細胞壁內酚酸類化合物的研究進展

胡文冉 謝麗霞 劉娜 劉紅娟 范玲

摘要

天然酚酸是一類廣泛存在于植物體細胞壁內的次生代謝產物。酚酸在植物體內具有廣泛的功能。酚酸類化合物大多具有藥理活性和藥用價值，已成為當今國內外研究開發的熱點。本文綜述了酚酸的類型及在植物體內的存在形式、植物體內常見酚酸的結構、合成途徑、光譜特征及提取方法的最新進展，為更深入研究細胞壁內酚酸奠定基礎。

關鍵詞 酚酸類化合物;次生代謝產物;光譜特征;提取

中圖分類號 S188;Q501 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2014）34-12020-03

Research Progress in Phenolic Acids of Cell Walls

HU Wenran1， XIE Lixia2， LIU Na3， FAN Ling1* et al

（1. Institute of Nuclear and Biological Technologies， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Urumqi， Xinjiang 830091; 2. College of Agronomy， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， Xinjiang 830091; 3. College of Science and Technology， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， Xinjiang 830052）

Abstract Natural phenolic acids are a kind of secondary metabolites widely exist in plant cell walls. Phenolic acids have become the focus of domestic and foreign research because they have wide ranges of functions in plants and its compounds mostly have pharmacological activities and medicinal value. This paper reviewed the types and forms of phenolic acids， common structure， biosynthesis， spectral characteristics and extraction methods， which will lay the foundation for the further research of phenolic acids in cell walls.

Key words Phenolic acids; Secondary metabolites; Spectral characteristics; Extraction

天然酚酸類化合物（Phenolic acids）屬于苯丙素類化合物，是一類廣泛存在于植物細胞壁內的次生代謝產物。酚酸在植物體內具有廣泛的功能，對植物養分吸收、蛋白質合成、酶活性、光合作用、細胞骨架與結構建成和種間感化作用均有影響。酚酸也與植物的抗逆性有關。植物在遭受低溫、紫外輻射、臭氧、傷害、病蟲害等生物和非生物逆境時，植物體內酚酸等酚類物質大量積累，以提高植物的抗逆性。酚酸類化合物大多具有確切的藥理活性和藥用價值。因此，植物體內的酚酸類化合物已受到廣泛的研究。為使人們對酚酸類化合物有一個比較全面、系統的了解，筆者擬從酚酸類化合物的類型及存在形式、植物體內常見酚酸的結構、合成途徑、光譜特征及提取方法做一綜述。

1 ?酚酸類化合物的類型

酚酸類化合物是酚類物質的一種，在自然界廣泛存在，多為對羥基苯甲酸（Hydroxybenzoic acids）和對羥基肉桂酸（Hydroxxycinnamic acids）的衍生物，是一類廣泛存在于植物體內由碳水化合物代謝衍生形成的一類次生代謝產物。它具有一個苯核。羥基苯甲酸類化合物是由苯甲酸衍生而來的，結構上具有C6C1特點。羥基苯甲酸的結構因芳香環上羥基以及甲基化位置的不同而異。植物中常見的有對羥基苯甲酸（phydroxybenzoic acid， PHBA）、原兒茶酸（Protocatechuic acid， PRA）、香草酸（Vanillic acid， VA）、沒食子酸（Gallic acid， GA）和丁香酸（Syringic acid， SYA）。這類化合物除了被酯、配糖取代外，大多以游離形式存在，或與糖基和其他有機酸以共價結合形成可溶的共軛物，或者與細胞壁結合形成木質素。沒食子酸是以三羥基形式存在的羥基苯甲酸。單體可參與水解型五倍子單寧（Gallotannin）的形成。它的二聚體為鞣花酸，經縮合后形成鞣花酸單寧（Ellagitannin）。另外，還有一種常見的鄰羥基苯甲酸即水楊酸，在植物中也普遍存在[1]。羥基肉桂酸類是由肉桂酸衍生而來的，結構上具有C6C3特點，可與奎寧酸、莽草酸和酒石酸形成酯類化合物。羥基肉桂酸類多以結合態形式存在，植物中最常見的有p香豆酸（pcoumaric acid， PCA）、咖啡酸（Caffeic acid， CA）、阿魏酸（Ferulic acid， FA）和芥子酸（Sinapic acid， SA）[2]，是植物細胞壁合成木質素的前體。它廣泛存在于植物的果實中，易形成酯合的結構[3]。羥基肉桂酸多以結合態形式存在。植物組織中的酶可以將其水解為游離態。另外，羥基肉桂酸可與奎寧酸、莽草酸及酒石酸形成酯類化合物。

2 ?酚酸類化合物在植物體內的存在形式

酚酸類物質是合成木質素的前體，其含量和種類對木質素合成有著重要的影響。在各植物組織中，酚酸的存在形式和含量都不盡相同，而且在不同的發育階段，各植物組織中酚酸的存在形式和含量也發生相應的變化。植物體內常見酚酸的結構見圖1、表1、2。

