宁夏不同类型草地百里香挥发性有机物的组成及其差异

马风华，胡海英，李爱华，马 霜，张 浩，雍嘉仪

（1.宁夏大学林业与草业学院 / 宁夏草牧业工程研究中心, 宁夏 银川 750021；2.宁夏九盛牧业科学研究院有限公司, 宁夏 银川 750005）

百里香(Thymus mongolicus)属于唇形科百里香属多年生小灌木，俗名山花椒、地椒子等。该属植物世界分布有300 余种，我国有11 种2 变种[1]，现广泛分布于非洲北部、欧洲及亚洲温带较高纬度地区[2]。百里香主要含有百里香酚、香芹酚、对伞花烃等挥发性有机物，其提取物具有防腐、抗氧化、调味、杀菌、抗炎、驱除蚊虫、提高机体免疫力及强化肺脏功能等多种作用[3-4]，目前被广泛应用于养殖业、中药治疗、食品保健、日化工业等方面[5]，在许多国家主要作为香辛料进行研究与开发利用，近年来，在饲料添加剂、生态修复、城市园林绿化等领域逐步得到国内研究者的关注和重视。

已有研究认为，不同种类[6]、部位[7]、生境[8]及采收时间[9]等对百里香挥发性有机物含量和成分都有一定的影响。黄健等[6]研究了7 种百里香的化学型，将其分为了百里香酚型、香芹酚型和香叶醇型；任瑞芬等[7]研究发现金边百里香叶和侧枝的挥发性有机物组成及相对含量均显著大于主枝和根；张知侠[8]研究发现甘肃平凉(温带季风气候)的百里香挥发油成分主要为百里酚和对伞花烃；樊明涛和陈锦屏[10]提取了甘肃镇原(北温带大陆性气候)百里香挥发性有机物，其中百里酚和香芹酚含量最多；摩洛哥野生与栽培百里香挥发性成分则主要含香芹酚(64.1%～78.1%)和对伞花烃(4.7%～12.4%)[11]；Badi 等[9]研究发现百里香的最佳采收时期是开花初期；李兆祺等[12]研究认为，陕西浑源地区野生百里香叶片的挥发性物质种类及含量在开花期和生长旺盛期显著大于结果期和衰败期，且衰败期只鉴定出了28 种挥发性物质。

宁夏野生百里香植物资源非常丰富，主要分布在海原南华山、西华山的草甸草原、固原云雾山的典型草原、盐池麻黄山荒漠草原及向典型草原过渡带，另外贺兰山东麓荒漠草原也有零星分布[13]。然而，关于宁夏野生百里香挥发性成分的鉴定分析鲜见报道，杨敏丽等[14]在2004 年检测了宁夏固原野生百里香挥发油成分，主要有香荆芥酚(28.54%)、1-甲基-3-异丙基苯(22.77%)、百里香酚(11.45%)和1-甲基-4-异丙基-14-环己二烯(9.78%)；扈成浩等[15]发现宁夏六盘山区泾源县野生百里香挥发性成分主要有牻牛儿醇(26.95%)、香荆芥酚(18.40%)和麝香草酚(17.72%)等，可见，宁夏野生百里香挥发性成分的鉴定研究资料比较匮乏，一定程度上制约了该资源的合理开发利用。因此，本研究在宁夏百里香资源集中分布的3 个类型草地，即盐池县麻黄山、固原市云雾山及海原县南华山采集百里香地上植株，采用气相色谱-质谱联用法鉴定分析3 种类型草地百里香不同部位鲜、干样挥发性有机物的组成及其差异，为进一步合理开发利用宁夏百里香植物资源提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 样地概况

盐池县麻黄山荒漠草地位于106°58′11″ E，37°20′39″ N，年均温9.1 ℃，年均降水量336.3 mm，主要植被有白草(Pennisetum centrasiaticum)、长芒草(Stipa bungeana)、苦豆子(Sophora alopecuroides)、狗尾草(Setarria viridis)、猫头刺(Oxytropis aciphylla)、百里香等，土壤类型为沙壤土。

固原市云雾山典型草地位于106°13′14″ E，36°01′47″ N，属于典型的温带大陆性半干旱季风气候，年均温5 ℃，年均降水量425 mm，主要分布本氏针茅(Stipa capillata)、大针茅(S.grandis)、百里香和白莲蒿(Artemisia sacrorum)等植被群落，土壤类型为灰褐土。

