胡椒和肉桂挥发性组成分析及对普通大蓟马的驱避作用

郇志博 于世幸

摘要

豇豆農药残留问题非常严峻，对豇豆上普通大蓟马的化学防治是造成豇豆农残超标的主要原因，开展普通大蓟马的绿色防治迫在眉睫。利用植物挥发物驱避害虫是一种重要的害虫绿色防控手段。本研究利用GCMS分析了胡椒和肉桂的挥发性化合物组成，并利用“Y”形嗅觉仪测定了胡椒和肉桂及5种主要挥发物对普通大蓟马的驱避作用。结果表明，在胡椒中鉴定出27种挥发性成分，主要成分为β石竹烯，含量占43.1%;在肉桂中鉴定出21种挥发性成分，主要成分为肉桂醛（28.4%）、α可巴烯（15.4%）、α依兰油烯（14.1%）、γ杜松烯（14.9%）。行为反应测定结果表明胡椒和肉桂对普通大蓟马分别具有极显著和显著的驱避作用;β石竹烯、肉桂醛、α可巴烯浓度为10%和1%时对普通大蓟马具有极显著的驱避作用，10%的α依兰油烯和10%的γ杜松烯对普通大蓟马分别具有极显著和显著的驱避作用。本研究对豇豆普通大蓟马绿色防控技术研发和驱避剂的开发具有一定指导意义。

关键词

胡椒; 肉桂; 挥发性组分; 普通大蓟马; 驱避活性

中图分类号：

S 436.43

文献标识码： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2023237

Analysis of volatile components in Piper nigrum and Cinnamomum cassia and their repellent activity against Megalurothrips usitatus

HUAN Zhibo1，2，3*， YU Shixing1，2

（1. Key Laboratory of Quality and Safety Control for Subtropical Fruits and Vegetables， Ministry of Agriculture and Rural

Affairs; Analysis and Testing Center， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou 571101， China;

2. College of Food Science and Technology， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China; 3. Hainan

Provincial Key Laboratory of Quality and Safety for Tropical Fruits and Vegetables， Haikou 571101， China）

Abstract

The cowpea faces a severe pesticide residue issue， primarily due to chemical control targeting Megalurothrips usitatus. It is urgent to implement ecofriendly pest control. Utilizing plant volatiles for pests repellence is an important pest control method. In this study， the volatile compositions of Piper nigrum and Cinnamomum cassia were analyzed using GCMS， and the effects of P.nigrum， C.cassia， and five major volatiles on the behavioral response of M.usitatus were measured using a Ytube olfactometer. The results showed that P.nigrum contained 27 volatile components， with βcaryophyllene being the main component （43.1%）. C.cassia contained 21 volatile components， with cinnamaldehyde （28.4%）， αcopaene （15.4%）， αmuurolene （14.1%）， and γcadinene （14.9%） being the main components. Behavioral response tests showed that P.nigrum and C.cassia had significant repellent activity against M.usitatus. βcaryophyllene， cinnamaldehyde， and αcopaene at concentrations of 10% and 1% exhibited significant repellent activity against M.usitatus， and 10% αmuurolene and 10% γcadinene had significant repellent activity against M.usitatus. This study holds crucial significance for the development of ecofriendly control methods and repellents targeting M.usitatus on cowpea crops.

Key words

Piper nigrum; Cinnamomum cassia; volatile components; Megalurothrips usitatus; repellent activity

2021年5月农业农村部等七部委联合印发了农质发〔2021〕6号《食用农产品“治违禁 控药残 促提升”三年行动方案》，该方案将豇豆等11种农产品列为农药残留超标问题突出的农产品。2022年11月农业农村部办公厅印发了农办质〔2022〕21号《豇豆农药残留突出问题攻坚治理方案》，再次表明豇豆农药残留问题的严峻性。自2010年“海南毒豇豆”事件发生以来，海南豇豆的农药残留问题一直非常严峻。经调研发现，频繁、大量使用化学药剂防治豇豆蓟马是造成豇豆农残超标的主要原因之一［1］。

