香杨和大青杨木材挥发性化合物对比分析*

沈 乐 褚延广 张伟溪 张 静 张腾倩 李政宏 丁昌俊 苏晓华

（林木遗传育种全国重点实验室 国家林业局林木培育重点实验室 中国林业科学研究院林业研究所 北京 100091）

植物挥发性有机化合物（volatile organic compounds，VOCs）是一类植物天然产物（Picherskyet al.，2006），因具有强烈的风味和多种生物活性，在工业和医药等领域用途广泛，同时也是天然或人工精油的主要原料。早期关于挥发性有机化合物的研究主要集中在药用植物上，许多药用植物组织可以产生具药用价值的挥发性物质，如牡丹（Paeonia suffruticosa）、枸杞（Lycium chinense）和赤芍（Paeonia veitchii）等中草药的根、花中富含大量丹皮酚，在保护心脑血管系统、促进微循环、抗菌消炎等方面具有重要作用（吴桂莹等，2019）；栀子（Gardenia asminoides）含量较多的挥发性成分优葛缕酮，具有很强的抑菌活性（张星贤等，2019）。此外，植物挥发物研究多集中在有明显花香以及能提取精油的植物中，如腊梅（Chimonanthus praecox）（Shanget al.， 2020）、 望春玉兰（Magnolia biondii）（Donget al.， 2021）、 山苍子（Litsea cubeba）（Chenet al.，2020）、油松（Pinus tabuliformis）（Niuet al.，2022）等。

木材是植物的一部分，其对人体的保健功效正在不断被发现。木材的保健功效主要源于木材气味的释放，木材挥发性有机物中含有多种活性物质，具有改善空气质量、调节人体身心健康的功能（王恺，2006；梅文莉等，2007），其中珍贵木材一直备受关注。前，国内较典型珍贵木材包括降香黄檀（Dalbergia oderifera）、小叶紫檀（Pterocarpus santalinus）、大红酸枝（Dalbergia cochinchinensis）、大果紫檀（Pterocarpus macarocarpus）、白木香（Aquilaria sinenis）等。珍贵木材可释放令人身心愉悦的芳香气味，且有一定保健功效，大量研究关注珍贵木材的气味成分及其药用价值（梅文莉等，2007；Taoet al.，2010； Kiteet al.，2010；姜涛，2017；曾彬等，2021），如降香黄檀中的倍半萜类物质在中高浓度下可抗血小板聚集，有抗血栓形成的作用（Taoet al.，2010），其抽提物中的降香黄酮、2'-O-甲基-异甘草素、紫铆花素、5'-甲氧基-维斯体素和芒柄花素有明显抗氧化作用（Chenget al.，1998；Yuet al.，2007），异甘草素利于血管舒张，保护心血管（Yuet al.，1995）。另外，木材挥发性成分也具有杀虫灭菌功能（王恺，2006；李忠正，2012），如樟木（Cinnamomumspp.）、 杉木（Cunninghamia lanceolata）、 松木（Pinusspp.）等木材常用作居住环境的抗虫菌材料，天然香樟木材的的挥发油对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、 大肠杆菌（Escherichia coli）、 沙门氏菌（Salmonella）、苏云金杆菌（Bacillus thuringiensis）等菌类和螨虫（Arachnoidea）具有抑制作用，将樟木制成箱柜可有效防止虫菌危害衣物（王恺，2006；Liet al.，2009；彭文利，2012）。

