植物氣味的研究進(jìn)展

植物氣味的研究進(jìn)展

綠色植物是自然界最寶貴的財(cái)富之一。除了生態(tài)功能,綠色植物保健功能的經(jīng)濟(jì)效益也不可低估。發(fā)達(dá)國家很早就倡導(dǎo)“森林浴”等健康生活方式,并從中探尋到一定依據(jù)。森林與人類密切相關(guān),除直接和間接影響外,精神生理的影響也極為重要,不可忽視。綠色植物散發(fā)的氣息自古以來就與人類結(jié)下了不解之緣,而人類對植物氣味的研究、開發(fā)和利用至今仍有許多不解之謎,這都有賴于物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)和“氣味學(xué)”等科學(xué)的相互促進(jìn)。1植物的味道檢測1.1園林綠化樹種選擇應(yīng)注意的原則人類了解植物氣味并對其加以利用的歷史源遠(yuǎn)流長。例如各文明古國的史料中都有香料植物的記載。不過,由于古代科技發(fā)展水平的局限,當(dāng)時(shí)尚無法對植物氣味的化學(xué)成分進(jìn)行結(jié)構(gòu)確定和類型分析,就這些物質(zhì)對人體的作用也缺乏系統(tǒng)、全面的研究。人類對植物氣味知識(shí)的了解涉及多學(xué)科的發(fā)展。從植物生理學(xué)及生態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)看,植物揮發(fā)物與營養(yǎng)、物理和行為等信息流一起促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生物間的相互聯(lián)系以及物質(zhì)和能量的流動(dòng),從而保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一。從“綠色化學(xué)”和心理化學(xué)的方向看,綠色植物的氣味能起到改善空氣質(zhì)量、愉悅?cè)梭w身心的效應(yīng),對其加強(qiáng)研究開發(fā)與利用,不但符合化學(xué)產(chǎn)品“綠色化”的要求,而且為人類的環(huán)境與健康問題研究拓展了新的視野。從人居環(huán)境學(xué)和人類工效學(xué)的角度看,與人類共存的植物不但反映人居環(huán)境的好壞,同時(shí)又對人居環(huán)境產(chǎn)生影響;人的生活和工作環(huán)境無時(shí)無刻不對身心健康和工作效率產(chǎn)生影響,其中氣味等化學(xué)環(huán)境因素經(jīng)由呼吸、皮膚、眼睛接觸或通過消化系統(tǒng)起作用,其作用機(jī)制正隨著生理、心理等科學(xué)的發(fā)展而逐漸明了。目前,人們已開始認(rèn)識(shí)到綠化植物選擇與配置的合理與否,不但關(guān)系到城市景觀的完美,而且直接影響人的身心健康,因此,提出了園林綠化樹種的選擇應(yīng)注意若干原則,包括考慮植物的生物學(xué)特性與生態(tài)學(xué)規(guī)律、與園林綠地的功能相適應(yīng)等,如行道樹的選擇應(yīng)注重“落果少,不飛絮,無異香惡臭,不妨礙街道環(huán)境衛(wèi)生”。然而大多數(shù)的城市綠化和生態(tài)建設(shè)實(shí)際上并未對植物氣味及其影響引起足夠的重視,要真正做到“以人為本”、落實(shí)植物“氣味學(xué)”的原則,可以說還是任重道遠(yuǎn)。1.2具有對環(huán)境的功能植物氣味主要為揮發(fā)性有機(jī)化合物(VolatileOrganicCompounds,VOCs),其中不少具有獨(dú)特香味,或具有藥用價(jià)值,對人體有益。因此,研究植物揮發(fā)性組分不僅對香料、食品工業(yè)、日用化妝品工業(yè)的生產(chǎn)有實(shí)用價(jià)值,而且對人類的天然保健研究也有重要意義。長期以來,人類借助對植物精油的研究,積累了有關(guān)植物揮發(fā)物近似成分的知識(shí)。研究表明,精油具有殺菌、刺激、放松等效應(yīng),能使人適度興奮、減緩疲勞及產(chǎn)生松弛感等。近20年來,歐、美、日的科學(xué)家們采用各種方法,試圖量化這些情緒效應(yīng)。