全 文 ：收稿日期: 20020927
基金项目: 北京市自然科学基金项目( 8012011)和人事部中国博士后基金项目( 15203)内容之一
作者简介: 郑华( 1971 ) ,男,重庆荣昌人,助理研究员,在职博士后.
林业科学研究 2003, 16( 3) : 328~ 334
Forest Research
文章编号: 10011498( 2003) 03032807
活体珍珠梅挥发物释放的季节性
及其对人体脑波影响的初探
郑 华1 , 金幼菊2 , 周金星3 , 李文彬2
( 1 中国林业科学研究院资源昆虫研究所,云南 昆明 650216;
2 北京林业大学,北京 100083; 3 中国林业科学研究院林业研究所,北京 100091)
摘要: 采用改进的便携式循环收集装置, 直接捕集无损伤天然活体绿化植物珍珠梅的挥发成分, 进行
热脱附气相色谱质谱联用( TCTGCMS)分析, 鉴定出不同季节的挥发成分差异, 并结合相关的人体
脑波测试实验总体结果及挥发成分中的刺激性、毒害性物质评价, 指出珍珠梅对于林业人类工效学中
绿色嗅觉环境建设的慎用问题。
关键词: 珍珠梅;林业人类工效学;绿色嗅觉环境; 植物挥发物
中图分类号: S173 S731 1 文献标识码: A
目前,人类工效学在林业上的应用主要是针对各种林业机械产品的安全、高效、人性化及
舒适性设计。而研究森林环境中的各种因素(植物色彩、挥发成分等)对人体的作用机制仍是
根据人的一般性直觉,缺乏系统深入的科学理论与实验依据。现代芳香生理心理学研究的兴
起[ 1] ,为植物挥发性成分及其人类工效学评价研究提供了理论指导; 高效活体样品收集技术、
天然挥发成分鉴定技术、人体生理指标测定技术的发展,使有关植物挥发物的化学生态分析及
其人体作用效应研究得以实际操作 [ 2] 。日本和奥地利在木质嗅觉环境、芳香精油疗法等研究
方面考察了非活体植物挥发物对人体瞳孔光反射、指尖脉波、末梢皮肤温、脑波等生理指标的
影响,目前公认脑波是反映人体受嗅觉环境影响而产生相应情绪趋向的较敏感指标,并逐步完
善了脑波测定仪;研究结果根据环境因素引起各频段脑波(主要包括相对高频的 波、较低频
的 波和低频的 波等)比例的变化, 可较准确地判断出人体趋向于紧张或松弛、焦虑或愉快
等[ 3~ 5] 。
珍珠梅( Sorbaria kirilowii ( Regel) Maxim. )是北京各公园、绿地、庭院常见的观赏灌木, 具有
较特殊的挥发性成分。本文针对其挥发成分进行了相应的仪器分析及人体生理指标测定实
验,为林业人类工效学创造和谐绿色嗅觉环境的研究提供基础性成果。
1 实验方法
珍珠梅挥发物采自北京林业大学住宅区绿地,分别来自春、夏、秋 3个季节(夏季分别于晴
天及雨后采集)。挥发物样品采集过程确保在无损伤天然活体状态下进行。
11 采样装置及方法
( 1) QC1型大气采样仪(便携式泵) :北京市劳动保护科学研究所制;
( 2) 500 mL 玻璃干燥塔(过滤作用) : 内装 60~ 80目粉状无臭活性炭;
( 3) 20 mL 玻璃过滤管(二次过滤用) :内装 80目 GDX101吸附剂;
( 4) 玻璃转子流量计(调节采样气流) :北京自动化仪表四厂出品;
( 5) 惰性取样袋(规格或更大) :美国 Reynolds公司出品;
( 6) Chrompack热脱附分析玻璃管:内装TenaxGR吸附剂。
图 1 活体植物挥发物样品采集装置
用洁净的硅胶管连接好装置, 先抽去袋内空气, 然后充入
适量经 2级过滤的空气, 再将装置改为密闭循环气路(如图 1
所示) ,使惰性袋内的植物体挥发成分收集于 TenaxGR吸附管
内,迅速密封后,低温贮藏或及时分析。
该方法与国内外同类样品收集技术比较,具有下列特点:
( 1)取样袋优于传统材料(如聚乙烯袋等) [ 6] ; ( 2)全套装置比液
空( aquaspace)采集法[ 7]便携, 适于室外操作; ( 3)直接针对天然
活体植物,避免了一些取样法对植物体的损伤 [8] ; ( 4)吸附剂收
集沸程范围宽, 捕集样品成分逼真性高。
12 样品分析方法
GCMS法对气体样品的分析可用适宜的溶剂吸附后直接进样 GC,或用吸附剂吸附后再脱
附。脱附法中的溶剂洗脱因要求溶剂对样品中所有组分都具有良好溶解性而难以实现, 但热
脱附则可通过合理的温度设置达到所有被吸附组分的解吸,其脱附的挥发物组分在数量和强
度上都多于溶剂洗脱。因此, 在经过前期实验比较之后, 本研究对挥发物采用 TCTGCMS
