植物釋放有益揮發性有機物研究進展

李少寧 ，陶雪瑩 ，李繡宏, ，趙娜，徐曉天，魯紹偉 *

1. 沈陽農業大學，遼寧 沈陽 110866；2. 北京市農林科學院林業果樹研究所/北京燕山森林生態系統長期定位觀測研究站，北京 100093；3. 河北農業大學，河北 保定 071000

揮發性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）由人為源 VOCs（Anthropogenic Volatile Organic Compounds，AVOCs）和生物源 VOCs（Biogenic Volatile Organic Compounds，BVOCs）兩部分組成。全球每年釋放 AVOCs總量僅為植物源VOCs不到 10%（Guenther et al.，2012；Lun et al.，2020）。植物營養器官（葉片等）合成的BVOCs組成豐富，包含烴類、醇類、酯類、醛類、酮類、有機酸和一些含氮化合物。目前，有關植物揮發性有機物研究側重其組成成分（劉榮家，2018；王君怡，2020）、動態變化（Aydin et al.，2014；Chen et al.，2014；Son et al.，2015）、醫藥保健（Hansen et al.，2016）及生理生態功能（Li et al.，2000）等方面。

據統計，多數植物釋放的BVOCs具備較強生理活性和芳香氣味，對人體生理和心理疾病具有保健功效（王茜等，2019）。尤其是烯烴類、酯類、醛類、酮類、醇類、有機酸和其他類化合物有益組分（孫延軍等，2019），心理上可以舒緩情緒，令人身心放松（商天其，2018）；生理上可以消炎抑菌、調節血壓、抗癌抗腫瘤（呂楊，2019）、增強免疫力、抗衰老及止血等功效（王茜，2015）。參閱國內外有關植物釋放的有益BVOCs書籍文獻，主要包括以下七類對人體健康影響明顯的有益成分（表1）。

表1 對人體健康有明顯保健作用BVOCs組分Table 1 The components of BVOCs that have obvious effect on human health

早在1930年Toknh B P提出這一概念，并將對人體有益的揮發性有機物組分定義為“芬多精（植物殺菌素）”，到 80年代，已被證實作為化學信號傳遞物質能夠保護自身免受生物和非生物傷害（Baldwin et al.，1983）。Owen et al.（2002）指出植物BVOCs可以調節心理和生理狀態，改善情緒，緩解壓力。近年來，“生態園林”理念逐漸升溫，從機理上揭示了以上有益成分具備的醫療保健功效（Ilmberger et al.，2001；謝小洋，2016）。

1 有益BVOCs組分概述

1.1 烯烴類揮發性有機物有益成分研究

對人體有益烯烴類揮發性有機物按結構可分為單萜烯、倍半萜烯和脂肪烯，前兩者是有益BVOCs主要成分（Caser et al.，2018；Radwan et al.，2017）。林靜等（2018）采集分析四川5種典型康養植物揮發性有機物成分及含量，實驗表明柏木（）、馬尾松（）、柳杉（）和香樟（）的單萜烯和倍半萜烯相對含量均在60%以上。Gao et al.（2005）對北京市4種針葉樹揮發性有機物釋放特征研究發現，油松釋放 19種揮發性有機物，右旋萜二烯、-蒎烯、-蒎烯、莰烯占總量85.08%；白皮松釋放21種揮發性有機物，-蒎烯、右旋萜二烯、-蒎烯、柏木烯占總量78.54%；紅皮云杉（）釋放17種揮發性有機物，右旋萜二烯、-蒎烯、月桂烯、莰烯、-蒎烯占總量90.83%；雪松（）釋放20種揮發性有機物，右旋萜二烯、-蒎烯、月桂烯占總量63.96%。

植物單萜烯揮發性有機物能夠鎮痛、抗炎殺菌、廣泛應用于醫藥原料中（夏荃等，2018；趙學麗等，2019）。Geron et al.（2000）利用提取、蒸餾方法從濕地松（）、火炬松（）、長葉松（）等代表美國東南部主要森林樹種中分離鑒定出14種重要單萜烯化合物，結果表明-蒎烯和-蒎烯是首要揮發性有機物（Padhy et al.，2005）。目前對二者研究多集中離體植物保健藥理方面，如Chen et al.（2014）發現馬尾松揮發性有機物-蒎烯通過抑制人肝癌細胞BEL-7402增殖，降低周期依賴性激酶1（CDK1）活性，進而表達抗腫瘤效應。Orhan et al.（2006）在研究黃連木（）離體-蒎烯抗炎活性研究中，用 500 mg·kg的-蒎烯藥品給予炎癥小鼠，較健康小鼠表現出顯著抗炎活性。此外，劉彬等（2020）利用PCR擴增技術對馬尾松松材線蟲外源施加-蒎烯和-蒎烯標準樣品，證實了二者可抑制線蟲活性，為樹木蟲害生物防治提供了新思路。

