香樟化學型及精油積累研究

張北紅，肖祖飛，王顏波，張海燕，李 鳳，程慧娟，金志農(nóng)

（1.南昌工程學院水利與生態(tài)工程學院,江西南昌 330099；2.江西省樟樹繁育與開發(fā)利用工程研究中心，江西南昌 330099；3.江西農(nóng)業(yè)大學林學院，江西南昌 330045）

香樟（Cinnamomum camphora）為樟科（Lauraceae）樟屬植物，又名樟、芳樟、樟木、栳樟、臭樟、烏樟和瑤人柴等[1]，屬于國家二級保護植物，主要分布于亞洲的熱帶和亞熱帶地區(qū)，在中國、印度[2]、老撾、越南[3]、日本[4]和古巴[5]等地均有分布，其他國家也有引種分布。在中國，香樟主要分布于福建、江西、廣東、廣西、湖南、湖北、四川、重慶、云南、貴州、浙江和臺灣等地[6-7]。香樟是我國亞熱帶常綠闊葉林的主要建群種或優(yōu)勢種，樹冠為廣卵形，樹形高大，樹干通直優(yōu)美，是良好的園林綠化及珍貴用材樹種；屬于深根性樹種，萌芽力強，抗性強，是護岸抗洪的理想水保樹種；其根、莖、枝、葉和果中均富含精油[8-9]，被譽為龐大的“化學化工寶庫”。香樟油含有多種化學成分，具有廣闊的市場需求和經(jīng)濟價值。關(guān)于香樟精油的研究很多，精油主要化學成分的分析、化學型的劃分、精油代謝的規(guī)律及影響因素、精油提取方法的優(yōu)化、生物活性等方面均有涉及。其中精油提取分離[10-11]、主要化學成分[12-13]和生物活性[14-15]等方面已有相關(guān)綜述，本文選擇香樟的化學型及精油代謝規(guī)律方面的研究進行梳理，以期為香樟精油的深入研究提供可參考的依據(jù)。

1 香樟化學型

1.1 香樟的化學型命名

香樟存在種內(nèi)分化，其精油的化學成分十分多樣，有芳樟醇、檸檬醛、龍腦、桉葉油素、黃樟素、甲基丁香酚、松油醇和樟腦等，這些化學成分在香精香 料[16-17]、食 品 加 工[18-19]、醫(yī) 藥 化 工[20-21]、殺 蟲 趨避[22-23]和抗菌[24-26]等領(lǐng)域應用前景廣闊。香樟存在種內(nèi)分化現(xiàn)象，僅依據(jù)外部形態(tài)進行植物分類已不能滿足研究和生產(chǎn)的需求，所以植物分類學者打破了由傳統(tǒng)的僅參照植物外在形態(tài)特征（葉、花和果實等）進行分類的局限，將香樟精油作為劃分香樟不同化學型或生化類型的重要依據(jù)[1,27]。

關(guān)于香樟化學型的命名，乃至樟屬植物化學型的命名尚沒有統(tǒng)一的方法。目前，有兩種常用的命名方法，一種是以精油主要化學成分或其氣味特征命名，如將左旋芳樟醇型的香樟稱為“芳樟”，左旋及右旋龍腦型的香樟均稱為“龍腦樟”，檸檬醛型的香樟和黃樟（C.parthenoxylon）均稱為“姜樟”[28]；另一種是學名法，如將左旋芳樟醇型的香樟命名為C.camphoravar.linaloolifera，將樟腦型的香樟（又稱“本樟”或“栳樟”）命名為C. camphoravar.nominale[29-30]，桉葉油素型的香樟命名為桉油樟（C.camphoravar.cineoliferum）[31-32]。