普通大蓟马Megalurothrips usitatus又称豆大蓟马，隶属于缨翅目Thysanoptera蓟马科Thripidae大蓟马属Megalurothrips，是海南豇豆上的主要害虫［2］。蓟马为害豇豆后，主要造成叶片畸形、皱缩，豆荚出现“黑头”和“黑尾”现象，严重影响豇豆的产量和商品性，造成豇豆损失达20%～80%［3］。目前对豇豆普通大蓟马的防治仍然以化学防治为主，但是近年来的研究数据表明，海南豇豆普通大蓟马对多种常用农药已经产生了不同水平的抗药性［45］。普通大蓟马抗药性的产生进一步加重了农药的使用和残留问题，因此开展普通大蓟马的绿色防控技术研究迫在眉睫［6］。

寄主植物产生的各种挥发性物质在昆虫对寄主植物的识别定位过程中起到了重要作用，而外源施加这些挥发性物质可以干扰害虫对寄主植物的识别［7］。另外植物为了抵御害虫为害，也会产生诸如萜类、生物碱等挥发性次生代谢物来驱避害虫［8］。利用植物挥发性次生代谢物来驱避害虫已成为害虫绿色防控的重要手段，并取得了良好的防治效果［910］。Abtew等［11］测定了25种植物精油对丝大蓟马Megalurothrips sjostedti的驱避作用，发现胡椒Piper nigrum、肉桂Cinnamomum cassia等对丝大蓟马具有强烈的驱避作用。Oparaeke等［12］的研究表明，胡椒水提物可以明显降低豇豆上丝大蓟马的为害。胡椒和肉桂是热带和亚热带地区广为栽培的香辛料，皆具有浓郁的挥发性气味，目前对其挥发性组分驱虫活性的相关研究较少，本研究将采用气相色谱质谱联用仪（GCMS）分析胡椒和肉桂的挥发性组分，并测定普通大蓟马对2种香辛料及主要挥发性组分的行为反应，为下一步开展相关的田间应用提供数据支撑。

1 材料與方法

1.1 试验材料

黑胡椒、肉桂购自海口市客润佳超市。黑胡椒产地为海南文昌，生产日期为2022年7月，肉桂产地为广西平南县，生产日期为2022年3月。普通大蓟马采自海南乐东黎族自治县千家镇豇豆田，在实验室的人工气候箱中用新鲜豇豆饲养，饲养条件为温度（25±1）℃、相对湿度（70±5）%、光周期L∥D=14 h∥10 h。

1.2 仪器与试剂

Agilent 7890B5977A气相色谱质谱联用仪，美国Agilent公司;50/30 μm DVB/CARPDMS（二乙烯基苯/碳分子筛聚二甲基硅氧烷）、85 μm CARPDMS（碳分子筛聚二甲基硅氧烷）固相微萃取纤维及萃取手柄，美国Supelco公司;H.H.S4电热恒温水浴锅，上海浦东跃欣科学仪器厂;JYLY20破壁料理机，九阳股份有限公司;“Y”形嗅觉仪，南京雪莱生物科技有限公司;BSA223S千分之一电子天平，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司。

β石竹烯、肉桂醛、α可巴烯、α依兰油烯、γ杜松烯，纯度均≥97%，购于广州佳途科技股份有限公司;分析纯正己烷购自德国Merck公司。

1.3 试验方法

1.3.1 胡椒和肉桂中挥发性成分鉴定

1.3.1.1 固相微萃取条件

本试验对萃取头、萃取温度和萃取时间进行了预试验，得到最优萃取条件为：将黑胡椒、肉桂用破壁料理机研磨成粉末，然后称取黑胡椒粉末1.0 g，置于20 mL固相微萃取仪专用顶空瓶中，插入50/30 μm DVB/CARPDMS型萃取头，60℃平衡60 min;称取肉桂粉末2.0 g，使用85 μm CARPDMS型萃取头，60℃平衡15 min;上述萃取头取出后立即插入GCMS进样口解析。

1.3.1.2 GCMS分析条件

色谱柱：HPMS Ultra Inert （30 m×250 μm×0.25 μm）;胡椒升温程序：起始温度为40℃，保持5 min，再以5℃/min升至80℃，最终以10℃/min升至220℃保留5 min;肉桂升温程序：起始温度为60℃，保持2 min，再以4℃/min升至180℃保持3 min，最终以4℃/min升至250℃保留3 min;进样口：250℃;载气：氦气;流速：1 mL/min;进样模式：不分流进样。质谱条件：EI离子源，离子源温度230℃，传输线温度270℃，四极杆温度150℃，电离电压为70 eV，质谱检测范围为40～450 m/z。

