中國6個產地文旦柚皮精油化學成分及生物活性研究

盧錦瀾，許夢圓，陳嘯飛，秦昭，王文蜀，2，3，*，劉秋彤

（1.中央民族大學生命與環境科學學院化學實驗中心，北京100081；2.北京食品環境與健康工程技術研究中心，北京100081；3.中央民族大學生命與環境科學學院轉化神經科學中心，北京100081）

柚子[Citrus maxima（Burm.）Merr.]為蕓香科柑橘屬水果，主要生長于東南亞，在泰國、馬來西亞、越南、印度尼西亞和日本南部均有種植[1]。我國柚類品種豐富，目前市場主流柚類品種有文旦柚、沙田柚和種間柚[2]，主要種植于我國東南部和南部地區[3]，年產量高達200 多萬噸。除果肉外，柚皮也是一種風味獨特的食材，其中含有對人體健康有良好促進作用的果膠、黃酮、精油和膳食纖維[4]等。基于其中的活性成分，柚皮的綜合利用受到了廣泛關注，已有研究主要集中在精油提取工藝[5]、化合物成分鑒定[6]和油脂抗氧化性質[7]等方面。

文旦柚 [Citrus maxima （Burm.）Merr.cv.Wendan Buntan]因其果型碩大，果肉脆嫩，風味濃郁而聞名[8]，是我國柚類產品的主流品種之一，廣泛栽培于我國福建、浙江和廣西等地[2]。有研究報道，精油化學成分會隨植物種植地不同而發生變化[9]，并導致生物活性差異，例如，國外學者檢測了不同產地黃金柑皮精油，發現其成分存在一定差異[10]。目前國內外對文旦柚皮精油化學成分和生物活性的研究相對較少，更缺少不同產地文旦柚皮精油成分的對比研究。因此為推進我國優質特色植物資源科學開發，提升文旦柚附加經濟價值，試驗采用水蒸氣提取法提取我國6 個文旦柚主要產地的柚皮精油，通過氣質聯用的方法首次完成6 個文旦柚皮精油化學成分分析及比較，對六產地的精油進行抗菌和細胞毒活性測試，以期為文旦柚皮精油在食品香料、天然抗菌劑及功能性食品等方面的合理利用提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

文旦柚：2017年9月，福建莆田、福建泉州、福建南平、江西贛州、廣西玉林、廣東梅州6 個地區的文旦柚種植基地；人體肝癌細胞株HepG2（ATCC No.HB-8065）、人體宮頸癌細胞株 Hela（ATCC No.CCL-2）：北京城市學院生物醫學部。

二氯甲烷（分析純）、無水甲醇（分析純）、無水乙醇（分析純）、蒸餾水、無水硫酸鈉、碳酸鈉、二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）：北京化工廠；細胞毒活性測試藥品 [3-（4，5-diethylthiazol-2-yl）-5-（3-carboxymethoxyphenyl）-2-（4-sulfophenyl）-2H-etrazolium，inner salt，MTS]：北京普洛麥格生物技術有限公司；順鉑：上海源葉生物科技有限公司；革蘭氏陰性菌：大腸桿菌（Escherichia coli，ATCC 25922）、鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhimurium，ATCC 14028）、福氏志賀菌（Shigella flexneri，ATCC 12022）；革蘭氏陽性菌：枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis，ATCC 6633）、四聯球菌（Micrococcus tetragenus，ATCC 35098）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，ATCC 6538）：中央民族大學生命與環境科學學院；瓊脂培養基：北京酷來搏科技有限公司；96 孔板：美國 Corning 公司。

1.2 儀器與設備

氣相色譜-質譜聯用儀（GCMS-QP2010）：日本島津；電子調溫加熱套（98-1-B 型500 mL）：天津市泰斯特儀器有限公司；超聲儀（KQ5200E 型）：昆山市超聲儀器有限公司；電子分析天平（BSA224S）：北京賽多利斯儀器系統有限公司；旋轉蒸發器（RE-2000）：上海洪旋實驗儀器有限公司；揮發油提取裝置（冷凝管、10 mL提取器、500 mL 圓底燒瓶）：北京玻璃儀器廠；恒溫恒濕培養箱（LRH-250-S 型）：廣東泰宏君科學儀器股份有限公司；酶標儀（EnSpire）：美國 Perkin Elmer 公司；超凈工作臺（SW-CJ-2G）：北京碧都空氣凈化設備公司。

