荆芥生态适宜性区划及挥发油品质的研究*

苏 畅，王 宇，郑玉光，郭 龙，张兰兰，3※，郑开颜※

（1.河北中医学院药学院，石家庄 050200；2.河北省中药炮制技术创新中心，石家庄 050200；3.河北御芝林生物科技有限公司，石家庄 050200）

0 引言

自新型冠状病毒疫情发生以来，中医药已经广泛应用于新型冠状病毒的治疗，其中多省市推荐的中药应用了荆芥。荆芥为唇形科植物荆芥Schizonepeta tenuifoliaBriq.的干燥地上部分，其干燥的花穗为荆芥穗，辛，微温，入肝、肺经，具有解表祛风，透疹，消疮的功效[1]，可用于治疗感冒、头痛、麻疹、风疹、疮痛初起等症[2]，为中医临床常用药物。荆芥最早以“假苏”一名载于《神农本草经》，被列为中品，“荆芥”之名始载于《吴普本草》，地上部分均可入药，明清时期，有医家选荆芥穗入药，其余大多时期皆以茎穗同用[3]，现今多将荆芥穗单独使用。

荆芥在全国大部分地区均有种植，主产区分布在河北、山东、河南等地。由于来源广泛，生态环境和栽培技术等因素对荆芥的产量和质量影响较大，荆芥及荆芥穗主含挥发油类成分[4]，荆芥挥发油具有抗病毒[5]、抗炎[6]作用。目前，荆芥挥发油的相关研究主要集中为单一成分作用及不同提取方法，提取方法主要是超临界CO2流体萃取法（SFE）和水蒸气蒸馏法（SD），也有少数采用微波辅助提取法（MAE），关于产地对荆芥挥发油影响的研究少见报道。袁岸等[1]基于网络药理学对荆芥的挥发油进行研究，结果证明其主要成分为薄荷酮、胡薄荷酮等。已有研究表明柠檬烯有抑菌、止咳的功效[8]，β-石竹烯具有镇痛的功效[9]，氧化石竹烯有抗炎作用[10]，薄荷酮具有利胆、促渗等作用[11-12]，胡薄荷酮具有抗流感病毒的功效[13]，荆芥挥发油各成分类型及含量间的差异能够引起药效的差异。

文章采用最大熵（Maxent）模型结合地理信息系统（ArcGIS）绘制我国荆芥的适宜生长区，并采用气质联用技术（GC-MS）对部分产地的荆芥和荆芥穗的挥发油进行定性和定量分析，比较其品质的差异，为荆芥种植环境的选择、药材的质量控制提供依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

采集荆芥样本共12批，记录经纬度，经河北中医学院郑玉光教授鉴定为唇形科植物荆芥Schizonepeta tenuifoliaBriq.的干燥地上部分，另查阅中国国家标本资源平台（NSII,http://www.nsii.org.cn），收集荆芥分布经纬度信息，1～12号为实地采集样本，13～48号来源于NSII，见表1。收集不同产地荆芥，部位为茎和穗，水蒸气蒸馏法提取挥发油并计算得率，见表2。

表1 荆芥样本位置信息

表2 荆芥及荆芥穗样品信息和挥发油得率

1.2 仪器与试剂

仪器：7890B气相色谱仪（美国安捷伦公司），5977B质谱分析仪（美国安捷伦公司），高速离心机（德国eppendorf公司），Sartorius SQP电子天平（北京赛多利斯公司）。

试剂：(-)-薄荷酮购自北京索莱宝科技有限公司，β-石竹烯购自上海安谱实验科技股份有限公司，(+)-柠檬烯购自Dr.Ehrenstorfer GmbH公司，(-)-氧化石竹烯购自Sigma-Aldrich公司，胡薄荷酮购自上海源叶生物科技有限公司，1-辛烯-3-醇购自Aladdin公司，顺-茉莉酮购自Aladdin公司，正己烷购自Fisher Chemical公司。

