1、珍稀观赏竹筇竹、峨眉箬竹挥发性有机物的研究 专业 :XXX 学号： XXX 姓名： XXXX 指导教师： XXXXX 摘要 :本文通过动态顶空套袋采样的方法，利用 全自动 热脱附 /气相色谱 /质谱联用法分析(Thermal-desorption Cold Trap/Gas Chromatograph/Mass Spectrum， TCT/GC/MS)对 珍稀观赏竹筇竹 (Qiongzhuea tumidinoda)、峨眉箬竹 （ Indocalamus emeiensis） 挥发性有机物 (Volatile Organic Compounds,VOCs)所含有的成分 、含量及动态变化进行了
2、采样 、鉴定及分析 ，寻找 VOCs 中具有对人体有益的特殊组分和浓度， 研究其生理生态特性和在城市园林中的生态功能 。 从而为观赏竹在城市园林中的合理应用 与优化配置提供科学依据并尽快实现竹类植物在生态园林中的快速全面发展，也可为城市园林植物的环境效益及保健功能的研究提供参考。 研究表明 ， 筇竹竹叶挥发物的主要成分为酯 、 醇 、 酸 、 醛 、 酮 、 烷烃等化合物 ；而 峨眉箬竹竹叶挥发物的主要成分为酯 、 醇 、 酸 、 醛 、 酮 、 烯烃等化合物 。 筇竹和峨眉箬竹 挥发性成分均 以酯 类和醛类为主 ， 含有 （ z， z） -9,12-十八酸二烯甲酯 、 （ z)-9-十八烯酸
3、甲酯 、 13-二十二烯酸甲酯 、 2-己基环丙烷辛酸甲酯 、 癸醛 、壬醛、 辛醛 、 十二醛 、 2-壬烯醛 、反式 -4-壬烯醛 等成分 ， 说明两种竹类可能在缓解紧张情绪 、 抑菌方面效果较好 ；还含有 叶绿醇等成分 ， 说明可能有利于增加新鲜空气的增长率 。 挥发物中萜类 、 醇类 、 醛类和酯类数量较多，是芳香疗法起作用的主要成分，比如辛醛 、 癸醛 、壬醛 、 十一醛、十二醛、 2-壬烯醛、反式 -4-壬烯醛等 具有蜡香 、清 香 、甜香、柑橘香气 和玫瑰香韵 等。 因此，这些挥发性 气味和分泌物质能够改 善人体的心理和生理状态，起到健体强身的作用，以消除高度紧张带来的文明病，解
4、除心里紧张、情绪烦躁以及精神忧郁等问题。 关键词 : 筇竹 ； 峨眉箬竹 ； 竹叶 ； 挥发性有机物 ； 热脱附 /气相色谱 /质谱联用法分析 2 1 前言 1.1 研究背景 21 世纪，人类进入以健康消费为主体的时代，在满足物质生活的基础上更加强调精神生活的需求，因而人们特别重视周围生活环境的质量。由此，园林学家提出建设生态城市，以园林绿化的方式将改善城市环境质量，满足人们渴望回归自然生态的需求。但是，目前大规模的城市绿地营建过程中，仍然存在以下两 个问题：其一，与发达国家相比，我国各大中城市存在公共绿地面积小、城市周围缺乏大面积森林的普遍难题，因此在大规模城市绿地营建的时候不应仅仅停留在审
5、美层面，更应该充分考虑城市绿地在维护城市生态平衡、改善环境质量、净化空气组分、美化景观等方面也起着十分重要的作用；其二，在传统的绿地建设中，园林学家只考虑其景观生态作用，很少将园林植物的化学生态效应融入其中，更未将园林植物对人体健康、净化环境起作用的化学生态因素考虑在内。现有关于园林植物生态效益的研究涉及人与植物环境的关系方面的内容较少，在园林绿地植物配置时也很少考 虑植物的保健功能。 观赏竹作为一种重要的园林植物资源，是我国园林重要的组成部分 ，也是具有高吸碳能力的造林树种。 在绿化方面着重体现在绿化环境 ， 陶冶情操。竹子 生长周期短，萌发块，造林容易，能迅速恢复植被，发挥植物的景观和生态