1.3 方法

1.3.1 材料預處理

將新鮮的文旦柚洗凈后，將柚皮（去除白色部分）切成小塊（1 cm×1 cm）。

1.3.2 提取方法

參照2010 版《中華人民共和國藥典》附錄XD 中的甲法進行精油的提取，精確稱取6 個不同產地文旦柚皮各50 g，分別置于500 mL 的圓底燒瓶中，加入少量的沸石，再加入適量的蒸餾水，提取5 h 直至精油不再增加。所得蒸餾液用二氯甲烷萃取3 次，靜置分層后獲取精油層，采用旋蒸儀除去二氯甲烷，再用無水硫酸鈉干燥，密封后于-10 ℃下避光保存。

1.3.3 氣相色譜與質譜聯用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）分析

GC 條件：采用 Rtx-5MS 柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm），載氣為高純度氦氣，流速為 1 mL/min，進樣量為1 μL，進樣口溫度為250 ℃，不分流；初始溫度為40 ℃，首先以 3 ℃/min 升至 220 ℃，然后以 30 ℃/min升至300 ℃，最后在300 ℃下保持10 min。

MS 條件：電離方式 EI，離子源溫度 230 ℃，溶劑延遲時間4 min，電子能量70 eV，掃描范圍35 m/z～500 m/z。

1.3.4 抗菌試驗

采用微量肉湯稀釋法[11]測定6 個不同產地文旦柚皮精油對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的最小抑菌濃度（minimum inhibitory concentration，MIC）來評價其抗菌活性。用接種環分別挑取6 種受試菌落置于不同試管中，并加入0.85 %滅菌生理鹽水調整濁度，使其與標準0.5 號麥氏比濁管的濁度相同，配得到1.5 ×108CFU/mL 受試菌菌懸液。用DMSO 溶解各個待測精油，配得初始濃度為5 000 μg/mL 的精油溶液。在96 孔板選取3 排做同一菌種的重復試驗，在每一排的所有孔內加入100 μL 肉湯后，在每一排的第一個孔中加入100 μL 精油溶液，用移液槍反復吹打使藥物與肉湯充分混勻，采用二倍稀釋法將精油濃度從左到右逐級遞減，最后向每個孔加入100 μL 完成稀釋的菌懸液。陰性對照僅含菌液和肉湯，空白對照為肉湯，并以鹽酸左氟沙星作為陽性對照，測試方法與樣品一致。上述所有操作均在超凈工作臺中進行。每組樣品重復3 次。將96 孔板置于37 ℃恒溫箱中培養24 h，無菌生長的澄清孔所對應的樣品濃度為最小抑菌濃度。

1.3.5 細胞毒活性試驗

采用MTS[12]法，評價6 個不同產地文旦柚皮精油對兩種人體癌細胞株的細胞毒活性。分別取（2～5）×103的不同癌細胞株置于不同的96 孔板中過夜培養后，去除培養基，留下貼壁生長的癌細胞。向每個培養癌細胞的孔中加入100 μL 含有梯度濃度精油DMSO溶液的新培養基，在含有5%CO2的環境下，在37 ℃黑暗培養48 h。然后，向上述每個孔中加入20 μL MTS，在 37 ℃黑暗培養 90 min，于 490 nm 處測定吸光度。陰性對照組中不含樣品溶液，順鉑作為陽性對照，測定方法同樣品一致。

癌細胞生長抑制率運用以下公式計算：

癌細胞生長抑制率/%=[1-（A1-A0）/（A2-A0）]×100

式中：A0為空白對照的吸光度；A1為樣品的吸光度；A2為陰性對照的吸光度。所得結果的細胞毒活性用半抑制濃度IC50（μg/mL）表示，即樣品對人體癌細胞生長抑制率達到50%時的濃度。每個樣品重復3次，最終結果表示為平均值±標準誤差。

