天津商業(yè)大學(xué)王穎副教授、姜子濤教授等：樟科植物精油的研究進展
2023-11-04作者：來源：責(zé)任編輯：食品界
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樟科植物是一類數(shù)量龐大的被子植物，大多數(shù)為常綠或落葉的喬木或灌木。樟科植物在我國分布廣泛,樟科植物的枝葉及種子中精油含量極高，是豐富的精油資源。樟科植物精油主要生物活性及應(yīng)用如圖1所示。植物精油組成成分、含量及生物活性受生長周期、提取部位及方法、地理環(huán)境等多種因素的影響。目前關(guān)于樟科植物精油的研究內(nèi)容相對單一且研究對象相對分散，鮮見以科為集合的系統(tǒng)概述，且對其生物活性及作用機理報道有限。
為了進一步綜合分析和開發(fā)利用樟科植物精油，天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院的杜易潼、王穎*、姜子濤*等人重點探討樟科植物精油的提取方法、化學(xué)成分及其影響因素、生物活性及其作用機理，以及它們在食品保鮮方面的應(yīng)用，以期為天然、綠色、健康的樟科植物精油的開發(fā)和利用提供理論依據(jù)。 植物精油成分的定性和定量分析現(xiàn)階段通常使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）法。植物精油是一類次生代謝產(chǎn)物，由多種類別化合物組合而成，主要是萜類，其次是芳香族、脂肪族以及含氮、含硫類化合物。
生長周期亦可能對植物精油的成分產(chǎn)生影響。隨著植物的生長發(fā)育，其所含精油的組成均可能發(fā)生較大變化。 
樟科植物分布廣泛，同株植物不同部位的組成和結(jié)構(gòu)各不相同，其化學(xué)組分也存在一定的差異。由表1可知，采用水蒸氣蒸餾（HD）法提取時，香樟枝、木的精油主要成分以樟腦為主，根以黃樟素為主；而腦樟6 個不同部位的精油中，葉、新枝、老枝、樹干主要的化學(xué)成分為樟腦，主根、側(cè)根為黃樟油素，新枝和老枝的主要成分十分接近，主根和側(cè)根較于其他部分精油成分種類少，以黃樟油素、樟腦和1,8-葉桉油素為主；由此可見，樟屬精油中常見主要成分有樟腦、芳樟醇、1,8-桉葉油素等。而瓊楠屬葉和樹皮的精油以倍半萜烯為主；月桂屬花、葉和樹皮的精油以單環(huán)單萜類化合物（1,8-桉葉油素）、倍半萜化合物（β-石竹烯、β-欖香烯）為主，但各成分之間的含量存在一定差別；木姜子屬中的山蒼子根和果實的精油主要成分含氧單萜，其他部分主要成分為單萜烴類，根和果以含氧單萜類（如檸檬醛、香茅醛、芳樟醇等）為主，莖和其他部分則以單萜類（如β-水芹烯、檸檬烯等）為主。 精油的提取方法各異，不當(dāng)?shù)奶崛》椒ê筒僮鬟^程可能導(dǎo)致植物精油化學(xué)成分的破壞或改變，從而導(dǎo)致其生物和自然特性喪失，在極端情況下，可能會發(fā)生變色及風(fēng)味和物理變化。由不同提取方法所提取的精油成分亦可能有一定程度的差異，如表2所示，香樟、肉桂、木姜子、山胡椒這4 種植物經(jīng)不同的提取方法，主要化學(xué)成分種類基本一致，但含量不同。由提取方法形成的差異主要體現(xiàn)在揮發(fā)油的氣味、色澤、總化學(xué)成分?jǐn)?shù)量及含量等方面。 綜上，HD法由于提取設(shè)備、方法、材料簡單，適合大多數(shù)精油的提取，且獲得精油成分豐富，但存在提取時間長、揮發(fā)性化合物存在潛在損失、高能耗、精油得率低的問題。經(jīng)OSE法提取的精油以單萜類化合物為主，萃取時間長，且精油得率較低，不適合大批量精油提取，且存在有機溶劑殘留的問題。SFE法可增強流體溶解和滲透的能力，迅速使溶質(zhì)和溶媒達(dá)到平衡，提取時間短但得率低，且精油中成分較其他方法種類少，適合短時間快速提取。為了達(dá)到更好的精油提取效果，越來越多的新方法不斷涌現(xiàn)，如分子蒸餾法、UASD法、MASD法、超聲-微波結(jié)合法、同時蒸餾（SDE）法等，上述方法將多種分離方法結(jié)合，具有濃縮率高、質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點，適合高質(zhì)量精油的提取。