廣西樟樹精油的主成分分析及其化學(xué)型的研究

黃 艷，莫建光，周 翔

(廣西分析測(cè)試研究中心，廣西南寧 530022)

樟樹(Cinnamomum camphora(L.)Presl)是樟科樟屬植物中經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的樹種之一［1］，高達(dá)30m，葉近革質(zhì)，互生，橢圓或卵狀橢圓形［2］。樟樹在我國(guó)資源豐富，主要分布在長(zhǎng)江流域以南及臺(tái)灣、廣西、海南島、福建、廣東等地。樟樹的樹干、樹兜、樹根及枝葉都含有精油，伴隨植物化學(xué)和化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，樟樹精油的化學(xué)成分被研究的越來(lái)越深入，科研工作者們不斷發(fā)現(xiàn)新的化學(xué)成分以及新的用途，將其應(yīng)用于香料、農(nóng)藥、礦業(yè)、國(guó)防、化工等行業(yè)［3］。隨著長(zhǎng)期國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)樟樹精油的開發(fā)和利用，人們對(duì)其的認(rèn)識(shí)不斷提高，蔡憲元，劉銀荀等人對(duì)江西、云南、湖北、四川、廣東和福建等主要樟樹分布區(qū)域樟樹中所含的精油進(jìn)行了提取測(cè)定，并利用儀器分析的方法鑒定其化學(xué)成分，對(duì)這些區(qū)域樟樹精油的化學(xué)型進(jìn)行了研究劃分。目前，我國(guó)專家學(xué)者對(duì)樟樹化學(xué)型的研究劃分共有芳樟醇型、樟腦型、桉葉油素型、橙花叔醇型、黃樟油素型、檸檬醛型、龍腦型以及一些混合型等八種類型［4－5］。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)樟樹精油化學(xué)成分和化學(xué)型研究較多，但是很少有對(duì)廣西地區(qū)樟樹的化學(xué)型進(jìn)行系統(tǒng)化研究與分類的報(bào)道。本研究主要是對(duì)廣西不同產(chǎn)地的樟樹枝葉精油進(jìn)行主成分分析和聚類分析，明確廣西樟樹分布區(qū)樟樹的化學(xué)類型，為廣西樟樹資源的開發(fā)應(yīng)用提供依據(jù)并為樟樹精油的質(zhì)量評(píng)價(jià)和分類提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

樟樹葉 選取廣西樟樹生長(zhǎng)密集且具有代表性的六個(gè)樟樹自然分布區(qū)(融水、鹿寨、大桂山、馬山、上林及南寧)共64株進(jìn)行采樣分析。

GC－MS氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀(DSQⅡ質(zhì)譜檢測(cè)器;DB－5MS石英毛細(xì)管色譜柱(30m×0.25mm×0.25μm) 美國(guó)Thermo Frace公司;電加熱套、揮發(fā)油提取器 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樟樹精油的提取 將采集到的樟樹枝葉原料剪碎，粉碎至2～4mm，稱取100g放入圓底燒瓶?jī)?nèi)，加蒸餾水及數(shù)枚玻璃珠，運(yùn)用水蒸氣蒸餾法提取精油。蒸餾約3h后停止加熱，靜置至油水分離，取上層的淡黃色油層即為樟樹精油［6－8］。

1.2.2 GC－MS測(cè)定條件 氣相色譜條件:進(jìn)樣口溫度230℃;載氣為高純氦氣，載氣流量為1.0mL/min;柱溫:程序升溫60～280℃，初始溫度60℃保持2min，以3℃/min升至180℃，再以20℃/min升至280℃，溶劑延遲2.15min;進(jìn)樣量:0.2μL;不分流。

質(zhì)譜條件:質(zhì)譜接口溫度:250℃;電離方式:EI;電子能量:70eV;離子源溫度:200℃;掃描范圍:40～1000m/z［9－11］。

1.2.3 分析方法 通過(guò)保留時(shí)間和質(zhì)譜數(shù)據(jù)，利用NIST(2005)質(zhì)譜庫(kù)對(duì)質(zhì)譜圖進(jìn)行檢索并參考相關(guān)質(zhì)譜資料對(duì)精油的化學(xué)成分進(jìn)行鑒定［12－13］。利用主成分分析、聚類分析法和SPSS15.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)64份樟樹精油樣品的化學(xué)成分進(jìn)行綜合分析［7，14－15］。

