林业科学  2009, Vol. 45 Issue (3): 111-117   PDF    
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刘志明, 牛晶, 徐有明, 魏晋虎, 王向明.
Liu Zhiming, Niu Jing, Xu Youming, Wei Jinhu, Wang Xiangming
侧柏心材活性成分的提取及其抑菌性能
The Effective Components Extraction and Antifungal Test for the Heartwood of Platycladus orientalis
林业科学, 2009, 45(3): 111-117.
Scientia Silvae Sinicae, 2009, 45(3): 111-117.

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收稿日期:2008-01-08

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刘志明
牛晶
徐有明
魏晋虎
王向明

侧柏心材活性成分的提取及其抑菌性能
刘志明1, 牛晶1, 徐有明2, 魏晋虎3, 王向明4     
1. 东北林业大学材料科学与工程学院 生物质材料科学与技术教育部重点实验室 哈尔滨 150040;
2. 华中农业大学园艺林学学院 武汉 430070;
3. 中国科学院上海有机化学研究所 上海 200032;
4. FPInnovations Canada Corp. Quebec, QC, Canada G1P 4R4, Canada
摘要: 研究侧柏心材不同部位及正己烷和二氯甲烷依次提取的心材活性成分对白腐菌、褐腐菌、黑曲霉菌的抑菌作用,并采用GC/MS联用技术对提取物中的活性成分进行鉴定和分析。结果表明:侧柏心材从髓心向边材根据年轮所划分的3个部位对3种真菌都具有较好的抑菌效果,并且靠近边材的2部分抑菌效果更明显些。气质联机技术对正己烷和二氯甲烷提取物分析鉴定表明:侧柏心材正己烷提取物中有14种化合物,大部分化合物属于萜烯类物质及其衍生物,最高含量化合物为罗汉柏烯(25.564%)和雪松醇(19.743%);侧柏心材二氯甲烷提取物中鉴定出24种化合物,最高含量化合物也为罗汉柏烯(15.429%)。侧柏心材正己烷提取物对褐腐菌、白腐菌和黑曲霉菌第14 d时的抑菌圈直径分别为10.0,9.3和8.3 mm,大于二氯甲烷提取物抑菌圈直径(0,2.7和1.3 mm),表明正己烷提取物对3种真菌的抑制生长作用明显优于二氯甲烷提取物的抑菌作用。
关键词:侧柏心材    化学组分    抑菌    提取物    GC/MS    
The Effective Components Extraction and Antifungal Test for the Heartwood of Platycladus orientalis
Liu Zhiming1, Niu Jing1, Xu Youming2, Wei Jinhu3, Wang Xiangming4    
1. Key Laboratory of Bio-Based Material Science and Technology of Ministry of Education College of Material Science and Engineering, Northeast Forestry University Harbin 150040;
2. College of Forestry and Horticulture, Huazhong Agricultural University Wuhan 430070;
3. Shanghai Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of Sciences Shanghai 200032;
4. Forintek Canada Corp. Quebec, QC G1P 4R4, Canada
Abstract: The antifungal effects on different position of Platycladus orientalis heartwood and the sequent extractives of hexane and dichloromethane heartwood were carried out with white-rot fungi, brown-rot fungi and aspergillus niger, respectively. The chemical components of the two kinds of heartwood extractives were also identified and analyzed by use of GC/MS. The antifungal tests showed that the heartwood powder from pith to sapwood according to the growth rings had notable antifungal effects on the three kinds of fungi mentioned above.Furthermore, the antifungal effect of the two-part heartwoods nearby sapwood was better than that of the heartwood nearby the pith. 14 kinds of chemical components were identified from the heartwood extractives by GC/MS, most of which are terpenoids and their derivatives, and the content of thujopsene is the highest (25.564%), cedrol (19.743%) is second only to that of thujopsene. 24 kinds of chemical components were identified from the dichloromethane extractives, and the highest component is also thujopsene (15.429%). The antifungal growth diameter of the hexane heartwood extractives on the 14th days was respectively 10.0, 9.3 and 8.3 mm, which was larger than the dichloromethane ones for brown-rot fungi, white-rot fungi and aspergillus niger. It is proved that hexane extractives have a good inhibition effect on the three fungi growth than dichloromethane extractives.
Key words: heartwood of Platycladus orientalis    chemical components    antifungal test    extractives    GC/MS    

