蠟梅屬植物精油成分及藥理活性研究進展

何德穎,肖薇依,黎 成,鄒崢嶸*

1江西師范大學生命科學學院;2江西省亞熱帶植物資源保護與利用重點實驗室,南昌 330022

蠟梅屬(ChimonanthusLindl.)是我國特有的屬,根據《中國植物志》該屬包括6個種:蠟梅(C.praecox)、山蠟梅(C.nitensOliv)、柳葉蠟梅(C.salicifolius)、西南蠟梅(C.campanulatus)、浙江蠟梅(C.zhejiangensis)和突托蠟梅(C.grammatus)[1]。Chen等[2]將突托蠟梅歸屬為蠟梅屬的變種。蠟梅不僅有較高的觀賞性,還有極高的食用與藥用價值。山蠟梅葉和柳葉蠟梅葉可制成香風茶,又名石涼茶,具有抑菌抗炎[3]、預防感冒[4]、降血糖[5]和鎮咳止喘[6]的作用,其能流行起來,很大程度上是因為它在治療胃脹、降低血脂、預防中暑和提高免疫力方面的功效[7]。黃酮、生物堿、香豆素、甾體和木質素等類型的化合物是蠟梅屬中的非揮發性成分,而精油是揮發性成分,具有獨特的香氣。蠟梅屬植物精油成分復雜,化合物種類主要包括萜類化合物、芳香族化合物和脂肪族化合物等三大類型,其中單萜與倍半萜化合物的含量最為豐富。許多藥理研究都表明蠟梅屬精油具有抑菌[8]、抗炎[9]、抗氧化[10,11]、抗病毒[12]、鎮咳平喘[13]和減脂[14]等活性,對血管性癡呆[15]、急性肺損傷[16]和潰瘍性結腸炎[17]等疾病有較好的治療作用。

近年來,對蠟梅屬植物的關注越來越廣泛,研究主要聚焦在品種分類、種質資源、分子生物學和病理應用等方面,但是對揮發性成分的綜合研究有待深入。本文對新近報道的蠟梅屬植物精油成分進行了分類整理,包括蠟梅花、蠟梅葉、蠟梅籽、蠟梅根、蠟梅果皮、突托蠟梅花、山蠟梅花、山蠟梅葉、山蠟梅嫩梢、浙江蠟梅葉、浙江蠟梅花、柳葉蠟梅莖、柳葉蠟梅花和柳葉蠟梅葉等不同種類與不同器官的研究,并概述了它們的藥理活性,以期為進一步開發和利用蠟梅屬植物的精油資源提供有益參考。

1 蠟梅屬植物精油的化學成分

精油是從芳香植物原料中提取的油性芳香液體,是由多種類型化合物組成的混合物。作為次生代謝產物,植物精油可以在,花蕾、葉片、種子、樹皮和根莖等不同的器官中進行生物合成[18]。雖然精油的組成成分復雜,但基本的化合物類型主要包括萜類及其含氧衍生物、芳香族和脂肪族及其含氧衍生物等類型。作者查閱近十年來關于蠟梅屬植物精油的研究文獻,從中篩選出含量大于0.5%的化合物140個,其中萜類占75.0%,是植物精油的主要化合物類型;脂肪族化合物占18.6%,芳香族化合物占6.4%。

1.1 萜類化合物

萜類化合物是天然產物中的一類非常重要的次生代謝產物,在自然界中分布廣泛,數量龐大,結構類型多樣,大部分都具有重要的生物活性。從化學結構特征看,萜類化合物是異戊二烯的聚合物及其衍生物,根據結構中異戊二烯單元的數目可分為半萜(C5H8)、單萜(C10H16)、倍半萜(C15H24)、二萜(C20H32)等。蠟梅屬植物精油的主要組成成分是單萜、倍半萜及其含氧衍生物。