1.2 香樟化學型劃分

《中國植物志》[1]中，將香樟劃分為本樟型（主含樟腦）、芳樟醇型（主含芳樟醇）和油樟型（主含松油醇）3 個化學型，各省也進行了香樟化學型的劃分研究。石皖陽等[27]對164 株香樟363 個精油樣品進行分析，將江西省的香樟主要分為芳樟醇型（主含芳樟醇）、樟腦型（主含樟腦）、桉油素型（主含桉油素）、龍腦型（主含龍腦）和異橙花叔醇型（主含異橙花叔醇）5 個化學型；Luo 等[33]也對江西省的香樟進行化學型劃分，得出了相同的結(jié)論；張國防[34]對329個香樟精油樣品進行分析，將福建省的香樟主要分為芳樟醇型、腦樟型、桉樟型、黃樟型（主含黃樟油素）和雜樟型（無明顯主成分）5 個化學型；黃艷等[35]對64個香樟精油樣品進行分析，將廣西的香樟主要為芳樟醇型、橙花叔醇型、桉葉油素型、樟腦型和蒎烯-萜烯醇型（主含α-蒎烯和4-萜烯醇）5 個化學型。隨著研究的深入，越來越多的新化學型被發(fā)現(xiàn)，如檸檬醛型[36]。目前，已報道的香樟的化學型主要有9 個，即樟腦型、1,8-桉葉油素型、芳樟醇型、龍腦型、檸檬醛型、異橙花叔醇型、黃樟油素型、Sepuiterpene型和Sesquiterpenealcohol型[37-38]。

1.3 化學型分化機制

香樟的無性繁殖后代能較好地保持母本的化學型特性，但有性繁殖后代的葉精油出現(xiàn)了與母本化學型分離的特性。這種化學型分化的現(xiàn)象引起了研究人員的關(guān)注。香樟為異花授粉植物，其有性繁殖后代的化學型性狀分離程度與周圍香樟的化學型有直接關(guān)系[27]，化學型性狀分離的直接原因是不同化學型的香樟花粉雜交或其本身變異。有性繁殖后代的化學型性狀分離程度還可能與母株的主要化學成分類別及其分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[37]。母株的主要化學成分為直鏈單萜類或倍半萜類，則其有性繁殖后代保持母本化學型性狀的比例較低，芳樟醇型、香葉醇型和金合歡醇型香樟的有性繁殖后代只有50%～70%保持母本化學型性狀；母株的主要化學成分為環(huán)萜類的香樟，如1,8-桉葉油素型、樟腦型和黃樟素型等，其有性繁殖后代保持母本化學型性狀的比例較高。母本植株葉精油中主要化學成分的相對含量與有性繁殖后代葉精油的化學型分化有一定關(guān)系[34]。母株主要化學成分芳樟醇的相對含量為93.20%時，60%的有性繁殖后代保持母本性狀；母株主要化學成分樟腦的相對含量為88.67%時，60%的有性繁殖后代保持母本性狀；母株主要化學成分黃樟素的相對含量為42.25%時，只有30%的有性繁殖后代保持母本性狀；母株主要化學成分桉葉油素的相對含量為49.57%時，45%的有性繁殖后代保持母本性狀。還有學者認為有性繁殖后代的化學型性狀分離是由于多基因控制的遺傳效應和環(huán)境效應的作用，控制的酶不同，不同化學成分的積累也不同；也可能是由于個體發(fā)育的差異性或微生物等內(nèi)環(huán)境的差異[39]。

2 香樟精油積累及影響因素

精油屬于植物次生代謝產(chǎn)物，與植物本身的新陳代謝活動息息相關(guān)。精油的形成和積累受生理變化（器官和葉片的位置）、環(huán)境條件、地理變化和遺傳因素等多重因素的影響[40]，在多重因素的長期共同作用下，精油代謝呈現(xiàn)出一定的積累規(guī)律。

2.1 香樟精油隨時間積累的研究

葉精油的含量與植物代謝活動密切相關(guān)。總體來說，葉精油主要化學成分在生長季節(jié)含量較高，非生長季節(jié)含量較低，但不同化學型香樟的葉精油主要化學成分含量變化規(guī)律不同（表1）。精油產(chǎn)量受主要化學成分相對含量與精油含量共同影響，通常綜合考慮這兩個因素最終確定精油收獲時間。一天當中精油的含量也有一定的變化規(guī)律，桉葉油素型香樟葉片的含油率在傍晚最高，早晨最低，這是由于光照和溫度綜合作用的結(jié)果[41]。實際生產(chǎn)中，應遵循所培育的化學型的葉精油時間積累規(guī)律，制定相應的收割和精油提取方案。

表1 幾種常見化學型香樟主要化學成分相對含量變化規(guī)律Tab.1 Changes of relative contents of main chemical compounds in several common chemotypes of C.camphora

