沉香揮發油化學成分及藥理活性研究進展

姚 誠，鐘芙蓉，廖海浪，馬云桐

成都中醫藥大學藥學院，成都 611137

瑞香科植物白木香(AquilariasinensisLour.Gilg)含樹脂的木材為《中國藥典》2015版收載的中藥沉香；味辛、苦，性微溫，具行氣止痛、溫中止嘔、納氣平喘的功效，用于治療胸腹脹悶疼痛、胃寒嘔吐呃逆、腎虛氣逆喘[1]。沉香藥用歷史悠久，梁代陶弘景著《名醫別錄》首次收錄并將其列為“上品”，是沉香化氣丸、沉香降氣散等經典方劑的主要組成藥物，被廣泛使用于臨床[2]。

全世界約有19種沉香屬植物，主要分布于中國、印度、老撾、越南、緬甸、印尼、馬來西亞、柬埔寨、菲律賓和巴布亞新幾內亞等國家[3]。國產沉香僅有瑞香科白木香一種基原植物,其主產地在海南、廣西和廣東等地。沉香屬植物只有在受到自然因素(雷劈、火燒、微生物入侵等)或人為因素(砍傷、打洞、接菌等)的作用，才有可能在受傷處分泌產生多種次級代謝產物，經復雜的結香過程后，沉積于木質部而形成沉香[4,5]。

沉香含有色酮類、揮發油類、脂肪酸類和甾體類衍生物等多種化學成分，其中揮發油是沉香的主要有效成分群及芳香物質。沉香揮發性成分具有抗氧化、抑菌、鎮痛、鎮靜、抗炎及抗癌等多種藥理活性，因為其獨特的香氣，同時被廣泛用于香水工業、宗教儀式等領域，具有很高的經濟價值[6]。目前關于沉香的研究大多集中在其質量相關的2-(2-苯乙基)色酮類化學成分，對于揮發油類活性成分群關注較少。但研究表明其揮發性成分具有廣泛的藥理活性，且與品質密切相關。為此，筆者查閱主要是近十余年來沉香國內外相關文獻報道，對其揮發油類化學成分的提取方法、化學成分及藥理活性的研究進行梳理，以期為該類成分的進一步開發利用提供參考。

1 沉香揮發油不同提取方法比較研究

有效的提取方法是保證沉香揮發油質量和臨床療效的有效渠道。目前沉香揮發油的提取方法主要有水蒸氣蒸餾法、溶劑提取法、酶輔助提取法、微波輔助法、超臨界CO2流體萃取法、亞臨界水萃取法及固相微萃取法等。

1.1 不同提取方法得油率比較

水蒸氣蒸餾法因其設備簡單、易操作、低成本和污染小等優點，早期被廣泛應用于沉香揮發油的提取。Pornpunyapat等[7]在不同溫度下進行水蒸氣蒸餾，發現沉香揮發油在高溫(120 ℃)下獲得較高的出油率，品質較好且具有更好的物理性質，例如顏色較深，香味強度較高，對人體皮膚的黏附時間較長等。Chen等[8]利用該法提取三批不同沉香藥材，其精油得率分別為0.042%、0.32%、0.012 8%。但是該提取方法耗時較長，提取效率低，同時提取溫度較高，易造成沉香揮發油中不穩定成分的損失。溶劑提取法不僅可以避免熱不穩定活性成分的損失(主要是沉香中的特征性成分：2-(2-苯乙基)色酮類化合物)，同時也具有能耗低、得率高的優點。Lin等[9]采用乙醚冷浸法提取三批人工結香所產沉香揮發油，其得油率分別為9.7%、1.8%、2.9%。但是該提取方法存在溶劑用量大且難以去除殘留的提取溶劑等缺點。

隨著現代儀器分析技術及相關學科技術的迅猛發展，一些輔助提取技術逐漸興起。酶輔助提取可在溫和的條件下使細胞內有效成分充分溶解，是近年出現的一種新型植物精油提取方法。Gong等[10]對經過纖維素酶預先處理的沉香進行精油提取，發現提取得率可達到1.621%，與未添加纖維素酶處理的樣品相比，沉香揮發油提取得率增加了257%。微波輔助提取法利用微波加熱打破植物的細胞壁，使揮發油溶出，可以加快反應速度，縮短反應時間及有效提高得油率。Chen等[11]采用動態-微波輔助法對市售沉香進行精油提取，得率為0.68%。除上述沉香揮發油新型提取方法外，近年還出現了一些處于探索研究階段的其他新型提取方法，如超臨界流體萃取法[12]、亞臨界流體法萃取法[13]和固相微萃取法[14,15]等技術。這些新型提取方法具有提取時間短、效率高且質量好等優點，但是大多成本昂貴，不適于大規模實際生產。

