香楊和大青楊木材揮發(fā)性化合物對比分析*

沈 樂 褚延廣 張偉溪 張 靜 張騰倩 李政宏 丁昌俊 蘇曉華

（林木遺傳育種全國重點實驗室 國家林業(yè)局林木培育重點實驗室 中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所 北京 100091）

植物揮發(fā)性有機化合物（volatile organic compounds，VOCs）是一類植物天然產(chǎn)物（Picherskyet al.，2006），因具有強烈的風味和多種生物活性，在工業(yè)和醫(yī)藥等領(lǐng)域用途廣泛，同時也是天然或人工精油的主要原料。早期關(guān)于揮發(fā)性有機化合物的研究主要集中在藥用植物上，許多藥用植物組織可以產(chǎn)生具藥用價值的揮發(fā)性物質(zhì)，如牡丹（Paeonia suffruticosa）、枸杞（Lycium chinense）和赤芍（Paeonia veitchii）等中草藥的根、花中富含大量丹皮酚，在保護心腦血管系統(tǒng)、促進微循環(huán)、抗菌消炎等方面具有重要作用（吳桂瑩等，2019）；梔子（Gardenia asminoides）含量較多的揮發(fā)性成分優(yōu)葛縷酮，具有很強的抑菌活性（張星賢等，2019）。此外，植物揮發(fā)物研究多集中在有明顯花香以及能提取精油的植物中，如臘梅（Chimonanthus praecox）（Shanget al.， 2020）、 望春玉蘭（Magnolia biondii）（Donget al.， 2021）、 山蒼子（Litsea cubeba）（Chenet al.，2020）、油松（Pinus tabuliformis）（Niuet al.，2022）等。

木材是植物的一部分，其對人體的保健功效正在不斷被發(fā)現(xiàn)。木材的保健功效主要源于木材氣味的釋放，木材揮發(fā)性有機物中含有多種活性物質(zhì)，具有改善空氣質(zhì)量、調(diào)節(jié)人體身心健康的功能（王愷，2006；梅文莉等，2007），其中珍貴木材一直備受關(guān)注。前，國內(nèi)較典型珍貴木材包括降香黃檀（Dalbergia oderifera）、小葉紫檀（Pterocarpus santalinus）、大紅酸枝（Dalbergia cochinchinensis）、大果紫檀（Pterocarpus macarocarpus）、白木香（Aquilaria sinenis）等。珍貴木材可釋放令人身心愉悅的芳香氣味，且有一定保健功效，大量研究關(guān)注珍貴木材的氣味成分及其藥用價值（梅文莉等，2007；Taoet al.，2010； Kiteet al.，2010；姜濤，2017；曾彬等，2021），如降香黃檀中的倍半萜類物質(zhì)在中高濃度下可抗血小板聚集，有抗血栓形成的作用（Taoet al.，2010），其抽提物中的降香黃酮、2'-O-甲基-異甘草素、紫鉚花素、5'-甲氧基-維斯體素和芒柄花素有明顯抗氧化作用（Chenget al.，1998；Yuet al.，2007），異甘草素利于血管舒張，保護心血管（Yuet al.，1995）。另外，木材揮發(fā)性成分也具有殺蟲滅菌功能（王愷，2006；李忠正，2012），如樟木（Cinnamomumspp.）、 杉木（Cunninghamia lanceolata）、 松木（Pinusspp.）等木材常用作居住環(huán)境的抗蟲菌材料，天然香樟木材的的揮發(fā)油對金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、 大腸桿菌（Escherichia coli）、 沙門氏菌（Salmonella）、蘇云金桿菌（Bacillus thuringiensis）等菌類和螨蟲（Arachnoidea）具有抑制作用，將樟木制成箱柜可有效防止蟲菌危害衣物（王愷，2006；Liet al.，2009；彭文利，2012）。

