不同生长条件对三种药食两用植物挥发油化学成分的影响

Effect of different growth conditions on the chemical composition of volatile oils from three edible and medicinal plants

摘要

目的 探究不同生长条件对3种常见的药食两用植物韭菜、蒲公英和香菜挥发油化学成分的影响。 方法 采用水蒸气蒸馏法提取新鲜韭菜、蒲公英和香菜地上部分的挥发油，利用气相色谱-质谱（GC-MS）联用技术和保留指数法对化合物进行定性分析，采用峰面积归一法进行定量分析。 结果 不同生长环境中的韭菜、蒲公英和香菜挥发油的主要成分及其含量存在显著的差异。自然生长环境中的韭菜、蒲公英和香菜挥发油中所鉴定的化合物的种类均大于大棚温室生长环境，且自然生长环境中的挥发油中特有组分数量均显著大于大棚温室生长环境，呈现出较高的化学组分多样性。此外，塑料大棚温室生长环境中的韭菜、蒲公英和香菜的挥发油中均检测到一定含量的增塑剂和塑料抗氧剂。 结论 生长条件的差异对韭菜、蒲公英和香菜挥发油化学成分的种类与含量具有显著的影响。

Abstract

Objective The study aimed to explore the effect of different growth conditions on the chemical composition of volatile oil from three edible and medicinal plants, i.e., leek (Allium tuberosum), dandelion (Taraxacum mongolicum) and coriander (Coriandrum sativum). Method The volatiles oil of the aboveground parts of fresh leek, dandelion and coriander were extracted by the way of steam distillation, followed by the determination of their chemical composition by using gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) and retention index method, and the quantitative analysis by the method of peak area normalization. Result There were significant differences in the major components and their content in the volatile oils of leek,dandelion and coriander under different growth environments.The types of compounds identified in the volatile oils of leek, dandelion or coriander grown in the natural environment were more than those in the greenhouse environment.The number of some peculiar compounds in the volatile oil of these plants in the natural environment was larger than those in the greenhouse environment; that is, the volatile oil of these plants in the natural environment exhibited a higher diversity in the chemical composition. In addition, a certain amount of plasticizer and plastic antioxidant were identified in the volatile oils of leek, dandelion and coriander grown in the plastic greenhouses. Conclusion The difference in the growth conditions exerted significant effect on both the composition and the content of compounds in the volatile oils of leek, dandelion and coriander.

Graphical abstract

关键词

韭菜 / 蒲公英 / 香菜 / 挥发油 / 气相色谱-质谱法

Key words

leek / dandelion / coriander / volatile oil / gas chromatography-mass spectrometry（GC-MS）

韭菜、蒲公英和香菜为我国广泛种植的“药食两用”经济植物，它们既可作为蔬菜也可作为中药材入药。韭菜（Allium tuberosum Rottl.ex Spreng）为百合科葱属的草本植物，别名起阳草、长生韭、壮阳草等。韭菜多具强烈的特殊气味，可食用也可药用，研究表明韭菜具有杀菌、抗氧化、抑癌等多种作用^［1-3］。蒲公英（Taraxacum Mongolicum Hand.-Mazz）为菊科蒲公英属植物蒲公英或碱地蒲公英的新鲜全草，别名婆婆丁、黄花苗、黄花地丁、奶汁草等；现代药理表明蒲公英具有清热解毒、健胃消炎、抗氧化、抗菌、抗肿瘤和抗炎等作用^［4-6］。香菜（Coriandrum sativum Linn．）为伞形科植物芫荽全草，别名香荽、胡荽、芫荽，具有强烈的特殊气味，是人类历史上用作药品和食品最古老的芳香蔬菜之一，全国各地均有栽培，全草可入药，常被用来治疗麻疹诱发不快、食物积滞、感冒风寒等症^［7-8］。

