11種柏科植物揮發(fā)油成分分析

林樂(lè)靜,付濤,張立均,林立

11種柏科植物揮發(fā)油成分分析

林樂(lè)靜,付濤,張立均,林立

寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 浙江 寧波 315100

為進(jìn)一步了解柏科植物揮發(fā)油的組成。本文以11種柏科植物（匍地柏、鉛筆柏、高山柏、鹿角柏、金鐘柏、日本香柏、北美香柏、福建柏、綠干柏、孔雀柏和千頭柏）葉為實(shí)驗(yàn)材料，采用有機(jī)溶劑-水蒸氣蒸餾法提取鐵揮發(fā)油，利用氣質(zhì)聯(lián)用儀分析鑒定其中的化學(xué)成分和相對(duì)含量，并運(yùn)用主成分分析(PCA)進(jìn)行了多變量分析。結(jié)果表明：匍地柏、鉛筆柏、高山柏和鹿角柏（圓柏屬）、福建柏（福建柏屬）和孔雀柏（扁柏屬）主要以萜烯類和醇類為主；金鐘柏、日本香柏和北美香柏（崖柏屬）、綠干柏（柏木屬）和千頭柏（側(cè)柏屬）主要以萜烯類、醇類和酮類為主。11種柏科植物有49種共有成分（≥6），僅占所有揮發(fā)油成分的10.71%，特有成分較多（≤5），共有成分和特有成分共同作用使得每種植物呈現(xiàn)出不同氣味。主成分分析提取了3個(gè)主成分因子，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到98.63%，同屬植物基本能夠聚集在一起。植物揮發(fā)油成分極其復(fù)雜，承擔(dān)著抗菌、抑菌、殺蟲等多種生物學(xué)功能，本研究為柏科植物的合理利用提供了一定的理論依據(jù)，此外，主成分分析的方法還可作為柏科植物分類的依據(jù)之一。

柏科植物; 揮發(fā)油; 成分分析

柏科植物約22屬，是裸子植物中廣泛分布于南北兩半球的唯一的科，種數(shù)僅次于松科(Pinaceae)，近150種，分布于全球各地。其中種類最多的為圓柏屬（），約50種，主要分布于北半球，此外，產(chǎn)于北半球的還有柏木屬（，約20種）、崖柏屬（，約6種）、扁柏屬（，約6種）和翠柏屬（，2種）等。中國(guó)產(chǎn)8屬約30種，分布幾遍全國(guó)，其中福建柏和側(cè)柏為我國(guó)特有的單種屬植物。柏科植物在中國(guó)多零散分布，成林植物通常為圓柏屬的某些種類和柏木（）、臺(tái)灣扁柏（（Hayata）Behd.）與福建柏（(Dunn) HenryThomas）等。

柏科植物不僅木材結(jié)構(gòu)細(xì)致、均勻、紋理直，而且質(zhì)地較重而堅(jiān)韌，加工比較容易，耐腐性也較強(qiáng)。其中圓柏、柏木、扁柏、側(cè)柏、崖柏等屬的木材，均為世界上高級(jí)商用材，廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、家具、門窗、柱材及美術(shù)工藝等。除此之外，某些柏科植物還承擔(dān)綠化、造林、固沙及水土保持等服務(wù)于人類、造福于人類的功能與作用。柏科植物含有檜黃素、榧黃素、西阿多黃素、蘇鐵黃素、柏黃素、外黃醇和二氫櫟精等，具有一定的醫(yī)藥價(jià)值[1]。現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)柏科植物的主要化學(xué)成分有揮發(fā)油（萜烯類）、黃酮類化合物、酚類化合物、有機(jī)酸、多糖、木脂素、鞣質(zhì)、樹脂、無(wú)機(jī)元素等，具有多種生物學(xué)效應(yīng)，其中揮發(fā)油是柏科植物中最為重要的一類次生代謝產(chǎn)物，其含量較高，成分也最為復(fù)雜，具有抑菌、抗腫瘤、抗氧化等多種藥理作用[2]。

