室內(nèi)CO2濃度、溫濕度和光照變化對碰碰香揮發(fā)物釋放量的影響

崔靜嫻 劉慧 劉紅

摘?要：碰碰香（Plectranthus hadiensis var. tomentosus）的芳香氣味具有改善身心健康的作用，但其揮發(fā)物的釋放易受到室內(nèi)環(huán)境影響而降低效果。為探究碰碰香揮發(fā)物對常見室內(nèi)環(huán)境變化的響應(yīng)，并為其高效穩(wěn)定地應(yīng)用于構(gòu)建舒適的親生物環(huán)境提供科學依據(jù)，該研究采用混合正交設(shè)計，使用動態(tài)頂空和氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)測定了碰碰香揮發(fā)物對溫度、濕度、CO2濃度及光照這4種常見室內(nèi)環(huán)境因素的響應(yīng)。結(jié)果表明：（1）在溫度、濕度、CO2濃度和光照4個環(huán)境因素中，CO2濃度和溫度對碰碰香植株揮發(fā)物釋放量的影響較大，而濕度和光照的影響較弱。（2）正常光周期下培養(yǎng)的碰碰香，在夜晚無光照時，CO2濃度500 μmol·mol-1、溫度25 ℃和濕度60%的環(huán)境條件最適于碰碰香植株釋放揮發(fā)物。此環(huán)境條件下碰碰香揮發(fā)物的釋放總量為86.23 μg·L-1·kg-1， 具有改善身心健康的活性成分含量為78.03 μg·L-1·kg-1。綜上所述，應(yīng)用碰碰香構(gòu)建室內(nèi)親生物環(huán)境，維持或改善人員身心健康時，應(yīng)主要注意控制CO2濃度和溫度相關(guān)的環(huán)境條件，從而充分高效地發(fā)揮碰碰香的園藝效益。

關(guān)鍵詞： 碰碰香， 揮發(fā)性有機物， 溫度， 相對濕度， 二氧化碳濃度， 光照條件， 混合水平正交試驗

中圖分類號：Q948

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3142（2023）09-1646-10

收稿日期：2022-06-26

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金（82001996）。

第一作者： 崔靜嫻（1996-），碩士研究生，研究方向為特殊環(huán)境園藝療法，（E-mail）cuijingxian@buaa.edu.cn。

*通信作者：劉慧，博士，副研究員，研究方向為特殊環(huán)境園藝療法，（E-mail）liuhui87@buaa.edu.cn。

Effects of indoor CO2 concentration， temperature，

humidity and light variation on volatile organic compounds

released by Plectranthus hadiensis var. tomentosus

CUI Jingxian1， LIU Hui1，2*， LIU Hong1，2

（ 1. Institute of Environmental Biology and Life Support Technology， School of Biological Science and Medical Enginering，

Beihang University， Beijing 100191， China； 2. International Joint Research Center of Aerospace Biotechnology &

Medical Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China ）

Abstract：The aromatic odor of Plectranthus hadiensis var. tomentosus has been found to have the potential to improve physical and mental health of people in indoor environment， but its effectivess is reduced for that the release of volatile organic compounds from plants is susceptible to indoor environmental changes. The purpose of this study was to investigate the response of volatile organic compounds released by P. hadiensis var. tomentosus to common indoor environmental changes， and to provide a scientific basis for its efficient and sustainable application in building a comfortable pro-biotic environment to improve the physical and mental health of indoor personnel. Thus， the effects of four typical indoor environmental factors， such as air temperature， air relative humidity， CO2 concentration and light variation， on the release of volatile organic compounds from P. hadiensis var. tomentosus were investigated in this study. And the dynamic headspace and gas chromatography-mass spectrometry techniques were used to analyze the volatile organic compounds in different indoor environments with an environmental control device based on mixed-level orthogonal array design. The results were as follows： （1） Among the four typical indoor environmental factors of air temperature， air relative humidity， CO2 concentration and light condition， CO2 concentration and air temperature had greater effects on the release of volatile organic compounds from P. hadiensis var. tomentosus， while the effects ofair relative humidity and light were weak. （2） For P. hadiensis var. tomentosus cultivated under normal photoperiod， an environmental condition with CO2 concentration of 500 μmol·mol-1， air temperature of 25 ℃ and air relative humidity of 60% was the most suitable for releasing volatile organic compounds from P. hadiensis var. tomentosus in the absence of light. Under this environmental condition， the total amount of volatile organic compounds released by P. hadiensis var. tomentosus was 86.23 μg·L-1·kg-1， and the content of biological active components with potentials for the positive intervention of physical and mental health was 78.03 μg·L-1·kg-1. In summary， the results suggest that when the aroma plant P. hadiensis var. tomentosus is used to build an indoor pro-biotic environment to maintain or improve the physical and mental health of people in indoor， the environmental conditions should be controlled properly， especially CO2 concentration and air temperature， so as to fully and efficiently produce the positive health benefits from P. hadiensis var. tomentosus.

