摘 要:【目的】探究北京地區(qū)經(jīng)濟林樹種山楂和棗不同時期釋放植物源揮發(fā)性有機物(BVOCs)組成成分的變化規(guī)律,以及兩者釋放有益BVOCs 特征?!痉椒ā坎捎脛討B(tài)頂空采集法收集釋放的BVOCs,結(jié)合自動熱脫附- 氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)進行分析。【結(jié)果】在整個生長季從山楂葉中共檢測出12 類328 種BVOCs,從棗葉中共檢測出12 類301 種BVOCs,棗葉釋放類別的數(shù)量與山楂葉相同,釋放種類少于山楂葉,兩樹種均在9 月釋放類別最多;山楂葉和棗葉主要釋放烷烴類、烯烴類和芳香烴類、酯類和醇類BVOCs;棗葉主要釋放烷烴類、烯烴類、芳香烴類、酯類、醛類和醇類BVOCs,其中天然壬醛山楂葉和棗葉每月都有釋放,但棗葉每月釋放BVOCs 的種類更加豐富;山楂是烯烴類夏季高釋放量樹種,棗是春季芳香烴高釋放量樹種;從山楂葉中共檢測出烯烴類、芳香烴類、酯類、醛類、有機酸類、酮類、醇類和酰胺類8 類43 種有益成分,而棗葉不釋放酮類,釋放種類總數(shù)量比山楂葉多?!窘Y(jié)論】兩個樹種釋放烯烴類有益BVOCs 在總有益BVOCs 成分中占比最大,以釋放對薄荷-1(7),3- 二烯、α- 蒎烯、羅漢柏烯、3- 蒈烯、右旋萜二烯為主,夏季是山楂葉和棗葉釋放有益BVOCs 組分的主要季節(jié),兩者均在7 月達到最大值??傊?,樹種釋放BVOCs 成分呈明顯的季節(jié)性變化,尤其是山楂葉釋放總有益BVOCs 最大值超過60%。
關(guān)鍵詞:山楂;棗;植物源揮發(fā)性有機物(BVOCs);有益成分;生長季;釋放動態(tài)
中圖分類號:S665.1;S661.5 文獻標志碼:A 文章編號:1003—8981(2024)01—0087—12
山楂Crataegus pinnatifida Bunge. 又名山里紅,薔薇科山楂屬落葉喬木,原產(chǎn)于中國,栽培歷史長達1 700 多年,在我國分布有18 個種1 個變種[1-2]。其果實味酸有回甘,主要功能為消食健胃,行氣散瘀,化濁降脂,可用于肉食積滯,胃脘脹痛,瀉痢腹痛,血瘀經(jīng)閉,疝氣疼痛和高脂血癥等癥治療[3];其葉具有與果相同的藥理作用,其提取物能降糖、降脂、抗炎、抗氧化[4-5] 和緩解高脂血癥造成的腎損傷[6]。何嘉偉等[7] 首次采用頂空固相微萃取- 氣相色譜- 質(zhì)譜聯(lián)用法(HS-SPME-GCMS)分析比較了山楂果和山楂葉釋放的揮發(fā)性有機物,得知葉釋放類別多于果,其中山楂葉中相對含量最高的成分是丙酮香葉酯,占總揮發(fā)性成分的10.7%。
棗Ziziphus jujuba Mill. 為鼠李科棗屬植物,落葉小喬木,中國是其重要的發(fā)源地,種植面積超1.3×107 hm2, 其產(chǎn)量居干果首位(年產(chǎn)800 萬t左右)[8]。研究表明棗的果實、種仁、根皮、葉片等都具有藥理活性,其中果實具有提高免疫、補血健脾,抗氧化、降脂、抗腫瘤之功效,主要以鮮食和干食為主[9]。棗葉的化學成分以黃酮類化合物為主[10],一般類黃酮還作為棗類品質(zhì)評價的核心指標[11]。其標準化乙醇-水提取物可明顯改善血液生化指標和肝臟抗氧化指標,具有肝臟保護作用。干制后棗葉可作為一種草本茶[12-13],并不像傳統(tǒng)茶飲一樣含咖啡因、茶堿等具有刺激性提神類化合物,反而能鎮(zhèn)靜安神和促進睡眠。
