自然状态下杉木木材挥发物成分的初步研究

自然状态下杉木木材挥发物成分的初步研究

蒸发是指蒸发、可随着蒸馏水蒸发的油液体。挥发物不是均一的化合物,它是有多种化学性质不同的成分组成的混合物,一种挥发物可能含有几十种乃至一、二百种化学成分。挥发物中有许多成分具有较强的生理活性。对人体健康而言,其中有些有益,而有些有害。随着人们环境意识的增强以及对身心健康的日益重视,关于挥发物与人体健康之间的关系越来越受到人们的关注。但由于受到研究手段以及已有医学知识等诸多限制,如挥发物的采集方法问题,因为采集方法不同,所得挥发物的化学成分会有所不同,一直以来最为常用的是浸提液法、水蒸气蒸馏法等,但都未能做到将材料处于自然状态下进行挥发物采集,如何才能采集到自然状态下材料的挥发物成分一直处于探索与完善之中;另外,象挥发物中一些成分到底有哪些生理活性,对人体健康究竟有哪些影响等,也知之甚少,正因如此,这方面的研究工作长期以来一直较少。近年来气质联用技术日趋成熟,并在物质分离、成分结构鉴定方面得到广泛应用,挥发物采集技术(如动态顶空采集法、液空采集法等)也在不断提高,这些都为材料在自然状态下的挥发物采集和成分的精确测定与分析提供了可能。不过,总体来看,自然状态下材料的挥发物及其与人体健康方面的研究才刚刚起步,许多方面都有待于进一步深入探索。挥发物不仅是植物中一类常见的重要成分,而且也是木材的组成成分之一,如从木材中提取的α-和β-蒎烯是工业上合成樟脑和多种香料的重要原料。木材中逸出的挥发油成分,赋予木材具有气味。不同树种木材中挥发油的含量和成分差别很大。今天,木材在室内装修、家具等方面得到大量使用。由于挥发物的存在,这些材料自然要向室内空间挥发其所含有的各种挥发性化学物质,改变着室内空气环境,从而对室内居民的身心健康造成影响。因此,研究室内建筑装修和家具广泛应用的木质材料中挥发物化学组成及其对人体的影响,对于正确选择有益人身健康的材料,避免使用有害木质材料及其制品,创造一个洁净、健康的室内空气环境具有重要意义。基于这种目的,作者以我国最为重要的商品材杉木作为研究对象,在国内首次采用动态顶空套袋采集法和TCT-GC/MS联用技术,对自然状态下木材挥发物成分进行了采集、测定与分析,并从生理、心理等角度进一步分析了挥发物成分对人居环境、人体健康的影响,试图为木质材料挥发物成分及其对人体健康影响方面的研究摸索出一些新的方法、途径与思路。1材料和方法1.1材料提取物的提取1.1.1空气过滤及采气时间的确定采用动态顶空套袋采集法。其装置如图1所示。具体操作步骤如下:(1)用塑料袋套住适量的地板材以后,立刻将袋内的空气抽走。(2)抽走袋内的空气后,用泵泵入通过活性炭和GDX-101过滤后的净化空气,并密闭系统。(3)待密闭30min后,如图1所示开始循环采气。采气时间根据材料挥发物释放量有所不同,以保证目标成分可达到仪器的检测限,又不穿透吸附剂为宜。本试验中材料挥发性有机物的采集,流量为100mL·min-1,采样的时间为30min。采样时的环境温度为26℃,空气湿度为50%。1.1.2白色实验先把采样袋中的空气抽尽,然后冲入过滤的空气。待袋中空气达2/3体积时接吸附管,循环采气。1.1.3气泵和流量计的选型采样气路。循环采样要求有较好的气密性,管路尽量不形成干扰物质,因此选用硅胶管作为连接管路。采样袋。采样袋位于过滤器后,并直接与吸附管连接,因此对采样袋要求较高。其材质要求不与被测组分产生吸附、发生化学变化或形成干扰物质。本试验采用的是美国ReynoldsMetalsCompany生产的ReynoldsOvenBag,该产品材质稳定、耐高温,可保证不释放挥发性气体。