部分植物揮發(fā)性物質(zhì)在高溫和強光等條件下形成微小浮塵，會對環(huán)境和人體造成危害（孫啟祥等，2004；陳靜等，2016）。張夢寧等（2018）測定北方重要木材楊木（Populusspp.）的揮發(fā)性成分，認為楊木熱改性過程中釋放的有機揮發(fā)物對周圍環(huán)境和人體健康具有危害性；王啟繁（2021）對廣西11 種人造板、家具原料樹種木材和東北5 種家具原料樹種木材釋放的氣味活性化合物進行識別和鑒定，實現(xiàn)了木材氣味特征圖譜表達和關(guān)鍵氣味活性化合物溯源。但以往研究未對木材揮發(fā)性物質(zhì)的氣味特征及對人類健康的影響進行綜合討論。香楊（Populus koreana）和大青楊（P. ussuriensis）屬于楊屬（Populus）青楊派（Tacamahaca），主要分布于黑龍江省大興安嶺、吉林省長白山林區(qū)以及遼寧省東部地區(qū)，其中大青楊主分布區(qū)相對香楊偏北（蘇曉華等，1996）。2 種楊樹均為我國北方主要用材樹種，不僅具有耐寒性強、木材輕軟、材質(zhì)潔白致密等優(yōu)點，也具有較高的經(jīng)濟和觀賞價值。與大青楊及其他楊樹不同，香楊在自然狀態(tài)下樹體具清香，其嫩枝和芽具黏性樹脂并帶有香氣，且與其他楊樹樹種有較大氣味差異。本研究通過比較香楊和大青楊木材揮發(fā)物化學成分及其相對含量，解析香楊和大青楊木材的香氣構(gòu)成，挖掘不同揮發(fā)性化合物的藥用活性價值，以期為提升楊木產(chǎn)品附加值、生產(chǎn)保健型楊樹木制品提供參考，為保健型楊樹的良種選育提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

香楊和大青楊取自黑龍江省伊春市帶嶺區(qū)（128°53′20″E，47°10′50″N），帶嶺地處中溫帶，屬大陸性濕潤季風氣候，年均氣溫1.4 ℃，月均最低氣溫?19.4 ℃，年最低氣溫可達?40 ℃，月均最高氣溫為20.9 ℃，最高氣溫可達37 ℃，全年無霜期115 天左右，一般初霜到終霜期為9月14 日—翌年5月20 日。

選取7～8年生香楊和大青楊單株，于2021年1月采伐，對上、中、下部分樹段剝皮，截取圓盤，收集10 g 截取圓盤過程中的鋸末并進行混樣。

1.2 試驗方法

1.2.1 固相微萃取(SPME)條件 利用固相微萃取法采集揮發(fā)性有機物，將1 g 樣品置于20 mL 頂空瓶中，在一定溫度下加熱一定時間，應(yīng)用SPME 萃取頭進行一定時間的頂空吸附。固相微萃取纖維頭：二乙烯基苯/活性炭/聚二甲基硅氧烷（DVB/CAR/PDMS）；老化溫度250 ℃；加熱溫度60 ℃；平衡時間0 min；萃取時間30 min；解析時間5 min。

1.2.2 質(zhì)譜分析（GC-MS）條件 采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀GC-MS（島津，GCMS-TQ8040NX）、自動進樣器（島津，AOC-6000）進行成分分離和檢測。利用檢索美國國家標準與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）NIST17 庫的方法進行定性分析，應(yīng)用峰面積法進行定量分析。色譜柱：DB-624，60 m×0.25 mm×1.4 m；柱溫程序：起始溫度60 ℃，保持1 min，以20 ℃·min?1的速度升至160 ℃，保持3 min；以2 ℃·min?1的速度升至180 ℃，保持5 min；最后以5 ℃·min?1的速度升至230 ℃，保持5 min；分流比：10∶1；流速：1.0 mL·min?1。EI 電子轟擊能：70 eV；離子源溫度：230 ℃；掃描范圍：m/z50～500 amu；以掃描方式（Scan）進行采集。

1.2.3 氣味活度值及其評價方法 通過在線數(shù)據(jù)庫“Flavornet”和“PubChem”檢索香楊和大青楊木材中有香氣特征的揮發(fā)性化合物。采用峰面積歸一化法計算樣品中各香氣化合物的相對百分含量，并根據(jù)《化合物嗅覺閾值匯編》（里奧·范海默特，2015）檢索這些化合物的嗅覺閾值（odor threshold），計算各化合物的氣味活度值（（odor activity value，OAV）（Swiegerset al.，2005）：

式中：C為揮發(fā)性香氣化合物的相對百分含量；T為化合物的嗅覺閾值。

參考陳芝飛等（2018）方法，香氣化合物 OAV 越大，表明該化合物對木材香氣輪廓的貢獻越大。若OAV＞1，說明該化合物可能對香氣輪廓有直接影響，定義為關(guān)鍵香氣化合物；若 0.1＜OAV＜1，說明該化合物對香氣輪廓有修飾作用，定義為修飾性香氣化合物；若OAV＜0.1，說明該物質(zhì)對香氣輪廓無顯著影響，定義為潛在香氣化合物。