目前,對山楂和棗的資源利用還停留在其經(jīng)濟價值上,對其生態(tài)價值的研究較少,兩者都具有一定藥用價值,但尚未見關(guān)于其在生長季中釋放的植物源揮發(fā)性有機物(Biogenic VolatileOrganic Compounds,BVOCs)的組成成分、變化規(guī)律以及有益成分的報道。鑒于此,本文以北京地區(qū)山楂葉和棗葉為研究對象,采用動態(tài)頂空采集法采集4—10 月葉片釋放的BVOCs,探究兩者釋放的季節(jié)性變化規(guī)律,綜合分析其有益BVOCs組成成分和相對含量,為提高山楂和棗的生態(tài)效益和康養(yǎng)功能提供參考。
1 材料與方法
1.1 材 料
選擇山楂‘小金星’品種Cralaegus pinnatifida.Bge cv.xiao jinxing 和棗‘芒果冬棗’品種Ziziphusjujuba cv.Mangguo Dongzao 為供試樹種(表1)。樣株生長在北京市順義區(qū)高麗營試驗基地(116°29′41″E,40°11′08″N),該地處于首都經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和溫榆河綠色生態(tài)走廊的延展區(qū)域。屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,四季分明。年平均溫度11.5℃,年平均降水量610 mm,其中夏季降水量占全年的3/4,土壤類型為黃棕壤土。
1.2 研究方法
1.2.1 BVOCs 采集方法
于2021 年4—10 月中下旬選擇晴朗無風或微風天氣,采樣時間為10:00—11:00,由大氣采樣器(QC-1S 型號,北京市勞動保護科學研究所產(chǎn))、解析管(Tenax GR(60/80)目不銹鋼熱解析管,CAMSCO 公司產(chǎn))、硅膠管、密封袋(50 cm×70 cm)和250 ml 干燥塔組成的采集裝置對每個單株高度在1 m 以上向陽背風中部健康無缺刻樹葉進行采樣,葉片采集數(shù)量(10 ~ 30 片)相同,采集氣體時流保持在0.20 L/min,每次采樣間隔時間為25 min,采樣進行3 次重復。
1.2.2 BVOCs 分析條件
采集的樣品通過自動熱脫附- 氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀(Thermal desorption Cold Trap - GasChromagraphy/Mass Spectrum,TCT-GC/MS)進行檢測。
自動熱脫附工作條件:解析管在熱脫附解析裝置260 ℃溫度下解析5 min,解析出來的BVOCs被吸附到冷阱中,并利用液氮冷卻至-25 ℃后,冷阱以40 ℃ /s 的速度逐漸升溫至300 ℃,解析出來的BVOCs 經(jīng)傳輸線(250 ℃)進入到氣相色譜中進行分離分析。
氣相色譜工作條件:以高純氦氣為載氣,流速為1.0 ml/min;色譜柱按程序控制升溫,起始溫度為40 ℃,保持2 min,然后以4 ℃ /min 的速度升到160 ℃,保持2 min,再升溫到270 ℃并保持3 min。
質(zhì)譜工作條件:采用電子轟擊源EI(70 eV),掃描范圍29 ~ 350 m/z,接口溫度250 ℃。
1.3 數(shù)據(jù)處理
經(jīng)GC/MS 分析獲得原始數(shù)據(jù)- 總離子流圖(Total ion current,TIC), 圖中出現(xiàn)各峰值,經(jīng)TurboMass Ver 5.4.2 版本軟件分析、Nist 2008Library 標準譜庫檢索,去除雜質(zhì)峰,進行核對和確認,獲得BVOCs 中英文名稱、分子式、CAS 號和峰面積等信息。相對含量采用峰面積歸一化方法進行計算,公式如下:
式中,C1為BVOCs的相對含量,A1為BVOCs離子峰面積,A總為BVOCs 峰面積總和。用Excel2020、WPS2019 和Origin2018 軟件對處理后數(shù)據(jù)繪制圖、表。
2 結(jié)果與分析
2.1 山楂葉釋放BVOCs 組分及生長季動態(tài)變化