1.1.1 單萜、倍半萜化合物的生物合成途徑

單萜與倍半萜的生物合成途徑主要由3個階段組成。第一階段生成C5的前體異戊烯基二磷酸酯(isopentenyl diphosphate,IPP)及其雙鍵異構體二甲烯丙基焦磷酸(dimethylallyl diphosphate,DMAPP)。它們由兩條途徑形成,分別是位于細胞質的甲羥戊酸(mevalonic acid,MVA)途徑和位于質體的甲基赤蘚醇-4-磷酸(methylerythritol phosphate,MEP)途徑(見圖1)。第二階段生成直接前體物質焦磷酸香葉酯(geranyl diphosphate,GPP)和焦磷酸金合歡酯(farnesyl diphosphate,FPP)。第三階段是萜類化合物的生成與修飾,直接前體物質在萜類合成酶(terpene synthases,TPS)催化下分別形成單萜和倍半萜化合物,后經酶的修飾形成結構多樣的萜類化合物[19-21]。

圖1 單萜、倍半萜化合物的生物合成途徑Fig.1 The biosynthesis pathways of monoterpenoid and sesquiterpenoid

在MVA途徑中,以2分子的乙酰-CoA(acetyl-CoA)為原料,在乙酰乙酰-CoA硫解酶(acetoacetyl CoA thiolase,AACT)催化下縮合成乙酰乙酰-CoA(acetoacetyl-CoA,AcAc-CoA),而后在3-羥基-3-甲基戊二酰CoA合成酶(3-hydroxy-3-methylglu-taryl CoA synthase,HMGS)作用下與第三個乙酰-CoA縮合形成HMG-CoA,隨后在HMG-CoA還原酶(HMG-CoA reductase,HMGR)作用下還原成MVA。接下來MVA依次受甲羥戊酸激酶(mevalonate kinase,MK)、磷酸戊酸激酶(phosphomevalonate kinase,PMK)和焦磷酸甲羥戊酸脫羧酶(mevalonate diphosphate decarboxylase,MVD)的催化作用,轉化為5-磷酸甲羥戊酸(mevalonate 5-phosphate,MVAP)、焦磷酸甲羥戊酸(mevalonate diphosphate,MVAPP)和IPP。而IPP可以在異戊烯基二磷酸異構酶(isopentenyl diphosphate isomerase,IDI)的催化下發生可逆反應生成它的同分異構體DMAPP[22,23]。

在MEP途徑中,丙酮酸(pyruvate)和甘油醛-3-磷酸(glyceraldehyde-3-phosphate,G3P)在1-脫氧-D-木酮糖合成酶(1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate synthase,DXS)催化下生成1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸(1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate,DXP),而后在1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸還原酶(DXP reductoisomerase,DXR)作用下還原成MEP。接下來MEP依次受2-C-甲基-D-赤蘚醇-4-磷酸胞苷轉移酶(2-C-methyl-D-erythritol-4-phosphate cytidyltransferase,MCT)、4-(5′-焦磷酸胞苷)-2-C-甲基-D-赤蘚醇激酶(4-(cytidine 5′-diphospho)-2-C-methyl-D-erythritol kinase,CMK)、2-C-甲基-D-赤蘚醇-2,4-環焦磷酸合成酶(2-C-methyl-D-erythritol-2,4-cyclodiphosphate synthase,MDS)和羥甲基丁烯酸-4-磷酸合酶(4-hydroxy-3-methylbut-2-enyl diphosphate synthase,HDS)催化作用,轉化為4-(5′-焦磷酸胞苷)-2-C-甲基-D-赤蘚醇(4-(cytidine 5′-diphospho)-2-C-methyl-D-erythritol,CDP-ME)、4-(5′-焦磷酸胞苷)-2-C-甲基-D-赤蘚醇-2-磷酸(4-(cytidine 5′-diphospho)-2-C-methyl-D-erythritol phosphate,CDP-ME2P)、2-C-甲基-D-赤蘚醇-2,4-環焦磷酸(2-C-methyl-D-erythritol-2,4-cyclodiphosphate,MEcPP)和羥甲基丁烯基-4-磷酸(4-hydroxy-3-methylbut-2-enyl diphosphate,HMBPP)。最后被羥甲基丁烯基-4-磷酸還原酶(4-hydroxy-3-methylbut-2-enyl diphosphate reductase,HDR)還原為IPP和DMAPP[24,25]。

