福建柏不同部位精油成分及含量分析

黄 霞 陈 乾 荣俊冬 陈凌艳 何天友 郑郁善 陈礼光

（1. 福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2. 福建农林大学园林学院，福建 福州 350002）

福建柏（Fokienia hodginsii），又名建柏、滇柏或杜柴，第三纪古孑遗植物，分布于越南及中国西南部、南部至东部，国家二级保护濒危植物[1]。叶有交互对生的2对节状鳞叶，叶表面为蓝绿色，叶背面中脉隆起，两侧具凹陷的白色气孔带，故因独特的叶片形态常用于园林设计。更是速生用材树种，可用于建筑，家具制作，细木工和雕刻，其木材物理性能甚至优于杉木。福建柏性味苦、辛、性寒，芯材含挥发油，具有行气止痛，降逆止呕的功效，主脘腹疼痛、噎膈、反胃、呃逆、恶心呕吐，以其心材药材基源，6～15 g煎汤，内服。现常作为某些易引起呃逆、恶心呕吐等症状药物的佐药，来减轻药物副作用。目前关于福建柏精油研究极少，主要集中于福建柏叶精油成分及其生物活性的研究。主要采用水蒸气蒸馏法提取福建柏叶精油，并利用GC-MS对其成分进行分析，以往各研究所得主要成分存在较大差异。潘炯光等研究得出福建柏叶精油主要成分为α-蒎烯（24.89%）、柠檬烯（8.46%）、石竹烯烯氧化物（4.01%）[2]；张艳平等研究得出福建柏叶精油主要成分为β-橙椒烯（22.514%）、τ-杜松醇（19.883%）、石竹烯（10.133%）、γ-毕澄茄烯（8.307%）、α-杜松醇（5.519%），对金黄色葡萄球菌和单细胞真核生物红酵母均有一定的抑制作用，但对NCI-H460细胞的抑制作用不强[3-4]；卢钰铎等研究得出福建柏叶精油主要成分为α-蒎烯（峰面积百分比29.25%），其次是马鞭烯醇（10.88%）和石竹烯氧化物（9.64%），对白纹伊蚊和致倦库蚊两者都有较好的毒杀作用[5]；福建柏叶精油可用于制作面膜[6]，福建柏林还具有一定的保健效果[7]。福建柏叶精油已用于制作化妆品和灭蚊产品，福建柏也有望用于康养，但关于福建柏其他部位精油的研究未见报道。柏科植物精油广泛用于医药、化工、农药等领域，对福建柏精油的进一步研究为福建柏开发利用提供科学依据。

采用超声辅助的水蒸气蒸馏法提取不同年龄的福建柏心材、根和叶3个部位精油，通过GC-MS对精油的成分进行检测，并进一步人工匹配筛选，再通过面积归一法计算得到各成分的相对含量，对精油的得率、感官性状、成分及其相对含量的变化进行分析比较。研究福建柏各部位精油的主要成分，推断福建柏精油的可能的生物活性，分析精油随年龄增大的变化规律，探索成分的生成累积过程及最佳的采收年龄。为福建柏精油开发提供理论依据，充分的发挥福建柏的应用价值。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

试验材料：福建柏的材料均采于2019年9月，福建省安溪丰田国有林场。选取5个年龄（15、20、30、35、40 a）的福建柏，每个年龄均选择生长条件相似，生长良好的标准木5株作为研究材料。心材为地面上0.5 m以内，根为靠近树桩粗壮部分，叶为生长良好的上、中、下三部各取500 g混和样。

仪器和药品：岛津2010QP-PLUS GC/MS 联用仪（岛津制作所，日本）；1 000 mL水蒸气蒸馏装置（上海力辰邦西仪器有限公司，中国）；超声提取机（济宁天华超声仪器有限公司，中国）；无水NaSO4（上海试四赫维化工有限公司，分析纯，中国）；0.45 μm的Nylon膜（天津市津腾实验设备有限责任公司，中国）；正己烷（麦克林生化科技有限公司，色谱纯，中国）。

