杨建飞,宁莉萍,2,杨 了,王 杰,钱钰滢,陈颐萱
(1.四川农业大学 林学院,四川 成都611134;2.四川农业大学 木材工业与家具工程高校重点实验室,四川 成都 611134)
木材构造特征是木材识别的主要依据[1],包括宏观构造、微观构造和超微构造,对木材化学、物理性质有重大影响,也是木材分类的主要依据,因此国内外木材研究学者对木材构造特征进行了广泛的研究,如1992年出版的《中国木材志》收录了528种代表树种的木材构造特征。此后,又对《中国木材志》未涉及到的部分树种的木材构造特征进行研究[2-3]。挥发性有机物成分是指植物通过次生代谢所产生的产物[4],与植物对环境的适应能力[5]及其抵抗不利条件[6]密切相关,其药用和生态价值极高。如萜类化合物[7-8]通常具有调节神经系统、镇静大脑、抗菌消炎和净化空气等作用。吴楚材等[9]从植物体中采集挥发性气体进行化学成分研究。近年来随着气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术的发展,对木材挥发物的研究逐渐增多,如孙继平等[10]探讨了2种肤小蠹Phloeosinus对几种针叶树挥发物的行为反应;徐磊等[11]分析了5种针叶树球果所含挥发性物质与丽江球果花蝇Strobilomyia lijiangensis危害关系;李阳等[12]测定分析了4种樟科Lauraceae园林树种挥发性物质的有效成分及其杀菌能力。黑壳楠Lindera megaphylla为樟科山胡椒属Lindera多年生常绿乔木,观赏性强,抗逆性好,分布范围广,枝、果、叶所含芳香油具备杀菌、驱虫和净化空气等功效,是一种集观赏、生态和药用于一体的优质园林树种[13-14]。中国民间用其抽提物抗肿瘤和愈合伤口,用其根治风湿麻木、胃寒气滞,用其树皮治疗咽喉肿痛、湿疹瘙痒、外伤出血等[15]。卞京军等[16]研究了黑壳楠树叶精油的有机物成分,分离鉴定出有机物成分87种。国外日本学者从黑壳楠的根中提取出d-荷苞牡丹碱(d-dicentrine),发现它具有抗肿瘤作用[17],同时还从花和花梗中分离出6个阿朴菲型生物碱[18]和1个新异喹啉生物碱[19]。未检索到国内外关于其木质部挥发性有机物成分的研究报道。另外,木材构造特征作为区分黑壳楠木材与其他木材的重要理论依据,也未见报道。因此本研究拟通过研究黑壳楠木材的构造特征,以期为区分黑壳楠与其他木材提供重要的理论依据,并采用GC-MS技术分析黑壳楠木材挥发性有机物成分的主要组分,为科学评定和深层次开发利用黑壳楠资源提供科学依据。
所选黑壳楠活立木树龄约100 a,胸径为1.79 m,直径为0.54 m,取样处离地高度1.3 m,沿树干东、西、南、北4个方向用树木生长锥(长500 mm,直径5.15 mm)钻取4根木芯样(钻取至树干髓心),用密封袋密封处理(标记东、南、西、北方向)后,带回实验室。取样点位于四川省雅安市云峰寺后山,海拔为1 024.2 m,29°76′N,102°87′E;东邻成都平原,西接青藏高原,地处高原东南麓陡峭坡地边缘;气候类型是以亚热带季风气候为基带的山地气候,气候温和,雨量充沛;1961-2010年雅安市年平均气温为16.2℃,年平均降水量为1 270.9 mm[20]。
1.2.1 木材构造特征研究方法 取南、北向木芯样,砂纸打磨后,分别在肉眼、放大镜和手持显微镜下观察黑壳楠木芯样生长轮、管孔、轴向薄壁组织、木射线、纹理、构造等宏观特征。标记南、北向木芯样的生长轮,以每20轮龄为梯度截断木芯样,取经过编号的5支试管,分别盛少量蒸馏水,加入5段截断后的木芯样,置入水浴锅内蒸煮至木材软化,软化后的木材用TU-231大型滑走式切片机切片,参照《木材鉴别方法通则》[21]制片,风干后放在OLYMPUS BX51光学显微镜下观察其微观构造并拍摄照片;用冰醋酸-过氧化氢法进行离析,并制备临时性试片,在显微镜下拍摄图片,利用计算机图像测量分析系统测量木材的构造特征参数和组织比量,并利用JSM-6490LV扫描电子显微镜观察黑壳楠木材超微观