6、功能；主要依靠无性繁殖繁衍后代，一次栽植，永续利用，可持续发挥生态保护功能；具有庞大的根茎系统，可保持水土、涵养水源；竹子用途广泛，“以竹代木”能减少森林资源消耗，从而达到保护环境的目的。竹子还能净化空气 ， 减少噪音 ， 清除城市中的“三废” ， 有利于人们身心健康 ； 优美的环境 ， 给人们的情操以净化 ， 各 种园林竹类型给人们创造不同景观 ， 美化生活空间 ， 乐在其中 ， 使人们享受到观赏竹的生态效益 1-3。 1.2 文献综述 1.2.1 两种竹类 基本介绍 筇竹 (Qiongzhuea tumidinoda)系地下茎复轴混生的小型竹种 ， 是目前竹亚科中仅有的两种国家三级重点保护
7、植物之一，只分布于金沙江下游的云南省昭通地区 11 个县 (市 )和四川省雷波、叙永、筠连、马边等县中山湿性常绿阔叶林地区 , 具有重要的经济、生态和观3 赏价值。由于笋肉厚，质脆，味美，干笋黄褐色并略具光泽，因而每年有大量的笋干外销。竿为制作手杖和烟竿的上等材 料，具有较高的美术和经济价值。幼竿用于造纸，质量优于其他竹种。筇竹竿环极为隆起而呈一显著的圆脊，状如二圆盘上下相扣合，中有环行缝线似的浅沟，犹如算盘珠状。筇竹竹秆奇特，枝叶纤细，为名贵观赏竹 4。目前本种竹仍属于野生状态，有必要对其天然竹林进行保护管理，加以人工培育并充分发挥其在园林环境美化中的观赏作用。 峨眉箬竹 (Indocala
8、mus emeiensis)竿较矮小纤细；叶耳发达，呈新月形；叶舌短矮，先端具发达的流苏状繸毛；叶片长圆状披针形，叶片常多少有些两侧不对称，下表面粉绿色，叶缘 有向上的细锯齿 4。只分布于四川峨眉山洪椿坪 ，具有 生长快、产量高、繁殖容易、资源丰富等优点。峨眉箬竹叶大、植株矮小、常绿、姿态优美 ,是理想的庭院观赏和园林绿化竹种。但是峨眉箬竹 现仍属于野生竹种， 人工栽培甚少 ,还没有纳入城市园林建设中应用。 为此 ,有必要开展其城市园林用园的营建 ,进行引种驯化 ,提高资源的总量、质量和利用率 ,促进峨眉箬竹的高效利用。 1.2.2 挥发性有机物 植物挥发性有机物是通过植物体内的次生代谢途径合
9、成的低沸点、易挥发的小分子化合物 5,6，含量虽低，化学活性却高。 经研究发现，竹叶中挥发 性物质的主要成分为醇、酮、醛、酚、羧酸及呋喃等类化合物。 不同竹种竹叶挥发油的化学成分在含量和组成上不同，竹叶挥发油主要化学成分是 3 甲基 2 丁醇，其他主要化学成分有 4 乙烯基 2 甲氧基 -苯酚 、 己 -2 烯醛 、 橙花叔醇 、 植物醇 、 苯乙醛 、 天竺葵醛 、 植酮 、 二氢猕猴桃内酯和异植物醇 7。 慈竹叶水蒸汽蒸馏物共鉴定出 53 种成分 ， 主要有 -紫罗兰酮、 -紫罗兰酮、芳姜黄烯、 -姜倍半萜、 -倍半菲兰烯、苦橙油醇、 -姜黄酮、芳姜黄酮、 -姜黄酮、肉豆蔻醛、(+)-大西
10、洋 (萜 )酮、新植二烯、六氢法呢基丙酮、 (E,E)-金合欢醇丙酮、二倍 -1(2-环戊酮 )甲烷等 8。 淡竹竹叶挥发油中主要香味成分有 ： 十六酸、金合欢基丙酮、植醇、石竹烯和 7,11-二甲基 -3-亚甲基 -1,6,10-十二碳三烯 ， 占总含量的 58.6%。化合物种类最多的是醛类，相对含量最高的是酮类 9。而阔叶箬竹叶提取的挥发油的主要成分为叶醇、 1-己醇、苯甲醇、己醛、 2-乙基呋喃、 -紫罗兰酮等。箬竹叶提取的挥发油的主要成分为叶醇、苯甲醇、 -紫罗兰酮、 2-己烯醛、苯乙醇、 2-甲氧基 -4-乙烯基苯酚、 2-乙基呋喃等。两种4 箬竹叶挥发油中相对含量最高的成分都 为叶