IPP和DMAPP在短鏈戊烯基轉移酶的催化活性下頭尾相接,形成線性戊烯基二磷酸酯,作為所有萜類化合物的中心前體。GPP是所有單萜的前體,焦磷酸橙花酯(neryl diphosphate,NPP)也被證明是規則單萜類化合物的前體[26]。FPP則是倍半萜的前體物質。

1.1.2 單萜

單萜依據碳骨架的特征,可分為鏈狀單萜、環狀單萜和變形單萜。在蠟梅屬植物精油成分中,暫未發現變形單萜成分。公開報道的單萜類成分有8個鏈狀單萜化合物、10個單環單萜化合物、6個雙環單萜化合物和1個三環單萜化合物,具體名稱與結構見表1與圖2。筆者對相關文獻進行認真閱讀和整理分析,發現桉葉油醇(eucalyptol,18)、α-蒎烯(α-pinene,19)、莰烯(camphene,21)、樟腦(camphor,22)、龍腦(borneol,23)和乙酸冰片酯(bornyl acetate,24)等化合物在蠟梅屬植物精油研究報道中的出現頻率較高,在不同蠟梅屬植物的器官中都有發現。

表1 蠟梅屬中的單萜類化合物

圖2 蠟梅屬植物中單萜類代表化合物的結構Fig.2 Structures of representative monoterpenoids from Chimonanthus Lindl．

1.1.3 倍半萜

倍半萜依據碳骨架的特征,可分為無環倍半萜、環狀倍半萜和薁類衍生物。倍半萜類是高沸點芳香植物精油的主要組成成分,雖然碳骨架只有15個碳原子,但由于生物體內多種酶參與的次生代謝過程產生了許多的基本碳骨架和復雜的衍生物,數量居萜類化合物之首。

在蠟梅屬植物精油成分中,暫未發現薁類衍生物,公開報道的倍半萜類成分包括3個無環倍半萜、12個單環倍半萜,48個雙環倍半萜和17個三環倍半萜,涉及的基本碳骨架包括金合歡烷、沒藥烷、蛇麻烷、吉馬烷、欖香烷、桉葉烷、杜松烷、愈創烷、石竹烷、柏木烷、廣藿香烷、衣蘭烷、香木蘭烷、蓽澄茄烷和長葉烷等[40],結構復雜多樣。這些倍半萜化合物多數是在蠟梅屬植物的花和葉片的精油中發現;而如順式-橙花椒醇(cis-nerolidol,28)、β-欖香烯(β-elemene,31)、大根香葉烯D(germacrene D,32)、石竹烯(caryophyllene,43)、γ-杜松烯(γ-cadinene,48)、石竹烯氧化物(caryophyllene oxide,66)、桉油烯醇(spathulenol,69)、杜松醇(cadinol,73)和古巴烯(copaene,91)等則發現于多個器官提取的精油中,其中化合物83～88是從蠟梅葉中新分離純化得到的。具體化合物名稱與結構見表2與圖3、4。

表2 蠟梅屬中的倍半萜類化合物

圖3 蠟梅屬中的倍半萜類代表化合物的結構Fig.3 Structures of representative sesquiterpenoids compounds from Chimonanthus Lindl.

圖4 蠟梅屬中的倍半萜類代表化合物的結構Fig.4 Structures of representative sesquiterpenoids compounds from Chimonanthus Lindl.