1.3 生境适宜度研究

1.3.1 生态因子数据获取

查阅中药资源空间信息网格数据库（http://www.tcm-resources.com），获得到可能影响荆芥生长的生态因子，荆芥的生长与地形、气候、土壤等生态环境密切相关，最终获得可能影响荆芥生长的生态因子55种，见表3。

表3 生态因子信息

1.3.2 生态因子筛选及生境适宜度划分

将荆芥的经纬度信息及生态因子数据（比例尺为1∶100万）导入Maxent进行迭代运算，最大迭代次数为100万，对所有生态因子贡献率进行排序，筛选贡献率较高的生态因子。采用ROC（receiver operating characteristic curve）曲线下面积AUC作为评价指标，AUC值接近1，则模型的可信度与精准度高。评价合格后采用ArcGIS将各生态因子的适宜性叠加，根据分布点的生境适宜度分为最适宜区、较适宜区、不适宜区3个等级，得到荆芥生境适宜度等级分布图。

1.4 挥发油成分测定

GC-MS检测条件：Agilent HP-5毛细管柱（0.32mm*30m，0.25μm）；载气N2，体积流量1ml/min；进样量1μl；进样口温度250℃；分流比10∶1。程序升温：初始温度80℃，保持3 min，以10℃/min升至110℃，保持3 min，后以10℃/min升至210℃，保持3 min，再以10℃/min升至230℃保持2 min。EI电离源，电离电压70eV；全扫描方式，质量范围50～500amu；溶剂延迟3min。

精密量取挥发油50μl，正己烷定容至5ml，即得供试品溶液。谱图数据采用NIST 17数据库检索，鉴定荆芥、荆芥穗挥发油中的成分。精密称取(-)-薄荷酮500.25mg、β-石竹烯50.11mg、(+)-柠檬烯50.18mg、(-)-氧化石竹烯49.89mg、胡薄荷酮400.33mg、1-辛烯-3-醇5.053mg、顺-茉莉酮5.032mg，分别置于10ml容量瓶中，用正己烷溶解并定容，即得混合对照品溶液。采用外标法进行7种成分的定量分析。

1.5 OPLS-DA分析

正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）能够很好地寻找组间差异性成分。将GC-MS处理的数据导入SIMCA软件，进行OPLS-DA分析，选取VIP＞1的化合物作为差异标志物。

1.6 生态适宜性区划

使用SPSS统计软件对经纬度信息、生态因子与荆芥挥发油含量进行相关分析，根据统计结果对挥发油成分含量有影响的生态因子进行不同的适宜性等级划分，应用ArcGIS软件进行空间叠加，得到荆芥的生态适宜性等级分布图。

2 结果

2.1 主要生态因子

按方法最终得到16个对荆芥生长具有贡献率的生态因子，分别为：土壤类型＞最湿月降水量＞季节降水量变异系数＞土壤有效水含量等级＞坡向＞温度季节性变化的标准差＞海拔＞年均温变化范围＞土壤质地分类＞酸碱度＞最干季降水量＞最湿季平均温＞年均降水量＞土壤的阳离子交换能力＞坡度＞最干月降水量，贡献率最大的5个生态因子贡献率分别为40.2%、20.6%、13.8%、8.8%、6.1%，见图1。

图1 影响荆芥生长的生态因子及其贡献率

2.2 生境适宜度区划

荆芥ROC曲线测试集和训练集的AUC值分别为0.996和0.963，均接近于1，表明Maxent模拟效果好，生境适宜度研究准确度好，具有很高的参考价值。荆芥在我国的生境适宜度等级划分见图2。由图2可知，荆芥在我国种植的最适宜区主要在东部，包括：辽宁西南部、北京、天津、河北南部、山东西北部、河南北部、海南北部，此外内蒙古东部、安徽北部也为最适宜区。新疆、青海、西藏大部分地区不适宜荆芥的种植。