11、醇 ， 都含有酮、醛、醇、酚、酯类化合物 ， 且酮、醛、醇的含量明显高于其他成分 10。苦竹、毛竹叶挥发物中含量最高的为叶醇 ， 其次为 2-己烯醛。首次从苦竹叶中鉴别出弥猴桃内酯 ， 含量为 0.38%11,12。童晓滨从干雷竹叶和鲜雷竹叶中分别提取了 23 种和 18 种化合物，并发现干竹叶比鲜竹叶不仅组分的数量和种类多，且增加了 3 种复杂酮类及 10 种新组分 13。 并且 提取方法不同 ， 竹叶挥发油成分在化合物种类、个数及相对含量方面差异也很大 14。 1.2.3 国内外研究现状 1.2.3.1 国外 近几十年，随着有机化学 和分析化学实验手段的突破性进展，一些发达国家从不同角度对
12、森林植物散发气味物质的种类、结构、功能进行了深入、细致、全面的科学研究，通过分析植物散发气味物质的化学成分以及了解人体吸收植物气味后产生的保 健功效，发现利用植物散发出的气味和分泌物质能够改善人体的心理和生理状态，起到健体强身的作用，以消除高度紧张带来的文明病，解除心里紧张、情绪烦躁以及精神忧郁等问题。 日本对于人与植物环境关系的研究较为全面、细致，研究对象直接针对活体植物（群），着重考察植物视觉、嗅觉等感觉中的一种效应，并做出人体生理、心理反应评 价，比 如对森林浴的研究。在森林浴研究的医学效果方面，借鉴温泉沐浴、药草熏蒸、香料评价及脑科学研究等多领域的思路与技术，获得有关动物及人体生理测试
13、指标数据；森林浴的心理效果评价基本上都是借助芳香心理学的方法进行，其难点在于感觉形容术语不可能实现完全标准化，因而研究结论仅适用于特定范畴 15，即使是利用计算机软件作统计评价，目前也只是达到快速获得数据的效果，而并不能提供芳香心理医学研究的统一指标 16。所以，与森林浴有关的方向生理心理学研究至今仍面临不少障碍 17。 现代芳香疗法及森林浴都起源于欧洲，芳香疗法由 法国人首先提出，森林浴则是德国人在 100多年前率先兴起。欧洲国家应用植物精油对人体进行香疗的研究较全面细致，分门别类进行的精油疗效研究涉及植物至少在百种以上 18,19，根据调香师对香气的感官评价所作的分类法也最多 20-24。
14、瑞士、英国等在植物挥发成分分析方面具备较好的技术基础25,26；奥地利等国在人体情绪与芳香物质关系研究方面开展的生理反应实验提出了较好的方案 27-30。因此。欧洲科学家在人与植物环境关系的研究方面自有独到之处。目前的不足之处是，化学成分分析和人体生理测试评价之间没能很好地 建立联系，各研究方向的出发5 点不同。总体上看，欧洲科学家在这方面的研究着重于与香料有关的情感分析，对于感觉评价的客观化不及日本深入。 对于植物挥发物应用的研究，北美的起步时间相对较晚。在有关植物挥发物的生态学特性及分析技术研究方面与欧洲相似。不过，美国的一项专利产品却在不经意中成为活体植物挥发物收集的优选材料。这种惰性极
15、好的食品包装袋可经受微波炉的高温加热而不产生异味，因此被植物挥发物研究者用于套袋采集样品。 1.2.3.2 国内 我国植物资源丰富，很早就有人注意到植物散发气味物质的药理功效，但对于植物有机挥 发物的系统研究却落后于其他发达国家。研究方法主要是直接针对活体植物（群），考察其在视觉、嗅觉等感觉方面的效应，并做出人体生理、心理反应评价其难点在于感觉形容术语不可能实现完全标准化，因而研究结论仅适用于特定范畴，研究至今仍然面临不少障碍。目前的不足之处是，化学成分分析和人体生理测试评价之间没能很好地建立联系，各研究方向的出发点不同。研究多集中在北京、上海、南京等经济发达的城市进行开展，研究对象多针对针叶