侧柏(Platycladus orientalis)是我国特有树种(郑万钧,1983),原产华北、东北,目前全国各地均有栽培。侧柏又是我国最广泛应用的园林树种之一,自古以来常栽植于寺庙、陵园和庭院中。该树种耐湿、耐旱、耐寒,对土壤要求不严格,适应力强。侧柏叶清香,性寒,味苦涩、微辛,具有凉血止血、清肺止咳功效,种仁可入药,能养心安神、止汗润肠(江苏新医学院,1985李智立等,1997)。最近一些学者报道侧柏叶的己烷提取物具有拮抗血小板活化因子(PAF)受体的作用,并从中分离出一种活性较强的拮抗PAF受体成分(Yang et al., 1995a; 1995b);侧柏叶乙酸乙酯提取物具有松驰气管平滑肌的作用(唐春萍等,1999)。侧柏挥发油对金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌有一定的抑菌活性。有研究认为侧柏中的精油具有较强的抗菌、抗霉菌能力,并发现侧柏木中的精油成分α-杜松烯醇对变异链球菌具有较强的抗菌性(Lua et al., 2006Gao et al., 2005; 段佳等, 2005蒋继宏等, 2004韩若霜等, 2005王鸿梅, 2004)。侧柏精油对大肠杆菌、耐新青霉素金黄色葡萄球菌有抑制杀灭作用,对居室内的螨虫也有抑制作用(谢复旦, 1995和泉健次郎, 1994)。鉴于文献中报道侧柏具有较好的防腐性,而对侧柏心材活性成分的提取、化学组分分析及其心材不同部位的抑菌性能研究鲜有报道,本文旨在采用非极性有机溶剂正己烷、二氯甲烷依次对其心材进行抽提,利用提取物对白腐菌(Ipex lactenus)、褐腐菌(Gloeophyllus trabeum)和黑曲霉菌(Aspergillus niger)3种真菌的抑菌性能进行测试,在此基础上,选定心材进行提取物组分分析,为天然有机混合物的分离、纯化、拓展利用及化学合成奠定应用基础。

1 材料与方法 1.1 试验材料

试材于2004年8月中旬采于湖北省竹山县九华林场(110°8′—110°12′ E,32°1′—32°6′ N),树龄约为20年,按从根到梢的顺序平均锯为3段,每段中又分别截取靠近根部一段,每段长约1.1 m,并分别标记为A,B,C, 于8月末运到东北林业大学实验室,自然气干2个月后,制备试样存于冰柜中备用。

1.2 试验方法 1.2.1 分析试样的制备

将A, B, C 3段再次锯成5~7 cm厚的圆盘贮存于冰柜中备用。试验取A段最底部圆盘心材为试样。具体制备方法是将该圆盘的心材以年轮(每6年轮)均匀分为3组,按从髓心心材到心材外缘的顺序分别标记为:CB-A-1(髓心近处心材)、CB-A-2(心材中部)、CB-A-3(外缘心材)。最后用粉碎机将每组试样磨成细粉,过筛,截取40~60目之间的木粉(Liu et al., 20052006)(每组约80 g), 贮存于500 mL的磨口广口瓶中,置于阴凉处备用。

1.2.2 心材基本化学组成分析

根据国标《造纸原料水分的测定》(GB/T 2677.2-1993),《造纸原料水抽出物含量的测定》(GB/T 2677.4-1993),《炭素材料灰分含量的测定》(GB/T1429-1985),《造纸原料1%氢氧化钠抽出物含量的测定》(GB/T2677.5-1993),《造纸原料有机溶剂抽出物含量的测定》(GB/T 2677.6-1994),《造纸原料综纤维素含量的测定》(GB/T 2677.10-1995),《造纸原料酸不溶木素含量的测定》(GB/T 2677.8-1994)等分别测定了水分、冷热水抽出物、灰分含量、1% NaOH抽出物、苯醇抽出物、纤维素、综纤维素酸和不溶木质素含量(国家轻工业局质量标准处,1999)。平行测定2次。

1.2.3 侧柏心材木粉的抑菌试验

称取CB-A-1木粉3.75 g和1.5 g琼脂于三角瓶中,加100 mL蒸馏水,在高温下灭菌;将体积约20 mL混合溶液倒入已灭菌的培养皿中,冷却凝固。用打孔器将活化好的菌种打取直径为5 mm带有PDA底基的菌片,接到木粉培养基的中心,并设PDA培养基和琼脂对照。CB-A-2, CB-A-3抑菌试验同CB-A-1。最后将培养皿放入培养箱中在恒温28 ℃下培养14 d。每隔3, 7, 14 d分别记录1次数据。平行测定3次。