图2 荆芥生境适宜度等级划分（审图号GS（2019）1831号）

2.3 总挥发油含量分析

采用水蒸气蒸馏法提取挥发油，比较挥发油得率可知：安徽亳州、山东菏泽、河北安国产荆芥挥发油总含量高，西藏日土、河北承德产荆芥挥发油总含量低。河北安国产荆芥穗总挥发油含量高，西藏日土、河北承德产荆芥穗总挥发油含量低。荆芥穗中总挥发油的含量明显高于荆芥中总挥发油的含量。

2.4 挥发油成分分析及生境适宜度区划的验证

进行GC-MS分析，得到荆芥、荆芥穗挥发油的气相色谱-质谱总离子流色谱图(TIC)，见图3。所得谱图经NIST 17数据库检索，与标准图谱对照、人工谱图解析，并与文献比对，从而鉴定荆芥、荆芥穗中的挥发性成分，部分化合物结果见表4。分别以7种化合物的峰面积（Y）为纵坐标，浓度（X）（mg/mL）为横坐标绘制线性回归标准曲线。得到回归方程为1-辛烯-3-醇Y=110 339.73X+126 769.266，r2=0.993 2；柠檬烯Y=748 628.05X+90 783.680，r2=0.994 1；薄荷酮Y=126 935.43X+515.149，r2=0.998 9；胡薄荷酮Y=441 434.34X+367 436.469，r2=0.999 5；β-石竹烯Y=537 022.34X+92 593.938，r2=0.993 6；顺-茉莉酮Y=33 208.52X+1 832.733，r2=0.999 2；氧化石竹烯Y=515 602.50X+54 459.665，r2=0.996 2。以外标法计算该化合物在原药材样品中的浓度，结果见表5。

图3 荆芥不同部位挥发性化学成分分析GC-MS总离子流

该研究以“18个样品中含某种成分的样品数量多于12个，则认为不含该成分的样品为特殊样品，反之相同”为划分标准，分析挥发油中的成分种类，见表4。结果可得：①挥发油成分中，安徽（S1）、山东（S2）荆芥检测出成分种类较多。安徽产荆芥未检出α-葎草烯，山东产荆芥未检出马鞭草烯酮，河北承德产荆芥（S3）未检出β-荜澄茄油烯。②河北安国产荆芥穗（S14）检出成分种类较多，西藏产荆芥穗（S15）检出成分种类较少。四川产荆芥穗（S8）、云南产荆芥穗（S9）未检出桉油烯醇成分，河北产荆芥穗（S13、S14）检出β-榄香烯，西藏产荆芥穗（S15）未检出β-荜澄茄油烯。

表4 荆芥及荆芥穗挥发油中主要挥发性成分

分析7种化合物的含量，见表5。结果可得：①荆芥中各成分的含量低于荆芥穗中同种成分的含量。②安徽（S1）、山东（S2）荆芥多种成分含量高于其他产地。③河北安国产荆芥穗（S14）各成分含量均较高。云南产荆芥穗（S9）氧化石竹烯、茉莉酮含量较低；湖北产荆芥穗（S12）薄荷酮含量较低；西藏产荆芥穗（S15）β-石竹烯、薄荷酮含量低；河北产荆芥穗（S13、S17）薄荷酮含量高，胡薄荷酮含量低。

综上，安徽、山东产荆芥检出成分数量多且各成分含量较高，质量优。河北安国产荆芥穗各成分含量较高，质量优。西藏产荆芥穗检出成分数量少，质量差。生境适宜度研究结果显示河北南部、山东西北部、安徽北部适宜荆芥的种植，西藏地区不适宜荆芥的种植，表明生境适宜度研究结果准确可靠。