16、树种、花卉植物等味浓的园林植物，采用方法不一，差别较大。谢慧玲 （ 1999） 、张庆费 （ 2000） 、郑林森 （ 2002） 、洪荣 （ 2002） 、郑华 （ 2002,2003） 、孙启祥 （ 2004） 、高岩 （ 2005） 、李妮 （ 2006） 等对园林植物挥发性有机物作了不同程度和方面的研究。 目前植物挥发性有机物的主要研究内容包括四个方面。其一，生物合成。不同植物种释放的 VOCs组成成分有明显的差异，主要包括萜类、烷烃、烯烃、醇类、醛类、酯类、含羰基和羧基类等化合物，萜类物质是构成植物 VOCs组分的重要成分。其二，影响因子。环境因子包括生物因子（如植物的遗传特性、发育
17、阶段、昆虫取食、植物化感作用、机械损伤等）和非生物因子（如温度、光照、 水分、营养、 CO2浓度、空气湿度等）对植物有机挥发物的释放的影响。其三，保健功能。随着植物 VOCs收集、分离和鉴定方法等方面取得的突破性进展，在止咳、平喘、祛痰、利尿、增强人体抵抗能力、出诗人体现体分泌均衡及增加森林空间的舒适感等方面的保健功效得到了进一步的证实。实验证明，植物来源的芳香物质对人的想象力有促进作用 （ Toyamassa， 1999） 、与人的情绪有密切关系以及对人体所产生的镇定与觉醒作用 （ Toshinobu， 1999） 。其四，效用评价。植物 VOCs的效用评价主要包括对人类心理和生理作用的评价
18、两方面 。 6 1.3 研究的目的与意义 为了探讨珍稀观赏竹筇竹、峨眉箬竹挥发性有机物 (Volatile Organic Compounds,VOCs)所含有的成分，通过对其产生的 VOCs 的成分、含量及动态变化进行测定分析，寻找 VOCs中具有对人体有益的特殊组分和浓度， 研究其生理生态特性和在城市园林中的生态功能 。从而为观赏竹在城市园林中的合理应用 与优化配置提供科学依据并尽快实现竹类植物在生态园林中的快速全面发展，也可为城市园林植物的环境效益及保健功能的研究提供参考。 2 材料与方法 2.1 试验材料 2.1.1 供试竹 株 筇竹竹叶挥发性成分于 2012 年 7 月 24 日 、
19、 8 月 11 日和 9 月 12 日 12:00-16:00 时采集于四川省成都市望江公园内。 峨眉箬竹竹叶挥发性成分于 2012 年 7 月 27 日 、 8 月 13 日和 9 月 14 日 12:00-16:00 时采集于四川省都江堰市四川农业大学都江堰校区树木园内。 2.1.2 采样袋与吸附剂 实验用采样袋是具韧性的微波炉加热用袋 (Oven Bags， large size型或更大，美国Reynolds公司出品 ) ，袋子的大小为 482mm596mm。 该产品材质稳定 、 耐高温，可保证不释放挥发性气体 。 实验用 吸附剂选用 Tenax-TA（ 60-80mesh） ，能高效地
20、吸附 /解吸低分子量有机物；实验用吸附管选用 郑州谱析 公司的产品，长： 16cm，内径： 3mm，平均每根采样管装 0.2000g左右的 Tenax-TA。 实验用过滤介质为二级过滤，第 1级由玻璃干燥塔填充 60目无臭活性炭 (图 1)，由 郑州谱析 公司生产 ； 第 2 级由玻璃干燥管填充 GDX-101(一种国产吸附剂 )（图 2），也是由 郑州谱析 公司生产。 7 图 1 第一级过滤（活性炭） 图 2 第二级过滤 （ GDX-101） Figure 1 The first stage filter（ Activated carbon） Figure 2 The second stag
