植物揮發(fā)物與健康的關(guān)系

植物揮發(fā)物與健康的關(guān)系

植物提取物的作用是殺菌和抗菌，改變環(huán)境的氧化還原狀態(tài)，改變空氣在流層化學(xué)成分中的化學(xué)成分以及世界碳循環(huán)。它與人類健康密切相關(guān)。因此，在現(xiàn)代園林中，人們開始關(guān)注植物提取物的作用，關(guān)注“植物環(huán)境與人體”之間有趣的化學(xué)生態(tài)效應(yīng)。目前人們對植物揮發(fā)物的研究主要集中在揮發(fā)物成分鑒定及其保健作用。1植物提取物的定義、分類和合成1.1componds化合物植物揮發(fā)性有機(jī)物(Volatileorganiccompounds;VOCs)是通過植物體內(nèi)的次生代謝途徑合成的低沸點(diǎn)、易揮發(fā)的小分子化合物。主要包括烴、醇、醛、酮、酯和有機(jī)酸等,含量雖低,但化學(xué)活性很高。1.2植物vocs分類植物在其生理過程中釋放的揮發(fā)性物質(zhì),是由多種化學(xué)性質(zhì)不同的成分組成的混合物。在自然界中,植物VOCs的組成大約有30000多種化合物,根據(jù)其合成途徑、代謝類型和功能可分為3大類:萜類(異戊二烯、單萜和倍半萜);苯基/苯丙烷類;脂肪酸衍生物。1.3植物vocs的組成植物VOCs的合成是在不同組織器官的生理代謝過程中產(chǎn)生的,主要是通過植物葉片散發(fā)到空氣中,不同植物中釋放的VOCs組成成分有明顯的差異。按照植物VOCs的合成和釋放部位的不同分為:(1)在花和果實(shí)中合成釋放的植物VOCs,主要包括芳香族化合物、萜類化合物和酯類化合物;(2)在營養(yǎng)組織(如葉片等)中合成和釋放的植物VOCs,包括萜類和脂肪酸衍生物(如揮發(fā)性的醛類和醇類化合物),此外還有一些特殊物質(zhì)如含氮化合物吲哚等。1.4共同合成前體及來源在高等植物體內(nèi),植物VOCs合成途徑主要包括3條:(1)類異戊二烯合成途徑,主要合成萜類化合物(如單萜、倍半單萜和二萜)。萜類合成共同的前體是異戊烯基二磷酸和二甲基烯丙基二磷酸;(2)脂肪酸合成途徑,主要合成脂肪酸衍生物包括小分子的醇類和醛類,其合成途徑的主要調(diào)控酶是脂肪氧化酶;(3)莽草酸合成途徑,主要是合成芳香族化合物,主要調(diào)控酶為苯丙氨酸裂解酶。植物莽草酸代謝途徑也產(chǎn)生許多具有生理和生態(tài)功能的化合物,如吲哚、水楊酸和水楊酸甲酯。1.5氣體相色譜法色譜法是俄國植物學(xué)家Tswett在1906年研究植物色素時創(chuàng)建的,隨后利用此原理創(chuàng)建了各種色譜儀。氣相色譜法是色譜法的一種,以氣體做流動相,以固體或液體做固定相,可以對化合物分離并進(jìn)行定性和定量分析。氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀是目前分析VOCs最有效的方法,可以對樣品中全部或指定成分作定性和定量分析,是一種有效確定化合物分子結(jié)構(gòu)的方法,并且具有靈敏度高的特點(diǎn),靈敏度可達(dá)到1×10-10~1×10-14g。2植物釋放廢物的影響因素2.1不同樹種之間vocs釋放速率的差異植物釋放揮發(fā)性有機(jī)物種類和多少不僅與植物本身有關(guān),且與植物所處的生理狀態(tài)和發(fā)育階段相關(guān)聯(lián)。