海原县南华山草甸草地位于105°38′08″ E，36°23′59″ N，年均温3.49 ℃，年均降水量达600 mm，植被类型主要有甘青针茅(S.przewalskyi)、铁杆蒿(A.gmelinii)、冷蒿(A.frigida)、百里香等，土壤类型以黑垆土和山地灰褐土为主。

1.2 试验材料

于2021 年10 月中旬，分别在不同样地100 m2内“S”形5 点随机采集自然生长状态百里香地上部分50 株以上植株，作为一个混合样本，置于样品袋中带回实验室。按李兆祺等[12]对百里香的物候期界定，此时百里香植株生长正处于衰败期。盐池县麻黄山荒漠草地百里香株高10 cm、冠幅40 cm、地径0.6 cm，固原市云雾山典型草地百里香株高7 cm、冠幅35 cm、地径0.4 cm，海原县南华山草甸草地百里香株高8 cm、冠幅38 cm、地径0.5 cm。经宁夏大学林业与草业学院李小伟教授鉴定，这3 种类型草地的百里香均为蒙古百里香。

1.3 样品的预处理

在宁夏大学林业与草业学院草业科学实验室对百里香样品进行预处理，将3 个不同采样地混合样品分为叶片、嫩茎和木质化茎3 个部分，剪碎至约2 mm 颗粒状，将其分为两部分，一部分作为鲜样进行检测，另一部分置于105 ℃烘箱杀青，70 ℃烘48 h后作为干样进行检测，共18 份样品。

鲜样和干样分别记作F、D，采样地麻黄山、云雾山和南华山分别记作M、Y 和N，植株不同部位叶片、嫩茎和木质化茎分别记作L、Ts 和Ls。以此记录各样品。

1.4 测试方法

分别称取1 g 样品，经多功能自动换针进样器(Agilent Technologies 7890B)全自动顶空进样，毛细柱分流/不分流进样口为全惰性化处理，压力设定范围在0～1 034.25 kPa (0～150 psi)，压力设定精度为6.895 Pa (0.001 psi)。顶空固相微萃取自动进样系统(SPME)测试仪器为气相色谱质谱联用仪(Agilent 7890B-5977B GC/MSD 型，美国安捷伦公司)。

色谱条件：DB-5MS 石英毛细管色谱柱(30 m ×0.25 mm × 0.25 μm) (美国安捷伦科技有限公司)，程序升温5 ℃·min-1，从60 ℃ (5 min)到260 ℃ (15 min)，进样口温度280 ℃，载气He，柱前压127.8 kPa，载气流量5.60 mL·min-1，分流比40 ∶ 1。

质谱条件：接口温度250 ℃，离子源温度230 ℃，电离方式EI (70 eV)，质量扫描方式SCAN，溶剂延迟1.5 min，扫描范围75～300 amu。同一种化合物气相色谱和质谱的保留时间一致，保留时间重现性 ＜ 0.000 8 min，峰面积的重现性 ＜ 1% RSD (relative standard deviation)。

1.5 挥发性成分定性定量方法

利用Agilent Mass Hunter Qualitative Analysis Workflows B.08.00-tangsejz.m 软件和NIST 17 质谱数据库自动检索各组分质谱数据进行样品挥发性有机物的定性验证和定量分析，选择相似度较高的检索结果，参考保留时间进行解谱，按照面积归一化法计算总离子流图各成分的相对含量。

1.6 数据处理与分析

利用Excel 2009 进行数据统计分析，采用Origin 2022 b 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同类型草地百里香挥发性有机物的种类

不同类型草地百里香鲜干材料不同部位挥发性有机物的总离子流，南华山百里香嫩茎与木质化茎的鲜、干材料挥发性有机物集中在弱极性部位，其余各处理挥发性有机物主要集中在弱极性和中极性部位，极性部位均较少，弱极性部位挥发性有机物种类高于中极性部位(图1)。另外，除了云雾山百里香挥发性有机物弱极性与中极性丰度相近，其余各处理弱极性丰度皆高于中极性。

图1 不同类型草地百里香不同部位鲜干样挥发性有机物的总离子流示意图Figure 1 Total ion flow diagram of VOCs in fresh and dry samples of Thymus mongolicus from different types grassland

