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应用动态顶空吸附-气相色谱-质谱法分析算盘子花气味的化学成分



全 文 :2015 年 3 月 Vol. 33 No. 3
March 2015 Chinese Journal of Chromatography 318 ~ 322
技术与应用 DOI:10. 3724 / SP. J. 1123. 2014. 11005
* 通讯联系人. Tel:(022)23502477,E-mail:fcshi@ nankai. edu. cn.
基金项目:国家自然科学基金重点项目(30930014).
收稿日期:2014-11-05
应用动态顶空吸附-气相色谱-质谱法
分析算盘子花气味的化学成分
黄代红, 张振国, 陈国平, 李后魂, 石福臣*
(南开大学生命科学学院,天津 300071)
摘要:花气味在维持大戟科(Phyllanthaceae)算盘子属(Glochidion)植物和头细蛾(Epicephala)专性传粉互利共生体系
中发挥关键作用。本研究采用动态顶空吸附法(dynamic headspace adsorption)收集算盘子(Glochidion puberum)花气
味,运用气相色谱-质谱(GC-MS)联用技术分离并鉴定其化学成分,用峰面积归一化法测得各组分的相对含量。结
果表明:算盘子花气味中共鉴定出 45 种挥发物,主要包含单萜和倍半萜类物质;芳樟醇(38. 06%)和 β-榄香烯
(23. 84%)相对含量最高,占总相对含量的 61. 9%,为主要的气味成分,推测这两种物质可能是吸引传粉头细蛾的
重要气味成分。本研究为进一步开展触角电生理检测和生物行为试验来筛选吸引传粉头细蛾的活性物质提供了
理论依据。
关键词:动态顶空吸附;气相色谱-质谱;花气味;算盘子;互利共生关系
中图分类号:O658 文献标识码:A 文章编号:1000-8713(2015)03-0318-05
Analysis of the components of floral scent in Glochidion
puberum using gas chromatography-mass spectrometry
with dynamic headspace adsorption
HUANG Daihong,ZHANG Zhenguo,CHEN Guoping,LI Houhun,SHI Fuchen*
(College of Life Science,Nankai University,Tianjin 300071,China)
Abstract:The floral scent plays the important key role in maintaining the obligate pollination mutualism
between Glochidion plants and Epicephala moths. In the study,the dynamic headspace adsorption technique
was employed to collect the floral scent emitted by Glochidion puberum,gas chromatography coupled with
mass spectrometry (GC-MS)was used for the detection and identification of volatile chemical compo-
nents in headspace samples of flowers from G. puberum. The peak area normalization was used to deter-
mine the relative contents of each odour component. The results showed that 45 compounds mainly con-
sisting of monoterpenes and sesquiterpenes were isolated from the floral scent produced by G. puberum.
Especially,both linalool (38. 06%)and β-elemene (23. 84%)were considered as the major scent com-
ponents of G. puberum. It was speculated that linalool and β-elemene may be the two potential com-
pounds attracting female Epicephala moths. The study provided the basic data for further electroantenno-
graphic detection and bioassays to identify the compounds having the actual physiological activity to fe-
male Epicephala moths.
