4 種秋海棠花香揮發(fā)性物質(zhì)測定與特征香氣成分分析

杜文文，段 青，賈文杰，馬璐琳，王祥寧，王繼華

(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 花卉研究所，國家觀賞園藝工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650205)

花香是觀賞植物重要的商品性狀之一，被譽為“花卉的靈魂”[1].在很長一段時間內(nèi)，花卉育種方向大多集中在花型、花色、花期、抗性等方面，忽略了花香[2-3]，使得很多植物花朵香氣成分消失或濃度降低[4].調(diào)查發(fā)現(xiàn)，花香比花色和花型更能影響消費者的決定[5-6]，不僅如此，花香香氣成分在農(nóng)業(yè)、生物學(xué)、醫(yī)藥和香水化妝品工業(yè)等方面還具有重要價值[7].因此，近年來花香成為熱門研究領(lǐng)域之一[8-9].

秋海棠（Begonia）花色鮮艷，葉色豐富，觀賞價值高，野生種類超過2 000 個[10]，園藝品種多達(dá)15 000個[11]，是世界上種植范圍最廣的花壇和室內(nèi)裝飾花卉之一.目前秋海棠育種目標(biāo)主要集中在花型、花色、葉型、葉色等方面，針對花香育種研究尚未見報道.筆者在資源收集評價過程中，發(fā)現(xiàn)假厚葉秋海棠（B.pseudodryadis）、中華秋海棠（B.grandis）、柳葉秋海棠（B.fuchsioides）和里氏秋海棠（B.listada）花朵均具有香味.本研究就以這4 個種類盛花期的花朵為材料，采用頂空固相微萃?。╤ead space-solid-phasemicroextraction，HS-SPME）結(jié)合氣相色譜?質(zhì)譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）聯(lián)用技術(shù)檢測它們的花香揮發(fā)性物質(zhì)，鑒定各自種類的關(guān)鍵致香成分，比較不同種類間的成分差異，從而進(jìn)一步了解秋海棠花香成分組成，為培育香味秋海棠品種提供理論指導(dǎo)，并為后續(xù)秋海棠花香成分代謝途徑關(guān)鍵酶基因挖掘和分子育種提供理論依據(jù).

1 材料和方法

1.1 材料假厚葉秋海棠、中華秋海棠、柳葉秋海棠和里氏秋海棠均種植于云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所球宿根花卉育種基地.4 個種類均為雌雄同株異花植物，嗅覺感官雌雄花香氣相似，采集健康植株盛開期的雄花和雌花，假厚葉秋海棠和里氏秋海棠雌花數(shù)量少，僅采集了雄花進(jìn)行測定，重復(fù)3 次.

1.2 儀器手動固相微萃取進(jìn)樣器（美國Supelco公司），75 μm CAR/PDMS 萃取頭（美國Supelco 公司），7890B-5977A 氣相色譜?質(zhì)譜儀（GC-MS，美國Agilent 公司），50 mL 廣口三角瓶，其中75 μm CAR/PDMS 萃取頭主要用于痕量VOC 測定，已應(yīng)用在食用玫瑰等植物香氣測定上[12].

1.3 頂空固相微萃取頂空固相微萃取參照王珍珍等[12]的方法，先將萃取頭插入GC-MS 進(jìn)樣口，250 ℃老化處理40 min，之后分別稱取4 種秋海棠花朵約1 g，放入50 mL 廣口三角瓶底部，以癸酸乙酯為內(nèi)標(biāo)，迅速將萃取頭插入三角瓶中下部，室溫下萃取30 min，由于瓶口較大，萃取頭較小，插入前用幾層紗布包裹進(jìn)樣器的可調(diào)針深度規(guī)部分，插入后用封口膜將瓶口密封，以防漏氣.萃取完成后，取出SPME 萃取頭，插入GC-MS 進(jìn)樣口，解析30 s后，進(jìn)樣分析.

