南方紅豆杉活體枝葉芬多精釋放特征研究

林靜,簡毅,李謹(jǐn)宵,王曉東,何家敏,駱宗詩

1.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川成都 610081；

2.四川龍門山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，四川平武 622550；

3.平武縣龍門山國有林場，四川平武 622550

自2012年北京率先引入森林康養(yǎng)概念以來，我國的森林康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了快車道，森林中的植物殺菌素芬多精(Phytoncidere)，因其獨(dú)特的康養(yǎng)作用，越來越受到專家和學(xué)者的關(guān)注[1-3]。目前，國內(nèi)外關(guān)于芬多精的研究主要集中在食用、藥用、香料、化學(xué)、芳療和工業(yè)這六個(gè)方面[4、5]。國內(nèi)的研究主要集中在芬多精的種類、合成、作用等基礎(chǔ)理論[6、7]。由于不同樹種在不同時(shí)段釋放的芬多精差異較大，影響因素眾多[8、9]，現(xiàn)有的資料很難解決每日最佳森林康養(yǎng)時(shí)段的問題，亟待深入研究。

南方紅豆杉(Taxus chinensis)提取物紫杉醇具有獨(dú)特抗癌活性，是公認(rèn)最有效的腫瘤化療藥物[10,11]。四川盆地及盆周山地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，地形特征明顯，海拔250 m～1800 m，是適宜人工種植南方紅豆杉的主要區(qū)域[12]。因此南方紅豆杉除被作為藥源植物進(jìn)行開發(fā)利用外，也被作為康養(yǎng)樹種進(jìn)行栽培利用。但關(guān)于康養(yǎng)基地中南方紅豆杉活體枝葉芬多精釋放特征的研究鮮少見報(bào)，故本研究選取四川盆地崇州市三江鎮(zhèn)森林康養(yǎng)基地中的南方紅豆杉林，測定其活體枝葉芬多精成分及含量釋放規(guī)律，通過研究不同時(shí)段芬多精成分及含量的差異，試圖篩選出南方紅豆杉林適合康養(yǎng)的最佳時(shí)段，以期為康養(yǎng)基地的規(guī)劃建設(shè)及康養(yǎng)活動的合理安排提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

樣地位于四川省崇州市三江鎮(zhèn)(N：103°48′46.40″，E：30°31′22.72″)（見表1），氣候?qū)偎拇ㄅ璧貋啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫15.9℃，年平均日照時(shí)數(shù)為1161.5 h，年平均降雨量1012.4 mm。年平均風(fēng)速為1.3 m/s。平均霜日19 d，平均無霜期為285 d。

表1 南方紅豆杉林樣地基本情況Tab.1 General information of Taxus chinensis var.mairei forest sample plots

采樣地共設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)選擇3株生長良好的標(biāo)準(zhǔn)木作為樣本，樣木選擇連續(xù)留圃培育的15年生苗木。樣地內(nèi)共有南方紅豆杉200株，徑階分布范圍8—14 cm，其中徑階8 cm的最多，有113株；灌木主要有2種：四川冬青(Ilex szechwanensis)、構(gòu)樹(Broussonetia papyrifera)；草本主要有3種：蕨(Pteridium aquilinum)、青蒿(Artemisia carvifolia)和白茅根(Imperata cylindrica)。林齡為幼齡林，林分健康狀況良好。采樣點(diǎn)距離林緣50 m以上，樣本枝下高大于1 m。

1.2 樣品采集

1.2.1 采集時(shí)間

樣品采集在2019年6月進(jìn)行。選擇連續(xù)3天晴朗無風(fēng)或微風(fēng)天氣采樣，考慮人們的主要活動時(shí)間為每日7:00—19:00，故采樣時(shí)間定在每日7:00—19:00進(jìn)行。

1.2.2 采樣方法

采樣部位選擇在樹冠離地高度1.5 m處，每次間隔60 min采樣一次(需要準(zhǔn)備抽取真空和沖入純凈空氣時(shí)間)，每次循環(huán)采樣時(shí)間為60 min。活體枝葉釋放的樣品采集方法：使用動態(tài)頂空吸附采樣法（Dynamic Headspace collection）進(jìn)行采集[13]。為減少大氣干擾，收集附近空曠空白地的大氣揮發(fā)性物質(zhì)作為空白對照。

空白對照：在遠(yuǎn)離南方紅豆杉林的空曠地，把采樣袋中空氣抽盡，然后充入過濾純凈的空氣。待袋中空氣達(dá)2/3體積時(shí)連接吸附管，循環(huán)采氣。對照采集的樣品氣樣與對照空氣氣樣中相同的成分，比較它們的特征質(zhì)量色譜峰面積，對照樣品氣樣中面積相近的成分進(jìn)行扣除。