倍半萜烯揮發性有機物同樣具有殺菌消毒、抵抗炎癥等多方面作用。李玲玉等（2020）采用動態封閉法探究干旱脅迫對馬尾松揮發性有機物排放影響，表明在干旱前后倍半萜烯始終以石竹烯和長葉烯為主要成分（二者占比均為倍半萜烯 90%以上）。意大利學者Ghelardini et al.（2001）提取紫丁香（）干花蕾主要成分石竹烯，對家兔和大鼠進行結膜反射試驗，證明了石竹烯局部麻醉活性。墨西哥學者Aguilar et al.（2019）利用天然石竹烯對糖尿病小鼠進行為期45天實驗觀察，研究顯示，石竹烯能夠減輕小鼠焦慮感受和抑郁樣行為，并顯著降低血糖含量。Tsuruta et al.（2011）在研究黑松（）揮發性有機物主要成分時發現，長葉烯對細菌和真菌具有較強抑制活性，能夠控制赤潮浮游生物生長，對海洋生態環境同樣有積極影響。作為植物揮發性提取物，長葉烯可以代替化學防治，發揮一定程度對抗寄生蟲特性（Borges et al.，2016）。

1.2 酯類揮發性有機物有益成分研究

酯類植物揮發性有機物能夠明顯改善情緒障礙，是康體保健重要成分。李曉光等（2001）研究砂仁（Amomum villosum）揮發性有機物主要成分乙酸龍腦酯藥理作用，證實乙酸龍腦酯對番瀉葉引起小鼠腹瀉行為有抑制作用，能夠緩解冰醋酸所致小鼠疼痛感受。熊唯琛（2020）在分析合歡花（Albizia julibrissin）提取物對小鼠急性肝損傷作用機制中，發現揮發性有機物乙酸乙酯通過降低肝臟 NO水平，發揮保肝活性。

多數酯類具有芳香氣味，是植物香氣和食用香料重要來源。呂楊（2019）對烏桕（Sapium sebiferum）葉片釋放揮發性有機物組分研究顯示，單體成分含量最高為乙酸葉醇酯，是揮發性有機物伴有青草香氣主要貢獻者。各類化合物中，乙酸芳樟酯伴有柑橘和花香，是高檔香料和皂用香精主要成分（王秋亞等，2018）；乙酸松油酯具有薰衣草和檸檬混合清香（徐楊斌等，2018）；丙酸芳樟酯伴有花香和果香（田衛環等，2017）。三者均是我國《食品添加劑使用衛生標準》（GB 2760—2014）允許使用的食品用合成香料。

1.3 醛類揮發性有機物有益成分研究

醛類揮發性有機物有益成分包括萜烯醛和脂肪醛。植物釋放醛類化合物主要為脂肪醛。林富平（2012）研究桂花（Osmanthus fragrans）釋放揮發物性有機物動態變化規律時，發現金桂、銀桂、丹桂和四季桂葉片釋放BVOCs均以己醛、天然壬醛和癸醛等醛類為主要成分。日動態變化研究中，銀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檢測到，金桂只有癸醛一天中都有釋放。賈曉軒（2016）對北京市 8、9、10月銀杏林和紅松（Pinus koraiensis）林揮發性有機物釋放規律研究發現，各月銀杏枝葉和銀杏林以及紅松枝葉和紅松林釋放醛類主要成分均為天然壬醛和癸醛。可見己醛、天然壬醛和癸醛是植物釋放主要醛類化合物。多項研究表明，己醛有青草香氣，天然壬醛有柑橘和玫瑰氣味，癸醛有花香，人體在自然狀態下嗅覺其芳香氣味，可作用于腦波中β波α慢波比例增加，使人產生美好感覺（李娟，2009；謝小洋，2016；閆秋菊等，2019）。