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有人對(duì)柏科相關(guān)植物的揮發(fā)油成分進(jìn)行了相關(guān)研究，郝德君等利用水蒸氣蒸餾技術(shù)，采用GC-MS法測(cè)定了圓柏、中山柏和龍柏的揮發(fā)油的具體成分和相對(duì)含量[3]；蔣繼宏等對(duì)刺柏、圓柏、龍柏、日本扁柏和絨柏的揮發(fā)油進(jìn)行了詳細(xì)分析，此外還對(duì)揮發(fā)油進(jìn)行了抗腫瘤活性的測(cè)定[4]；王道平等側(cè)柏葉的揮發(fā)性成分進(jìn)行了詳細(xì)分析[5]；吳穎等對(duì)扁柏?fù)]發(fā)油的提取及其成分進(jìn)行了詳細(xì)的分析[1]；吳章文等對(duì)日本扁柏、干香柏、柏木、西藏柏木、側(cè)柏、圓柏、叉子圓柏和崖柏的精氣成分及相對(duì)含量進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)定[6]。本課題組成員前期對(duì)日本扁柏、柏木、偃柏、線柏和日本花柏的揮發(fā)油成分進(jìn)行了準(zhǔn)確的定性、定量分析[7]，但目前依然有大部分柏科植物揮發(fā)油化學(xué)成分還未被鑒定與公布，本文對(duì)適合于華東地區(qū)種植的11種柏科植物的揮發(fā)油成分進(jìn)行準(zhǔn)確的定性和定量分析，擬期望對(duì)該11種柏科植物的合理應(yīng)用提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要儀器與裝置

HP7890B GC system/5977A MSD氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀:美國(guó)Agilent Technologies公司，配有色譜柱Agilent 19091S-433:93.92873 HP-5MS 5% Phenyl Methyl silox-60 ℃～325 ℃(325 ℃):30 m×250 μm×0.25 μm；METTLER TOLEDO電子天平:梅特勒-托利多儀器有限公司；MLLI-Q-超純水儀:美國(guó)Millipore公司；揮發(fā)油提取器：北京北瑞達(dá)醫(yī)藥科技有限公司；0.45 μm濾器：上海安普實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司。

1.2 主要材料與試劑

于2019年9月14日在上海辰山植物園采集了千頭柏（Po）和日本香柏（Ts）；于2019年9月28日在杭州植物園采集了匍地柏（Sp）、鉛筆柏（Sv）、高山柏（Ss）、鹿角柏（Sc）、金鐘柏（Aa）、福建柏（Fh）綠干柏（Ca）、北美香柏（To）和孔雀柏（Co）。具體信息詳見(jiàn)表1。

本研究利用到的試劑為乙酸乙酯（色譜純）和無(wú)水硫酸鈉（分析純）。

表1 樣品信息及其來(lái)源

1.3 試驗(yàn)條件

1.3.1 11份柏科植物揮發(fā)油的提取揮發(fā)油提取參考林立等的方法[7]，略有改進(jìn)。分別稱取11份柏科植物的健康葉片100 g～150 g（盡量去除死、病葉片以及部分枝干），使用剪刀盡量剪成碎末狀，置燒瓶中，加純凈水850 mL和色譜純級(jí)乙酸乙酯5 mL，加入一定量沸石并充分搖勻，1 h后進(jìn)行常壓水蒸氣蒸餾法提取3 h，冷卻靜置0.5 h，排出水層、接收油層，再用無(wú)水硫酸鈉除水2次，最后利用0.45 μm的濾器過(guò)濾得油狀混合物用于后續(xù)進(jìn)樣、分析。

1.3.2GC條件柱溫40 ℃；進(jìn)樣口溫度250 ℃；柱內(nèi)載氣流量1.0 mL/min；載氣為高純度氦氣（99.999%）；汽化室溫度250 ℃，柱前壓7.62 kPa；升溫程序：從40 ℃開(kāi)始保持1 min；以4 ℃/min升溫至140 ℃，保持2 min，再以2 ℃/min的速度升到225 ℃，保持5 min；進(jìn)樣量1 μL，分流比5:1。

1.3.3MS條件EI離子源；離子源溫度230 ℃；接口溫度250 ℃；電子能量70 eV；MS四級(jí)桿溫度150 ℃；調(diào)諧EMV為1149；溶劑延時(shí)2.6 min；掃描范圍15～500 Amu。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)HP chemstation檢索Nist 05標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖庫(kù)和wiley 275質(zhì)譜圖庫(kù)，同時(shí)采用有關(guān)質(zhì)譜圖文獻(xiàn)解析，以確認(rèn)明日葉揮發(fā)性成分。通過(guò)HP chemstation數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，按峰面積歸一化法計(jì)算求出各化學(xué)成分的相對(duì)百分含量。

采用SPSS19.0軟件(IBM SPSS Statistics)對(duì)GC-MS分析結(jié)果進(jìn)行聚類（CA）分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 11種柏科植物葉中的揮發(fā)油成分種類劃分

從11種柏科植物(即匍地柏、鉛筆柏、高山柏、鹿角柏、金鐘柏、日本香柏、北美香柏、福建柏、綠干柏、孔雀柏和千頭柏)葉中鑒定出的揮發(fā)油化合物數(shù)量依次為106種、127種、63種、114種、111種、105種、103種、50種、142種、77種和95種，共鑒定出448種化合物。該11種柏科植物揮發(fā)油成分可大致劃分為萜烯類、醇類、酮類、酯類、有機(jī)酸、烴類及其衍生物和其它等7大類物質(zhì)，每種柏科植物及其每一種類含量具體見(jiàn)表2。

表2 11種柏科植物揮發(fā)油的種類及其相對(duì)含量

注：表中括號(hào)內(nèi)數(shù)字為具體成分種類數(shù)。Note: The numbers in brackets were component varieties.