植物VOCs的釋放速率和成分組成在不同屬植物及同屬不同種植物之間有較大差別。Benjamin、Owen等人研究發(fā)現(xiàn),不同屬植物間VOCs的釋放情況相差很大。如槭樹屬、白蠟樹屬和梨屬植物的VOCs釋放速率很低,甚至有許多樹木種類沒有單萜和異戊二烯的釋放;松科的云杉屬大多釋放異戊二烯,而其它屬不釋放異戊二烯;而楊屬、櫟屬和柳屬樹木種類的VOCs釋放速率較高。同屬的不同樹種之間的VOCs釋放速率也會有很大差異。Benjamin對26種櫟屬植物的測試,結(jié)果釋放速率最大可相差22倍?？梢?樹種差異是決定樹木VOCs釋放的首要因素,是樹木的基本特征,它決定了不同樹種所釋放的VOCs的成分差異和釋放速率的大小。植物的樹齡和發(fā)育狀態(tài)的差異都對VOCs的釋放具有十分重要的影響。許多有關(guān)樹齡和樹木VOCs釋放關(guān)系的研究都表明,幼樹具有更高的VOCs釋放速率。Street等人發(fā)現(xiàn),在同樣生境下的松樹幼樹枝葉的萜烯釋放速率要比成年松樹高出2~3倍。有研究表明四年生濕地松的萜烯釋放速率是七年生濕地松的8倍。然而,Janson卻發(fā)現(xiàn),四十年生和一百四十年生歐洲赤松的VOCs釋放速率沒有明顯的差異。Kuzma和Fall報道,植物葉的年齡對異戊二烯的釋放有較大的影響,幼葉的釋放量要少于成熟葉片。Fall從鹿茸葉中檢測到類異戊二烯的發(fā)育調(diào)控,當(dāng)葉子發(fā)育時,類異戊二烯的散發(fā)和類異戊二烯合成酶的活性都提高了100倍,葉子出現(xiàn)約14d時達(dá)到峰值,之后逐漸衰落。樹木發(fā)育部位的差異和所處發(fā)育階段的不同也會影響VOCs的釋放特征。一般,芽期和花期的VOCs釋放速率要明顯高于葉生長期,并且VOCs組分也有明顯不同。2.2異戊二烯的釋放。溫度對植物排放vocs的影響,容易使用訴訟溫度,則可將其明確外界環(huán)境條件的改變也會直接影響植物的代謝活動,從而影響植物VOCs的合成和釋放。影響其合成和釋放的環(huán)境因子包括生物因子(植物、昆蟲和機(jī)械損傷等)和非生物因子(光照、溫度、水分、營養(yǎng)、CO2濃度和空氣濕度等)。趙美萍等人研究表明,溫度越高,光強(qiáng)越大,植物排放VOCs的速率也越大。Sharkey和Loreto發(fā)現(xiàn)葛藤在低溫條件下(低于19℃)異戊二烯的釋放量消失,當(dāng)溫度升高時(如26℃),完全展開的葉片才能被誘導(dǎo)產(chǎn)生異戊二烯,并且溫度每升高10℃異戊二烯的釋放量增加8倍。Loreto等研究地中海石礫發(fā)現(xiàn),在光照和溫度恒定的條件下,當(dāng)CO2濃度從350μL·L-1升到700μL·L-1時,石礫葉片的光合作用被刺激,3種單萜(α-蒎烯、β-蒎烯、檜烯)釋放明顯受到抑制,釋放量降低了68%。3對環(huán)境脅迫的預(yù)防作用植物VOCs是重要的化學(xué)信息傳遞物質(zhì),在調(diào)節(jié)植物的生長、發(fā)育和繁衍、抵御環(huán)境脅迫以及預(yù)防動物和昆蟲的危害等方面具有重要作用;植物VOCs還具有抑制空氣微生物的生長、改變環(huán)境的氧化還原狀態(tài)、改變空氣對流層化學(xué)成分和全球碳循環(huán)的作用,且與人體健康密切相關(guān)。