2.2 香樟精油隨空間積累的研究

植物在生長發(fā)育過程中，為了更好地適應環(huán)境，會把有限的資源進行合理地分配和轉(zhuǎn)移，以順利完成生長、發(fā)育和繁殖，這是植物本身的內(nèi)在進化因素和外在環(huán)境因素長期共同作用的結(jié)果。胡文杰[43]比較了桉葉油素型香樟、樟腦型香樟和異橙花叔醇型香樟3種不同化學型香樟的葉、當年生枝、老枝、干、主根和側(cè)根6個部位精油的出油率及主要化學成分，結(jié)果顯示，3 種化學型香樟的出油率均為主根和側(cè)根最高，其次是葉。于程偉[46]研究香樟不同器官的精油含量發(fā)現(xiàn)，葉油含量為1.41%，枝油含量為0.45%，種子油含量為1.72%。覃子海等[47]研究表明香樟鮮葉的出油率明顯高于枝干，鮮葉是提取天然芳樟的主要組織器官。吳學文等[48]提取香樟花、嫩葉和根的精油，并進行體外抗氧化試驗，研究表明清除自由基及過氧化物的效果為根皮＞嫩葉＞香樟花。腦樟的各部位精油組成不同，在空間各部位中，精油成分分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律，樟腦、1,8-桉葉油素和黃樟油素的相對含量呈兩端（葉和根）少、中間（樹干）高的趨勢[49]。可見，香樟精油成分組成在空間上具有一定的規(guī)律及特征，空間分布規(guī)律可為精油成分的形成和轉(zhuǎn)送機制的深入研究提供參考。

2.3 香樟精油隨子代變化的研究

香樟有性繁殖后代葉精油代謝差異較大，無性繁殖后代則能較好地保持母本的特性[34]。研究表明，芳樟醇型香樟60%左右的有性繁殖后代植株保持了母本的特性（化學型為芳樟型）[50]；龍腦型香樟60%左右的有性繁殖后代植株保持了母本的特性（化學型為龍腦型）[39]；異橙花叔醇型香樟50%以上的有性繁殖后代植株保持了母本的特性（化學型為異橙花叔醇型）[34]。可根據(jù)香樟子代葉精油的變化規(guī)律，對不同子代資源進行開發(fā)與利用。對香樟進行無性繁殖，建立不同化學型香料原料植物培育林，實現(xiàn)油用香樟定向繁殖和矮林培育，是油用香樟規(guī)模化開發(fā)利用的有效途徑。有性繁殖后代發(fā)生了化學型性狀分離，進行有性繁殖是香樟維持生物多樣性的理想途徑。

2.4 生長期及發(fā)育階段對香樟精油積累的影響

不同生長期或發(fā)育階段對香樟精油的積累有一定影響。龍腦型香樟3個月的實生幼苗共包含黃樟油素型和丁香酚甲醚型兩種化學型，生長至12個月時，精油的主要化學成分發(fā)生變化，分化為龍腦型、樟腦型、桉葉油素型和異橙花叔醇型等[39]。生長期和發(fā)育階段對精油積累的影響，在其他植物中也存在。細毛樟（C. tenuipile）有性繁殖后代1年生幼苗主要化學成分不顯著，2年生幼苗主要化學成分顯著，分化為明確的化學型[34]；玫瑰（Rosa rugosa）花精油出油率在初花期和末花期較高，盛花期相對較低[51]。不同生長期或不同發(fā)育階段對香樟精油積累的影響可能是由于葉片生長發(fā)育過程中葉面積、葉厚和角質(zhì)層等葉片結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得葉片吸收營養(yǎng)物質(zhì)的能力、光合速率和代謝速率發(fā)生改變，葉精油作為香樟的次生代謝產(chǎn)物，與香樟的代謝活動緊密相關(guān)。