1.2 试验方法

1.2.1福建柏精油的提取

前期实验表明超声辅助提取影响福建柏精油得率，先通过单因素和正交试验得出合适的提取工艺，有效提高了精油的得率。

新鲜福建柏叶-80 ℃冷冻后粉碎，取200 g放入1 000 mL圆底烧瓶，加入700 mL的去离子水，240 W进行超声30 min，先沸腾10 min，再保持微沸，进行水蒸汽蒸馏[8]。分液蒸馏出液收集上层，无水硫酸钠干燥。所得淡黄色透明油状物，低温4 ℃暗保存备用。

心材和根去皮粉碎成18～35目刨花，取100 g放入1 000 mL圆底烧瓶，加入700 mL的去离子水，640 W超声40 min，先沸腾10 min，再保持微沸，进行水蒸汽蒸馏。分液蒸馏出液收集上层，无水硫酸钠干燥。所得黄色粘稠油状物，低温4 ℃暗保存备用。

干燥后计算精油得率（公式1），运用ISO 279-1998（参比法）在20 ℃时测定精油相对密度。

1.2.2福建柏精油成分GC-MS分析

取100 μL的精油溶于1 mL正己烷，过孔径为0.45 μm的Nylon膜，在合适的GC条件和MS条件下进行成分测定，得到质谱分析图。利用其的谱图库自动检索，找出匹配度不低于90%的碎片信息，再结合精油成分的相关知识，进行人工图谱解析，确认其主要成分；并采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0软件进行数据分析。

1）福建柏叶GC-MS分析条件。色谱参数：弹石英毛细管柱（HP-5MS，30 m×250 μm ×0.25 μm）；载气为超纯氦气。总流速64 mL /min，柱内流速1.0 mL /min，进样口温度250 ℃，进样量1 μL，分流比为40∶1，GC和MS接口温度270 ℃。

升温程序：柱温40 ℃保持1 min，以10 ℃/min的速率升温分别至100 ℃，20 ℃/min升温至140 ℃时保持2 min，再以20 ℃/min的速度升温至250 ℃后，保持3 min。

质谱参数：电子轰击能量70 eV，离子源温度230 ℃，扫描质量范围（m/z）15～500 amu。并采用峰面积归一化法初步定量。

2）福建柏木材精油GC-MS分析条件。色谱参数：弹石英毛细管柱（HP-5MS，30 m×250 μm×0.25 μm）；载气为超纯氦气。总流速64 mL/min，柱内流速1.0 mL/min，进样口温度250 ℃，进样量1 μL，分流比为60∶1，GC和MS接口温度280 ℃。

升温程序：柱温80 ℃，以20 ℃/min的速率升温分别至150 ℃，保持2 min，再以5 ℃/min升温至260 ℃时，保持3 min。

质谱条件：电子轰击能量70 eV，离子源温度230 ℃，扫描质量范围（m/z）40～500 amu。并采用峰面积归一化法初步定量。

2 结果与分析

2.1 精油提取结果和性状分析

以往众多研究表明超声时间、超声功率、提取时间、液料比、粒度可影响精油得率[9-11]。超声作用可使空化作用增强，使细胞壁的破裂，加速精油渗出。超声时间太长会使温度升高，导致部分成分损失，得率降低[12]；超声功率过大时，其产生的空化作用大幅度增强，精油在水中的乳化作用也增强，对精油成分和相对含量有一定影响[13-14]。在前期实验结果为基础上得到精油得率（表1）。

表 1 不同年龄福建柏各部位精油得率Table 1 The yield of essential oils in various parts of F. hodginsii with different ages