3.1植物精油的抑菌和抗菌活性研究遠(yuǎn)古時代,人們就已認(rèn)識到植物的殺菌作用,常用植物汁液作為外科手術(shù)的消毒劑。隨著科學(xué)的發(fā)展,人們開始對植物的殺菌作用進(jìn)行科學(xué)研究。1928~1929年,托金研究了洋蔥、大蒜、芥和辣根菜等植物的新鮮碎糊所散發(fā)的揮發(fā)性物質(zhì),發(fā)現(xiàn)這些物質(zhì)具有殺死葡萄球菌、鏈球菌及其它細(xì)菌的作用。M.H.阿爾特米耶娃研究證明:松科、柏科、槭樹科、木蘭科、忍冬科、桃金娘科等很多植物對結(jié)核桿菌有抑制作用。Viljoen等對南非藥用香草植物精油進(jìn)行了微生物抑菌試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)1,8-桉葉油、樟腦可以抑制白色念珠菌、葡萄狀球菌等細(xì)菌和真菌的繁殖。Delaquis報道芫荽精油能夠顯著抑制細(xì)菌、酵母菌生長。國內(nèi)對于植物揮發(fā)物的殺菌作用已有許多報道,如褚泓陽、花曉梅、郭阿君和王發(fā)松等人的研究都表明樹木具有殺菌作用;謝慧玲等報道了植物揮發(fā)性分泌物對空氣微生物有殺滅作用,并探索了城市綠化對減少空氣含菌量的重要作用。鄭林森、龐名瑜等報道了47種園林植物保健性揮發(fā)性物質(zhì)抑菌作用的測定結(jié)果,指出不同植物種VOCs組分具有明顯的差異,對空氣中微生物具有不同的抑制效果。張慶費(fèi)等對上海主要園林樹種抑菌物質(zhì)和芳香成分進(jìn)行定量測定,比較不同樹種之間的氣體揮發(fā)物種類含量,為綠化樹種的合理選擇和配置提供科學(xué)依據(jù)。3.2私香術(shù)后對香氣的影響隨著對植物揮發(fā)物生態(tài)意義的認(rèn)識,人們開始研究植物揮發(fā)物與人體健康之間的關(guān)系。其實(shí),早在100多年前,發(fā)達(dá)國家就提出“芳香療法”“花香療法”和“森林浴”等概念,發(fā)現(xiàn)植物體散發(fā)出的香氣具有調(diào)節(jié)精神、解除疲勞、祛病保健的功效。近十幾年,植物VOCs收集、分離和鑒定方法等方面取得的突破性進(jìn)展,從機(jī)理上證實(shí)了這些保健功效主要得益于植物體散發(fā)的某些揮發(fā)性成分。因而在園林綠化中開始重視植物VOCs的作用,關(guān)注“植物-環(huán)境-人體”之間奇妙的化學(xué)生態(tài)效應(yīng)。人體生活周圍的氣味可以影響人的創(chuàng)造性、情緒、感知性能和身體健康,當(dāng)人們在工作中處于疲勞和緊張時,到林地或花園聞聞花香、深呼吸植物放出的香草氣味,使人馬上趕到精神振奮、頭腦清醒和心情愉悅。通過心理學(xué)和數(shù)學(xué)心理學(xué)實(shí)驗(yàn)測定得出不同工作類型人員對香氣的反應(yīng)不同。Ilmberger等研究發(fā)現(xiàn),茉莉精油、薄荷精油、1,8-桉葉油、依蘭精油可影響人體的注意過程,茉莉精油可使人體緩解緊張;薄荷精油、1,8-桉葉油可使人體精神振奮。日本在研究花香與工作效率時發(fā)現(xiàn)辦公室的花香可以提高工作效率,打字員嗅聞花香后打字速度提高,出錯率減少,當(dāng)聞到檸檬香味的空氣時,出錯率竟然可減少54%。