2 結(jié)果與討論

2.1 廣西樟樹精油的主成分分析

根據(jù)GC－MS結(jié)果分析，64份樟樹枝葉精油共鑒定出56個(gè)化學(xué)成分［16］，選取相對(duì)平均含量較高的15種成分進(jìn)行主成分分析，分別是α－蒎烯、莰烯、β－水芹烯、月桂烯、β－蒎烯、α－水芹烯、桉葉油素、γ－松油烯、芳樟醇、樟腦、4－萜烯醇、α－松油醇、反式石竹烯、α－葎草烯、橙花叔醇，所選取的15種成分平均相對(duì)含量總和占精油總化學(xué)成分含量的94.23%。通過(guò)Kaiser－Meyer－Olkin(KMO)統(tǒng)計(jì)量及 Bartlett’s球形檢驗(yàn)結(jié)果顯示，所選成分適合進(jìn)行主成分分析。

應(yīng)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件中的描述性分析(Descriptives)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理并通過(guò)計(jì)算原始變量的相關(guān)系數(shù)矩陣旋轉(zhuǎn)后進(jìn)行主成分分析(表1)。

各主成分間載荷系數(shù)相差不大，經(jīng)旋轉(zhuǎn)后各載荷系數(shù)明顯極化，第一主成分中主要起作用的是α－蒎烯和4－萜烯醇，第二主成分中主要起作用的是橙花叔醇和α－葎草烯，第三主成分中主要起作用的是α－松油醇和桉葉油素，第四主成分中主要起作用的是樟腦和芳樟醇，第五主成分中主要起作用的是月桂烯(表1)。

2.2 廣西樟樹精油化學(xué)型的聚類分析

研究選取主成分分析中五個(gè)成分的得分進(jìn)行64份樣品的聚類分析(即Q型聚類)，并選擇歐氏距離平方和法，離差平方和法聚類分析廣西不同化學(xué)類型的樟樹精油。結(jié)果表明以Num=22作為分類標(biāo)準(zhǔn)，可將64份樟樹精油樣品分為5個(gè)化學(xué)類型，聚類結(jié)果可反映出每個(gè)觀測(cè)量的主要成分，這五類化學(xué)型的特征成分均在主成分分析中為主要起作用成分，表明聚類分析結(jié)果完好的對(duì)應(yīng)了主成分分析結(jié)果。表明了聚類分析的合理性、科學(xué)性和正確性(表2)。

第一類為芳樟醇型樟樹，簡(jiǎn)稱芳樟，特征成分為芳樟醇，結(jié)果中包括24份樟樹枝葉精油樣品，占測(cè)試樣品的37.5%。24份樣品中芳樟醇的平均含量為89.75%，最高含量為96.82%，最低含量為80.88%。表明芳樟醇型為廣西樟樹的主要化學(xué)類型，且芳樟醇含量高，有助于進(jìn)一步選出優(yōu)良單株，進(jìn)行組培繁殖，大批量生產(chǎn)天然芳樟醇香料。

第二類為橙花叔醇型樟樹，特征成分為橙花叔醇，結(jié)果中包括7份樟樹精油樣品，占測(cè)試樣品的10.94%。其平均相對(duì)含量為65.04%。最高含量為67.49%，最低含量為63.17%，變異系數(shù)為2.57%，表明廣西橙花叔醇型的樟樹精油中，橙花叔醇含量穩(wěn)定，變異性不大，可穩(wěn)定產(chǎn)出。

表1 SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析主成分Table1 Analysis of main component by statistical software SPSS

表2 64份廣西樟樹精油樣品聚類結(jié)果Table2 The results of hierarchical cluster of 64 samples

續(xù)表

第三類為桉葉油素型樟樹，在前人的分類中簡(jiǎn)稱有油樟、桉樟，特征成分為桉葉油素，結(jié)果中包括8份樟樹精油樣品，占測(cè)試樣品的12.5%。其平均相對(duì)含量為44.18%，最高含量為54.39%，最低含量為28.34%。