福建柏嫩叶为绿色，逐渐会变为深蓝绿色，叶型变化不明显。福建柏叶的精油呈淡黄色，澄清，粘稠度较小，密度约为0.82～0.84 g/cm3，香气为较浓郁的青草味，空气中久置后，留香，较清新。福建柏心材颜色为棕色，木质都比较光滑，15年以上心材与边材开始有明显界限。随着年龄增大，心材与边材界限及含水量差异更为明显，心材颜色加深，由浅棕色变成深棕色，年轮更加紧密，年轮线变粗，木香也更浓郁。福建柏根随着年龄的增大直径变大，且20年以上的福建柏根与树桩相连接部分也有颜色加深。福建柏根精油和心材精油均为黄色粘稠液体，两者密度相近，约为0.96～0.98 g/cm3，有浓郁的木香，随年龄的增大颜色略有加深，香味更为浓郁，且根精油的颜色整体比心材精油略浅，木材精油在空气中久置颜色加深变为橙黄色。从表1可得福建柏精油得率心材>根>叶，且三者差异显著；叶精油的得率随年龄的增大无显著差异；福建柏心材和根精油感官性状相似，两者得率随年龄的增大均有显著的提高。福建柏叶和根精油的得率在树龄为35年时达到最大值，随后有缓慢降低的趋势，而心材精油得率持续增长在树龄为40年有最大值达4%以上，且仍有可能持续升高。对于木材而言沉积时间越久精油得率越高。虽然得率与大部分植物相比无显著优势，但作为人工林速生树种，量大且材料和提取成本可控。

2.2 精油主要成分及差异分析

2.2.1精油成分的GC-MS分析结果

精油在合适的色谱和质谱条件下，经过 GCMS 分析后，得到各部分的总离子流色谱，如图1为35年生福建柏叶、心材、根的总离子流图汇总，通过其谱图库自动检索，进一步人工匹配筛选出相似度90%以上，且稳定存在的成分，再通过面积归一法计算得到相对含量（表2）。

图 1 福建柏精油的总离子流色谱Fig. 1 Gas chromatography of essential oils from F. hodginsii

福建柏叶精油中共鉴定出57个物质，相对含量约占总成分的95%，主要为单萜和倍半萜类及其衍生物，主要成分（相对含量均超过1%的化合物，检索相识度均在90%以上）为α-蒎烯、1-辛烯-3-醇、β-蒎烯、β-月桂烯、D-柠檬烯、β-石竹烯、Z，Z，Z-1,5,9,9-四甲基-1,4,7-环十一碳三烯、刺柏烯醇。前人对福建柏叶精油的研究表明含量最多的成分有α-蒎烯、马鞭烯醇、石竹烯、D-柠檬烯、和石竹烯氧化物，其中马鞭烯醇及其衍生物可由α-蒎烯分解生成，石竹烯氧化物可由石竹烯氧化生成，故可认为主要成分相似，但含量有较大的差异，可能是由于提取的条件、种源或材料采收季节差异造成。其中刺柏烯醇为本研究在福建柏叶精油中新检测出的成分。

福建柏心材和根精油出峰时间和成分基本一致，但各成分相对含量有所差异，心材共鉴定出40个物质，根共鉴定出41个物质，相对含量约占总成分的98%，主要为倍半萜类及其衍生物。其中39个为共有成分，香茅酸只在心材精油中被检出，前期试验发现绿花白千层醇和弥罗松酚为福建柏树皮所含的成分；只在根精油中被检出，可能由于根部去皮有残留造成，主要成分（相对含量均超过1%的化合物，检索相似度均在90%以上）有γ-依兰油烯、α-依兰油烯、γ-杜松烯、δ-荜澄茄烯、α-杜松烯、α-二氢白菖考烯、表-1,10-荜澄茄二醇、τ-依兰油醇、τ-杜松醇、α-杜松醇（表2）。叶和木材精油成分差异显著。

表 2 福建柏精油化学成分GC-MS 分析结果Table 2 GC-MS analysis result of chemical components of F. hodginsii essential oil