1.3.6 數據處理

利用SPSS Statistics 20.0 對6 個產地文旦柚皮精油化學成分的相對含量進行主成分分析和聚類分析。所有試驗數據采用SPSS Statistics 20.0 和Microsoft Excel 2010 軟件進行處理與分析。

2 結果與分析

2.1 文旦柚皮精油化學成分

經GC-MS 分析得到6 個產地文旦柚皮精油的總離子流圖見圖1。

采用峰面積歸一化法得到6 個產地文旦柚皮精油中各化合物的相對含量見表1。

圖1 6 個產地文旦柚皮精油GC-MS 總離子流圖Fig.1 Total ion flow diagram of GC-MS of the essential oils of Wendan pomelo peels from six areas

表1 6 個產地文旦柚皮精油化學成分Table 1 Chemical compounds in the essential oils of Wendan pomelo peels from six areas

續表1 6 個產地文旦柚皮精油化學成分Continue table 1 Chemical compounds in the essential oils of Wendan pomelo peels from six areas

通過檢索美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST） 數 據 庫（https：//webbook.nist.gov/）并與相關文獻報道[13-14]的保留指數（retention index，RI）進行比對，從 6 個產地的文旦柚皮精油中總共檢測出54 種化合物，其中44 種為共有化合物，檢出率分別為莆田樣品98.13%、泉州樣品96.69%、南平樣品95.62%、贛州樣品95.48%、玉林樣品98.49%和梅州樣品98.25%。通過表1 結果分析得出，6 個產地文旦皮精油的主要化合物類型為萜類化合物，相對含量為83.97%～89.81%。其中主要化合物為 d-檸檬烯（51.06～57.28%）、β-月桂烯（19.16%～27.95%）、諾卡酮（3.48%～5.27%）、順式芳樟醇氧化物（0.21%～2.39%）、異松油烯（0.43%～2.01%）、反式芳樟醇氧化物（0.05%～2.06%）以及金合歡醇（0.21%～1.65%）。

各地文旦柚皮精油化學成分存在一些差別，其中莰烯（0.1%）僅在贛州樣品內檢出，α-石竹烯僅在莆田（0.14%）和玉林（0.04%）的樣品中檢出；梅州的樣品中未檢出十一烷，玉林的樣品中未發現香芹烯。同時各類化合物的相對含量也具有明顯差異，莆田樣品中β-蒎烯含量（1.27%）約為其他樣品的 2 倍～4 倍，β-月桂烯和d-檸檬烯含量在梅州樣品中最高，分別為27.95%和57.28%。周永紅等[15]報道，我國另一大柚類品種沙田柚皮精油中d-檸檬烯和β-月桂烯含量分別為62.48%和1.55%，前者與文旦柚皮精油中d-檸檬烯的含量相似，而后者則低于文旦柚中β-月桂烯含量，這種現象可能與柚子品種有關。除品種因素外，不同的提取方法也能導致精油成分差異，例如通過微波處理法所得柚皮精油中β-月桂烯和d-檸檬烯含量分別為8.33%和23.43%，水提法所得精油中β-月桂烯和d-檸檬烯含量分別為16.17%和35.66%[16]。

2.2 主成分分析與聚類分析

6 個產地文旦柚皮精油主成分分析見圖2。

6 個產地文旦柚皮精油聚類分析見圖3。

圖2 6 個產地文旦柚皮精油主成分分析結果Fig.2 Principal component analysis of the essential oils of Wendan pomelo peels from six areas

圖3 6 個產地文旦柚皮精油聚類分析結果Fig.3 Hierarchical cluster analysis results of the essential oils of Wendan pomelo peels from six areas

為了探究6 個產地文旦柚皮精油化學成分存在的差異性，對其進行主成分分析。6 個產地文旦柚皮精油化學成分存在化學變異性如圖2a 所示，第一主成分（成分1）顯示了6 個產地文旦柚皮精油化學成分33.56%的變異性，其與 β-蒎烯（CP3）、（Z）-β-羅勒烯（CP9）、芳樟醇（CP14）、癸醛（CP23）、橙花醇（CP25）、α-愈創木烯（CP38）、吉馬烯 D（CP41）、瓦倫烯（CP42）和橙花叔醇（CP48）的相關系數大于0.9，呈現較高正相關性。第二成分（成分2）顯示了6 個產地文旦柚皮精油化學成分20.63 %的變異性，其與α-水芹烯（CP5）、α-法呢烯（CP45）、δ-杜松烯（CP46）的相關系數大于0.83，具有較高正相關性。研究表明，來自不同采集地的同種植物的化學成分存在化學變異性，這可能與植物棲息地的各種環境因素有關，如海拔、降雨量、溫度和土壤等[17]。

