植物香精的提取分離及對人體健康的影響

植物香精的提取分離及對人體健康的影響

1植物香精在生態(tài)保健旅游資源中的應(yīng)用隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平有了提高，但生態(tài)環(huán)境正在惡化。在鋼筋混凝土鑄成的“城市水泥沙漠”中,劣質(zhì)的空氣、超標(biāo)的噪聲、惡化的水質(zhì)、退化的土壤和各種有害輻射等都嚴重地威脅著人們的身體健康。人們開始關(guān)注身邊的環(huán)境和自身的健康,渴望到生態(tài)環(huán)境優(yōu)良的地方去旅游、度假、療養(yǎng),以保持身心的健康。生態(tài)保健旅游正是在此背景下產(chǎn)生并迅速發(fā)展起來,大量生態(tài)保健旅游資源也因此受到人們越來越多的青睞,而如何合理有效地開發(fā)利用這些具有保健功能的旅游資源以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的生態(tài)保健需要也成為了日益關(guān)注的問題。植物精氣作為一種重要的生態(tài)保健旅游資源,具有殺菌、消毒、治病等多種保健功能。雖然人們利用植物釋放的氣體已有數(shù)千年的歷史,但限于研究手段的滯后,對植物精氣的科學(xué)研究卻只有短短數(shù)十年的時間。而植物精氣強大的保健功效和巨大的市場潛力,使人們?nèi)找鎸ζ浼右躁P(guān)注。2植物香精的作用機理人類利用植物釋放的氣體由來已久。埃及人4000年前就已利用香料消毒防腐,歐洲人則利用薰衣草、桂皮油來安神鎮(zhèn)靜,我國古代傳統(tǒng)中醫(yī)也有“芳香開竅、通筋走絡(luò)”的理論,民間則有“佩香袋”、“薰艾蒿”進行驅(qū)蟲殺菌、去邪防病的習(xí)俗。1865年,德國開創(chuàng)了“森林地形療法”(森林+運動),此療法在1880年被進一步發(fā)展為“自然健康療法”=森林+水霧+運動(也就是后來的植物精氣+空氣負離子+運動)。但是由于當(dāng)時研究手段的匱乏,植物精氣的作用機理一直不為人知。直到1930年,蘇聯(lián)的托金在觀察植物的新陳代謝過程中,發(fā)現(xiàn)植物散發(fā)出來的物質(zhì)能殺死細菌、病毒,才把這些物質(zhì)統(tǒng)一命名為芬多精(Phytoncidere),又稱植物殺菌素或植物精氣。后來,隨著研究手段的不斷改進,植物精氣的作用機理逐漸得到了闡釋。德國、日本、俄國、臺灣等國家和地區(qū)開始利用植物精氣的殺菌和保健等多種功能開展森林生態(tài)旅游并取得了成效。比如1982年日本引入了德國的森林療法,又根據(jù)植物精氣可以殺菌治病的原理推行“森林浴”。到了1983年,日本林業(yè)廳更是發(fā)起“入森林、沐浴精氣、鍛煉身心”的“森林浴”運動,同時此舉也大大推動了日本森林旅游業(yè)的發(fā)展。3焦磷酸成藥物的機制植物精氣是植物的器官和組織在自然狀態(tài)下分泌釋放出的具有芳香氣味的有機揮發(fā)性物質(zhì)。其主要成分是芳香性的萜類化合物,其中包含了單萜、倍半萜等,其碳架都是由異戊二烯聚合而成,所以又被稱為異戊二烯類化合物。目前已經(jīng)探明的萜類化合物的生物合成途徑見圖1,首先由乙酰輔酶A(AcetylCoA)縮合生成β-羥基-β-甲基戊二酰輔酶A(HMGCoA),然后在還原酶的作用下生成甲羥戊酸(MVA),MVA經(jīng)過焦磷酸化和脫羧作用形成異戊烯焦磷酸(IPP),IPP經(jīng)硫氫酶及焦磷酸異戊烯酯異構(gòu)酶可轉(zhuǎn)化為二甲丙烯焦磷酸(DMAPP)。