植物香精的提取分离及对人体健康的影响

植物香精的提取分离及对人体健康的影响

1植物香精在生态保健旅游资源中的应用随着社会经济的快速发展，人们的物质生活水平有了提高，但生态环境正在恶化。在钢筋混凝土铸成的“城市水泥沙漠”中,劣质的空气、超标的噪声、恶化的水质、退化的土壤和各种有害辐射等都严重地威胁着人们的身体健康。人们开始关注身边的环境和自身的健康,渴望到生态环境优良的地方去旅游、度假、疗养,以保持身心的健康。生态保健旅游正是在此背景下产生并迅速发展起来,大量生态保健旅游资源也因此受到人们越来越多的青睐,而如何合理有效地开发利用这些具有保健功能的旅游资源以满足人们日益增长的生态保健需要也成为了日益关注的问题。植物精气作为一种重要的生态保健旅游资源,具有杀菌、消毒、治病等多种保健功能。虽然人们利用植物释放的气体已有数千年的历史,但限于研究手段的滞后,对植物精气的科学研究却只有短短数十年的时间。而植物精气强大的保健功效和巨大的市场潜力,使人们日益对其加以关注。2植物香精的作用机理人类利用植物释放的气体由来已久。埃及人4000年前就已利用香料消毒防腐,欧洲人则利用薰衣草、桂皮油来安神镇静,我国古代传统中医也有“芳香开窍、通筋走络”的理论,民间则有“佩香袋”、“薰艾蒿”进行驱虫杀菌、去邪防病的习俗。1865年,德国开创了“森林地形疗法”(森林+运动),此疗法在1880年被进一步发展为“自然健康疗法”=森林+水雾+运动(也就是后来的植物精气+空气负离子+运动)。但是由于当时研究手段的匮乏,植物精气的作用机理一直不为人知。直到1930年,苏联的托金在观察植物的新陈代谢过程中,发现植物散发出来的物质能杀死细菌、病毒,才把这些物质统一命名为芬多精(Phytoncidere),又称植物杀菌素或植物精气。后来,随着研究手段的不断改进,植物精气的作用机理逐渐得到了阐释。德国、日本、俄国、台湾等国家和地区开始利用植物精气的杀菌和保健等多种功能开展森林生态旅游并取得了成效。比如1982年日本引入了德国的森林疗法,又根据植物精气可以杀菌治病的原理推行“森林浴”。到了1983年,日本林业厅更是发起“入森林、沐浴精气、锻炼身心”的“森林浴”运动,同时此举也大大推动了日本森林旅游业的发展。3焦磷酸成药物的机制植物精气是植物的器官和组织在自然状态下分泌释放出的具有芳香气味的有机挥发性物质。其主要成分是芳香性的萜类化合物,其中包含了单萜、倍半萜等,其碳架都是由异戊二烯聚合而成,所以又被称为异戊二烯类化合物。目前已经探明的萜类化合物的生物合成途径见图1,首先由乙酰辅酶A(AcetylCoA)缩合生成β-羟基-β-甲基戊二酰辅酶A(HMGCoA),然后在还原酶的作用下生成甲羟戊酸(MVA),MVA经过焦磷酸化和脱羧作用形成异戊烯焦磷酸(IPP),IPP经硫氢酶及焦磷酸异戊烯酯异构酶可转化为二甲丙烯焦磷酸(DMAPP)。IPP与DMAPP两者可相互转化,且两者结合成为牛儿焦磷酸(GPP),GPP释放焦磷酸即成单萜。如果IPP再与GPP以头尾方式结合,则产生法呢焦磷酸(FPP),FPP去焦磷酸即为倍半萜。总之,萜类化合物是由AcetylCoA经过MVA和IPP转变而来的。目前有很多关于植物释放气态有机物机理的假说,如抗氧化假说、抗热胁迫假说、促氮同化假说等等。但至今为止,对植物排放气态有机物的根本原因仍然不清楚。4保护大鼠脑电波许多研究表明,植物精气中含有多种对人体健康有益的物质。例如,槲树(Quercusdentata)的木材及叶片的精气中含有较多萜类物质及其含氧衍生物,其中α-蒎烯、柠檬烯、β-蒎烯、β-月桂烯、1,8-桉叶油素、莰烯、肉桂烯、龙脑、樟脑等具有杀虫、灭菌、镇咳、解热、消炎、抗菌、平喘、镇痛、镇静、降血压等保健功效。