Key words： Plectranthus hadiensis var. tomentosus， volatile organic compounds， temperature， relative humidity， CO2 concentration， light condition， mixed horizontal orthogonal test

藥食同源的芳香植物碰碰香（Plectranthus hadiensis var. tomentosus）是唇形科延命草屬的多年生灌木狀草本植物，原產(chǎn)自西南亞地區(qū)及非洲好望角（張玉晶和王連君，2020），為花卉市場常見的小型香草盆栽，常用于裝飾室內(nèi)或工作環(huán)境（趙小珍等，2016）。植株莖葉不僅可以作為食用香料在炒菜或涼拌時提味，還可以泡茶、泡酒（張旋等，2019）。植株芳香濃郁，其香氣已被證明可顯著改善緊張焦慮情緒（荊小潔等，2020）。現(xiàn)代人類80%的時間在室內(nèi)度過，久處于室內(nèi)的人們情緒和睡眠問題日益凸顯（Mazlan & Abas， 2021）。近年來，新型冠狀病毒（COVID-19）的隔離防控措施限制了戶外活動，并使人們焦慮、抑郁的情緒分別增長了16%和28% （Rajkumar， 2020）。將碰碰香應(yīng)用于構(gòu)建對身心健康有益的室內(nèi)環(huán)境，是一種用于維護久居室內(nèi)人群的生理和心理健康的行之有效的方法。

然而，芳香植物揮發(fā)物（volatile organic compounds， VOCs）的合成與釋放是一個受多種因素影響的復雜生理過程，與光周期、溫濕度等影響生理狀態(tài)的外界環(huán)境因素密切相關(guān)，許多植物VOCs釋放在不同環(huán)境下存在較大差異。李瑩瑩（2012）研究發(fā)現(xiàn)，矮牽牛中的苯環(huán)類物質(zhì)在夜間釋放，而一些香氣物質(zhì)如異丁子香酚僅在白天釋放，白玉蘭鮮花在低溫下僅釋放幾種揮發(fā)物，大多數(shù)萜烯類化合物為痕量或不釋放。此外，高光強、高溫或濕度增加在一定程度上會刺激植物釋放VOCs （Holopainen & Gershenzon， 2010），環(huán)境濕度增加可使赤松和云杉釋放的VOCs成分發(fā)生改變，并且濕度增加與芳香物質(zhì)α-蒎烯的釋放呈顯著正相關(guān)（李洪遠等，2015）。然而，也有研究顯示一些植物的VOCs釋放對于高濕度并不敏感，甚至會受到抑制（李洪遠等，2015）。大氣中CO2濃度對植物VOCs釋放的影響可能因物種而異，目前尚未有統(tǒng)一觀點，如高濃度的CO2使花旗松VOCs釋放量顯著降低，而令洋蔥的VOCs釋放量顯著升高（Jasoni et al.， 2018）。因此，不同植物的VOCs釋放對環(huán)境變化的響應(yīng)存在較大差異，需進一步研究。