由圖1 可知,在整個生長季(4—10 月),山楂葉不同月份主要釋放BVOCs 組成類別有一定共性,主要釋放烷烴類、烯烴類、芳香烴類、酯類和醇類,醛類只在7 月份超過10%,其他類各個月份均未超過10%。天然壬醛每月都會釋放,但相對含量占比較少,為0.13%(10 月)~ 2.37%(5 月)。
山楂葉共檢測出12 類328 種BVOCs,包括烷烴類(67)、烯烴類(48)、芳香烴類(31)、酯類(36)、醛類(16)、有機酸類(18)、酮類(17)、醇類(54)、酚類(2)、醚類(8)、酰胺類(25)和其他類(6),組分總數(shù)量9 月(122)> 7 月(111)> 8 月(88)> 5 月(68)> 6 月(66)>10 月(62)> 4 月(39)。
由圖2 可知,烷烴類、烯烴類和酯類在山楂釋放BVOCs 中占據(jù)重要地位,其相對含量分別在9 月(39.96%±3.74%)、6 月(39.65%±5.37%)和10 月(36.29%±9.07%)到達最大值,最小值分別在7 月(4.59%±0.31%)、10 月(9.24%±2.02%)和6 月(3.68%±0.91%),除酯類在7 月數(shù)量達到最大值(17),在6 月數(shù)量最少(3),烷烴類和烯烴類數(shù)量均在9 月達到最大值,在4 月達到最大值;芳香烴類相對含量各月變化趨勢呈“M”型,烷烴類相對含量由4 月(15.59%±5.48%)開始上升,到5 月達到相對含量最大值(29.34%±1.23%),隨后6 月下降至(6.99%±1.11%), 在7—8 月回升,到9 月又開始下降,到10 月達到生長季最小值(4.75%±0.84%), 數(shù)量則表現(xiàn)為5 月(18)> 9 月(15)> 7 月(13)> 8 月(10)>10 月(7) > 6 月(6 > 4 月(4); 醇類相對含量在10 月達到最大值(19.26%±5.87%),與同時期達到最大值的酯類相比,僅約占酯類的53%,而數(shù)量在7 和9 月達到最大值(17)。
主要釋放BVOCs 類別季節(jié)變化:1)烷烴類秋季(23.35%)>夏季(20.13%)>春季(11.58%),組分數(shù)量秋季(21)>夏季(17)>春季(10);2)烯烴類夏季(34.15%)>春季(23.45%)>秋季(17.92%), 組分數(shù)量夏季(16)= 秋季(16) > 春季(5);3) 芳香烴類春季(22.47%)>夏季(9.84%)>秋季(8.02%),組分數(shù)量春季(11)= 秋季(11)>夏季(10);4)酯類秋季(23.46%)>春季(11.96%)>夏季(9.82%),組分數(shù)量秋季(9)>夏季(8)>春季(6);5) 醇類春季(15.59%) > 秋季(11.27%) > 夏季(10.12%), 組分數(shù)量秋季(13)>夏季(11)>春季(8)。
2.2 山楂葉有益BVOCs 組分及動態(tài)變化
在整個生長季(4—10 月),山楂葉每月釋放有益BVOCs 在組成成分和相對含量上均存在明顯差異。由表2 可知,山楂葉共檢測出烯烴類、芳香烴類、酯類、醛類、有機酸類、酮類、醇類和酰胺類共8 類43 種有益成分。
由圖3 可知, 相對含量變化趨勢呈“W”型,在4 月和7 月出現(xiàn)兩個峰值,分別為42.98%和64.57%,2 個谷值出現(xiàn)在5 月和10 月,分別為25.71% 和31.21%。有益組分總相對含量夏季(44.59%)>春季(34.35%)>秋季(33.68%)。
山楂葉釋放BVOCs 有益組分生長季總數(shù)量大小排序為9 月(26)> 7 月(25)> 6 月(14)>8 月(12)> 5 月(10)> 10 月(9)=4 月(9)。數(shù)量變化趨勢呈“M”型。主要釋放對薄荷-1(7),3- 二烯、(1R)-(+)-α- 蒎烯、右旋萜二烯、3- 蒈烯、α- 蒎烯、羅漢柏烯、乙酸乙酯、己醛、異戊醛和丙酸芳樟酯。