樟科植物種類繁多，其油細(xì)胞分布不同，提取目的亦不相同，不同的提取方法所獲得的精油成分、得率均可能不同，因此多樣的提取方法為樟科植物精油的利用創(chuàng)造出更多可能性。 地理環(huán)境的變化是影響生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，在氣候及土壤條件等不同的地理環(huán)境因素影響下，同一植物相同部位提取的植物精油在化學(xué)成分和質(zhì)量上可能存在顯著差異。表3比較了不同地區(qū)同種植物精油成分的差異，表明不同地域、氣候的植物精油主要成分含量和種類均存在明顯差異。肉桂、柴桂（Cinnamomum tamala）、月桂產(chǎn)地的氣候類型大致相同，但經(jīng)緯度不同，所提取的植物精油成分存在差異，且其差異與植物本身遺傳特性相關(guān)。經(jīng)緯度之間的差異可導(dǎo)致氣候、生長環(huán)境的差別及地理、生態(tài)的隔離，且樹木在系統(tǒng)發(fā)育過程中，長期自然選擇和人為活動的影響使其形成了不同的基因頻率，且其生態(tài)要求各異，形態(tài)特征不一，生長、發(fā)育、適應(yīng)性等的明顯差別，亦可顯著影響植物精油的成分。此外，有研究發(fā)現(xiàn)海拔高度變化亦是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要因素，因其顯著變化會引起相應(yīng)的溫度、相對濕度、風(fēng)速、有效降水量和輻射率的變化，從而改變植物體內(nèi)的許多生態(tài)反應(yīng)。可見，地理環(huán)境的變化不僅可能影響精油中的主要成分，同時亦影響精油的含量。因此，不同地域可以根據(jù)環(huán)境條件劃分多個區(qū)域。綜上，應(yīng)因地制宜，選擇合適的樟科植物以得到理想化學(xué)型的精油，并進行合理栽培避免對生境和種群造成破壞。 
目前，抗生素的大量使用導(dǎo)致細(xì)菌和真菌耐藥性的出現(xiàn)，而精油可以抑制或延緩細(xì)菌、真菌的生長，是一種綠色、天然的抗菌劑。研究表明樟科植物精油具有廣譜抑菌效果，對食品中常見的革蘭氏陽性菌（金黃色葡萄桿菌、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）等）、革蘭氏陰性菌（大腸桿菌（Escherichia coli）、銅綠假單胞菌（Pseudomonas alcaligebes））等細(xì)菌及酵母菌、白色念珠菌、黑曲霉等真菌均具有一定的抑菌活性。此外，其對一些病原菌如傷寒桿菌（Salmonella typhi）、多殺巴斯德菌（Pasteurella multoecide）、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）等也有一定的抑殺作用。由表4、5通過比較最小抑菌濃度（minimum inhibitory concentration，MIC）、抑菌圈直徑兩項指標(biāo)可知，樟科植物精油針對不同種類微生物的抑菌效果存在差異。肉桂、月桂、川桂（Cinnamomum wilonii Gamble）精油是綠色健康的天然調(diào)味品和防腐劑，常用于果蔬制品及肉制品的保鮮；山蒼子、釣樟、山胡椒、錫蘭肉桂、木姜子精油對于體外致病真菌有一定的抑制作用，故具有防治感染性疾病、作為新型抗菌藥物的開發(fā)和應(yīng)用前景。此外，從表4中可以看出，同屬不同種的樟科植物精油對同一微生物的抑制活性也不同，例如樟屬中的肉桂精油對于金黃色葡萄球菌及大腸桿菌的抑制能力要高于香樟精油。且樟科植物精油與其他植物精油復(fù)配后，相互協(xié)同能達(dá)到更好的抑菌效果。例如，呂好新等研究了肉桂、山蒼子、丁香、香茅及百里香5 種植物精油對分離自發(fā)霉花生的優(yōu)勢霉菌黑曲霉（Aspergillus niger）的抑菌效果，通過抑菌圈實驗發(fā)現(xiàn)肉桂-山蒼子復(fù)合精油抑菌效果最佳，經(jīng)其處理后菌絲體損傷嚴(yán)重，發(fā)生皺縮、干癟、凹陷等變形現(xiàn)象。