挥发油（volatile oil）亦称精油，其中含多种活性成分，挥发油的具体成分和含量与药用植物的药性密切相关。研究表明韭菜、蒲公英和香菜挥发油中含有多种生物活性物质，具有杀菌、抗炎、杀虫、抗氧化等多种药理作用，在功能食品研发、医药领域具有重要的价值^［9-14］，此外挥发油也是植物特殊气味的主要来源，挥发油成分的差异影响着它们的品质^［15］。研究表明不同生长地域因气候、海拔、土壤养分等因素的差异对韭菜、蒲公英和香菜的挥发油化学成分特征具有显著的影响，因不同研究所选采样地域有所差异，所得结果也有所不同。王鸿梅等^［9］研究表明天津地区所产新鲜韭菜地上部分挥发油中主要的化学成分为2-甲基-2-戊烯醛（22.54%）、二甲基三硫醚（12.5%）、甲基丙基三硫醚（7.96%）、甲基丙基二硫醚（5.1%）等。李莎莉等^［10］对武汉地区所产新鲜韭菜地上部分挥发油成分分析表明其主要化学成分为二甲基二硫（20.82%）、三甲基三硫（12.2%）、1，4-二噻烷（7.73%）等。凌云等^［11］研究表明北京地区所产蒲公英的挥发油主要化学成分为2-呋喃甲醛（13.44%）、3-正己烯-1-醇（7.53%）、正二十一烷（6.81%）、β-紫罗兰醇（5.99%）等。而杨超等^［12］研究发现产自于湖南长沙地区的蒲公英的挥发油主要化学成分为亚麻酸（51.70%）、棕榈酸（18.41%）、油酸（2.75%）、棕榈酸乙酯（1.94%）、二十二烷酸（1.40%）、十九烷酸（1.23%）等。刘信平等^［13］研究发现湖北恩施地区香菜挥发油的主要化学成分为环己酮（20.89%）、反式-2-十三烯醛（8.98%）、月桂醛（6.76%）、芜荽醇（4.94%）等。而陆占国等^［14］对哈尔滨地区所产香菜的挥发油研究表明其主要化学成分为己酸乙酯（44.35%）、3，5-二叔丁基-4-羟基苯甲醛（7.67%）、2-十二烯醛（3.69%）等。目前关于生长条件的差异对植物挥发油化学成分影响的研究则比较少。

自然环境中植物生长受季节的限制，而通过大棚温室这种生长条件可控的农业技术，韭菜、蒲公英和香菜这类药食两用的经济植物得以不受时节的限制而被大量的种植。研究表明同一种植区域不同种植条件对经济植物的品质具有显著的影响^［16］，大棚温室生长条件中植物的品质与自然条件下的植物存在着显著的差异^［17］。挥发性成分作为韭菜、蒲公英和香菜品质的主要指标之一，对其品质和经济价值具有重要的影响。目前，研究者对于韭菜、蒲公英和香菜挥发性成分的研究多集中于生长地域条件的差异对挥发油化学成分的影响，而关于特定生长条件对其挥发性成分影响的研究则比较少。本研究采用水蒸气蒸馏法对自然生长环境和塑料大棚温室生长环境中所种植的新鲜韭菜、蒲公英和香菜的地上部分的挥发油进行了提取，利用气相色谱-质谱（GC-MS）联用技术分析、鉴定挥发油的化学成分，以期为这3种药食两用植物资源的合理人工种植与资源的开发提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与仪器

1.1.1 供试材料

韭菜、香菜于2020年5月采于甘肃省张掖市郊区塑料大棚温室和室外种植区（韭菜品种为金丰源，香菜品种为山东大叶，地理坐标：N 38°59′34.3″，E 100°26′25.2″）；蒲公英（川甘蒲公英）于2020年5月采于甘肃天水市秦州区郊区塑料大棚温室和室外种植区（地理坐标：N 35°0′40″，E 106°12′7″），不同样地韭菜、蒲公英和香菜均为人工种植且室内外种植区种植时间一致，田间水肥管理条件一致，塑料大棚温室所使用的棚膜均为聚乙烯膜。取新鲜地上部分，低温保存带回实验室待用（自然生长环境中所采集的样品记为TM₁，大棚温室内所采集的样品记为TM₂）。

1.1.2 仪器药品

C₈-C₃₀正构烷烃标准品（美国Sigma公司），无水硫酸钠（色谱级），石油醚（色谱级，沸点30~60 ℃）。KDM调温电热套（山东邺城华鲁电热仪器有限公司）；Trace DSQ-GC2000型GC/MS气质联用仪（美国Finnigan公司）；Clevenger type蒸馏装置（实验室组装，含直型冷凝管、油水分离器等）；A2104N电子天平（上海精密科学仪器有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 挥发油的提取

新鲜植物材料拣选干净、蒸馏水洗净阴干后剪碎，准确称取适量植物样品（200 g）置于2 L圆底烧瓶中，加入1 L超纯水用Clevenger type蒸馏装置蒸馏3 h，至挥发油馏出量不再增加，石油醚洗脱油水分离器壁上的挥发油，收集油水分离器上层的石油醚—挥发油层，加入无水硫酸钠于-20 ℃过夜，过滤后用高纯氮吹去溶剂至无石油醚气味为止，得挥发油样品，密封保存于带特氟龙密封盖的棕色进样瓶中，于-20 ℃保存待测。

