杉木心材揮發(fā)性物質(zhì)構(gòu)成的影響因素及揮發(fā)性物質(zhì)中發(fā)香物質(zhì)種類的識(shí)別1)

楊昇 胡澤坤 晏婷婷 李改云

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京，100091)

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)是裸子植物，杉科(Taxodiaceae)，杉木屬(Cunning-hamiaR. Br)，主要分布在中國(guó)秦嶺、大別山以南區(qū)域[1]。杉木的耐腐、防霉、抗白蟻等特性，使其成為優(yōu)質(zhì)用材[2-4]。杉木本身具有獨(dú)特的香味，因此，在民間也被稱為香杉。杉木的“香”是其長(zhǎng)久以來得以被開發(fā)利用的重要基礎(chǔ)之一。杉木的揮發(fā)性成分，包含在杉木心材次生代謝產(chǎn)物中[5]；揮發(fā)性成分中，部分物質(zhì)體現(xiàn)的氣味性質(zhì)共同構(gòu)成了杉木獨(dú)有的香氣特點(diǎn)。木材的生長(zhǎng)特點(diǎn)，導(dǎo)致了其生理結(jié)構(gòu)的不均一性[6]。因此，杉木不同生理部位中的揮發(fā)性成分在含量及組成方面可能存在差異，立地條件及生長(zhǎng)年齡的差異也會(huì)影響杉木心材中的揮發(fā)性成分。然而，尚缺乏相關(guān)研究支持上述推測(cè)。

目前，針對(duì)杉木心材揮發(fā)性物質(zhì)研究的主要方法為，先將杉木心材中的次生代謝產(chǎn)物提取分離得到提取物，再利用氣相色譜-質(zhì)譜手段分析[7-8]。但是，杉木心材中主要的揮發(fā)性物質(zhì)為萜類，在常用的溶劑提取分離過程中可能會(huì)發(fā)生變化，影響分析準(zhǔn)確性。為此，本研究以采自福建省南平市、浙江省衢州市開化縣、廣西壯族自治區(qū)柳州市融安縣的杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)木材為試材，應(yīng)用靜態(tài)頂空-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(HS-GC-MS)、固態(tài)微萃取前處理結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜-嗅聞聯(lián)用技術(shù)(GC-MS-O)，分析杉木心材中揮發(fā)性成分及其中氣味物質(zhì)種類，篩選對(duì)杉木中揮發(fā)性成分的影響因素以及杉木中具體的發(fā)香物質(zhì)，旨在為杉木的合理加工利用提供參考。

1 材料與方法

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)試材分別采自福建省南平市、浙江省衢州市開化縣、廣西壯族自治區(qū)柳州市融安縣(見表1)。在樹木基部及樹高3、6、12 m處截取厚度為5 cm的圓盤；氣干后，取心材粉碎，選取過40目篩的木粉，置于放有足量五氧化二磷的真空干燥箱中，于40 ℃條件下真空干燥24 h，取出后置于干燥器中備用。五氧化二磷，購(gòu)自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

表1 試材基本信息

主要設(shè)備有靜態(tài)頂空-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(7697A-7890B-5977B，安捷倫，美國(guó))、氣相色譜-質(zhì)譜(QP-2010，島津，日本)與嗅聞(OP 275，GL sciences，日本)聯(lián)用儀、真空干燥箱(DZF-6095，一恒，上海)。

采用靜態(tài)頂空-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(HS-GC-MS)技術(shù)，測(cè)定杉木心材中的揮發(fā)性成分組成。具體條件：①取真空干燥杉木心材粉末0.2 g置于進(jìn)樣瓶中，平衡時(shí)間30 min，平衡溫度180 ℃，進(jìn)樣時(shí)間1 min。②色譜條件——HP-5MS毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，進(jìn)樣口溫度250 ℃，分流進(jìn)樣(分流比50∶1)，載氣為高純氦氣，恒流，柱流速1.0 mL/min，柱溫起始溫度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質(zhì)譜條件——離子源為電子轟擊電離源，離子化電壓70 eV，檢測(cè)器電壓0.9 kV，發(fā)射電流60 μA，離子源溫度230 ℃，接口溫度250 ℃。④掃描范圍50～500 u，溶劑延遲2 min。⑤應(yīng)用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)(NIST2017)，實(shí)現(xiàn)成分鑒別。