室內(nèi)環(huán)境與通風方式、人員密度、季節(jié)更替等密切相關(guān)。常見的室內(nèi)環(huán)境具有空間較小、光照強度低、CO2濃度高等特點。室內(nèi)CO2濃度最低值為573 μmol·mol-1，最高值達4 991 μmol·mol-1（姬長發(fā)等，2019）；室內(nèi)平均居住溫度在19.78 ～ 31.18 ℃范圍內(nèi)，室內(nèi)相對濕度季節(jié)性變化強，冬季最低，夏季最高，并與室內(nèi)空氣溫度密切相關(guān)（Tamerius et al.， 2013）。環(huán)境變化是碰碰香在實際室內(nèi)應(yīng)用中需要考慮的主要潛在影響因素，可能會通過影響碰碰香VOCs的釋放，進而影響其對生理心理健康的干預(yù)效果。但是，以往尚未針對室內(nèi)環(huán)境因素對碰碰香VOCs釋放的影響展開系統(tǒng)的研究。本研究采用混合正交試驗方法，探究溫度、濕度、CO2濃度及光照條件等室內(nèi)主要環(huán)境因素對碰碰香植株VOCs釋放的影響，旨在明確影響碰碰香植株VOCs釋放的主要因素，進而提供其VOCs高效穩(wěn)定釋放的最佳環(huán)境條件，以便針對性地在日常室內(nèi)工作和生活環(huán)境中使用碰碰香植株，充分發(fā)揮其應(yīng)用價值。

1?材料與方法

1.1 實驗材料及裝置

碰碰香3盆，種植在泥炭土的圓形花盆（直徑27 cm，高18 cm）中，培養(yǎng)環(huán)境為碰碰香生長較適宜的環(huán)境，即溫度（25 ± 2） ℃、空氣相對濕度（50 ± 10）%、光周期為12 h光照/12 h黑暗（8：00打開光源，20：00關(guān)閉光源）。照明光源采用紅白LED光源，光譜中紅白光比例為1∶1，光強120 μmol·m-2·s-1。培養(yǎng)碰碰香株高至16 ～ 18 cm時開展所有的實驗處理。

1.2 常見室內(nèi)環(huán)境的實驗因素水平設(shè)計

經(jīng)文獻調(diào)研（王茜等，2019），確定溫度、濕度、光照條件、CO2濃度為可能影響碰碰香的VOCs釋放的典型室內(nèi)環(huán)境因素。依據(jù)室內(nèi)通風狀態(tài)及人員密度，室內(nèi)實地測量結(jié)合文獻調(diào)研（Tamerius et al.， 2013；姬長發(fā)等，2019），確定變化范圍為溫度20～30 ℃，濕度40%～80%。CO2濃度500～4 500 μmol·mol-1，光照強度為光照20 μmol·m-2·s-1或黑暗0 μmol·m-2·s-1。各個環(huán)境因子的水平設(shè)置見表1。

根據(jù)混合正交試驗設(shè)計原理，選擇相近的L18.3.6.6.1正交表，使用擬水平法進行正交試驗設(shè)計（武凱等，2021），測試順序隨機，每個處理設(shè)置3個重復，結(jié)果取平均值。

1.3 碰碰香VOCs采樣方法

用于碰碰香VOCs采集的實驗裝置（圖1）上部為有機玻璃罩，在植物莖基部使用有機玻璃板和聚四氟乙烯薄膜將土壤上部的植株與下方的土壤隔開，用硅膠圈密封固定（Daussy & Staudt， 2020），構(gòu)成上方密封空間以避免土壤VOCs的干擾。采樣時間為每日9：00—16：00，采樣前先將碰碰香放置在實驗裝置中，使用經(jīng)過過濾的空氣沖洗（4 L·min-1）有機玻璃罩10 min，以消除安裝過程中殘留的VOCs。空氣的過濾凈化使用GDX-101和活性炭兩種吸附管（Li et al.， 2019），以避免外界空氣中VOCs的干擾。

