羅布麻抑菌物質(zhì)及其作用機制的研究進展

徐絢絢， 鞏繼賢， 張健飛,3， 王 莉， 黃景鳳

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 先進紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室， 天津 300387； 3. 山東省生態(tài)紡織協(xié)同創(chuàng)新中心， 山東 青島 266071； 4. 阿勒泰戈寶茶股份有限公司， 新疆 阿勒泰 836500)

羅布麻是我國特色珍稀植物資源，除了具有較高的藥用價值外，還是性能優(yōu)良的韌皮纖維來源。羅布麻韌皮纖維的主要組成成分為纖維素，此外還含有果膠、半纖維素、木質(zhì)素等非纖維素成分。在紡織織造前需要對韌皮進行化學(xué)脫膠或生物脫膠處理，將膠質(zhì)物質(zhì)去除，得到可紡的精干麻纖維。羅布麻精干麻纖維手感柔軟、力學(xué)強度高，同時具有抗菌、遠紅外發(fā)射、防紫外線等特性，被認為是天然功能纖維[1]。

羅布麻韌皮和精干麻纖維與羊毛、蠶絲、棉等纖維相比，具有廣譜抗微生物特性[2-3]。羅布麻韌皮的抑菌性能與其中存在的多種高活性的抗菌天然成分有關(guān)，經(jīng)過復(fù)雜的脫膠處理后，得到的精干麻纖維仍具有抑菌活性的原因目前還沒有定論。本文從羅布麻韌皮和精干麻纖維兩條主線出發(fā)，分別對其中抑菌性物質(zhì)研究情況進行綜述，并對羅布麻纖維紡織品抑菌活性的物質(zhì)基礎(chǔ)研究方向作了展望，以期為揭示麻纖維抑菌機制提供新思路。

1 羅布麻韌皮的抑菌物質(zhì)與作用機制

經(jīng)檢測，羅布麻韌皮組織對大腸桿菌(革蘭氏陰性菌)和金黃色葡萄球菌(革蘭氏陽性菌)均有抑制作用[1, 4]。羅布麻韌皮的主要抑菌物質(zhì)有黃酮類化合物、鞣質(zhì)、甾體及其苷類、香豆素類化合物、酚酸類和苯甲醛類化合物以及揮發(fā)油等。

1.1 黃酮類化合物

羅布麻韌皮總黃酮類化合物含量平均為0.4%，其中主要成分為槲皮素、山奈酚、異槲皮素、木犀草素和金絲桃苷[5-6]。一般認為黃酮類化合物的抗菌機制主要集中在以下幾個方面。

1.1.1 抑制核酸合成

脫氧核糖核酸(DNA)拓撲異構(gòu)酶是專門調(diào)控DNA 拓撲結(jié)構(gòu)相互轉(zhuǎn)換的酶，參與了細胞內(nèi)幾乎所有的DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、重組等活動。有研究表明，黃酮能夠抑制DNA拓撲異構(gòu)酶的活性，從而影響核酸的合成[7]。

DNA旋轉(zhuǎn)酶也是黃酮類化合物重要的作用靶標。該酶是迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一能夠催化DNA由松弛轉(zhuǎn)變?yōu)樨摮菪蘑蝾怐NA拓撲異構(gòu)酶。槲皮素、芹菜素等15種黃酮對DNA旋轉(zhuǎn)酶有不同程度的抑制作用[8-9]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，黃酮類化合物可與DNA以溝槽作用方式結(jié)合，造成DNA扭曲[10]，產(chǎn)生細胞毒性。

1.1.2 抑制細胞膜功能

細胞膜主要是由磷脂雙層和鑲嵌在其中的蛋白質(zhì)分子組成，其流動性對于保證細胞正常生命活動具有重要意義。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，黃酮類化合物可顯著降低細胞膜的流動性[11]，這應(yīng)該是黃酮類化合物與磷脂分子的極性部分相互作用的結(jié)果[12]。黃酮類化合物分子中含有多個酚羥基，酚羥基可與磷脂分子的磷酸基團、羰基相互作用形成氫鍵，氫鍵限制了分子的自由運動，從而導(dǎo)致質(zhì)膜的膠態(tài)化。