1.2.2 GC-MS分析

色谱条件：色谱柱为Agilent DB-5石英毛细管柱（30 m× 0.25 mm× 0.25 μm）；载气：高纯氦气，载气压力：0.25 MPa；分流进样，分流比：10∶1，流速：1.0 mL/min，进样量：1 μL。进样口温度：250 ℃；起始温度：60 ℃，保留2 min，以10 ℃/min升温至250 ℃维持10 min至分析完成。

质谱条件：载气为高纯氦气，电子轰击（EI）源；离子温度为200 ℃，电子能量70 eV，灯丝电流80 μA，扫描范围（m/z）为29~500，扫描间歇为0.5 s。

1.2.3 数据处理与保留指数计算

利用气质联用仪计算机NIST-MS谱库（NIST-2020）自动检索各组分的质谱数据，并参考标准图谱和化合物保留指数对结果进行核对和补充检索^［18-19］，同时利用美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology）化合物在线数据库（https：//webbook.nist.gov/chemistry/Flavornet）对化合物的质谱图与保留指数进行核对，采用峰面积归一化法得出各组分的相对含量^［20］。利用R语言（V.4.1.2）Venn-Diagram包绘制韦恩图。

按上述条件获得C₈-C₃₀正构烷烃各组分的保留时间，依照下列公式计算化合物保留指数^{［18，20］}：

RI=\mathrm{100}[z+\frac{\mathrm{l}\mathrm{g}{t}^{\text{'}}R\left(x\right)-\mathrm{l}\mathrm{g}t\text{'}R(z)}{\mathrm{l}\mathrm{g}{t}^{\text{'}}R\left(z+\mathrm{1}\right)-\mathrm{l}\mathrm{g}t\text{'}R(z)}]

式中：t′R为校正保留时间；z和z+1分别为目标化合物（x）流出前后的正构烷烃（C₈-C₃₀）所含碳原子的数目。

2 结果与分析

于上述试验条件下对不同样品挥发油用GC-MS法进行分析，得挥发油总离子流图（图1~3），挥发油化学成分及各组分相对百分含量见表1~3。

由表1~3可知生长条件对韭菜、蒲公英和香菜挥发油化学成分具有显著的影响。自然生长环境和大棚温室生长环境所采集的韭菜的挥发油中分别鉴定出36和31种成分，占挥发油总量的86.02%和86.4%。不同挥发油样品中均含有较高含量的正构烷烃类化合物，占挥发油总量的23.33%（TM₁）和43%（TM₂）。此外，自然生长环境的韭菜的挥发油中含硫化合物含量（9.5%）显著高于大棚温室样品（1.38%）（表1）。由图4-A可知，不同生长环境的韭菜挥发油样品中共有差异组分20个，共有组分中含量较高的成分均为正十六烷、正十八烷、1-乙烯基杂氮硅三烷、2，4-二叔丁基苯酚、环己基二甲氧基甲基硅烷、4，6-二甲基十二烷和棕榈酸。自然生长的韭菜的挥发油中含有特有组分16个，显著大于大棚温室样品（11）。自然环境生长的韭菜的挥发油特有组分中含量较高的为正二十六烷（7.89%）、二十四

醛（6.52%）和甲基壬基甲酮（2.62%）；而大棚温室生长环境的韭菜的挥发油特有组分中含量较高的为正二十四烷（4.65%）、邻苯二甲酸二丁酯（4.39%）、正二十一烷（3.93%）和姥鲛烷（3.85%）。

不同生长环境所采集的蒲公英的挥发油中分别鉴定出45和39种成分，占挥发油总量的90.42%和86.43%（表2）。不同挥发油样品中含量较高的成分均为3-氰基-6-甲基香豆素，分别占挥发油总量的16.3%和18.86%。此外，不同生长环境中蒲公英的挥发油中均含有较高含量的醛类和脂类化合物。其中自然生长环境的蒲公英的挥发油中醛类化合物含量（18.35%）显著高于大棚温室生长环境（11.16%），而不同挥发油样品中脂类化合物含量则呈现出相反的趋势，分别为9.67%和12.17%（除邻苯二甲酸二丁酯）。不同生长环境的蒲公英的挥发油样品共有差异组分24个，共有组分中含量较高的均为3-氰基-6-甲基香豆素、2，4-二叔丁基苯酚、正十六烷和13-二十二烯酰胺。其中自然生长环境的蒲公英的挥发油中含有特有组分21个，显著高于大棚温室样品（15）（图4-B）。自然生长环境中的蒲公英的挥发油特有组分中含量较高的为十五烷醛（4.67%）、10-十一烯醛（3.34%）和环氧油酸（3.3%）；而大棚温室环境的蒲公英的挥发油特有组分中含量较高的为邻苯二甲酸二丁酯（5.78%）、二十二烷酸苄酯（5.45%）和抗氧剂2246（2.76%）等。