续表2

续表2

续表2

2.2.2福建柏叶精油的主要成分的差异性分析

对比5个树龄福建柏叶精油主要成分的相对含量α-蒎烯>刺柏烯醇>D-柠檬烯>大根香叶烯D>β-月桂烯>β-石竹烯>Z，Z，Z-1,5,9,9-四甲基-1,4,7-环十一碳三烯>1-辛烯-3-醇>β-蒎烯，总含量在87%～92%之间，随年龄增大的变化主要成分的总含量呈下降趋势（表1、图2），但每5a之间差异不显著，15 a与40 a差异显著（P<0.05）。15 a和20 a生福建柏叶的各主要成分相对含量差异均显著，之后每隔10 a有显著变化。α-蒎烯、β-蒎烯、β-月 桂烯、β-石竹烯、Z，Z，Z-1,5,9,9-四甲基-1,4,7-环十一碳三烯含量都有持续下降的趋势，大部分在35年以后保持平稳，无显著变化；D-柠檬烯相对含量呈先增长，在30 a有一定程度的降低，35 a后保持平稳；1-辛烯-3-醇、大根香叶烯D、刺柏烯醇含量则随着年龄增大显著升高，30 a后增长趋势放缓。15 a和20 a各主要成分相对含量差异显著，20 a后除α-蒎烯和刺柏烯醇外，变化速率变缓，每10～15 a才会发生显著变化。从福建柏成分和含量上可以推测福建柏叶精油最初香气主要是α-蒎烯及脂肪族醇和醛类物质如1-辛烯-3-醇共同产生，略刺鼻的青草气和树脂似的香气，空气中放置12 h后香气更加清新，略带有花果的树脂香气，主要香气贡献者应该包括D-柠檬烯、β-月桂烯、β-石竹烯和萜类醇，以及蒎烯发生一系列氧化、加成等反应所生成具有香气的其他物质。

图 2 福建柏叶精油主要成分相对含量随年龄的变化Fig. 2 The changes in main components of essential oil from F. hodginsii leaves with different ages

2.2.3福建柏心材和根精油的主要成分的差异性分析

福建柏心材和根精油成分基本一致，对比不同树龄福建柏心材精油主要成分的相对含量α-杜松醇>τ-依兰油醇>δ-杜松烯>γ-杜松烯>τ-杜松醇>α-依兰油烯>β-二氢白菖考烯>γ-依兰油烯>表-1,10-荜澄茄二醇>α-杜松烯，占心材精油的86%～90%；对比不同树龄福建柏根精油主要成分的相对含量α-杜松醇>τ-依兰油醇>δ-杜松烯>γ-杜松烯>α-依兰油烯>γ-依兰油烯>τ-杜松醇>β-二氢白菖考烯>表-1,10-荜澄茄二醇>α-杜松烯，占根精油的84%～89%，主要成分均为烯类和醇类。主要成分随年龄增大的变化通过SPSS进行差异性分析（表1、图3）：心材和根精油中醇类含量均呈显著的降低趋势，其中同一树龄心材精油中醇类相对含量均高于根精油。心材精油主要成分的总含量整体呈缓慢的降低，每隔5 a差异不显著；但根精油中整体先增大，30 a后有显著降低。其中相对含量最多的是τ-依兰油醇和α-杜松醇，在心材和根精油中总含量都在38%以上，整体呈降低的趋势，35 a后变化较平稳。表-1,10-荜澄茄二醇相对含量在心材和根精油中整体呈缓慢的增长，每五年间无显著变化。γ-依兰烯、α-依兰油烯、γ-杜松烯、δ-杜松烯、α-杜松烯、β-二氢白菖考烯、τ-杜松醇的相对含量在心材精油中则整体呈显著的增长趋势，其中除γ-依兰烯、α-杜松烯持续平稳增长外，α-依兰油烯、γ-杜松烯、δ-杜松烯、β-二氢白菖考烯、τ-杜松醇均在30～35 a保持稳定或略有减少；而在根精油中，β-二氢白菖考烯相对含量呈波动趋势，先增大，随后在30 a降到最小值，再显著升高，在40 a达到最大值，τ-杜松醇呈持续增长趋势，30 a后增长速度变缓，其他几个成分均呈明显的先增长后减少的趋势，均在30 a达到最大，然后会明显减少。根精油中δ-杜松烯、α-杜松醇的各年龄相对含量明显大于心材精油，而τ-依兰油醇、γ-依兰油烯在心材精油中相对含量更高。

图 3 福建柏心材和根精油主要成分相对含量随年龄的变化Fig. 3 The change in main components of essential oil from F. hodginsii heartwood and roots with different ages