也有学者研究了植物精气对人体生理和心理的影响过程,比如芳香分子通过嗅觉刺激,经神经系统传达到大脑而产生生理和心理反馈讯息仅需要4秒钟的时间;人在吸人1,8-桉叶醇的香气时,大脑血液流动加速,说明大脑皮层活力增加;茉莉花(Jasminumsambac)香气使大脑皮层前部和左中部的随伴性阴性脑电波变化(简称CNV)明显增加,说明有兴奋作用;而薰衣草(Lavandulaangustifolia)油香气使CNV显著下降,说明有镇静作用;柠檬(Citruslimonum)香味会使心率减速,而玫瑰(Rosarugosa)香气会使心率加快;所有香气刺激后都会引起瞳孔扩张,表示激动。5水分胁迫对植物单类物质释放的影响植物精气的挥发受诸多环境因子的影响。这些环境因子包括了非生物因子(如温度、光强、水分胁迫、空气相对湿度、土壤营养、大气CO2浓度等)和生物因子(如树龄、叶龄、发育部位、树种差异、人为干扰等)。其中,温度是影响植物精气释放的一个重要因子。Tingey等将萜类释放速率与温度之间的关系概括为:In(ER)=a+b(T)。式中,ER为萜类释放速率,T为环境温度,a、b为特征常数。由此可见,萜类释放速率是温度的指数函数。王志辉等观察北京地区几种植物单萜烯的释放后发现其主要受温度影响,温度越高单萜烯排放速率越大。一般而言,植物精气的释放率与光强无关,如湿地松(Pinuselliottii)在暗处和照光条件下的单萜释放率相似。但是有些树种的精气释放率则对光有依赖性,比如栎属(QuercusL.)中一些不挥发异戊二烯的树种释放的单萜类物质和一些针叶树幼叶挥发的某些单萜类物质都与光强有关。P.Dominguez-Taylor等的研究也显示,墨西哥冷杉(Abiesreligiosa)释放的α-蒎烯和桑毛斑叶兰栎(Quercusrugosa)释放的异戊二烯一样都受到光和温度的控制。研究表明水分胁迫对单萜浓度的影响与光合产物的积累有关,轻度或中度的水分胁迫会导致植物体内的光合产物浓度升高,植物利用过剩的碳源来合成单萜。Gershenzon等研究火炬松(Pinustaeda)发现,其发生水分亏缺时针叶中单萜浓度升高。Clark等研究指出水分和氮素同时缺乏会限制薄荷(Menthapiperita)生长,同时单萜类物质明显增加。但水分供应不足而N素过量时,单萜产量没有变化。曹潘荣等通过水分胁迫处理分析茶树(Camelliasinensis)鲜叶芳香物质的变化,发现不同程度的水分胁迫能诱导形成不同种类的芳香物质,且随着水分胁迫程度的加深,其诱导的芳香物质种类也随之增加。E.Ormeňo等研究也发现,受水分胁迫的迷迭香(R.officinalis)、灌木栎(Q.coccifera)的单萜释放量与不受水分胁迫时的相似,地中海松(P.halepensis)、白岩蔷薇(C.albidus)的则比不受水分胁迫时高。而倍半萜的释放量在水分胁迫的第四天开始减少或受到抑制,尤其是迷迭香。研究还表明尽管水分胁迫对植物的单萜释放有积极的影响,但在长期的水分胁迫下单萜释放量也会呈缓慢下降趋势。湿度的变化对不同树种的精气释放影响效果也有不同,有些树种的精气释放速率随湿度的增加而增加,有的则随湿度增加而降低,还有部分树种精气释放速率与湿度的变化关系不大。美国黄松(Pinusponderosa)的单萜释放速率与空气湿度的变化密切相关,当空气湿度小于40%时,单萜释放速率急剧降低。Janson等对欧洲赤松(Pinussylvestris)和挪威云杉((Piceaabies)的研究还表明,周围环境湿度的增加不仅可以加快气体的释放,而且可以使树木释放的气体组分发生改变。薄荷的萜释放速率会在洒水的20min内明显增加,并且这种高释放速率会一直持续到洒水停止后的几个小时。而桉树叶片周围湿度的变化对其单萜的释放速率没有明显的影响,湿地松的萜释放速率与环境湿度的变化之间则存在负相关关系。