采用固態(tài)微萃取前處理結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜-嗅聞聯(lián)用技術(shù)(GC-MS-O)，識(shí)別杉木心材中的發(fā)香成分組成。前處理采用75 μm碳分子篩-聚二甲基硅氧烷(CAR/PDMS)萃取頭；色譜柱為BR-SWax(60 m×0.32 mm×0.25 μm)石英毛細(xì)管色譜柱。具體條件：①取真空干燥杉木心材粉末0.8 g置于進(jìn)樣瓶中，平衡時(shí)間35 min，平衡溫度分別為室溫(20 ℃)、40、70 ℃。②色譜條件——進(jìn)樣口溫度250 ℃，分流進(jìn)樣(分流比10∶1)，載氣為高純氦氣，恒流，柱流速2.0 mL/min，柱溫起始溫度50 ℃(保留2 min)，以5 ℃/min升至250 ℃(保留4 min)。③質(zhì)譜條件——離子源為電子轟擊電離源，離子化電壓70 eV，檢測(cè)器電壓0.9 kV，發(fā)射電流60 μA，離子源溫度200 ℃，接口溫度240 ℃。④掃描范圍33～400 u，溶劑延遲1.5 min。⑤應(yīng)用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)(NIST2014)，實(shí)現(xiàn)成分鑒別。

氣味識(shí)別小組由2名男性和2名女性構(gòu)成，年齡在25～31歲，均來自江南大學(xué)，參與測(cè)試前已經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)。嗅聞與氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)循環(huán)同時(shí)進(jìn)行，嗅聞時(shí)將氣味強(qiáng)度分為3個(gè)等級(jí)，m為微弱、s為強(qiáng)、vs為非常強(qiáng)，同步記錄強(qiáng)度并描述氣味特點(diǎn)，以小組成員多數(shù)共識(shí)為結(jié)論。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)杉木心材揮發(fā)性成分組成的影響因素

2.1.1 同株杉木不同部位揮發(fā)性成分組成的差異

木材的生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)，決定了木材的物理化學(xué)性質(zhì)在縱向及徑向方向均存在一定差異[4，9]。已有研究表明，杉木心材與邊材中提取物質(zhì)量分?jǐn)?shù)及種類存在明顯差異。杉木中揮發(fā)性成分源自木材提取物，因此，杉木心、邊材中揮發(fā)性成分顯著不同。木材在縱向的性質(zhì)差異對(duì)木材應(yīng)用同樣具有重要意義，但是，目前對(duì)杉木心材縱向揮發(fā)性物質(zhì)差異研究較少。根據(jù)杉木成熟度及采伐地林業(yè)部門要求，本研究選擇26年樹齡杉木作為樣本，測(cè)試分析杉木心材縱向揮發(fā)性物質(zhì)的差異。

通過HS-GC-MS分析發(fā)現(xiàn)，26年生杉木心材中可檢測(cè)出99種物質(zhì)，通過與NISIT2017譜庫(kù)對(duì)比，鑒別出46個(gè)化合物(見表2)，占全部可檢出化合物峰面積94.91%。杉木心材中揮發(fā)性成分以柏木醇、α-柏木烯、長(zhǎng)葉烯、表淚杉醇為主。同時(shí)，也可檢出葎草烯、10s,11s-Himachala-3(12),4-diene、[1S-[1.α(S*),4a.β,8a.α]]-α-乙醛氫-α,5,5,8a-四甲基-2-亞甲基-1-萘丙醇、5-(1-異丙烯基-4,5-二甲基雙環(huán)[4.3.0]壬-5-基)-3-甲基-2-戊烯醇乙酸酯等成分。上述主要成分占可檢測(cè)出成分相對(duì)峰面積的70.0%以上。因此，杉木心材中主要特征性揮發(fā)成分為單萜、倍半萜及二萜類化合物，且以倍半萜及二萜類成分相對(duì)量較高。