1.3.2 普通大蓟马对胡椒和肉桂的行为反应

将胡椒和肉桂分别用料理机打碎成粉末，然后分别称取20.0 g胡椒或肉桂粉末置于“Y”形嗅觉仪一侧管臂连接的味源瓶，对照味源瓶空置。参照蔡婷婷等的方法［13］，利用“Y”形嗅觉仪测定普通大蓟马对不同气味源的选择性。“Y”形管的两臂与味源瓶相连。当蓟马爬至超过管壁的5 cm处，认为该虫对该臂的气味源作出选择，若该虫引入后5 min内不作出选择，则视为无反应。每个处理测试50头蓟马，每个处理设置5次重复。每测试10头蓟马更换两臂气味源，每完成1个处理，即清洗Y形管、味源瓶和连接管。

1.3.3 普通大蓟马对胡椒和肉桂主要挥发性组分的行为反应

从胡椒和肉桂的挥发性组分中挑选含量和匹配度较高的组分，分别用正己烷稀释为10%、1%、0.1% （V/V）作为气味源。参照蔡婷婷等的方法［13］，利用“Y”形嗅觉仪测定普通大蓟马对不同气味源的选择性。“Y”形管的两臂与味源瓶相连，一个瓶内放置含有20 μL挥发物组分的滤纸，另一个瓶内放置含有等量对照正己烷的滤纸。测试方法和重复数设置同1.3.2。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0软件进行统计分析，采用独立样本t检验比较数据的差异。

2 结果与分析

2.1 胡椒和肉桂挥发性组分分析

将采集好的信号用MassHunter定性软件打开，然后通过自动积分、按化合物谱图解卷积、NIST14.L谱库检索对化合物进行分析，并采用面积归一化法计算各组分的相对含量。

椒和肉桂挥发性组分的总离子流图，经NIST14.L谱库检索比对分析，在胡椒中共鉴定出27种挥发性成分，相对含量大于1%且匹配度在80以上的物质有16种，为左旋α蒎烯（2.2%）、左旋β蒎烯（2.4%）、β月桂烯（1.2%）、α水芹烯（1.4%）、δ3蒈烯（7.0%）、（+）柠檬烯（6.1%）、δ榄香烯（7.3%）、α可巴烯（7.4%）、β榄香烯（2.7%）、β石竹烯（43.1%）、Z，Z，Z1，5，9，9tetramethyl1，4，7，cycloundecatriene （3.1%）、α芹子烯（3.0%）、7epiα芹子烯（2.7%）、β杜松烯（2.7%）、δ紫穗槐烯（1.6%）和氧化石竹烯（1.1%），这16种挥发物质占胡椒挥发物质总量的95.0%，相对含量大于10%且匹配度在80以上的物质为β石竹烯，含量占43.1%（表1）。在肉桂中共鉴定出21种挥发性成分，相对含量大于1%且匹配度在80以上的物质有11种，为反式肉桂醛（7.0%）、肉桂醛（28.4%）、α可巴烯（15.4%）、（+）環苜蓿烯（2.7%）、（+）苜蓿烯（2.1%）、β石竹烯（1.1%）、γ依兰油烯（5.6%）、α依兰油烯（14.1%）、γ杜松烯（14.9%）、1，6dimethyl4propan2yl1，2，3，4，4a，5hexahydronaphthalene（1.8%）、α二去氢菖蒲烯（1.0%），这11种挥发性物质占肉桂挥发性物质总含量的94.1%，相对含量大于10%且匹配度在80以上的物质有4种，分别为肉桂醛、α可巴烯、α依兰油烯和γ杜松烯，这4种物质占肉桂挥发性物质总含量的72.8%，含量最高的物质为肉桂醛（表2）。

2.2 普通大蓟马对胡椒和肉桂及主要挥发性组分的选择行为

从图2可以看出，选择胡椒的普通大蓟马为（17.6±1.7）头，选择其对照管臂的普通大蓟马为（21.8±0.8）头，两者间差异极显著（P=0.001）。选择肉桂的普通大蓟马为（18.6±1.5）头，选择其对照管臂的普通大蓟马为（21.2±1.3）头，两者间差异显著（P=0.02）。这表明胡椒和肉桂对普通大蓟马分别具有极显著和显著的驱避作用。但选择胡椒的普通大蓟马数量与选择肉桂的普通大蓟马数量差异不显著（P=0.351）。

