杉木心材挥发性物质构成的影响因素及挥发性物质中发香物质种类的识别1)

杨昇 胡泽坤 晏婷婷 李改云

(中国林业科学研究院木材工业研究所，北京，100091)

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)是裸子植物，杉科(Taxodiaceae)，杉木属(Cunning-hamiaR. Br)，主要分布在中国秦岭、大别山以南区域[1]。杉木的耐腐、防霉、抗白蚁等特性，使其成为优质用材[2-4]。杉木本身具有独特的香味，因此，在民间也被称为香杉。杉木的“香”是其长久以来得以被开发利用的重要基础之一。杉木的挥发性成分，包含在杉木心材次生代谢产物中[5]；挥发性成分中，部分物质体现的气味性质共同构成了杉木独有的香气特点。木材的生长特点，导致了其生理结构的不均一性[6]。因此，杉木不同生理部位中的挥发性成分在含量及组成方面可能存在差异，立地条件及生长年龄的差异也会影响杉木心材中的挥发性成分。然而，尚缺乏相关研究支持上述推测。

目前，针对杉木心材挥发性物质研究的主要方法为，先将杉木心材中的次生代谢产物提取分离得到提取物，再利用气相色谱-质谱手段分析[7-8]。但是，杉木心材中主要的挥发性物质为萜类，在常用的溶剂提取分离过程中可能会发生变化，影响分析准确性。为此，本研究以采自福建省南平市、浙江省衢州市开化县、广西壮族自治区柳州市融安县的杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)木材为试材，应用静态顶空-气相色谱-质谱联用技术(HS-GC-MS)、固态微萃取前处理结合气相色谱-质谱-嗅闻联用技术(GC-MS-O)，分析杉木心材中挥发性成分及其中气味物质种类，筛选对杉木中挥发性成分的影响因素以及杉木中具体的发香物质，旨在为杉木的合理加工利用提供参考。

1 材料与方法

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)试材分别采自福建省南平市、浙江省衢州市开化县、广西壮族自治区柳州市融安县(见表1)。在树木基部及树高3、6、12 m处截取厚度为5 cm的圆盘；气干后，取心材粉碎，选取过40目筛的木粉，置于放有足量五氧化二磷的真空干燥箱中，于40 ℃条件下真空干燥24 h，取出后置于干燥器中备用。五氧化二磷，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

表1 试材基本信息

主要设备有静态顶空-气相色谱-质谱联用仪(7697A-7890B-5977B，安捷伦，美国)、气相色谱-质谱(QP-2010，岛津，日本)与嗅闻(OP 275，GL sciences，日本)联用仪、真空干燥箱(DZF-6095，一恒，上海)。

采用静态顶空-气相色谱-质谱联用技术(HS-GC-MS)技术，测定杉木心材中的挥发性成分组成。具体条件：①取真空干燥杉木心材粉末0.2 g置于进样瓶中，平衡时间30 min，平衡温度180 ℃，进样时间1 min。②色谱条件——HP-5MS毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，进样口温度250 ℃，分流进样(分流比50∶1)，载气为高纯氦气，恒流，柱流速1.0 mL/min，柱温起始温度90 ℃(保留1 min)，以2 ℃/min升至150 ℃(保留5 min)，然后以2 ℃/min升至280 ℃(保留10 min)。③质谱条件——离子源为电子轰击电离源，离子化电压70 eV，检测器电压0.9 kV，发射电流60 μA，离子源温度230 ℃，接口温度250 ℃。④扫描范围50～500 u，溶剂延迟2 min。⑤应用美国国家标准与技术研究院标准谱库(NIST2017)，实现成分鉴别。

采用固态微萃取前处理结合气相色谱-质谱-嗅闻联用技术(GC-MS-O)，识别杉木心材中的发香成分组成。前处理采用75 μm碳分子筛-聚二甲基硅氧烷(CAR/PDMS)萃取头；色谱柱为BR-SWax(60 m×0.32 mm×0.25 μm)石英毛细管色谱柱。具体条件：①取真空干燥杉木心材粉末0.8 g置于进样瓶中，平衡时间35 min，平衡温度分别为室温(20 ℃)、40、70 ℃。②色谱条件——进样口温度250 ℃，分流进样(分流比10∶1)，载气为高纯氦气，恒流，柱流速2.0 mL/min，柱温起始温度50 ℃(保留2 min)，以5 ℃/min升至250 ℃(保留4 min)。③质谱条件——离子源为电子轰击电离源，离子化电压70 eV，检测器电压0.9 kV，发射电流60 μA，离子源温度200 ℃，接口温度240 ℃。④扫描范围33～400 u，溶剂延迟1.5 min。⑤应用美国国家标准与技术研究院标准谱库(NIST2014)，实现成分鉴别。