在主成分分析圖中成分1（33.56 %）和成分2（20.63%）顯示了6 個產地文旦柚皮精油50%以上的變異性，因此選用這兩個主成分對6 個產地文旦柚進行分類分析，結果如圖2-b 所示，莆田、泉州和贛州的樣品可歸為一類，它們的精油中主要單萜類化合物含量為75.40%～76.78%，主要倍半萜類化合物含量為1.98%～2.79%；南平和玉林的樣品為一類，它們的精油中主要單萜類化合物含量分別為78.86%和80.23%，主要倍半萜類化合物含量分別為1.57%和1.27%；梅州樣品單獨為一類，其精油中主要單萜類化合物的含量高達85.23%，主要倍半萜類化合物的含量為0.74%。為了進一步得到6 個產地文旦柚間的化學變異距離及親緣關系，通過聚類分析對6 個產地文旦柚進行分類，結果如圖3 所示，聚類分析和主成分分析的結果一致，6 個產地的文旦被分為3 個簇，第一簇中包含福建莆田、福建泉州和江西贛州的文旦，來自福建南平和廣西玉林的文旦為第二簇，廣東梅州的文旦單獨為一簇。

2.3 抗菌活性

6 個產地文旦柚皮精油抗菌活性見表2。

由表2 分析可知，文旦柚皮精油對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌均具有一定抑制作用，其中對大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌的抑制較為明顯，MIC 范圍為（156.25 μg/mL～1 250 μg/mL），對福氏志賀菌和四聯球菌的抗菌效果相對較弱（MIC=312.5 μg/mL～2 500 μg/mL）。莆田樣品對所有的受試菌顯示出最強抑制活性（MIC=156.25 μg/mL～312.5 μg/mL），特別是對大腸桿菌（MIC=156.25 μg/mL）、鼠傷寒沙門氏菌（MIC=156.25 μg/mL）、枯草芽孢桿菌（MIC=156.25 μg/mL）和金黃色葡萄球菌（MIC=156.25 μg/mL）的抑制最為明顯，其次是福氏志賀菌（MIC=312.5 μg/mL）和四聯球菌（MIC=312.5 μg/mL）。泉州樣品表現出較好的抗菌活性（MIC=312.5 μg/mL～625 μg/mL），尤其是對大腸桿菌（MIC=312.5 μg/mL）和金黃色葡萄球菌（MIC=312.5 μg/mL）。南平和梅州樣品對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌顯示出一致的MIC值，分別為 1 250 μg/mL 和 2 500 μg/mL。國內學者也曾報道金柚柚皮精油對大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌具有一定抗菌活性[18]。

表2 6 個產地文旦柚皮精油抗菌活性（最小抑菌濃度）Table 2 Antimicrobial activities（MIC）in essential oils of Wendan pomelo peels from six areas

2.4 細胞毒活性

6 個產地文旦柚皮精油細胞毒活性見表3。

6 種文旦柚皮精油對人體肝癌細胞株（HepG2）和人體宮頸癌細胞株（Hela）的抑制活性結果如表3 所示，6 個樣品都表現出一定的抑制活性，其中莆田樣品表現出較為顯著細胞毒活性，其對人體肝癌細胞株的IC50值為37.45 μg/mL，對人體宮頸癌細胞株的IC50值IC50=43.13 μg/mL，其次是贛州樣品，對人體肝癌細胞株和宮頸癌細胞株的IC50值分別為IC50=92.71 μg/mL和IC50=85.69 μg/mL，其他4 個樣品對這兩個細胞株的細胞毒活性較弱，IC50值均大于 100 μg/mL。

