LED 补光对薄荷影响论文

LED 补光对薄荷影响论文

芳香植物是兼有药用植物和香料植物共有属性的植物类群，可净化空气、杀菌消毒，同时有一定的药用和观赏价值，在室内家居绿化应用中具有其他绿色植物不可替代的功效。亚洲薄荷(Mentha arvensis)为唇形科薄荷属(Mentha)中常见的多年生宿根性芳香植物，具有清凉的薄荷香气，其生性强健、生长快、较耐荫、含油率高，是作为办公楼、家庭等室内绿化的较为理想的植物品种，具有较高的开发利用价值。

近年来，LED(light emittingdiodes)因具有光效高、光色全、节能环保等优点已经被应用于许多植物光生理领域的研究或植物栽培上。对亚洲薄荷进行适宜条件的LED 补光，可使亚洲薄荷在室内生长良好，从而达到更佳的改善室内空气和美化室内环境的效果。目前，国内外对亚洲薄荷及薄荷属植物的研究主要集中在栽培育种、药理作用、挥发油及非挥发性成分的提取和分析等方面，对LED 光源对植物生长发育的影响的研究主要集中在形态结构、理化性质、光合特性、农业生产指标等方面，而对LED 光源用于芳香植物的补光并如何影响其挥发性成分的研究鲜见报道。动态顶空采集法是一种有效收集自然状态下植物挥发物的方法，随着气质联用技术的日趋成熟和挥发物采集技术的不断完善，顶空分析法使分析和鉴定自然状态下植物挥发物的成分成为可能，并已得到广泛应用[9]。本研究采用动态顶空法，结合全自动热脱附-气相色谱/质谱(ATD-GC/MS)联用技术，对亚洲薄荷的活体植株进行自然香气的采集和分析，其结果更接近自然状态下的香气构成，通过研究不同LED 补光对亚洲薄荷自然香气成分的影响，为其在室内绿化中的深度开发提供一定依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 植物材料

试验用亚洲薄荷采用根段繁殖，将新鲜采摘的亚洲薄荷根段洗净、去除须根，切成约3cm 的"小段，取30 个根段为1 组，共21 组，保证每组总湿重相同(24±0.1 g)，栽植于预先配好的基质中(泥炭土和珍珠岩按体积比3:1 均匀混合)。待幼苗第一对真叶长出后，即于2015 年3 月21 日进行补光试验，以28 W 荧光灯模拟一般室内的光照环境，实验组在荧光灯基础上，分别用红、蓝、白3 种不同光质的LED 灯进行补充光照处理，各组LED 补光灯的具体参数和设置见表1，每组三个平行。荧光灯距离试验植株50 cm，LED 补光灯距离植株65 cm，光照时间从每天8 时至18 时，共计10 h，在光照结束后，将各组植株移入相同的暗室环境中。环境温度控制在25±1℃，环境湿度控制在75±5%，每隔三天浇一次水，不施予化肥、营养液等成分。补光12 周后(近开花前)，对各组植株进行自然香气的测定。

1.1.2 仪器设备

Tenax TA 吸附管(内径5 mm，管长10 cm，预置进口吸附填料60/80 目)，购于上海迈隆有限公司;小型空气采样泵(224-44XR，SKC，USA)由上海交通大学芳香植物研发中心提供;多吸附管老化净化仪(TC-20，MARKES，UK)，热解析仪(TT24-7，MARKES，UK)，气相色谱仪(TRACE1310，Thermo，USA)，质谱分析仪(Bench TOF-dx，ALMSCO，MARKES，UK)由上海磐合科学仪器股份有限公司提供。

1.2 试验方法

1.2.1 自然香气采集

预先将吸附管与老化净化仪接管口相连，通入高纯氮气(50 mL/min)，待系统温度升至270℃后保持40 min，冷却后用防护帽密封吸附管两端，密封备用。参照文献方法，将采集袋包裹在相应植株上，将吸附管一端与大气采样仪的抽气端相连，另一端深入到采集袋内以动态顶空方式采集自然香气，整个气路用无味硅胶管连接，采集速率为200 mL/min，采集时间30 min，每个样品重复采集三次。采样结束后，立即在采样管两端加盖防护帽，避光密闭保存，并于24 小时内进行测定

