芳香植物挥发物成分影响因素的研究进展

芳香植物挥发物成分影响因素的研究进展

 

（华北水利水电大学建筑学院，河南郑州450000）

 

摘要：植物作为景观中的重要元素，不仅具有美化环境的作用，其有益的挥发物成分也对促进城市环境和人体健康起着积极作用。园林植物资源丰富，自然生长与人为刺激因素不同，园林植物挥发物成分也有所不同。以往关于植物挥发物综述虽内容细致，但随着越来越多实验研究的深入，近期的学术成果尚未有学者总结与分析。

因此，在现有文献综述基础之上，继续对近年来的文献和实验结论进行梳理，概括并总结了植物挥发物的定义、主要成分与种类，综合植物挥发物成分受多种因素影响的理论基础，综述了近几年国内外对植物挥发物采集、成分鉴定及影响因素方面的研究进展，分析并总结了挥发物成分主要受植物基因与品种、外界环境刺激、时空动态与花期变化、处理方法、干燥方法、保存方法、激素以及温光等环境条件等不同程度的影响，以期激发挥发物成分研究的新方向和新视角，并为未来植物挥发物的提取技术和实践应用提供借鉴。

 

植物挥发物虽然微量，但有重要的生态意义[1]，影响大气与环境质量，调节生态系统的平衡与稳定，促进植物群落及植物自身生长，杀菌抑菌，消除病毒和改善人体健康等。早在20世纪80－90年代，国内的科研学者们就已开始对植物挥发物开展了深入研究，直到今天，主要科研重点都集中在各种食草动物和植被之间的相互影响关系、植物挥发物的生物合成过程、茶用花卉及其应用、挥发物萃取方式以及影响植物成分浓度的各种因素、挥发物精油提取方法、香花香叶植物的基本化学成分的分析方法等。但对于植物挥发物的成分含量、影响程度等总结性文献较为不足，因此，对近几年植物挥发物成分及影响因素进行综述，旨在为植物挥发物的理论研究提供参考。

 

1植物挥发物的生成机理及途径

 

植物挥发物是指植物通过其体内次生代谢途径合成并释放到外界的挥发性小分子化学物质[2-4]。植物释放的挥发物种类主要包括：挥发萜烯类化合物，挥发性脂氧合酶代谢产物，氨基酸衍生挥发物，挥发性胺、吲哚、含硫化合物，苯丙烷类/苯类挥发物，生物碱挥发物等，且不同种属的植物释放的挥发物也不相同。植物挥发物的生成机理及途径如图1所示。

 

2植物挥发物的主要芳香成分

 

花香是植物释放的挥发性有机化合物（VOCs）的重要组成部分，受许多环境和内源性因素的影响。植物含有的芳香化学物种类丰富，主要分为三大类：萜烯类化合物、芳香族化合物、脂肪酸类化合物。不同的芳香植物含有的芳香成分种类和含量不同[6-7]，具体如表1所示。

 

3植物挥发物成分的影响因素

 

由图2可知，随着植物挥发物成分研究的跨学科性、技术前沿性不断增强，国内外植物挥发物研究呈现出健康导向的趋势，数据获取与量化研究成果丰富，且呈现出持续高热的趋势。



植物挥发物的成分受多种因素影响，结合前人文献，对植物挥发物成分的影响因素及变量控制进行总结（如表2）。

 

3.1品种与基因类型

 

种属与品种的差异性反映了不同基因类型下的植物挥发物成分的差异（表3）。王忠泽等[8]分析比较了湖南张家界、陕西平利、广西金秀、安徽毫州、云南玉溪5个不同产地绞股蓝茶的挥发性成分的差异，发现5个不同产地绞股蓝茶主要香气成分都包括二氢猕猴桃内酯，但其关键成分存在差别，因此不同来源的绞股蓝茶风味不尽相同。郝瑞杰等[9]以8个系列12个矮牵牛品种为材料，利用嗅觉对其香味浓淡程度将其分为芳香型、清香型、淡香型。