如图2 所示，不同类型草地百里香挥发性有机物的种类存在差异，鲜样挥发性成分数量中，南华山百里香叶有87 种挥发性成分，嫩茎有77 种，木质化茎有85 种；麻黄山百里香叶有80 种，嫩茎有77 种，木质化茎有67 种；云雾山百里香叶有73 种，嫩茎有79 种，木质化茎有72 种；干样中，南华山百里香叶有57 种，嫩茎有57 种，木质化茎有73 种；麻黄山百里香叶有60 种，嫩茎有44 种，木质化茎有44 种；云雾山百里香叶有41 种，嫩茎有52 种，木质化茎有42 种。各处理百里香鲜样的挥发性有机物数量大于干样，南华山百里香挥发性有机物数量较多，另外，除了南华山百里香干样木质化茎与云雾山百里香干样嫩茎及木质化茎的挥发性有机物种类、鲜样云雾山百里香嫩茎分别大于叶片外，其余各处理均为叶片挥发性有机物数量大于茎。

图2 不同类型草地百里香不同部位挥发性有机物相对含量与数量Figure 2 Relative content and quantity of volatile organic compounds in different parts of Thymus mongolicus

各处理样品挥发性有机物组成均以烃类和醇类为主，烃类物质主要以萜烯类为主，平均相对含量较低，而组分数量多。醇类物质和酚类组分数量少，平均相对含量较高。烘干后，酚类、醚类、酯类及酮类物质相对含量下降，而烃类、醇类、醌类、萘类及醛类物质相对含量升高。南华山百里香所含醇类、酯类、酮类、萘类及醛类物质相对含量大于云雾山和麻黄山，云雾山百里香所含醚类和醌类物质相对含量大于南华山和麻黄山。

2.2 不同类型草地百里香挥发性有机物的成分

不同处理下百里香挥发性有机物组成及相对含量存在差异(表1)，各处理所含主要的烃类物质均为对伞花烃和γ-萜品烯，对伞花烃和γ-萜品烯属萜烯类，对伞花烃在各处理中的相对含量为14.24%～42.24%，在所有处理中平均相对含量为29.5%，其相对含量在南华山百里香干样嫩茎中最高、木质化茎中最低，在不同类型草地中相对含量高低排序为南华山 ＞ 云雾山 ＞ 麻黄山，在不同部位中相对含量高低排序为嫩茎 ＞ 木质化茎 ＞ 叶片，而鲜样与干样中的相对含量相当。γ-萜品烯在各处理中的相对含量处于3.30%～37.35%，在所有处理中平均相对含量为16.20%，在麻黄山百里香干样嫩茎中相对含量最高达37.35%，南华山百里香鲜样木质化茎中相对含量最低为3.30%，γ-萜品烯在不同类型草地中相对含量高低排序为麻黄山 ＞ 云雾山 ＞南华山，在不同部位中相对含量高低排序为木质化茎 ＞ 嫩茎 ＞ 叶片(表1)。

表1 不同类型草地百里香不同部位鲜干样中主要挥发性有机物及其相对含量Table 1 The main volatile organic compounds and their relative content in different parts of thyme in different types of grasslands%

各处理所含主要的酚类物质为香芹酚，其相对含量处于0.07%～20.61%，平均相对含量为5.20%。香芹酚相对含量在麻黄山百里香鲜样叶片中最高，在南华山百里香干样木质化茎中最低。香芹酚在不同类型草地中相对含量高低排序为麻黄山 ＞ 云雾山 ＞ 南华山，在不同部位中相对含量高低排序为叶片 ＞ 嫩茎 ＞ 木质化茎，鲜样中的相对含量大于干样(表1)。

各处理所含主要的醇类物质为桉树醇，其相对含量处于1.98%～9.68%，平均相对含量为4.70%，桉树醇相对含量在南华山百里香干样嫩茎中最高，在南华山百里香鲜样木质化茎中最低，在不同类型草地中相对含量高低排序为南华山 ＞ 云雾山 ＞ 麻黄山，在不同部位中相对含量高低排序为嫩茎 ＞ 叶片 ＞木质化茎(表1)。

醚类物质主要为2-异丙基-4-甲基苯甲醚，仅存在于百里香鲜样中，在云雾山百里香嫩茎中相对含量最高达21.67%，在麻黄山百里香叶片中相对含量最低，只有2.84%；2-异丙基-4-甲基苯甲醚在不同类型草地中相对含量高低排序为云雾山 ＞ 南华山 ＞麻黄山，在不同部位中相对含量高低排序为嫩茎 ＞叶片 ＞ 木质化茎(表1)。