1.2.4 香楊和大青楊木材有益揮發(fā)性物質(zhì)的鑒定將GC-MS 分析所得香楊和大青楊木材中所有代謝物在中藥系統(tǒng)藥理學數(shù)據(jù)庫和分析平臺（Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform，TCMSP）數(shù)據(jù)庫中進行查詢（https://old.tcmsp-e.com/molecule.php?qn=666）（Ruet al.， 2014），進一步鑒定查詢結(jié)果，當代謝物的口服生物利用度（oral bioavailability，OB）≥5%、類藥性（drug-likeness，DL）≥0.14 時，則為具有關(guān)鍵活性成分。在TCMSP 數(shù)據(jù)庫中還可獲得已鑒定代謝物的靶點和相關(guān)疾病信息。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 軟件進行氣味活度值的計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 香楊和大青楊木材揮發(fā)性成分分析

由表1 可知，從香楊木材粉末中共檢測出18 種化學成分，醇類化合物種類最多，為6 種，占總峰面積的26.68%；烷烴類化合物4 種，占總峰面積的12.06%；酮類物質(zhì)3 種，占總峰面積的37.07%，其中乙偶姻占比27.55%；此外還發(fā)現(xiàn)1 種醛類化合物和1 種酯類化合物，分別占總峰面積的4.93%和1.43%；也檢測到包括β-柏木烯等3 種含量較低的物質(zhì)。主要單一揮發(fā)性成分（峰面積占比大于5%）包括乙偶姻（27.55%）、1-（2-甲氧基-1-甲基乙氧基）-2-丙醇（8.13%）、甲氧基-苯基-肟（6.33%）、11-甲基十二烷醇（6.39%）、4,6-二甲基-十二烷（5.99%）和2,4-二乙基-1-庚醇（5.29%）。

表1 香楊木材揮發(fā)性成分的保留時間和相對百分含量Tab. 1 Retention time and relative percentage of volatile compounds in P. koreana wood

由表2 可知，從大青楊木材粉末中共檢測出16種化學成分，醇類化合物3 種，占總峰面積的19.1%；烷烴類化合物4 種，占總峰面積8.23%；醛類物質(zhì)2 種，峰面積占比最大，為29.5%；醛類、酮類和酯類化合物各2 種，分別占總峰面積的29.50%、9.73%和7.06%。主要單一揮發(fā)性成分（峰面積占比大于5%）包括十五烷醛（26.78%）、 1,3-雙（1,1-二甲基乙基）-苯（13.84%）、乙偶姻（9.48%）、1-十六烷醇（8.71%）、11-甲基十二烷醇（7.38%）、甲氧基-苯基-肟（5.78%）和甲基丙烯酸異癸酯（5.45%）。香楊木材揮發(fā)物中醇類化合物占比最多，其次為醛類物質(zhì)；大青楊木材揮發(fā)物中醛類物質(zhì)占比最多，其次為烷烴類物質(zhì)。香楊、大青楊木材共有揮發(fā)物成分12 種，香楊特有的揮發(fā)性物質(zhì)有11 種，大青楊特有的揮發(fā)性物質(zhì)有5 種。

表2 大青楊木材揮發(fā)性成分的保留時間和相對百分含量Tab. 2 Retention time and relative percentage of volatile compounds in P. ussuriensis wood

2.2 香楊和大青楊木材香氣成分分析

通過在線數(shù)據(jù)庫“Flavornet”和“PubChem”檢索到香楊和大青楊木材中揮發(fā)性化合物的香氣屬性（表3）。香楊木材揮發(fā)性物質(zhì)中檢索到8 種香氣化合物，其中7 種香氣化合物被描述為“黃油”“清香”“脂香”“甜酒”“蘑菇”“香草”氣味；大青楊木材揮發(fā)性物質(zhì)中檢索到5 種香氣化合物，其中4 種香氣化合物被描述為“黃油”“清香”“香草”和“清新”氣味。比較香氣化合物的OAV發(fā)現(xiàn)，香楊木材揮發(fā)性物質(zhì)中含有7 種關(guān)鍵香氣化合物和1 種潛在香氣化合物，大青楊木材揮發(fā)性物質(zhì)中含有5 種關(guān)鍵香氣化合物，香楊和大青楊木材共有的關(guān)鍵香氣化合物包括乙偶姻、己醛和3-辛酮，香楊木材中特有的關(guān)鍵性氣味化合物包括2,3-丁二酮、1-己醇、1-辛基-3-醇、十四烷，大青楊木材中特有的關(guān)鍵性氣味化合物包括2-己酮和十五烷醛，2-己酮和丙酮氣味較一致，且2-己酮比丙酮氣味更加刺鼻。綜上，香楊木材中不僅具有更多香氣化合物，且乙偶姻、己醛和3-辛酮在香楊木材中的相對含量以及氣味活度值均遠大于大青楊，因此，香楊木材氣味較大青楊木材更為清新。

