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(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心,北京100081;2.北京食品環(huán)境與健康工程技術(shù)研究中心,北京100081;3.中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院轉(zhuǎn)化神經(jīng)科學(xué)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(qū)[3],年產(chǎn)量高達(dá)200 多萬噸。除果肉外,柚皮也是一種風(fēng)味獨(dú)特的食材,其中含有對人體健康有良好促進(jìn)作用的果膠、黃酮、精油和膳食纖維[4]等?;谄渲械幕钚猿煞?,柚皮的綜合利用受到了廣泛關(guān)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(zhì)[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(fēng)味濃郁而聞名[8],是我國柚類產(chǎn)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(bào)道,精油化學(xué)成分會(huì)隨植物種植地不同而發(fā)生變化[9],并導(dǎo)致生物活性差異,例如,國外學(xué)者檢測了不同產(chǎn)地黃金柑皮精油,發(fā)現(xiàn)其成分存在一定差異[10]。目前國內(nèi)外對文旦柚皮精油化學(xué)成分和生物活性的研究相對較少,更缺少不同產(chǎn)地文旦柚皮精油成分的對比研究。因此為推進(jìn)我國優(yōu)質(zhì)特色植物資源科學(xué)開發(fā),提升文旦柚附加經(jīng)濟(jì)價(jià)值,試驗(yàn)采用水蒸氣提取法提取我國6 個(gè)文旦柚主要產(chǎn)地的柚皮精油,通過氣質(zhì)聯(lián)用的方法首次完成6 個(gè)文旦柚皮精油化學(xué)成分分析及比較,對六產(chǎn)地的精油進(jìn)行抗菌和細(xì)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(shù)據(jù)參考。
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(gè)地區(qū)的文旦柚種植基地;人體肝癌細(xì)胞株HepG2(ATCC No.HB-8065)、人體宮頸癌細(xì)胞株 Hela(ATCC No.CCL-2):北京城市學(xué)院生物醫(yī)學(xué)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(xì)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(shù)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(lián)球菌(Micrococcus tetragenus,ATCC 35098)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus,ATCC 6538):中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院;瓊脂培養(yǎng)基:北京酷來搏科技有限公司;96 孔板:美國 Corning 公司。
氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GCMS-QP2010):日本島津;電子調(diào)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(tǒng)有限公司;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(RE-2000):上海洪旋實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;揮發(fā)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(yǎng)箱(LRH-250-S 型):廣東泰宏君科學(xué)儀器股份有限公司;酶標(biāo)儀(EnSpire):美國 Perkin Elmer 公司;超凈工作臺(tái)(SW-CJ-2G):北京碧都空氣凈化設(shè)備公司。
1.3.1 材料預(yù)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(jìn)行精油的提取,精確稱取6 個(gè)不同產(chǎn)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(zhì)譜聯(lián)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(jìn)樣量為1 μL,進(jìn)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(shí)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(yàn)
采用微量肉湯稀釋法[11]測定6 個(gè)不同產(chǎn)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(jià)其抗菌活性。用接種環(huán)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(diào)整濁度,使其與標(biāo)準(zhǔn)0.5 號麥?zhǔn)媳葷峁艿臐岫认嗤?,配得?.5 ×108CFU/mL 受試菌菌懸液。用DMSO 溶解各個(gè)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(fù)試驗(yàn),在每一排的所有孔內(nèi)加入100 μL 肉湯后,在每一排的第一個(gè)孔中加入100 μL 精油溶液,用移液槍反復(fù)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(gè)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(tái)中進(jìn)行。每組樣品重復(fù)3 次。將96 孔板置于37 ℃恒溫箱中培養(yǎng)24 h,無菌生長的澄清孔所對應(yīng)的樣品濃度為最小抑菌濃度。