細胞膜流動性的降低，容易使細胞受到損傷和破壞。用火焰原子吸收光譜法檢測黃酮類化合物處理前后金黃色葡萄球菌細胞內(nèi)無機鉀濃度的變化，結(jié)果顯示細胞內(nèi)無機鉀離子的含量顯著降低[13]。這可能是由于黃酮類化合物直接破壞了細胞膜或弱化了細胞壁，造成滲透壓性細胞溶解。也有研究表明，黃酮類化合物會消散細菌的跨膜膜電位，增加細胞膜的通透性[14]。

1.1.3 抑制能量代謝

有研究認為，與抗生素抑制細菌呼吸作用的方式相似，黃酮類化合物可能通過阻礙細胞的能量代謝而影響大分子的生物合成[15-16]。金黃色葡萄球菌和滕黃微球菌細胞的呼吸作用受到黃酮類化合物的抑制已經(jīng)得到證實。

研究還發(fā)現(xiàn)，黃酮類化合物能夠有效抑制能量代謝酶煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)-細胞色素c還原酶的表達，而對細胞色素c氧化酶和NADH-輔酶Q(CoQ)還原酶無明顯抑制效果[15]。

1.1.4 影響脂肪酸合成

脂肪酸是構(gòu)成細胞生物膜的重要組成成分，其正常合成對生物體的生存至關(guān)重要。β-酮脂酰-ACP (?；d體蛋白)合成酶Ⅲ即FabH是細菌脂肪酸合成(FAS)的關(guān)鍵酶，負責(zé)催化FAS途徑的起始步驟，并對整個合成途徑起關(guān)鍵性調(diào)節(jié)作用。β-羥酰-ACP脫水酶(FabZ)是Ⅱ型FAS途徑延伸循環(huán)反應(yīng)中的重要脫水酶，主要負責(zé)催化β-羥酰-ACP生成反-2-烯酰-ACP。有研究發(fā)現(xiàn)，部分黃酮類化合物可與細菌的FabH發(fā)生有效結(jié)合，表現(xiàn)出顯著的FabH抑制性[17]。槲皮素還可通過疏水作用和氫鍵結(jié)合于細菌FabZ的活性位點，占據(jù)酶底物結(jié)合部位，或堵塞通道口阻止酶底物到達活性位點，從而形成競爭性抑制，導(dǎo)致酶活性下降，影響細胞生物膜合成，引起細菌死亡[18]。

1.1.5 抑制運動性

運動性對菌株發(fā)揮毒力和適應(yīng)環(huán)境具有重要意義。槲皮素對枯草芽孢桿菌等菌體運動性具有顯著的抑制作用，可有效控制細菌的致病性和感染活性[14, 19]。

1.2 鞣 質(zhì)

羅布麻韌皮中含有原花青素B-2等多種鞣質(zhì)，同時還從中分離得到兒茶素、表兒茶素、沒食子兒茶素、表沒食子兒茶素沒食子酸酯(EGCG)等[20]兒茶素類物質(zhì)，經(jīng)測定總鞣質(zhì)含量約為0.39%。鞣質(zhì)類化合物呈現(xiàn)廣譜抗菌特性，抗菌機制主要與其引起的細胞膜功能的變化以及細胞生物膜的合成受阻有關(guān)。

1.2.1 引起細胞膜功能的變化

研究認為細胞膜為兒茶素類物質(zhì)抑制微生物的主要靶標位點。表兒茶素沒食子酸酯(ECG)能夠增加金黃色葡萄球菌細胞膜的通透性[21]。 EGCG可引起卵磷脂脂質(zhì)體內(nèi)小分子的滲漏，并引發(fā)脂質(zhì)體的聚合[22]。這可能是由于EGCG可直接穿透脂質(zhì)雙分子層，破壞細胞膜的屏障作用，也可能是由于EGCG引發(fā)了膜融合。

鞣質(zhì)分子中含有羥基，兒茶素、表兒茶素、表沒食子兒茶素、EGCG、ECG和單寧酸均可與細胞膜結(jié)合形成氫鍵，使質(zhì)膜產(chǎn)生膠態(tài)化[23-24]。

