模擬氮沉降對紫蘇葉揮發(fā)油主要成分的影響

王慶玲， 董　濤， 杜文玉， 李凱明， 呂朝磊， 張子龍， 王寶華

( 北京中醫(yī)藥大學 中藥學院， 北京 100102 )

模擬氮沉降對紫蘇葉揮發(fā)油主要成分的影響

王慶玲， 董濤， 杜文玉， 李凱明， 呂朝磊， 張子龍*， 王寶華

( 北京中醫(yī)藥大學 中藥學院， 北京 100102 )

摘要：我國為世界三大高氮沉降區(qū)之一，氮沉降嚴重影響了植物生長發(fā)育。該研究采用噴施硝酸銨(NH4NO3)模擬氮沉降，分析了不同濃度氮沉降作用下紫蘇葉中紫蘇醛、D-檸檬烯、α-蒎烯等3種揮發(fā)油成分的變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨噴施氮鹽濃度不斷提高，紫蘇葉揮發(fā)油的3種主要成分含量均有顯著下降趨勢；氮鹽濃度升至0.044 mol·L-1時，紫蘇醛、D-檸檬烯、α-蒎烯的含量降至最低，之后趨于穩(wěn)定；氮鹽濃度對3種揮發(fā)油成分含量的比例也有影響；不同氮鹽濃度處理下，3種揮發(fā)油成分的變異系數(shù)不同，紫蘇醛的變異系數(shù)為0.692 9，D-檸檬烯的變異系數(shù)為0.460 1，而α-蒎烯的變異系數(shù)為0.271 6，即紫蘇醛含量變化最大，α-蒎烯含量最為穩(wěn)定。大氣氮沉降濃度對紫蘇葉揮發(fā)油主要成分含量有顯著影響，隨氮鹽濃度不斷提高，紫蘇醛、D-檸檬烯、α-蒎烯等3種揮發(fā)油成分含量呈降低趨勢，尤以紫蘇醛含量的降低最為劇烈。氮沉降增加對紫蘇葉有效成分含量有降低的作用。

關(guān)鍵詞：氮沉降， 紫蘇， 紫蘇醛， D-檸檬烯， α-蒎烯

氮沉降是大氣中的氮化合物(包括自然來源和人類活動來源)通過非生物途徑進入生態(tài)系統(tǒng)的過程。自工業(yè)革命以來，諸如礦物燃料的燃燒、含氮化肥的生產(chǎn)使用、畜牧業(yè)等人類活動日益擴展，使得向大氣中排放含氮化合物迅速增加(張煒等，2008；孫本華等，2006；樊后保等，2007)，導致大氣氮沉降強度劇增(張維娜等，2009)。我國已成為世界三大高氮沉降區(qū)之一，許多地區(qū)存在高氮現(xiàn)象(Galloway et al, 2003；榮海等，2011)。氮沉降嚴重影響了植物的生長發(fā)育，但以往多以森林生態(tài)系統(tǒng)為主要研究對象，很少探討藥用植物對氮沉降的響應(yīng)規(guī)律。目前我國有40%的植物類藥材供應(yīng)主要依靠栽培品種，因此探討氮沉降對藥用植物生長發(fā)育，尤其是對其有效成分含量的影響尤為重要及緊迫。

紫蘇葉為唇形科植物紫蘇(Perillafrutescens)的干燥葉(或帶嫩枝)，有解表散寒，行氣和胃的功效(國家藥典委員會，2015)。紫蘇葉揮發(fā)油的有效成分主要是紫蘇醛，另外還有少量的D-檸檬烯和α-蒎烯。紫蘇栽培歷史悠久，目前分布于全國20多個省，但主要產(chǎn)于江蘇、安徽和湖南等南方地區(qū)。而上述地區(qū)正是我國的主要氮沉降區(qū)域，大氣氮沉降量在5.1～25.6 kg·hm-2·a-1之間。因此，本研究擬通過噴施不同濃度氮鹽模擬不同程度大氣氮沉降，通過揮發(fā)油提取、氣相-質(zhì)譜分析(任潔等，2006)，分析氮沉降增加對紫蘇葉揮發(fā)油成分的影響，以期揭示大氣氮沉降增加背景下紫蘇葉品質(zhì)變化規(guī)律，對于闡明氮沉降對藥用植物的影響機制，全面了解氮沉降生態(tài)效應(yīng)具有重要意義。

1材料與方法

1.1 材料與器材

1.1.1 實驗材料 紫蘇種子購自北京市芳萱苑種子有限公司，經(jīng)鑒定為唇形科紫蘇屬植物種子。在北京市園林科學研究所進行試驗， 2014年3月下旬播種，待苗高5～6 cm時移至田間，常規(guī)管理。7月下旬收獲成熟紫蘇葉，清洗干燥后備用。