构造特征,补充完善其微观构造特征。
1.2.2 挥发性有机物成分研究方法 取黑壳楠东、西向木芯样,粉碎,取≤30目的样品(4.0±0.1)g置于萃取瓶中,将固相微萃取手柄插入瓶中,伸出萃取头,在85℃下(能够最大限度检测其挥发性有机物成分化学成分的最佳温度)保温40 min;退回萃取头,拔出SPME手柄,得其挥发性有机物成分样品。解析时间为3 min。将挥发性有机物成分经过GC-MS分析后,把分离化合物质谱数据经计算机检索与质谱库相匹配,并以人工解析为辅,利用色谱峰面积归一化法计算各化学成分的相对百分含量。①色谱条件:HP-INNOWax毛细管色谱柱(柱长30 m,内径0.25 mm,膜厚0.25 um);进样量为1 μL,分流比50∶1;进样口温度为250℃;载气为高纯氦气;柱温箱升温程序:120℃保持3 min,以5℃·min-1速率升温到 140 ℃保持 4 min, 以 2 ℃·min-1速率升温到 160 ℃保持 10 min; 流速: 1 mL·min-1[22]。 ②质谱条件:离子源为EI,电离能70 eV,辅助加热区为280℃,离子源230℃,四级杆150℃,采集模式为全扫描, 质量扫描范围 50~550, 溶剂延迟 3 min[22]。
黑壳楠树皮灰褐色至灰黑色,木材呈黄白色或浅灰绿色,心边材区分不明显;木材表面有较弱光泽;气微香,味略辛;木材纹理直至斜,木材构造细腻且均匀;生长轮不明显至略明显;心材轮间细线颜色较边材轮间细线颜色深;散生;宽度较均匀,3~8轮·cm-1;横切面上管孔肉眼下略可见,放大镜下明晰,大小略一致,分布均匀,散生;管孔内少见侵填体;轴向薄壁组织放大镜下可见,稀疏傍管状;横切面上木射线在肉眼下可见至不可见,在放大镜下明显,比管孔小。在放大镜下弦切面木射线明显,径切面上射线斑纹明显。波痕及胞间道缺如。
如图1所示:导管横切面为圆形或卵圆形,部分略具多角形轮廓;管孔数少[23], 9~13个·mm-2,平均为11个·mm-2;管孔组合以单管孔和短径列(2~3个)复管孔为主,偶见短弦列(2个)复管孔和管孔团;散孔材; 管孔中[23], 最大弦径≥150 μm, 多数为 90~110 μm, 平均为 102 μm; 导管分子长 255~596 μm,平均446 μm,导管长度属于中级别[23];导管细胞壁厚,为7.5 μm;导管细胞端部的穿孔类型为单穿孔,穿孔板水平至略倾斜;相邻导管间细胞壁上纹孔的排列形式为互列纹孔;导管-射线间纹孔式为同管间纹孔式和大圆形;纹孔口内含,卵圆形及圆形;轴向薄壁组织量少,傍管形稀疏状为主,可见环管状;边材侵填体少见,心材侵填体较边材多;横切面上木纤维细胞壁较薄,壁厚为3.7 μm,直径多为 20~26 μm, 平均 23 μm, 长 740~1 450 μm, 平均 1 110 μm, 与邓恩桉Eucalyptus dunni木材纤维[24]同属中等木纤维[23];形状大多呈扁圆形、多角形;弦向腔径略大于径向;细胞沿径向排列整齐有序,弦向上呈交错排列,较松散;木射线非叠生,稀少[23],5 mm内25~32条,平均28条;单列射线极少,宽15~25 μm, 高 36~312 μm(2~7 个细胞); 多列射线宽度细至中[23], 宽 32~68 μm(2~3 个细胞), 高 136~864 μm (3~31个细胞);同一射线内间或出现2次多列部分;射线组织异型Ⅲ型和Ⅱ型;油细胞未见;树胶及晶体未见;螺纹加厚缺如;胞间道缺如。
图1 黑壳楠木材的微观构造Figure 1 Microscopic character of the Lindera megaphylla wood