環(huán)境條件控制通過向裝置內(nèi)通入不同溫度、濕度、CO2濃度的空氣，以及控制外界光源的開閉來實現(xiàn)。使用溫濕度控制器來控制溫濕度，氣體流量調(diào)節(jié)器控制裝置內(nèi)CO2氣體的濃度。當裝置內(nèi)CO2傳感器示數(shù)保持相對穩(wěn)定不變3 min以上時，判定植株已適應(yīng)了此環(huán)境條件，即此環(huán)境下碰碰香植株的光合作用強度已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，繼續(xù)穩(wěn)定30 min后進行VOCs吸附采樣（Daussy & Staudt， 2020）。在裝置出氣口接Tenax-TA吸附管，以100 mL·min-1的恒定流量采樣30 min，重復3次。采樣結(jié)束后，稱量碰碰香植株地上部分鮮重質(zhì)量，用于計算碰碰香植株單位鮮重生物量的VOCs釋放量。

1.4 GC-MS檢測與VOCs成分分析

采集的樣品使用熱解析儀（TD-20，中國）進行熱脫附，進行氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析（QP2020氣質(zhì)聯(lián)用儀，日本）。具體條件如下：HP-5MS 色譜柱（60 m × 0.25 mm × 0.25 μm），初始溫度50 ℃，保持10 min，以5 ℃·min-1 速率程序升溫到250 ℃，保持5 min；載氣為高純氦氣（99.999 9%）。MS離子源在70 eV、200 ℃，全掃描模式下運行，質(zhì)量掃描范圍為30～800 amu。通過NIST化合物數(shù)據(jù)庫，具有保留指數(shù)或?qū)①|(zhì)譜與已發(fā)表的數(shù)據(jù)進行比較來鑒定化合物。使用北京壇墨質(zhì)檢標準物質(zhì)中心的混合VOCs作為標樣并繪制標準曲線，進行現(xiàn)化合物的定量計算。

依據(jù)網(wǎng)絡(luò)藥理學方法（鐘鈺等，2019），利用TCMSP中藥系統(tǒng)藥理學數(shù)據(jù)庫（http：//tcmspw.com/tcmsp.php）、Pubchem 有機小分子生物活性數(shù)據(jù)庫（https：//pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/）、TGSC香料信息數(shù)據(jù)庫（http：//www.thegoodscentscompany.com/）預(yù)測篩選碰碰香VOCs中具有抗焦慮抑郁，鎮(zhèn)靜催眠等生理活性的成分。

1.5 統(tǒng)計分析

根據(jù)混合正交試驗設(shè)計原理，計算極差R并按大小進行排序，篩選出最佳適用環(huán)境條件（武凱等，2021），計算分析各環(huán)境因素的影響趨勢：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別為每個環(huán)境因素不同水平的實驗值之和。K1～K5分別是每個因素第1至第5個水平的值，根據(jù)各個因素的2個、3個或5個的水平值設(shè)置，分析該因素對試驗指標的影響趨勢。

2?結(jié)果與分析

2.1 VOCs釋放總量及其主要成分的變化

表2為不同環(huán)境組合下碰碰香植株VOCs釋放總量的結(jié)果， 光照（A）、 溫度（B）、濕度（C）和CO2濃度（D）的極差RD>RB>RC>RA，說明CO2濃度對碰碰香VOCs釋放總含量的影響最大，其次是溫度和濕度，而光照對VOCs釋放的影響較小。各環(huán)境因素對VOCs釋放總含量的影響趨勢如圖2：A。黑暗條件下碰碰香VOCs釋放量要高于有光照環(huán)境下。碰碰香VOCs的釋放總量先隨溫度、濕度的升高而增加，但是當溫濕度超過一定限度時，VOCs釋放總量會明顯降低。隨著CO2濃度的升高，碰碰香VOCs的釋放總量呈降低的趨勢，釋放量在500 μmol·mol-1 CO2濃度時最高，在3 500 μmol·mol-1時最低，在4 500 μmol·mol-1時表現(xiàn)出明顯的升高趨勢，但仍低于500 μmol·mol-1時VOCs的釋放量。由圖2：A可知，促使碰碰香VOCs釋放的較佳環(huán)境條件為 A2B2C2D1，即黑暗、溫度25 ℃、濕度60%、CO2濃度500 μmol·mol-1，碰碰香VOCs釋放總量可達到86.23 μg·L-1·kg-1，即每千克碰碰香植物釋放到每升空氣中的揮發(fā)物質(zhì)量為86.23 μg。