3 讨论

3.1 不同类型草地百里香挥发性有机物组成的差异分析

植物源挥发性有机化合物(biogenic volatile organic compounds, BVOCs)是指植物器官(叶、花、果实等)通过次生代谢途径合成的低沸点、挥发性强的不同种类碳氢化合物总称[16]。百里香富含植物源挥发性有机化合物，被作为一种美食的香料而广泛种植，其挥发性有机物主要含有萜烯类、芳香族类、脂肪族直链化合物及其含氧衍生物，具有显著的抑菌、抗氧化、抗病毒和增香等作用[17]。影响植物释放BVOCs 的内部因素主要有植物种类、叶龄、芽期、花期等；而环境因素主要包括光照、温度、湿度、二氧化碳、生物胁迫等。研究认为，地理环境和气候条件等因素会导致同种、不同产地的百里香挥发性有机物成分和含量存在差异[18]。张宏利等[19]鉴定了陕西太白县的地椒(Thymus mongolicus)叶的挥发性有机物，发现在鉴定出来的32 个成分里主要成分是麝香草酚(23.91%)。闫子娇等[20]提取了甘肃镇原百里香挥发性有机物，香荆芥酚占比最高，达到24.42%。摩洛哥野生与栽培百里香挥发性成分则主要含香芹酚(64.1%～78.1%)和对伞花烃(4.7%～12.4%)[11]。罗嘉梁和宋永芳[21]、樊丽和杨宏[22]分别对陕西靖边产的蒙古百里香和秦岭地区百里香挥发性有机物进行了研究，陕西靖边产的蒙古百里香主要含对伞花烃(36.25%)和百里酚(包括香芹酚)(19.93%)，秦岭产百里香挥发性化学成分主要含对伞花烃(13.69%)和香芹酚(13.20%)。本研究发现，宁夏不同类型草地百里香主要挥发性有机物均为对伞花烃，其在各处理中的相对含量在14.24%～42.24%，其次是γ-萜品烯和香芹酚，在各处理中的相对含量分别为3.30%～37.35%、0.07%～20.61%，这与罗嘉梁和宋永芳[21]、樊丽和杨宏[22]的研究结果相似，推测可能是百里香种类、地理环境和气候条件相近的原因。

杨敏丽等[14]在2004 年检测了宁夏固原野生百里香挥发油成分，主要有香荆芥酚(28.54%)、1-甲基-3-异丙基苯(22.77%)、百里香酚(11.45%)和1-甲基-4-异丙基-14-环己二烯(9.78%)；扈成浩等[15]发现宁夏六盘山区泾源县产野生百里香成分主要含牻牛儿醇(26.95%)、香荆芥酚(18.40%)和麝香草酚(17.72%)等。杨敏丽等[14]检测出宁夏固原地区野生百里香的挥发性成分种类及含量与扈成浩等[15]检测出固原泾原地区的明显不同。本研究中，不同类型草地百里香挥发性有机物组成中烃类物质相对含量最多，且主要以对伞花烃和γ-萜品烯等萜烯类化合物为主，而且固原云雾山百里香主要含有对伞花烃和γ-萜品烯，其相对含量分别为30.29%和20.74%，这也与杨敏丽等[14]和扈成浩等[15]的研究结果明显不同，这种差异性可能与样品处理方式、采样时间、采样部位及提取方法等因素都有关系[23]。另外，李兆祺等[12]研究认为陕西浑源地区野生百里香叶片的挥发性物质种类及含量在开花期和生长旺盛期显著大于结果期和衰败期，衰败期的成分种类和含量明显降低，但邻-异丙基甲苯(即邻伞花烃)含量在衰败期最高，邻伞花烃与对伞花烃互为同分异构体。本研究中的百里香样品采集时期正处于衰败期，但不同草地的百里香叶片挥发性有机物的种类达到73～87 种，而且对伞花烃含量最高，达到了14.24%～42.24%，说明宁夏野生百里香在衰败期仍具有丰富的挥发性有机物质成分和较高的对伞花烃含量。

植物中萜烯类化合物含量会随温度、光照的增加而增加，随着相对湿度的增加而降低[24]。本研究中，麻黄山百里香的烃类、酚类物质数量和相对含量明显大于其他两地的，可能是由于3 个地区气候环境不同。盐池麻黄山属于宁夏风沙干旱区，光资源丰富，而南华山百里香分布在草甸草地，云雾山百里香分布在典型温带草地，盐池县年平均降水量仅有336.3 mm，明显小于云雾山(425 mm)和南华山(600 mm)，而年均温度为9.1 ℃，明显高于云雾山(5 ℃)和南华山(3.49 ℃)。由此可见，气候及地理环境条件可能对百里香挥发性有机物组成及相对含量影响较大。

