃类为主， 但其主体特征成分均为苯乙酮、 顺式-芳樟醇氧化物及芳樟醇。 由此可见， 不同品种茶梅花挥发物的差异除由基因的不同表达模式决定外， 提取方法可能对挥发物释放也产生明显的影响。

植物挥发性有机物的释放受内在因素 (植物的种类、 树龄、 器官及发育状态等) 和外界因素(光强、 温度、 相对湿度、 风速等环境因子) 的双重影响。 茶梅 ‘秋芍药’ 花挥发物样品采集时的光照强度和温度最低， 但 ‘秋芍药’ 花释放的挥发物成分数量最多， 有 26 种。 茶梅 ‘丹玉’花挥发物样品采集时的湿度最低， 其花释放的挥发物成分检测出21 种化合物。 本研究发现茶梅挥发性有机化合物总数量与林中光照强度、 温度和风速呈负相关关系， 与相对湿度、 大气压强呈正相关关系。 王茜[24]研究指出福州地区毛竹林内总挥发性化合物浓度与光照和温度呈正相关关系，与空气相对湿度和风速呈负相关关系； 刘荣家[25]研究发现杭州苦槠和石栎的混交林内挥发性有机物与空气温度呈极显著的正相关关系， 与空气相对湿度不存在明显的相关关系； 研究结果与本文结果不一致可能与植物种类、 栽培地区有关。 茶梅作为冬季鲜有的开花植物， 可能越是湿冷、 阴凉的环境反而更有利于茶梅释放挥发物， 其花释放出的挥发物成分数量及其含量与温度、 湿度、光照等环境因子存在的相关关系有待进一步研究。因郴州地区冬季上午湿度大， 植物表层露水多，本研究限于只在冬季晴天的下午进行， 以后拟进一步增加采样时间点， 探索不同时间段环境因子引起茶梅花挥发物成分的变化， 为不同品种茶梅在各地科学引种栽培及其保健型园林应用提供参考与借鉴。

4 结论

不同品种的茶梅花挥发物成分不同， 共有物质成分的相对含量差异显著； 茶梅 ‘丹玉’‘美娇颜’ 和 ‘秋芍药’ 因品种的不同， 其鲜花挥发物所含的物质成分及相对含量也不同， 为茶梅个性化资源利用与开发提供了基础。 不同环境影响因子对茶梅花释放的挥发物成分的影响存在差异，光照强度与挥发性有机化合物总数的相关性极高，相对湿度与烷烃类化合物相对浓度的相关性极高，光照强度、 相对湿度和风速与醛酮类化合物相对浓度的相关性极高。

致谢: 中国科学院城市环境研究所廖旭老师在ATD-GC/MS 实验样品检测和数据分析给予了帮助，在此表示感谢!