LED 補(bǔ)光對薄荷影響論文
芳香植物是兼有藥用植物和香料植物共有屬性的植物類群，可凈化空氣、殺菌消毒，同時有一定的藥用和觀賞價值，在室內(nèi)家居綠化應(yīng)用中具有其他綠色植物不可替代的功效。亞洲薄荷(Mentha arvensis)為唇形科薄荷屬(Mentha)中常見的多年生宿根性芳香植物，具有清涼的薄荷香氣，其生性強(qiáng)健、生長快、較耐蔭、含油率高，是作為辦公樓、家庭等室內(nèi)綠化的較為理想的植物品種，具有較高的開發(fā)利用價值。
近年來，LED(light emittingdiodes)因具有光效高、光色全、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被應(yīng)用于許多植物光生理領(lǐng)域的研究或植物栽培上。對亞洲薄荷進(jìn)行適宜條件的LED 補(bǔ)光，可使亞洲薄荷在室內(nèi)生長良好，從而達(dá)到更佳的改善室內(nèi)空氣和美化室內(nèi)環(huán)境的效果。目前，國內(nèi)外對亞洲薄荷及薄荷屬植物的研究主要集中在栽培育種、藥理作用、揮發(fā)油及非揮發(fā)性成分的提取和分析等方面，對LED 光源對植物生長發(fā)育的影響的研究主要集中在形態(tài)結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、光合特性、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)等方面，而對LED 光源用于芳香植物的補(bǔ)光并如何影響其揮發(fā)性成分的研究鮮見報道。動態(tài)頂空采集法是一種有效收集自然狀態(tài)下植物揮發(fā)物的方法，隨著氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)的日趨成熟和揮發(fā)物采集技術(shù)的不斷完善，頂空分析法使分析和鑒定自然狀態(tài)下植物揮發(fā)物的成分成為可能，并已得到廣泛應(yīng)用[9]。本研究采用動態(tài)頂空法，結(jié)合全自動熱脫附-氣相色譜/質(zhì)譜(ATD-GC/MS)聯(lián)用技術(shù)，對亞洲薄荷的活體植株進(jìn)行自然香氣的采集和分析，其結(jié)果更接近自然狀態(tài)下的香氣構(gòu)成，通過研究不同LED 補(bǔ)光對亞洲薄荷自然香氣成分的影響，為其在室內(nèi)綠化中的深度開發(fā)提供一定依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
1.1.1 植物材料
試驗用亞洲薄荷采用根段繁殖，將新鮮采摘的亞洲薄荷根段洗凈、去除須根，切成約3cm 的小段，取30 個根段為1 組，共21 組，保證每組總濕重相同(24±0.1 g)，栽植于預(yù)先配好的基質(zhì)中(泥炭土和珍珠巖按體積比3:1 均勻混合)。待幼苗第一對真葉長出后，即于2015 年3 月21 日進(jìn)行補(bǔ)光試驗，以28 W 熒光燈模擬一般室內(nèi)的光照環(huán)境，實(shí)驗組在熒光燈基礎(chǔ)上，分別用紅、藍(lán)、白3 種不同光質(zhì)的LED 燈進(jìn)行補(bǔ)充光照處理，各組LED 補(bǔ)光燈的具體參數(shù)和設(shè)置見表1，每組三個平行。熒光燈距離試驗植株50 cm，LED 補(bǔ)光燈距離植株65 cm，光照時間從每天8 時至18 時，共計10 h，在光照結(jié)束后，將各組植株移入相同的暗室環(huán)境中。環(huán)境溫度控制在25±1℃，環(huán)境濕度控制在75±5%，每隔三天澆一次水，不施予化肥、營養(yǎng)液等成分。補(bǔ)光12 周后(近開花前)，對各組植株進(jìn)行自然香氣的測定。
1.1.2 儀器設(shè)備
Tenax TA 吸附管(內(nèi)徑5 mm，管長10 cm，預(yù)置進(jìn)口吸附填料60/80 目)，購于上海邁隆有限公司;小型空氣采樣泵(224-44XR，SKC，USA)由上海交通大學(xué)芳香植物研發(fā)中心提供;多吸附管老化凈化儀(TC-20，MARKES，UK)，熱解析儀(TT24-7，MARKES，UK)，氣相色譜儀(TRACE1310，Thermo，USA)，質(zhì)譜分析儀(Bench TOF-dx，ALMSCO，MARKES，UK)由上海磐合科學(xué)儀器股份有限公司提供。