(Thermaldesorption Cold TrapGas ChromatographMass Spectrum,热脱附气相色谱质谱联用)法分
析。仪器: TCTGCMS( ChrompackTrace2000Voyager Finnigan)。操作条件:柱温 40~ 270 ,
升温速率 5 !min- 1 ,载气为氦气( 99999%) , 电离电压 70 eV, 灯丝电流 02 mA,质量范围 29
~ 350,离子源温度 200 , 接口温度 250 。在严格注意各项操作规程、避免样品损失及杂质
干扰的条件下, TCTGCMS 基本上可以实现分析操作的自动化,所得质谱图的检索可直接在计
算机上进行,其检索比GCFTIR(气相色谱傅里叶红外光谱联用)方便。所得 GCMS原始数据
总离子流( TIC)图中,各峰代表的化学信息经计算机检索NIST 库,并根据保留时间和其它
化学经验,参考相关资料进行确认及筛选。
13 人体脑波测定
用日本脑力开发研究所制造的 Brain Builder脑波测定仪测定被测者安静闭目时连续 5 min
的脑波变化,其中 1~ 3 min时段嗅闻珍珠梅气味,其它时段(嗅前、嗅后)无珍珠梅气味。测试
人数符合人类工效学基本要求数量;测试分别在春、夏、秋 3个季节进行,最后综合统计结果。
2 结果与讨论
21 挥发成分鉴定及评价
珍珠梅的挥发性成分TCTGCMS 分离如图 2所示, 因篇幅所限,不能在图中一一标出某
些需局部放大峰的 RT 值(如秋季样品的 2179和 2254峰未在图上标出, 但列于表 4中) ;成
329第 3 期 郑华等: 活体珍珠梅挥发物释放的季节性及其对人体脑波影响的初探
分鉴定结果见表 1~ 4。表中: RT 为保留时间( min) , 对应于图 2 中的范围为横坐标 288~
3489; mz为质荷比; ∀ ?#为无法区分的旋光异构体。实验分析的各挥发物谱图均对照空白试
验确定可能组分(采样过程中进入惰性袋内并起到循环流动载气作用的过滤空气成分作为挥
发物分析的空白本底) , 各离子峰均扣除干扰本底进行检索判断。对照空气空白本底根据
2001年10次采样分析结果综合统计确定,主要成分为2乙基2羟甲基1, 3丙二醇( 3224%)、
庚烷 ( 1961%)、己内酰胺 ( 1077%)、三氯甲烷 ( 氯仿 ) ( 530%)、乙醇 ( 479% )、丙
酮( 472%)、二氯甲烷( 454%)、苯( 416% )等。如各挥发物谱图中出现上述成分, 则对比本
保 留时间min
图 2 珍珠梅挥发物的热脱附气相色谱质谱分析总离子流图(自上而下依次为春季、夏季晴天、夏季雨后、秋季采样)
表 1 春季珍珠梅挥发物主要化学成分的热脱附气相色谱质谱分析结果(已扣除本底)
保留时间
min
质荷比
(mz) 化合物
相对含量
%
487 43 Acetic acid, methyl ester ( Devoton) 乙酸甲酯 19
577 43 Ethyl acetate (Acetic acid, ethyl ester) 乙酸乙酯 28
626 60 Acet ic acid ( Ethanoic acid) 乙酸 19
651 44 Pentanal (Valeraldehyde) 戊醛 06
833 55 1Butanol , 3methyl ( isopentyl alcohol) 异戊醇 72
1189 41 2Hexenal, ( E ) ( ( E)2Hexenal ) ( E)2己烯醛 21
1448 93 Bicyclo [ 311] hept2ene, 3, 6, 6trimethyl 3, 6, 6三甲基2降蒎烯 02
(2Norpinene, 3, 6, 6trimethyl )
1574 93 Phellandrene ( Cyclohexene, 3methylene 水芹烯 02
6[ 1methylethyl ])
1688 107 3Pyridinecarboxaldehyde(Nicotinaldehyde) 烟碱醛 85
1733 86 LLeucine, methylester (Leucine, methylester, L ) L亮氨酸甲酯 245
1779 86 LIsoleucine, methylester ( Isoleucine, methylester, L) L异亮氨酸甲酯 26
2050 98 LProline, 1methy5oxo , methylester 1甲基5羧基L脯氨酸甲酯 05