1.2 不同提取方法所得揮發油的組分及含量比較

研究表明，不同提取方法提取的沉香揮發油類化學成分在含量、組成上存在一定差異。表1總結了沉香揮發油提取方法相關研究中代表性文獻的結論。發現水蒸氣蒸餾法提取的化學成分多是相對分子質量較小且遇熱結構穩定的倍半萜類成分，而超臨界CO2萃取法由于萃取過程短、溫度低等特點所得成分以相對分子質量大且遇熱不穩定的成分居多，能提取出更多的色酮類成分。微波輔助萃取和溶劑提取法能夠得到較為豐富的芳香族類化合物。酶輔助提取法盡管增加了細胞內揮發性成分的溶出和節省提取時間，但同時使得脂肪酸及脂肪酸衍生物的含量較高，降低了精油質量。相對而言，亞臨界流體法萃取沉香揮發油所得成分豐富，且特征呈香性成分提取率較高，對于沉香精油的制備有著獨特優勢。綜合來看，為有效獲得高品質的沉香揮發油，多種提取方法聯用以實現提取效率的最大化，將是未來沉香揮發油提取工藝發展的方向。

2 沉香揮發油化學成分研究

沉香揮發油香氣濃烈且成分復雜，是沉香主要次生代謝產物。近年來多采用氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)技術進行成分分析研究。沉香揮發油中的主要活性成分是倍半萜化合物和芳香族化合物，與沉香的香味和品質息息相關[20,21]。

2.1 沉香揮發油化學成分的骨架類型

2.1.1 倍半萜化合物

倍半萜類化合物在沉香揮發油中廣為存在，是主要的活性成分，按骨架可以分為沉香呋喃型(agarofurans)、沉香螺旋烷型(agarospiranes)、桉烷型(eudesmanes)、艾里莫酚烷型(eremophilanes)、愈創木烷型(guaianes)、杜松烷型(cadinanes)和前香草烷型(prezizanes)[22]。國內外研究人員已經相繼對沉香揮發油中的倍半萜類成分進行一定的研究。據有關文獻不完全統計，沉香中的倍半萜類化合物迄今已分離并鑒定出180余種[23-25]。目前，隨著提取分離技術和檢測設備的不斷優化升級，更多新成分被發現和確認。筆者主要對自2010年以來國內外研究中新分離鑒定沉香揮發油中的倍半萜類成分(1～74)[26-47]進行歸納總結，共有74種化合物。其骨架類型、名稱見表2，化學結構見圖1。

表1 不同提取方法沉香揮發油中的化學成分及含量Table 1 Chemical components and contents of volatile oil of Agarwood by different extraction methods

表2 近年分離發現的沉香中的倍半萜類化合物Table 2 Sesquiterpenoids in agarwood isolated in recent years

續表1(Continued Tab.1)

續表1(Continued Tab.1)

圖1 沉香揮發油中倍半萜類化合物結構Fig.1 Structure of sesquiterpenoids in volatile oil of agarwood

2.1.2 芳香族化合物

芳香族類化合物是沉香中的另一類特征成分，在沉香揮發油中所占比例較小。1998年，Yang等[48]從沉香中分離得到芐基丙酮(75)、對甲氧基芐基丙酮(76)和茴香酸(77)。近年來，Mei等[49]應用GC-MS分析技術測定國產沉香揮發油化學成分，報道發現了2，4-二叔丁基苯酚(78)和苯基丙酸(79)。Lin等[9]采用乙醚浸提法在3種人工結香法所產沉香的揮發性成分中檢測到苯甲醛(80)、3-苯基-2-丁酮(81)、4-甲基-2,6-二叔丁基苯酚(82)和3，5-二叔丁基苯酚(83)。Chen等[50]發現三氯甲烷能有效提取出沉香揮發油中的芳香族類化合物，從中得到苯甲酸(84)、4-甲氧基-苯甲醛(85)、2-甲基-萘(86)、苯丙酸(87)、香草醛(88)、3-(4-甲氧基苯基)丙酸(89)、4-羥基-3,5-二甲基苯甲醛(90)和4-羥基-3-甲氧基苯丙酸(91)。Li等[3]從國產人工打洞沉香的乙酸乙酯提取物中分離鑒定出3個揮發性芳香族化合物：3-羥基-4-甲氧基苯丙酸甲基酯(92)、姜油酮(93)和對甲氧基苯丙酸(94)。化學結構見圖2。

2.2 沉香揮發油分級主要標志化合物

傳統上沉香揮發油等級的分類是人為的依據顏色和氣味等物理感覺，但無法處理大量樣品，且存在主觀性強、重復性差等缺點，使得沉香揮發油的質量分級難以實現標準化[25]。隨著對沉香揮發油化學成分的深入研究，發現倍半萜類和芳香族化合物在一定程度上可以決定沉香揮發油的品質，作為質量分級的標志化合物。