部分植物挥发性物质在高温和强光等条件下形成微小浮尘，会对环境和人体造成危害（孙启祥等，2004；陈静等，2016）。张梦宁等（2018）测定北方重要木材杨木（Populusspp.）的挥发性成分，认为杨木热改性过程中释放的有机挥发物对周围环境和人体健康具有危害性；王启繁（2021）对广西11 种人造板、家具原料树种木材和东北5 种家具原料树种木材释放的气味活性化合物进行识别和鉴定，实现了木材气味特征图谱表达和关键气味活性化合物溯源。但以往研究未对木材挥发性物质的气味特征及对人类健康的影响进行综合讨论。香杨（Populus koreana）和大青杨（P. ussuriensis）属于杨属（Populus）青杨派（Tacamahaca），主要分布于黑龙江省大兴安岭、吉林省长白山林区以及辽宁省东部地区，其中大青杨主分布区相对香杨偏北（苏晓华等，1996）。2 种杨树均为我国北方主要用材树种，不仅具有耐寒性强、木材轻软、材质洁白致密等优点，也具有较高的经济和观赏价值。与大青杨及其他杨树不同，香杨在自然状态下树体具清香，其嫩枝和芽具黏性树脂并带有香气，且与其他杨树树种有较大气味差异。本研究通过比较香杨和大青杨木材挥发物化学成分及其相对含量，解析香杨和大青杨木材的香气构成，挖掘不同挥发性化合物的药用活性价值，以期为提升杨木产品附加值、生产保健型杨树木制品提供参考，为保健型杨树的良种选育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

香杨和大青杨取自黑龙江省伊春市带岭区（128°53′20″E，47°10′50″N），带岭地处中温带，属大陆性湿润季风气候，年均气温1.4 ℃，月均最低气温−19.4 ℃，年最低气温可达−40 ℃，月均最高气温为20.9 ℃，最高气温可达37 ℃，全年无霜期115 天左右，一般初霜到终霜期为9月14 日—翌年5月20 日。

选取7～8年生香杨和大青杨单株，于2021年1月采伐，对上、中、下部分树段剥皮，截取圆盘，收集10 g 截取圆盘过程中的锯末并进行混样。

1.2 试验方法

1.2.1 固相微萃取(SPME)条件 利用固相微萃取法采集挥发性有机物，将1 g 样品置于20 mL 顶空瓶中，在一定温度下加热一定时间，应用SPME 萃取头进行一定时间的顶空吸附。固相微萃取纤维头：二乙烯基苯/活性炭/聚二甲基硅氧烷（DVB/CAR/PDMS）；老化温度250 ℃；加热温度60 ℃；平衡时间0 min；萃取时间30 min；解析时间5 min。

1.2.2 质谱分析（GC-MS）条件 采用气相色谱质谱联用仪GC-MS（岛津，GCMS-TQ8040NX）、自动进样器（岛津，AOC-6000）进行成分分离和检测。利用检索美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）NIST17 库的方法进行定性分析，应用峰面积法进行定量分析。色谱柱：DB-624，60 m×0.25 mm×1.4 m；柱温程序：起始温度60 ℃，保持1 min，以20 ℃·min−1的速度升至160 ℃，保持3 min；以2 ℃·min−1的速度升至180 ℃，保持5 min；最后以5 ℃·min−1的速度升至230 ℃，保持5 min；分流比：10∶1；流速：1.0 mL·min−1。EI 电子轰击能：70 eV；离子源温度：230 ℃；扫描范围：m/z50～500 amu；以扫描方式（Scan）进行采集。

1.2.3 气味活度值及其评价方法 通过在线数据库“Flavornet”和“PubChem”检索香杨和大青杨木材中有香气特征的挥发性化合物。采用峰面积归一化法计算样品中各香气化合物的相对百分含量，并根据《化合物嗅觉阈值汇编》（里奥·范海默特，2015）检索这些化合物的嗅觉阈值（odor threshold），计算各化合物的气味活度值（（odor activity value，OAV）（Swiegerset al.，2005）：

式中：C为挥发性香气化合物的相对百分含量；T为化合物的嗅觉阈值。

参考陈芝飞等（2018）方法，香气化合物 OAV 越大，表明该化合物对木材香气轮廓的贡献越大。若OAV＞1，说明该化合物可能对香气轮廓有直接影响，定义为关键香气化合物；若 0.1＜OAV＜1，说明该化合物对香气轮廓有修饰作用，定义为修饰性香气化合物；若OAV＜0.1，说明该物质对香气轮廓无显著影响，定义为潜在香气化合物。