表2 26年生杉木基部心材揮發(fā)性成分

由圖1可見：杉木不同高度處心材中主要揮發(fā)性成分基本一致，但是，部分物質(zhì)的相對(duì)量隨樹高變化存在差異，如骨架碳數(shù)為15的非含氧倍半萜成分α-柏木烯、長(zhǎng)葉烯、10s,11s-Himachala-3(12),4-diene，在杉木心材揮發(fā)物中的相對(duì)量隨樹高增加而逐漸降低。因此，杉木心材中揮發(fā)性成分縱向差異主要體現(xiàn)在部分物質(zhì)的相對(duì)量上，而主要揮發(fā)性成分組成基本一致。隨樹木高度增加，相對(duì)應(yīng)部分木材心材的形成時(shí)間較短，因此，結(jié)合杉木心材不同高度處揮發(fā)性成分差異特點(diǎn)可知，杉木心材形成時(shí)間較短時(shí)，骨架碳數(shù)為15的非含氧倍半萜成分相對(duì)量較低；隨杉木心材形成時(shí)間增加，相應(yīng)成分的形成量增加并逐漸積累在杉木心材中，最終體現(xiàn)出如上規(guī)律。

圖1 26年生杉木不同樹高處心材揮發(fā)性成分靜態(tài)頂空-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用譜圖

2.1.2 樹齡及地域?qū)ι寄拘牟膿]發(fā)性成分的影響

樹木生長(zhǎng)年齡及生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)木材性質(zhì)具有顯著的影響[10-11]。因此，本研究對(duì)產(chǎn)自我國(guó)3個(gè)省(區(qū))的杉木基部心材中的揮發(fā)性成分進(jìn)行了分析。對(duì)比產(chǎn)自福建省南平縣的杉木(10年樹齡)、廣西柳州融安縣的杉木(11年樹齡)、浙江省衢州市開化縣的杉木(20年樹齡)、廣西柳州融安縣的杉木(26年樹齡)揮發(fā)性物質(zhì)譜圖(見圖2)，產(chǎn)自不同區(qū)域的杉木心材中揮發(fā)性成分種類基本一致，但是，在部分物質(zhì)的相對(duì)量上存在明顯差異。此現(xiàn)象在多種木材中普遍存在[12]，在進(jìn)行木材選用時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮這一差異，因材制宜。對(duì)比采自融安縣的11、26、48年樹齡的杉木心材揮發(fā)性成分譜圖(見圖2)，不同生長(zhǎng)時(shí)間的杉木心材中揮發(fā)性成分種類也基本一致，但隨著樹齡增加，部分物質(zhì)如3-蒈烯、D-檸檬烯、龍腦、α-松油醇等骨架碳數(shù)為10的單萜、酚類及酯類物質(zhì)的相對(duì)量明顯增加。少量倍半萜及二萜類物質(zhì)，如α-柏木烯及表淚杉醇的相對(duì)量也隨樹齡增加而增加。氣味成分隨樹齡發(fā)生的變化，48年樹齡杉木心材氣味比低樹齡杉木心材氣味濃厚持久。此現(xiàn)象表明，杉木在生長(zhǎng)過程中，其心材中的次生代謝產(chǎn)物會(huì)因樹木本身的生理活動(dòng)及環(huán)境持續(xù)影響而發(fā)生變化，且此現(xiàn)象普遍存在于各類木本及草本植物中[13-14]。同時(shí)，也進(jìn)一步印證了前述杉木揮發(fā)性成分縱向差異形成的原因。在確定杉木采伐時(shí)間及選擇用材時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此問題。

圖2 不同樹齡及地域的杉木心材揮發(fā)性成分靜態(tài)頂空-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用譜圖