圖2 沉香揮發油中芳香族類化合物結構Fig.2 Structure of aromatic compounds in volatile oil of agarwood

在現代分級體系中，多種分析技術與統計方法相結合是實現沉香揮發油分級的重要手段[23]。比如利用GC-MS分析技術結合K最近鄰(k-Nearest Neighbor)法[51]、Z-score標準化[52]和人工神經網絡(ANN)[53]等近年較為流行的算法，研究人員實現了沉香油品質的分級，準確率高達83%以上，且發現10-epi-γ-eudesmol(95)、β-agarofuran(96)、α-agarofuran(97)、γ-eudesmol(98)、longifolol(99)、oxo-agarospirol(100)、hexadecanol(101)和eudesmol(102)在沉香揮發油中含量相對較高且穩定，可以作為沉香油分類的標志化合物。直接熱脫附法(direct thermal desorption，DTD)，是近年新興的一種獲取香氣成分的方法，節省樣品且效率高，Ismail等[54]利用此法提取不同等級沉香的揮發油化學成分進行分析發現α-guaiene(103)、β-selinene(104)、guaia-1(10),11-dien-15-al(105)和guaia-1(10),11-dien-15,2-olide(106)對于沉香油品質分級具有重要意義。Tajuddin等[55]采用氣相色譜-火焰離子化檢測器(GC-FID)和氣相色譜-質譜聯用儀(GC-MS)對沉香揮發油成分進行化學分析，發現jinkoh-eremol(22)、kusunol(107)和selina-3,11-dien-9-one(108)可作為沉香油的分類標志化合物。Pripdeevech等[56]采用固相微萃取法提取沉香揮發性成分，并結合氣相色譜-質譜聯用和氣相色譜-嗅聞技術對萃取成分進行鑒定，發現4-phenyl-2-butanone(75)、furfural(109)和benzaldehyde(80)3種芳香族化合物是沉香精油中主體香氣成分。此外研究發現caryophellene oxide(110)、α-copaene(111)、β-guaiene(112)、α-bulnesene(113)、valencene(114)和aromadendrene(115)也是重要的沉香揮發油分級的標志化合物[57-59]。化學結構見圖3。

近年來劉昌孝院士提出關于中藥質量控制標志物的新概念[60]，明確指出質量標志物是中藥材及中藥產品具有特異性的、固有存在的有效化學成分，可作為質量控制鑒定及臨床用藥有效性、安全性的評價依據。通過對沉香揮發油標志化合物的研究，筆者認為可以為今后沉香揮發油質量標志物預測分析提供有益參考。

3 沉香揮發油的藥理活性

沉香在醫藥產品的開發利用方面有較大潛力，與其揮發油廣泛的藥理作用密切相關。研究表明沉香揮發香油具有抗氧化、抑菌、鎮痛、鎮靜、抗炎和抗癌等多種藥理活性。

3.1 抗氧化、抑菌作用

研究表明，沉香揮發油具有顯著的抗氧化、抑菌作用。Xiong等[61]研究發現沉香揮發油在一定程度上能減少細胞內活性氧水平，顯著增強細胞內抗氧化酶SOD、GSH-Px的活力，對H2O2誘導的PC12細胞氧化損傷具有保護作用。Wang等[62]通過1，1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基清除和鐵離子還原/抗氧化能力法(FRAP)測定沉香精油抗氧化活性，結果顯示具有較好的體外抗氧化能力。抗菌活性試驗表明，沉香精油對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌均有較好抑制效果，且對革蘭氏陽性菌(金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌)的抑菌作用較明顯。Dahham等[63]進一步研究發現沉香揮發油中的倍半萜類化合物β-石竹烯具有顯著的抗氧化、抗菌性能。

圖3 沉香揮發油中主要標志化合物結構Fig.3 Structure of main marker compounds in volatile oil of agarwood

3.2 鎮痛、鎮靜作用

沉香在傳統中藥中作為行氣藥，具有行氣止痛功效。Wang等[64]比較不同年份沉香藥材的鎮痛作用，研究發現沉香揮發油可顯著提高小鼠痛閾值和降低醋酸致小鼠扭體反應的扭體發生次數，證明其具有明確的鎮痛作用。Wang等[65]通過協同戊巴比妥鈉催眠實驗和自主活動實驗評價了沉香不同部位在鎮靜催眠方面的藥效學作用，發現沉香揮發油能顯著延長戊巴比妥鈉誘導的小鼠睡眠時間及增加閾下劑量小鼠進入睡眠的比例，綜合實驗結果進一步推斷沉香揮發油中具有鎮靜催眠作用的活性分子可能為弱極性分子。Wang等[66]通過動物行為學實驗評價沉香精油的鎮靜催眠作用，探討對GABA能系統的潛在作用機制，結果表明沉香揮發油具有顯著的鎮靜催眠作用，其作用機制可能與調節GABAA受體的基因表達，增強GABAA受體功能，促進Cl-1內流有關。