2.5 立地條件對香樟精油積累的影響

立地條件對香樟精油的形成和貯存有直接或間接的影響。張國防[34]將福建省按照不同的地理經(jīng)緯度進行分區(qū)，研究各區(qū)香樟精油的主要化學成分，研究表明精油主要化學成分及其相對含量在地理分布上有一定差異，優(yōu)良的芳樟醇型、桉葉油素型、樟腦型和黃樟油素型香樟存在于不同交叉區(qū)域內(nèi)，根據(jù)各優(yōu)良化學型的主要分布區(qū)域，確定出福建省各化學型香樟的優(yōu)株篩選重點區(qū)域。張雷[52]研究不同種源香樟的精油含量，發(fā)現(xiàn)不同種源香樟的葉精油成分不同，精油含量存在較大差異，其中，湖南種源的出油率最高，廣東種源的出油率最低。段博莉[42]對香樟主要分布區(qū)內(nèi)43 個種源的香樟葉片精油性狀進行分析，結(jié)果顯示香樟葉片精油的各性狀均與地理氣候因素有一定的相關(guān)性，但地理聚集性不明顯。還有研究表明，生長在陽坡的香樟較陰坡的出油率更高[34]，香樟精油的形成屬于次生代謝過程，代謝活動受溫度和光照等綜合因素影響，適宜的光照和溫度更有利于精油的形成和積累[53]，香樟的光合作用在低溫的11— 12月和高溫的6— 8月受到抑制，影響了精油的合成，9 — 10月出油率較高[44,47]。

2.6 微生物對香樟精油積累的影響

植物的內(nèi)生菌在特定的環(huán)境和生理條件下，能將植物體內(nèi)和外源的化學物質(zhì)進行轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生另一類化合物[54]。陳美蘭[39]分離和培養(yǎng)了5個化學型香樟的內(nèi)生菌，提取內(nèi)生菌精油并分析其主要化學成分，發(fā)現(xiàn)在不同化學型中存在特異內(nèi)生真菌，其中“吉12”精油化學成分含量達到12.91%，內(nèi)生菌可能影響龍腦型香樟精油的積累，但還有待于進一步研究。

2.7 人工經(jīng)營措施對香樟精油積累的影響

研究表明[34]，不同密度對芳樟醇型香樟的葉精油得率及主要化學成分芳樟醇的形成和積累影響不顯著，但單位面積經(jīng)濟效益受精油得率、主要化學成分和單位面積生物量的影響，在人工經(jīng)營培育中，應以單位面積生物量為出發(fā)點，尋求最佳種植密度。不同施肥處理對精油積累影響顯著，于靜波等[55]研究芳樟醇型香樟葉精油對不同施肥處理的響應，發(fā)現(xiàn)不同施肥處理對芳樟醇型香樟葉精油的產(chǎn)量和含量影響顯著，氮對精油含量影響極顯著，鉀和磷的影響分別為顯著和不顯著。陳曉明等[56]通過盆栽試驗研究氮、磷和鉀肥對芳樟醇型香樟枝葉產(chǎn)量和出油率的影響，結(jié)果表明氮有利于枝葉產(chǎn)量提高，鉀有利于含油率的增加，氮、磷和鉀最佳的施肥配比為1∶0.29∶1.15。香樟矮林培育中，伐樁涂抹植物生長調(diào)節(jié)劑6-BA，對萌條和高生長等有一定促進作用，濃度為150 mg/L 時，單株葉片生物量最大，通過6-BA 調(diào)節(jié)葉生物量，可間接提高香樟矮林的精油產(chǎn)量[57]。

2.8 遺傳因素對香樟精油積累的影響

香樟精油的形成和積累是遺傳因素與環(huán)境因素等綜合長期作用的結(jié)果。江香梅等[58]采用Illumina Hi Seq?2000高通量測序技術(shù)，對樟腦型、芳樟醇型、桉葉油素型、異橙花叔醇型和龍腦型5種化學型香樟葉片的轉(zhuǎn)錄組進行測序，與其他核酸和蛋白數(shù)據(jù)庫的Blast 進行比對，共有55 955 條Unigene 獲得了基因注釋，其中參與單萜、二萜、倍半萜和萜類骨架合成的Unigene 有424個，在單萜合成的代謝通路中，有9條Unigene可能編碼芳樟醇合成酶基因。

