花椒揮發(fā)油的生物活性及提取方法研究進展

李潮俊 ，何鑫柱 ，陳 凱 ，康 明 ， 梁曉峰

（1. 西南科技大學材料科學與工程學院，四川 綿陽 621010；2. 四川中醫(yī)藥高等專科學校川西北中藥材資源研究與開發(fā)利用實驗室，四川 綿陽 621010）

花椒 （Zanthoxylum bungeanum Maxim） 是蕓香科花椒屬植物，通常包括花椒及花椒原變種、野花椒、川陜花椒、竹葉花椒、青花椒5 種[1]。花椒具有藥食兩用性，《中華人民共和國藥典（2020 版）》記錄花椒具有溫中鎮(zhèn)痛、殺蟲止癢的功效，可以用于腹部疼痛、嘔吐、泄瀉、濕疹和陰癢等疾病[2]。

花椒果皮中主要包含揮發(fā)油、黃酮類、生物堿和脂肪酸等不同的活性成分[3]。其中，揮發(fā)油是小花椒中提取出的具有揮發(fā)性的含香物質(zhì)，是花椒香氣和特殊風味的主要來源和判斷花椒品質(zhì)好壞的重要依據(jù)[4]。研究花椒果皮中揮發(fā)油的提取方法，從而提高揮發(fā)油提取率，對于開發(fā)花椒生物醫(yī)藥價值，提升花椒附加值具有實際意義。從成分、生物活性、提取方法等角度綜述了近年來花椒揮發(fā)油研究的主要進展。

1 花椒揮發(fā)油的化學成分

對花椒揮發(fā)油化學成分深入研究可為揭示中藥材花椒的傳統(tǒng)功效和開發(fā)其新用途提供物質(zhì)基礎。研究表明，花椒揮發(fā)油的含量為0.7%～9.0%，其中包含有醇、酮、醛、烯烴和酯類等多種化合物[5-6]。品種[7]、產(chǎn)地[8]、采摘時間[9]、貯藏年份[10]、花椒的加工炮制方法[11]都會對花椒揮發(fā)油的成分及含量造成影響。

蒲鳳琳等人[7]使用水蒸氣蒸餾法萃取出青、紅花椒果皮揮發(fā)油進行成分分析，經(jīng)GC-MS 鑒定，2 種花椒揮發(fā)油的主要成分均為檸檬烯、芳樟醇、月桂烯、乙酸芳樟酯、β - 羅勒烯等物質(zhì)，在2 種揮發(fā)油中芳樟醇的含量都最高。丁雄等人[8]提取5 種不同產(chǎn)地花椒果皮的揮發(fā)油，其中有9 個相同的組分，分別是檜烯、月桂烯、異松油烯、反式羅勒烯、萜品烯、芳樟醇、4- 萜烯醇、α - 松油醇、乙酸香葉酯。

李佩洪等人[9]通過GC-MS 聯(lián)用技術連續(xù)測定不同成熟度的青花椒揮發(fā)油的含量及其成分，共鑒別出29 種化合物，其中醇類、烯烴和烷烴類的含量較高，共占青花椒揮發(fā)油總量的90%以上。研究還指出，揮發(fā)油中不同成分的百分比含量隨著青花椒的成熟度不同而變化，如芳樟醇的含量隨青花椒成熟度的增加而增加，D- 檸檬烯的含量隨青花椒成熟度的增加而減少，還有一些物質(zhì)含量無明顯變化。

袁源等人[10]采用氣相色譜- 質(zhì)譜聯(lián)用法（GCMS） 分析了宜昌花椒3 年貯藏過程中揮發(fā)性有機物的變化。結果表明，隨著貯藏時間的增加，花椒揮發(fā)油含量顯著性下降。其中，以檸檬烯為代表的單環(huán)單萜與以芳樟醇為代表的單環(huán)萜醇在內(nèi)的13 種成分貯藏越久含量越少，表現(xiàn)花椒香氣減弱、辛辣清涼口感下降；以β - 月桂烯為代表的鏈狀單萜與酯類在內(nèi)的12 種成分貯藏越久，含量增加，表現(xiàn)花果香和柑橘味增加；以δ - 杜松烯為代表的酚醚與倍半萜類等4 種高沸點成分在貯藏中穩(wěn)定，表現(xiàn)木香和草本香氣穩(wěn)定。