由表3可知，不同環(huán)境條件下碰碰香植株釋放的VOCs成分差異較大。在黑暗條件下，大多數(shù)實驗組VOCs中含量最多的物質(zhì)均為d-檸檬烯，且部分處理組的檸檬烯含量超過了50%（組2、組4、組5、組17），推測可能在黑暗條件下碰碰香VOCs中d-檸檬烯的合成與釋放較為穩(wěn)定。

2.2 VOCs中有效活性成分含量的變化

利用相關(guān)數(shù)據(jù)庫，結(jié)合文獻（Zhang & Yao， 2019）預(yù)測篩選出抗焦慮抑郁或鎮(zhèn)靜催眠的有效活性成分，得到碰碰香VOCs中與身心健康相關(guān)的41種有效活性成分，見表4。由表4可知，在篩選得到的有效活性成分中，多數(shù)為既可以緩解失眠癥狀亦可以緩解焦慮抑郁情緒的單萜類或倍半萜類物質(zhì)，如含氧單萜烯（α-松油醇，芳樟醇等），單環(huán)單萜烯（d-檸檬烯，傘花烴等）等。

碰碰香VOCs中有效活性成分含量的變化與總含量變化趨勢總體相似（表5，圖2：B），黑暗條件下有效活性成分的釋放量要高于光照條件。各環(huán)境因素的極差RD>RB>RC>RA，說明CO2濃度對VOCs中的活性成分合成和釋放影響最大。由表5可知，在黑暗、溫度25 ℃、濕度60%、CO2濃度500 μmol·mol-1環(huán)境下，碰碰香植株釋放的VOCs中有效活性成分含量最高，為78.03 μg·L-1·kg-1。

3?討論

常見芳香盆栽碰碰香的香氣廣受人們喜愛（荊小潔等， 2020），具有改善情緒和睡眠的巨大應(yīng)用潛力（趙小珍等， 2016; Zhang & Yao， 2019）。但是，針對不同室內(nèi)的環(huán)境條件，碰碰香VOCs的釋放量可能存在較大變化（李洪遠等， 2015）。本研究從碰碰香VOCs組分及其釋放量變化的角度，探究了溫度、濕度、CO2濃度及光照條件等典型室內(nèi)環(huán)境對其VOCs釋放的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)碰碰香VOCs的釋放對CO2濃度和溫度較為敏感，而對濕度變化和有無光照的敏感度較低。

大氣中CO2濃度的升高會一定程度上抑制碰碰香光合作用速率和VOCs的釋放。推測高濃度CO2抑制碰碰香VOCs釋放可能歸因于兩方面：一方面，萜類物質(zhì)合成之后需儲存于特定的分泌器官中，此類器官的分化和維護的代謝成本較大（Staudt et al.， 2001）；另一方面，高濃度CO2提升了光合速率，初級代謝增加，引起次生代謝物的糖基化和氧化，從而降低了碰碰香萜類化合物的揮發(fā)性（Yazaki et al.， 2017）。碰碰香VOCs中的單萜物質(zhì)芳樟醇，經(jīng)Cyt P450s氧化為8-羥代、8-氧代或8-羧基芳樟醇，從而揮發(fā)性降低，以非揮發(fā)性物質(zhì)的形式積累在葉片中（Yazaki et al.， 2017）。此外，糖基化和氧化反應(yīng)可能導致親水性和分子質(zhì)量的增加，同時引起葉片干物質(zhì)密度增加，含水率降低等變化。CO2濃度過高甚至可以改變?nèi)~綠體的超微結(jié)構(gòu)，造成植物葉片損傷（Velikova et al.， 2009）。此外，室內(nèi)CO2濃度升高也會對情緒和睡眠造成負面影響，顯著降低睡眠質(zhì)量（Zhang et al.， 2021）。因此，室內(nèi)保持較低水平的CO2濃度既有利于碰碰香VOCs的穩(wěn)定釋放，亦能維持具有較高人體舒適感的活動環(huán)境。