由表2可知，匍地柏、鉛筆柏、高山柏和鹿角柏（圓柏屬）揮發(fā)油成分均以萜烯類和醇類為主（總含量依次為81.93%、81.39%、82.09%和81.79%），其它成分種類含量均較少；金鐘柏、日本香柏和北美香柏（崖柏屬）揮發(fā)油成分均以萜烯類、醇類和酮類為主（總含量依次為88.23%、82.77%和77.56%），其中酮類在該3種崖柏屬植物中含量相對(duì)較高；福建柏（福建柏屬）和孔雀柏（扁柏屬）與圓柏屬類似，均已萜烯類和醇類為主（總含量依次為71.11%和76.33%）；綠干柏（柏木屬）和千頭柏（側(cè)柏屬）與崖柏屬類似，均已萜烯類、醇類和酮類為主（總含量依次為83.24%和90.24%）。

2.2 11種柏科植物葉中的揮發(fā)油共有成分分析

11種柏科植物揮發(fā)油雖然在成分種類上有統(tǒng)一性（同屬）和區(qū)別性（不同屬），但具體成分卻有較大差異（即使是同屬植物）。其中，共有成分（≥6）有49種，僅占10.71%，具體詳見(jiàn)表3。

表3 11種柏科植物共有揮發(fā)油成分（≥6）及其相對(duì)含量

2.3 主成分分析

以11種柏科植物揮發(fā)油主要成分（萜烯類、醇類、酮類和酯類）進(jìn)行PCA分析，以各類化合物百分含量為測(cè)定指標(biāo)[10]，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85%以上；以特征值大于1來(lái)確定主成分的個(gè)數(shù)[11]。特征值大于1的主成分有3個(gè)，組分1、2和3分別代表了變量總方差的42.41.%、30.97%和25.25%，累計(jì)98.63%。根據(jù)0.5原則，pc1代表萜烯類和酮類化合物；pc2代表醇類化合物；pc3代表酯類化合物（表4）。將11個(gè)柏科植物對(duì)pc1、pc2、pc3作三維圖（圖1）。由圖1可知，圓柏屬植物匍地柏、鉛筆柏、高山柏、鹿角柏聚集在一起；崖柏屬植物金鐘柏和北美香柏高度重疊在一起，但同為崖柏屬的日本香柏卻分散的較遠(yuǎn)，這可能與其含有很高的酮類物質(zhì)有關(guān)；福建柏屬的福建柏、扁柏屬的孔雀柏和柏木屬的綠干柏與圓柏屬的4種植物聚在一起，這與其揮發(fā)油主要成分種類含量大致相同有關(guān)；但側(cè)柏屬的千頭柏與其它10種柏科植物相聚較遠(yuǎn)。主成分分析結(jié)果表明，同屬植物基本聚在一起；福建柏（福建柏屬）、孔雀柏（扁柏屬）、綠干柏（柏木屬）與圓柏屬植物聚集在一起，說(shuō)明該幾個(gè)屬植物可能親緣關(guān)系彼此較近；千頭柏（側(cè)柏屬）與其它幾個(gè)屬的植物相聚較遠(yuǎn)，可能該變種（側(cè)柏變種）與其它柏科屬之間親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。

表4 主成分因子載荷矩陣

3 結(jié)論與討論

本研究利用水蒸氣蒸餾法提取11種柏科植物的揮發(fā)油，由于該方法溫度較高，致使部分萜烯類物質(zhì)（或其它易被氧化的物質(zhì)）易被氧化，故本研究中發(fā)現(xiàn)部分物種成分中含有一定量的有機(jī)物氧化物成分（被劃分于其它之中），這對(duì)本試驗(yàn)其它成分種類的含量結(jié)果有一定的影響。這與前人的研究結(jié)果柏科植物以萜烯類和醇類（部分物種還含有酮類或酯類）為主相一致。此外研究還發(fā)現(xiàn)，該11種柏科植物揮發(fā)油主要成分種類與產(chǎn)地?zé)o關(guān)，同屬成分種類含量大致相同，因此，推測(cè)柏科植物揮發(fā)油成分主要受遺傳物質(zhì)控制，受環(huán)境影響較小。