現有萜烯醛研究更多關注其生理生態作用機制，代表成分有檸檬醛和香茅醛。郝蕙玲等（2011）研究香茅醛對白紋伊蚊行為反應影響，發現高濃度香茅醛能夠趨避伊蚊，低濃度則有引誘作用。由于化學藥物治療癌癥很大程度影響心臟正常活動，Darinee et al.（2015）利用天然成分檸檬醛聯合阿霉素對人離體淋巴瘤細胞進行抗性試驗，在不損害正常細胞前提下，檸檬醛能夠增加促凋亡蛋白 BAK表達，降低抗凋亡蛋白BCL-XL表達至5.26倍，發揮其抗癌活性。目前，二者已在食品化工、香精香料和醫療保健等方面發揮重要作用（劉樹文，2009；賈潛等，2019；陳怡君等，2020）。

1.4 酮類揮發性有機物有益成分研究

酮類揮發性有機物有益成分研究較少，更多關注萜烯酮類特征成分樟腦和 β-紫羅蘭酮。張薇等（2007）選取湖南植物園銀杏、香樟、楓香（Liquidambar formosana）等20種園林植物研究揮發性有機物抑菌作用，結果表明，各揮發性有機物組分中，樟腦抑菌效果最顯著，能夠有效抑制大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等多種細菌活性，綠化中對經空氣傳播的流行疾病有一定控制意義。在提取樟樹揮發性有機物樟腦配制芳香蒸汽試驗對清醒豚鼠咳嗽反映時，得出結論，500 mg樟腦芳香劑顯著緩解小鼠咳嗽，證實了樟腦具有潛在鎮咳功效（熊穎等，2009）。β-紫羅蘭酮廣泛存在香水、化妝品等香料中。Liu et al.（2004a，2004b，2005）多次開展 β-紫羅蘭酮對人胃癌細胞生存和凋亡影響實驗，發現β-紫羅蘭酮通過抑制細胞周期蛋白轉錄表達，誘導癌細胞凋亡。

此外，利用異佛爾酮作為醫藥原料，制備血管擴張藥物環扁桃酯，治療腦動脈硬化、腦外傷后遺癥等血管障礙疾病有臨床功效（楊水萌，2018；盧昌利等，2020）。

1.5 醇類揮發性有機物有益成分研究

萜烯形成的醇生態保健功能顯著。特征組分包括芳樟醇、龍腦和(+/-)-薄荷醇等。芳樟醇伴有鈴蘭花香，有“香料美王”之譽（李樹炎等，2020），是梔子（Gardenia jasminoides）、黃連（Coptis chinensis）、茉莉（Jasminum sambac）等植物主要香氣成分（安會敏等，2020；徐曉俞等，2020）。Re et al.（2000）研究芳樟醇藥理活性時發現，其對小鼠中樞神經系統（CNS）具有鎮靜作用，以芳樟醇為主要成分的薰衣草精油聯合植物芳香療法能夠鎮靜助眠，緩解患者精神焦慮（Reis et al.，2017；許金釵等，2020）。Paraschos et al.（2011）采用GC-MS提取分析乳香木（Boswellia carterii）揮發性有機物主要成分，發現芳樟醇對大腸桿菌、念珠菌抗菌活性較強。龍腦常作為中藥輔藥或引藥。周小虎（2014）對志愿者進行透皮吸收試驗，證實了龍腦可顯著增加甲硝唑、氟脲嘧啶的透皮滲透率，提高外用藥臨床療效。姜夢麗（2015）研究睡眠剝奪大鼠行為機制，結果顯示芳冰鼻吸劑（芳樟醇、(+/-)-薄荷醇和龍腦）可以調節大鼠海馬區 5-HT、NA、DA含量，降低心率，獲得鎮靜安眠效果。

脂肪醇類揮發性有機物氣味芳香，有較強的殺菌、消炎解熱、抗腫瘤、改善記憶作用（Guzmán et al.，2012；2015）。如順-3-己烯-1-醇（葉醇）幾乎存在所有綠色植物中，伴有強烈青草香氣，是植物“綠色”本體在氣味上的體現（熊皓平等，2004；劉俊，2017）。研究表明葉醇是綠茶、紅豆杉（Taxus chinensis）、金葉女貞（Ligustrum vicaryi）、馬比木等（Nothapodytes pittosporoides）植物釋放主要芳香揮發性有機物之一（楊水萌，2018；衛強等，2019；范培珍等，2020）。Rajendran et al.（2019）嘗試從植物化學角度研究抗癌活性，證實了天然成分香茅醇對乳腺癌具有化學防治功效，可有效抑制癌癥發病率。