植物的氣味及其作用因物種而異,如丁香花散發(fā)的丁香酚比碳酸殺菌能力強(qiáng)5倍以上,能芳香健腦、預(yù)防某些傳染病,桂花的香常喚起美好的記憶和聯(lián)想,沁人心脾,使疲勞頓消……,“綠色香氣”帶給人的則是強(qiáng)烈的新鮮感,其化學(xué)成分、構(gòu)造特征自20世紀(jì)30年代起已被逐步探明。由于氣味組分復(fù)雜,難以完全掌握,因此,至今尚未形成統(tǒng)一的類型劃分標(biāo)準(zhǔn),而只有一些適于特定研究與應(yīng)用的習(xí)慣分類。常見的香氣類型劃分法包括Rimmel分類法和Roberts分類法等,其中Rimmel分類法的18種類型幾乎都有對應(yīng)的植物香氣,比較接近客觀現(xiàn)實(shí),但也并非絕對的依據(jù)。2植物中vocs和vocs分析當(dāng)揮發(fā)性組分中的各化合物成分均處于氣相中時(shí),它們之間幾乎不存在相互干擾作用,彼此相對獨(dú)立,這為植物氣味分析提供了較理想的基礎(chǔ),因?yàn)橹参餁馕抖酁閂OCs。如植物性天然香料,其香氣中所含的有機(jī)化合物主要為4大類:萜類化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物和含氮含硫化合物,作為“綠色香氣”主要成分的葉醇(順式-3-己烯醇)和葉醛(2-己烯醛)可歸屬其中的脂肪族化合物。2.1儀器分析檢測氣味分析可采用便攜式取樣檢測或高效取樣后再進(jìn)行儀器分析檢測,實(shí)驗(yàn)室常用后者。取樣技術(shù)包括樣品的捕集(capture)與濃縮(condensation)技術(shù)。2.1.1多環(huán)芳烴檢測限吸附捕集能大量取樣并多次分析,可避免或減少因操作失誤引起的缺憾。但它也有兩大缺點(diǎn),一是富集的揮發(fā)性組分與取樣器之間可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng),故所采氣樣必須穩(wěn)定性好;二是此法不能使氣體濃度增大,因而要求被分析組分具有足夠的濃度(高于最低檢測限)。中國在20世紀(jì)90年代初以前尚無商品化的氣相采樣裝置,當(dāng)時(shí)有關(guān)城市空氣中的多環(huán)芳烴氣相采集分析是借助可吸入顆粒自動(dòng)采樣器的改進(jìn)裝置完成。到20世紀(jì)90年代后期,已能用密閉式氣味吸附裝置對多種剪切自植物體的枝葉或花朵等新鮮(非活體)材料的釋放物進(jìn)行樣品捕集。近10年來,國際上還相繼出現(xiàn)了固相微萃取、液空法、毛細(xì)管吸附劑法等日益先進(jìn)的氣味捕集法。2001年以來,針對活體植物揮發(fā)物的無損傷動(dòng)態(tài)吸附取樣技術(shù)也開始在國內(nèi)出現(xiàn)。2.1.2縮gc由于各種氣味具有不同的檢測限(閾值),故僅憑嗅覺感官無法在任何情況下都能辨別某種氣味,而將氣體濃縮則完全可以滿足最低檢測限。濃縮可使容器內(nèi)的氣體分子數(shù)增加而不影響氣體中各組分的相對濃度,經(jīng)濃縮的氣體有利于GC等分析工作。常用濃縮材料及技術(shù)主要包括:多孔性聚合物、活性炭、聚氨酯泡沫、低溫冷凍技術(shù)、氣體碰撞器、經(jīng)處理的介質(zhì)(如對某種特定基團(tuán)或分子具有親合性并經(jīng)溶液浸泡的光纖、纖維濾膜、多孔性聚合物等介質(zhì))。2.2系統(tǒng)的香香味評價(jià)結(jié)構(gòu)目前,國際上有關(guān)芳香氣味的評價(jià)研究已從香味與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系、香氣的分析辨別技術(shù)到香氣的應(yīng)用及氣味評價(jià)的術(shù)語等方面逐漸規(guī)范化、系統(tǒng)化。氣味的分析檢測技術(shù)主要涉及化學(xué)法、儀器法、電子鼻法等。2.2.1化學(xué)試驗(yàn)氣味物質(zhì)經(jīng)過適當(dāng)處理,可采用滴定法、有機(jī)蒸汽分析計(jì)、監(jiān)控法和吸收管法等進(jìn)行基本的物質(zhì)結(jié)構(gòu)確定。2.2.2植物精油擴(kuò)展方法因植物氣味多為VOCs,故非常適于GC或GC-MS分析等檢測。