1.1.2 實驗器材揮發(fā)油提取器(2 000 mL燒瓶 型號:BB89-2000)，美國Agilent(安捷倫)7890A-5975C氣質(zhì)聯(lián)用儀。

1.2 試驗設(shè)置

設(shè)置5種不同濃度氮鹽(NH4NO3)模擬大氣氮沉降，由低至高分別為0、0.011、0.022、0.044、0.088 mol·L-1，從4月開始，每月的月中和月末各進行1次噴灑，其中氮濃度為0的對照組噴灑等量蒸餾水。

1.3 揮發(fā)油提取

按國家藥典委員會(2010)中揮發(fā)油提取方法提取。采用水蒸氣蒸餾法，每處理約100 g紫蘇葉，加入600 mL蒸餾水，蒸餾6 h得到淺黃色紫蘇揮發(fā)油樣品。

1.4 GC-MS分析

色譜條件：用美國安捷倫公司7890A-5975C氣質(zhì)聯(lián)用儀，色譜柱是19091S-433-Agilent HP-5ms 5% Phenyl Methyl Silox氣相毛細管柱(30 m × 250 μm × 0.25 μm)，進樣口采用Agilent分流/不分流進樣口，進樣口溫度為250 ℃，不分流，進樣量2 μL，程序升溫：初始溫度95 ℃，20 ℃·min-1到 190 ℃持續(xù)1 min，5 ℃·min-1到230 ℃持續(xù) 1 min，25 ℃·min-1到290 ℃持續(xù)20 min(王琦等，2009；盧汝梅等，2006)。電離方式為EI源，離子源溫度為230～250 ℃，四級桿150～200 ℃。

2結(jié)果與分析

2.1 氮沉降對揮發(fā)油主要成分含量影響

用毛細管氣相色譜法對紫蘇葉揮發(fā)油進行分析，采用色譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以峰面積歸一化法測得揮發(fā)油各組分相對含量(李健雋，2012；彭炳先等，2007)。本文重點考察紫蘇葉中3種主要的揮發(fā)油成分：紫蘇醛，D-檸檬烯和α-蒎烯。不同氮沉降濃度下3種揮發(fā)油成分含量結(jié)果見表1，揮發(fā)油成分與氮沉降濃度線性關(guān)系見表2。揮發(fā)油成分含量對氮沉降濃度變化的響應(yīng)規(guī)律見圖1。

從圖1可以看出，3種成分的相對含量都隨著模擬氮沉降濃度的增加而減小。根據(jù)線性方程，紫蘇醛的下降速度最快，即氮鹽濃度在0～0.044 mol·L-1范圍內(nèi)，其濃度的變化對紫蘇醛含量的影響最大，其次為D-檸檬烯，最后是α-蒎烯。由表2可知，紫蘇醛與氮鹽濃度線性關(guān)系較強(R2=0.995 4>0.99)，而對于D-檸檬烯和α-蒎烯，其線性關(guān)系相對較弱。

表 1　不同濃度氮沉降作用下紫蘇葉揮發(fā)油3種主要成分GC-MS分析結(jié)果

表 2　3種主要揮發(fā)油成分與氮沉降濃度線性關(guān)系

2.2 氮沉降對3種主要成分比例影響

根據(jù)不同氮鹽濃度下3種主要揮發(fā)性成分的相對含量，可計算出其比例關(guān)系，結(jié)果見表3?？梢钥闯?，隨著氮鹽濃度不斷增加，D-檸檬烯和紫蘇醛相對于α-蒎烯的比例不斷減小，當濃度達到0.044 mol·L-1時，三者的比例關(guān)系趨于穩(wěn)定，為1∶24∶28，并且此時各成分相對含量均為最低。

表 3　不同氮鹽濃度下3種主要揮發(fā)性成分的比例

2.3 不同揮發(fā)油成分對氮沉降敏感性差異

對紫蘇葉揮發(fā)油中3種主要成分相對含量變異系數(shù)進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：3種揮發(fā)油成分的變異系數(shù)大小為α-蒎烯(0.692 9)>D-檸檬烯(0.460 1)>紫蘇醛(0.271 6)。說明不同氮鹽濃度條件處理下，紫蘇醛含量的變化比較大，而對α-蒎烯在揮發(fā)油中的含量比較穩(wěn)定。

3結(jié)論

傳統(tǒng)觀點認為，自然生態(tài)系統(tǒng)對大氣氮沉降相對不敏感， 但也有研究認為應(yīng)該重新評價自然生態(tài)系統(tǒng)中氮沉降的重要性(劉學軍， 2004； 王體健等，2008)。本研究發(fā)現(xiàn)大氣氮沉降濃度與紫蘇葉揮發(fā)油中主要成分含量密切相關(guān)，而且隨著氮沉降濃度升高，紫蘇葉揮發(fā)油成分含量顯著降低，因此，氮沉降對于自然生態(tài)系統(tǒng)中藥用植物有效成分的影響應(yīng)該引起足夠重視。

圖 1　紫蘇葉揮發(fā)油3種主要有效成分隨氮沉降濃度變化曲線　a. α-蒎烯; b. D-檸檬烯; c. 紫蘇醛Fig. 1　Linear relation of three main components of volatile oil in Perilla frutescens and nitrogen deposition concentration　a. α-Pinene; b. D-Limonene, c. Perilla aldehyde.