气味识别小组由2名男性和2名女性构成，年龄在25～31岁，均来自江南大学，参与测试前已经过专业培训。嗅闻与气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)循环同时进行，嗅闻时将气味强度分为3个等级，m为微弱、s为强、vs为非常强，同步记录强度并描述气味特点，以小组成员多数共识为结论。

2 结果与分析

2.1 对杉木心材挥发性成分组成的影响因素

2.1.1 同株杉木不同部位挥发性成分组成的差异

木材的生长发育特点，决定了木材的物理化学性质在纵向及径向方向均存在一定差异[4，9]。已有研究表明，杉木心材与边材中提取物质量分数及种类存在明显差异。杉木中挥发性成分源自木材提取物，因此，杉木心、边材中挥发性成分显著不同。木材在纵向的性质差异对木材应用同样具有重要意义，但是，目前对杉木心材纵向挥发性物质差异研究较少。根据杉木成熟度及采伐地林业部门要求，本研究选择26年树龄杉木作为样本，测试分析杉木心材纵向挥发性物质的差异。

通过HS-GC-MS分析发现，26年生杉木心材中可检测出99种物质，通过与NISIT2017谱库对比，鉴别出46个化合物(见表2)，占全部可检出化合物峰面积94.91%。杉木心材中挥发性成分以柏木醇、α-柏木烯、长叶烯、表泪杉醇为主。同时，也可检出葎草烯、10s,11s-Himachala-3(12),4-diene、[1S-[1.α(S*),4a.β,8a.α]]-α-乙醛氢-α,5,5,8a-四甲基-2-亚甲基-1-萘丙醇、5-(1-异丙烯基-4,5-二甲基双环[4.3.0]壬-5-基)-3-甲基-2-戊烯醇乙酸酯等成分。上述主要成分占可检测出成分相对峰面积的70.0%以上。因此，杉木心材中主要特征性挥发成分为单萜、倍半萜及二萜类化合物，且以倍半萜及二萜类成分相对量较高。

表2 26年生杉木基部心材挥发性成分

由图1可见：杉木不同高度处心材中主要挥发性成分基本一致，但是，部分物质的相对量随树高变化存在差异，如骨架碳数为15的非含氧倍半萜成分α-柏木烯、长叶烯、10s,11s-Himachala-3(12),4-diene，在杉木心材挥发物中的相对量随树高增加而逐渐降低。因此，杉木心材中挥发性成分纵向差异主要体现在部分物质的相对量上，而主要挥发性成分组成基本一致。随树木高度增加，相对应部分木材心材的形成时间较短，因此，结合杉木心材不同高度处挥发性成分差异特点可知，杉木心材形成时间较短时，骨架碳数为15的非含氧倍半萜成分相对量较低；随杉木心材形成时间增加，相应成分的形成量增加并逐渐积累在杉木心材中，最终体现出如上规律。

图1 26年生杉木不同树高处心材挥发性成分静态顶空-气相色谱-质谱联用谱图

2.1.2 树龄及地域对杉木心材挥发性成分的影响

树木生长年龄及生长环境对木材性质具有显著的影响[10-11]。因此，本研究对产自我国3个省(区)的杉木基部心材中的挥发性成分进行了分析。对比产自福建省南平县的杉木(10年树龄)、广西柳州融安县的杉木(11年树龄)、浙江省衢州市开化县的杉木(20年树龄)、广西柳州融安县的杉木(26年树龄)挥发性物质谱图(见图2)，产自不同区域的杉木心材中挥发性成分种类基本一致，但是，在部分物质的相对量上存在明显差异。此现象在多种木材中普遍存在[12]，在进行木材选用时应适当考虑这一差异，因材制宜。对比采自融安县的11、26、48年树龄的杉木心材挥发性成分谱图(见图2)，不同生长时间的杉木心材中挥发性成分种类也基本一致，但随着树龄增加，部分物质如3-蒈烯、D-柠檬烯、龙脑、α-松油醇等骨架碳数为10的单萜、酚类及酯类物质的相对量明显增加。少量倍半萜及二萜类物质，如α-柏木烯及表泪杉醇的相对量也随树龄增加而增加。气味成分随树龄发生的变化，48年树龄杉木心材气味比低树龄杉木心材气味浓厚持久。此现象表明，杉木在生长过程中，其心材中的次生代谢产物会因树木本身的生理活动及环境持续影响而发生变化，且此现象普遍存在于各类木本及草本植物中[13-14]。同时，也进一步印证了前述杉木挥发性成分纵向差异形成的原因。在确定杉木采伐时间及选择用材时，应重点关注此问题。