1.2.2 热脱附条件

阀温度150℃，传输线温度150℃;管吹扫时间为3 min，一级热脱附温度300℃，脱附时间10 min，进出口分流流量分别为50 和20 mL/min;冷阱吹扫时间为1 min，电子冷阱温度-10℃，二级热脱附温度300℃，脱附时间3 min，脱附后将挥发物输送到GC 端。

1.2.3 GC/MS 条件

色谱条件：色谱柱采用DB-5 弹性石英毛细管柱(30m×0.25mm×0.25μm)，载气为He，柱流量1.2 mL/min。GC 升温程序： 35℃保持5 min，以4℃/min 的速度升温至220℃，保持1 min，以50℃/min 的速度升温至300℃，保持3 min。质谱条件：电离模式为EI，电离电压为70 eV，质谱的质量扫描范围为29-400 aum，接口和离子源温度250℃。

1.2.4 香气成分分析

采用ATD-GC/MS 联用技术，由系统自带dx-Connect 软件平台自动绘制总离子流图，对谱图进行人工解析，通过保留时间与标准数据库(NIST14)检索并结合文献报道[12-14]进行成分鉴定，采用不加校正因子的峰面积归一化法确定香气中各组分的相对百分含量，对香气中的主要成分采用峰面积比值法，即通过比较某成分在补光组与对照组中的峰面积之比，从而确定该成分的释放量，并通过单因素方差分析检验各组间差异的显著性(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 自然香气构成分析

试验共鉴定出66 种挥发性成分，可分为苯形烃类、醇类、醛类、萜烯类、酮类、脂肪烃类、酯类、其他类等共8 类化合物，各组鉴定出的成分均占挥发性成分总量的91%以上，其中共同含有的成分为56 种。自然香气的具体成分构成及相对含量。补光组与对照组的亚洲薄荷的自然香气成分的主要类别有显著差异，不同补光组间不同类别的相对含量亦有不同。萜烯类和脂肪烃类在各组中的相对含量均较高，其中萜烯类最高为对照组(35.94%)，脂肪烃类最高为B1 组(25.39%)，各组中两者相对含量之和均高于35%;醇类和酮类在各补光组中的相对含量均较高，其中醇类最高为W2 组(33.25%)，酮类最高为B2 组(24.99%)，各补光组中两者相对含量之和均大于33%，显著高于对照组中的12.94%;苯型烃类在各组中的相对含量明显低于前几类化合物，最高为对照组(6.14%);醛类和酯类两者相对含量之和占各组挥发性成分总量的8%以下。对照组中相对含量最高的成分为d-柠檬烯(7.78%)，其后为对伞花烃(4.83%)、l-薄荷醇(4.51%)，可知其各成分相对含量较低且分散，香气主导物质不明显。通过分析各组中相对含量排在前10 位的香气成分，发现l-薄荷醇、胡薄荷酮、d-柠檬烯、异薄荷醇等是各补光组共有的主要挥发物，该4 种化合物的相对含量之和在R1、R2、B1、B2、W1、W2 组中分别为37.16%、43.58%、33.13%、41.39%、40.06%、45.55%，显著高于对照组的14.96%。