1.4 GC-MS 分析氣相色譜條件：色譜柱為HP-5MS 石英毛細(xì)管色譜柱(30 m×?0.25 mm，0.25 μm)，99.99%的氦氣作為運載氣體，隔墊吹掃流量為3.00 mL·min?1；柱前壓100 kPa；程序升溫：起始溫度 為40 ℃，以3 ℃·min?1升溫至80 ℃，繼續(xù)以5 ℃·min?1升溫至250 ℃，最后在250 ℃保持5 min.質(zhì)譜條件：采用EI 離子源，離子源溫度230 ℃，四級桿溫度150 ℃，傳輸線溫度250 ℃，電子能量70 eV，質(zhì)子掃描范圍為35～500，柱壓100 kPa.

1.5 花香成分定性與定量分析揮發(fā)性物質(zhì)成分經(jīng)氣相色譜分離，形成由各物質(zhì)色譜峰組成的總離子流色譜圖，總離子流圖用MSD ChemStation Data Analysis F.01.03 軟件打開，各組分通過自動積分并結(jié)合NIST14.L 譜庫檢索進(jìn)行確定.根據(jù)揮發(fā)物與內(nèi)標(biāo)的峰面積比值計算出揮發(fā)物的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù).計算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 4 種秋海棠花朵揮發(fā)性成分分類由于中華秋海棠和柳葉秋海棠雌雄花的花香成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差別，以4 種秋海棠雄花為材料進(jìn)行統(tǒng)計，共檢測出54 種揮發(fā)性成分，包括9 種烷烴類化合物、27 種萜烯類化合物、11 種苯類/苯丙素類化合物和7 種脂肪酸衍生物.柳葉秋海棠花朵揮發(fā)性成分最多，有28 種，其中烷烴類化合物5 種，占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的6.43%，萜烯類化合物10 種（單萜7 種，倍半萜3 種），占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的35.72%，同時檢測到9 種苯類/苯丙素類化合物和4 種脂肪酸衍生物，分別占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的46.93%和10.92%.假厚葉秋海棠和中華秋海棠花朵揮發(fā)性成分略少于柳葉秋海棠，分別有23 種和21 種，假厚葉秋海棠中有3種烷烴類化合物，占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的14.58%，萜烯類化合物18 種（單萜5 種，倍半萜13 種），占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的75.44%，2 種苯類/苯丙素類化合物占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的9.98%，未檢測到脂肪酸衍生物.中華秋海棠中烷烴類化合物有5 種，萜烯類化合物11 種（單萜5 種，倍半萜6 種），苯類/苯丙素類化合物3 種，脂肪酸衍生物2 種，分別占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的2.57%、78.61%、11.96%、6.85%.里氏秋海棠花朵揮發(fā)性成分最少，僅為15 種，其中烷烴類化合物6 種，萜烯類化合物5 種（單萜4 種，倍半萜1 種），苯類/苯丙素化合物和脂肪酸衍生物各有2 種，分別占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的16.90%、11.31%、49.63%、22.16%（圖1）.從中可以看出假厚葉秋海棠和中華秋海棠花朵揮發(fā)性成分主要是萜烯類化合物，里氏秋海棠花朵揮發(fā)性成分主要是苯類/苯丙素類化合物，這兩類化合物在柳葉秋海棠揮發(fā)物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較高.

圖1 4 種秋海棠花朵不同類型揮發(fā)性化合物相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.1 The relative mass fraction of different kinds of volatile compounds in four kind of Begonia species flowers