1.3 樣品測定

1.3.1 樣品前處理及氣相色譜質(zhì)譜（GC/MS）條件

測定儀器：采用美國Agilent公司7890A/5975C型氣相色譜質(zhì)譜儀(GC/MS)進(jìn)行樣品有機(jī)揮發(fā)物的分析，并根據(jù)植物釋放的揮發(fā)性有機(jī)物沸點(diǎn)不同進(jìn)行分離。

前處理：樣品分析之前需要經(jīng)過熱脫附過程。通過溫度的提升，利用植物芬多精中有機(jī)揮發(fā)物組分沸點(diǎn)不同，將其依次分離，再被冷阱裝置富集，是現(xiàn)在常用的脫附方法。

色譜分析：采用高純氮?dú)鉃檩d體，流速為1 mL·min–1。毛細(xì)管柱為HP-VOC(30 m×0.25 mm×0.25μm)，測定時(shí)間為43 min。進(jìn)樣口溫度為250 ℃，質(zhì)量掃描范圍為35～550 u[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 南方紅豆杉活體枝葉植株芬多精含量及組成

研究結(jié)果表明（見表2），南方紅豆杉活體枝葉中分泌的化學(xué)成分以萜烯類、醇類、酯類、醛類、酮類、烷類等7大類揮發(fā)性有機(jī)物為主。南方紅豆杉枝葉中共鑒定比對到約145種主要揮發(fā)性有機(jī)物（BVOCs），占總揮發(fā)物的96.29%?；铙w枝葉中釋放的BVOCs萜烯類相對含量均較高，占總離子流的64.12%～71.30%；最低為醛類，占總離子流的1.28%～2.75%。

表2 南方紅豆杉枝葉中BVOCs的組成及其相對含量Tab.2 Constitutesand relativecontent of BVOCsin branchesand leavesof Taxus chinensis var.mairei

2.2 紅豆杉活體枝葉單倍萜烯類釋放日變化特征

從表3可以看出，南方紅豆杉活體枝葉中單萜烯日變化的相對含量為40.69%～69.77%，能分析鑒定出的單倍萜烯類物質(zhì)共有9種，其中α-蒎烯和β-蒎烯出現(xiàn)在15:00點(diǎn)，測定的相對含量最高值為4.01%和3.00%；三環(huán)烯、β-羅勒烯、莰烯、萜品烯和芳樟醇的最高值出現(xiàn)在13:00點(diǎn)，相對含量分別為1.75%、13.63%、2.87%、0.45%和1.56%；檜烯最高值出現(xiàn)在7:00點(diǎn)，相對含量為13.86%；D-檸檬烯最高值出現(xiàn)在11:00點(diǎn)，相對含量為37.77%?？傮w來看，南方紅豆杉釋放單倍萜烯主要以D-檸檬烯和檜烯為主，但峰值時(shí)間不同。其他單萜類相對含量降低，但基本都呈現(xiàn)早晚低，午后高的變化規(guī)律。

表3 南方紅豆杉枝葉中單倍萜烯成分及其相對含量Tab.3 Constitutes and relativecontent of monoterpenesin branches and leaves of Taxus chinensis var.mairei

2.3 南方紅豆杉活體枝葉倍半萜烯類釋放日變化特征

由表4可見，南方紅豆杉活體枝葉中倍半萜烯相對含量為3.17%—7.85%，能分析鑒定出的倍半萜烯類物質(zhì)共有5種，其中檸檬烯和α-依蘭烯最高值出現(xiàn)在11:00—12:00，相對含量分別為0.68%和1.10%；側(cè)柏烯最高值出現(xiàn)在11:00—12:00，相對含量為0.68%；α-古巴烯最高值出現(xiàn)在15:00—16:00，相對含量為1.78%；異長葉烯最高值出現(xiàn)在7:00—8:00，相對含量5.35%。南方紅豆杉釋放倍半萜烯相對含量較低，除異長葉烯外，都呈早晚低，中午高的特征；這可能與異長葉烯在南方紅豆杉植株內(nèi)獨(dú)特的合成釋放生理活動有關(guān)。

表4 南方紅豆杉芬多精倍半萜烯成分及其相對含量Tab.4 Tab.3 Constitutesand relative content of sesquiterpene in branches and leaves of Taxus chinensis var.mairei

2.4 南方紅豆杉活體枝葉芬多精總量釋放日變化特征

南方紅豆杉釋放的總單倍萜烯和倍半萜烯含量最多在11:00—12:00，相對含量分別為69.77%和7.85%；最低在19:00—20:00，相對含量分別為40.69%和3.17%；其他化學(xué)成分中包含二倍萜烯，三倍萜烯，其他的酯類、醛類、醇類等，含量最多在19:00—20:00，相對含量為56.14%；最低在11:00—12:00，相對含量為22.38%。將單倍萜烯、倍半萜烯和其他化學(xué)成分進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，由圖1可見，在7點(diǎn)到17點(diǎn)，單倍萜烯相對含量均高于其他化學(xué)成分，說明南方紅豆杉日間釋放BVOCs主要以單倍萜烯為主；但19點(diǎn)單倍萜烯相對含量低于倍半萜烯，說明南方紅豆杉單倍萜烯的釋放對光照條件更為敏感；同時(shí)，單倍萜烯的釋放還隨環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度的升高而增加。其他化學(xué)成分的釋放在所有檢測時(shí)間段都變化較小，這可能與其相對含量較低導(dǎo)致變化不明顯有關(guān)。