當(dāng)山蒼子精油與右旋龍腦配比為2∶1（m/m）時，對痢疾志賀氏菌、單核細(xì)胞增生李斯特菌（以下簡稱單增李斯特菌）以及大腸桿菌的分級抑菌濃度（fractional inhibitory concentration，F(xiàn)IC）指數(shù)低于0.5，表現(xiàn)為協(xié)同作用；配比為3∶1（m/m）時，對金黃色葡萄球菌（Staphyloccocus aurens）、單增李斯特菌以及大腸桿菌的FIC指數(shù)低于0.5，亦表現(xiàn)為協(xié)同作用；而配比為1∶1和4∶1（m/m）時，對痢疾志賀氏菌、單增李斯特菌、大腸桿菌、沙門氏菌表現(xiàn)為無協(xié)同作用。 樟科植物精油具有一定的體內(nèi)、體外抗氧化活性。體外抗氧化活性主要體現(xiàn)在對1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）、·OH等自由基的清除方面。大量的體內(nèi)及體外抗氧化活性實驗證明，樟科植物精油具有出色的抗氧化活性。 目前樟科植物在驅(qū)蟲殺蟲方面的研究主要集中在樟屬的樟樹、陰香、肉桂，月桂屬的月桂，木姜子屬的山蒼子，山胡椒屬的山胡椒、香葉樹，油丹屬的油丹，檫木屬的檫木，鱷梨屬鱷梨等。樟科植物精油中常見的單萜類化合物如檸檬烯、沙賓烯、芳樟醇、桉樹醇、冰片、α-松油醇、4-松油醇和乙酸α-松油醇對赤擬谷盜、粉茶蛀蟲等昆蟲均表現(xiàn)出不同程度的驅(qū)避或抑殺活性；樟科植物精油常見成分龍腦在63.17～2.53 nL/cm2劑量范圍內(nèi)對昆蟲具有接觸毒性和驅(qū)避作用，且無熏蒸毒性；沙賓烯和α-松油醇在劑量范圍為78.63～3.15 nL/cm2時對赤擬谷盜有顯著的趨避作用，此外β-石竹烯對書虱具有接觸毒性和驅(qū)避性。 植物精油已被證明有一定的細(xì)胞毒性，但在人體內(nèi)一般都是非基因毒性的，這種細(xì)胞毒性是篩選抗腫瘤藥物的關(guān)鍵。研究表明，樟科植物精油及其成分可能會對細(xì)胞轉(zhuǎn)化具有干擾作用，其細(xì)胞毒性特性與抗癌活性有關(guān)。 精油是由多種具有抗菌特性的低分子質(zhì)量且具有揮發(fā)性的化合物組合而成的復(fù)雜混合物。植物精油的抑菌機理涉及多種成分間的相互作用，其抑菌活性主要取決于主成分或主成分與其他成分之間的協(xié)同作用，不同化合物結(jié)構(gòu)不同，從而導(dǎo)致其抑菌機理不同。植物精油及其主要成分一般通過兩種方式作用于微生物，其一，主要是通過影響微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，如破壞細(xì)胞膜、細(xì)胞壁以及內(nèi)含的細(xì)胞器的形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而造成無法逆轉(zhuǎn)的細(xì)胞損傷；還可以通過誘導(dǎo)微生物菌絲體的溶解，最終導(dǎo)致微生物死亡。精油不可逆損傷具體表現(xiàn)在當(dāng)疏水性的精油作用于細(xì)胞膜磷脂雙分子層時，能夠與其相互作用并被納入細(xì)胞內(nèi)，精油的一些成分與疏水蛋白位點結(jié)合并促進膜組織的變化，破壞細(xì)胞膜的完整性，導(dǎo)致電子傳遞鏈功能的改變，間接破壞蛋白質(zhì)和核酸的合成。其二，精油可以減少或抑制微生物分生孢子的生成和繼續(xù)萌發(fā)，從而降低或徹底阻斷病原菌后代繼續(xù)造成危害的可能性。此外，由于細(xì)胞壁組成的差異，革蘭氏陰性細(xì)菌往往比革蘭氏陽性細(xì)菌對精油更具耐藥性。根據(jù)已有研究，推測樟科植物精油抑菌機制如圖2所示。 抗氧化活性通常分為直接氧化、間接氧化兩種方式，前者是通過對自由基的直接清除，后者主要是通過調(diào)節(jié)抗氧化酶的活性、與金屬離子螯和、抑制脂質(zhì)的過氧化等。 