结果表明，不同品种矮牵牛挥发成分间存在显著差异，矮牵牛花挥发物主要种类为酯类、萜烯类，苯甲酸苯甲酯是控制芳香型矮牵牛品种的特征芳香成分。Guo等[10]研究大花菊和其他4种菊花叶片的挥发性化合物，共检测到70种化合物，萜类化合物在这5个物种中占比最大。结果表明，5种菊花叶片挥发性化合物的主成分明显不同，挥发性化合物含量与毛状体密度之间的关系，推测这可能是叶子有香味的原因。Luo等[11]将研究重点放在9种不同品种的牡丹花瓣上，在挥发物成分中共鉴定出124种挥发性成分，主要包含五大类：萜类化合物、烷烃、醇类、醛类和酮类。

 

3.2外界刺激与生长习性

 

外界环境条件包括人为激素条件和人为控制下的光温条件（表4），都会影响花香挥发物的产生，同时对每种植物的影响差异较大（如图1）。

 

Barman等[12]通过研究发现，金缕梅释放独特花香的温度在25℃或30℃，而在2个边界温度范围（20℃和35℃）下均显示出相对较低的量。Fu等[13]鉴定了不同温度处理下4个品种桂花的化合物数量及其相对释放量。结果表明，大多数品种在19℃时化合物数量最多，并且随着温度的升高或降低，化合物的数量减少。这4种化合物对桂花花香的不同温度变化有明显影响，证明温度可以极大地影响花香的排放。

 

Shibusawa等[14]比较了温室内和室内的仙客来花香味的差异，对于温室仙客来，在整个研究期间，气味强度几乎恒定。相比之下，室内植物的气味强度在开花后13d下降，且室内和温室仙客来的气味强度差异显著。Hu等[15]研究在不同光强度水平（0、100、300、600、1000和1500μmol/m2·s）和温度（10、20、30和40℃）下收集的百合香气的差异。结果表明，最大数量和释放量主要出现在600μmol/m2·s和1000μmol/m2·s；且30℃产生最多的以萜类化合物为主的花香成分数量和释放量。

 

3.3时空动态变化

  

 

由表5可知，不同物质的释放规律有一定差异，同一物质在不同季节、开花时期以及日动态变化上也有一定的差异，并且都会在一定程度上影响挥发物成分的组成。

 

吕迪等[16]以我国北方乡土树种油松为研究对象，对夏季和秋季健康和衰弱的油松释放的挥发物进行分析，研究显示，相比夏季而言，秋季健康油松林分释放的挥发物对人体健康更有益，更适合外出游憩。而夏季16:30－18:00期间也比较适合在油松健康林分内游憩。邹晶晶等[17]通过运用气相色谱-嗅闻技术检测12个桂花品种在开花过程中的香气变化发现，花期变化是影响桂花香气浓度、持久度的重要影响因素之一。

相较于其他学者对比探究园林植物挥发物的季节与开花时期的变化，蒋冬月等[18]在此基础上，继续检测芸香叶片和花瓣释放的挥发性有机物的日动态变化规律。徐婉等[19]通过研究发现紫薇‘香雪云’在不同开花阶段呈现6种主要的挥发模式，分别是持续下降模式、先下降后上升模式、先下降后上升再下降模式、持续上升模式、先上升后下降模式和先上升后下降再上升模式。蒋冬月等[20]研究发现，不同季节迷迭香叶片释放的挥发性有机物各不相同，迷迭香叶片释放的挥发性有机物种类的年变化呈现先增加后减少的趋势。

其中，6月份检测到的挥发性有机物种类最多，为30种；9月份检测到的挥发性有机物的种类最少，仅为22种。在6月份的日变化检测中，挥发性有机物的种类呈现先增多后减少的趋势，在14:00达到高峰，以萜烯类化合物为主。司家屹等[21]研究黑暗处理对百里香挥发物释放日变化节律的影响，在1天中6个时间点对正常光照和黑暗处理下的百里香叶片释放的挥发性有机物进行测定。

结果表明，百里香释放的挥发性物质中，烯烃类挥发物的数量相对含量最多，黑暗处理影响了各类挥发物相对含量日变化趋势。崔磊等[22]研究吉林农业大学校园及周边3块样地中各季节黑皮油松挥发物萜烯类相对百分比的变化趋势，发现由大到小依次为秋季（62.86%）、夏季（62.74%）、春季（51.95%）、冬季（51.70%）。Ren等[23]研究大马士革玫瑰在芽期、半花期、盛开期和衰老期4个阶段的挥发物变化趋势，发现醛类、萜烯类和烷烃类是主要的芳香族成分；在盛开阶段，花朵释放出最高浓度的芳香挥发物，并达到顶峰。