1.2.4 香杨和大青杨木材有益挥发性物质的鉴定将GC-MS 分析所得香杨和大青杨木材中所有代谢物在中药系统药理学数据库和分析平台（Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform，TCMSP）数据库中进行查询（https://old.tcmsp-e.com/molecule.php?qn=666）（Ruet al.， 2014），进一步鉴定查询结果，当代谢物的口服生物利用度（oral bioavailability，OB）≥5%、类药性（drug-likeness，DL）≥0.14 时，则为具有关键活性成分。在TCMSP 数据库中还可获得已鉴定代谢物的靶点和相关疾病信息。

1.3 数据分析

采用Excel 软件进行气味活度值的计算。

2 结果与分析

2.1 香杨和大青杨木材挥发性成分分析

由表1 可知，从香杨木材粉末中共检测出18 种化学成分，醇类化合物种类最多，为6 种，占总峰面积的26.68%；烷烃类化合物4 种，占总峰面积的12.06%；酮类物质3 种，占总峰面积的37.07%，其中乙偶姻占比27.55%；此外还发现1 种醛类化合物和1 种酯类化合物，分别占总峰面积的4.93%和1.43%；也检测到包括β-柏木烯等3 种含量较低的物质。主要单一挥发性成分（峰面积占比大于5%）包括乙偶姻（27.55%）、1-（2-甲氧基-1-甲基乙氧基）-2-丙醇（8.13%）、甲氧基-苯基-肟（6.33%）、11-甲基十二烷醇（6.39%）、4,6-二甲基-十二烷（5.99%）和2,4-二乙基-1-庚醇（5.29%）。

表1 香杨木材挥发性成分的保留时间和相对百分含量Tab. 1 Retention time and relative percentage of volatile compounds in P. koreana wood

由表2 可知，从大青杨木材粉末中共检测出16种化学成分，醇类化合物3 种，占总峰面积的19.1%；烷烃类化合物4 种，占总峰面积8.23%；醛类物质2 种，峰面积占比最大，为29.5%；醛类、酮类和酯类化合物各2 种，分别占总峰面积的29.50%、9.73%和7.06%。主要单一挥发性成分（峰面积占比大于5%）包括十五烷醛（26.78%）、 1,3-双（1,1-二甲基乙基）-苯（13.84%）、乙偶姻（9.48%）、1-十六烷醇（8.71%）、11-甲基十二烷醇（7.38%）、甲氧基-苯基-肟（5.78%）和甲基丙烯酸异癸酯（5.45%）。香杨木材挥发物中醇类化合物占比最多，其次为醛类物质；大青杨木材挥发物中醛类物质占比最多，其次为烷烃类物质。香杨、大青杨木材共有挥发物成分12 种，香杨特有的挥发性物质有11 种，大青杨特有的挥发性物质有5 种。

表2 大青杨木材挥发性成分的保留时间和相对百分含量Tab. 2 Retention time and relative percentage of volatile compounds in P. ussuriensis wood

2.2 香杨和大青杨木材香气成分分析

通过在线数据库“Flavornet”和“PubChem”检索到香杨和大青杨木材中挥发性化合物的香气属性（表3）。香杨木材挥发性物质中检索到8 种香气化合物，其中7 种香气化合物被描述为“黄油”“清香”“脂香”“甜酒”“蘑菇”“香草”气味；大青杨木材挥发性物质中检索到5 种香气化合物，其中4 种香气化合物被描述为“黄油”“清香”“香草”和“清新”气味。比较香气化合物的OAV发现，香杨木材挥发性物质中含有7 种关键香气化合物和1 种潜在香气化合物，大青杨木材挥发性物质中含有5 种关键香气化合物，香杨和大青杨木材共有的关键香气化合物包括乙偶姻、己醛和3-辛酮，香杨木材中特有的关键性气味化合物包括2,3-丁二酮、1-己醇、1-辛基-3-醇、十四烷，大青杨木材中特有的关键性气味化合物包括2-己酮和十五烷醛，2-己酮和丙酮气味较一致，且2-己酮比丙酮气味更加刺鼻。综上，香杨木材中不仅具有更多香气化合物，且乙偶姻、己醛和3-辛酮在香杨木材中的相对含量以及气味活度值均远大于大青杨，因此，香杨木材气味较大青杨木材更为清新。