2.2 4 種秋海棠花朵揮發(fā)性成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析各種類花朵揮發(fā)性成分總質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，柳葉秋海棠>中華秋海棠>假厚葉秋海棠>里氏秋海棠.其中柳葉秋海棠和中華秋海棠花朵揮發(fā)性成分總質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在13 000 μg·kg?1以上，是假厚葉秋海棠的2 倍多，里氏秋海棠的5～6 倍.4 個種類共有的揮發(fā)性成分只包括十二烷、十三烷和芳樟醇等3 種物質(zhì)，十二烷在假厚葉秋海棠和柳葉秋海棠中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，分別為535.46 μg·kg?1和715.40 μg·kg?1，在中華秋海棠和里氏秋海棠中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于330 μg·kg?1，芳樟醇在中華秋海棠中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1 125.58 μg·kg?1）較高，在其他3 個種類中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于350 μg·kg?1，十三烷在4 個種類中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較低.假厚葉秋海棠花朵揮發(fā)性成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高是β-石竹烯，為1 606.25 μg·kg?1，其他化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于1 000 μg·kg?1，反式氧化芳樟醇、Panaxene、Silphiperfol-5-ene、人參烯、Ginsinsene、α-菖蒲醇、藍(lán)桉醇、人參新萜醇等化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高，但均是假厚葉秋海棠花朵特有揮發(fā)性成分.中華秋海棠中質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較高的成分有β-羅勒烯、α-法呢烯、苯乙腈、芳樟醇、別羅勒烯、2-乙基己醇乙酸酯等，其中苯乙腈、別羅勒烯、2-乙基己醇乙酸酯等化合物是其特有的揮發(fā)性成分.柳葉秋海棠中僅苯乙醇、β-月桂烯、D-檸檬烯、3-己醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1 500 μg·kg?1以上，其他化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在幾十到幾百μg·kg?1不等.里氏秋海棠花朵中二丁基羥基甲苯、2-己酮、十二烷、對二甲苯、β-月桂烯等化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，其中二丁基羥基甲苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為假厚葉秋海棠的近4 倍，中華秋海棠的約5 倍，對二甲苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于柳葉秋海棠和假厚葉秋海棠，β-月桂烯的含量僅為柳葉秋海棠的1/25，2-己酮是其特有揮發(fā)性成分（表1）.

表1 4 種秋海棠花朵主要揮發(fā)性成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 The volatile component amounts of four kind of Begonia specie flowers

續(xù)表 1

續(xù)表 1

2.3 4 種秋海棠花朵特征香氣分析以4 個種類花朵揮發(fā)性成分含量為基礎(chǔ)，利用風(fēng)味閾值法計算各種類的香氣值（Odor activity value，OAV）.將香氣值大于或等于1 的物質(zhì)確定為秋海棠的特征香氣成分，并對香味特征進(jìn)行分類.從表2 可以看出，共鑒定出15 種特征香氣成分，香氣值最高的是中華秋海棠特有的成分β-羅勒烯，香氣值為2 454.66；其次是柳葉秋海棠中的D-檸檬烯（226.32），為中華秋海棠的10 倍，假厚葉秋海棠的20 倍；芳樟醇、月桂烯、癸醛在不同種類中均具有較高的香氣值，香氣值范圍在7.01～187.60 之間；β-石竹烯、α-法呢烯和苯乙醇的香氣值在6～10 左右，分別為假厚葉秋海棠、中華秋海棠和柳葉秋海棠的特有成分；各種類其他特有成分除己酸甲酯、苯甲酸甲酯、十二醛的香氣值大于2 以外，水楊酸甲酯、苯乙腈、天竺葵醛、茴香醛的香氣值均在1.3～1.5 左右，15種特征香氣成分可以分為甜香、果香、草香、花香、清香、脂肪味6 種香氣類型.

表2 香氣物質(zhì)的風(fēng)味閾值及4 個秋海棠種類花朵揮發(fā)性成分的香氣值Tab.2 Flavor thresholds of aroma substrances and aroma values of volatile components of four kind of Begonia species

為直觀展示4 種秋海棠花朵的香氣特征，以0～各類香氣的OAV 總和設(shè)定閾值繪制香氣輪廓圖（圖2），展示每種香氣類型的強弱.由圖2 可知，不同種類具有不同的香氣輪廓，其中果香、草香、甜香、花香是4 種秋海棠的主要特征香氣，但濃郁程度及側(cè)重香氣各不相同，假厚葉秋海棠花朵更加突出果香氣味，中華秋海棠花朵則更加突出草香氣味，柳葉秋海棠花朵兼有果香、甜香氣味，里氏秋海棠花朵則具有花香、果香和甜香氣味，這與直接嗅聞4 種秋海棠花香的結(jié)果一致.