21、e filter（ GDX-101） 2.1.3 试验仪器与设备 大气采样仪 ：青岛金仕达 KB-6E型大气采样仪 热脱附仪：郑州谱析自动热脱附仪 PX-1型 气相色谱质谱联用仪 : 日本岛津 GCMS-QP2010 2.2 试验内容及方法 2.2.1 竹叶挥发性有机物的采集 在四川省成都市望江公园内及四川省都江堰市四川农业大学都江堰校区树木园内 ， 按照面积、大小、高 度、间距、竹龄等相似性原则分别设置筇竹和峨眉箬竹纯林样地 1 处，面积 15m15m， 在每个样地中平均划分出 3 个重复的试验小区 ， 每个小区的面积为 5m5m；选择晴朗、无风的天气 ， 利用动态顶空套袋采集法分别收集筇竹
22、、峨眉箬竹的挥发性有机物。固定采集健康无病虫害的植株，挥发物样品采集过程确保在无损伤天然活体状态下进行且采集部位在每株植物的阴阳面。两种竹类分别采集不同部位的枝叶。每种竹类选取长势一致，树龄相同的 5 个单株为采样标准株，最后将 5 棵不同部位的枝叶混合，形成一种竹类植物的一个样品。 本论文应用活体植物挥发物动 态顶空采样法，是现在国际上最科学最先进最完善的方法之一。该方法强调活体植物的自然状态，从植物体近周空间 (顶空 )获取植物挥发物，采用封闭式系统采样（用硅胶管作为连接管路），从根本上消除了传统技术的弊端。 采用动态顶空套袋采样法 （图 3） 。首先将采样袋内的空气抽走，然后用大气采样仪
23、泵通入经活性炭和 GDX-101过滤后的净化空气 ； 最后 密闭系统循环采集植物挥发物（图 4）。循环密闭采集过程中用流量计调控实际气体体积流速为 100mL/min左右。 采样时间为 4h。 8 图 3 动态顶空采样装置 Figure 3 Dynamic headspace sampling device a.抽尽袋内空气 b.充入过滤空气 c.循环采集气体 图 4 活体植物挥发物采样过程示意 Figure 4 Living plant volatiles sampling process 2.2.2 竹叶挥发性有机物的鉴定 采用 全自动 热脱附 /气相色谱 /质谱联用法分析 (Therma
24、l-desorption Cold Trap/Gas Chromatograph/Mass Spectrum， TCT/GC/MS)。 此方法由 全自动热脱附仪、 气相色谱仪、质谱仪、计算机和连接装置（接口） 五 大件组成。气体试样注入气相色谱仪后，不同组分在色谱柱分离后，按时间先后从色谱柱流出。接口装置将流出物传输到质谱仪进行质量分离后被离子流检测系统检测并通过计算机处理成各种图谱和报告。此联用分析技术将定性与定量融为一体，广泛应用于医药、环保和食品等的科研生产、质量控制等方面。 TCT的工作条件：载气压力 0.4-0.5KPa，热脱附温度 320 （ 20min） 。 GC 的工作条件：色
25、谱柱 Rtx-1MS(30m0.25mm0.25m)，无分流方式，载气压力49.5Kpa；程序升温：初始温度 40 （ 3min） ，以 6 /min程序升温至 250 （ 3min） ，采集9 结束后色谱柱在 270 保持 5min，以驱赶杂质。 MS的工作条件： EI源，离子能 70eV，质量范围 29 350m/z，扫描速度 0.4sec/scan，检测电压 350V， GC/MS接口温度 250 ，离子源温度 190 ，灯丝电流 150A。 定性分析：在上述条件下，获得 GC/MS原始数据 总离子流 （ Total IonCurrent,TIC）图，各峰代表的化学信息经计算机检索 NI