張國琳等人[12]檢測不同粒度的青花椒中揮發(fā)油含量，并利用GC－MS 對提取的揮發(fā)油進行成分分析。結果表明與整粒相比，10 目左右的粗粉對揮發(fā)油含量影響較小，但有利于香氣成分的提取，而80 目粒度花椒粉的揮發(fā)油損失34%左右，主要在于烯醇類的損失。

2 花椒揮發(fā)油的生物活性

花椒揮發(fā)油中的多種化學成分使其具有多樣的生物活性，在藥物開發(fā)方面有著較大的潛力。

2.1 抗炎鎮(zhèn)痛

韋琳等人[13]通過小鼠體內(nèi)試驗對花椒的抗炎鎮(zhèn)痛進行藥效學驗證，表明花椒揮發(fā)油部位提取物具有抗炎、鎮(zhèn)痛的作用。龔普陽等人[14]探究竹葉花椒揮發(fā)油抗炎鎮(zhèn)痛的作用機制，借助中藥系統(tǒng)藥理學數(shù)據(jù)庫分析平臺（TCMSP） 和多種數(shù)據(jù)庫收集活性成分的對應靶點，結果表明竹葉椒揮發(fā)油中的活性成分發(fā)揮抗炎鎮(zhèn)痛作用的過程是基于多靶點、多通路的。Zhang Zecai 等人[15]研究了花椒精油 （ZBEO） 對由葡聚糖硫酸鈉（DSS） 引起的小鼠試驗性結腸炎的保護作用及其機理，結果表明花椒精油降低了DSS 導致的體重減輕、疾病活動指數(shù)（DAI）、結腸長度縮短、結腸病理損傷和髓過氧化物酶（MPO） 活性，花椒精油顯著減輕了促炎介質(zhì)的產(chǎn)生，進一步的機制分析表明，ZBEO 通過調(diào)節(jié) NF-κB 和 PPARγ 通路抑制炎癥。

2.2 抑菌

李毛加等人[16]發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地竹葉椒揮發(fā)油對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等細菌具有抑制作用，采用灰色關聯(lián)分析，結果表明檸檬烯與金黃色葡萄球菌有較高關聯(lián)度值，芳樟醇、側伯酮與大腸桿菌、須鮮毛癬菌和紅色毛癬菌有較高關聯(lián)度值。脫聰聰?shù)热薣17]研究了隴南大紅袍花椒揮發(fā)油的抑菌性，發(fā)現(xiàn)其對破傷風桿菌、大腸桿菌、熒光單胞桿菌、金黃色葡萄球菌這4 種細菌均能起到抑制作用。Hong Lei等人[18]研究了花椒精油對大腸桿菌在體內(nèi)外的抑菌性，體外試驗表明花椒精油對大腸桿菌具有良好的抑制作用，體內(nèi)試驗表明花椒精油同時也能很好地抑制大腸桿菌感染引起的腸炎和腸道功能障礙。

2.3 殺蟲

寇蕓蕓[19]使用三角瓶密閉熏蒸的方法探究花椒揮發(fā)油對赤擬谷盜、白紋伊蚊的熏蒸、趨避活性，研究顯示花椒揮發(fā)油對白紋伊蚊和赤擬谷盜具有一定的熏殺、趨避活性，其中對赤擬谷盜最高趨避率達到93.617%。束成杰等人[20]探究了青花椒精油防治松材線蟲的作用，結果表明青花椒精油對松材線蟲具有顯著的防治作用，0.025%青花椒精油處理4 h，松材線蟲可達到半數(shù)致死。

2.4 抗氧化性

梁美融等人[21]使用DPPH 自由基和ABTS 自由基清除試驗證明了花椒精油具有較強的抗氧化活性，同時進行的還原力測定試驗也表明花椒精油具有較好還原能力，且還原能力隨濃度的增加而增強。杜兵兵[22]以維C 為對照組評價花椒揮發(fā)油的抗氧化能力，結果表明花椒揮發(fā)油對DPPH 自由基有一定的清除能力，但清除能力低于維C。魏姜勉[23]提取花椒籽種揮發(fā)油并對其進行體外抗氧化活性研究，結果表明花椒籽揮發(fā)油具有較強的體外抗氧化性。羅愛國等人[24]采用DPPH 自由基和超氧自由基清除試驗測定花椒葉揮發(fā)油的抗氧化能力，結果表明花椒葉揮發(fā)油對兩者的清除率大于維C，說明花椒葉揮發(fā)油抗氧化能力較強。