表3 楊樹木材香氣成分的氣味描述、嗅覺閾值以及相對香氣活度值Tab. 3 Odor description, odor threshold and odor active value of aroma compounds in poplar wood

2.3 香楊和大青楊木材揮發(fā)物藥用活性成分鑒定

TCMSP數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果顯示，香楊和大青楊木材中共查詢到24 種揮發(fā)性代謝物，其中11 種具有藥用活性成分，這11 種代謝物中有7 種與114 個靶蛋白結(jié)合，對應(yīng)214 種疾?。ū?），主要涉及癌癥、腫瘤、心血管疾病、高血壓、炎癥、糖尿病、阿爾茨海默病、神經(jīng)疾病等。香楊和大青楊木材揮發(fā)物中分別包括9 種和7 種藥用活性成分，其中共有5 種（乙偶姻、己醛、4,6-二甲基-十二烷、3-辛酮、十四烷）。香楊木材揮發(fā)物中特有的中藥成分包括2,3-丁二醇、1-辛基-3-醇、1-己醇、β-柏木烯，大青楊木材揮發(fā)物中特有的中藥成分包括十五烷醛和1-十六烷醇。為進一步鑒定關(guān)鍵有效成分，使用OB≥5%和DL≥0.14 作為篩選標準，11 種代謝物中1-十六烷醇OB≥5%和DL≥0.14，以上結(jié)果可為楊樹木材揮發(fā)物中利于人體健康的關(guān)鍵有效成分研究提供參考。

表4 楊樹木材中關(guān)鍵中藥活性物質(zhì)鑒定Tab. 4 Identification of the key active ingredients of traditional Chinese medicines in poplar wood

3 討論

在眾多品種木材中，珍貴樹種木材的保健作用已得到較高認可，但木材工業(yè)中廣泛應(yīng)用的楊樹等速生樹種木材的保健價值則少見報道。我國是人造板生產(chǎn)第一大國，占全球人造板總量的50%～60%，其中膠合板占58.3%。楊樹木材是我國膠合板的主要原材料，約占膠合板總量的60%。本研究分析香楊和大青楊木材的揮發(fā)性有機化合物，初步篩選和鑒定其香氣和藥用活性成分，為提升楊樹木材附加值、生產(chǎn)保健型楊樹木制品提供了理論基礎(chǔ)。

研究發(fā)現(xiàn)，常溫下天然木材產(chǎn)生和釋放的揮發(fā)性有機物（VOCs）十分微小，但不可忽視其VOCs 成分的環(huán)境影響（龍玲等，2007）。為了針對性破解木材及其裝飾制品對人體健康的影響，王啟繁（2021）使用微池熱萃取儀搭配Tenax-TA 吸附管采集樣品后，采用熱脫附全自動進樣器搭配熱脫附儀（TD）和氣相質(zhì)譜色譜聯(lián)用儀（GC-MS）對28 種代表性樹種木材進行揮發(fā)性物質(zhì)測定，從大青楊木材中鑒定出17 種揮發(fā)性代謝物，并獲得8 種氣味活性物質(zhì)，包括乙苯、對二甲苯、3-蒈烯、己醛、乙酸乙酯、乙醇、2-乙基-1-乙醇和醋酸。本研究鑒定的氣味活性物質(zhì)與該研究結(jié)果差異較大；此外，雖然2 項研究對象均為同一樹種木材，但樹木基因型、樹齡、采樣部位及時間、地點、樣品處理方法差異均可能造成分析結(jié)果不同。研究表明，在相同采集工藝、氣體流速、采集溫度條件下，同種木材試樣形態(tài)（木粉形態(tài)和刨花形態(tài)）也會導致不同的VOCs 含量（任璽廷，2012）。