鞣質(zhì)也會影響到膜蛋白功能的實現(xiàn)?？椎鞍?porin)是細菌主要的外膜蛋白，常以同源三聚體形式在細胞外膜上聚集起來形成親水性蛋白通道，用于菌體與外界的物質(zhì)交換。研究發(fā)現(xiàn)，EGCG可進入大腸桿菌孔蛋白孔道，通過氫鍵與孔蛋白內(nèi)壁的堿性氨基酸殘基結(jié)合，堵塞外膜孔蛋白[25]，從而影響細菌對葡萄糖等小分子親水性營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，抑制細菌生長。EGCG對枯草芽孢桿菌細胞被膜蛋白的功能也有抑制作用[26]。

1.2.2 阻礙細胞生物膜的合成

β-酮脂酰-?；d體蛋白還原酶(FabG)與烯酰-ACP還原酶(FabI)同樣是細菌脂肪酸生物合成的重要功能酶。研究發(fā)現(xiàn)，EGCG對FabG和FabI有顯著的抑制作用[27]，而且EGCG可誘導(dǎo)FabG發(fā)生聚合[28]，引起酶失活。

1.3 甾體及其苷類

羅布麻韌皮中含有羅布麻苷[29]、毒毛旋花子苷元[30]等強心苷類物質(zhì)，同時還含有β-谷甾醇[5]，β-谷甾醇-β-D-葡萄糖苷[31]。

強心苷對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、肺炎克雷伯菌、奇異變形桿菌、β-溶血性鏈球菌均具有抑制作用[32]。β-谷甾醇對肺炎鏈球菌不具有抑菌和殺菌活性[33]，但可與鏈球菌溶血素的膽固醇結(jié)合位點結(jié)合，封閉活性位點，阻礙毒素與宿主細胞膜的結(jié)合，從而對肺炎鏈球菌起到有效的抑制作用。

1.4 香豆素類化合物

羅布麻韌皮中還含有香豆素類物質(zhì)。從羅布麻韌皮的乙醇提取液中分離出6-甲氧基-7-羥基香豆素[5]。香豆素類化合物可利用氫鍵、疏水性作用、范德華力等非共價鍵力與生物體內(nèi)的活性位點相結(jié)合，使其具有抗菌、抗氧化、抗凝血等生物學(xué)活性。香豆素質(zhì)量濃度在1 mg/mL時，開始對金黃色葡萄球菌、黃曲霉、柑橘青霉顯示出抑制作用；當(dāng)質(zhì)量濃度達到8 mg/mL時，對表皮葡萄球菌、奇異變形桿菌、釀膿鏈球菌、銅綠假單胞菌、產(chǎn)酸克雷伯菌、腸桿菌、沙雷氏菌、白色念珠菌也展示出不同的抑制效果[34]。

1.5 酚酸類和苯甲醛類化合物

羅布麻韌皮中測得的主要酚酸類和苯甲醛類化合物為3,4-二羥基苯甲酸(原兒茶酸)和3,5-二羥基苯甲醛[5]。原兒茶酸對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、鼠傷寒沙門氏菌以及產(chǎn)氣莢膜梭菌均具有較好的抑制效果[35]，對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、銅綠假單胞菌、鮑曼不動桿菌、空腸彎曲菌及腸道沙門氏菌也表現(xiàn)出較強的殺滅能力[36-37]。3,5-二羥基苯甲醛除對空腸彎曲菌和腸道沙門氏菌有顯著的抑菌活性外，還對單核細胞增生性李斯特氏菌有抑制作用[37]。

1.6 揮發(fā)油

采用氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)從羅布麻韌皮揮發(fā)性成分中共分離鑒定出十六烷酸、二十九烷、鄰苯二甲酸二丁酯、2-苯基乙醛等61種化合物[2]，其中，脂肪酸類、酯類、酮類、醛類化合物是其主要的組成成分，這些物質(zhì)均具有抑菌性。

2 精干麻纖維的抑菌物質(zhì)與作用機制

研究證實，羅布麻的精干麻纖維對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、肺炎克雷伯氏菌和白色念珠菌等紡織品服用過程中的常見致病菌都表現(xiàn)出抑菌活性[1, 38-39]。在化學(xué)脫膠或生物脫膠加工時，羅布麻韌皮中的抑菌物質(zhì)會隨著膠質(zhì)的去除而丟失。目前,對羅布麻脫膠后形成的精干麻纖維抑菌作用的物質(zhì)基礎(chǔ)仍不清楚。有研究從羅布麻精干麻纖維中分離得到脂肪酸和揮發(fā)油。