Key words:dynamic headspace adsorption (DHSA);gas chromatography-mass spectrometry (GC-
MS);floral scent;Glochidion puberum;mutualism
大戟科(Phyllanthaceae)叶下珠族(Phyllantheae)
大部分植物都必须依赖种特异性传粉(雌性)头细
蛾(Epicephala)专门为其传粉,并且在雌花内产卵,双
方形成专性传粉互利共生关系[1-5]。花气味在此关
系中起着关键作用:可介导传粉者找到宿主植物,促
使两者相遇[6]。目前关于大戟科植物-头细蛾互利
第 3 期 黄代红,等:应用动态顶空吸附-气相色谱-质谱法分析算盘子花气味的化学成分
共生体系中花气味方面的报道较少,仅限于算盘子
属少数植物以及黑面神属植物小叶黑面神中[7,8]。
花气味是由植物花器官释放的一类低相对分子
质量、低沸点、低极性以及具有挥发性的次生代谢物
质[9]。在以往测定挥发物的研究中,通常采用传统
的收集方法,如溶剂抽提和水蒸气蒸馏提取法[10]。
这些技术操作存在对植物样品的机械损伤及温度变
化,导致挥发物的提取液中包含了大量不挥发性物
质,影响其真实性。因此,所获得的提取物很难代表
植物在正常生理状态下的挥发物组成[11]。目前,挥
发物收集的方法主要采用动态顶空吸附法(dynamic
headspace adsorption),它因具备活体植株取样、操作
便捷、对色谱柱的伤害较小等优点[12],不仅被广泛
应用于植物花气味的收集[13],如榕树[14-16]、百
合[17]、桂花[18]以及木兰[19]等,而且也常用来收集其
他物质中的挥发物,如小麦中的风味物质[20]、人工
牛黄中的残留溶剂[21]以及保健食品中的挥发物[22]
等。
算盘子(Glochidion puberum)隶属于大戟科
(Phyllanthaceae)算盘子属(Glochidion),直立灌
木,生于海拔 300 ~ 2 200 米山坡、溪旁灌木丛或
林缘。花期 4 ~ 8 月,果期 7 ~ 11 月,在我国主要
分布于南方省区[23]。目前主要集中于算盘子与
头细蛾专性互利共生关系方面的研究[24],至今
还未见算盘子花气味成分分析的报道。本研究
采用动态顶空吸附法收集算盘子花气味,运用气
相色谱-质谱(GC-MS)联用技术分析其化学成
分,为算盘子-传粉头细蛾互利共生关系的化学生
态学方面的研究提供理论基础。
1 实验部分
1.1 仪器与试剂
HP6890 (GC)-5975 (MS)型气相色谱-质谱联
用仪,美国 Agilent公司;聚氟乙烯采集袋(2 L,Te-
flon FEP),大连德霖气体包装有限公司;微型空气
泵(FAY4002,6 L),成都气海机电制造有限公司;
活性炭管(外径 6 mm,长 75 mm),Tenax TA 吸附
管(100 mg / 50 mg,60 / 80 目;外径 6 mm,长 75
mm),美国 Sigma-Aldrich 公司;玻璃转子流量计
(LZB-4),天津流量仪表有限公司;无味特氟隆管
(PTEE),瑞典 VICI Jour公司;棕色进样瓶(2 mL),
美国 Agilent 公司;正己烷,色谱纯,美国 Fisher 公
司;丙酮,优级纯,天津试剂公司。
1.2 材料
本研究顶空样品野外收集于 2013 年 5 月上
旬,供试植株为中国科学院昆明植物研究所百草
园内栽培的算盘子,采集盛花期的雌花和雄花各
约 200 朵。
1.3 算盘子花气味收集
采用动态顶空吸附法收集算盘子花气味[25],主
要工作流程为:将采集好的花放入无味透明的聚氟
乙烯采集袋中。首先,将通气泵产生的空气经过活
性炭管净化,主要目的是除掉空气中的水分以及灰
尘,以免影响后续吸附剂对花气味挥发物的吸附效
果,由采集袋进气口通入袋内,模拟自然状态花气味
挥发;然后,用抽气泵将花挥发的气味经由采集袋出
气口导入填充有 Tenax TA 吸附剂的玻璃管中,进
行吸附收集。通气端和进气端空气流速均由玻璃转
子流量计调节控制,为 400 mL / min。收集装置中
所有器件均用无味的特氟隆管连接。采样时间:晚