β石竹烯是本研究鉴定出的胡椒中唯一的相对含量大于10%且匹配度在80以上的挥发性成分。从图3可以看出，选择10%和1%β石竹烯的普通大蓟马数量显著少于正己烷对照（P=0.000），而且存在剂量效应，相比于选择1%β石竹烯的普通大蓟马数量，选择10%β石竹烯的普通大蓟马数量更少（P=0.000）。但是，选择0.1%β石竹烯与选择正己烷对照的普通大蓟马数量差异不显著（P=0.279）。这表明10%和1%的β石竹烯对普通大蓟马具有极显著的驱避作用。

在肉桂中鉴定出的相对含量大于10%且匹配度在80以上的挥发性成分包括4种，肉桂醛、α可巴烯、α依兰油烯和γ杜松烯。从图4和图5可以看出，选择10%和1%肉桂醛和α可巴烯的普通大蓟马数量明显少于正己烷对照（P=0.000），而且存在剂量效应，随着肉桂醛和α可巴烯浓度的升高，选择处理管臂的普通大蓟马数量减少。这表明10%和1%的肉桂醛和α可巴烯对普通大蓟马具有极显著的驱避作用。同β石竹烯结果类似，选择0.1%肉桂醛和0.1% α可巴烯处理管臂的普通大蓟马与选择对照管臂的普通大蓟马数量差异不显著（P=0.622和P=0.621）。从图6和图7可以看出，选择10%α依兰油烯处理管臂的普通大蓟马数量极显著低于选择对照管臂普通大蓟马数量（P=0.000），选择10%γ杜松烯处理管臂的普通大蓟马数量显著低于选择对照管臂普通大蓟马数量（P=0.046），表明10% α依兰油烯和10% γ杜松烯对普通大蓟马分别具有极显著和显著的驱避作用。选择0.1%和1%的α依兰油烯和γ杜松烯处理管臂的普通大蓟马与选择对照管臂的普通大蓟马的数量差异不显著（P＞0.05）。

3 结论与讨论

近年来，由农药残留造成的食品安全问题不仅扰乱了社会经济发展，而且损害了消费者的生命健康，寻找病虫害的绿色防控手段成为研究的焦点，其中害虫行为调控已成为害虫绿色防控的新突破口，在长期的进化过程中，植食性昆虫与寄主植物之间形成了特殊的识别与选择机制，在植食性昆虫对寄主植物的选择过程中，昆虫的嗅觉发挥了重要作用，例如昆虫可利用触角、下颚须、产卵器等部位上发达的化学感受器来探测植物挥发出的气味，来评判植物和作出取舍［1415］。

在自然条件下，植物会通过树脂、气孔等向周围环境释放挥发物，这些植物挥发物对害虫的定位、聚集等具有重要作用，一方面植食性昆虫可以通过自身的化学感受器识别寄主植物散发出的挥发性物质来准确定位寄主植物的位置，另一方面某些植物也可以通过散发具有驱避作用的挥发性物质阻止害虫的为害［16］。基于植物挥发物对昆虫行为的影响，已经形成了较完整的害虫绿色防控技术体系，例如人工合成引诱剂、驱避剂以及驱避植物的间套种技术等［17］。利用植物挥发性信息化合物控制害虫行为和减少对作物的为害，对减少“3R”问题具有重要意义［18］。

胡椒为胡椒科Piperaceae胡椒属Piper多年生木质藤本植物，是世界上最重要的香辛作物之一，素有“香料之王”的美誉，海南省是我国胡椒种植面积最大、产量最高的省份，是海南省的重要产业之一［19］。胡椒不仅是一种重要的调味料，而且还具有重要的药用价值和工业价值，胡椒精油及其活性成分具有良好的抗氧化、杀虫和抑菌活性，在食品、制药和化妆品领域都得到广泛应用［20］。肉桂为樟科Lauraceae桂属Cinnamomum，热带、亚热带常绿乔木，既是著名的香料，也是名贵的中药，广西和广东肉桂种植面积占全国的95%以上。肉桂精油及其活性成分被认为具有抗菌、抗炎、抗氧化、抗癌等多种生物活性［21］。Abtew等［11］研究表明胡椒和肉桂精油对丝大蓟马具有强烈的驱避作用。李红莉等［22］测定了11种植物精油对茶橙瘿螨Acaphylla theae的触杀和驱避作用，发现肉桂精油对茶橙瘿螨的驱避率达到80%以上。本研究测定发现胡椒和肉桂对普通大蓟马也具有一定的驱避效果。