3 结论与讨论

3.1 年龄增长对各部位精油得率及其成分含量的影响

通过GC-MS对成分和含量的测定，叶精油成分主要为单萜和倍半萜类化合物及其衍生物，而木材中主要为倍半萜类化合物及其衍生物。福建柏叶和木材精油有少量的共同成分，如α-可巴烯、β-榄香烯、（+）-表双环倍半水芹烯、β-石竹烯、Z，Z，Z-1,5,9,9-四甲基-1,4,7-环十一碳三烯、γ-依兰油烯、α-依兰油烯、表荜澄茄醇、（-）-桉油烯醇等等，但均不是各部位共有的主要成分，具有明显的组织特异性。木质部和叶细胞结构有明显的差异，影响代谢物的成分，如石竹烯、γ-杜松烯、α-杜松烯、大根香叶烯D、α-杜松醇、τ-杜松醇、α-二氢白菖考烯、刺柏烯醇等倍半萜及其衍生物的前体物主要通过甲羟戊酸（MVA）途径在细胞质中形成合成；而如α-蒎烯、β-蒎烯、β-月桂烯、D-柠檬烯等单萜及其衍生物的前体物质主要通过5-磷酸脱氧木酮糖/2C-甲基 4-磷酸-4D-赤藓糖醇（MEP）途径在质体中合成，然后在相应萜烯合酶的作用下形成各种萜烯类化合物，而下游萜类化合物的产量则由其中关键酶的作用决定[15-16]。

福建柏叶精油的得率受年龄影响不显著，叶精油成分的前体主要质体中生成，随后需通过物质转化质体解体后再进入细胞质中[8]。故精油成分中α-蒎烯、β-蒎烯、β-月桂烯、D-柠檬烯相对含量随年龄的增大呈显著的持续减少，可能是随着年龄增大，老叶比例增大，关键酶数量或活性降低，细胞中质体分解，在植物体内进一步生成为月桂烯、莰烯等多种物质，故最佳的采收树龄为15 a。大根香叶烯D、Z，Z，Z-1,5,9,9-四甲基-1,4,7-环十一碳三烯和柏烯醇呈显著的升高，且每5年差异显著，故最佳采集树龄在35年以上。大根香叶烯D和刺柏烯醇在前期预试验过程发现其相对含量与存放时间和堆积有关，在茶叶杀青相关研究有提到，其含量主要与茶叶的陈化有关[17]，与本次研究结论相似，验证了大根香叶烯D和刺柏烯醇与年龄变化和陈化有显著的相关性，但具体影响方式还未有完整的验证。部分物质随年龄的增大呈较平稳的降低，可推测这些成分相对含量受年龄影响较小。提取福建柏叶精油时除考虑提取条件外，对叶子的存放也应特别注意。

福建柏木材精油的得率受年龄影响显著，精油成分的前体主要在细胞质中生成。福建柏心材中，福建柏心材中的次生代谢物的积累可能与薄壁细胞在白木香产生“结香”所执行的行为相似，即薄壁细胞在死亡之前将淀粉等物质转化为色酮类和倍半萜类物质提取物，从而产生结香，输送到邻近组织，故“结香”也出现在部分导管和木纤维中[18]。导管和木纤维细胞最先开始凋亡逐步形成心材，这一过程与次生代谢的累积之间构成了一个相互关联且积极促进的正调节体系[19]。对各年龄的心材进行观察对比发现，树龄达到15 a后，心材的形成速度增大，心材和边材界限更加明确，边材精油含量急剧减少，次生代谢物在心材中逐年累积，增长显著，树龄达到30年至35 a福建柏生长放缓，心材占和精油累积速率变缓。心材精油中各成分由薄壁细胞生成、转化、输送，含量多少主要受沉积时间影响，福建柏心材精油的得率随年龄的增大持续增大，但结合经济效益，30～35 a为心材精油采集最佳树龄。

福建柏根精油的最佳采集树龄为30 a。20 a后与树桩相连部分的根出现明显的深色部分，类似树干心材，这部分则是根精油主要来源，故根与心材精油得率和成分变化趋势相似，大部分成分在30 a后有所减少，受福建柏心材和边材的形成特性的限制，根中深色部分占比也无显著增大或缓慢减少，导致根精油得率有所减少。但根中包含较多生活细胞，有运输和储藏功能，且受土壤和地下环境对代谢的影响，使根精油中部分成分含量无规律变化，且与在心材精油有了较大的差距。