IPP與DMAPP兩者可相互轉(zhuǎn)化,且兩者結(jié)合成為牛兒焦磷酸(GPP),GPP釋放焦磷酸即成單萜。如果IPP再與GPP以頭尾方式結(jié)合,則產(chǎn)生法呢焦磷酸(FPP),FPP去焦磷酸即為倍半萜。總之,萜類化合物是由AcetylCoA經(jīng)過MVA和IPP轉(zhuǎn)變而來的。目前有很多關(guān)于植物釋放氣態(tài)有機物機理的假說,如抗氧化假說、抗熱脅迫假說、促氮同化假說等等。但至今為止,對植物排放氣態(tài)有機物的根本原因仍然不清楚。4保護大鼠腦電波許多研究表明,植物精氣中含有多種對人體健康有益的物質(zhì)。例如,槲樹(Quercusdentata)的木材及葉片的精氣中含有較多萜類物質(zhì)及其含氧衍生物,其中α-蒎烯、檸檬烯、β-蒎烯、β-月桂烯、1,8-桉葉油素、莰烯、肉桂烯、龍腦、樟腦等具有殺蟲、滅菌、鎮(zhèn)咳、解熱、消炎、抗菌、平喘、鎮(zhèn)痛、鎮(zhèn)靜、降血壓等保健功效。也有學(xué)者研究了植物精氣對人體生理和心理的影響過程,比如芳香分子通過嗅覺刺激,經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)傳達到大腦而產(chǎn)生生理和心理反饋訊息僅需要4秒鐘的時間;人在吸人1,8-桉葉醇的香氣時,大腦血液流動加速,說明大腦皮層活力增加;茉莉花(Jasminumsambac)香氣使大腦皮層前部和左中部的隨伴性陰性腦電波變化(簡稱CNV)明顯增加,說明有興奮作用;而薰衣草(Lavandulaangustifolia)油香氣使CNV顯著下降,說明有鎮(zhèn)靜作用;檸檬(Citruslimonum)香味會使心率減速,而玫瑰(Rosarugosa)香氣會使心率加快;所有香氣刺激后都會引起瞳孔擴張,表示激動。5水分脅迫對植物單類物質(zhì)釋放的影響植物精氣的揮發(fā)受諸多環(huán)境因子的影響。這些環(huán)境因子包括了非生物因子(如溫度、光強、水分脅迫、空氣相對濕度、土壤營養(yǎng)、大氣CO2濃度等)和生物因子(如樹齡、葉齡、發(fā)育部位、樹種差異、人為干擾等)。其中,溫度是影響植物精氣釋放的一個重要因子。Tingey等將萜類釋放速率與溫度之間的關(guān)系概括為:In(ER)=a+b(T)。式中,ER為萜類釋放速率,T為環(huán)境溫度,a、b為特征常數(shù)。由此可見,萜類釋放速率是溫度的指數(shù)函數(shù)。王志輝等觀察北京地區(qū)幾種植物單萜烯的釋放后發(fā)現(xiàn)其主要受溫度影響,溫度越高單萜烯排放速率越大。一般而言,植物精氣的釋放率與光強無關(guān),如濕地松(Pinuselliottii)在暗處和照光條件下的單萜釋放率相似。但是有些樹種的精氣釋放率則對光有依賴性,比如櫟屬(QuercusL.)中一些不揮發(fā)異戊二烯的樹種釋放的單萜類物質(zhì)和一些針葉樹幼葉揮發(fā)的某些單萜類物質(zhì)都與光強有關(guān)。P.Dominguez-Taylor等的研究也顯示,墨西哥冷杉(Abiesreligiosa)釋放的α-蒎烯和桑毛斑葉蘭櫟(Quercusrugosa)釋放的異戊二烯一樣都受到光和溫度的控制。研究表明水分脅迫對單萜濃度的影響與光合產(chǎn)物的積累有關(guān),輕度或中度的水分脅迫會導(dǎo)致植物體內(nèi)的光合產(chǎn)物濃度升高,植物利用過剩的碳源來合成單萜。Gershenzon等研究火炬松(Pinustaeda)發(fā)現(xiàn),其發(fā)生水分虧缺時針葉中單萜濃度升高。