1.6 有機酸和其他類揮發性有機物有益成分研究

由于有機酸和其他類有益成分相對較少，故本文將二者歸納為一點進行論述。

姚貽烈等（2015）研究桐花樹（Aegiceras corniculatum）活體枝葉揮發性有機物成分組成，對比分析無花枝葉和開花帶果枝葉，得出結論，后者釋放壬酸和辛酸等有機酸類含量超過前者10%，已被證實是多數花果和食品香氣共有成分（林翔云，2007）。Bandyopadhyay et al.（2016）試圖闡明阿江欖仁（Terminalia arjuna）提取物主要成分油酸的生理活性機制，以雄性白化大鼠為實驗對象，發現油酸對白化大鼠腎上腺素誘導的心肌損傷具有保護作用。

左旋樟腦和甘菊藍是除以上六類有益揮發性有機物類別外，生態保健研究廣泛的揮發性有機物組分。左旋樟腦具有薄荷、樟腦清涼氣味，是迷迭香精油、六經頭痛片主要成分（張曉燕等，2017；牛彪等，2019）能夠鎮痛和興奮神經中樞（李俊妮，2020）。陳云霞等（2020）利用GC-MS輔助鑒別4種樟屬木材時發現，猴樟（Cinnamomum bodinieri）、卵葉桂（Cinnamomum rigidissimum）、辣汁樹（Cinnamomum tsangii）和鈍葉桂（Cinnamomum bejolghota）揮發組分均含有左旋樟腦。Ogata et al.（2005）提取母菊（Matricaria recutita）中甘菊藍配制溶劑，分析志愿者實驗前后反應，觀察到甘菊藍具有抗炎作用，可以緩解氣管插管患者術后疼痛感。Kalil et al.（2014）實驗結果也證實了這一結論。

2 植物釋放有益BVOCs時間動態

有關植物釋放BVOCs時間變動研究多以整體或各類別為對象，針對有益組分少之又少，各BVOCs組分存在時間變動特異性。毛竹（Phyllostachys heterocycla）林春夏秋季α-蒎烯日峰值分別出現在15:00、15:00和09:00，β-蒎烯日峰值分別出現在23:00、05:00和13:00（王茜，2015）。一天中側柏釋放主要成分α-蒎烯、右旋萜二烯和己醛日峰值分別出現在14:00、08:00和10:00；垂柳的乙酸葉醇酯、己醛、異佛爾酮和葉醇日峰值分別在 18:00、10:00、10:00、和 16:00（王君怡，2020）。

不同林分類型季節性變動差異較大。謝小洋（2016）分析油松和國槐主要揮發性有機物季節動態變化，研究顯示，油松主要成分 α-蒎烯秋季>春季>夏季，β-蒎烯夏季>秋季>春季；國槐的 α-蒎烯春季>夏季>秋季，右旋萜二烯和β-蒎烯夏季>春季>秋季；檜柏主要成分檸檬烯夏季釋放量最高，秋季次之，β-蒎烯、α-蒎烯和月桂烯夏季釋放量最高，春季次之（高巖，2005）。可見不同植物每個月都可能出現其特征化合物，有益組分季節變化顯著（Aaltonen et al.，2010；Son et al.，2015）。

以上結果表明，植物釋放有益揮發性有機物可能與光照、葉面溫度、濕度等外界環境條件以及自身生理調控關系密切。正因如此，一天中不同條件變化影響有益BVOCs合成和釋放也相應呈現一定特異性。

3 影響植物有益揮發性有機物釋放的內外在因素

有益BVOCs以不同濃度配比存在植物體中，組分含量表現為時間上多變和空間復雜多樣，受植物自身和外界環境共同作用（王琦，2014）。

樹種差異是決定有益BVOCs釋放首要內在因素，不同科屬樹種間差異較大。針葉樹種主要釋放α-蒎烯、β-蒎烯、月桂烯、檸檬烯等單萜烯組分，占總揮發性有機物69%；闊葉樹僅占總揮發性有機物16%，包括少量檸檬烯、羅勒烯、石竹烯、檜烯等（Aydin et al.，2014）。其中，多數植物特征有益組分不同，如油松和側柏α-蒎烯含量最高；白樺（Betula platyphylla）檜烯含量最高（Lun et al.，2020）；濕地松（Pinus elliottii）β-蒎烯含量最高（任露潔，2012）。植物在不同發育階段釋放 BVOCs也存在一定動態性，這與樹齡、葉齡、氣孔導度和體內有機物相關酶調控活性等關系密切（謝小洋，2016）。