26、ST库，并根据保留时间和其他化学经验，参考相关资料进行确认及筛选。 2.2.3 竹叶挥发性有机物的 月动态变化研究 为了进一步探索筇竹、峨眉箬竹不同 月份 释放的挥发性有机物的成分及含量变化，选定竹林内的 健康无病虫害且长势一致的 固定竹株样本，从 2012年 7月到 2012年 9月 每个月 在晴朗、无云的天气下 ,利用动态顶空套袋采集法分别收集筇竹、峨眉箬竹的挥发性有机物，并进行对比分析研究。 2.2.4 空白试验 活体植株动态顶空套袋采集法获得的气样中，除了植物的挥发物外，也包含了外界空气中不能为过滤层完全吸附的成分。为了保证实 验的准确性，须与对照空气气样进行比较分析，扣除这类组分。具
27、体做法是：针对活体植株动态顶空套袋采集法获得的气样与对照空气气样中相同的成分，分别比较它们的特征质量色谱峰面积，扣除对照气样中的峰面积较大，或面积相近的成分。 3 结果与分析 3.1 两种竹类挥发性有机物分析 3.1.1 筇竹 3.1.1.1 7 月份挥发性有机物分析 3.1.1.1.1 试验数据 7 月份 GC-MS 分析结果见表 1 和图 5。 (结果是 3 次采样分析的综合数据 ) 10 表 1 7 月份筇竹竹叶挥发性成分 Table 1 Volatile composition of Qiongzhuea tumidinoda in July 序号 化合物 分子式 分子量 保留时间(m
28、in) 相似度 含量(%) 1 乙酸乙酯 C4H8O2 88 3.461 95 0.10% 2 （ s） -2-羟基丙酸 C3H6O3 90 8.185 97 3.16% 3 己酸 C6H12O2 116 10.650 87 0.23% 4 辛醛 C8H16O 128 11.006 86 0.31% 5 庚酸 C7H14O2 130 13.347 86 0.28% 6 壬醛 C9H18O 142 13.817 98 0.87% 7 2-庚烯醇 C7H14O 114 15.672 85 0.15% 8 辛酸 C8H16O2 144 15.880 94 0.23% 9 癸醛 C10H20O 156
29、 16.594 97 0.87% 10 正十二烯 C12H24 168 16.679 93 0.16% 11 壬酸 C9H18O2 158 18.305 95 0.07% 12 环十二醇 C12H24O 184 18.434 76 0.07% 13 十一醛 C11H22O 170 19.141 92 0.04% 14 8-羰基辛酸甲酯 C9H16O3 172 19.260 86 0.06% 15 十二醛 C12H24O 184 21.534 94 0.29% 16 9-羰基壬酸甲酯 C10H18O3 186 21.671 93 0.64% 17 六氢假性紫罗兰酮 C12H22O 194 22.
30、439 92 0.14% 18 反式 -2-十一烯醇 C11H22O 170 23.785 72 0.26% 19 壬二酸二甲酯 C11H20O4 216 25.029 88 0.24% 20 1,9-壬二酸二甲酯 C11H20O4 216 26.881 80 0.06% 21 十五醛 C15H30O 226 27.927 92 0.07% 22 十四酸 C14H28O2 228 28.806 96 0.50% 23 6,7-二甲基 -2,6,10-三烯十二醇 C14H24O 208 30.150 84 0.12% 24 叶绿醇 C20H40O 296 30.553 92 6.82% 25 9,12-十八酸二烯甲酯 C17H30O2 266 31.144 86 0.26%