Clark等研究指出水分和氮素同時缺乏會限制薄荷(Menthapiperita)生長,同時單萜類物質(zhì)明顯增加。但水分供應(yīng)不足而N素過量時,單萜產(chǎn)量沒有變化。曹潘榮等通過水分脅迫處理分析茶樹(Camelliasinensis)鮮葉芳香物質(zhì)的變化,發(fā)現(xiàn)不同程度的水分脅迫能誘導(dǎo)形成不同種類的芳香物質(zhì),且隨著水分脅迫程度的加深,其誘導(dǎo)的芳香物質(zhì)種類也隨之增加。E.Ormeňo等研究也發(fā)現(xiàn),受水分脅迫的迷迭香(R.officinalis)、灌木櫟(Q.coccifera)的單萜釋放量與不受水分脅迫時的相似,地中海松(P.halepensis)、白巖薔薇(C.albidus)的則比不受水分脅迫時高。而倍半萜的釋放量在水分脅迫的第四天開始減少或受到抑制,尤其是迷迭香。研究還表明盡管水分脅迫對植物的單萜釋放有積極的影響,但在長期的水分脅迫下單萜釋放量也會呈緩慢下降趨勢。濕度的變化對不同樹種的精氣釋放影響效果也有不同,有些樹種的精氣釋放速率隨濕度的增加而增加,有的則隨濕度增加而降低,還有部分樹種精氣釋放速率與濕度的變化關(guān)系不大。美國黃松(Pinusponderosa)的單萜釋放速率與空氣濕度的變化密切相關(guān),當(dāng)空氣濕度小于40%時,單萜釋放速率急劇降低。Janson等對歐洲赤松(Pinussylvestris)和挪威云杉((Piceaabies)的研究還表明,周圍環(huán)境濕度的增加不僅可以加快氣體的釋放,而且可以使樹木釋放的氣體組分發(fā)生改變。薄荷的萜釋放速率會在灑水的20min內(nèi)明顯增加,并且這種高釋放速率會一直持續(xù)到灑水停止后的幾個小時。而桉樹葉片周圍濕度的變化對其單萜的釋放速率沒有明顯的影響,濕地松的萜釋放速率與環(huán)境濕度的變化之間則存在負相關(guān)關(guān)系。土壤肥力可通過影響植物體內(nèi)的碳源向單萜類物質(zhì)的分配模式來影響單萜的釋放量。Bryant等認為額外追加N肥可導(dǎo)致單萜類物質(zhì)的減少。Muzika等研究發(fā)現(xiàn)土壤中的氮從22.4mmoL·L-1升到44.8mmoL·L-1時巨冷杉(Abiesgrandis)幼苗中總單萜含量下降。這是由于氮肥促進光合作用,使非結(jié)構(gòu)碳水化合物含量下降所致。單萜是以非結(jié)構(gòu)碳水化合物為底物進行合成的,低水平的非結(jié)構(gòu)碳水化合物將導(dǎo)致單萜合成下降。但并非所有情況都如此,Loreto等實驗證明,夏季的高溫土壤中可利用的氮含量與單萜類物質(zhì)的釋放率成正相關(guān)關(guān)系。大氣中CO2濃度的變化也是影響植物精氣釋放的一個重要因素,CO2倍增可提高某些植物體內(nèi)單萜的含量。Lincoln等指出,CO2濃度升高時薄荷葉片中單萜總量升高。Heyworth等的研究結(jié)果也顯示,CO2倍增可提高歐洲赤松體內(nèi)a-蒎烯的濃度。大多數(shù)研究表明幼樹具有更高的精氣釋放速率。Street等發(fā)現(xiàn),30℃時同樣生境下的松樹(Pinus)幼樹枝葉的萜釋放速率要比成年松樹高出2~3倍。Kim研究同樣環(huán)境條件下不同生長年齡濕地松的萜釋放速率,認為4年生濕地松的萜釋放速率是7年生濕地松的8倍。徐福元等研究了不同齡級的馬尾松(Pinusmassoniana)對松材線蟲(Bursaphelenchusxylophilus)病的抗性差異發(fā)現(xiàn),長葉烯和去氫樅酸的含量隨樹齡的增加而增加,并與其抗性呈負相關(guān);β-蒎烯、單萜和樅酸型樹脂酸的含量隨樹齡的增加而減少,并與其抗性呈正相關(guān)。