第四類為樟腦型樟樹，簡(jiǎn)稱腦樟，特征成分為樟腦，結(jié)果中包括9份樟樹精油樣品，占測(cè)試樣品的14.06%。其平均相對(duì)含量為89.28%，最高含量為95.06%，最低含量為76.36%。表明廣西樟腦型樟樹中樟腦含量較高，平均含量接近90%，也可進(jìn)一步選出優(yōu)良單株，對(duì)樟腦組分分離純化，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

第五類為蒎烯－萜烯醇型樟樹，為混合型的一種，特征成分為α－蒎烯和4－萜烯醇，這兩種成分伴隨出現(xiàn)，結(jié)果中包括16份樟樹精油樣品，占測(cè)試樣品的25%。其中 α－蒎烯的平均相對(duì)含量為32.74%，最高為36.75%，最低為30.13%;4－萜烯醇的平均相對(duì)含量為25.34%，最高為30.01%，最低為15.88%。

2.3 討論

雖然劉虹［17］等在20世紀(jì)90年代初對(duì)廣西樟樹進(jìn)行了初步化學(xué)型分類，但其僅是對(duì)GC－MS測(cè)定得到的廣西樟樹枝葉精油的主要化學(xué)成分進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果，這種分類不夠科學(xué)精確。而主成分分析法與聚類分析法是有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)公式與計(jì)算過(guò)程的一種縝密的科學(xué)分析方法，能夠定量地精確描述眾多變量間數(shù)量關(guān)系，使其關(guān)系清楚，便于理解，結(jié)果更加科學(xué)精確。本實(shí)驗(yàn)對(duì)廣西地區(qū)樟樹的化學(xué)型分類更為科學(xué)系統(tǒng)，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其對(duì)廣西樟樹化學(xué)型分類結(jié)果相似，都檢測(cè)出了芳樟醇型、樟腦型、桉葉油素型和橙花叔醇型，不同之處在于其第五種類型萜烯－松油醇型在本實(shí)驗(yàn)中未檢出，原因可能是由于主成分分析與聚類分析結(jié)果較其分類更科學(xué)精確，也可能是本實(shí)驗(yàn)采樣的局限性導(dǎo)致可能存在的化學(xué)型未被檢出。但是實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到其未在廣西樟樹中檢測(cè)出的蒎烯－萜烯醇型，發(fā)現(xiàn)α－蒎烯和4－萜烯醇含量高的單株樹種，為廣西樟樹研究提供了更多的科學(xué)數(shù)據(jù)與理論支持，更進(jìn)一步提高了廣西樟樹精油的特色性，為進(jìn)一步對(duì)廣西樟樹的深入研究打好鋪墊。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)64份廣西不同產(chǎn)地樟樹枝葉精油樣品的主成分分析，提取出五個(gè)主成分包含了原樣本83.141%的信息量，通過(guò)這五個(gè)主成分評(píng)價(jià)了原15個(gè)主要化學(xué)成分間的相關(guān)變化。第一主成分中主要起作用的是α－蒎烯和4－萜烯醇，第二主成分中主要起作用的是橙花叔醇和α－葎草烯，第三主成分中主要起作用的是α－松油醇和桉葉油素，第四主成分中主要起作用的是樟腦和芳樟醇，第五主成分中主要起作用的是月桂烯。

利用五個(gè)主成分的得分值進(jìn)行聚類分析，并結(jié)合GC－MS分析結(jié)果，選取了歐氏距離平方距離測(cè)度法和離差平方和聚類方法進(jìn)行分析，結(jié)果表明，當(dāng)聚類水平為22時(shí)，每類中各個(gè)觀測(cè)量的主成分明顯且一致，因此將廣西樟樹分為五種化學(xué)類型:芳樟醇型、橙花叔醇型、桉葉油素型、樟腦型和蒎烯－萜烯醇型。其中芳樟醇型分布最廣泛，芳樟醇含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，有助于進(jìn)一步選取優(yōu)良單株，進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，為廣西帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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