上 6 ∶30 ~ 11 ∶30,收集 5 h。用空气作为对照,与花
气味采集同步进行。
采集完毕后,用保鲜膜密封吸附管,然后用锡箔
纸包裹并装入自封袋,置于超低温冰盒带回实验室。
用 2 mL正己烷洗脱吸附管,收集 0. 5 mL 含有花气
味的洗脱液于 2 mL 棕色进样瓶内。氮吹浓缩至
100 μL。最后将样品置于-18 ℃冰箱保存,直至进
行仪器分析时取出。
1.4 气相色谱条件
在 Okamoto 等研究[7]的基础上对气相色谱条
件进行了优化。色谱柱:HP-5MS石英毛细管柱(30
m×0. 25 mm×0. 25 μm,Agilent,美国);程序升温:
40 ℃保持 5 min,之后以 3 ℃/ min 升温至 100 ℃,
最后以 5 ℃/ min 升至 200 ℃,保持 5 min;进样量 2
μL,采用分流模式,分流比 2 ∶1;进样口温度 250 ℃;
载气为高纯 He,流速 1. 0 mL / min。
1.5 质谱条件
电离方式 EI;质量扫描范围 m / z 35 ~ 450;电子
能量 70 eV;接口温度 280 ℃;离子源温度 230 ℃;四
极杆温度 150 ℃。
1.6 花气味化合物定性与半定量
花气味化学成分的鉴定首先利用仪器自带的标
准谱库(NIST08)进行检索,对于谱库检索结果物质
单一,且匹配度高的峰,直接根据检索结果给予确
认;然而,对于一些检索结果中出现两种及以上物质
的峰,进一步在 NIST 化学数据库网站(http:/ / web-
book. nist. gov / chemistry)上查询这些物质的保留
指数,根据保留指数大小,最后加以确定。运用离子
流峰面积归一化法计算花气味各挥发物组分的相对
·913·
色 谱 第 33 卷
含量。
1.7 数据分析
所有数据均表示为平均值±标准差。利用单因
素方差分析中的 Tukey’s方法检验花气味不同类型
挥发物相对含量之间的差异性。数据分析和图片制
作均用 Graphad Prism 5. 0 软件完成。
2 结果与分析
2.1 算盘子花气味动态顶空吸附-GC-MS 总离子
流图
花气味是植物长期进化的产物,在传粉过程中
起到了吸引传粉者的关键作用[26]。目前,动态顶空
吸附-GC-MS技术广泛应用在植物与昆虫的关系研
究中,运用此技术已分析鉴定出了小叶黑面神[8]、
鸡嗉子榕[14]花气味的化学成分,并且通过电生理以
及昆虫行为学实验筛选出了吸引各自传粉者的化合
物:小叶黑面神花中 2-苯乙醇和 2-苯乙腈,即具有
电生理活性,而且两者混合物也能够吸引传粉头细
蛾[8];鸡嗉子榕果挥发物中对苯甲基醚可以强烈地
吸引榕小蜂[14]。因此,这种方法可信度高,收集的
挥发物中包含了植物花真实的化学信息,可以为后
续开展昆虫学实验提供可信的数据。本研究也采用
动态顶空吸附-GC-MS对算盘子花气味成分进行分
析,获得其总离子流图(见图 1),扣除空气中杂质峰
后,共分离得到 47 个峰,可以认为此 47 个峰几乎代
表了自然状态下算盘子花挥发的全部挥发物。
图 1 算盘子花气味的动态顶空吸附-GC-MS总离子流图
Fig. 1 Total ion chromatograms of the floral scent
components in G. puberum using gas chro-
matography-mass spectrometry with dy-
namic headspace
2.2 算盘子花气味成分的 GC-MS分析
采用仪器自带谱库,运用计算机检索,结合人工
解析各个峰对应的质谱图,从算盘子花气味中共鉴
定出 45 种化合物(见表 1),相对含量超过 1% 的只
有 11 种,占总含量的 92. 33%,分别是:顺-丁酸-3-己
烯酯、反-β-罗勒烯、反-氧化芳樟醇(呋喃型)、芳樟
醇、β-榄香烯、γ-芹子烯、大根香叶烯 D、β-芹子烯、α-
芹子烯、β-人参烯和苯乙腈。在这 45 种挥发物中,
有超过 40 种的化合物广泛存在于其他一些植物花
中[27]。因此,与同科植物小叶黑面神以及其他 5 种
算盘子植物一样[7,8],算盘子花气味的化学组成也
是通过常见的化合物来体现的。
表 1 运用 GC-MS分析算盘子花气味成分的相对含量