1.2 芳香族化合物

芳香族化合物在精油中的分布也十分廣泛,在蠟梅屬植物精油的文獻中整理得到9個芳香族化合物,主要是在蠟梅花精油中發現,此類化合物也是蠟梅植物精油中分布最少的,具體化合物名稱與結構見表3與圖5。

表3 蠟梅屬中的芳香族類化合物

圖5 蠟梅屬中的芳香族類代表化合物的結構Fig.5 Structures of representative aromatic compounds from Chimonanthus Lindl．

萜類、苯丙類和脂肪族衍生物是觀賞性植物的主要花香化合物,不同植物的花這三類化合物的含量也不同[41]。有研究發現苯甲醇(benzyl alcohol,106)、乙酸苯甲酯(benzyl acetate,108)和丁香酚(eugenol,109)是蠟梅花的典型花香化合物[42]。

1.3 脂肪族化合物

植物精油中也存在一些小分子的脂肪族化合物,包括烷烴、烯烴、酸、醛、酮、醇和酯等,從蠟梅屬植物精油相關報道中整理得到26個脂肪族化合物,具體名稱與結構見表4與圖6。

表4 蠟梅屬中的脂肪族類化合物

圖6 蠟梅屬中的脂肪族類代表化合物的結構Fig.6 Structures of representative aliphatic compounds from Chimonanthus Lindl．

2 蠟梅屬植物精油成分的藥理活性

2.1 抑菌作用

蠟梅屬植物精油對病原真菌表現出抑制作用,如禾谷鐮刀菌(Fusariumgraminearum)、核盤菌(Sclerotiniasclerotiorum)、膠孢炭疽菌(Colletorichumgloeosporioides)、玉米大斑病菌(Helminthosporiumturcicum)等[35],而不同產地的蠟梅精油表現的抑菌作用存在一定的差異[31]。研究發現萜類化合物是蠟梅屬植物精油具有抑菌作用的主要物質。Lou等[43]在蠟梅莖和根中分離純化得到8個倍半萜化合物,可以抑制金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、白色念珠菌(Candidaalbicans)、大腸桿菌(Escherichiacoli)和綠膿桿菌(Pseudomonasaeruginosa)的增殖,最小抑制濃度為128～254 μg/mL。此外,蠟梅不同部位精油的抑菌效果也存有差異,Wang等[8]探究了蠟梅根、葉和果皮精油對細菌和真菌的抑制作用,對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin-resistantStaphylococcusaureus)和人參銹腐(Cylindrocarpondestructans)的抑菌效果:蠟梅根>蠟梅葉>蠟梅果皮。而對小麥根腐病菌(Bipolarissorokinianum)的抑制率則是:蠟梅果皮精油(66.14%)>蠟梅根精油(63.21%)>蠟梅葉精油(55.53%)。

2.2 抗炎

抗炎作用是蠟梅屬植物藥理活性中研究最多的,多在香豆素、生物堿和黃酮類(如蘆丁、槲皮素和山柰酚)化合物等非揮發性成分中發現[44,45],但植物精油也有抗炎活性。Dai等[9]利用足腫脹模型證明了蠟梅花精油具有抗炎作用,能夠抑制足部腫脹組織中腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和白細胞介素(IL-1β)的增殖。Yuan等[13]通過耳腫脹模型,證明高、中、低劑量的山蠟梅葉精油均能顯著抑制小鼠的耳腫脹,抑制率都大于50%,其中高劑量組效果最佳。

2.3 抗氧化

2.4 抗病毒

蠟梅屬植物精油具有抗病毒活性。Wu等[12]利用流感病毒侵染傳代犬腎細胞(madin-darby canine kidney,MDCK),使其在感染病毒48 h后出現病變效應(CPE),給予山蠟梅揮精油后CPE減弱,正常形態的細胞數量明顯增加,病毒抑制率隨藥物濃度的上升而提高。這表明山蠟梅精油的組分可以穿入細胞,并對病毒基因組的釋放、復制或轉錄等過程產生抑制或干擾作用。

2.5 鎮咳平喘

蠟梅屬植物的葉片可制成香風茶,因其具有鎮咳平喘的活性在民間被廣泛應用。Yuan等[13]研究證實山蠟梅葉揮發油的低、中、高劑量組用藥均能明顯延長小鼠的咳嗽潛伏期,減少小鼠咳嗽次數,而中高劑量的揮發油能顯著延長大鼠的平喘潛伏期,其中高劑量效果最佳,延長率達109.54%。