1.2.4 侧柏心材活性成分提取及成分分析

根据抑菌测试结果,称取侧柏心材试样[CB-A-1, CB-A-2和CB-A-3木粉1:1:1质量比混合(按绝干计)]适量,用滤纸包裹放入索氏提取器中。加入正己烷在恒温水浴中连续回流提取24 h,再将残渣用二氯甲烷继续抽提24 h。抽提结束后,浓缩、回收溶剂,再分别用正己烷(色谱纯)和二氯甲烷(色谱纯)配制成浓度为0.04 g·mL-1的溶液,利用GC/MS 6890N-5973insert (Agilent, USA),对提取液进行气质联用分析。分析条件如下:DB-17MS毛细管柱,柱长30 m,内径0.25 mm,膜厚0.25 (m,FID检测器;初始温度40 ℃,升温速率20 ℃·min-1,160 ℃停留8 min后,以5 ℃·min-1的升温速率升温到240 ℃,保持15 min; 进样口温度260 ℃,进样量1.0 μL,分流比1:20,氦气载气,流速1 mL·min-1;质谱连接口温度280 ℃,离子源温度230 ℃,轰击电压70 eV,扫描检测范围15~260 amu。

1.2.5 侧柏心材提取物的抑菌性能测定方法

将供试菌用斜面活化后,向试管中加入10 mL无菌水,将孢子洗下,再稀释制100倍。菌悬液制备后,菌悬液0.5 mL移取到灭菌培养皿内,再加入约20 mL已灭菌的PDA培养基(45 ℃左右)摇动,使菌悬液与培养基充分混合。冷却后,用直径5 mm的打孔器在培养皿中心位置打一孔,于孔内滴加提取物丙酮溶液[6 g·(100 mL-1)] 50 μL(视具体情况可分为2次滴加),并同时设丙酮和空白2组对照。最后将培养皿放入培养箱中在恒温(28±1) ℃下培养14 d。每隔3, 7, 14 d分别测量1次抑菌圈的直径,观察抑菌圈大小来判断提取物的抑菌效果。

以上每组试验均重复3次,取其平均值。

2 结果与分析 2.1 基本化学组成分析

表 1侧柏心材冷水抽出物、热水抽出物、灰分、1%NaOH抽出物、苯醇抽出物、木素、硝酸-乙醇纤维素及综纤维素等木材化学组成的含量分别为4.05%~6.73%,6.61%~9.19%,0.33%~0.54%,16.07%~21.45%,6.55%~8.04%,30.33%~31.36%,64.95%~70.70%和40.64%~43.54%。从髓心近处心材到心材外缘(CB-A-1→CB-A-3),水抽出物含量、1%NaOH抽出物含量逐渐减少,热水抽出物含量均高于冷水抽出物的含量;灰分含量及木质素、纤维素、综纤维素含量由髓心近处心材到心材外缘逐渐增加,苯醇抽出物心材中部(CB-A-2)含量最高。

表 1 侧柏心材化学组成 Tab.1 Chemical composition of the heartwood for Platycladus orientalis     %
2.2 侧柏心材抑菌作用分析

表 2为侧柏心材CB-A-1, CB-A-2和CB-A-3对白腐菌、褐腐菌和黑曲霉的抑菌效果数据。由数据分析得出侧柏心材对以上3种菌均具有较强的抑制作用。从各种菌的生长直径看,黑曲霉在侧柏心材中生长直径大于其他2种菌,也即侧柏心材对白腐菌和褐腐菌的抑制能力优于黑曲霉。侧柏心材各部位对白腐菌的抑制能力为CB-A-3>CB-A-2>CB-A-1;对褐腐菌的抑制能力为CB-A-2>CB-A-1>CB-A-3;对黑曲霉的抑制能力为CB-A-2>CB-A-1>CB-A-3。综合来看,侧柏心材CB-A-2和CB-A-3,即除去贴近髓心部位的心材外,其余的心材部位都有较强的抑菌效果,并且它们的抑菌效果相当。

表 2 心材不同部位对三种真菌的抑菌效果测试 Tab.2 Antifungal tests of different heartwood zones
2.3 提取物化学组分分析 2.3.1 正己烷提取物化学组分分析

根据上述GC/MS测试条件,正己烷提取物中分析鉴定出的化学成分及各化学成分在总提取物中的相对含量见表 3。通过GC/MS测试分析,正己烷提取物中分析鉴定出14种化学成分。其中主要成分为:罗汉柏烯,占提取物总量的25.564%;雪松醇,占提取物总量的19.743%。在提取物中,大部分化学成分属于萜类物质(倍半萜)以及萜类物质的含氧衍生物,以及少量的生物碱和其他类化合物。其中,萜烯类物质占总量的54.905%。

表 3 侧柏心材正己烷抽提物中的化合物 Tab.3 Compounds of hexane heartwood extractives for Platycladus orientalis
2.3.2 二氯甲烷提取物化学组分分析