Table 1 Relative contents of the floral scent components of G. puberum using gas chromatography-mass spectrometry
Compound Retention time / min Relative content / %
Fatty acid derivatives(脂肪酸衍生物)
(E)-2-Hexenal(反-2-己醛) 8. 270 0. 08±0. 03
(Z)-3-Hexen-1-ol(顺-3-己烯-1-醇) 8. 458 0. 15±0. 03
Hexenyl acetate(乙酸己烯酯) 16. 369 0. 04±0. 01
(Z)-2-Hexenyl acetate(顺-乙酸-2-己烯酯) 16. 523 0. 02±0. 01
(Z)-3-Nonen-1-ol(顺-3-壬烯-1-醇) 23. 395 0. 10±0. 03
(E)-2-Nonenal(反-2-壬醛) 23. 607 0. 16±0. 04
(E)-2-Nonen-1-ol(反-2-壬烯-1-醇) 24. 141 0. 05±0. 03
(Z)-3-Hexenyl butyrate(顺-丁酸-3-己烯酯) 24. 984 1. 16±0. 33
Hexyl butyrate(丁酸己酯) 25. 258 0. 42±0. 01
(E)-2-Hexenyl butyrate(反-丁酸-2-己烯酯) 25. 406 0. 26±0. 06
(Z)-3-Hexenyl isovalerate(顺-异戊酸-3-己烯酯) 26. 977 0. 10±0. 02
(Z)-3-Hexenyl valerate(顺-戊酸-3-己烯酯) 27. 136 0. 11±0. 02
2-Ethylhexyl butyrate(丁酸-2-乙基己酯) 30. 338 0. 05±0. 01
Monoterpenes(单萜类)
2-Pentylfuran(2-戊基呋喃) 15. 103 0. 13±0. 05
(Z)-β-Ocimene(顺-β-罗勒烯) 17. 549 0. 06±0. 02
(E)-β-Ocimene(反-β-罗勒烯) 18. 059 1. 72±0. 39
(Z)-Linalool oxide(furanoid)(顺-氧化芳樟醇(呋喃型)) 19. 220 0. 67±0. 23
(E)-Linalool oxide(furanoid)(反-氧化芳樟醇(呋喃型)) 20. 043 3. 14±0. 53
Linalool(芳樟醇) 21. 006 38. 06±3. 36
·023·
第 3 期 黄代红,等:应用动态顶空吸附-气相色谱-质谱法分析算盘子花气味的化学成分
表 1 (续)
Table 1 (Continued)
Compound Retention time / min Relative content / %
6-Ethenyldihydro-2,2,6-trimethyl-2H-pyran-3(4H)-one 21. 136 0. 75±0. 33
(6-乙烯基-2,2,6-三甲基-2氢-呋喃-3(4 氢)-酮)
(E,Z)-2,6-Nonadienal(反,顺-2,6-壬二烯) 23. 289 0. 07±0. 01
Sesquiterpenes(倍半萜)
α-Ylangene(α-衣兰烯) 31. 821 0. 36±0. 16
α-Copaene(α-胡椒烯) 31. 961 0. 26±0. 41
β-Elemene(β-榄香烯) 32. 573 23. 84±0. 07
β-Caryophyllene(β-石竹烯) 33. 266 0. 95±0. 15
β-Copaene(β-胡椒烯) 33. 545 0. 21±0. 07
γ-Elemene(γ-榄香烯) 33. 671 0. 48±0. 14
α-Guaiene(α-愈创木烯) 33. 810 0. 05±0. 01
Alloaromadendrene(别香橙烯) 33. 969 0. 15±0. 06
Humulene(葎草烯) 34. 229 0. 21±0. 05