2.5 其他

Wei Daneng 等人[25]發(fā)現(xiàn)花椒揮發(fā)油對慢性不可預測的壓力誘發(fā)焦慮行為表現(xiàn)出改善作用，可能是通過抑制下丘腦- 垂體- 腎上腺軸的激活和恢復腸道菌群的失調(diào)，從而改善壓力誘發(fā)的菌群- 腸- 腦異常軸。Zhao Meihuan 等人[26]研究證明了花椒揮發(fā)油提取物可以通過激活磷酸肌醇3- 激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)/Nrf2 增強抑制細胞凋亡和氧化應激的能力，從而緩解D- 半乳糖誘導的衰老小鼠模型的認知功能障礙和神經(jīng)缺陷。Wang Zefu 等人[27]研究發(fā)現(xiàn)一定濃度的花椒精油能降低丙二醛對兔肉肌原纖維蛋白的氧化損傷，添加花椒精油還可以延緩脂質(zhì)氧化誘導期，延長微生物生長滯后時間，表明花椒精油是一種很有前途的天然添加劑，用于食品保鮮[28]。此外，花椒揮發(fā)油還具有抗腫瘤[29]、局部麻醉[30]、經(jīng)皮促透[31]等多種功效。

3 花椒揮發(fā)油提取方法

花椒揮發(fā)油的良好生物活性，使其在生物醫(yī)藥研發(fā)方面具有潛在的應用前景。近年來，如何提取質(zhì)量高且得率多的揮發(fā)油受到科研人員的關注。依據(jù)文獻報道，提取揮發(fā)油的主要方法有水蒸氣蒸餾法、溶劑提取法、超臨界CO2萃取法、微波輔助提取法、超聲波輔助提取法等[32-33]。

3.1 水蒸氣蒸餾法

水蒸氣蒸餾法是將物質(zhì)與水進行共蒸餾，使得物質(zhì)中揮發(fā)性成分隨水蒸氣共同蒸餾出來，再采用冷凝的方式收集，該方法適用于具有揮發(fā)性、熱穩(wěn)定且不溶于水的植物活性成分提取[32]。水蒸氣蒸餾法設備、操作等較為簡單，成本低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。但蒸餾出揮發(fā)油得率低、時間長。影響該方法的主要因素有料液比、蒸餾時間、蒸餾溫度、浸泡時間等[34]。針對傳統(tǒng)水蒸氣蒸餾方法的不足，也可以使用不同的方法對其進行改進，如通過超聲、微波等輔助手段，可以加快提取時間，增加提取率[35]。

哈立洋等人[36]通過超聲輔助水蒸氣蒸餾法，采用單因素試驗和響應面法，得出優(yōu)化條件后的提取率達到4.21%，最佳工藝為超聲時間40 min，蒸餾時間90 min，料液比1∶20。史芳芳等人[37]探究了微波輔助蒸餾法提取揮發(fā)油的工藝條件，采用正交試驗結合單因素試驗進行優(yōu)化，得到最佳提取工藝為提取時間50 min，微波功率600 W，料液比1∶12（g∶mL），微波溫度90 ℃。最佳條件下?lián)]發(fā)油提取率達到2.65%；從時間成本上，提取效率比單純采用水蒸氣蒸餾法大幅度提高。

3.2 溶劑浸取法

溶劑提取法是利用花椒揮發(fā)油在特定溶劑中溶解度的不同，使其分離提取出來的一種方法。根據(jù)需求可采用冷浸、熱浸、連續(xù)回流提取等方式。常用花椒揮發(fā)油的溶劑有乙醇、乙醚、丙酮、石油醚、二氯甲烷等。采用不同方法和溶劑提取揮發(fā)油的得率及成分略有不同[38]，一般溶劑提取法的得率略高于水蒸氣提取法，但是溶劑提取法得到的揮發(fā)油中會有殘留溶劑和雜質(zhì)，使得揮發(fā)油品質(zhì)不高，需要進一步提純，且使用有機溶劑提取還會有廢液回收、環(huán)境污染等一系列問題。

黃志遠等人[39]結合單因素試驗和響應面分析，選用微波輔助提取法，探究提取花椒揮發(fā)油的最佳工藝。根據(jù)得到的各個參數(shù)影響度大小順序，優(yōu)化提取工藝為提取溫度60 ℃，料液比1∶10.3，微波時間6 min，微波功率502 W，該工藝下?lián)]發(fā)油提取率可達8.01%，與預測值7.96%相近。研究人員采用超聲波輔助法，在單因素試驗基礎上，進行Boxbehnken 響應面分析試驗，對花椒籽揮發(fā)油提取工藝進行優(yōu)化，最終確定在料液比1∶26（mg∶mL），超聲功率166 W，超聲時間13 min 的條件下，花椒籽揮發(fā)油得率可達3.29%。