2.2 不同LED 补光对自然香气主成分释放量的影响

显示了l-薄荷醇、胡薄荷酮、d-柠檬烯、异薄荷醇4 种香气主成分释放量的组间差异(以对照组的色谱峰面积的绝对值为1 个释放量单位，计算对应成分在各补光组中的释放量)。补光组的l-薄荷醇释放量均显著高于对照组，其中R2、B2、W2 组释放量最高，分别为对照组的5.88、5.73、5.27 倍，且相同光质(蓝光和白光)下，强光组的释放量显著高于弱光组，而当光质为红光时，强光组的释放量略高于弱光组，补光组的胡薄荷酮释放量均显著高于对照组，其中R2、B2 组释放量最高，分别为对照组的10.63、10.97倍，且相同光质(红光和蓝光)下，强光组的释放量显著高于弱光组，而当光质为白光时，强光组的释放量较弱光组反呈下降趋势。d-柠檬烯释放量除W2 组显著低于对照组外，其余补光组和对照组相比无明显差异。补光组的异薄荷醇释放量均显著高于对照组，其中R2 组释放量最高，为对照组的33.03 倍，其次为W2 组，为对照组的21.74 倍，且相同光质下，强光组的释放量显著高于弱光组。

3 讨论与结论

亚洲薄荷具有含油率高、生长快、适应性强、较耐阴等特点，在室内绿化应用中具有巨大潜力，研究不同LED 补光对亚洲薄荷自然香气的影响，对其开发应用具有重要意义。本研究采用自动热脱附-气相色谱/质谱(ATD-GC/MS)联用技术对经不同LED 补光后的亚洲薄荷植株的自然香气进行成分分析鉴定，发现亚洲薄荷自然香气主要由萜烯类、醇类、酮类、脂肪烃类等组成，共鉴定出66 种挥发性成分，各组共同含有的成分为56 种，占各组挥发性成分总量的90%以上，各组间成分的种类数目无显著差异。有研究表明，萜类化合物是许多植物香气的主要组成成分，不含氧的萜类化合物如α-蒎烯等不具有浓郁的香气，但能使香气具有天然感，含氧的萜类衍生物如醇、醛、酮、酯等一般含有明显的芳香气味。对照组中各组分相对含量较低且分散，除d-柠檬烯(7.78%)外，其余组分的相对含量均在5%以下，没有突出的主导香气的成分，香气有天然感但不明显，而补光组中醇类和酮类化合物显著高于对照组，具有更强烈的薄荷气味，与实际感官相符。通过比较补光组与对照组的香气主成分的释放量差异，发现LED 补光能显著增加亚洲薄荷自然香气中l-薄荷醇、胡薄荷酮和异薄荷醇的释放量，且相同光质下，上述3 种成分的释放量随光照增强均有一定增加，但胡薄荷酮在白光下反呈下降趋势，其中R2 组中上述3 种成分释放量的增加最为显著，分别为对照组的5.88、10.63、33.03 倍。由此可初步推断，在一定光强范围内，光照的增强有利于亚洲薄荷中l-薄荷醇等香气成分的增加，同时，由于光质主要可通过两种途径影响植物的生长发育，一是色素系统的光合作用，二是光受体接受到光信号后引起一系列的生理生化反应，因此，不同光质对香气成分的促进效果具有差异，其对不同成分形成通路的具体作用机理有待进一步研究。值得注意的是，本研究检测到的成分与前人研究[17,18]所得到的薄荷属类群的香气成分有较大差异，主要体现为l-薄荷醇的相对含量低于前人研究中的数据(52%-85%)，此外有十余种成分为首次报道，而部分经传统水蒸气蒸馏法得到的亚洲薄荷的主要成分如乙酸薄荷酯、薄荷呋喃等并未检测到，这可能与以下两方面有关。

一方面，取样方法的差异可能导致所采集的自然香气与经水蒸馏法或其他方法所获得的精油成分有明显不同，由于许多单帖烯类化合物容易在干燥、蒸馏等过程中散失或改变，导致其成分同活体香气有所差异，同时由于目前没有一种吸附剂可以吸附所有的有机物并获得好的回报率，另外许多难挥发性的酸类、酯类等在自然香气中也难以体现，从而使得不同方法取得的香气成分有较大差异。另一方面，由于薄荷属的多型性和丰富的遗传变异，导致其品种及变种众多，加上生境、环境等变化都可能造成同一品种的香气成分具有一定差异。