2.5 OPLS-DA分析

将GC-MS处理的数据导入SIMCA软件，进行PCA分析，结果见图4荆芥及荆芥穗明显分布于两个区域，即荆芥与荆芥穗的挥发油中化学成分存在差异。进一步进行OPLS-DA分析，在建立的正交偏最小二乘判别分析模型中，累计解释能力参数RX2和RY2分别为0.77和0.81，预测能力参数Q2为0.71，R2和Q2均大于0.5，表示模型的稳定性及预测能力较好。荆芥与荆芥穗样品点区分明显，表明荆芥与荆芥穗挥发油中的成分有明显的区别。做S-plot分析，见图5，筛选出3个差异化合物。进一步对荆芥及荆芥穗的差异性进行整体分析，得到VIP预测值，在0.95的置信区间内，选取VIP＞1的化合物作为差异性标志物。结果显示，胡薄荷酮的VIP值为2.98，薄荷酮的VIP值为2.88，柠檬烯的VIP值为1.19。因此，根据正交偏最小二乘判别分析，胡薄荷酮、薄荷酮及柠檬烯为荆芥和荆芥穗的差异化合物，可作为二者区分的依据，3种成分的含量差异见表5。

图4 主成分分析得分

图5 OPLS-DA分析的S-plot图

表5 7种化合物的含量测定（n=3） mg/g

2.6 生态适宜性区划

对荆芥挥发油含量及经纬度、生态因子数据进行正态性检验，符合正态分布的指标数据（P＞0.10）进行Pearson相关分析，非正态分布的指标数据进行Spearman相关分析。分析结果显示，荆芥挥发油含量与有机碳含量、最冷季平均温、最冷月最低温、最暖月最高温的相关系数有统计学意义（P＜0.05），相 关 系 数 分 别 为0.752、0.604、0.584、0.712。

荆芥挥发油含量为因变量，有机碳含量、最冷季平均温、最冷月最低温、最暖月最高温4个生态因子为自变量，进行逐步回归分析，纳入概率值为0.05，剔除概率值为0.10，结 果 见 表6～8。表6显 示R为0.752，R2为0.565，说明挥发油含量能被有机碳含量解释占56.5%，其他因素及偶然因素的原因占43.5%；表7显示F=12.989，P＜0.05，说明回归方程的显著性具有统计学意义；表8显示，有机碳含量对挥发油含量的影响有统计学意义（P＜0.05），回归方程为Y=0.780X+0.687。

表6 模型汇总

表7 Anovaa

表8 系数a

根据生态因子对荆芥挥发油含量的影响，将有机碳含量、最冷季平均温、最冷月最低温、最暖月最高温划分为不同的适宜性等级，应用ArcGIS进行空间叠加，得到荆芥生态适宜性等级分布，见图6。结果显示，我国中部地区，包括河北南部、山东、安徽北部等地区适合荆芥挥发油含量的积累，青海、西藏地区不适宜荆芥挥发油含量的积累。

图6 荆芥生态适宜度等级划分（审图号GS（2019）1831号）

3 结论

3.1 荆芥生境适宜度研究

荆芥在我国种植的最适宜区主要在东部平原地区，包括：辽宁西南部、北京、天津、河北南部、山东西北部、河南北部、海南北部，内蒙古东部、安徽北部也为最适宜区。河北安国为历史悠久的的荆芥栽培基地[14]，所产“祁荆芥”质量较高，河北为荆芥生长的最适宜种植区。山西、四川、云南、广东为荆芥的次适宜生长区，西北部新疆、青海、西藏地区不适宜荆芥的种植。主要影响荆芥生长的5个生态因子为：土壤类型、最湿月降水量、季节降水量变异系数、土壤有效水含量等级、坡向。

根据我国土壤类型的划分：东部主要为棕壤及红壤，土壤肥力较大；西部为棕漠土，土壤肥力较小，北部为黑壤。结合荆芥生境适宜度研究，棕壤适宜荆芥的种植生长，而黑壤及棕漠土不适宜荆芥的种植。干旱是限制植物生长的主要因素，地区降水量的多少、土壤中含水量的大小与植物生长环境是否干旱有密切联系，我国东部大多为沿海地区，且地势较低，土壤含水量较高；西部地势高且靠近内陆，土壤含水量较低。结合荆芥生境适宜度研究，湿润地区适宜荆芥的种植，干旱地区不适宜荆芥的种植。