土壤肥力可通过影响植物体内的碳源向单萜类物质的分配模式来影响单萜的释放量。Bryant等认为额外追加N肥可导致单萜类物质的减少。Muzika等研究发现土壤中的氮从22.4mmoL·L-1升到44.8mmoL·L-1时巨冷杉(Abiesgrandis)幼苗中总单萜含量下降。这是由于氮肥促进光合作用,使非结构碳水化合物含量下降所致。单萜是以非结构碳水化合物为底物进行合成的,低水平的非结构碳水化合物将导致单萜合成下降。但并非所有情况都如此,Loreto等实验证明,夏季的高温土壤中可利用的氮含量与单萜类物质的释放率成正相关关系。大气中CO2浓度的变化也是影响植物精气释放的一个重要因素,CO2倍增可提高某些植物体内单萜的含量。Lincoln等指出,CO2浓度升高时薄荷叶片中单萜总量升高。Heyworth等的研究结果也显示,CO2倍增可提高欧洲赤松体内a-蒎烯的浓度。大多数研究表明幼树具有更高的精气释放速率。Street等发现,30℃时同样生境下的松树(Pinus)幼树枝叶的萜释放速率要比成年松树高出2~3倍。Kim研究同样环境条件下不同生长年龄湿地松的萜释放速率,认为4年生湿地松的萜释放速率是7年生湿地松的8倍。徐福元等研究了不同龄级的马尾松(Pinusmassoniana)对松材线虫(Bursaphelenchusxylophilus)病的抗性差异发现,长叶烯和去氢枞酸的含量随树龄的增加而增加,并与其抗性呈负相关;β-蒎烯、单萜和枞酸型树脂酸的含量随树龄的增加而减少,并与其抗性呈正相关。但Janson却发现,40年生和140年生欧洲赤松的精气释放速率没有明显的差异。这一方面可能是由于树种的不同所造成的,另一方面也可能是由于这种差异在幼树之间表现明显,而随着树木年龄的增加,这种差异会逐渐减小。J.-C.Kim等研究也表明,老龄的山茶(C.japonica)和红松(P.koraiensis)的单萜化合物总排放量高于低龄树,扁柏的(C.obtusa)则相反。叶龄也可以造成单萜类物质释放的差异,Guenther等研究指出,幼叶(小于15d)相对老叶(大于40d)释放出更多的桉树脑和蒎烯。樊卫国等研究却发现银杏(Ginkgobiloba)叶中萜内酯含量以萌芽期幼叶中含量最低,仅0.07%。植物不同的部位释放的精气组分存在差异。陈朋等测定挪威云杉幼树挥发性物质的化学成分与含量,发现α-蒎烯、β-蒎烯、月桂烯的含量在上部韧皮与下部韧皮有明显差异。吴敏等的研究结果则表明,杉科植物的叶片中所含单萜烯和倍半萜烯的总量与木材中的相比存在差异但差异不大。植物精气的释放速率和成分组成在不同属及同属不同种植物之间有较大差别。Benjamin等研究发现,槭树属(Acer)、白蜡树属(Fraxinus)和梨属(Pyrus)植物的精气释放速率很低,甚至有许多树木种类没有单萜释放,而杨属(Populus)、栎属和柳属(Salix)树木种类的精气释放速率较高,在被测树木中,油棕(Elaeisguineensis)是精气释放速率最高的种类,其单萜释放速率可以比其它低释放种类的高出成百上千倍。秦小薇等研究了马尾松、湿地松、油松(Pinustabulaeformis),发现其针叶挥发性化合物中主要手性单萜的组成与相对含量在种间相差较大,马尾松中的(-)-α-蒎烯的含量(55.50%)最高,而其对映异构体(+)-α-蒎烯在油松中含量(16.86%)最高,(-)-β-蒎烯在湿地松中含量(43.38%)最高。白郁华、王志辉等研究报道,针叶林木主要排放萜类化合物,落叶乔木主要排放异戊二烯化合物。但是,不是所有的阔叶和针叶树种都符合上述规律。赵静等研究发现在我国南方如大叶相思(Acaciaauriculiformis)、南洋楹(Albiziafalcata)、樟树(Cinnamomumcamphora)等阔叶树,主要排放物不是异戊二烯,而是单萜烯。