1.3.5 細(xì)胞毒活性試驗(yàn)
采用MTS[12]法,評價(jià)6 個(gè)不同產(chǎn)地文旦柚皮精油對兩種人體癌細(xì)胞株的細(xì)胞毒活性。分別?。?~5)×103的不同癌細(xì)胞株置于不同的96 孔板中過夜培養(yǎng)后,去除培養(yǎng)基,留下貼壁生長的癌細(xì)胞。向每個(gè)培養(yǎng)癌細(xì)胞的孔中加入100 μL 含有梯度濃度精油DMSO溶液的新培養(yǎng)基,在含有5%CO2的環(huán)境下,在37 ℃黑暗培養(yǎng)48 h。然后,向上述每個(gè)孔中加入20 μL MTS,在 37 ℃黑暗培養(yǎng) 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(xì)胞生長抑制率運(yùn)用以下公式計(jì)算:
癌細(xì)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(jié)果的細(xì)胞毒活性用半抑制濃度IC50(μg/mL)表示,即樣品對人體癌細(xì)胞生長抑制率達(dá)到50%時(shí)的濃度。每個(gè)樣品重復(fù)3次,最終結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。
1.3.6 數(shù)據(jù)處理
利用SPSS Statistics 20.0 對6 個(gè)產(chǎn)地文旦柚皮精油化學(xué)成分的相對含量進(jìn)行主成分分析和聚類分析。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS Statistics 20.0 和Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行處理與分析。
經(jīng)GC-MS 分析得到6 個(gè)產(chǎn)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(gè)產(chǎn)地文旦柚皮精油中各化合物的相對含量見表1。
圖1 6 個(gè)產(chǎn)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(gè)產(chǎn)地文旦柚皮精油化學(xué)成分Table 1 Chemical compounds in the essential oils of Wendan pomelo peels from six areas
續(xù)表1 6 個(gè)產(chǎn)地文旦柚皮精油化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST) 數(shù) 據(jù) 庫(https://webbook.nist.gov/)并與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[13-14]的保留指數(shù)(retention index,RI)進(jìn)行比對,從 6 個(gè)產(chǎn)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(jié)果分析得出,6 個(gè)產(chǎn)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(xué)成分存在一些差別,其中莰烯(0.1%)僅在贛州樣品內(nèi)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(fā)現(xiàn)香芹烯。同時(shí)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(bào)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(xiàn)象可能與柚子品種有關(guān)。除品種因素外,不同的提取方法也能導(dǎo)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]。
6 個(gè)產(chǎn)地文旦柚皮精油主成分分析見圖2。
6 個(gè)產(chǎn)地文旦柚皮精油聚類分析見圖3。
圖2 6 個(gè)產(chǎn)地文旦柚皮精油主成分分析結(jié)果Fig.2 Principal component analysis of the essential oils of Wendan pomelo peels from six areas
圖3 6 個(gè)產(chǎn)地文旦柚皮精油聚類分析結(jié)果Fig.3 Hierarchical cluster analysis results of the essential oils of Wendan pomelo peels from six areas
為了探究6 個(gè)產(chǎn)地文旦柚皮精油化學(xué)成分存在的差異性,對其進(jìn)行主成分分析。6 個(gè)產(chǎn)地文旦柚皮精油化學(xué)成分存在化學(xué)變異性如圖2a 所示,第一主成分(成分1)顯示了6 個(gè)產(chǎn)地文旦柚皮精油化學(xué)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(chuàng)木烯(CP38)、吉馬烯 D(CP41)、瓦倫烯(CP42)和橙花叔醇(CP48)的相關(guān)系數(shù)大于0.9,呈現(xiàn)較高正相關(guān)性。第二成分(成分2)顯示了6 個(gè)產(chǎn)地文旦柚皮精油化學(xué)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(guān)系數(shù)大于0.83,具有較高正相關(guān)性。研究表明,來自不同采集地的同種植物的化學(xué)成分存在化學(xué)變異性,這可能與植物棲息地的各種環(huán)境因素有關(guān),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(gè)產(chǎn)地文旦柚皮精油50%以上的變異性,因此選用這兩個(gè)主成分對6 個(gè)產(chǎn)地文旦柚進(jìn)行分類分析,結(jié)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(dú)為一類,其精油中主要單萜類化合物的含量高達(dá)85.23%,主要倍半萜類化合物的含量為0.74%。為了進(jìn)一步得到6 個(gè)產(chǎn)地文旦柚間的化學(xué)變異距離及親緣關(guān)系,通過聚類分析對6 個(gè)產(chǎn)地文旦柚進(jìn)行分類,結(jié)果如圖3 所示,聚類分析和主成分分析的結(jié)果一致,6 個(gè)產(chǎn)地的文旦被分為3 個(gè)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(dú)為一簇。