1.2 試驗方法
1.2.1 自然香氣采集
預(yù)先將吸附管與老化凈化儀接管口相連，通入高純氮?dú)?50 mL/min)，待系統(tǒng)溫度升至270℃后保持40 min，冷卻后用防護(hù)帽密封吸附管兩端，密封備用。參照文獻(xiàn)方法，將采集袋包裹在相應(yīng)植株上，將吸附管一端與大氣采樣儀的抽氣端相連，另一端深入到采集袋內(nèi)以動態(tài)頂空方式采集自然香氣，整個氣路用無味硅膠管連接，采集速率為200 mL/min，采集時間30 min，每個樣品重復(fù)采集三次。采樣結(jié)束后，立即在采樣管兩端加蓋防護(hù)帽，避光密閉保存，并于24 小時內(nèi)進(jìn)行測定
1.2.2 熱脫附條件
閥溫度150℃，傳輸線溫度150℃;管吹掃時間為3 min，一級熱脫附溫度300℃，脫附時間10 min，進(jìn)出口分流流量分別為50 和20 mL/min;冷阱吹掃時間為1 min，電子冷阱溫度-10℃，二級熱脫附溫度300℃，脫附時間3 min，脫附后將揮發(fā)物輸送到GC 端。
1.2.3 GC/MS 條件
色譜條件：色譜柱采用DB-5 彈性石英毛細(xì)管柱(30m×0.25mm×0.25μm)，載氣為He，柱流量1.2 mL/min。GC 升溫程序： 35℃保持5 min，以4℃/min 的速度升溫至220℃，保持1 min，以50℃/min 的速度升溫至300℃，保持3 min。質(zhì)譜條件：電離模式為EI，電離電壓為70 eV，質(zhì)譜的質(zhì)量掃描范圍為29-400 aum，接口和離子源溫度250℃。
1.2.4 香氣成分分析
采用ATD-GC/MS 聯(lián)用技術(shù)，由系統(tǒng)自帶dx-Connect 軟件平臺自動繪制總離子流圖，對譜圖進(jìn)行人工解析，通過保留時間與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(NIST14)檢索并結(jié)合文獻(xiàn)報道[12-14]進(jìn)行成分鑒定，采用不加校正因子的峰面積歸一化法確定香氣中各組分的相對百分含量，對香氣中的主要成分采用峰面積比值法，即通過比較某成分在補(bǔ)光組與對照組中的峰面積之比，從而確定該成分的釋放量，并通過單因素方差分析檢驗各組間差異的顯著性(p<0.05)。
2 結(jié)果與分析
2.1 自然香氣構(gòu)成分析
試驗共鑒定出66 種揮發(fā)性成分，可分為苯形烴類、醇類、醛類、萜烯類、酮類、脂肪烴類、酯類、其他類等共8 類化合物，各組鑒定出的成分均占揮發(fā)性成分總量的91%以上，其中共同含有的成分為56 種。自然香氣的具體成分構(gòu)成及相對含量。補(bǔ)光組與對照組的亞洲薄荷的自然香氣成分的主要類別有顯著差異，不同補(bǔ)光組間不同類別的相對含量亦有不同。萜烯類和脂肪烴類在各組中的相對含量均較高，其中萜烯類最高為對照組(35.94%)，脂肪烴類最高為B1 組(25.39%)，各組中兩者相對含量之和均高于35%;醇類和酮類在各補(bǔ)光組中的相對含量均較高，其中醇類最高為W2 組(33.25%)，酮類最高為B2 組(24.99%)，各補(bǔ)光組中兩者相對含量之和均大于33%，顯著高于對照組中的12.94%;苯型烴類在各組中的相對含量明顯低于前幾類化合物，最高為對照組(6.14%);醛類和酯類兩者相對含量之和占各組揮發(fā)性成分總量的8%以下。對照組中相對含量最高的成分為d-檸檬烯(7.78%)，其后為對傘花烴(4.83%)、l-薄荷醇(4.51%)，可知其各成分相對含量較低且分散，香氣主導(dǎo)物質(zhì)不明顯。通過分析各組中相對含量排在前10 位的香氣成分，發(fā)現(xiàn)l-薄荷醇、胡薄荷酮、d-檸檬烯、異薄荷醇等是各補(bǔ)光組共有的主要揮發(fā)物，該4 種化合物的相對含量之和在R1、R2、B1、B2、W1、W2 組中分別為37.16%、43.58%、33.13%、41.39%、40.06%、45.55%，顯著高于對照組的14.96%。
2.2 不同LED 補(bǔ)光對自然香氣主成分釋放量的影響