原因可能是在亚热带气候条件下,为了避免过度蒸发,阔叶林也有和针叶林类似的厚角质层,因此具有许多针叶林的性质。外来干扰也会对植物精气的释放产生影响。外来干扰主要是指人类活动和自然力破坏对树木所造成的损害。人为扰动的形式多样,如整枝修剪、移栽、晃动、碰撞等;自然力破坏也有多种类型,如风摧、闪电袭击、虫害以及微生物侵袭等。Kim发现火炬松摘叶后的萜释放速率比正常条件下提高了5~20倍,但经过同样处理的湿地松却没有表现出类似的敏感性。李新岗等分析了健康果实和受害果实萜类挥发物成分,发现球果受害后,单萜、倍半萜种类没有变化,除β-蒎烯含量减少外,单萜总量和各组分的含量明显增加,其中4-侧柏烯含量增加最多,而倍半萜各组分相对含量变化很小。6动态顶空法-gc-ms法近年来,随着科学技术的发展,植物精气的收集、分离和鉴定方法取得了突破性进展。目前,常收集方法有固相微萃取法和动态顶空法两种,其测定结果能够较为真实地反映出被测植物所释放的有机挥发物的成分及其含量,这两种方法的采样原理及其优缺点比较如下。固相微萃取法的采样探头外形像注射器,内部含有一个涂有特殊涂层的熔融石英纤维,上面涂着固定液。采样时将熔融石英纤维推出针头,置于样品或样品上层的顶空气体中,平衡一段时间,让植物挥发性有机物富集于固定液上,萃取完毕后通过不锈钢毛细导管将熔融石英纤维注到气相色谱进样口,吸附在固定液中的挥发性有机物借助于气相色谱进样口的高温快速进行解吸附,随后气化,进入色谱柱分离。此法所采样品为活体植物有机挥发物,所需样品量少,所需溶剂少,操作简化,集采样、萃取、浓集、进样于一体;但是对于微量的植物有机挥发物的成分分析和定量有难度。动态顶空法采样时将活体植物放入采样室,并将采样室密闭,用真空泵抽走内部的空气,从入口处泵入经活性炭和GDX-101过滤的干净空气,在采样室出口处连接吸附管,吸附并富集植物释放的有机挥发物,整个采样过程气路密闭,在气泵的带动下采样室的气体进行循环。采样后的吸附管通过热脱附-低温-捕集过程被热解吸附后进入到气相色谱-质谱连用仪。此法能够采集活体植物释放的挥发性有机物,并可对微量化合物进行定性和定量分析,携带方便,适合野外操作;但是收集的挥发性有机物量少,只能用于植物挥发性有机物的化学分析。气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)是目前分析植物有机挥发物的最有效的方法,可以对样品中全部或指定成分作定性和定量分析。定性分析不仅能确定化合物的元素组成,而且能鉴定其分子结构。质谱法除了是一种有效确定化合物分子结构的方法之外,还具有灵敏度高的特点,灵敏度可达到10-10~10-14。近年来在GC-MS技术的基础上又改良出了其它几种分析鉴定技术,例如毛细管气相色谱-质谱联用(CGC-MS)、热脱附-气相色谱-质谱联用(TCT-GC-MS)等,这些技术都极大地提高了植物有机挥发物的分析鉴定效率。7植物香精在城市园林工程中的应用随着城市化的发展,城市人口增多,各种各样的工作和生活压力迎面而来,人们的精神经常处于紧张状态,再加上城市环境的污染日益加重,越来越多的人渴望回归大自然,到大自然中呼吸新鲜空气,缓解紧张情绪。因此,许多国家大力提倡“森林浴”,鼓励人们到森林中吸收“芬多精”。比如,中国将植物精气作为一种生态旅游产品先后在广东,湖南,江西,福建,重庆等省(市)的4个国家级自然保护区,15个森林公园,4个生态旅游区,1个野营地以及2个地级市,4个县(市)的旅游规划建设中进行了应用。同时,在城市园林绿化工程中植物精气也得到运用,修建了大量的植物保健绿地、盲人绿地、夜花园等。此外,植物精气还被提炼并广泛的用于房屋建筑,家具用材,室内装修,玩具用材,包装用材等行业。医学认为萜类化合物中单萜最具药