植物細胞壁木質素中阿魏酸、對香豆酸及二聚阿魏酸等酚酸類物質以酯鍵方式與半纖維素支鏈形成致密網狀交聯結構，從空間上限制動物、微生物對植物細胞壁中纖維素、半纖維素的有效降解。阿魏酸及其衍生物可與多糖殘基氧化交聯，促使細胞壁變厚和組織老化[4]。阿魏酸除與多糖殘基形成復合物外，還可通過自身的氧化交聯形成酚酸二聚體，使得細胞壁韌性增強，木質化加劇。由于阿魏酸在植物細胞壁結構中起重要的作用，它在植物細胞壁的木質素與木質素之間、木質素與半纖維素之間、半纖維素與半纖維素之間形成交接，構成一個骨架結構，使得整個細胞壁變得堅硬。阿魏酸酯鍵可以增強植物細胞壁對酶解的抗性。阿魏酸酯酶在植物細胞壁木質素消除和交聯結構解聚中具有重要作用。在天然木質纖維素原料中，阿魏酸以單體或二聚體的形式分別通過醚鍵和酯鍵與細胞壁中的木質素和半纖維素相連接，以結合狀態存在于其中。而FA形成的二聚體主要有85′、55′、8O4′和88′ 4種形式。阿魏酸和對香豆酸與細胞壁物質連接不同。對香豆酸主要與木質素相連，阿魏酸主要與半纖維素酯鍵相連，同木質素之間的連接鍵取決于原材料;同時，對香豆酸相比阿魏酸與半纖維素之間的鍵更易斷裂[5]。

許多植物性食品（如水果、蔬菜、谷物等）都含有較多的酚酸。酚酸主要分布在植物的種子（果實）、葉片、根和莖中。這些酚酸（尤其是PCA和FA）既可以作為可溶形式存在于細胞質中，又可以通過共價鍵與植物細胞壁相連。酚酸類物質自身的氧化交聯和形成的二聚體可使細胞壁增厚，促進植物組織木質化。在各植物組織中，酚酸只有少部分以游離態的形式存在，多數以與纖維素、蛋白、木質素、類黃酮、葡萄糖、酒石酸結合的形式存在于植物細胞的初生壁和次生壁中[6-7]。在細胞壁的發育過程中，酚酸作為木質素的前體物和木質素與多糖間的連接也沉積到初級和次級細胞壁中。Zarra等[8]認為，植物組織木質化的生物化學機制是由酚類物質與多糖殘基的氧化交聯造成的。

酚酸在雙子葉植物和單子葉植物中的存在形式不同，如在雙子葉植物中，阿魏酸通過酯鍵與阿拉伯糖的O2、O3及半乳糖的O6位相連，這種連接發生在多糖的主鏈上，二聚體以85′最多;在單子葉植物中，阿魏酸則通過酯鍵連接到雜木聚糖的側鏈上，二聚體以88′最少，其他3種二聚體數量相當。當然，FA也可以通過酯鍵和醚鍵與木質素相連[9]。

3 ?植物體內酚酸合成代謝的途徑

在許多植物中，酚酸的生物合成步驟已基本得到探明，如圖2所示。來自莽草酸途徑的莽草酸通過分枝酸、預苯酸經轉氨作用形成苯丙氨酸，從而進入苯丙烷代謝途徑。在苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸4羥化酶（C4H）的作用下，形成反式肉桂酸、香豆酸、阿魏酸、芥子酸等酚酸。這些酚酸在4香豆酸輔酶A連接酶（4CL）、甲基轉移酶（OMT）等酶的作用下，可進一步轉化為香豆素、綠原酸、咖啡酸等，也可形成CoA酯，再進步轉化為類黃酮、木質素等[10]。苯丙烷類代謝途徑是酚酸生物合成的主要途徑。除苯丙烷類代謝途徑外，在一些植物中，還發現其他途徑，主要生成對羥基苯甲酸類酚酸。研究發現，莽草酸經脫水作用后可直接產生沒食子酸;對羥基肉桂酸類酚酸、類黃酮等也可直接降解生成對羥基苯甲酸類酚酸，類似于脂肪酸的β氧化[11-12]。

圖2 植物體內合成代謝的一般途徑[10]

4 ?酚酸化合物的光譜特征

酚酸類物質也有明顯的光譜特征（表3）。大多數苯甲酸衍生物在246～262 nm范圍內有最大的吸收（除沒食子酸和丁香酸分別在271和275 nm有最大吸收外）;羥基肉桂酸衍生物有2個吸收峰，分別為225～235和290～320 nm。

表3 酚酸類光譜[13-14]