自然生长环境的香菜的挥发油中共鉴定39种成分，占挥发油总量的87.73%，其主要的成分为正十七烷（7.56%）、癸醛（7.21%）、3-氧代-α-紫罗兰醇（6.56%）、叶绿醇（5.85%）、油酸（5.36%）、十二醛（5.36%）等。大棚温室环境的香菜的挥发油中共鉴定36种成分，占挥发油总量的86.49%，其主要成分为山嵛醇（15.48%）、顺式-13-十八烯醛（10.49%）、顺式-9-十六碳醛（10.46%）、顺式-2-十二碳烯醇（4.58%）、邻苯二甲酸二异辛酯（4.52%）等。不同生长环境的香菜的挥发油中均含较高含量的中醛类化合物，且自然生长环境的香菜挥发油中醛类化合物含量显著高于大棚温室生长环境，分别占挥发油总量的36.13%和29.9%（表3）。不同生长环境的香菜的挥发油样品共有差异组分27个（图4-C），其中含量较高的共有组分为癸醛、顺式-13-十八烯醛、油酸等。自然环境的香菜的挥发油中含有特有组分12个，含量较高的组分为反式-2-癸烯醛（4.45%）和十一醛（2.22%）。而大棚温室环境的香菜的挥发油特有组分为9个，其中含量较高的为顺式-2-十二碳烯醇（4.58%）和邻苯二甲酸二异辛酯（4.52%）。

3 讨论

研究表明栽培条件对植物挥发油化学成分的种类和含量具有显著的影响^［21］。大棚温室中低风速、低照度、温度高而稳定的特点使得大棚温室栽培条件下的植物与室外自然环境中生长的植物在生理特征和化学成分方面均有所差异。本试验中，不同生长环境中的韭菜、蒲公英和香菜的挥发油化学成分及其含量均呈现出显著的差异。总体上自然生长环境中的韭菜、蒲公英和香菜的挥发油化学成分的种类和特有组分的数量均显著高于大棚温室生长环境中的样品，自然生长环境中植物的挥发油表现出了较高的化学复杂性。本试验中，自然生长环境中韭菜、蒲公英和香菜的挥发油的主要成分与其他研究者的结果呈现出了较大的差异^［9-13］，这种差异可能是由于地理条件、气候、环境和营养状况的差异所造成的。

本试验中，不同生长环境中的韭菜、蒲公英和香菜的挥发油中特定组分的含量呈现出显著的差异。自然生长环境中的韭菜挥发油中的含硫化合物含量显著高于大棚温室环境，含硫化合物是韭菜中重要的活性物质，具有多种药理作用，也是其独特风味的来源^［22］。同样的自然生长环境中的香菜的挥发油中醛类物质含量显著高于大棚温室环境，而醛类物质是香菜特殊气味重要的来源物质^［23］。此外大棚温室生长环境中的蒲公英挥发油中酯类物质的含量显著高于室外样品，酯类物质既是植物重要的香气成分物质，也是蒲公英重要的药性成分^［24］。挥发油中特定组分含量的差异也导致自然生长环境与大棚温室生长环境中的植物的品质呈现出一定的差异。

本试验中塑料大棚温室生长环境中的韭菜、蒲公英和香菜的挥发油中均检测到了一定含量的邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异辛酯和抗氧剂2246。邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异辛酯常被作为塑料制品的增塑剂，而抗氧化剂2246则常被作为添加剂用于塑料制品的合成。随着塑料大棚蔬菜栽培技术的迅速发展，塑料制品的大量使用导致增塑剂（如邻苯二甲酸酯、邻苯二甲酸二异辛酯）等有毒害的成分进入设施农业环境，导致农业环境的污染^［25］。此外，本试验中大棚温室生长环境中的韭菜和蒲公英的挥发油中均检测到一种增塑剂（邻苯二甲酸二丁酯），而香菜挥发油中则检测出邻苯二甲酸丁基异癸酯和邻苯二甲酸二异辛酯两种增塑剂，表明不同植物对于增塑剂的吸收、富集能力存在着显著的差异。

4 结论

植物生长环境的差异对韭菜、蒲公英和香菜的挥发油化学成分种类及各组分含量具有显著的影响，这也导致了自然生长环境和大棚温室生长环境中植物的品质存在一定的差异。随着农业集约化进程的加快，塑料制品在农业活动中的大量使用导致土壤和农产品均受到增塑剂等有害物质的污染。如何在提高塑料大棚温室栽培植物品质的同时降低有害物质的含量则需要进一步深入的研究。

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基金资助

甘肃省自然科学基金项目(20JR10RA522)

甘肃农业大学公招博士科研启动基金项目(GAU-KYQ D-2018-18)