2.3 棗葉釋放BVOCs 組分及生長季動態(tài)變化
由圖4 可知,在整個生長季(5—10 月),棗葉不同月份主要釋放BVOCs 組成類別具有相似性,以釋放烷烴類、烯烴類、芳香烴類、酯類、醛類和醇類為主,而酮類在10 月從不足3%,急速增長至39.06%±17.10%;其他類各個月份均未超過10%,各類相對含量和數(shù)量存在顯著差異。癸烷、正十九烷、α- 蒎烯、鄰傘花烴、庚醛、天然壬醛和庚胺醇每月都會釋放,但相對含量差異較大,其中α- 蒎烯相對含量占比最大,范圍為0.10% ~ 16.74%。
棗葉共檢測出12 類301 種BVOCs,包括烷烴類(53)、烯烴類(47)、芳香烴類(32)、酯類(30)、醛類(21)、有機酸類(18)、酮類(16)、醇類(47)、酚類(3)、醚類(4)、酰胺類(25)和其他類(5)。組分總數(shù)量9 月(106) >6 月(98)> 5 月(96)> 7 月(89)> 10 月(79)>8 月(66)。
由圖5 可知, 烷烴類是棗葉釋放BVOCs類別中相對含量最多, 在8 月達到最大值(41.42%±6.96%),相對含量整體變化趨勢呈“M”型,在5 月相對含量最低(10.52%±0.86%),數(shù)量變化趨勢呈近“N”型,數(shù)量在9 月達到最大值(27),其余月份數(shù)量變化較為穩(wěn)定;烯烴類與烷烴類相對含量變化趨勢一致,其最大峰值時間晚于烷烴類,在9 月最高(27.81%±3.59%),在10 月最低(4.18%±0.58%),數(shù)量變化趨勢也呈“M”型,兩個峰值分別在6 月(24)和9 月(21),3 個谷值分別在5 月(12)、8 月(11)和10 月(9);芳香烴類在5 月相對含量最高(35.81%±1.54%),其余月份相對含量均未超過10%,除9 月略有回升,整體相對含量變化趨勢呈線性下降,在10 月達到最低(1.89%±0.47%),其數(shù)量最高值和最低值也分別在5 月(22)和10 月(5);酯類相對含量在出現(xiàn)峰值后快速下降,變化趨勢呈“W”,最大峰值在7 月(26.31%±4.27%),最小谷值在8 月(6.72%±1.75%),數(shù)量變化趨勢呈近“M”,表現(xiàn)為9 月(12)> 7 月(11)> 6 月(10)> 5月(7)=10 月(7)> 8 月(6);醛類相對含量和數(shù)量均在7 月達到最大值,除9 月外,其余月份的相對含量均超過10%;醇類相對含量和數(shù)量均在10 月達到最大值,數(shù)量和相對含量最小值分別9 月(3.65%±0.33%)和8 月(7),其中,相對含量變化趨勢呈“M”型,數(shù)量變化趨勢呈“N”。
主要釋放BVOCs 類別季節(jié)變化:1)烷烴類夏季(27.88%)>秋季(24.00%)>春季(10.52%),組分數(shù)量秋季(22)>春季(15)>夏季(14);2)烯烴類夏季(20.77%)>秋季(15.99%)>春季(11.12%),組分數(shù)量夏季(17)>秋季(15)>春季(12);3) 芳香烴類春季(35.81%) > 秋季(5.56%) > 夏季(5.01%), 組分數(shù)量春季(22)>秋季(10)>夏季(8);4)酯類春季(16.42%)>夏季(15.30%)>秋季(8.74%),組分數(shù)量秋季(10)>夏季(9)>春季(7);5) 醛類夏季(14.51%) > 春季(12.93%) >秋季(11.05%), 組分數(shù)量春季(10) > 夏季(9)= 秋季(9);6) 醇類夏季(11.81%) >秋季(10.52%)>春季(5.90%),組分數(shù)量秋季(14)>夏季(11)>春季(9)。