Kikuchi利用體積描記法研究香料對人體心率的影響發(fā)現(xiàn),玫瑰油能夠促使心率加快;相反,檸檬油具有鎮(zhèn)靜作用,則降低心率;雪松醇、龍腦和1,8-桉葉油也能夠降低心率和血壓。Sugano研究人體腦電波與香氣之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)薰衣草油和檀香油均能夠提高α-波活動;而茉莉精油提高β-波活動。鄭華試驗(yàn)證明,在嗅聞月季花、菊花、雪松、側(cè)柏等過程中,被試人的情緒趨向松弛;而嗅聞?wù)渲槊稸OCs被試人的情緒趨向緊張和焦躁。黃建武等人研究發(fā)現(xiàn)森林環(huán)境中的芬多精、萜烯類等芳香物質(zhì)能引起人體精神生理的愉悅舒暢感。孫寶國等人試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):香氣清雅的萜烯類化合物對人體有松弛鎮(zhèn)靜作用;醇類化合物雖然是綠葉及花果香氣的重要組成成分,適量吸入可使人感到清新和振奮。王艷英等人利用多導(dǎo)電生理技術(shù)手段,從嗅覺的角度研究側(cè)柏和香樟揮發(fā)物對人體的影響。結(jié)果表明側(cè)柏環(huán)境中情緒趨于放松狀態(tài),感覺清新、舒爽、愉悅;而在香樟氣味環(huán)境中人表現(xiàn)出緊張、不快及厭惡情緒。3.3吸引傳粉昆蟲和植食性昆蟲植物揮發(fā)物,尤其是遭受機(jī)械損傷或植食昆蟲的侵害后釋放的一系列復(fù)雜的揮發(fā)性物質(zhì)為植物、植食性昆蟲及其天敵提供有價值的信息。植物通過釋放VOCs表明身份,吸引傳粉昆蟲和植食性昆蟲。如煙草、地櫻桃葉子浸提液中的揮發(fā)物能刺激煙芽夜蛾產(chǎn)卵,黑麥草的揮發(fā)物能有效地吸引蝗蟲的若蟲和成蟲。植食性昆蟲依靠健康或蟲害植株釋放的揮發(fā)物來區(qū)分是否是寄主植物。已有的研究表明,蟲害誘導(dǎo)的揮發(fā)物會對同種昆蟲個體產(chǎn)生排斥或引誘作用。如菜豆在受到二點(diǎn)葉螨嚴(yán)重為害時釋放的揮發(fā)物,能驅(qū)避其它二點(diǎn)葉螨個體。3.4蔥、胡蘿卜和番茄種子萌發(fā)許多研究者試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),植物間也通過某些揮發(fā)物進(jìn)行“信息交流”。埃及車軸草釋放的揮發(fā)物能抑制洋蔥、胡蘿卜和番茄種子的萌發(fā);葡萄與紫羅蘭釋放的氣體相互促進(jìn)生長。Farmer、Karban等研究發(fā)現(xiàn),將番茄和北美艾灌叢密閉在一起,健康番茄植株會大量積累能抑制昆蟲取食的蛋白酶抑制素。黎華壽等人研究表明,香茅草揮發(fā)物對玉米和稗草幼苗的生物量、根長及苗高均產(chǎn)生顯著抑制影響。4收集植物提取物的方法4.1溶劑提取法溶劑提取法是直接將產(chǎn)生氣味的植物組織或者器官用有機(jī)溶劑浸泡一段時間后,取浸提液進(jìn)行過濾和濃縮至一定體積的粗提物。其基本原理根據(jù)“相似相溶”原理,選擇適當(dāng)溶劑是溶劑提取法的關(guān)鍵。Robigvet在1835年首先用溶劑法對揮發(fā)油浸提成功,并逐步實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。