4,5-di-epi-aristolochene(4,5-二-非手性-马兜铃烯) 34. 667 0. 07±0. 01
γ-Selinene(γ-芹子烯) 34. 860 4. 37±0. 39
Germacrene D(大根香叶烯 D) 35. 014 3. 93±1. 35
β-Selinene(β-芹子烯) 35. 173 5. 05±0. 09
α-Selinene(α-芹子烯) 35. 409 6. 14±0. 16
α-Panasinsen(α-人参烯) 35. 972 0. 32±0. 04
β-Panasinsen(β-人参烯) 39. 343 2. 88±0. 12
Aromatics(芳香族)
Benzaldehyde(苯甲醛) 13. 364 0. 04±0. 02
Benzyl nitrile(苯乙腈) 22. 571 2. 04±0. 09
Methyl salicylate(水杨酸甲酯) 25. 172 0. 03±0. 03
Indole(吲哚) 29. 293 0. 10±0. 01
Eugenol(丁香酚) 31. 422 0. 10±0. 04
Mellein(蜂蜜曲菌素) 36. 627 0. 34±0. 06
(Z)-3-Hexenyl benzoate(顺-苯甲酸-3-己烯酯) 37. 263 0. 19±0. 03
Hexyl benzoate(苯甲酸己酯) 37. 436 0. 07±0. 02
Unknown(未知化合物) 0. 19±0. 13
芳樟醇(38. 06 ±3. 36)% 和 β-榄香烯(23. 84 ±
0. 07)%两种物质在算盘子花气味中含量最高,总
共占相对含量的 61. 9% (见表 1),是算盘子花气味
的主要成分,与已报道的 5 种算盘子植物相比,它们
的花气味主要成分之间存在明显的差异[7]。小叶
黑面神花中 2-苯乙醇和 2-苯乙腈含量最高,超过
80%,昆虫学实验证明,这两种物质具有很强的电生
理活性,两者混合物能够强烈吸引小叶黑面神头细
蛾[8];因此,推测芳樟醇和 β-榄香烯两种含量很高
的挥发物也可能是吸引算盘子头细蛾的活性物质。
对于此推测还需要进一步进行头细蛾电生理以及昆
虫行为学试验来验证。
2.3 算盘子花气味中不同类型挥发物的比较
目前,通过现代提取技术从 1 000 种植物花中
已分离到 1 720 种挥发性有机化合物[27]。通常分
为 3 大类:(1)脂肪族衍生物,通过脂肪酸途径合
成;(2)单萜和倍半萜类化合物,主要通过异戊二烯
途径合成;(3)苯环类芳香族化合物,通过莽草酸途
径合成[28]。在算盘子花气味中,单萜类和倍半萜类
物质相对含量最高,分别为(44. 6±2. 06)% 和(49. 6
±2. 46)%,显著高于脂肪族衍生物(2. 71±0. 45)%
和芳香族化合物(2. 91±0. 06)%。
大戟科叶下珠族算盘子属、黑面神属植物与头
细蛾之间都存在专性传粉育幼互利共生关系[2-5]。
同本研究一样,Okamoto 等[7]发现另外 5 种算盘子
属植物花气味也主要以萜类物质为主,尤其是单萜
类物质。然而,Svensson 等[8]研究表明小叶黑面神
花气味中芳香族化合物相对含量最高[7]。尽管与
传粉头细蛾相关的叶下珠族植物种类繁多,但现已
分析鉴定出花气味成分的植物种类有限,就目前研
究结果的对比分析可以看出,与头细蛾相关的叶下
珠族不同属间植物花气味化合物类别组成存在明显
的差异,主要原因可能是黑面神属和算盘子属植物
在叶下珠族植物发育系统中分别属于不同的独立的
进化枝系[29],导致它们的花气味在进化过程中同样
分化出属于本属特定的、区别于其他属的化合物类
别,同时也推测此类特定的化合物包含了其专门与
种特异性传粉头细蛾进行化学交流的主要物质。
·123·
色 谱 第 33 卷
3 结论
采用动态顶空-GC-MS技术分析算盘子花气味
化学成分,结果发现芳樟醇(38. 06%)和 β-榄香烯
(23. 84%)这两种物质含量最高,推测可能是吸引传
粉头细蛾的重要气味成分。本研究为进一步开展触
角电生理检测和生物行为试验来筛选吸引传粉头细
蛾的活性物质提供了理论依据。
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