圖2 4 個種類花朵香氣特征雷達(dá)圖Fig.2 The radar chart of volatile characteristic in four kind of Begonia species flowers

2.4 4 種秋海棠花朵主要香氣物質(zhì)主成分分析從特征香氣成分中選取香氣值在1 以上的14 個物質(zhì)和釋放量較高的4 個物質(zhì)共18 種揮發(fā)性成分進(jìn)行PCA 分析.由圖3 可知，PC1 的貢獻(xiàn)率為52.41%，PC2 的貢獻(xiàn)率為32.17%，二者的累計貢獻(xiàn)率為84.58%.4 個種類分布在4 個不同區(qū)域且距離較遠(yuǎn)，說明它們之間主要香氣物質(zhì)具有較大差異.假厚葉秋海棠位于PC1 負(fù)軸和PC2 負(fù)軸區(qū)域，主要香氣物質(zhì)有β-石竹烯、β-人參烯；中華秋海棠位于PC1負(fù)軸和PC2 正軸區(qū)域，主要香氣物質(zhì)有2-乙基己醇乙酸酯、α-法呢烯、β-羅勒烯、苯乙腈、己酸甲酯、芳樟醇；柳葉秋海棠位于PC1 正軸和PC2 正軸區(qū)域，主要香氣物質(zhì)有癸醛、天竺葵醛、苯乙醇、苯甲酸甲酯、β-月桂烯、茴香醛、D-檸檬烯；里氏秋海棠位于PC1 正軸和PC2 負(fù)軸區(qū)域，主要香氣物質(zhì)有二丁基羥基甲苯和十二醛.

圖3 4 種秋海棠揮發(fā)性物質(zhì)的主成分分析Fig.3 PCA analysis of volatiles in four kind of Begonia species

3 討論

植物花香物質(zhì)，是植物花朵釋放的次生代謝產(chǎn)物，主要是由許多低相對分子質(zhì)量易揮發(fā)的化合物混合而成.花香成分復(fù)雜，從90 個屬991 種（變種）植物中鑒定出1 700 多種花香物質(zhì)[16]，主要分為萜烯類、苯類/苯丙素類、脂肪酸衍生物、氨基酸衍生物以及一些少數(shù)種類的特殊化合物等[17-18]，其中萜烯類和苯環(huán)/苯丙素類化合物是主要成分，幾乎存在于所有植物的花香成分中.蘭花[19]、菊花[20]、桂花[21-22]的花香物質(zhì)主要是萜烯類化合物，梅花[23]、矮牽牛[24]的主要是苯環(huán)/苯丙素類化合物，月季[25]、百合[26-29]的包括這兩類化合物.本文測得假厚葉秋海棠和中華秋海棠花朵揮發(fā)性成分主要是萜烯類化合物，里氏秋海棠花朵揮發(fā)性成分主要是苯類/苯丙素類化合物，柳葉秋海棠中這兩類化合物的含量均較高.不同物種或品種間花香揮發(fā)物成分不同，主要揮發(fā)性成分的含量也存在差異，牡丹品種‘趙粉’中α-蒎烯的含量最高[30]，‘藏枝紅’和‘紅珠女’中含量最高的是苯乙醇，‘墨樓爭輝’和‘李園紅’中含量最高的是乙酸橙花酯[31].假厚葉秋海棠、中華秋海棠、柳葉秋海棠和里氏秋海棠中含量最高的分別是β-石竹烯、β-羅勒烯、苯乙醇和二丁基羥基甲苯.

特征香氣成分對植物香味品質(zhì)起決定性作用，最常用的鑒定方法是風(fēng)味閾值法，目前該方法主要應(yīng)用在食用產(chǎn)品（水果、茶葉、調(diào)料等）香氣分析方面，植物花香分析中也有應(yīng)用，切花菊品種‘神馬’的特征香氣成分有異環(huán)檸檬醛、桉葉醇、α-蒎烯、β-金合歡烯和石竹烯[32].桉樹腦、β-月桂烯、β-羅勒烯是云錦杜鵑的特征香氣成分[33]，本研究共鑒定出β-月桂烯、D-檸檬烯、β-羅勒烯、芳樟醇、天竺葵醛、癸醛、β-石竹烯、α-法呢烯、苯甲酸甲酯、苯乙醇、苯乙腈、水楊酸甲酯、茴香醛、己酸甲酯、十二醛共15 種特征香氣成分.選取其中的14 個特征香氣成分和4 個含量較高的成分進(jìn)行 PCA 分析，發(fā)現(xiàn)PCA 模型中4 個品種能依據(jù)特征香氣成分被顯著區(qū)分，進(jìn)一步證明鑒定出的香氣物質(zhì)在秋海棠香氣品質(zhì)構(gòu)成中十分重要，是秋海棠的特征香氣成分.