 

 

3.4制备：处理方式

 

处理主要指对芳香植物不同程度、不同方式的制备。通过分析芳香植物制备后的状态与空白组的对照试验后的结果，为芳香植物精油等的制备及品质鉴定提供一定的试验支撑与理论基础（表6）。

 

武艺等[24]研究不同盐渍条件下苦水玫瑰精油的挥发性成分差异，结果表明，未经NaCl盐渍的苦水玫瑰鲜花和经NaCl盐渍的苦水玫瑰制备得到的纯露，共鉴定出86种化合物，鲜花精油的香气比盐渍精油更饱满香甜，颜色更澄清。张旋等[25]研究萃取及样品制备方式对碰碰香茎叶挥发性成分的影响发现，研磨处理增加了碰碰香挥发性成分中单萜含氧衍生物的种类和数量。

李国明等[26]对比分析施用尿素组、钙镁磷肥组、氯化钾组和复合肥组的辣木叶挥发性化合物差异，结果发现，尿素组提高了醇类和烷烃类的含量，降低了羧酸类、醛类、酮类和烯烃类的含量；钙镁磷肥组提高了醇类和烷烃类的含量，降低了羧酸类、酮类和烯烃类的含量；复合肥组提高了醇类和烷烃类的含量，降低了羧酸类、醛类和烯烃类的含量；氯化钾组降低了羧酸类、醛类、烯烃类和酮类的含量[26]。Sarhan等[27]对比分析不同浓度辣木叶提取物叶面喷雾对芳香植物柠檬蜂草挥发物成分的影响，结果显示，与对照处理相比，不同浓度的辣木叶提取物显著增加了柠檬蜂草挥发物成分含量。因此，得出应用辣木叶的天然提取物可以部分替代化肥并培育高质量的柠檬蜂草。

 

3.5制备：干燥方式

 

干燥是制备香料的重要步骤，影响着香料的香气，根据地区和生产地的不同，挥发物的质量也随之变化。干燥方法也会影响其主要化合物的含量，其关键要素是时间、干燥温度和所使用的设备（表7）。

 

张思颉等[28]通过比较襄荷花苞在新鲜、干燥及冷冻前后时的挥发性成分的差异，发现干燥处理更有助于提升襄荷花苞内多种挥发性药效成分和有机生理成分的含量。程嘉莉等[29]则选择冷冻干燥、阴干、晒干和55℃烘干处理来探究影响红花玉兰‘娇红1号’花蕾挥发油中的有机化合物，结果表明，红花玉兰‘娇红1号’花蕾挥发油的萃取效果在冷冻干燥处理时最佳。

相较于以往的研究，卢紫娟等[30]将重点放在比较阴干与烘干方式下的款冬花主要化学成分含量和水分含量，结果表明，55℃的烘干温度效果最佳。赵昌恒等[31]则创造性地对比研究了阴干和鼓风加热干燥2种干燥处理后的珠兰花挥发油，结果表明，鼓风加热干燥下的珠兰花挥发油的抗氧化活性优于阴干,且鼓风加热干燥处理后其挥发油萃取效果较佳。Chaouqi等[32]发现在烤箱（40℃）干燥并保存在8℃的冰箱中的藏红花的挥发性效果最佳。Abbas等[33]将时间与温度相结合，比较阳光72h、遮阳1周、在40℃下烘烤72h、太阳能烘干机72h和微波炉5min5种干燥方法对母菊精油（Ma-tricariaChamomillaL.）及其化学成分的影响，研究发现，与其他干燥方法相比，太阳能干燥和阴凉条件下干燥效果最佳，保留了精油的主要化学成分。

 

3.6保存与储存方式

 

大部分芳香植物花期短暂，如不及时保存，则香气极易损失。芳香植物多制备为精油，采集芳香植物后需要使用合适的方法对芳香植物进行预处理，将其保存起来。探究并对比分析合适的方法对于芳香植物的香气留存也起着至关重要的作用。

 