Amri等［23］和Hierro等［24］的研究表明，芸香科、樟科、伞形科、菊科和唇形科等科的植物皆具有良好的昆虫驱避作用，其中发挥驱避作用的挥发性组分有肉桂醛、罗勒烯、石竹烯、百里香酚、薄荷酮、对伞花烃和1，8桉叶素等。因此为了进一步探明胡椒和肉桂中对普通大蓟马发挥驱避效果的活性成分，本研究利用GCMS分析了胡椒和肉桂的挥发性组分。在胡椒中鉴定出的挥发性组分包括β石竹烯、α可巴烯、δ榄香烯、δ3蒈烯、（+）柠檬烯等27种。陈晓龙等［25］利用气相色谱质谱联用仪测定了海南黑胡椒挥发油中的香气成分，共鉴定出D柠檬烯（18.04%）、δ3蒈烯（13.82%）、石竹烯（12.98%）、6，6二甲基2亚甲基双环［3，1，1］庚烷（10.73%）、α水芹烯（7.90%）、α蒎烯（6.91%）、β月桂烯（5.12%）等36种化合物。回瑞华等［26］利用GCMS法分析了海南黑胡椒的挥发性成分，共鉴定出柠檬烯（7.34%）、石竹烯（18.86%）、β月桂烯（3.83%）、δ3蒈烯（2.26%）等26种挥发性成分。经比较发现本研究结果与陈晓龙等［25］和回瑞华等［26］测得的海南黑胡椒中的主要挥发性成分相同，但含量存在一定差异，这可能与胡椒的种植环境等差异有关。

本研究在肉桂中鉴定出肉桂醛、α可巴烯、α依兰油烯、γ杜松烯等21种挥发性组分。

田宇等［27］采用顶空固相微萃取气相色谱质谱联用法（HSSPMEGCMS）从肉桂中鉴定出27种挥发性成分，主要为肉桂醛（21.63%）、α可巴烯（11.2%）、（-）4，9异戊二烯（7.58%）、β石竹烯（6.57%）、γ依兰油烯（4.77%）、（-）异洒剔烯（3.24%）等。郭胜男等［28］采用HSSPMEGCMS从不同产地的肉桂中鉴定出85种挥发性成分，其中α可巴烯、肉桂醛、石竹烯、桂皮醛、α荜澄茄油萜等为主要成分，不同产地的肉桂挥发性成分种类和相对含量有一定的差异。本研究同样发现肉桂醛为肉桂的主要挥发性成分，但是其他主要成分的组成与田宇等［27］和郭胜男等［28］的研究结论有一定差异，该差异可能与肉桂的产地差异有关。

本研究进一步测定了胡椒和肉桂的主要挥发性成分对普通大蓟马行为反应的影响，发现胡椒的主要挥发性成分β石竹烯浓度为10%和1%时对普通大蓟马存在一定的驱避作用，浓度为0.1%时对普通大蓟马的行为反应无影响。李钊阳等［29］发现，β石竹烯在体积比为10-4和10-6时对普通大蓟马具有显著的引诱作用，但在10-2时具有一定的驱避作用。本研究同样发现1%的β石竹烯对普通大蓟马具有一定的驱避作用，另外还可以看出同一化合物不同浓度对普通大薊马行为选择的影响存在差异。卢海燕［30］报道α可巴烯对拟水狼蛛Pirata subpiraticus存在驱避作用。本研究表明肉桂的主要挥发性成分α可巴烯对普通大蓟马也具有一定的驱避效果。张华峰［31］报道，肉桂醛对椰心叶甲Brontispa longissima具有极显著的驱避效果。刘婷等［32］报道，肉桂醛对桃蚜具有极显著的驱避活性。本研究发现肉桂醛对普通大蓟马也具有一定的驱避效果。经检索，未发现α依兰油烯和γ杜松烯对昆虫行为影响的报道。

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（责任编辑：田 喆）