顯示了l-薄荷醇、胡薄荷酮、d-檸檬烯、異薄荷醇4 種香氣主成分釋放量的組間差異(以對照組的色譜峰面積的絕對值為1 個釋放量單位，計算對應(yīng)成分在各補(bǔ)光組中的釋放量)。補(bǔ)光組的l-薄荷醇釋放量均顯著高于對照組，其中R2、B2、W2 組釋放量最高，分別為對照組的5.88、5.73、5.27 倍，且相同光質(zhì)(藍(lán)光和白光)下，強(qiáng)光組的釋放量顯著高于弱光組，而當(dāng)光質(zhì)為紅光時，強(qiáng)光組的釋放量略高于弱光組，補(bǔ)光組的胡薄荷酮釋放量均顯著高于對照組，其中R2、B2 組釋放量最高，分別為對照組的10.63、10.97倍，且相同光質(zhì)(紅光和藍(lán)光)下，強(qiáng)光組的釋放量顯著高于弱光組，而當(dāng)光質(zhì)為白光時，強(qiáng)光組的釋放量較弱光組反呈下降趨勢。d-檸檬烯釋放量除W2 組顯著低于對照組外，其余補(bǔ)光組和對照組相比無明顯差異。補(bǔ)光組的異薄荷醇釋放量均顯著高于對照組，其中R2 組釋放量最高，為對照組的33.03 倍，其次為W2 組，為對照組的21.74 倍，且相同光質(zhì)下，強(qiáng)光組的釋放量顯著高于弱光組。
3 討論與結(jié)論
亞洲薄荷具有含油率高、生長快、適應(yīng)性強(qiáng)、較耐陰等特點(diǎn)，在室內(nèi)綠化應(yīng)用中具有巨大潛力，研究不同LED 補(bǔ)光對亞洲薄荷自然香氣的影響，對其開發(fā)應(yīng)用具有重要意義。本研究采用自動熱脫附-氣相色譜/質(zhì)譜(ATD-GC/MS)聯(lián)用技術(shù)對經(jīng)不同LED 補(bǔ)光后的亞洲薄荷植株的`自然香氣進(jìn)行成分分析鑒定，發(fā)現(xiàn)亞洲薄荷自然香氣主要由萜烯類、醇類、酮類、脂肪烴類等組成，共鑒定出66 種揮發(fā)性成分，各組共同含有的成分為56 種，占各組揮發(fā)性成分總量的90%以上，各組間成分的種類數(shù)目無顯著差異。有研究表明，萜類化合物是許多植物香氣的主要組成成分，不含氧的萜類化合物如α-蒎烯等不具有濃郁的香氣，但能使香氣具有天然感，含氧的萜類衍生物如醇、醛、酮、酯等一般含有明顯的芳香氣味。對照組中各組分相對含量較低且分散，除d-檸檬烯(7.78%)外，其余組分的相對含量均在5%以下，沒有突出的主導(dǎo)香氣的成分，香氣有天然感但不明顯，而補(bǔ)光組中醇類和酮類化合物顯著高于對照組，具有更強(qiáng)烈的薄荷氣味，與實(shí)際感官相符。通過比較補(bǔ)光組與對照組的香氣主成分的釋放量差異，發(fā)現(xiàn)LED 補(bǔ)光能顯著增加亞洲薄荷自然香氣中l(wèi)-薄荷醇、胡薄荷酮和異薄荷醇的釋放量，且相同光質(zhì)下，上述3 種成分的釋放量隨光照增強(qiáng)均有一定增加，但胡薄荷酮在白光下反呈下降趨勢，其中R2 組中上述3 種成分釋放量的增加最為顯著，分別為對照組的5.88、10.63、33.03 倍。由此可初步推斷，在一定光強(qiáng)范圍內(nèi)，光照的增強(qiáng)有利于亞洲薄荷中l(wèi)-薄荷醇等香氣成分的增加，同時，由于光質(zhì)主要可通過兩種途徑影響植物的生長發(fā)育，一是色素系統(tǒng)的光合作用，二是光受體接受到光信號后引起一系列的生理生化反應(yīng)，因此，不同光質(zhì)對香氣成分的促進(jìn)效果具有差異，其對不同成分形成通路的具體作用機(jī)理有待進(jìn)一步研究。值得注意的是，本研究檢測到的成分與前人研究[17,18]所得到的薄荷屬類群的香氣成分有較大差異，主要體現(xiàn)為l-薄荷醇的相對含量低于前人研究中的數(shù)據(jù)(52%-85%)，此外有十余種成分為首次報道，而部分經(jīng)傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾法得到的亞洲薄荷的主要成分如乙酸薄荷酯、薄荷呋喃等并未檢測到，這可能與以下兩方面有關(guān)。
一方面，取樣方法的差異可能導(dǎo)致所采集的自然香氣與經(jīng)水蒸餾法或其他方法所獲得的精油成分有明顯不同，由于許多單帖烯類化合物容易在干燥、蒸餾等過程中散失或改變，導(dǎo)致其成分同活體香氣有所差異，同時由于目前沒有一種吸附劑可以吸附所有的有機(jī)物并獲得好的回報率，另外許多難揮發(fā)性的酸類、酯類等在自然香氣中也難以體現(xiàn)，從而使得不同方法取得的香氣成分有較大差異。另一方面，由于薄荷屬的多型性和豐富的遺傳變異，導(dǎo)致其品種及變種眾多，加上生境、環(huán)境等變化都可能造成同一品種的香氣成分具有一定差異。
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