孫曉玲選用不同的有機(jī)溶劑對小葉榆和白樺的韌皮部進(jìn)行了萃取,發(fā)現(xiàn)提取出的揮發(fā)物不同。董道青用正己烷、甲醇和乙醇等5種有機(jī)溶劑對夾竹桃葉進(jìn)行提取,發(fā)現(xiàn)正己烷提取物對福壽螺的毒殺活性最高。4.2萃取溶劑或藥劑水蒸氣蒸餾法是用水蒸氣將目的物質(zhì)從其與水組成的混合體系中提取出來的過程。水蒸氣蒸餾法適用于難溶或不溶于水的成分的提取,此類成分的沸點(diǎn)多在100℃以上,且在約100℃時存在一定的蒸氣壓,水蒸氣將揮發(fā)性物質(zhì)一并帶出,然后經(jīng)冷凝、萃取和濃縮。杜廣釗、劉亞敏、鞏江、李宗波和劉灝等人采用常規(guī)水蒸氣蒸餾法提取不同植物的揮發(fā)油,利用GC/MS技術(shù),分離鑒定出其中的成分。4.3化合物的分離和提取超臨界液體CO2萃取技術(shù)是將CO2壓縮調(diào)溫到超臨界狀態(tài),用以萃取分離各種有用物質(zhì)。它已經(jīng)廣泛用于天然產(chǎn)物有效成分的提取分離上。例如:提取土荊芥精油,對組成成分進(jìn)行分析,并應(yīng)用于小菜蛾生物活性的研究。4.4有機(jī)揮發(fā)性物質(zhì)的測定頂空吸附收集是目前能應(yīng)用于活體植物揮發(fā)成分采集的主要方法,該方法源于分析固體或液體頂部蒸氣相中的有機(jī)揮發(fā)性物質(zhì)?，F(xiàn)代頂空分析法已形成了一個相對完善的分析體系,主要分為2大類:靜態(tài)頂空分析和動態(tài)頂空分析。4.4.1色譜分析測定靜態(tài)頂空分析法是頂空分析法發(fā)展中出現(xiàn)的最早形態(tài)。即將樣品放置于有一定頂端空間的密閉容器中,在一定溫度下放置一段時間,兩相達(dá)到動態(tài)平衡后取氣相部分進(jìn)行色譜分析,它特別適用于低分子量易揮發(fā)化合物的測定。任雪冬、楊再波、孫印石等人分別采用頂空萃取GC/MS分析鑒定出香雪蘭、馬鞭草、玉蘭中香氣成分。4.4.2動態(tài)上部收集方法包括吸附劑、吸附法和利用不銹鋼罐采集法。(1)芳香型天然植物的提取法1972年,Jennings等提出用多孔高聚物樹脂做吸附劑的吸附收集法,用于收集芳香型天然植物的揮發(fā)性成分。在半封閉容器中放入待測樣品,利用惰性氣體或空氣在密閉氣路中流動,帶出容器內(nèi)樣品的揮發(fā)性成分,通過吸附管時被吸附劑吸附而分離出來。(2)氣調(diào)與頂空氣體分析方法用惰性袋套住待采物后,用氣泵抽去袋內(nèi)雜質(zhì)空氣,使袋內(nèi)瞬時達(dá)到近真空狀態(tài),然后立即沖入經(jīng)過活性炭等單級或多級過濾介質(zhì)過濾過的純凈空氣。在采樣室出口處連接的收集管將收集的氣體導(dǎo)入真空的不銹鋼罐,然后即可進(jìn)行分析。金荷仙等人采用活體植株動態(tài)頂空套袋采集法與TCT-GC/MS聯(lián)用分析技術(shù)相結(jié)合,采集分析梅花、桂花香氣的化學(xué)成分。李娟、楊偉偉等人采用動態(tài)頂空采集吸附法分別監(jiān)測四季和每天不同時段側(cè)柏釋放揮發(fā)物成分的變化。