3.3 超臨界CO2 萃取法

超臨界CO2萃取（SFE） 利用CO2在超臨界狀態(tài)下同時具有氣體和液體的雙重性質(zhì)，對植物體內(nèi)活性成分具有極大的溶解能力，并利用超臨界流體溶解能力對溫度、壓力的敏感性，配合夾帶劑，調(diào)節(jié)三者將活性成分有選擇性依次萃取出來，CO2由于其自身無毒無害、安全廉價等優(yōu)點，常被作為超臨界流體[40]。超臨界CO2提取法利用超臨界狀態(tài)下的CO2對植物精油的特殊溶解性來進行萃取。相對而言，超臨界CO2提取花椒揮發(fā)油的得率最高，用時短、自動化程度高、綠色環(huán)保，但該方法所需設備昂貴、能耗高、提取成本大、不易推廣。

劉琳琪等人[41]通過響應面優(yōu)化法得到超臨界CO2法萃取花椒揮發(fā)油的最優(yōu)提取工藝為溫度42 ℃，壓力30 MPa，提取時間180 min，最終揮發(fā)油得率為12.70%。王洪等人[42]采用二氧化碳超臨界流體萃取花椒中的花椒精油，得到最佳的提取工藝為萃取溫度46 ℃，萃取壓力22 MPa，萃取時間120 min，經(jīng)驗證其提取率為13.7%。

3.4 其他提取方法

龍圓圓等人[43]采用同時蒸餾萃取法，在單因素試驗基礎上結合Box-behnken 響應面法優(yōu)化提取工藝，選擇提取時間、乙醚量、粉碎粒度等作為影響因素，以揮發(fā)油得率為指標，探究揮發(fā)油提取條件，最終在使用80 目粒度花椒，注水5.5 倍，加入41 mL 乙醚的條件下反應3.5 h，得到揮發(fā)油為3.59%，與預測值3.61%接近。

鐘煉軍等人[44]通過單因素試驗和正交試驗對亞臨界提取技術提取花椒精油的工藝條件進行了優(yōu)化，以添加4%～6%乙醇的亞臨界丁烷為溶劑，在提取溫度為40 ℃，提取時間為40 min，提取次數(shù)為4 次的條件下，花椒精油的得率為11.96%～12.68%。

Zhang 等人[45]采用表面活性劑輔助酶水解法提取花椒中揮發(fā)性成分，通過正交試驗和單因素試驗優(yōu)化的提取條件為纖維素酶、中性蛋白酶和表面活性劑（硬脂酰乳酸鈣） 的添加量分別為0.5%，0.3%，0.7%（W/W），料液比為1∶6（g∶mL），酶解溫度為45 ℃，酶解時間3 h，粒度小于60 目提取的檸檬烯、芳樟醇和烷基酰胺的含量分別由1.02%提高到7.51%，由16.50%提高到48.39%，由27.40%提高到37.74%。

4 結語

目前，花椒的主要用途還是作為調(diào)味品，產(chǎn)品類型單一；食用消費增加趕不上花椒產(chǎn)量的增加，容易出現(xiàn)供大于求現(xiàn)象；拓展花椒在食品、日化、藥品、生物制劑等領域的利用途徑是花椒科技發(fā)展的內(nèi)在要求。揮發(fā)油作為花椒果皮中的主要成分之一，含有多種活性成分，可廣泛應用于食品、醫(yī)藥、化妝品等眾多行業(yè)。

未來對花椒揮發(fā)油的研究，一是要充分利用現(xiàn)代分析測試技術解析揮發(fā)油化學成分及其分子結構，為其生物活性研究提供理論基礎；二是要充分利用現(xiàn)代分離技術，建立揮發(fā)油高效提取方法，同時探究揮發(fā)油成分變化的影響因素及其與花椒加工工藝之間的關系，為花椒揮發(fā)油工業(yè)化提取提供技術基礎；三是多學科交叉探究花椒揮發(fā)油生物活性的功能性成分及功能機制，為花椒揮發(fā)油生物醫(yī)藥應用及新產(chǎn)品開發(fā)提供依據(jù)。