3.2 荆芥及荆芥穗成分含量的差异

荆芥穗中总挥发油含量明显高于荆芥，根据正交偏最小二乘判别分析，胡薄荷酮、薄荷酮及柠檬烯为荆芥及荆芥穗的差异化合物。对比3种主要化学成分的含量，结果显示，荆芥穗中柠檬烯、胡薄荷酮、薄荷酮的含量均明显高于荆芥。荆芥穗中β-石竹烯、氧化石竹烯、1-辛烯-3-醇、顺-茉莉酮含量高于荆芥中同种成分的含量。综上，挥发油得率结合成分含量分析，荆芥穗质量优于荆芥。

安徽、山东产荆芥挥发油含量高，检出成分种类多，且各成分含量较高；西藏产荆芥挥发油含量低，检出成分种类少。以挥发油得率结合成分分析为参考，认为安徽产荆芥质量优。河北安国产荆芥穗挥发油总含量较高，检出成分种类多，各成分含量高；西藏产荆芥穗挥发油总量低，且检出成分种类少。以挥发油得率结合成分分析为参考，认为河北安国产荆芥穗质量优，西藏日土产荆芥穗质量较差。

3.3 荆芥生态适宜性区划

生态适宜性区划研究表明生态区的有机碳含量、最冷季平均温、最冷月最低温、最暖月最高温对荆芥中挥发油含量的积累有显著影响，且均为正相关，相关系数分别为0.752、0.604、0.584、0.712，土壤中有机碳含量对挥发油含量的影响最大。我国中部地区，包括河北南部、山东、安徽北部等地区最适宜荆芥挥发油含量的积累，青海、西藏地区不适宜荆芥挥发油含量的积累。

4 小结

我国幅员辽阔，地形复杂，气候多样，孕育了异常丰富的中药资源[15]。荆芥作为临床中广泛应用的药材，在预防、治疗、保健等方面有较高的需求量。由于需求量不断增大，近5年荆芥价格呈平稳上涨趋势，荆芥穗价格持续高于荆芥，与其质量优于荆芥有关，且荆芥穗为人工采收，所需成本较高。荆芥穗价格波动较大，因荆芥为一年生草本，生长周期短，种植面积及气候等因素对产量影响大，荆芥产量大，则直接加工为全荆芥，少有剪穗。全荆芥受库存制约，价格平稳，而荆芥穗价格受产量影响存在较大波动。

区划的定义最早由地理学区域学派的奠基人、德国地理学家A.Hettner于18世纪末提出[16]，中药区划研究结果能因地制宜地指导中药资源开发和生产[17]。荆芥产地多，种植广，但各产区荆芥品质存在差异，应依据土壤、气候等生态适宜性的研究结果，选取最适宜的产地种植高品质荆芥。该文通过适宜性区划研究表明河北南部、安徽、山东为荆芥种植的最适宜区，青海、西藏地区为不适宜区。挥发油测定结果显示，安徽亳州、山东菏泽产荆芥质量优，河北安国产荆芥穗质量优，西藏日土产荆芥穗质量差。目前，市场销售的主流为河北产荆芥，河北荆芥产量占全国荆芥产量的90%以上，由于河北产区种植面积有限但需求量不断加大，推断存在荆芥产区增多、种植面积扩大的趋势，根据研究结果，安徽、山东可作为产区，增大种植面积，以提供优质荆芥药材。区划研究与挥发油品质研究结果一致，证明研究挥发油的测定能指导荆芥质量标准的划分，同时，生境适宜度的区划研究可为荆芥的种植提供参考。