2.6 減脂作用

Chen等[14]研究山蠟梅葉精油對小鼠脂肪的合成有干預作用,且對肌肉和體重無明顯影響。其Lee′s指數(反應小鼠肥胖程度的參數)均顯著低于正常組,總脂肪指數有下降趨勢,并顯著降低血清甘油三酯和總膽固醇的含量;山蠟梅揮發油干預脂肪合成的一條途徑就是抑制脂肪合酶(fatty acid synthase,FAS)的活性,從而抑制甘油三酯的合成,40mg生藥/mL的精油即可抑制50%以上的酶活性。

2.7 其他活性

蠟梅屬植物精油對臨床上一些疾病的治療也具有一定的生物活性。Wang等[15]發現山蠟梅葉揮發油可以改善血管性癡呆(vascular dementia,VD)大鼠認知功能障礙。山蠟梅葉揮發油使得大鼠逃避潛伏期縮短、穿越原平臺次數增多、垂直得分和水平得分增高,血清指標種超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性升高、丙二醛(malonaldehyde,MDA)含量下降。其機制可能與糾正大鼠腦組織氧化或抗氧化失衡,保護腦組織免于氧化損傷,并減輕海馬區損傷有關。Wan等[16]研究證明山蠟梅葉精油對脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)誘導的大鼠急性肺損傷有保護作用,可增加大鼠白細胞計數、降低免疫器官指數以及改善肺組織病理變化。在保護過程中炎癥因子IL-1β水平明顯降低,同時,精油的保護作用伴隨著脂質氧化的減弱和抗氧化酶的升高,表明抗氧化防御的增強與其對肺的保護作用有關。此外,與單純應用LPS相比,精油與LPS的組合應用可增加丙酸、異丁酸、丁酸和異戊酸而顯著增加短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)的含量。因此,山蠟梅精油可以通過控制異常炎癥、糾正氧化還原系統和調節SCFAs來減輕LPS引起的急性肺損傷。He等[17]研究了蠟梅葉精油對葡聚糖硫酸鈉(dextran sodium sulfate,DSS)誘導的小鼠潰瘍性結腸炎(ulcerative colitis,UC)的保護作用,發現蠟梅葉精油可有效延遲小鼠體重減輕,明顯恢復DSS引起的大鼠結腸長度縮短,且組織損傷也顯著減少。此外精油劑量組可減輕DSS對結腸上皮細胞的損傷,抑制炎性細胞的浸潤,維持腸上皮和腺體的完整性。

3 結語與展望

蠟梅屬植物為我國所特有,分布廣泛且具有很高的觀賞性與藥用價值,具有較大的開發潛力;其精油組成豐富,化合物類型多樣,具有抑菌、抗炎、抗氧化、抗病毒和止咳平喘等藥理活性,對血管性癡呆、急性肺損傷和潰瘍性結腸炎等疾病有潛在的治療作用。但是目前有關蠟梅屬植物資源研究與利用深度明顯不足,具體表現為:蠟梅屬植物的種質資源和系統進化需更加深入,對其種屬分類依舊存在爭議;其次,當前對蠟梅屬精油藥理活性的研究大多數都是基于未經分離純化的精油,化學成分十分復雜,這導致對蠟梅屬精油作用靶點及其作用機制等并沒有得到很好的闡明;最后,萜類化合物是精油的主要成分,現在有許多研究表明一些植物中的萜類化合物是對抗疾病的有效成分,如倍半萜類的青蒿素可以對抗瘧疾,環狀倍半萜小白菊內酯可以抗亞馬遜利什曼原蟲,因此對植物精油中萜類化合物藥理作用的探究需要進一步深入,特別是結構復雜多樣的倍半萜類化合物,其不同類型碳骨架是否會對應不同的藥理活性,這都有待研究人員去發現。深入研究蠟梅屬精油的化學組成、生物活性、作用機理和構效關系將有助于更好地開發利用我國豐富的蠟梅屬植物資源。