表3 杨树木材香气成分的气味描述、嗅觉阈值以及相对香气活度值Tab. 3 Odor description, odor threshold and odor active value of aroma compounds in poplar wood

2.3 香杨和大青杨木材挥发物药用活性成分鉴定

TCMSP数据库查询结果显示，香杨和大青杨木材中共查询到24 种挥发性代谢物，其中11 种具有药用活性成分，这11 种代谢物中有7 种与114 个靶蛋白结合，对应214 种疾病（表4），主要涉及癌症、肿瘤、心血管疾病、高血压、炎症、糖尿病、阿尔茨海默病、神经疾病等。香杨和大青杨木材挥发物中分别包括9 种和7 种药用活性成分，其中共有5 种（乙偶姻、己醛、4,6-二甲基-十二烷、3-辛酮、十四烷）。香杨木材挥发物中特有的中药成分包括2,3-丁二醇、1-辛基-3-醇、1-己醇、β-柏木烯，大青杨木材挥发物中特有的中药成分包括十五烷醛和1-十六烷醇。为进一步鉴定关键有效成分，使用OB≥5%和DL≥0.14 作为筛选标准，11 种代谢物中1-十六烷醇OB≥5%和DL≥0.14，以上结果可为杨树木材挥发物中利于人体健康的关键有效成分研究提供参考。

表4 杨树木材中关键中药活性物质鉴定Tab. 4 Identification of the key active ingredients of traditional Chinese medicines in poplar wood

3 讨论

在众多品种木材中，珍贵树种木材的保健作用已得到较高认可，但木材工业中广泛应用的杨树等速生树种木材的保健价值则少见报道。我国是人造板生产第一大国，占全球人造板总量的50%～60%，其中胶合板占58.3%。杨树木材是我国胶合板的主要原材料，约占胶合板总量的60%。本研究分析香杨和大青杨木材的挥发性有机化合物，初步筛选和鉴定其香气和药用活性成分，为提升杨树木材附加值、生产保健型杨树木制品提供了理论基础。

研究发现，常温下天然木材产生和释放的挥发性有机物（VOCs）十分微小，但不可忽视其VOCs 成分的环境影响（龙玲等，2007）。为了针对性破解木材及其装饰制品对人体健康的影响，王启繁（2021）使用微池热萃取仪搭配Tenax-TA 吸附管采集样品后，采用热脱附全自动进样器搭配热脱附仪（TD）和气相质谱色谱联用仪（GC-MS）对28 种代表性树种木材进行挥发性物质测定，从大青杨木材中鉴定出17 种挥发性代谢物，并获得8 种气味活性物质，包括乙苯、对二甲苯、3-蒈烯、己醛、乙酸乙酯、乙醇、2-乙基-1-乙醇和醋酸。本研究鉴定的气味活性物质与该研究结果差异较大；此外，虽然2 项研究对象均为同一树种木材，但树木基因型、树龄、采样部位及时间、地点、样品处理方法差异均可能造成分析结果不同。研究表明，在相同采集工艺、气体流速、采集温度条件下，同种木材试样形态（木粉形态和刨花形态）也会导致不同的VOCs 含量（任玺廷，2012）。

