8種木犀科植物的花香成分分析與聚類分析

劉雅蘭,金夢然，姚瑞紅，史寶勝

(河北農業(yè)大學 園林與旅游學院，河北 保定 071000)

植物花香是植物最重要的觀賞性狀之一，由花朵釋放的一系列低分子量、低沸點、揮發(fā)性化合物所組成[1-2]?；ㄏ阕鳛橹参锏闹饕獡]發(fā)性成分，在觀賞植物中具有重要的感官意義與美學價值；具有吸引昆蟲傳粉，以保證植物的生殖繁衍的作用；當植物在遭遇外來生物入侵時，花香中具有強烈氣味的次生代謝產物，可起到驅趕入侵生物以及吸引其天敵的作用[3]。目前關于觀賞植物的香氣研究已有較多報道，萜烯類化合物廣泛存在于高等植物及某些真核生物中，是植物次生代謝的重要產物。Yang等[4]發(fā)現萜類化合物是丁香屬植物的主要成分，對丁香屬植物的揮發(fā)性成分貢獻最大。施婷婷等[5]對桂花不同花期花香揮發(fā)物進行了主成分分析，發(fā)現 β-紫羅蘭酮是金桂初花期和盛花期產生的主要化合物。夏雪娟等[6]研究得出了桂花中含有芳香醇類、紫羅酮類、羅勒烯類及蒎烯類等花香成分，也含有其他不同的香氣成分，這種成分的差異可能與地區(qū)不同或品種不同、甚至與檢測方法不同有關系。木犀科植物的花香成分研究較少，尤其是女貞屬植物的花香成分研究，為此，以8種木犀科丁香屬、女貞屬植物花朵為試材，研究花香成分，以期為丁香屬與女貞屬植物的花香成分研究提供了參考。

木犀科屬雙子葉植物綱菊亞綱，約27屬，600余種，廣布于溫帶和熱帶地區(qū)，亞洲地區(qū)種類最多，我國約有12屬。匈牙利丁香(SyringajosikaeaJ.Jacq. ex Rchb.f.)，小葉丁香(SyringamicrophyllaDiels)，什錦丁香(Syringa×chinensisSchmidt)和北京丁香(SyringapekinensisRupr.)屬于丁香屬，灌木或小喬木，花序排列整齊，花香濃郁芬芳，常用于園林綠化和觀賞。女貞(LigustrumlucidumAit.)，金葉女貞(Ligustrum×vicaryiRehder)，小葉女貞(LigustrumquihouiCarr.)和遼東水蠟(LigustrumobtusifoliumSieb.)屬于女貞屬，喬木或灌木，大多數樹種耐修剪，枝葉繁茂且為常綠樹種，多用于行道樹、園道樹、街道綠化等，花多且芬芳，具有很高的觀賞性。本研究以木犀科2個屬8種植物為試驗材料，通過氣質聯用儀(GC-MS)測定8種植物的盛花期揮發(fā)物成分，分析8種植物的花香主要成分，木犀科植物的分類建立在宏觀結構上，微觀視角研究較少，對于親緣關系和進化地位尚無明確的判斷方法。以花香成分為基礎進行聚類分析，為木犀科丁香屬與女貞屬植物的親緣關系界定提供參考依據，也為提高木犀科植物的綜合效益提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與試驗材料

試驗所用的8種植物花朵采集于河北省保定市河北農業(yè)大學西校區(qū)校園與河北綠地花卉景觀研創(chuàng)中心。試驗材料均為多年生植株，每種植物選擇生長健壯、無病蟲害的處于盛花期的3～5株植株，早8:00在每株大致相同部位進行采樣，將每株植物上采集的花朵混勻，保鮮保濕迅速帶回實驗室處理并進行揮發(fā)物萃取，每個樣品重復3次。

1.2 香氣成分與含量測定

植物花香成分采集與分析采用頂空固相微萃取法(HS-SMPE)與安捷倫7890A/5975C氣相色譜-質譜聯用儀(GC-MS)相結合[7-9]。手動固相微萃取進樣器、萃取纖維頭與氣相色譜-質譜聯用儀均為美國Supelco公司制造。

每種植物采集好的樣品稱量1 g(±0.001)置于20 mL的頂空取樣瓶中，插入SMPE纖維頭，將頂空取樣瓶放入恒溫水浴鍋內，42 ℃下頂空萃取30 min。萃取纖維頭在第1次使用前，需在250 ℃下老化1 h。萃取完成后，收回纖維頭，取出插入GC-MS進樣口，解析6 min后，進樣分析。