2325 121 Formamide, Nphenyl ( Formanilide) N甲酰苯胺 91
2881 119 1Butanamine, N [2pyridinylmethylene] N[ 2吡啶亚甲基]1丁胺 247
330 林 业 科 学 研 究 第16卷
表 2 夏季晴天珍珠梅挥发物主要化学成分的热脱附气相色谱质谱分析结果(已扣除本底)
保留时间
min
质荷比
( mz) 化合物
相对含量
%
418 58 Trimethylamine 三甲胺 19
424 31 Ethy ether ( Ethane, 1, 1oxybis) 乙醚 14
442 74 Hydrazine, trimethyl( N , N , N Trimethylhydrazine) 三甲基肼 20
471 43 Pentane, 2methyl ( isohexane) 2甲基戊烷(异己烷) 09
487 57 Pentane, 3methyl ( 3Methylpentane) 3甲基戊烷 12
597 60 Acetic acid ( Ethanoic acid) 乙酸 78
655 43 2Propanone, 1hydroxy ( Acetol) 丙酮醇 05
681 44 Pentanal ( Valeraldehyde) 戊醛 02
954 44 Hexanal ( nCaproaldehyde) 己醛 18
992 43 Acet ic acid, butyl ester ( nButyl acetate) 乙酸丁酯 05
1064 96 Furfural (2Furancarboxaldehyde) 糠醛 03
1221 57 3Hexanone, 5methyl ( Ethyl isobutyl ketone) 5甲基3己酮 03
1276 44 Heptanal ( nHeptaldehyde) 庚醛 06
1384 93 Bicyclo [ 311] hept2ene, 3, 6, 6trimethyl 3, 6, 6三甲基2降蒎烯 12
( 2Norpinene, 3, 6, 6trimethyl )
1405 193 Acetic acid, N (2 [ 1hydroxyl1phenylethyl] 乙酸 N ( 2[ 1羟基1 04
phenyl) hydrazide 苯乙基]苯基)酰肼
1493 77 Benzaldehyde ( Artificial Almond Oil) 苯甲醛 33
1530 41 2( 5H)Furanone, 3methyl( ? Methyl 3甲基2(3氢)呋喃酮 08
? crotonolactone)
1543 94 Carbamic acid, phenyl ester ( Phenyl carbamate) 氨基甲酸苯酯 27
1552 60 Pentanoic acid ( Valeric acid) 戊酸 05
1627 93 1, 4Cyclohexadiene, 1methyl4 ? 萜品烯 05
(1methylethyl)( ? Terpinene)
1681 57 2Propyl1pentanol 2丙基1戊醇 40
1691 68 Limonene ( Cyclohexene, 1methyl4[ 1methylethenyl ] ) 苎烯 07
1818 105 Acetophenone ( Ethanone, 1phenyl) 苯乙酮 13
1909 57 Nonanal ( nNonaldehyde) 壬醛 35
2095 41 Undecanal ( nUndecanal) 十一醛 08
2183 128 1HIndene, 1methylene (1Methylene1Hindene) 1甲基1氢茚 08
2194 41 Decanal ( nDecaldehyde) 癸醛 29
2245 132 Thiourea, tetramethyl (Urea, 1, 1, 3, 3tetramethyl2thio) 四甲基硫脲 02
2347 57 Nonanoic acid ( nNonanoic acid) 壬酸 05
2470 142 Naphthalene, 1methyl ( ? Methylnaphthalene) 1甲基萘 02
2512 142 Naphthalene, 2methyl ( ? Methylnaphthalene) 2甲基萘 02
2747 161 1, 4Methanoazulene, decahydro4, 8, 8 十氢4, 8, 8三甲基9 13