但Janson卻發(fā)現(xiàn),40年生和140年生歐洲赤松的精氣釋放速率沒有明顯的差異。這一方面可能是由于樹種的不同所造成的,另一方面也可能是由于這種差異在幼樹之間表現(xiàn)明顯,而隨著樹木年齡的增加,這種差異會逐漸減小。J.-C.Kim等研究也表明,老齡的山茶(C.japonica)和紅松(P.koraiensis)的單萜化合物總排放量高于低齡樹,扁柏的(C.obtusa)則相反。葉齡也可以造成單萜類物質(zhì)釋放的差異,Guenther等研究指出,幼葉(小于15d)相對老葉(大于40d)釋放出更多的桉樹腦和蒎烯。樊衛(wèi)國等研究卻發(fā)現(xiàn)銀杏(Ginkgobiloba)葉中萜內(nèi)酯含量以萌芽期幼葉中含量最低,僅0.07%。植物不同的部位釋放的精氣組分存在差異。陳朋等測定挪威云杉幼樹揮發(fā)性物質(zhì)的化學(xué)成分與含量,發(fā)現(xiàn)α-蒎烯、β-蒎烯、月桂烯的含量在上部韌皮與下部韌皮有明顯差異。吳敏等的研究結(jié)果則表明,杉科植物的葉片中所含單萜烯和倍半萜烯的總量與木材中的相比存在差異但差異不大。植物精氣的釋放速率和成分組成在不同屬及同屬不同種植物之間有較大差別。Benjamin等研究發(fā)現(xiàn),槭樹屬(Acer)、白蠟樹屬(Fraxinus)和梨屬(Pyrus)植物的精氣釋放速率很低,甚至有許多樹木種類沒有單萜釋放,而楊屬(Populus)、櫟屬和柳屬(Salix)樹木種類的精氣釋放速率較高,在被測樹木中,油棕(Elaeisguineensis)是精氣釋放速率最高的種類,其單萜釋放速率可以比其它低釋放種類的高出成百上千倍。秦小薇等研究了馬尾松、濕地松、油松(Pinustabulaeformis),發(fā)現(xiàn)其針葉揮發(fā)性化合物中主要手性單萜的組成與相對含量在種間相差較大,馬尾松中的(-)-α-蒎烯的含量(55.50%)最高,而其對映異構(gòu)體(+)-α-蒎烯在油松中含量(16.86%)最高,(-)-β-蒎烯在濕地松中含量(43.38%)最高。白郁華、王志輝等研究報道,針葉林木主要排放萜類化合物,落葉喬木主要排放異戊二烯化合物。但是,不是所有的闊葉和針葉樹種都符合上述規(guī)律。趙靜等研究發(fā)現(xiàn)在我國南方如大葉相思(Acaciaauriculiformis)、南洋楹(Albiziafalcata)、樟樹(Cinnamomumcamphora)等闊葉樹,主要排放物不是異戊二烯,而是單萜烯。原因可能是在亞熱帶氣候條件下,為了避免過度蒸發(fā),闊葉林也有和針葉林類似的厚角質(zhì)層,因此具有許多針葉林的性質(zhì)。外來干擾也會對植物精氣的釋放產(chǎn)生影響。外來干擾主要是指人類活動和自然力破壞對樹木所造成的損害。人為擾動的形式多樣,如整枝修剪、移栽、晃動、碰撞等;自然力破壞也有多種類型,如風(fēng)摧、閃電襲擊、蟲害以及微生物侵襲等。Kim發(fā)現(xiàn)火炬松摘葉后的萜釋放速率比正常條件下提高了5~20倍,但經(jīng)過同樣處理的濕地松卻沒有表現(xiàn)出類似的敏感性。李新崗等分析了健康果實和受害果實萜類揮發(fā)物成分,發(fā)現(xiàn)球果受害后,單萜、倍半萜種類沒有變化,除β-蒎烯含量減少外,單萜總量和各組分的含量明顯增加,其中4-側(cè)柏烯含量增加最多,而倍半萜各組分相對含量變化很小。6動態(tài)頂空法-gc-ms法近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,植物精氣的收集、分離和鑒定方法取得了突破性進展。