2.2 杉木發(fā)香成分的檢測(cè)結(jié)果

固態(tài)微萃取前處理結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜-嗅聞聯(lián)用技術(shù)(GC-MS-O)是分析鑒別揮發(fā)性成分中氣味物質(zhì)的有效手段。本研究利用該技術(shù)對(duì)48年樹齡杉木心材在不同前處理溫度下?lián)]發(fā)性成分的差異進(jìn)行分析，并鑒別杉木中的主要香氣成分。通過研究發(fā)現(xiàn)，利用固態(tài)微萃取富集后進(jìn)樣的方法，可檢測(cè)出72種揮發(fā)性物質(zhì)，其中60種成分可被鑒定，主要為單萜及倍半萜類物質(zhì)。GC-MS-O法可檢出杉木心材中揮發(fā)性成分的種類，少于靜態(tài)頂空-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(HS-GC-MS)檢測(cè)方法，且主要差別為GC-MS-O法基本未檢出骨架碳數(shù)為20的二萜類成分。其原因?yàn)?，本研究中GC-MS-O測(cè)試采用的前處理溫度范圍為室溫至70 ℃，而HS-GC-MS測(cè)試的前處理溫度設(shè)置為180 ℃，因此，部分可通過HS-GC-MS方法檢出的沸點(diǎn)較高的二萜類物質(zhì)難以通過GC-MS-O技術(shù)被檢測(cè)到。但是，GC-MS-O采用的前處理溫度條件下采集到的揮發(fā)性成分，更貼近人對(duì)杉木香味物質(zhì)的感知溫度范圍，因此，利用GC-MS-O法更易得到杉木中的發(fā)香成分準(zhǔn)確信息。

由圖3可見：不同前處理溫度條件下檢測(cè)到的揮發(fā)性物質(zhì)種類一致。但是，隨前處理溫度升高，檜醇、柏木醇異構(gòu)體、表-柏木醇、Selin-6-en-4.alpha.-ol、Copaborneol、蓽澄茄醇、Himachalol、trans-Guai-11-en-10-ol、十氫二甲基甲乙烯基萘酚等，分子式為C15H26O的倍半萜成分相對(duì)量逐漸升高。本研究嗅聞分析發(fā)現(xiàn)，杉木心材中可鑒別出的發(fā)香成分有16種(見表3)，主要為倍半萜類化合物，其中分子式為C15H26O的倍半萜化合物對(duì)杉木氣味有較大的影響；此結(jié)果與杉木心材在相對(duì)較高溫度狀態(tài)下氣味更為濃厚的現(xiàn)象相匹配。此外，分子骨架為10及15個(gè)碳原子的萜類化合物，在較低預(yù)處理溫度條件下即表現(xiàn)出對(duì)氣味有較高的影響(10個(gè)碳原子的含氧，15個(gè)碳原子的不含氧)。因此，常溫或相對(duì)較低溫度下，可被人體顯著感知的發(fā)香成分，主要是分子骨架為10個(gè)碳原子的含氧單萜化合物、15個(gè)碳原子的非含氧倍半萜類物質(zhì)。本研究在分析過程中發(fā)現(xiàn)，一部分通過GC-MS檢測(cè)出的揮發(fā)性物質(zhì)并未體現(xiàn)出香氣特點(diǎn)，同時(shí)也存在未檢出物質(zhì)發(fā)香的情況。這兩種現(xiàn)象，在香氣成分分析過程中普遍存在[15-16]，主要是由儀器分析精度及發(fā)香成分氣味閾值差異產(chǎn)生的。因此，針對(duì)杉木心材氣味成分的研究有進(jìn)一步深入的必要。

圖3 不同溫度下48年樹齡杉木心材揮發(fā)性成分

表3 杉木心材中可識(shí)別發(fā)香成分列表及其氣味描述

3 結(jié)論

本研究表明，杉木心材中揮發(fā)性物質(zhì)成分組成受取材高度、產(chǎn)地、樹齡影響較小，但是，部分揮發(fā)性成分的相對(duì)量受上述因素影響較為明顯；α-柏木烯、長(zhǎng)葉烯在杉木心材揮發(fā)物中的相對(duì)量，隨樹高增加而逐漸增加；杉木心材揮發(fā)物中骨架碳數(shù)為10的單萜、酚類及酯類物質(zhì)和少量倍半萜及二萜類物質(zhì)的相對(duì)量，隨著樹齡增加而明顯增加。杉木心材中可鑒別出的發(fā)香成分有16種，常溫或相對(duì)較低溫度下可被人體顯著感知的，主要是分子骨架為10個(gè)碳原子的含氧單萜化合物、15個(gè)碳原子的非含氧倍半萜香味物質(zhì)。提升處理溫度有助于分子式為C15H26O的倍半萜成分逸出，且此部分物質(zhì)對(duì)杉木心材氣味也有較大的影響。研究結(jié)果，可為杉木的合理利用提供參考，對(duì)于杉木加工具有重要意義。