2.4 棗葉有益BVOCs 組分及動態(tài)變化
在整個生長季(5—10 月),棗葉每月釋放有益BVOCs 在組成成分和相對含量上均存在明顯差異。由表3 ~ 6 可知,棗葉共檢測出烯烴類、芳香烴類、酯類、醛類、有機酸類、醇類和酰胺類7類47 種有益成分。
由圖6 可知,相對含量變化趨勢呈“倒V 型”,在7 月達到最大值(40.15%),2 個谷值出現(xiàn)在5月和10 月,分別為20.63% 和17.59%。有益組分總相對含量夏季(36.03%)>秋季(25.25%)>春季(20.63%)。
棗葉釋放BVOCs 有益組分生長季總數(shù)量大小排序為9 月(24)> 7 月(23)> 6 月(22)>5 月(19)> 8 月(15)=10 月(15)。數(shù)量變化趨勢呈“M”型。主要釋放成分為右旋萜二烯、α-蒎烯、對薄荷-1(7),3- 二烯、羅漢柏烯、乙酸乙酯、天然壬醛、己醛、癸醛和反式-2- 己烯醛。
3 討 論
植物釋放BVOCs 具一定的季節(jié)動態(tài)變化規(guī)律。前人研究大多選用夏季處于成熟期的葉片作為試驗材料,未見對山楂和棗葉片釋放BVOCs 季節(jié)變化特征研究的系統(tǒng)性報道。本研究中棗葉片在夏季釋放主要類別為烷烴類、烯烴類和芳香烴類等,這與李雙江等[14] 采集北京地區(qū)夏季鼠李科(棗)經(jīng)濟林樹種葉片的BVOCs,發(fā)現(xiàn)其主要釋放烴類(烷烴類、烯烴類和芳香烴類)BVOCs類別的結(jié)果相似。從葉片類型的角度上,闊葉樹以排放異戊二烯為主,針葉樹則以排放單萜烯為主[15],但某些闊葉樹種主要釋放單萜烯如香樟Cinnamomum camphora[16],某些針葉樹種釋放較多異戊二烯如高加索冷杉Abies nordmanniana[17]。而本研究山楂和棗為落葉闊葉樹種均并未檢測出釋放異戊二烯,原因是選用樹種可能屬于單萜烯釋放類型[18],有待下一步的研究。山楂葉和棗葉都釋放較多的烯烴類BVOCs,與柏科和松科植物釋放烯烴類BVOCs 種類、相對含量和規(guī)律存在一定的共性和差異性。例如,山楂葉釋放烯烴類BVOCs季節(jié)變化規(guī)律為夏季>秋季>春季,這與李娟等[19]對側(cè)柏(Platycladus orientalis)在一年四季釋放BVOCs 進行采集,發(fā)現(xiàn)烯烴類BVOCs 季節(jié)變化規(guī)律:冬季>秋季>夏季>春季的結(jié)果差異明顯,而在本研究中棗葉釋放有益成分相對含量變化趨勢呈倒“V”型,在7 月達到最大值,2 個谷值分別出現(xiàn)在5 月和10 月,這與高巖[20] 采集油松(Pinustabuliformis)、白皮松(P. bungeana)和檜柏(Sabinachinenssi)葉片釋放的BVOCs,研究其在自然狀態(tài)下生長季(5—9 月)動態(tài)變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)變化趨勢呈倒“V”型,5 月釋放速率較低,7 月份釋放速率最高,9 月份釋放速率呈逐漸下降趨勢的研究結(jié)果有相似之處。
葉片也會釋放某些對于植物生長發(fā)育和抵御外界脅迫起到重要作用的BVOCs,但會對人和環(huán)境產(chǎn)生直接或間接的不利影響,如正三十五烷,污染空氣,但能增加有害菌體細胞膜通透性,并破壞其細胞壁,達到殺菌的效果[21-22];苯雖具有一定毒性,對環(huán)境存在污染,但具有化感、抗菌和殺蟲等生物活性[23],可增強植物競爭能力,更好地適應(yīng)生物和非生物脅迫;鄰苯二甲酸單乙基己基酯雖然對人體呼吸道毒有害[24],但能協(xié)助植物抵御蟲害威脅;大多數(shù)烯烴類具有抑菌、殺菌、抗炎、驅(qū)蟲和清新空氣的作用[25],孫旻愷等[26] 發(fā)現(xiàn)人吸入α- 蒎烯和d- 檸檬烯后,血管收縮壓下降,平均心率降低,使人壓力減輕,心情放松愉悅,山楂和棗葉均會釋放較多α- 蒎烯,這有利于建設(shè)保健型果園,發(fā)揮其康養(yǎng)功能。