袋子的大小为482mm×596mm。采样所用的吸附管和吸附剂。采样所用的吸附剂要求具有良好的热稳定性,能有效地吸附/解吸挥发性有机物。本试验选用的TenaxGR(60~80mesh),Tenax-GR能高效地吸附/解吸低分子量有机物,适用于挥发性有机成分的富集与分析。采样管选用Chrompack公司的产品。长16cm,内径3mm。平均每根采样管装0.2000左右的Tenax-GR。采样前将装有吸附剂的吸附管放在热脱附器上,在275℃温度条件下,通N2老化120min。首次用于装柱的吸附剂应按说明用溶剂清洗并通N2吹干后再老化。气泵及流量计。本实验采用的是北京市劳动保护科学研究所生产QC-1型大气采样仪。转子流量计使用前经皂膜流量计校正。本试验所采用的这种方法,其优点主要表现在:可采集材料在自然状态下的挥发成分,循环吸附可将含量很低的挥发性成分累积富集,高质量的采集袋、吸附管和吸附剂保证了挥发性成分的有效采集、吸附与解吸,热脱附方法保证了挥发性成分的准确分析。1.2仪器和工作条件1.2.1实验仪器TCT-GC/MS,型号:CP-4010PT/TCT(CHROMPACK公司);TRACEGC2000(CEINSTRUMENT公司);VOYAGERMASS(FINNIGANG公司)。1.2.2仪器的工作条件TCT的主要条件:SystemPressure,20kPa;Rodtempreture,250℃;TrapPrecool,-100(3min)TubeDesorption,250℃(10min);Trapinject,260℃。GC的工作条件:色谱柱,CP-Si18LowBleed/ms(60m×0.25mm×0.25μm)。程序升温:40℃(3min)-6℃·min-1-250℃(3min)Postrun270℃(5min)。MS的工作条件:IonizationMode,EL;E-energy:70eV;Massrange,29~350amu;l/F,250℃;Sre,200℃,EmissionCurrent,150μA。1.2.3检索谱库NIST98。1.3蒸发效率分析从药物生理和芳香疗法的角度,分析挥发物对人体健康的影响。2结果与分析2.1挥发物成分及强度分析鉴定结果,杉木木材挥发物主要为55种化合物组成的混合物,具体见图2和表1。由表1中可见,杉木木材挥发物成分和其它材料一样,都是由脂肪族化合物、芳香族化合物和萜类化合物三类化合物组成,符合挥发物成分的共性。进一步分析,在这些成分中,有脂肪族化合物15种,芳香族化合物5种,萜类化合物35种;在挥发物强度方面,以萜类化合物相对较强,脂肪族化合物相对较弱。很明显,杉木木材挥发物的主要组分是萜类化合物。2.2杉木木材的-烯类及及其他类化合物的功能众所周知,挥发物对人类的身心健康会产生影响。而这些影响从根本上说,都是由挥发物中所含有的化合物成分决定的。在组成挥发物的三大类成分中,最具生理活性的当数萜类化合物。萜类化合物种类繁多,结构复杂,性质各异,生理活性表现多种多样。例如:雷公藤内酯、雷公藤羟内酯具有抗血病、抗肿瘤活性;马桑内酯类化合物具有治疗神经分裂症作用;芍药甙能够抑制血小板凝集、扩张冠状动脉、增强免疫功能;齐墩果酸具有促进肝细胞再生活性;戎芦素B、E具有防治肝硬变、肝炎的活性;闹羊花毒素Ⅲ对重症高血压有紧急降压作用并对室上性心动过速有减慢心率作用;雪胆甲素能够抗菌消炎等等。另外,不少单萜和倍半萜成分都具有祛痰、止咳、平喘、驱风、健胃、解热及镇痛等功效;有些成分还是香料、化妆品工业的重要原料。