本研究香杨木材挥发物中检测到8 种特征气味化合物，包括7 种关键香气化合物；大青杨木材挥发物中检测到5 种特征气味化合物，且均为关键气味化合物；而阴香木共释放25 种特征气味化合物，其中包括8 种关键特征气味化合物（曾彬等，2021），杨木相较阴香木等珍贵树种木材释放的气味化合物种类较少。有研究基于GC-MS-O 气味鉴定结果表明，大青杨木材挥发物共有5 个气味特点（花香调、果香调、刺鼻调、美食调和绿叶调），且各气味强度均很低（王启繁，2021），与本研究结果较为一致。本研究中，与大青杨相比，香杨木材的气味强度更高且气味清新，香气化合物种类更多，香杨和大青杨共有关键香气化合物乙偶姻、己醛和3-辛酮在香杨中的相对含量和气味活度值也更大。另外，大青杨木材关键性气味化合物2-己酮和丙酮气味较一致，且比丙酮气味更刺鼻，这可能是香杨木材比大青杨木材更清新的主要原因。

挥发性化合物中的萜烯类物质受到学者广泛关注，这是因为单萜烯和倍半萜烯是很多药用植物抽提物中的主要成分，具有很强的生物活性和药理作用（Nakaiet al.，2003；Umenoet al.，2008；Kagawaet al.，2003；Wetwitayaklunget al.，2009）。此外，萜烯类物质也易与其他物质发生反应形成有害物质，并对生态环境产生不利影响，在绿化树种选择上应考虑释放萜烯类物质较少的树种（陈静等, 2016，滕青林, 2017）。本研究香杨和大青杨木材挥发物中仅有的萜烯类物质为β-柏木烯，相对含量较低，占比0.7%，相关研究认为杨木中萜烯类有机挥发物含量极低并难以被仪器检测出来（王启繁, 2021）。而且，杨木生材刨花在常温下的甲醛释放量也低于杉木、桉木(Eucalyptus)、松木等其他广泛应用的用材木（龙玲等, 2007）。香杨木材挥发物中有9 种药用活性成分且没有对环境或人体产生伤害的潜在挥发性代谢物，而大青杨木材挥发物中有7 种药用活性成分，其中一种关键活性成分1-十六烷醛无对应的靶蛋白和疾病，表明大青杨木材挥发物中的1-十六烷醛可能具有重要的保健价值和新药开发潜力（Liet al.， 2022）。此外，大青杨木材挥发物2-己酮有一定刺激性，人体暴露在2-己酮浓度为1 000 μmol·mol–1的空气中，鼻子和上呼吸道会感受到中度刺激，吸入后在肺部的滞留率为60%～90%，会加剧其神经毒性效应，短暂的暴露于浓度为5 000 μmol·mol–1的空气中会导致嗜睡和中枢神经抑制（Couriet al.，1982），可能是大青杨木材中主要的潜在危害性挥发性物质，因此需进一步对大青杨木材释放的2-己酮进行绝对定量，以判断其是否对人体造成危害。本研究提高了对杨树木材挥发物中影响人体健康的关键有效成分研究，香杨木材有更清新的香气特征且挥发物中含有较多有益人体健康的药用成分，可作为生产保健型木材的候选树种，为杨树良种选育提供新的方向。

4 结论

通过测定香杨和大青杨木材的挥发性物质，在香杨木材中鉴别出较多香气化合物和药用活性物质。香杨、大青杨木材中分别鉴定出20、16 种挥发性化合物，分别包括8、5 种香气化合物和9、7 种药用活性成分。香杨木材较大青杨木材气味更清新，大青杨木材中关键性气味化合物2-己酮的气味较为刺鼻，且对室内环境和人体存在潜在危害。香杨木材挥发物中特有的中药成分为2,3-丁二醇、1-辛基-3-醇、1-己醇和β-柏木烯，大青杨木材挥发物中特有的中药成分为十五烷醛和1-十六烷醇。2 种木材挥发物中共有的5 种中药活性成分为乙偶姻、己醛、4,6-二甲基-十二烷、3-辛酮和十四烷。