植物釋放BVOCs 的種類及含量與植物本身種屬特性存在很大關(guān)系,不同科屬植物釋放的BVOCs 種類與相對含量具有明顯的差異。按所在科屬分類,禾本科Gramineae、棕櫚科Arecaceae主要釋放異戊二烯[27];以云杉屬Pieca、松屬Pinus為代表的松科Pinaceae、以側(cè)柏屬Platycladus為代表的柏科Cupressaceae 和以楠屬Phoebe 為代表的樟科Lauraceae 主要釋放萜烯類[19,28]。即使是同屬同科差異也相當明顯,陳友吾等[29] 收集8 月美國山核桃Carya illinoinensis 與山核桃Carya cathayensis 葉片BVOCs, 共鑒定出50 種BVOCs,主要釋放醇類、酯類和烷烴類BVOCs,但各類BVOCs 相對含量差異極大,據(jù)研究表明核桃葉具有獨特氣味,通過比較釋放BVOCs 組分和含量異同,可識別核桃具體品種[30];班明輝等[31]發(fā)現(xiàn)無刺大紅袍花椒Thornless Dahongpao 與大紅袍花椒Dahongpao 進行了品種分析,不同品種的花椒的釋放的BVOCs 物質(zhì)組分與含量也不同;因此不同品種山楂和棗也可采用類似方法來辨別品種,也是下一步的研究方向。
4 結(jié) 論
1)山楂葉在生長季(4—10 月)共檢測12 類328 種BVOCs,不同月份主要釋放BVOCs 組成類別有一定共性,主要釋放烷烴類、烯烴類、芳香烴類、酯類和醇類;其中烷烴類、烯烴類、酯類在山楂釋放BVOCs 中占據(jù)重要地位。
2)山楂葉每月釋放有益BVOCs 在組成成分和相對含量上均存在明顯差異;山楂葉釋放BVOCs 有益組成成分生長季每月總數(shù)量大小排序為9 月> 7 月> 6 月> 8 月> 5 月> 10 月=4 月數(shù)量變化趨勢呈“M”型;相對含量變化趨勢呈“W”型,在4 月和7 月出現(xiàn)兩個峰值,2 個谷值出現(xiàn)在5 月和10 月,有益組分總相對含量夏季>春季>秋季。
3)棗葉在生長季(5—10 月)共檢測出12 類301 種BVOCs,棗葉不同月份主要釋放BVOCs 組成類別具有相似性,以釋放烷烴類、烯烴類、芳香烴類、酯類、醛類和醇類為主,烷烴類是棗葉釋放BVOCs 類別中相對含量最多。
4)棗葉每月釋放有益BVOCs 在組成成分和相對含量上均存在明顯差異,棗葉釋放BVOCs 有益組成成分生長季每月總數(shù)量大小排序為9 月> 7月> 6 月> 5 月> 8 月=10 月,數(shù)量變化趨勢呈“M”型;相對含量變化趨勢呈“倒V 型”,在7月達到最大值,2 個谷值出現(xiàn)在5 月和10 月,有益組分總相對含量夏季>秋季>春季。
總之,山楂和棗種釋放BVOCs 成分呈明顯的季節(jié)性變化,兩種樹有益組分總相對含量夏季>秋季>春季,夏季是山楂葉和棗葉有益BVOCs組分釋放的主要季節(jié),并都在7 月達到最大值,5 月谷值,有一定的相似性。但山楂葉和棗葉釋放BVOCs 又有不同,棗葉每月釋放BVOCs 種類更為豐富;山楂是烯烴類夏季高釋放量樹種,棗是春季芳香烴高釋放量樹種;山楂葉比棗葉多釋放酮類有益成分,棗葉比山楂葉釋放種類總數(shù)量比多47 種。
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[ 本文編校:趙 坤]
基金項目:國家自然科學基金項目(32171844,32171537);北京市農(nóng)林科學院科技創(chuàng)新能力建設(shè)資助項目(KJCX20230306)。