图2 不同树龄及地域的杉木心材挥发性成分静态顶空-气相色谱-质谱联用谱图

2.2 杉木发香成分的检测结果

固态微萃取前处理结合气相色谱-质谱-嗅闻联用技术(GC-MS-O)是分析鉴别挥发性成分中气味物质的有效手段。本研究利用该技术对48年树龄杉木心材在不同前处理温度下挥发性成分的差异进行分析，并鉴别杉木中的主要香气成分。通过研究发现，利用固态微萃取富集后进样的方法，可检测出72种挥发性物质，其中60种成分可被鉴定，主要为单萜及倍半萜类物质。GC-MS-O法可检出杉木心材中挥发性成分的种类，少于静态顶空-气相色谱-质谱联用技术(HS-GC-MS)检测方法，且主要差别为GC-MS-O法基本未检出骨架碳数为20的二萜类成分。其原因为，本研究中GC-MS-O测试采用的前处理温度范围为室温至70 ℃，而HS-GC-MS测试的前处理温度设置为180 ℃，因此，部分可通过HS-GC-MS方法检出的沸点较高的二萜类物质难以通过GC-MS-O技术被检测到。但是，GC-MS-O采用的前处理温度条件下采集到的挥发性成分，更贴近人对杉木香味物质的感知温度范围，因此，利用GC-MS-O法更易得到杉木中的发香成分准确信息。

由图3可见：不同前处理温度条件下检测到的挥发性物质种类一致。但是，随前处理温度升高，桧醇、柏木醇异构体、表-柏木醇、Selin-6-en-4.alpha.-ol、Copaborneol、荜澄茄醇、Himachalol、trans-Guai-11-en-10-ol、十氢二甲基甲乙烯基萘酚等，分子式为C15H26O的倍半萜成分相对量逐渐升高。本研究嗅闻分析发现，杉木心材中可鉴别出的发香成分有16种(见表3)，主要为倍半萜类化合物，其中分子式为C15H26O的倍半萜化合物对杉木气味有较大的影响；此结果与杉木心材在相对较高温度状态下气味更为浓厚的现象相匹配。此外，分子骨架为10及15个碳原子的萜类化合物，在较低预处理温度条件下即表现出对气味有较高的影响(10个碳原子的含氧，15个碳原子的不含氧)。因此，常温或相对较低温度下，可被人体显著感知的发香成分，主要是分子骨架为10个碳原子的含氧单萜化合物、15个碳原子的非含氧倍半萜类物质。本研究在分析过程中发现，一部分通过GC-MS检测出的挥发性物质并未体现出香气特点，同时也存在未检出物质发香的情况。这两种现象，在香气成分分析过程中普遍存在[15-16]，主要是由仪器分析精度及发香成分气味阈值差异产生的。因此，针对杉木心材气味成分的研究有进一步深入的必要。

图3 不同温度下48年树龄杉木心材挥发性成分

表3 杉木心材中可识别发香成分列表及其气味描述

3 结论

本研究表明，杉木心材中挥发性物质成分组成受取材高度、产地、树龄影响较小，但是，部分挥发性成分的相对量受上述因素影响较为明显；α-柏木烯、长叶烯在杉木心材挥发物中的相对量，随树高增加而逐渐增加；杉木心材挥发物中骨架碳数为10的单萜、酚类及酯类物质和少量倍半萜及二萜类物质的相对量，随着树龄增加而明显增加。杉木心材中可鉴别出的发香成分有16种，常温或相对较低温度下可被人体显著感知的，主要是分子骨架为10个碳原子的含氧单萜化合物、15个碳原子的非含氧倍半萜香味物质。提升处理温度有助于分子式为C15H26O的倍半萜成分逸出，且此部分物质对杉木心材气味也有较大的影响。研究结果，可为杉木的合理利用提供参考，对于杉木加工具有重要意义。