trimethyl9methylene 亚甲基1, 4亚甲基
2784 43 5, 9Undecadien2one, 6, 10dimethyl , 顺 牛儿基丙酮 19
( E ) ( transGeranylacetone) (香叶基丙酮)
2815 165 7Methoxy2, 2, 4, 8t et ramethyltricyclo 7甲氧基2, 2, 4, 8四甲基 08
[ 5310( 411) ] undecane 三环[ 5310( 411) ]十一烷
2837 177 2, 5Cyclohexadiene1, 4dione, 2, 6bis( 1, 1 2, 6二叔丁基对苯醌 15
dimethylethyl ) ( pBenzoquinone, 2, 6di tertbutyl)
3020 102 Phenylmaleic anhydride ( 2, 5Furandione, 3phenyl) 苯基马来酸酐 08
3056 115 Butanedioic acid, methyl , bis( 1methylpropyl) ester 甲基丁二酸二( 1甲基丙基)酯 08
3275 55 1Pentadecanol ( nPentadecanol) 十五醇 03
3639 149 1, 2Benzenedicarboxylic acid, bis( 2methylpropyl ) ester 邻苯二甲酸二异丁酯 02
(Phthalic acid, diisobutylester)
3813 149 Dibutyl phthalate ( 1, 2Benzenedicarboxylic acid, dibutylester) 邻苯二甲酸二丁酯 02
4038 55 1Heptadecanol ( nHeptadecanol) 十七醇 07
底挥发成分的强度数量级(等于或低于本底)予以合理扣除。图 2各总离子流( TIC)图中, 春季
331第 3 期 郑华等: 活体珍珠梅挥发物释放的季节性及其对人体脑波影响的初探
样品的 RT3112和 3318,夏季晴天样品的 RT505、1602和 2920, 夏季雨后样品的 RT1600
以及秋季样品的 RT978、1490、1594和 2197 等峰均已按此原则扣除(如夏季晴天样品的
RT505为 2乙基2羟甲基1, 3丙二醇,已扣除) ,分析过程中由仪器产生的其它信号干扰亦已
扣除。
表 3 夏季雨后珍珠梅挥发物主要化学成分的热脱附气相色谱质谱分析结果(已扣除本底)
保留时间
min
质荷比
(mz) 化合物
相对含量
%
427 58 Trimethylamine 三甲胺 04
447 31 Ethy ether ( Ethane, 1, 1oxybis) 乙醚 15
463 43 Acetic acid, methyl ester ( Devoton) 乙酸甲酯 175
481 43 Acetic acid, hydrazide ( Acethydrazide) 乙酰肼 40
499 41 2Propenal, 2methyl ( Methyacrylaldehyde) 2甲基2丙烯醛 05
547 43 Ethyl acetate (Acetic acid, ethyl ester) 乙酸乙酯 80
616 44 Butanal, 3methyl ( Isovaleraldehyde) 3甲基丁醛(异戊醛) 06
696 44 Pentanal (Valeraldehyde) 戊醛 05
964 44 Hexanal ( nCaproaldehyde) 己醛 13
1000 43 Acetic acid, butyl ester ( nButyl acetate) 乙酸丁酯 05
1073 96 Furfural ( 2Furancarboxaldehyde) 糠醛 00
1280 44 Heptanal ( nHeptaldehyde) 庚醛 15
1309 43 Acetic acid, Pentyl ester ( nAmyl acetate) 乙酸戊酯 02
1675 57 2Propyl1pentanol 2丙基1戊醇 05
1798 57 2Nonen1ol , ( E) ( ( E )2Nonen1ol ) ( E)2壬烯醇 09
1904 57 Nonanal ( nNonaldehyde) 壬醛 79
2088 41 Undecanal ( nUndecanal) 十一醛 16