组织比量是衡量木材材性的重要参数,与木材物理性质、力学性质和化学性质都有着密切的关系[24]。黑壳楠木纤维的组织比量为52.7%,占整个组织的1/2以上;木射线的组织比量为24.6%;导管的组织比量为13.2%;轴向薄壁组织的组织比量为9.5%。
由图2可知:导管上的纹孔为互列纹孔,射线与导管间纹孔式为同管间纹孔式和大圆形;木射线细胞中可见球状物和块状物(图2C),通过能量色散分析仪(EDS)分析,块状物的主要成分有钙、碳、氧,球状物的主要成分为碳、氧(表1),初步预测木射线块状物可能是含钙有机物形成的结晶体,木射线中球状物可能并非无机盐类,而是树胶类物质,SCURFIELD等[25]将此类物质认定为淀粉颗粒。
图2 黑壳楠木材的扫描电子显微镜图Figure 2 SEM picture of the Lindera megaphylla wood
通过GC-MS分析,得到黑壳楠木材挥发性有机物成分总离子流图(图3),共分离出39个峰,参照质谱的裂解规律,将质谱数据经计算机检索与质谱库检索和分析,并以人工解析为辅,共鉴定出23种化合物(表2),占总化学成分的87.11%,主要为烃类化合物及其含氧衍生物。
黑壳楠木材挥发性有机物成分中相对含量超过1%的成分共有13种,占总峰面积的80.22%,其中相对含量最高的化合物为4,7-二甲基-1-异丙基全氢萘(22.46%), 其次为 3,7-愈创木二烯(20.11%), 1s,顺去氢白菖烯(12.05%), α-紫穗槐烯(5.89%),(1s,7r)-1,4,4,7-四甲基-1,4,5,6,7,8-六氢-2(3H)-萘酮(3.74%), 愈创木薁(3.26%),异构吉马酮环氧化物(3.09%),芳-香姜黄烯(2.23%), α-柏木烯(2.04%), 沉香螺旋醇(1.58%), 呋喃,3-甲 基-2-[3-甲 基-4-(4-甲 基-2-呋 喃 基 )-2-丁 烯 基 ]-,(E)-(1.39%), 去二氢菖蒲烯(1.38%)和(+)-香橙烯(1.00%)。由表3可知:黑壳楠木材挥发性成分中相对含量最高的是烯烃类化合物(48.18%),其化合物种类最多,共12种。
黑壳楠木材挥发性有机物成分主要含萜类化合物,有18种萜类化合物,均为倍半萜化合物,累计相对含量高达58.63%。其中烯类化合物10种,累计相对含量高达46.23%;醇类化合物2种,累计相对含量达2.11%;酮类化合物有1种,累计相对含量高达3.09%;呋喃类化合物有2种,累计相对含量达2.23%;薁类衍生物2种,累计相对含量达4.09%;倍半萜含氧衍生物2种,累计相对含量达3.97%。相对含量超过1%的倍半萜类成分10种,累计相对含量为52.64%,包括3,7-愈创木二烯(20.11%),1s,顺去氢白菖烯(12.05%),α-紫穗槐烯(5.89%),愈创木薁(3.26%),异构吉马酮环氧化物(3.09%),芳-香姜黄烯(2.23%),α-柏木烯(2.04%),沉香螺旋醇(1.58%),呋喃,3-甲基-2-[3-甲基-4-(4-甲基-2-呋喃基)-2-丁烯基]-,(E)-(1.39%)和(+)-香橙烯(1.00%)。
表1 木射线中块状物和球状物成分分析Table 1 Block and globular material composition in wood ray
图3 黑壳楠木材有机挥发性成分总离子流图Figure 3 Total ion chromatogram (TIC) of volatile organic compounds in L.megaphylla wood
表2 黑壳楠木材挥发性有机物成分分析结果Table 2 Volatile organic compounds of Lindera megaphylla wood