類別名稱吸收帶

位置∥nm

羥基苯phydroxybenzoic acid （4hydroxybenzoic）255

甲酸類ophrocatechuic acid （2，3dihydroxybenzoic）245 315

βresorcylic acid （2，4dihydroxybenzoic）256 294

γresorcylic acid （2，6dihydroxybenzoic）246 306

Protocatechuic acid （3，4dihydroxybenzoic）256 298

αresorchlic acid （3，5dihydroxybenzoic）249 307

Gallic acid （3，4，5trihydroxybenzoic）271

Isovanillic acid （3hyfroxy4methoxybenzoic）262 294

Vanillic acid （4hyfroxy3methoxybenzoic）261 293

Syringic acid （4hyfroxy3，5methoxybenzoic）275

羥基肉ocoumaric acid （ocoumaric）275 325

桂酸類mcoumaric acid （mcoumaric）235 277

pcoumaric acid （4hydroxycinnamic）235 310

Caffeic acid （3，4dihydroxycinnamic）246 322

Ferulic acid （4hydroxy3methoxycinnamic）240 328

Sinapic acid （4hydroxy3，5dimethoxycinnamic）237 323

Chlorogenic acid （5caffeoylquinic）246 324

5 ?酚酸的提取方法

提取酚酸的方法主要有水浸提法、有機溶劑法、超聲波法和超臨界CO2萃取法等。

酚酸類物質為水溶性成分，呈弱酸性，易溶于水、醇、丙酮等溶劑，在工業生產中一般采用水為提取溶劑，而水浸提法的缺點是產品中含有較多的脂類和多糖物質，為后續的純化工藝帶來一定的困難。有機溶劑法常用丙酮、甲醇、乙醇等提取酚酸，其提取效率為甲醇>乙醇>丙酮，多采用體積分數50%～70%的丙酮或體積分數70%甲醇或體積分數70%的熱乙醇或無水乙醇進行提取。在整個提取過程中，應盡量避免與空氣、陽光、堿和高溫長時間的接觸。

超聲波法是近年來應用較廣泛的提取方法。超聲波是一種均勻的球面機械波。它以獨特的作用形式在液體內部產生強烈的沖擊波和微射流，能擊碎細胞壁，使細胞內組分滲透到溶液中，達到分離的目的。該方法具有較高的提取率且能縮短提取時間、節約提取劑、綜合成本低、污染較小、工藝簡易等優點，適合于工業化生產。超聲波法提取溫度不是很高，提取可在室溫下進行，免去高溫對提取成分的影響。

超臨界CO2萃取法是以液態CO2為溶劑進行提取的，提取率與提取溫度、提取壓力、CO2消耗量等因素有關。該法具有操作范圍廣、便于調節的特點，可以通過控制壓力或溫度，有針對性地將酚酸類物質萃取出來。同時，萃取和蒸餾合為一體，不需要回收溶劑，可以大大提高生產效率、節約能耗，制取的產品純度高。但是，生產成本較高，還沒有大規模應用于工業生產。

6 ?酚酸的分析測定方法

天然酚酸類化合物在植物中分布廣泛，但是一般成分復雜、含量低，相互間分離比較困難，因而不能從植物體內直接分離其全部成分。對于酚酸類化合物的測定方法有多種，主要有紫外分光光度法（UV）、毛細管電泳法、電化學分析法、流動注射分析法和色譜法等，而色譜法又有薄層層析法（TCL）、高壓液相色譜法（HPLC）和氣相色譜法等。目前，應用較多的是紫外分光光度法和高效液相色譜法。

酚酸類化合物具有吸收紫外光的特點。它們的吸收峰值在270～330 nm之間，因此可利用紫外分光光度法測定酚酸含量。該法操作簡單，方便快捷，為實驗室提供簡易、省時的酚酸研究方法。但是，由于植物樣品中酚酸成分復雜多樣，在進行含量測定時難以分離，利用紫外分光光度法測定時易受到其他雜質的干擾，因此測定值一般偏高。

高效液相色譜法（HPLC）是最常用的定性定量分析方法。MarkoVarga等[15]采用CH3CN2H2O系統等度洗脫、 UV 280 nm檢測，詳細研究了固定相、流動相、pH等對29種酚酸類化合物保留行為的影響;Bocchi等[16]主要研究了不同檢測器對酚酸類化合物的檢測限，并且研究了其中6種酚酸采用氰基柱梯度分離的檢測限;Andersen等[17]采用C18柱分離、CH3OHH2O系統梯度洗脫，UV雙波長檢測，在柱溫40 ℃、流速4.0 ml/min條件下，建立了11種酚酸的同時定性、定量分析方法。由于綠原酸在水中會部分解離，解離后綠原酸與固定相作用較強，導致譜圖的拖尾，影響測定結果的準確性。在實際操作中，在流動相里可加入一定比例的乙酸或磷酸等，有效抑制酚羥基解離，克服譜圖的拖尾現象。在采用高壓液相色譜法分析酚酸時，流動相多采用甲醇-水-磷酸、甲醇-水-冰醋酸、乙睛-水-乙酸等。

7 ?結語

酚酸類化合物在自然界中廣泛存在，是一類廣泛存在于植物體內的次生代謝產物。它在控制植物細胞壁形成完整性、形態以及抵抗病原入侵等方面有顯著作用，并且大多具有確切的藥理活性和藥用價值。有關植物體內酚酸類物質的生物合成、調控和食品中酚酸類物質的分離、鑒定、檢測、純化等已越來越引起研究者的關注，但目前對酚酸在植物體內的作用仍不是十分清楚，還有待深入研究。

安徽農業科學 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2014年

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