DongSikYang等人采用動態(tài)頂空采集和熱吸附氣相質(zhì)譜方法分析白掌、虎尾蘭、垂葉榕散尾葵揮發(fā)物的白晝變化,發(fā)現(xiàn)夜間植物揮發(fā)速率減少,其中白掌的揮發(fā)率最高。4.5表面聲波檢測裝置1998年電子鼻問世,它可用于檢測空氣、土壤、水以及其它物質(zhì)中所釋放的氣體。主要包括一個可移動的采樣裝置、一根短的氣相色譜柱和一個表面聲波檢測器。電子鼻是一臺小型氣相色譜儀,因此它不能像GC-MS那樣通過質(zhì)譜圖和保留時間的配合進(jìn)行定性分析,并且由于某些化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)品很難獲得以及很多物質(zhì)的保留時間十分接近甚至相同,所以不適合直接應(yīng)用電子鼻對未知樣品進(jìn)行定性分析。4.6gc-ms色譜條件SPME由Pawlisyn首創(chuàng),由手柄和萃取頭兩部分構(gòu)成。其關(guān)鍵部位是一根涂不同色譜固定相或吸附劑的熔融石英纖維萃取頭,采樣時將熔融石英纖維推出針頭,置于樣品上層的頂空氣體中,讓植物VOCs富集于固定液上,萃取完畢后通過不銹鋼毛細(xì)導(dǎo)管將熔融石英纖維注到氣相色譜進(jìn)樣口,吸附在固定液中的VOCs借助于GC進(jìn)樣口高溫快速進(jìn)行解吸附,隨后氣化,進(jìn)入色譜柱分離。目前固相微萃取已得到較為廣泛的應(yīng)用。Potter等用SPME與GC-MS相結(jié)合,分析了水中的苯、甲苯、乙苯、二甲苯,其檢測結(jié)果優(yōu)于美國環(huán)保局所規(guī)定的檢測限。Page等測定了食品中VOCs,并討論了影響該方法靈敏度和準(zhǔn)確度的各種因素。Winkler、Miller、Schafer和An等使用HS-SPME-GC-MS法快速、準(zhǔn)確地萃取和測定了不同植物葉片中的揮發(fā)物成分,且檢測到了一些微量組分。4.7空氣中的具體裝置液空采集法的理論依據(jù)是用加濕的空氣為載氣,使植物長期保持新鮮的狀態(tài),采集到的成分應(yīng)該更接近于植物散發(fā)到空氣中的揮發(fā)物構(gòu)成。其裝置由加濕部、樣品室和揮發(fā)性氣體濃縮部構(gòu)成?？諝庥煽諝獗媒?jīng)活性碳過濾后,泵入一個裝有水的容器,經(jīng)加濕后的空氣進(jìn)入樣品室,帶有植物揮發(fā)性成分的氣體經(jīng)冰水冷阱、干冰乙醇冷阱冷凝收集,有時也可和吸附劑并用。由液空采集法獲得的揮發(fā)性精油,其芳香的自然逼真度得到很高的評價。4.8揮發(fā)性成分的收集20世紀(jì)80年代初,刑其毅、張曉林等提出了冷凍收集法,并成功地應(yīng)用于白蘭鮮花的揮發(fā)性成分收集中。此以吹氣的方式從選定盛放預(yù)測天然植物的容器內(nèi)帶出其中的揮發(fā)性成分,使其依序通過冰鹽浴、冷溫冷阱,揮發(fā)性成分中的水分及沸點(diǎn)較高部分首先在冰鹽浴中冷凝為低濃度的水溶液,然后其余部分在低溫冷阱中冷凝為揮發(fā)油。4.9提取方法的選擇微波輻照誘導(dǎo)萃取法是近年發(fā)展的從植物中提取香料的新技術(shù)。它利用一種波長極短、頻率很高的輻射能來加熱植物葉片,使細(xì)胞破裂,腺胞系統(tǒng)中所含的精油從細(xì)胞壁中自由流出、傳遞、轉(zhuǎn)移至周圍萃取介質(zhì)。目前,國內(nèi)外搜集提取植物揮