圖1 11個(gè)柏科植物主成分分析(PCA)得分圖

11種柏科植物共有成分中有許多物質(zhì)具有多種生物學(xué)效應(yīng)，如其中的檸檬烯具有祛痰、鎮(zhèn)咳效果；石竹烯具有平喘的功效，對(duì)老年慢性氣管炎療效顯著；此外，其中也含有一些抑菌成分，如乙酸龍腦酯，殺菌效果明顯等[7]。該11種柏科植物具有一定藥用開(kāi)發(fā)價(jià)值，其揮發(fā)油可用于研制生物殺菌劑、殺蟲劑或添加到洗衣液、香皂等常用家庭生活用品中等，也可用于公園、學(xué)校、醫(yī)脘等特殊楊所用于“森林療法”，具有較好的醫(yī)療保健效果[6]。植物揮發(fā)油成分極其復(fù)雜，均屬于次生代謝產(chǎn)物，為植物承擔(dān)著抗菌、抑菌、殺蟲等多種生物學(xué)功能，即使是同屬植物雖在成分種類的含量上大致相同，但是具體物質(zhì)成分卻可能相差較大，這可能與不同物種的遺傳表達(dá)、代謝以及與環(huán)境的相適應(yīng)緊密相連。

大多數(shù)柏科植物具有濃郁的芳香氣味，這與柏科植物含有大量的萜烯類和醇類等低沸點(diǎn)、低分子量物質(zhì)有關(guān)（分子量較大、沸點(diǎn)較高等物質(zhì)對(duì)植物氣味幾乎無(wú)貢獻(xiàn)），表3中共有成分中大多數(shù)為萜烯類和醇類等低沸點(diǎn)、低分子量物質(zhì)，柏科植物的芳香氣味與這些易揮發(fā)物質(zhì)有著重要聯(lián)系。劉星星等對(duì)蜂膠的研究表明，人體嗅覺(jué)對(duì)化合物氣味的感知與其含量和氣味閾值都有關(guān)，含量較低可能由于氣味閾值低而易被感知，反之含量高的化合物可能由于氣味閾值高而不易感知[8]。例如與植物青香味有關(guān)的反式-2-己烯醛，其閾值為0.02 mg·kg-1，微量時(shí)就可以感覺(jué)到它的存在，因此，一些物質(zhì)即使它們的含量很低，也會(huì)對(duì)植物的特殊氣味起到重要作用，往往這類物質(zhì)被稱之為植物的特征香氣成分。植物氣味的產(chǎn)生非常復(fù)雜，氣味的產(chǎn)生可能是由幾種主要特征香氣成分決定的，也可能是由各種成分通過(guò)融合、疊加、掩蓋等相互作用表現(xiàn)出來(lái)的[9]。本研究中11種柏科植物絕大部分揮發(fā)油成分為各自或少部分物種（≤5）所特有(未列出)，該11種柏科植物特殊氣味正是由這些共有成分和特有成分通過(guò)彼此融合、疊加等作用表現(xiàn)出來(lái)，亦或是其中的少許主要特征香氣成分所決定。

本研究利用GC-MS同時(shí)準(zhǔn)確、定量測(cè)定了柏科植物的相對(duì)含量，其中圓柏屬的4種植物（匍地柏、鉛筆柏、高山柏和鹿角柏）、福建柏（福建柏屬）和孔雀柏（扁柏屬）主要以萜烯類和醇類為主；崖柏屬的3種植物（金鐘柏、日本香柏和北美香柏）、綠干柏（柏木屬）和千頭柏（側(cè)柏屬）主要以萜烯類、醇類和酮類為主。11種柏科植物共有成分（≥6）有49種物質(zhì)，僅占所有物質(zhì)的10.71%，每一種柏科植物的特殊氣味可能正是由這些共有成分和特有成分通過(guò)彼此融合、疊加等作用表現(xiàn)出來(lái)的。通過(guò)主成分分析表明，同屬植物基本能夠聚集在一起。本研究結(jié)果為柏科植物的合理利用提供了一定的理論依據(jù)，此外，主成分分析的方法(利用揮發(fā)油成分種類的相對(duì)百分含量)還可作為柏科植物分類的依據(jù)之一。

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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

寧波市園林植物開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目:寧波市園林植物開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(2014A22008);寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目:11種柏科植物精油成分分析和應(yīng)用研究(ZZS14043)

林樂(lè)靜(1983-),女,碩士,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,主要從事植物資源開(kāi)發(fā)與應(yīng)用工作. E-mail:linlejing01@163.com