經(jīng)典GC、GC-MS及其擴(kuò)展方法不勝枚舉,如GC-FID、GC-FTIR、GC-FTIR-MS等均可用于植物提取物及精油的分析。環(huán)境中的各種氣味對人來說雖然“薰蕕不同器”,但從儀器分析的角度看并無技術(shù)上的根本差別,因此,惡臭的儀器分析法也在相當(dāng)程度上適用于植物氣味分析檢測。2.2.3化學(xué)氣調(diào)包裝電子鼻及其衍生裝置生物電子鼻等屬于便攜式仿生嗅覺感應(yīng)器,能將不同氣味物質(zhì)的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的檢測信號(hào),現(xiàn)已用于香料、食品、日化、環(huán)保等領(lǐng)域的已知?dú)馕冻煞謾z測。此外,金屬氧化物半導(dǎo)體、半導(dǎo)體聚合物、水晶振動(dòng)子、感應(yīng)膜等對特定揮發(fā)物具有優(yōu)良吸附性及感應(yīng)性的器具已用于各行業(yè)的氣味分析檢測。3對人的行為影響的研究人置身于綠色植物的氛圍中,視、聽、嗅、味、觸等五感的反應(yīng)就成為調(diào)節(jié)身心和諧的主要因素,這在日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)非常受重視。而以森林為主的綠色環(huán)境與人們的嗅、味、觸覺相關(guān)可能比視、聽覺相關(guān)更加豐富。要評價(jià)植物氣味對人的影響絕非易事,但經(jīng)過長期不懈的努力,人類對自己的生理結(jié)構(gòu)和心理狀態(tài)業(yè)已取得一個(gè)又一個(gè)突破性的認(rèn)識(shí),對于五大感覺中的視、聽、觸覺研究都取得了極大成效。所以,研究步伐相對滯后的味覺、嗅覺就成為焦點(diǎn),尤其嗅覺受心理影響的程度比味覺更加復(fù)雜,并且是唯一直接觸及腦部的知覺,因而其機(jī)理研究倍受關(guān)注。在這方面,日本已從生物學(xué)、溫泉?dú)庀筢t(yī)學(xué)、嗅覺味覺科學(xué)、精神與神經(jīng)科學(xué)、香料科學(xué)、化妝品科學(xué)和地球環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域出發(fā),有針對性地探討了植物芳香使人身心愉悅的奧秘,其代表性研究如下。谷田貝光克(東京大學(xué))的研究:20世紀(jì)80年代研究了植物精油揮發(fā)程度對試驗(yàn)動(dòng)物生活狀況的影響,發(fā)現(xiàn)葉油氣味濃度與自然狀態(tài)下森林中的萜類揮發(fā)物濃度相當(dāng)時(shí),鼠的運(yùn)動(dòng)量最大,并同攝食量、攝水量和體重之間形成最佳協(xié)調(diào)關(guān)系,濃度過高或過低對運(yùn)動(dòng)量的作用都會(huì)影響攝食量、攝水量和體重。在與人相關(guān)的植物氣味研究領(lǐng)域,探討了松樹純林地內(nèi)的揮發(fā)性物質(zhì)使人產(chǎn)生舒適感的類型,了解到不同性別、年齡的都市人和山村人對樹木氣味的喜好有差異,且隨濃度增大產(chǎn)生更為顯著的變化趨勢差異。90年代還研究了木質(zhì)環(huán)境及植物精油等氣味對人的血壓、脈搏、心率、R-R間隔、腦波、副交感神經(jīng)等的影響效應(yīng)。宮崎良文(森林綜合研究所)的研究:強(qiáng)調(diào)人體“官能評價(jià)”,從生理和心理兩方面綜合評價(jià)香氣對人的影響,生理評價(jià)指標(biāo)涉及自律神經(jīng)系統(tǒng)(副交感神經(jīng)和交感神經(jīng)系統(tǒng),如瞳孔光反射、指尖脈波、末梢皮膚溫、血壓、R—R間隔等)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、腦波與腦血流量變化、疲勞與作業(yè)效績關(guān)系等,心理評價(jià)手段有語義區(qū)分法(semanticdifferentialmethod,SD法)、心境狀態(tài)剖圖法(profileofmoodstates,POMS法)等?