圖1 南方紅豆杉活體枝葉BVOCs的日變化特征Fig.1 Diurnal variation characteristics of BVOCsin living branches and leavesof Taxus chinensis var.mairei

3 討論與結(jié)論

芬多精的主要成分萜烯類化合物是指具有(C5H8)n通式及其含氧和不同飽和程度的衍生物[14]，可以看成是由異戊二烯衍生成的一類天然化合物，有一定的生理活性，如祛痰、止咳、祛風(fēng)、發(fā)汗、驅(qū)蟲、鎮(zhèn)痛作用[15,16]。作為森林康養(yǎng)的關(guān)鍵作用因素之一，大量研究表明，芬多精可以穩(wěn)定情緒，深度放松調(diào)整身心；能夠抑制交感神經(jīng)，改善失眠；能夠改善肝臟機(jī)能等[17,18]。

植物排放的單萜烯揮發(fā)性很強(qiáng)，合成后很快就能釋放到大氣中，而且排放量大、化學(xué)活性高，能參與大氣光化學(xué)氧化過程，對光化學(xué)煙霧的形成起著非常重要的作用，是當(dāng)前大氣化學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[19,20]。王舉位等[21]對夏季盆栽中的油松排放單萜烯類質(zhì)量濃度的日變化規(guī)律的研究表明，油松單萜烯在11:00—14:00之間的排放最強(qiáng)，單萜烯質(zhì)量濃度日變化一般呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，為典型的單峰曲線。這與本研究的結(jié)果相似。本研究中南方紅豆杉活體枝葉中單萜烯在11:00—12:00之間的釋放量最多，13:00—14:00次之，單萜烯相對含量變化也呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。南方紅豆杉釋放的單萜烯以D-檸檬烯和檜烯為主，但峰值時(shí)間不同。

倍半萜烯是指分子式為(C5H8)n中n=3的天然萜類化合物，具有鏈狀、環(huán)狀等多種骨架結(jié)構(gòu)[22]。倍半萜烯類化合物分布較廣，主要存在于植物的揮發(fā)油中，在植物體內(nèi)常以醇、酮、內(nèi)酯等等形式存在于揮發(fā)油中，是揮發(fā)油中高沸點(diǎn)部分的主要組成部分[23,24]。多具有較強(qiáng)的香氣和生物活性，是醫(yī)藥、食品、化妝品工業(yè)的重要原料[25]。南方紅豆杉活體枝葉中倍半萜烯釋放量在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)變化較小，在11:00—12:00之間釋放量最多，19:00以后釋放量減少。南方紅豆杉釋放倍半萜烯以異長葉烯和α-古巴烯為主，峰值時(shí)間也不同，這可能與異長葉烯和α-古巴烯在南方紅豆杉植株內(nèi)獨(dú)特的合成釋放生理活動有關(guān)。

芬多精的釋放是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜得多因子作用過程，其變化形式多樣，影響因素也十分復(fù)雜[26,27]。溫度、光強(qiáng)和濕地是影響芬多精釋放的3個(gè)最主要的因子，其變化對芬多精的釋放影響較大[28,29]。梁寶生等[30]對意大利撒丁島某個(gè)自然生態(tài)區(qū)黃連木(Pistacia lentiscus)排放的12種萜烯類化合物濃度的日變化、排放速率等進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，黃連木主要萜烯類化合物排放速率隨溫度的升高而增加。李金龍等[31]對北京油松所排放的萜烯類化合物中6種單個(gè)化合物的濃度日變化及排放速率進(jìn)行了研究，結(jié)果表明油松萜烯化合物的排放與采樣時(shí)溫度、光照強(qiáng)度關(guān)系密切，在正午有濃度最高值。這與本研究的結(jié)果相似，本研究中南方紅豆杉萜烯類物質(zhì)的釋放也隨環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度的升高而增加。如果只考慮南方紅豆杉芬多精的釋放規(guī)律，建議可在每日11:00左右進(jìn)行康養(yǎng)活動。

林靜等[13]測定了柏木、馬尾松、柳杉、香樟、苦竹5種植物活體枝葉釋放的BVOCs，均未檢出α-依蘭烯和異長葉烯。說明這兩種倍半萜烯可能是南方紅豆杉枝葉揮發(fā)的BVOCs中含有的特有物質(zhì)，結(jié)合南方紅豆杉在某些疾病的輔助治療方面的作用，α-依蘭烯和異長葉烯可以在生物制藥方面開展進(jìn)一步研究。