一定量的氮沉降可以增加植物的生產(chǎn)力，當沉降量超過了植物和微生物對氮的需求時，植物的生產(chǎn)力反而降低(李德軍等，2003；Nakaji et al, 2002)。調(diào)查表明，我國降水NO3-離子濃度(0.32×10-6mol·L-1)和沉降量(0.20×10-6mol·L-1)與美國、日本接近，而NH4+濃度則更高，其沉降量也更大，分別是美國和日本的4倍和3.7倍(張穎等，2006；薛璟花等，2005)。因此，本研究中較高濃度氮沉降處理使紫蘇葉揮發(fā)性成分含量降低，可能是因為受到了NH4+過量脅迫導致的。在后續(xù)研究中，應(yīng)該設(shè)置NH4+和NO3-的單獨對照試驗，進一步明確不同離子對紫蘇葉3種成分含量及其合成過程的影響。此外，本研究試驗未排除自然條件下的大氣氮沉降效應(yīng)，今后應(yīng)采用大棚種植，以隔絕大氣氮沉降影響。同時增加實驗組，設(shè)置更低的NH4NO3濃度，從而得到紫蘇葉揮發(fā)油中主要有效成分在更低濃度氮沉降條件下的含量變化，更加全面評估氮沉降對藥用植物有效成分含量的影響。

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Effects of simulated nitrogen deposition on main components of volatile oil inPerillafrutescens

WANG Qing-Ling， DONG Tao， DU Wen-Yu， LI Kai-Ming，Lü Zhao-Lei， ZHANG Zi-Long*， WANG Bao-Hua

(SchoolofChinesePharmacy，BeijingUniversityofChineseMedicine， Beijing 100102， China )

Abstract:Our country is one of the three nitrogen settlement areas in the world, and nitrogen deposition seriously affects the growth and development of plants. We analyzed the changing rule of the three kinds of volatile oil components, Perilla aldehyde, D-Limonene, α-Pinene in the leaves of Perilla frutescens, under different concentrations of nitrogen deposition, by spraying ammonium nitrate nitrogen deposition (NH4O3) simulation. The results showed that with the continuous improvement of salt spraying nitrogen, the main components of the volatile contents of the three kinds of Perilla frutescens oil were significantly downward; Salt concentration of nitrogen at 0.044 mol·L-1, Perilla aldehyde, D-Limonene, the content of α-Pinene fell to the lowest, after stabilizing; Nitrogen salt concentration on the proportion of three kinds of volatile oil contents were also affected; Under different nitrogen salt concentrations processing, variation coefficients of three kinds of volatile oil compositions were different. Perilla aldehyde of variation coefficient was 0.692 9, D-Limonene variation coefficient was 0.460 1, and α-Pinene variation coefficient was 0.271 6. The Perilla aldehyde content displayed the biggest change, while the α-Pinene content was the most stable. In conclusion the concentrations of atmospheric nitrogen deposition had significant effects on the main volatile oil contents in P. frutescens leaves. With the increase of salt concentration in nitrogen, The volatile oil contents, Perilla aldehyde, D-Limonene, α-Pinene etc. showed a trend of reduce, especially in the lower levels of the most dramatic perillaldehyde. Increased nitrogen deposition would decrease the quality of P. frutescens.

Key words:nitrogen deposition, Perilla frutescens, Perilla aldehyde, D-Limonene, α-Pinene

DOI:10.11931/guihaia.gxzw201409017

收稿日期:2014-12-03修回日期： 2015-03-26

基金項目：北京市教委大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目(BJGJ1333)[Supported by the Undergraduates Innovation and Pioneering Project of Beijing Municipal Education Commission(BJGJ1333)]。

作者簡介：王慶玲(1993-)，女，湖南常德人，碩士，主要從事中藥藥劑學研究，(E-mail)1042818394@qq.com。 *通訊作者： 張子龍，博士，副研究員，碩士生導師，從事中藥資源與生態(tài)、中藥材規(guī)范化生產(chǎn)與質(zhì)量控制研究，(E-mail)zhangzilong76@163.com。

中圖分類號：Q946.889

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3142(2016)03-0369-04

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