园林植物挥发物成分在不同保存条件、不同保存时间下的成分有所不同，且挥发物的萃取效果也会随之变化（表8）。如高艳芳等[34]以枫香叶为材料，发现-5℃及17℃储存条件下可保留更多挥发性化合物。海城英等[35]为探究不同产地白菊的挥发性成分，将新鲜采样后的白菊于室温下储存，最终结果表明，该储存条件使得挥发性成分检测准确率高达98%以上。张博雅等[36]则事先将神农香菊鲜叶放于20±3℃塑料袋密闭避光冷冻储存后，采用少溶剂微波蒸馏同时萃取法从神农香菊鲜叶获得精油，有效提高了神农香菊鲜叶精油提取率。

 

近些年，随着人们对合成芳香化合物不安全性的担忧增加，越来越多学者们将注意力转移到如何更高效率制备天然原料上来。Seify等[37]发现，大马士革玫瑰收获后储存时间96h、储存温度-20℃条件下，能有效避免精油成分遗失的损失。Zhang等[38]考虑到牡丹籽在储存过程中可能会出现氧化的情况，通过控制实验分析方法顶空固相微萃取（HS-SPME）中的萃取纤维、萃取时间、萃取温度、样品量和解吸时间等因素，为牡丹籽油产品在工业生产和销售中的感官属性和保质期提供了理论依据。

 

3.7提取与收集方式

 

依托不同的研究目的，挥发物的提取和收集方式也不相同（表9），不同的提取方法可能对挥发物质的成分以及含量分析有不同程度的影响[39]。

 

朱梅芳等[40]在采用纸片琼脂扩散法、微量稀释法的基础之上，分别对连翘、荆芥、薄荷及成比例调配的挥发油进行检测，发现采用不同的提取方式对挥发油含量、成分及药效有一定的影响。黄艳丽等[41]为了解不同提取方式对香露兜挥发性成分的影响，运用7种不同方式进行提取，最终鉴定出52种挥发性成分，主要由酯类、醇类、酮类、烯烃类、吡咯类物质组成。

李国明等[42]为研究2种提取方法对辣木叶挥发油化学成分及抗氧化活性的影响，结果表明，索氏提取法得到的非洲种、缅甸种和印度种辣木叶挥发油对应鉴定出了72、74、62种化学成分，质量分数分别为79.63%、93.69%、95.97%；超声波提取法得到的辣木叶挥发油对应鉴定出了63、63、57种化学成分，质量分数分别为97.20%，95.17%、98.28%。张美娜[43]研究了冷榨、热榨、浸出、超临界CO2萃取、水酶法5种加工工艺制取的山茶油中VE、多酚、山茶皂苷、植物甾醇、黄酮5种活性成分。综合抑菌活性成分含量和抑菌效果考虑，5种工艺中冷榨工艺制取的山茶油最佳，热榨工艺制取的次之。

 

4讨论与结论

 

综述了多重因素对植物挥发物成分含量影响的相关研究，可以发掘挥发物成分研究的新方向和新视角，并为未来植物挥发物的提取技术和实践应用提供借鉴。对于观赏植物精油与天然植物挥发物气味的分离与鉴定技术研究的深入具有重要意义。

对已有的研究进行总结发现：在研究内容上，植物挥发物成分受多种因素的影响，品种与基因类型、外界刺激与生长习性、时空动态变化、处理方式、干燥方式、保存与储存方式、提取与收集方式都会在一定程度上影响植物挥发物成分的含量、各类型芳香挥发物的分离技术和气味鉴别分离技术、芳香精油产品的规模化生产、芳香植物精油的分离冷萃工艺等；在实验方法上，对于植物挥发物成分的提取，国内外大部分研究为定性与定量相结合的方式，且国外相较于国内，其定量方式、对比分析方法更为精巧，从趋势来看，定性与定量相结合的方式，未来也将一直延续。

 

综上，未来基于植物挥发物成分的研究要进一步在多学科交叉合作及研究内容方面进一步深入。植物在释放VOCs同时，也会合成多种其他不只是芳香甚至是威胁人类生存的组分，通过梳理近年来植物挥发物成分影响因素的进展，以期利用因素影响下的植物挥发物成分的提取为今后城市园林绿地的建设发挥作用，为未来植物挥发物的提取技术和实践应用提供借鉴。随着国内外越来越多的学者通过对各种芳香植物类型的气味识别、分离技术、芳香植物精油等研究的深入以及植物在景观园林植物配置过程中运用的深入，观赏植物精油与天然植物挥发物气味的分离与鉴定技术研究将会取得更大进展。