氣相色譜-質譜聯用儀色譜柱為HP-5MS(60 m × 320 μm × 0.25 μm)石英纖維毛細管柱。載氣為高純氦氣，流速1.0 mL/min。色譜條件是：柱溫50 ℃ 保持3min，由3 ℃升到120 ℃保持1 min，接著由10 ℃升到 220 ℃保持1 min，最后由4 ℃升到240 ℃保持4 min。質譜條件：進樣口溫度維持在230 ℃，電離方式EI，電子能量70 eV，離子源溫度為230 ℃，MS四極桿溫度是150 ℃，掃描范圍為40～450 amu。

1.3 香氣成分的鑒定與分析

根據各個樣品的GC-MS總離子流色譜圖，解析各個峰所對應的質譜圖，將所得到的質譜數據，經計算機譜庫NIST 05標準譜庫檢索及資料分析，按SI相似度>80%的原則結合網站上對應物質所列舉的相關文獻對樣品進行定性分析，根據離子流峰面積歸一化法計算各組分在總揮發(fā)物中的相對含量。

1.4 數據處理

采用OriginPro2019b數據分析軟件對數據進行后期分析處理。

2 結果與分析

2.1 8種植物的花香成分及其相對含量

在8種木犀科植物的盛花期共檢測出114種花香物質，可分為9大類：萜烯類、醚類、芳香烴、醇類、酯類、酚類、醛類、烷烴和酮類。

8種木犀科植物的揮發(fā)性成分類別見表1。

表1 8種木犀科植物的揮發(fā)性成分主要類別Table 1 Types of volatile components of 8 species of Oleaceae plants %

由表1可知，每種植物盛花期花香成分差異較大，8種木犀科植物中均檢測并識別到萜烯類物質和醇類物質。其中，萜烯類物質在4種丁香和金葉女貞、女貞中的相對含量較大，是其花香成分的主要類別。8種木犀科植物中，匈牙利丁香的萜烯類物質相對含量最高，有73.86%；其次是小葉丁香，萜烯類物質相對含量為71.01%；小葉女貞的萜烯類物質相對含量最低，僅有2.04%。匈牙利丁香的萜烯類物質相對含量是小葉女貞的36倍。在8種木犀科植物中均識別到醇類物質，但是在各植物的揮發(fā)性成分中酯類物質的相對含量較低，小葉丁香花香揮發(fā)物中的物質占比最重，相對含量為10.75%，其次是什錦丁香，相對含量為10.07%，匈牙利丁香中的醇類物質相對含量最低，僅占1.06%。除遼東水蠟之外的7種植物中均檢測到酯類物質，其相對含量最高的是小葉女貞，其相對含量有61.02%，而匈牙利丁香中的酯類物質最少，其相對含量只有0.19%。在北京丁香、女貞、小葉女貞和遼東水蠟4種植物的花香揮發(fā)物中檢測到酮類物質，其中相對含量最高的是遼東水蠟，其相對含量有61.15%，北京丁香、女貞和小葉女貞中酮類物質的相對含量都很低。植物的花香組成復雜，每種植物的揮發(fā)物成分種類與含量都不相同，化合物種類較多，小葉女貞中檢測到的花香揮發(fā)物涵蓋了所有花香物質的類別[10-11]；有的植物檢測到的揮發(fā)物質數量較少，化合物種類也較少，小葉丁香、金葉女貞和遼東水蠟中檢測出的花香成分都只占到4個類別。小葉女貞檢測出9個類別的花香物質合計32種有效成分，什錦丁香檢測出8個類別的27種有效成分，遼東水蠟則只測定出4類共9種有效成分。

2.2 4種丁香屬植物花香成分分析

4種丁香共檢測出69種主要花香成分,見表2。不同品種的丁香檢測到的揮發(fā)成分有差別，匈牙利丁香檢測到23種，小葉丁香檢測到20種，什錦丁香檢測到27種，北京丁香檢測到27種。4種丁香屬植物中共同檢測出了萜烯類、醇類和酯類化合物，其中萜烯類成分是其各自揮發(fā)物相對含量的最大值。匈牙利丁香的萜烯類物質相對含量為73.86%，小葉丁香的萜烯類相對含量為71.01%，什錦丁香的萜烯類占50.5%，北京丁香的萜烯類相對含量是55.5%。萜烯類化合物中(Z)-β-羅勒烯在匈牙利丁香中相對含量最高，為67.98%，北京丁香為47.7%，什錦丁香43.03%，小葉丁香20.03%。α-法呢烯在小葉丁香中相對含量最高，為49.39%，北京丁香1.32%，匈牙利丁香0.12%，什錦丁香中沒有檢測到此成分。(E)-β-羅勒烯在什錦丁香和北京丁香中相對含量分別占4.22%和3.22%。別羅勒烯存在于匈牙利丁香、小葉丁香和北京丁香中，其相對含量分別是0.99%、0.14%和0.82%。醇類化合物在4種丁香中的占比情況分別是：小葉丁香10.75%，什錦丁香10.07%，北京丁香7.37%，匈牙利丁香1.06%。由此可知，4種丁香中，小葉丁香的醇類物質最多。酯類物質中的苯乙醇和苯甲醇含量較高，且分別在小葉丁香、什錦丁香和北京丁香中測得。匈牙利丁香中測得的醇類物質有丁香醇D和丁香醇A。在4種丁香屬植物中的酯類物質相對含量較低，但數量較多，大部分酯類成分只在小葉丁香中測得。