3.3 抗炎作用

體內和體外抗炎活性實驗均表明沉香揮發油具有較強的抗炎活性[67]。Gao等[68]研究發現沉香精油灌胃給藥具有顯著的抗炎活性，通過脂多糖(LPS)誘導RAW264.7細胞模型和Western blot方法發現其抗炎信號通路可能是通過抑制p-STAT3的表達，進而降低前炎癥細胞因子IL-1β和IL-6的產生和釋放，同時結合化學成分的分析結果推斷與其主要成分倍半萜類有關。Zhao等[37]從沉香95%乙醇提取物中分離得到7個倍半萜類化合物，研究發現化合物1,10-dioxo-4αH-5αH-7βH-11αH-1,10-secoguaia-2(3)-en-12,8β-olide具有明顯的抗炎活性，其IC50值為8.4 μmol/L。Yadav等[69]研究發現沉香精油可顯著減少TPA誘導的小鼠耳炎癥模型中小鼠耳厚度、耳重量和降低MDA水平及促炎細胞因子的產生，推測其抗炎機制可能與抑制促炎癥細胞因子(IL-1β、IL-6和TNF-α)的水平和降低機體脂質過氧化程度(MDA)有關，同時通過分子對接研究結果發現倍半萜類化合物jinkoh-eremol和10-epi-γ-eudesmol具有較強的抗炎和免疫調節活性。這些研究結果初步闡明了沉香揮發油抗炎活性的物質基礎及相關作用機制，證明其可以作為治療炎癥疾病的有效藥物。

3.4 抗癌作用

此外，沉香揮發油還具有一定的抗腫瘤作用。Hashim等[70]對沉香揮發油進行了細胞活力、細胞附著度和細胞毒性的測定，確定了其IC50值為900 g/mL，結果表明沉香精油對MCF-7乳腺癌細胞具有潛在的抗癌活性。Ibrahim等[71]研究結果發現沉香精油對人結腸癌細胞具有較強的抗癌活性，是治療結腸癌的良好選擇。此外Dahham等[72-74]研究了沉香揮發油對結腸癌細胞HCT116和胰腺癌細胞MIAPaCa-2的抑制活性，發現均有顯著的抑制作用，并推測沉香揮發油的抗癌作用可能是由于多種生物活性成分協同作用所致。

3.5 其他作用

Wang等[75]通過一系列的動物行為實驗，證明了沉香揮發油具有抗焦慮和抗抑郁作用，推測可能與抑制促腎上腺皮質激素釋放因子(CRF)和下丘腦-垂體-腎上腺(HPA)軸的過度活動有關。Rahman等[76]采用吸入途徑對小鼠給藥，研究發現沉香精油具有一定的抗焦慮作用。在胃腸道調節作用方面，有研究發現[77,78]，沉香揮發油中的主要活性化合物芐基丙酮具有增強食欲的作用。此外，沉香揮發油還有降血糖[79,80]、抗心肌缺血[81]等藥理活性。

4 總結與展望

沉香藥用歷史悠久、療效確切，是我國傳統珍貴中藥材。其揮發油作為香氣的主要來源和主要活性部位群，所含化學成分種類多樣且藥理作用廣泛，具有廣闊的開發利用前景。近年來隨著現代提取分離技術的飛速發展，不同提取方法所得沉香揮發油提取率和成分種類含量有較大差別。目前從沉香揮發油中分離得到的化合物主要包括倍半萜類、芳香族類等。現代藥理學研究表明，沉香揮發油具有抗氧化、抑菌、鎮痛、鎮靜、抗炎、抗癌等多種藥理作用，具有良好的臨床應用與新藥研發價值。

然而，現代沉香品質評價研究主要集中在特征化學成分色酮類，對主要活性成分揮發油關注較少，對沉香揮發油整體質量控制的研究相對薄弱。筆者通過對沉香揮發油的提取方法、化學成分以及藥理活性進行總結，有助于建立沉香揮發油質量評價體系。同時通過對揮發油中主要標志化合物進行總結，能夠為沉香揮發油質量標志物的篩選和確定提供參考方向，具有指導意義。這將有助于后續深入挖掘沉香揮發油的藥效物質基礎，為其質量評價和臨床用藥奠定研究基礎和理論依據。