樟科植物精油成分中的多不飽和雙鍵、雜原子的萜烯類、醇類、酚類、醛類、芳香族化合物等物質(zhì)具有極強的還原性。圖3展示了其主要成分的相關(guān)抑菌機制。樟科植物中的芳香族化合物也具有一定的抗氧化能力。清除ROS的系統(tǒng)可分為酶性和非酶性，防御系統(tǒng)中，它們以協(xié)同和互動的方式工作，以中和自由基，達(dá)到抗氧化的目的。 精油的驅(qū)蟲殺蟲機理主要涉及以下幾個方面：首先，精油具有很強的揮發(fā)性，這些揮發(fā)性成分在釋放的過程中能與其他生物產(chǎn)生化學(xué)效應(yīng)，并吸引昆蟲前來傳粉、交配，或其特殊氣味可以對昆蟲進行忌避、驅(qū)逐和毒殺。樟科植物精油中無環(huán)或單環(huán)單萜（芳樟醇、香葉醇、檸檬醛、1,8-葉桉油素、α-松油醇等）都是小分子揮發(fā)性物質(zhì)，它們參與了植物向昆蟲傳遞空氣信號的過程。在昆蟲的感受器中，專門的氣味結(jié)合蛋白對揮發(fā)性單萜做出反應(yīng)，影響昆蟲的行為活動。 其次，植物精油能夠抑制昆蟲體內(nèi)的多功能氧化酶，因此其能夠作為有機合成殺蟲劑的增效劑。在眾多的作用機制中，迄今為止研究最廣泛的是AChE的抑制機制，具體如圖4所示。 此外，植物精油具有驅(qū)蟲效果是由于油中的一些化學(xué)成分會干擾昆蟲的章魚胺神經(jīng)系統(tǒng)，但該靶點與哺乳動物不同，因此大多數(shù)精油類化學(xué)品在毒理學(xué)測試中對哺乳動物和魚類相對無毒，符合“降低風(fēng)險”農(nóng)藥的標(biāo)準(zhǔn)，因此植物精油相較于其他合成的驅(qū)蟲劑具有一定的優(yōu)勢。 利用精油作為保鮮劑是一種高效、綠色、高回報的新興生物保鮮技術(shù)。目前的保鮮方法主要有可食用膜的制備、微膠囊制備技術(shù)、納米乳液技術(shù)。根據(jù)GB 2760—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，樟科植物中可作為添加劑使用的精油有山蒼子油、月桂葉油、中國肉桂油、西印度月桂葉油、斯里蘭卡肉桂油，常見成分有莰烯、β-石竹烯、月桂醇、芳樟醇、龍腦、肉桂醛、檸檬醛、丁香酚、α-蒎烯、β-蒎烯、1,8-桉葉素等。其中部分精油來源于食品原輔料，如GB 21725—2017《天然香辛料 分類》中規(guī)定可以作為食品原輔料添加的有陰香皮、桂皮、木姜子果實、月桂葉。 樟科植物精油的涂膜技術(shù)主要可應(yīng)用于肉制品、果蔬保鮮中。添加樟科植物精油的可食性薄膜系統(tǒng)不僅在食品包裝中具有良好的應(yīng)用前景，且為食品可食用薄膜的進一步研究提供了參考。 微膠囊技術(shù)由芯材和壁材兩部分組成。通常將植物精油制成小粒子作為芯材，壁材通常由淀粉、纖維素、殼聚糖、天然植物膠等蛋白質(zhì)及多糖構(gòu)成。對微生物的顯著抑制效果說明植物精油微膠囊有望添加至食品或者與食品接觸的薄膜中，從而延長食品的保質(zhì)期。 納米乳液（粒徑在50～200 nm之間）是液相以液滴的形式分散在第二相的一種非熱力學(xué)穩(wěn)定的膠體分散體系。該納米級粒徑能夠防止因聚集和重力引起的乳液分離優(yōu)勢，并具有抗沉降和乳化的動態(tài)穩(wěn)定性特征。精油納米乳液體系可以提高精油的穩(wěn)定性、溶解度和可適用性。 化學(xué)成分的鑒定和定量、提取方法、對特定微生物的作用機制以及這些成分與食品系統(tǒng)的相互作用是影響精油大范圍應(yīng)用的因素。研究證明，從不同植物來源提取的精油均具有天然化合物成分，因此是應(yīng)用于復(fù)雜食品系統(tǒng)的潛力性原料。由于樟科植物精油本身具有“天然、健康”的特點，其在工業(yè)加工食品中的應(yīng)用可以滿足消費者對健康和安全食品的需求。此外，還應(yīng)拓寬視野，增加精油使用的可能性，從精油的控釋封裝、加入活性包裝、食用涂料、不同精油的協(xié)同組合和不同保存方法的組合等方面入手，利用好中國豐富的樟科植物資源，將風(fēng)味獨特的植物精油融合進復(fù)雜的食品體系中，提升消費者對于精油的認(rèn)可度，為提升精油的利用價值創(chuàng)造出更多可能。
本文《樟科植物精油的研究進展》來源于《食品科學(xué)》2023年44卷第13期346-359頁，作者：杜易潼，王 穎，薛婉玉，范宇鑫，姜子濤。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220613-129。