表2 4種丁香盛花期主要揮發(fā)性成分及其相對含量Table 2 The main volatile components of 4 kinds of Syringa and their relative content %

續(xù)表2

續(xù)表2

2.3 4種女貞屬植物花香成分分析

女貞屬4種植物共測出65種揮發(fā)成分，見表3。

表3 4種女貞屬植物盛花期主要揮發(fā)性成分及其相對含量Table 3 The main volatile components of the four Ligustrums plants in their full blooming period and their relative contents %

續(xù)表3

續(xù)表3

由表3可知，金葉女貞23種，女貞28種，小葉女貞32種，遼東水蠟10種。揮發(fā)物質按類別劃分分別是：酯類31種、萜烯類10種、芳香烴5種、 醇類5種、烷烴類5種、酮類3種、醛類3種、醚類2種、酚類1種。其中，萜烯類和醇類是4種女貞屬植物都存在的揮發(fā)物成分種類，4種植物的萜烯類相對含量分別是：金葉女貞20.51%、女貞35.47、小葉女貞2.04%、遼東水蠟13.14%；(Z)-β-羅勒烯存在于4種女貞屬植物中，在女貞中的含量最高，為30.97%，其次是金葉女貞18.07%，遼東水蠟2.06%，小葉女貞中的含量最低0.84%。α-法尼烯存在于遼東水蠟、女貞和金葉女貞中，遼東水蠟中的含量最高，其次是女貞和金葉女貞，含量分別是6.76%、1.36%和1.11%。(E)-β-羅勒烯只在女貞和金葉女貞中測得，分別為1.86%和0.84%。別羅勒烯也在金葉女貞和女貞中測得，相對含量分別是0.49%和0.29%。4種植物的醇類相對含量分別是：金葉女貞4.16%、女貞1.48%、小葉女貞2.25%、遼東水蠟5.71%，其中金葉女貞的醇類物質相對含量最高。苯甲醇在金葉女貞、女貞和小葉女貞的相對含量分別是1.68%、0.33%和0.92%，但是遼東水蠟中并未檢測到苯甲醇。

有的植物上某種成分占比較大，但是在另一種植物中它含量卻非常低，甚至不存在。例如，酯類的揮發(fā)物數量在9類成分類別中最多，但是只有小葉女貞的酯類相對含量最高，為61.02%，金葉女貞24%，女貞14.7%，遼東水蠟并未檢測出酯類成分。小葉女貞中相對含量最高的物質是安息香酸乙酯，占比35.7%。酮類在遼東水蠟中的相對含量為61.15%，女貞0.19%，小葉女貞0.37%，金葉女貞中未檢測出酮類成分。小葉女貞中相對含量最高的物質是苯乙酮，相對含量為51.88%。酚類物質只在小葉女貞中檢測出來，愈創(chuàng)木酚含量為0.5%。

2.4 8種植物的花香成分聚類分析

丁香屬與女貞屬植物在系統(tǒng)分類學上一直處于相近的位置。丁香屬內各類群劃分為長花冠管組和短花冠管組，其下級分類又可分為長花冠管組的頂生花序系、巧玲花系、歐丁香系和短花冠組的羽葉丁香系[12]，共4個系別。以8種植物的花香成分為基礎，用OriginPro 2019b對8種木犀科植物進行聚類分析，此次試驗的4種丁香分別選自于4個系別。如圖1可知，在數據信息保留量達到40%時，8種木犀科植物可以劃分為2個類群: 第一類群有匈牙利丁香、小葉丁香、什錦丁香、北京丁香和女貞。這一類植物的萜烯類含量都較高，是花香揮發(fā)物質的主要來源。第二類群是金葉女貞、遼東水蠟、小葉女貞。這組植物的花香主要成分除萜烯類物質外，還有其他物質，金葉女貞中的醚類花香物質較多，遼東水蠟中的酮類物質較多，小葉女貞中的酯類物質較多，3種植物中的醇類物質相對含量相似。當數據信息保留在20%時，可以分為3類：第1類是匈牙利丁香和小葉丁香，其主要花香成分都是萜烯類物質，相對含量都高于70%，匈牙利丁香的主要花香成分是(Z)-β-羅勒烯、對苯二甲醚等，其中(Z)-β-羅勒烯的相對含量是67.98%；小葉丁香的主要花香成分是α-法呢烯和(Z)-β-羅勒烯，其中α-法呢烯的相對含量是49.39%。第2類是什錦丁香、北京丁香和女貞，丁香屬植物的揮發(fā)物質與女貞屬植物的揮發(fā)物質之間存在一定相似性。什錦丁香的主要花香成分有(Z)-β-羅勒烯、苯甲醛和芐甲醚；北京丁香的主要花香成分有(Z)-β-羅勒烯、(E)-β-羅勒烯和順式氧化芳樟醇；女貞的主要花香成分有(Z)-β-羅勒烯、苯酸甲酯和甲氧基苯甲酸甲酯。它們的主要花香成分是由大量的(Z)-β-羅勒烯的一定比例的其他物質組成，其中(Z)-β-羅勒烯的相對含量分別為43.03%、47.7%和30.97%。第3類是金葉女貞、遼東水蠟和小葉女貞，金葉女貞花香的主要類別是酯類和萜烯類物質；小葉女貞花香的主要類別是酯類物質；遼東水蠟花香的主要類別則是酮類物質。金葉女貞花香的主要成分有(Z)-β-羅勒烯、苯甲醚和鄰苯二甲醚；小葉女貞花香的主要成分有安息香酸乙酯、柳酸甲酯和水楊酸乙酯；遼東水蠟花香的主要成分是苯乙酮和2’-羥基苯乙酮。第3類植物的花香成分復雜多樣，差異較大，主要花香成分各不相同。