與此同時，植物通過調節有益組分釋放適應環境生物因子。如鼠尾草（Salvia japonica）通過降低α-蒎烯、檸檬烯和羅勒烯含量，提高龍腦釋放量適應干旱脅迫（Caser et al.，2018）。油松球果在發生蟲害后能夠產生包括石竹烯、右旋萜二烯、α-蒎烯和β-蒎烯等特異性化合物，作為化學信號在植株間傳遞信息，保護自身驅避害蟲并引誘其天敵（李新崗等，2006）。影響植物有益揮發性有機物釋放非生物環境因子如光照對植物排放α-蒎烯、β-蒎烯、月桂烯和樟腦有一定直接影響（馬楠，2012），羅勒烯對其響應激烈（Owen et al.，2002），而張學珍等（2015）研究表明，單萜烯有益成分排放速率由溫度和光照共同決定，當植物體儲存量足夠大時，與溫度呈正相關關系。此外，環境的相對濕度也會影響植物釋放有益BVOCs，Janson（1993）對比干濕條件下蘇格蘭松（Pinus sylvestris ）和挪威云杉（Picea excelsa ）發現在濕潤條件下二者α-蒎烯和β-蒎烯釋放的更高。綜上所述，開展影響植物釋放有益BVOCs多種影響因素的單一作用和協同作用的研究是很有必要的。

4 植物BVOCs應用與爭議

早在上世紀30年代就有植物“芳香療法”，近年來，俄羅斯“植物氣體診療所”、德國“森林醫院”、日本“森林浴場”等均從機理上證實了有益 BVOCs生態保健效益，而我國對有益的BVOCs的利用也進行了嘗試，近年也在一些林區建立了一批森林浴場，如北京開發的紅螺松林浴園、浙江天目山森林健康醫院及廣東鼎湖山的天然氧吧等。但事物普遍具有兩面性，植物釋放BVOCs也不例外。研究表明，植物釋放某些揮發性有機物會對人體產生不利影響，如暴馬丁香（Syringa reticulata）釋放的BVOCs含有大量里哪醇、苯甲醛和苯乙醛；珍珠梅（Sorbaria sorbifolia）釋放的乙酸甲酯和含氮類揮發性有機物均具有刺激性，長時間嗅聞使人精神高度緊張（高巖，2005；高媛，2019）。同時，植物釋放BVOCs具有生理活性易與大氣中其他化合物發生化學反應，特別是大氣污染物，產生危害人體健康和生態環境的物質。如與 NO反應形成臭氧，是形成臭氧的前體物（Lun et al.，2020；劉東煥等，2016）。其中，NO主要來源于城市汽車尾氣和化石燃料燃燒，更多的BVOCs排放，會導致部分有大量植被覆蓋的城市郊區反而具有更高的臭氧濃度（程灝旻，2021）。事實上，并非有害氣體存在就會影響身心健康，它還受到環境因素和濃度大小制約。研究已經證實，大部分植物釋放的有害BVOCs成分和含量極其微弱，容易被氧化，如夾竹桃（Nerium oleander）釋放的丙稀醛容易被氧化成丙烯酸。因此，我們應該對植物釋放BVOCs有更加清楚認知，更重視植物揮發性有機物有益功能。

5 研究展望

（1）不同林分及群落對有益 BVOCs釋放是否具有其他作用還不清楚，林木密度、栽植數量和樹種配置模式等條件對有益揮發物釋放影響沒有定論，建議今后開展此方向研究，為創建復合型生態群落提供科學配置建議。

（2）現有研究局限于明確更多對人體康健有益揮發物成分，忽略了其保健機制與濃度閾值的緊密聯系，今后開展工作應重點探究各揮發物濃度閾值對康體保健及生態功能發揮影響，可以借助小白鼠模擬濃度試驗，更加全面細致測定對人類生理指標產生正面效應的有益BVOCs最佳濃度，達到康體保健理想效果。

（3）有益 BVOCs以不同濃度配比存在植物體中，組分含量表現為時間上多變和空間上復雜多樣；在生長過程中伴隨外界環境因子和自身生理調控發生變化，應進一步開展長期觀測，加大各環境因子與有益BVOCs相關性分析，此外，夜間有益BVOCs釋放研究也是不容忽視，可為實現人為調控其釋放達到更加理想康養功能提供建議。

（4）植物在釋放有益 BVOCs同時，也合成了危害人體的揮發物組分，在今后城市園林綠地建設中，嘗試利用植物間相互作用等方式權衡好景觀生態與化學生態效益，建設以人為本宜居環境，綜合提升植物美與生態保健功能。