目前,常收集方法有固相微萃取法和動態(tài)頂空法兩種,其測定結(jié)果能夠較為真實地反映出被測植物所釋放的有機揮發(fā)物的成分及其含量,這兩種方法的采樣原理及其優(yōu)缺點比較如下。固相微萃取法的采樣探頭外形像注射器,內(nèi)部含有一個涂有特殊涂層的熔融石英纖維,上面涂著固定液。采樣時將熔融石英纖維推出針頭,置于樣品或樣品上層的頂空氣體中,平衡一段時間,讓植物揮發(fā)性有機物富集于固定液上,萃取完畢后通過不銹鋼毛細導(dǎo)管將熔融石英纖維注到氣相色譜進樣口,吸附在固定液中的揮發(fā)性有機物借助于氣相色譜進樣口的高溫快速進行解吸附,隨后氣化,進入色譜柱分離。此法所采樣品為活體植物有機揮發(fā)物,所需樣品量少,所需溶劑少,操作簡化,集采樣、萃取、濃集、進樣于一體;但是對于微量的植物有機揮發(fā)物的成分分析和定量有難度。動態(tài)頂空法采樣時將活體植物放入采樣室,并將采樣室密閉,用真空泵抽走內(nèi)部的空氣,從入口處泵入經(jīng)活性炭和GDX-101過濾的干凈空氣,在采樣室出口處連接吸附管,吸附并富集植物釋放的有機揮發(fā)物,整個采樣過程氣路密閉,在氣泵的帶動下采樣室的氣體進行循環(huán)。采樣后的吸附管通過熱脫附-低溫-捕集過程被熱解吸附后進入到氣相色譜-質(zhì)譜連用儀。此法能夠采集活體植物釋放的揮發(fā)性有機物,并可對微量化合物進行定性和定量分析,攜帶方便,適合野外操作;但是收集的揮發(fā)性有機物量少,只能用于植物揮發(fā)性有機物的化學(xué)分析。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)是目前分析植物有機揮發(fā)物的最有效的方法,可以對樣品中全部或指定成分作定性和定量分析。定性分析不僅能確定化合物的元素組成,而且能鑒定其分子結(jié)構(gòu)。質(zhì)譜法除了是一種有效確定化合物分子結(jié)構(gòu)的方法之外,還具有靈敏度高的特點,靈敏度可達到10-10~10-14。近年來在GC-MS技術(shù)的基礎(chǔ)上又改良出了其它幾種分析鑒定技術(shù),例如毛細管氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(CGC-MS)、熱脫附-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(TCT-GC-MS)等,這些技術(shù)都極大地提高了植物有機揮發(fā)物的分析鑒定效率。7植物香精在城市園林工程中的應(yīng)用隨著城市化的發(fā)展,城市人口增多,各種各樣的工作和生活壓力迎面而來,人們的精神經(jīng)常處于緊張狀態(tài),再加上城市環(huán)境的污染日益加重,越來越多的人渴望回歸大自然,到大自然中呼吸新鮮空氣,緩解緊張情緒。因此,許多國家大力提倡“森林浴”,鼓勵人們到森林中吸收“芬多精”。比如,中國將植物精氣作為一種生態(tài)旅游產(chǎn)品先后在廣東,湖南,江西,福建,重慶等省(市)的4個國家級自然保護區(qū),15個森林公園,4個生態(tài)旅游區(qū),1個野營地以及2個地級市,4個縣(市)的旅游規(guī)劃建設(shè)中進行了應(yīng)用。同時,在城市園林綠化工程中植物精氣也得到運用,修建了大量的植物保健綠地、盲人綠地、夜花園等。此外,植物精氣還被提煉并廣泛的用于房屋建筑,家具用材,室內(nèi)裝修,玩具用材,包裝用材等行業(yè)。醫(yī)學(xué)認為萜類化合物中單萜最具藥