2187 41 Decanal ( nDecaldehyde) 癸醛 77
2767 43 5, 9Undecadien2one, 6, 10dimethyl, 反 牛儿基丙酮(香叶基丙酮) 03
( E ) ( transGeranylacetone)
2798 165 7Methoxy2, 2, 4, 8t etramethyltricyclo 7甲氧基2, 2, 4, 8四甲基三环 08
[ 5310( 411) ] undecane [ 5310( 411) ]十一烷
3040 115 Butanedioic acid, methyl, bis( 1methylpropyl ) ester 甲基丁二酸二(1甲基丙基)酯 03
3625 149 1, 2Benzenedicarboxyl ic acid, bis( 2methylpropyl) 邻苯二甲酸二异丁酯 06
ester ( Phthalic acid, diisobutylester)
3800 149 Dibutyl phthalate ( 1, 2Benzenedicarboxylic acid, dibutylester) 邻苯二甲酸二丁酯 14
4023 55 1Heptadecanol ( nHeptadecanol) 十七醇 06
TCTGCMS成分分析结果显示,珍珠梅的挥发性成分较为复杂,且不同季节和时间存在差
异,如春秋季均检测到烟碱醛(相对含量分别为 85%和 14%) ,而夏季未检出。挥发成分中
有较明显的含氮化合物,如 L亮氨酸甲酯(春季)、烟碱醛、苯基甲酰胺(春、秋季)、三甲胺(夏
季)、三甲基肼(夏、秋季)、乙酰肼(夏季)、氨基甲酸苯酯(夏季)等,其中烟碱醛具有刺激性,肼
类物质有不同程度的臭气及毒性[ 9]。乙酸乙酯具挥发性及水果香[ 9] ,但含量小而气味不显著;
春、夏季可检测到的乙酸甲酯则有似氯仿气味及辛辣味 [9] 。夏季挥发成分种类多, 其中有不少
醛类物质,如庚醛具有刺激性果香,壬醛、癸醛呈果香和花香, 十一醛有甜味, 苯甲醛有似苦杏
仁气味 [ 9] ,等等,使醛类物质总体上呈复杂气味。春季挥发成分中的异戊醇有特殊不愉快气
味,其蒸气有毒 [9] 。
332 林 业 科 学 研 究 第16卷
表 4 秋季珍珠梅挥发物主要化学成分的热脱附气相色谱质谱分析结果(已扣除本底)
保留时间
min
质荷比
(mz) 化合物
相对含量
%
443 59 Hydrazine, trimethyl ( N ,N , N Trimethylhydrazine) 三甲基肼 213
529 43 Ethyl acetate (Acetic acid, ethyl ester) 乙酸乙酯 55
681 44 Pentanal (Valeraldehyde) 戊醛 07
839 60 Acet ic acid ( Ethanoic acid) 乙酸 28
858 91 Toluene ( Benzene, methyl) 甲苯 08
1124 41 2Hexenal , ( E) ( ( E )2Hexenal) ( E)2己烯醛 15
1272 44 Heptanal ( nHeptaldehyde) 庚醛 04
1648 107 3Pyridinecarboxaldehyde ( Nicotinaldehyde) 烟碱醛 14
1669 57 2Propyl1pentanol 2丙基1戊醇 11
1765 41 2Octenal ( 2Octen1al) 2辛烯醛 18
1806 105 Acetonphenone ( Ethanone, 1phenyl) 苯乙酮 12
1895 57 Nonanal ( nNonaldehyde) 壬醛 30
2173 120 Methyl sal icylate ( Benzoic acid, 2hydroxy , methylester) 水扬酸甲酯 59
2179 41 Decanal ( nDecaldehyde) 癸醛 42
2254 121 Formamide, Nphenyl ( Formanilide) N甲酰苯胺 49
2767 43 5, 9Undecadien2one, 6, 10dimethyl , ( E) 反 牛儿基丙酮(香叶基丙酮) 30
( transGeranylacetone)
2890 93 ? Farnesene ( 1, 3, 6, 10Dodecatetraene, 3, 7, 11trimethyl) ? 金合欢烯(法呢烯) 45