；谌藢χ参锞汀⒛静南銡獾犬a(chǎn)生不同程度舒適感的研究規(guī)律,進(jìn)行感覺指標(biāo)的客觀性量化,對香味確立了相關(guān)評價(jià)術(shù)語,初探了不同性別被測者吸入精油后的多種心理感受變化,并研究了木材及自然空間給予人的五感舒適性,將生理人類學(xué)與森林科學(xué)緊密結(jié)合,是目前人與植物氣味關(guān)系研究領(lǐng)域中較全面的。畑中顯和(東亞大學(xué))的研究:20世紀(jì)70年代和80年代陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多種“綠色香氣”物質(zhì)。在研究“綠色氣味”對人的影響時(shí),主要探討了葉醇、葉醛等物質(zhì)對人體嗅覺神經(jīng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、自律神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的影響,發(fā)現(xiàn)“綠色香氣”感通過嗅覺系統(tǒng)進(jìn)入視床下部和邊緣葉前底部,可對內(nèi)分泌、免疫、自律神經(jīng)等系統(tǒng)的生理調(diào)節(jié)作用和心理反應(yīng)產(chǎn)生影響,即:綠色植物香氣通過嗅覺系統(tǒng),對室傍核產(chǎn)生某種神經(jīng)性或液性的影響,抑制某些與負(fù)荷相關(guān)激素的生成和分泌,使內(nèi)分泌、自律神經(jīng)和免疫等系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)節(jié),減少負(fù)荷(環(huán)境的壓抑)對人體造成的影響,從而提高免疫系統(tǒng)的活性;關(guān)于葉醇和葉醛使人產(chǎn)生強(qiáng)烈的新鮮感,其原因是這兩種物質(zhì)均可降低人的α-腦波振幅值,而且兩物質(zhì)混合在一起時(shí)比它們分別單獨(dú)作用更為顯著,可使α-腦波幅值降低更多。α-腦波幅值的大小是與令人緊張的氣氛成正相關(guān)的,“綠色香氣”對這一幅值的降低作用,無疑減少了人的壓抑感,故而帶給人以恬靜、舒爽的意境。隨著當(dāng)代人體生理測量技術(shù)和腦科學(xué)研究的發(fā)展,用自然科學(xué)解釋植物氣味對人的影響逐漸現(xiàn)實(shí)。目前各國在此領(lǐng)域的研究仍有空白,特別是天然活體植物揮發(fā)物取樣分析及其人體生理心理指標(biāo)測定的綜合研究還未能有效全面開展。4植物氣氛與人體的相互作用人類對植物氣味的認(rèn)識(shí)和開發(fā)利用雖歷史悠久,卻永無止境。全面研究綠色植物對人的影響具有重要意義。在有關(guān)香料揮發(fā)性氣味等研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討綠色植物氣味對人的影響,不但十分必要,而且切實(shí)可行。目前,國內(nèi)雖有少數(shù)研究進(jìn)行了城市綠化樹種的揮發(fā)物檢測,但其采樣技術(shù)存在局限,分析手段過于單一,檢出物質(zhì)數(shù)量偏少,且未探討氣味物質(zhì)對人體的作用,因此需要進(jìn)行更深入的研究?，F(xiàn)代儀器分析技術(shù)及各門科學(xué)的迅猛發(fā)展,為研究植物氣味與人的關(guān)系提供了日益堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。國際先進(jìn)水平的研究已初步探明“森林香氣”是多種物質(zhì)的復(fù)合香氣,由“綠色氣味”(葉醇、葉醛等)以及枝葉與樹干散發(fā)的混合香氣(雙萜烯類)在環(huán)境中協(xié)同釋放而產(chǎn)生,其化學(xué)結(jié)構(gòu)及形成過程已從生理學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)等方面得以闡述。其分析評價(jià)方法及對生物的影響等研究多見于昆蟲化學(xué)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域,在植物氣味與人的官能評價(jià)研究中可資借鑒。人類已逐漸認(rèn)識(shí)到加強(qiáng)運(yùn)用視