表3 6 個產地文旦柚皮精油細胞毒活性Table 3 Cytotoxicity in essential oils of Wendan pomelo peels from six areas

2.5 文旦柚皮精油成分與生物活性相關性分析

6 個產地文旦柚皮精油活性成分與生物活性的相關系數見表4。

表4 6 個產地文旦柚皮精油活性成分與生物活性的相關系數Table 4 Correlation coefficient between active compounds and biological activity of the in essential oils of Wendan pomelo peels from six areas

植物精油成分極其復雜，其生物活性可能受多種活性成分協同作用影響。文獻報道d-檸檬烯是一種抗菌活性化合物[19]，具有預防和治療肝癌的作用[20]；石竹烯不僅具有顯著的抗菌活性[21]，還能在不破壞正常細胞的情況下誘導人體癌細胞凋亡[22]；芳樟醇具有顯著抗菌活性[23]和抗癌特性[24]；吉馬烯D 具有抑菌[25]和抑制肝癌細胞的作用[26]；莰烯可誘導腫瘤細胞凋亡的能力[27]。因此，對文旦柚皮精油中這5 種主要活性成分的相對含量與兩種生物活性試驗數據進行相關性分析。

由表4 可知，d-檸檬烯、石竹烯和芳樟醇的相對含量與抗菌活性存在正相關性。其中d-檸檬烯和石竹烯的相對含量與樣品抑制大腸桿菌、四聯球菌和鼠傷寒沙門氏菌的活性存在顯著正相關性（P＜0.05）；同時，d-檸檬烯的相對含量與樣品抑制枯草芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌的活性存在顯著正相關性（P＜0.05）。所有6 種文旦柚皮精油都含有豐富的d-檸檬烯，均顯示了抗菌活性，因此，d-檸檬烯可能是文旦柚皮精油的主要抗菌活性成分之一。由于石竹烯和芳樟醇也被報道具有顯著抗菌活性[21-23]，那么在d-檸檬烯相對含量相當的情況下，樣品精油的抗菌活性差異可能也與這兩種化合物含量相關。在莆田樣品中，石竹烯（1.14%）和芳樟醇（0.69%）的相對含量最高，因此相較于其他樣品顯示出了更好的抑菌活性。5 種主要活性化合物的相對含量與細胞毒活性存在正相關性，其中d-檸檬烯和石竹烯的相對含量與樣品對人體肝癌細胞株（HepG2）和人體宮頸癌細胞株（Hela）的細胞毒活性菌均存在顯著正相關性（P＜0.05）。在莆田樣品中，d-檸檬烯、石竹烯、芳樟醇及吉馬烯D 的相對含量遠高于其他樣品，且表現最佳的細胞毒性，這4 種化合物可能是文旦柚皮精油的細胞毒活性成分。莰烯僅在贛州樣品中被檢測到，贛州樣品的細胞毒活性成分僅次于莆田樣品，因此，莰烯也可能是精油的細胞毒活性成分之一。

3 結論

本論文首次對我國6 個產地的文旦柚皮精油進行了化學成分、抗菌和細胞毒活性的研究與比較。從6個樣品中總共鑒定出54 種化合物，其中44 個共有化合物，多為具有萜類骨架的醇類、酮類、醛類及其他化合物，主要化合物為d-檸檬烯，β-月桂烯和諾卡酮。通過主成分分析和聚類分析將6 個產地的文旦分為了3類，莆田、泉州和贛州的文旦歸為第一類，南平和玉林的文旦為第二類，梅州文旦為第三類；抗菌試驗結果顯示6 種文旦柚皮精油都有抗菌活性，其中福建莆田樣品抗菌活性最佳，福建泉州樣品抗菌能力次之；細胞毒活性試驗結果表明，福建莆田樣品活性最強；相關性分析結果顯示了文旦柚皮精油的化學成分差異導致其抗菌及細胞毒活性的不同，這種化學組成差異可能是與植物生長地的環境因子有關，如海拔、降雨量、溫度和土壤等。研究結果表明文旦柚皮精油具有作為天然抗菌劑、功能性食品和保健類藥物的潛力，可用于食品、化妝品和制藥等行業，為推動我國柑橘屬水果產業的綠色可持續發展提供了科學依據。