3041 115 Butanedioic acid, methyl, bis( 1methylpropyl) ester 甲基丁二酸二(1甲基丙基)酯 04
22 人体脑波测定及综合评价
图3显示被测人在夏季吸入
珍珠梅挥发物前后的脑波比例变
化状况(春、秋季所进行的试验结
果与此基本相似,此处从略)。脑
波测定综合结果表明, 被试人群
嗅闻珍珠梅后,总体情绪趋向是
焦虑、紧张方向( 波在脑波中所
占比例增加, 波呈下降趋势,
波总体上有一定增加, 但其中的 图 3 吸入珍珠梅挥发物前后的脑波比例变化状况
快慢波变化不明显, 因此对情绪趋向未产生显著影响)。结合挥发物化学成分分析结果, 初步
评价珍珠梅产生的绿色嗅觉环境质量状况,可见珍珠梅中由于含有某些特殊的挥发性成分(虽
然在不同季节具有差异, 但综合嗅觉作用效果基本相似) , 使其总体绿色嗅觉质量不利于人体
产生安定、松弛、愉快、舒畅的情绪趋向,因而在城市及居住区绿地植物配置中应注意控制其种
植总量及种植密度适宜, 以发挥其景观视觉效益为主, 避免产生不良嗅觉效应。
3 结论
珍珠梅作为北京常见的绿化植物,其挥发物质的组成复杂,经 TCTGCMS 分析检测, 发现
其在春、夏、秋季等不同时段的挥发成分有明显差异,但 3个季节均可检测到一定程度的有刺
激性及有毒挥发成分。针对各季节挥发成分进行的人体脑波测定表明,珍珠梅挥发物在总体
333第 3 期 郑华等: 活体珍珠梅挥发物释放的季节性及其对人体脑波影响的初探
上对林业人类工效学创造良好绿色嗅觉环境的意义不理想。
参考文献:
A Preliminary Study on Human Brain Waves Influenced by Volatiles Released
from Living Sorbaria kirilowii( Regel)Maxim. in Different Seasons
ZHENGHua1 , JIN Youju2 , ZHOUJinxing 3 , LI Wenbin2
( 1 Research Institute of Resources Insects, CAF, Kunming 650216, Yunnan, China;
2 Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 3 Research Institute of Forestry, CAF, Beijing 100091, China)
Abstract: As one of the most common greenery vegetations in Beijing, Sorbaria kirilowii was investigated on its
natural volatiles without damaged from the living plant. Such substances of volatiles were collected by high ad
sorptive TenaxGR by a portable circular system for lab TCTGCMS analysis, which could determine most of
the sampled chemicals. Variations of components in different seasons were found in the plant volatiles. The test
on health volunteers inhaling such volat iles was observed that the trend of human mood changed into anxiety and
tension, according to brain wave data simultaneously. Thus much attentions should be paid to the green olfactory
environment design of forestry ergonomics with strictly use of Sorbaria kirilowii.
Key words: Sorbaria kirilowii ; forestry ergonomics; green olfactory environment; plant volatile
334 林 业 科 学 研 究 第16卷