根据上述GC/MS测试条件,从二氯甲烷提取物总离子流图中得出27个峰,初步鉴定了24种化学成分,见表 4。其中主要成分为:罗汉柏烯(Thujopsene),占提取物总量的15.429%;8-丙氧基柏木烷,占提取物总量的14.583%;2-环戊烯-1-丙醛,占提取物总量的9.662%;[1R-(1α, 3aβ, 4α, 7β)]-1, 2, 3, 3a, 4, 5, 6, 7-八氢化-1, 4-二甲基-7-(1-异丙基)甘菊环,占提取物总量的9.637%。

表 4 侧柏心材二氯甲烷抽提物中的化合物 Tab.4 Compounds of dichloromethane heartwood extractives for Platycladus orientalis

在这2种溶剂提取物中,大部分化学成分属于萜类物质(倍半萜)以及萜类物质的含氧衍生物,以及少量的生物碱和其他类化合物。除罗汉柏烯外,2种提取物的化学成分都不相同。

2.4 侧柏心材提取物的抑菌性能分析 2.4.1 侧柏心材正己烷提取物的抑菌性能分析

表 5为正己烷提取物经浓缩无溶剂后,用丙酮溶解配成质量浓度6 g·(100 mL-1)时分别对3种真菌的抑菌效果,并同时设丙酮和空白2组对照。由表中数据可以看出,3种菌在培养相同时间,第7和第14天时,正己烷提取物对褐腐菌的抑菌圈都是最大的,抑菌圈直径分别为10.7和10 mm,其次是白腐菌(10.3和9.3 mm),对黑曲霉的抑菌效果差些(9.7和8.3 mm)。7 d以后,抑菌圈直径变化不是太大,抑菌性能比较稳定。总的来看,侧柏心材正己烷提取物对3种菌都有很好的抑制作用,其中对褐腐菌的抑制作用最为显著。

表 5 侧柏心材正己烷提取物对3种真菌的抑菌效果 Tab.5 Antifungal effect of hexane heartwood extractives on three kinds of fungi

图 1为侧柏心材正己烷提取物对白腐菌作用第14天时的抑菌照片。由图可明显看出,正己烷提取物中心有一定的抑菌圈,表明正己烷提取物有很好的抑菌能力,同时2组对照中,菌落的生长情况完全相同,说明丙酮对3种真菌的生长没有任何影响,起抑菌作用的是心材提取物中的化合物。在一定浓度范围内,抑菌效果与提取物溶解于丙酮浓度的大小有关,随浓度的增加,抑菌效果显著。起抑菌作用的这些物质与上述气质联机分析出的化合物有关,为后续提取物的进一步分离和单一组分的抑菌试验以及确定是单一组分的作用还是混合组分的协同作用奠定了基础。

图 1 心材提取物对白腐菌14 d时的抑菌照片 Figure 1 The picture of heartwood extractives against white rot fungus for 14 d
2.4.2 侧柏心材二氯甲烷提取物的抑菌性能分析

表 6中,3种菌在培养相同时间,第14天时,二氯甲烷提取物对褐腐菌的抑菌圈为0,对白腐菌和黑曲霉的抑菌圈也很小,抑菌圈直径分别为2.7和1.3 mm。相对正己烷提取物对3种菌的抑菌效果来说,二氯甲烷提取物抑菌性能明显不如正己烷提取物的抑菌效果,抑菌性能也不稳定。

表 6 侧柏心材二氯甲烷提取物对3种真菌的抑菌效果 Tab.6 Antifungal effect of dichloromethane heartwood extractives on three kinds of fungi
3 结论

1) 侧柏心材冷水抽出物、热水抽出物、灰分、1%NaOH抽出物、苯醇抽出物、木素、综纤维素、纤维素的含量分别为4.05%~6.73%,6.61%~9.19%,0.33%~0.54%,16.07%~21.45%,6.55%~8.04%,30.33%~31.36%,64.95%~70.70%和40.64%~43.54%。

2) 侧柏心材木粉对白腐菌、褐腐菌和黑曲霉有一定的抑菌作用,综合来看,除去贴近髓心部位的心材外,其余的心材部位都有较强的抑菌效果,并且它们的抑菌能力相差不大。

3) 侧柏心材正己烷提取物共鉴定了14种化合物,主要化合物是罗汉柏烯和雪松醇,其相对含量分别为25.564%和19.743%;二氯甲烷提取物共鉴定了24种化合物,主要化合物是罗汉柏烯和8-丙氧基柏木烷,其相对含量分别为15.429%和14.583%。

4) 侧柏心材正己烷和二氯甲烷提取物对3种真菌都有抑制生长作用,但正己烷提取物的抑菌效果优于二氯甲烷提取物的抑菌效果。并在一定浓度范围内,抑菌效果与提取物溶解于丙酮浓度的大小有关,随浓度增加,抑菌效果越显著。

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