本试验中得到的萜类化合物成分,已确定具有生理活性的化学成分有:α-蒎烯有明显镇咳和祛痰功能,并有抗真菌(如白念珠菌)作用;β-蒎烯也具有抗炎,祛痰,抗真菌作用;α-香叶烯(月桂烯)能够祛痰,镇咳。柠檬烯可治疗胆结石,并有刺激性祛痰作用;β-水芹烯有令人愉快的香气对支气管有温和的刺激作用,吸入作为祛痰剂,并可作杀虫剂和驱白蚁剂;莰酮兴奋中枢神经系统,强心、升压,少量胃肠舒适,抗真菌(但误服有毒性);莰醇抗心肌缺血,促进神经胶质细胞生长,止痛防腐、抗炎等;α-石竹烯具有平喘作用;雪松醇能起到解痉功效;杜松醇具有祛痰作用……当然除上述化学成分以外,还有其它成分,这些成分由于没有经过药理试验,其作用目前尚不清楚,有待今后进一步研究。不过从上述已知的萜类化合物所具有的各种生理活性推定,富含萜类化合物的杉木木材总体上具有明显的抗菌、消炎、祛痰、镇咳作用,并能解除紧张,令人放松,有利于居住者的身心健康。续表1Continue研究挥发物作用的一个重要新兴领域为芳香疗法(Aromatherapy)。所谓芳香疗法是指将植物中的芳香物质(精油或挥发物),通过各种方式吸入人的体内,从而对人的身心健康发挥作用的一种方法。大量研究证明,芳香疗法对于生活节奏高度紧张而引起的身心疾病即所谓“现代病”的治疗有良好效果。其作用主要表现在:芳香物质能够让人心情愉快、轻松舒适(如春黄菊油),能使人镇静、令人清醒(如柠檬香),能使人精力集中、工作效率提高(如迷迭香),还能活化循环机能(如薄荷脑)甚至具有减肥功效等等。有关具体的研究如:在室内送入柠檬等香气,发报人员的失误率明显降低;吸入宜人的香气,可使α脑波的功率谱密度较早地恢复到1/f型涨落谱状态,使人轻松自然;侧柏等植物精油的吸入能导致伴随性阴性变动(事件关连电位,CNV)早期成分减少,起镇静作用,茉莉等植物精油的吸入导致CNV早期成分加,起觉醒作用;台湾扁柏材油芳香物质的吸入,可使人的血压下降,R-R间隔即脉搏每拍间隔的变动系数减少,工作效率提高,自然感增强;另外,低浓度的α-蒎烯的吸入,可使人的精神性发汗减少,,指尖血流量增加,脉搏少而稳定,可抑制交感神经的兴奋,促进副交感神经的作用,使人趋于放松,减轻疲劳感。因此,从芳香疗法的角度来看,由于杉木木材中含有的α-蒎烯等萜类化合物多具有较强的香气和生理活性,因而可能具有良好的芳香疗法效果。挥发物中的脂肪族化合物和芳香族化合物,通常数量较少,杉木木材挥发物也是如此,因此挥发物中这两类化合物的生理活性相对而言少有研究。不过,从香精香料方面的研究来看,其中有些化合物也具有较好的香气。醛有柠檬香气和玫瑰香韵,庚醛有芳香性等等……因此,这些香气的吸入,理论上来说,也会起到一定程度的芳香疗法作用。但一般来说脂肪族化合物和芳香族化合物芳香成分在挥发物中的含量相对较少,挥发物的香气及其芳香疗法作用主要还是由大量的萜类化合物中芳香成分所决定。从上述挥发物成分的生理活性以及芳香疗法作用现有分析来看,杉木木材挥发物中具有许多有益成分,尤其是各种萜类化合物,它们多具有抗菌、消炎、祛痰、镇咳作用,并能解除心理上的紧张与疲劳,令人感觉自然、轻松、舒适、愉快等良好的生理活性及芳香疗法作用,能够积极改善空气品质,不论在生理上,还是心理上,对居住者的身心健康都较为有利。当然杉木挥发物中某些成分的效用以及整个挥发物的实际效用等问题都还有待以后进一步试验。3杉木木材中挥发油成分采用动态顶空套袋采集法和TCT-GC/MS联用等技术进行挥发物成分采集与分析,具有十分自然、真实、准确、可靠等特点,是分析自然状态下材料挥发物成分的有效方法。杉木木材的挥发油成分以萜类化合物种类