溫度是CO2濃度之外另一個影響碰碰香VOCs釋放的重要環(huán)境因素。碰碰香VOCs主要成分為萜烯類物質(zhì)，其可能是由萜烯合酶超家族（terpene synthase superfamily， TPSs） 進行催化合成；TPSs酶將順式或反式異戊二烯二磷酸酯轉(zhuǎn)化為多種單萜或倍半萜（Muchlinski et al.， 2019），然后釋放到空氣中。碰碰香VOCs中β-蒎烯、月桂烯、檸檬烯和β-水芹烯等萜類物質(zhì)明顯依賴于溫度水平（Kopaczyk et al.， 2020），可能是由于低溫或高溫直接影響到TPSs酶活性，即隨溫度上升VOCs合成和釋放速率逐漸增加；當溫度超過一定限度之后，高溫降低TPSs酶活性，碰碰香VOCs合成和釋放速率也隨之降低（李洪遠等， 2015），甚至持續(xù)的高溫可能對TPSs酶造成不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)損傷。溫度還可能通過提高碰碰香萜烯的蒸氣壓和降低排放途徑的阻力，進而提高大多數(shù)萜烯物質(zhì)的排放速率（Llusia et al.， 2012）。此外，低溫還可能通過影響碰碰香初級代謝， 導致次級代謝過程底物不足，從而影響VOCs合成這一次級代謝過程（Kopaczyk et al.， 2020）。因此，碰碰香植株在實際的應(yīng)用中，低溫或過于悶熱的環(huán)境均可能通過降低碰碰香VOCs的釋放，進而降低其園藝干預(yù)效果，應(yīng)盡量保持室內(nèi)溫度穩(wěn)定適宜，避免高溫對碰碰香植物可能造成的損傷。

在本研究中，碰碰香VOCs的釋放對濕度變化的響應(yīng)敏感度較低，這可能是由于碰碰香VOCs儲存在如油腺和腺毛等特殊類型的組織中，而環(huán)境中空氣相對濕度主要影響碰碰香葉片氣孔的開閉（李佳佳等，2020），而對儲存VOCs的油腺無影響（Yazaki et al.， 2017）。有無光照是碰碰香VOCs釋放響應(yīng)不敏感的另外一個環(huán)境變化因素。推測這可能是因為其VOCs的成分多數(shù)為單萜或者倍半萜類物質(zhì)。碰碰香葉片內(nèi)萜類合成酶的活性受光照強度的影響較?。ɡ詈檫h等， 2015），有無光照通常不影響碰碰香VOCs中倍半萜物質(zhì)的釋放（Leung et al.， 2010），因此在本研究中碰碰香植株VOCs的釋放對有無光照的響應(yīng)較小。此外，在黑暗條件下碰碰香VOCs中含量最高的成分基本穩(wěn)定為一種具有鎮(zhèn)靜催眠作用的物質(zhì)d-檸檬烯（Lu et al.， 2020），推測在黑暗條件下d-檸檬烯的合成與釋放較為穩(wěn)定，可能比較適合應(yīng)用于夜晚室內(nèi)環(huán)境改善睡眠，高效地發(fā)揮其對身心健康干預(yù)效用。

4?結(jié)論

在室內(nèi)環(huán)境中，影響碰碰香植株VOCs釋放的關(guān)鍵環(huán)境因素為CO2濃度和溫度。碰碰香植株應(yīng)用于構(gòu)建親生物環(huán)境，改善人員身心健康時，最佳的環(huán)境條件為黑暗、CO2濃度500 μmol·mol-1、溫度25 ℃和濕度60%。此環(huán)境條件下碰碰香植株VOCs釋放量較高且穩(wěn)定，其釋放總量為86.23 μg·L-1·kg-1，活性成分含量為78.03 μg·L-1·kg-1。本研究為碰碰香植株應(yīng)用于室內(nèi)親生物構(gòu)建的環(huán)境控制提供了科學依據(jù)，同時補充了芳香類植物VOCs釋放的理論知識。

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（責任編輯?李?莉?鄧斯麗）