圖1 8種木犀科植物類群聚類結果Figure 1 Clustering results of 8 species of Oleaceae plants

3 結論與討論

不同植物揮發(fā)性物質成分種類及比例不同導致每種植物有其獨特香味。本研究在木犀科8種植物的盛花期檢測到的花香成分種類豐富，萜烯類化合物是丁香屬植物和女貞的主要物質成分，是判斷丁香屬與女貞屬親緣關系的重要依據。其中，4種丁香屬植物花香成分中的萜烯類物質相對含量明顯高于4種女貞屬植物。(Z)-β-羅勒烯、α-法呢烯是萜烯類化合物中的重要物質，是匈牙利丁香、北京丁香、什錦丁香、小葉丁香、金葉女貞和女貞的主要花香成分。植物花香還表現出某些物質的特異性，匈牙利丁香的主要香氣成分為對苯二甲醚等；小葉丁香的主要香氣成分為α-法尼烯、苯甲等；什錦丁香的主要香氣成分為甲基丁香酚、苯乙醇等；北京丁香的主要香氣成分為順式氧化芳樟醇等；金葉女貞測出的主要成分則為苯甲醚、安息香酸乙酯等；女貞的主要成分為苯酸甲酯、(Z)-甲氧基苯甲酸甲酯。小葉女貞的花香主要成分為安息香酸乙酯、柳酸甲酯和水楊酸乙酯。遼東水蠟的花香主要成分是苯乙酮和2’-羥基苯乙酮。根據8種植物的花香成分進行聚類，當聚為2個類群時，因為萜烯類物質的相對含量都較高，女貞與4種丁香聚為一類。第2類是金葉女貞、小葉女貞和遼東水蠟，這類植物因為花香主要成分除萜烯類物質外，還含有大量其他物質而聚為一類。

丁香屬現有研究已報道的化學成分主要有萜類、苯丙素類、苯乙醇類、黃酮類等[13]。Woniak M等通過HPLC-DAD-MS方法，分析了歐丁香樹皮、葉、花、果實中的成分，并首次報道了4種環(huán)烯醚萜。其中，萜類成分是該屬植物的特征成分[14-15]。與本試驗的研究結果一致，對丁香屬以及木犀科植物的親緣關系、系統(tǒng)發(fā)育及地理分布等具有重要參考意義。Dudarte等[16]通過對野生型丁香屬植物不同成熟期果實進行研究發(fā)現, 果實中以(E)-β-羅勒烯為主要成分。本研究中得出(Z)-β-羅勒烯是萜烯類化合物中的重要花香成分，(Z)-β-羅勒烯是(E)-β-羅勒烯的衍生物，存在于多種植物與水果中，這種化合物自身或混合物有令人愉快的清香味，故而常用于香水制造，具有很高的開發(fā)價值。(Z)-β-羅勒烯在女貞屬植物中檢測到的數量較丁香屬植物少，但是均存在于4種女貞屬植物中。近20年來，國內外學者對女貞屬植物進行了較為深入的研究，女貞屬植物的揮發(fā)性成分豐富，女貞屬植物的主要成分有萜類、苯乙醇類、黃酮類以及揮發(fā)油等。環(huán)烯醚萜類是近年來女貞屬植物化學成分研究中報道最多的一類成分[17]。女貞屬藥用植物中也測得了大量萜類、苯乙醇類、黃酮類等成分[18]。