表3 黑壳楠木材挥发性有机物成分统计Table 3 Volatile organic compounds of L.megaphylla wood
黑壳楠木材构造特征为散孔材,木射线及导管肉眼下可见;木射线非叠生,每5 mm内有25~32条,平均28条;单列射线极少,宽15~25 μm,高36~312 μm(2~7个细胞);多列射线宽度细至中,宽32~68 μm(2~3 个细胞), 高 136~864 μm(3~31 个细胞);同一射线内间或出现 2 次多列部分; 射线组织异型Ⅲ型和Ⅱ型。导管横切面为圆形或卵圆形,部分略具多角形轮廓,单位面积管孔数少,管孔组合以单管孔和短径列(2~3个)复管孔为主,偶见短弦列(2个)复管孔和管孔团,最大弦径≥150 μm,多数90~110 μm,平均102 μm;导管分子长255~596 μm,平均446 μm;横切面上木纤维细胞壁较薄,壁厚为 3.7 μm; 直径多为 20~26 μm, 平均 23 μm; 长 740~1 450 μm, 平均 1 110 μm; 轴向薄壁组织以傍管形稀疏状为主,可见环管状;导管细胞端部的穿孔类型为单穿孔,穿孔板水平至倾斜;相邻导管间细胞壁上纹孔的排列形式为互列纹孔,导管-射线间纹孔式为同管间纹孔;纹孔口内含,卵圆形及圆形;油细胞未见。木射线细胞中的球状物可能是含钙有机物形成的结晶体;木射线中块状物可能并非无机盐类,而是树胶类物质。黑壳楠木纤维的组织比量为52.7%,占整个组织的1/2以上;木射线的组织比量为24.6%;导管的组织比量为13.2%;轴向薄壁组织的组织比量为9.5%。黑壳楠木材的宏微观特征可作为区分于其他木种的理论依据之一。
黑壳楠木材挥发性有机物成分中鉴定出的23种化合物,其相对含量之和占总化学成分的87.11%,主要为烃类化合物及其含氧衍生物;挥发性有机物成分中相对含量超过1%的成分共有13种,占总峰面积的80.22%;挥发性有机物成分主含萜类化合物,有18种萜类化合物,均为倍半萜化合物,累计相对含量高达58.63%。
从生源来看,1s,顺去氢白菖烯、去二氢菖蒲烯、α-二去氢菖蒲烯属菖蒲烷型来源于没药烷型倍半萜类;3,7-愈创木二烯、愈创木薁、愈创蓝油烃属愈创木烷型来源于吉马烷类的倍半萜。通常,没药烷型倍半萜类衍生物具有显著抗乙肝病毒活性及抗肿瘤的功效[26]。研究表明:萜类化合物多有芳香气味,通常具有提神、抗菌消炎和镇痛等作用,具有多种生物活性,是许多药物的有效成分,可以治疗疾病,如调节血糖浓度、降低血脂和血压;杀虫、杀菌、活血化淤、消炎镇痛消肿、抗肿瘤、抗疟、抗人类免疫缺陷病毒(HIV);强化免疫;局部麻醉、止痒;解热、祛痰、止咳等[27]。例如,沉香螺旋醇具有镇静催眠作用[28];去氢白菖烯被认为是强效的抗菌和抗肿瘤剂[29];石竹烯环氧化物具有抗菌消炎和抗真菌等活性,具有平喘作用,乙酸己酯不仅能够镇痛抗炎,还可以愉悦心情,同时也是食用添加香料[30-31];榄香烯是一种广谱、高效的抗肿瘤药物,δ-榄香烯可诱导Hela细胞凋亡[32];γ-桉叶醇是沉香的主要成分之一,同时也是蜂胶的主要成分之一[33];《抗病毒中药学》提到荔枝核主治行气散结、散寒止痛,水提物能完全抑制乙型肝炎病毒病毒的复制,是乙型肝炎病毒复制的高效抑制剂,其主要成分在黑壳楠木材挥发性有机物成分中有7种,累计相对含量达22.13%。这表明黑壳楠木材有较高的医药利用价值。
愈创木薁为美国化妆品协会(CTFA)认可的化妆品助剂,具有抗炎,抗过敏的作用,在防晒制品中用于预防或治疗阳光灼伤,缓解其他物质对皮肤的刺激和过敏反应,为常见的外用抗过敏剂[34]。α-荜澄茄油烯是目前香料工业的重要原料,也是柏木精油的3种主要成分之一[35]。这表明黑壳楠木材作为芳香理疗产品具有极大的应用潜力。
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