3.2 百里香不同部位及鲜干样挥发性有机物组成的差异分析

芳香植物的不同器官挥发油的成分及含量有所不同[25]。任瑞芬等[7]检测了金边百里香各个部位的挥发性有机物组成，在叶、侧枝、主枝中分别检测出32、35、31 种挥发性有机物，本研究在云雾山鲜样中叶、嫩茎、木质化茎中分别检测出73、79、72 种挥发性有机物，这与上述报道的挥发性有机物数量差异相似，但是明显大于上述报道的挥发性有机物数量，这可能与采用的检测仪器和质谱数据库等有关。张妤[26]在兴凯百里香花末期叶与茎中分别检测出33、22 种挥发性有机物，本研究中麻黄山百里香鲜样中叶、嫩茎、木质化茎中分别有80、77、67 种挥发性有机物，麻黄山干样中叶有60 种、嫩茎有44 种、木质化茎有44 种，均为叶片挥发性有机物数量大于茎，与以上研究结果一致。

陈品品等[27]检测了阔叶百里香的挥发油成分，认为鲜干样百里香所含主要的挥发性有机物成分相同，均为百里香酚(鲜样31.30%，干样26.82%)，这与本研究结果相似，在本研究中，鲜干样中百里香主要化学成分均为对伞花烃(鲜样17.97%～36.65%，干样14.24%～42.24%)。鲜样与干样构成百里香主体风味的烃类和醇类等物质相对含量同样丰富，由此说明干燥能较好地保持百里香的风味。

3.3 宁夏野生百里香挥发性有机物成分的应用价值分析

本研究中，宁夏不同类型草地百里香主要的挥发性有机物均为对伞花烃、γ-萜品烯、香芹酚、桉树醇、芳樟醇和2-异丙基-4-甲基苯甲醚等。对伞花烃的相对含量最高，在南华山干样嫩枝中的相对含量高达42.24%，它是一种烷基取代的芳香化合物，具有抗氧化、抗肿瘤、抗菌、免疫调节等作用[28-29]。本研究各处理中γ-萜品烯的相对含量在3.30%～37.35%，在麻黄山干样嫩枝中相对含量高达37.35%，γ-萜品烯可以用来制作各种植物香精[30]，对伞花烃和γ-萜品烯均为萜烯类物质，萜烯类物质具有抗菌和消炎功效，另外，对伞花烃和γ-萜品烯被认为是百里酚和香芹酚的前体[31]。香芹酚对常见疾病的病原菌、细菌生物膜均有显著的抑菌性[32]，其在盐池麻黄山百里香叶片的相对含量较丰富，达到20.61%。桉树醇主要用于止咳糖和人造薄荷中[33]，在各处理样品中的相对含量差异较小，平均为4.74%。芳樟醇有类似铃兰的花香香气，具有抗菌、抗病毒、镇痛等药理作用[34]，在海原南华山鲜干叶片中的相对含量较高，分别为12.63%和12.99%。

EI Bouzidi 等[35]研究表明，栽培不会显著影响百里香的生物活性，Loziene 和Venskutonis[36]将立陶宛不同生境的百里香(T.pulegiodes)移栽到同一种环境下，进行无性繁殖，然后分析其挥发性成分，结果表明：经过多代繁殖后，挥发性成分会恢复到之前的组成。且烘干处理仍可保持百里香主要挥发性有机物组成，由此说明，百里香挥发性有机物的组成是相对稳定的。因此我们认为可以将野生百里香进行驯化栽培和人工繁育，以合理开发利用这一重要天然香料资源。且基于不同类型草地不同部位百里香挥发性有机物组成成分特点，可在药物成分、防腐剂、化妆品、饲料添加剂及食品调味料等方面有针对性的开发利用。

4 结论

3 种类型草地百里香不同部位鲜、干样品中共检测出339 种挥发性有机物；各处理均为草甸草地挥发性有机物数量多于荒漠草地和典型草地；鲜样挥发性有机物数量大于干样；叶片挥发性有机物数量大于茎(除了南华山百里香干样木质化茎与云雾山百里香干样嫩茎及木质化茎的挥发性有机物种类、鲜样云雾山百里香嫩茎分别大于叶片外)；百里香挥发性成分中烃类物质相对含量最多，主要以萜烯类物质对伞花烃和γ-萜品烯为主；对伞花烃在南华山草甸草地的相对含量多于云雾山典型草地和麻黄山荒漠草地，嫩茎中多于木质化茎和叶片，因此，提取百里香所含对伞花烃选取草甸草地百里香的嫩茎；百里香所含酚类主要为香芹酚，其相对含量在荒漠草地最高；桉树醇和芳樟醇在草甸草地的相对含量最高。