3.2 福建柏精油的应用前景

α-蒎烯是福建柏叶精油中最主要的成分，在15年生的福建柏叶精油中相对含量高达58%～60%，且在医药领的研究成果主要显示为抗肿瘤、抗炎、抑菌、抗氧化的作用[20-21]对溃疡性炎症的改善也有一定的效果[14]，且能抑制焦虑情绪的产生[22]；在农药领域可使用α-蒎烯杀灭害虫[23]；化工等相关领域可为原料合成樟脑醌、香芹酚、太阳能储能材料[24]及重要的单体香料。刺柏烯醇是相对含量排在第2位，与α-蒎烯的变化趋势相反，在40年生福建柏精油中相对含量可达18%～20%，可作为桉烷型倍半萜内酯的骨架，合成物大都具有抗炎、抗肿瘤、抗菌和细胞毒性药理活性[25]。其余的几个主要成分相对含量均不超过10%，β-石竹烯有麻醉作用，但会转换为一个更加稳定的中等过敏性氧化产物；β-月桂烯，也称香叶烯，具清淡的香脂香气。由此可以推测福建柏叶精油具有抗炎、抗菌、抗氧化、抗肿瘤活性，杀虫作用；福建柏叶精油香气先有青草香，后有淡淡的香脂香气和果香，可以用于香精香料材料开发；而且具有放松情绪的作用既有康养作用；但具有一定细胞毒性，可能引起过敏，直接与皮肤接触时需谨慎。

木材精油所含的τ-依兰油醇、τ-杜松醇和α-杜松醇，在各个年龄段两相对含量之和占总含量的50%以上，据研究表明在医药方面，τ-依兰油醇、τ-杜松醇和α-杜松醇都具有很强抗真菌活性[26-27]，且对一系列人类肿瘤细胞系（如结肠、肝脏和肺癌细胞）有较强的活性细胞毒性[28-29]，已用于开发控制植物真菌疾病的抗真菌药物；还具有很强的防霉活性和抗氧化性，并且其结构作为骨架生成的一系列衍生物具有作为新型木材防腐剂的可能[30-31]；在农药开发方面，α-杜松醇其显著杀幼虫活性，τ-依兰油醇对白蚁有较强至死活性，可为其作为开发新型的杀虫抗白蚁农药的提供了可能性[32]，这也可能是福建柏0～3 a内易受白蚂蚁危害的原因，幼年时期福建柏根和心材均不会有大量的τ-依兰油醇和α-杜松醇。τ-杜松醇还具有平滑肌松弛、抗腹泻、钙拮抗、植物种子生长调节、杀螨虫和昆虫驱避作用[33]。荜澄茄烯的同分异构体都可用作香料，其下游产品在医药方面也有广泛应用。由此可以推测福建柏心材和根精油可能具有较强的抗真菌、抗癌、抗氧化活性，还具有较强的防霉、去螨虫、驱虫杀虫作用。且柏木类精油是运用很广泛的天然香料，与福建柏木材精油有很多相同成分，也为福建柏木材精油作为香料提供一定的依据。

3.3 结论

对不同年龄福建柏各部位精油成分及其含量进行比较，验证了福建柏叶、心材、根精油随年龄的增大，得率和成分的相对含量大部分发生显著的规律性变化，叶易获取，生物量高，可根据所需成分选择15 a或35 a以上，结合经济效益和各部位精油得率和成分相对含量随树龄的变化，提取心材精油最佳树龄在35 a以上，根树龄为30～35 a，与福建柏成熟期吻合。各部位精油成分具有显著的组织特异性，正常生长时，主要受组织细胞和酶种类及活性影响，虽理论上可推测各成分相对含量变化的原因，但具体的调控机制还未能验证。各部位精油中有效成分相对含量均在80%以上，且均被验证已广泛用于医药，农药、化妆品行业，可以推测3种精油的有效成分和可能具有的生物活性，为福建柏精油在药用、日化及康养方面的开发利用奠定了理论基础，但不同部位不同年龄精油的活性强弱受多方面、多种物质协同或拮抗作用影响无法直接比较并准确判断，需进一步研究。