本研究香楊木材揮發(fā)物中檢測到8 種特征氣味化合物，包括7 種關(guān)鍵香氣化合物；大青楊木材揮發(fā)物中檢測到5 種特征氣味化合物，且均為關(guān)鍵氣味化合物；而陰香木共釋放25 種特征氣味化合物，其中包括8 種關(guān)鍵特征氣味化合物（曾彬等，2021），楊木相較陰香木等珍貴樹種木材釋放的氣味化合物種類較少。有研究基于GC-MS-O 氣味鑒定結(jié)果表明，大青楊木材揮發(fā)物共有5 個氣味特點（花香調(diào)、果香調(diào)、刺鼻調(diào)、美食調(diào)和綠葉調(diào)），且各氣味強度均很低（王啟繁，2021），與本研究結(jié)果較為一致。本研究中，與大青楊相比，香楊木材的氣味強度更高且氣味清新，香氣化合物種類更多，香楊和大青楊共有關(guān)鍵香氣化合物乙偶姻、己醛和3-辛酮在香楊中的相對含量和氣味活度值也更大。另外，大青楊木材關(guān)鍵性氣味化合物2-己酮和丙酮氣味較一致，且比丙酮氣味更刺鼻，這可能是香楊木材比大青楊木材更清新的主要原因。

揮發(fā)性化合物中的萜烯類物質(zhì)受到學者廣泛關(guān)注，這是因為單萜烯和倍半萜烯是很多藥用植物抽提物中的主要成分，具有很強的生物活性和藥理作用（Nakaiet al.，2003；Umenoet al.，2008；Kagawaet al.，2003；Wetwitayaklunget al.，2009）。此外，萜烯類物質(zhì)也易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)形成有害物質(zhì)，并對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，在綠化樹種選擇上應(yīng)考慮釋放萜烯類物質(zhì)較少的樹種（陳靜等, 2016，滕青林, 2017）。本研究香楊和大青楊木材揮發(fā)物中僅有的萜烯類物質(zhì)為β-柏木烯，相對含量較低，占比0.7%，相關(guān)研究認為楊木中萜烯類有機揮發(fā)物含量極低并難以被儀器檢測出來（王啟繁, 2021）。而且，楊木生材刨花在常溫下的甲醛釋放量也低于杉木、桉木(Eucalyptus)、松木等其他廣泛應(yīng)用的用材木（龍玲等, 2007）。香楊木材揮發(fā)物中有9 種藥用活性成分且沒有對環(huán)境或人體產(chǎn)生傷害的潛在揮發(fā)性代謝物，而大青楊木材揮發(fā)物中有7 種藥用活性成分，其中一種關(guān)鍵活性成分1-十六烷醛無對應(yīng)的靶蛋白和疾病，表明大青楊木材揮發(fā)物中的1-十六烷醛可能具有重要的保健價值和新藥開發(fā)潛力（Liet al.， 2022）。此外，大青楊木材揮發(fā)物2-己酮有一定刺激性，人體暴露在2-己酮濃度為1 000 μmol·mol–1的空氣中，鼻子和上呼吸道會感受到中度刺激，吸入后在肺部的滯留率為60%～90%，會加劇其神經(jīng)毒性效應(yīng)，短暫的暴露于濃度為5 000 μmol·mol–1的空氣中會導致嗜睡和中樞神經(jīng)抑制（Couriet al.，1982），可能是大青楊木材中主要的潛在危害性揮發(fā)性物質(zhì)，因此需進一步對大青楊木材釋放的2-己酮進行絕對定量，以判斷其是否對人體造成危害。本研究提高了對楊樹木材揮發(fā)物中影響人體健康的關(guān)鍵有效成分研究，香楊木材有更清新的香氣特征且揮發(fā)物中含有較多有益人體健康的藥用成分，可作為生產(chǎn)保健型木材的候選樹種，為楊樹良種選育提供新的方向。

4 結(jié)論

通過測定香楊和大青楊木材的揮發(fā)性物質(zhì)，在香楊木材中鑒別出較多香氣化合物和藥用活性物質(zhì)。香楊、大青楊木材中分別鑒定出20、16 種揮發(fā)性化合物，分別包括8、5 種香氣化合物和9、7 種藥用活性成分。香楊木材較大青楊木材氣味更清新，大青楊木材中關(guān)鍵性氣味化合物2-己酮的氣味較為刺鼻，且對室內(nèi)環(huán)境和人體存在潛在危害。香楊木材揮發(fā)物中特有的中藥成分為2,3-丁二醇、1-辛基-3-醇、1-己醇和β-柏木烯，大青楊木材揮發(fā)物中特有的中藥成分為十五烷醛和1-十六烷醇。2 種木材揮發(fā)物中共有的5 種中藥活性成分為乙偶姻、己醛、4,6-二甲基-十二烷、3-辛酮和十四烷。