6 個(gè)產(chǎn)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(lián)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(qiáng)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(lián)球菌(MIC=312.5 μg/mL)。泉州樣品表現(xiàn)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(nèi)學(xué)者也曾報(bào)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(gè)產(chǎn)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
6 個(gè)產(chǎn)地文旦柚皮精油細(xì)胞毒活性見表3。
6 種文旦柚皮精油對人體肝癌細(xì)胞株(HepG2)和人體宮頸癌細(xì)胞株(Hela)的抑制活性結(jié)果如表3 所示,6 個(gè)樣品都表現(xiàn)出一定的抑制活性,其中莆田樣品表現(xiàn)出較為顯著細(xì)胞毒活性,其對人體肝癌細(xì)胞株的IC50值為37.45 μg/mL,對人體宮頸癌細(xì)胞株的IC50值IC50=43.13 μg/mL,其次是贛州樣品,對人體肝癌細(xì)胞株和宮頸癌細(xì)胞株的IC50值分別為IC50=92.71 μg/mL和IC50=85.69 μg/mL,其他4 個(gè)樣品對這兩個(gè)細(xì)胞株的細(xì)胞毒活性較弱,IC50值均大于 100 μg/mL。
表3 6 個(gè)產(chǎn)地文旦柚皮精油細(xì)胞毒活性Table 3 Cytotoxicity in essential oils of Wendan pomelo peels from six areas
6 個(gè)產(chǎn)地文旦柚皮精油活性成分與生物活性的相關(guān)系數(shù)見表4。
表4 6 個(gè)產(chǎn)地文旦柚皮精油活性成分與生物活性的相關(guān)系數(shù)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(fù)雜,其生物活性可能受多種活性成分協(xié)同作用影響。文獻(xiàn)報(bào)道d-檸檬烯是一種抗菌活性化合物[19],具有預(yù)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(xì)胞的情況下誘導(dǎo)人體癌細(xì)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(xì)胞的作用[26];莰烯可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)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(guān)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(lián)球菌和鼠傷寒沙門氏菌的活性存在顯著正相關(guān)性(P<0.05);同時(shí),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(guān)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(bào)道具有顯著抗菌活性[21-23],那么在d-檸檬烯相對含量相當(dāng)?shù)那闆r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(guān)。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(xì)胞毒活性存在正相關(guān)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(xì)胞株(HepG2)和人體宮頸癌細(xì)胞株(Hela)的細(xì)胞毒活性菌均存在顯著正相關(guān)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(yuǎn)高于其他樣品,且表現(xiàn)最佳的細(xì)胞毒性,這4 種化合物可能是文旦柚皮精油的細(xì)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(xì)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(xì)胞毒活性成分之一。
本論文首次對我國6 個(gè)產(chǎn)地的文旦柚皮精油進(jìn)行了化學(xué)成分、抗菌和細(xì)胞毒活性的研究與比較。從6個(gè)樣品中總共鑒定出54 種化合物,其中44 個(gè)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(gè)產(chǎn)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(yàn)結(jié)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(xì)胞毒活性試驗(yàn)結(jié)果表明,福建莆田樣品活性最強(qiáng);相關(guān)性分析結(jié)果顯示了文旦柚皮精油的化學(xué)成分差異導(dǎo)致其抗菌及細(xì)胞毒活性的不同,這種化學(xué)組成差異可能是與植物生長地的環(huán)境因子有關(guān),如海拔、降雨量、溫度和土壤等。研究結(jié)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(yè),為推動(dòng)我國柑橘屬水果產(chǎn)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。