3 香樟精油的主要特點

3.1 多樣性

香樟精油具有豐富的多樣性，其出油率存在個體差異，主要化學成分多樣（表2），含有橙花叔醇、芳樟醇、1,8-桉葉油素、樟腦、吉馬酮、龍腦、α-蒎烯、4-萜烯醇、乙酸愈創(chuàng)醇酯、檸檬醛、對傘花烴、黃樟油素、6-芹子烯-4 醇和異丁香酚甲醚等多種化學成分[16]。這可能是由于遺傳因素、樹種年齡、種源、種植地立地條件、環(huán)境條件、精油提取時間和提取方法等條件不同造成的，種內(nèi)化學型多樣性在香樟中比較常見，這也是人們研究香樟的主要原因之一。

表2 香樟葉精油常見的主要化學成分及相對含量Tab.2 Main chemical compounds and relative contents of essential oil from C.camphora leaves

3.2 個體差異性

同一樹種相同化學型的葉片精油主要化學成分含量存在差異。香樟中的主要化學成分為芳樟醇的個體，其相對含量各不相同（表3）。江西省芳樟醇型香樟已報道的芳樟醇含量高的達90%以上[62]，低的僅為32.40%[63]；即使是同一母株的扦插后代，其精油得率及主要化學成分的相對含量差異雖不顯著，但也不完全一致[34]。說明在香樟的種內(nèi)變異過程中，會趨同于幾個大的方向（幾大類化學型），但個體變異并不完全一致。由于種內(nèi)個體的差異性，在研究和實際生產(chǎn)當中，優(yōu)良單株的選擇和良種選育尤為重要。

表3 芳樟醇型香樟中化學成分的相對含量Tab.3 Relative chemical content of chemical compounds in C.camphora of linalool chemotype

3.3 精油成分具有普遍性

香樟經(jīng)常與其他木本和草本植物含有同一種主要化學成分，很少有某一種主要化學成分是專屬于香樟的。芳樟醇存在于香樟、油樟（C.longepaniculatum）、黃樟[74]和細毛樟（C.tenuipilum）[37]等多個樹種的葉精油中。檸檬醛存在于樟、山蒼子（Litsea cubeba）、檸檬草（Cymbopogon citratus）、馬鞭草（Verbena officinalis）和柑橘（Citrus reticulata）等植物中[16]。這可能是在光合代謝過程中，不同樹種（植物）選擇了相同的代謝途徑，產(chǎn)生了相同的次生代謝產(chǎn)物。

3.4 精油含量具有波動性

葉精油的含量和成分與植物代謝活動密切相關(guān)，同一株香樟葉精油的出油率及主要化學成分含量在不同時期會發(fā)生變化。總體來說，葉精油出油率及主要化學成分在生長季節(jié)含量較高，非生長季節(jié)含量較低。不同化學型香樟葉精油含量變化規(guī)律不同，在研究和生產(chǎn)中，掌握不同化學型香樟葉精油的變化規(guī)律十分重要。

3.5 精油化學成分間的關(guān)系

香樟精油中包含多種化學成分，化學成分間存在轉(zhuǎn)換關(guān)系，如α-pinene可向龍腦轉(zhuǎn)換，而氧化后的龍腦可以在脫氫酶的作用下轉(zhuǎn)化為樟腦[75]。精油中化學成分的結(jié)構(gòu)復雜程度也有差別，黃樟油素、樟腦、桉油素和菲蘭烴等化學成分結(jié)構(gòu)復雜且較為“古老”，醛酮等結(jié)構(gòu)比較簡單的化學成分則較“年輕”[76]。“古老”的化學成分可能是在較古老的歷史條件下形成的，“年輕”的則是在較近代的歷史條件下形成的，可以根據(jù)這一特性，推測各化學型的演化關(guān)系。

4 結(jié)論與討論

精油是香樟生長過程中產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物，受環(huán)境、生理變化和遺傳等多種因素的影響，在多種因素的長期共同作用下，香樟精油具有一定的代謝規(guī)律，在實際生產(chǎn)中，應掌握其代謝規(guī)律及影響因素，結(jié)合合理的人工經(jīng)營措施，提高精油產(chǎn)量。

香樟種內(nèi)具有多樣性的特征，分化為多個化學型，其次生代謝過程較復雜，關(guān)于香樟精油的形成、轉(zhuǎn)移、積累以及化學型的分化機制等方面仍有很大的研究空間。依據(jù)香樟多化學型的特性，非木質(zhì)化香樟的選種應制定合理的選種策略。