2.1 脂肪酸

用高效液相色譜-質(zhì)譜技術(shù)，從羅布麻精干麻纖維乙醇提取物中分離出了順式-9-十八烯酸(油酸)、順式-9-十六烯酸(棕櫚油酸)、順式-9,10-環(huán)氧-十八烷酸和順式-13,14-環(huán)氧-二十二烷酸4種長鏈脂肪酸類化合物[5]。脂肪酸類化合物可抑制多種微生物的生長[40-42]，抑菌機制主要有以下幾種。

2.1.1 增加細胞膜滲透性

脂肪酸可增加細胞膜的滲透性[43]，使細胞內(nèi)容物泄露，從而引起菌體裂解死亡[44]。

2.1.2 阻斷電子傳遞鏈

生物體的一切生命活動都需要能量，大多數(shù)的微生物通過生物氧化作用將有機物中儲存的能量釋放出來并轉(zhuǎn)化為能夠被細胞直接利用的生物能。呼吸電子傳遞鏈的功能就是進行生物氧化，并由此產(chǎn)生能量。電子傳遞過程中，質(zhì)子跨膜傳遞釋放的能量直接驅(qū)動了腺苷二磷酸(ADP)的磷?；磻?yīng)合成了腺苷三磷酸(ATP)。當(dāng)電子傳遞過程被中斷，將直接危及細胞的生命活動。脂肪酸可通過限制內(nèi)膜上載體蛋白的運動中斷電子傳遞，阻礙ATP的形成[45]。而且，有研究表明，不飽和脂肪酸能夠提高膜對質(zhì)子的通透性，使得更多質(zhì)子繞開ATP合成酶進入細胞質(zhì)，降低了膜兩側(cè)的質(zhì)子梯度和膜電位，削弱了酶合成ATP的能力，導(dǎo)致ATP合成減少[46]。

2.1.3 抑制酶活性

脂肪酸可有效抑制細菌細胞膜和細胞質(zhì)內(nèi)多種重要酶的活性，如油酸對葡糖基轉(zhuǎn)移酶有明顯的抑制作用[47]，油酸、棕櫚油酸、亞油酸、亞麻酸等長鏈不飽和脂肪酸能夠引起FabI活力的顯著降低[48]。

2.1.4 降低營養(yǎng)物質(zhì)的吸收

脂肪酸能夠減弱菌體對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，從而影響細胞的活力。有研究發(fā)現(xiàn)，脂肪酸的存在抑制了巨大芽孢桿菌和溶壁微球菌對氨基酸的攝入[49]。

2.1.5 過氧化和自氧化

脂肪酸的抑菌功能或者還與其二次降解產(chǎn)物有關(guān)。不飽和脂肪酸可通過自身過氧化反應(yīng)產(chǎn)生的過氧化氫(H2O2)和活性氧(ROS)造成細胞損傷[50]，也可通過自氧化反應(yīng)生成脂氧化物及短鏈醛而發(fā)揮抗菌活性[51]。

2.2 揮發(fā)油提取物

精干麻纖維經(jīng)水蒸汽蒸餾可得到揮發(fā)油，其中有5-甲基-糠醛、鄰苯二甲酸二異丁酯、十六烷酸等44種化合物[2]，酯類、醛類、脂肪酸類3種抑菌活性較高的物質(zhì)占揮發(fā)油總量的50%以上。研究表明，羅布麻纖維揮發(fā)油對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和表皮葡萄球菌都具有良好的抑制作用。

3 結(jié)束語

隨著人們對紡織品功能性、舒適性、環(huán)保性要求的不斷提高，天然抗菌纖維用于紡織品加工逐漸成為主流。羅布麻纖維具有的透氣、吸濕、抑菌等優(yōu)點，成為當(dāng)前紡織、醫(yī)療保健領(lǐng)域的研究熱點之一。羅布麻韌皮和精干麻纖維抑菌化學(xué)成分及其具體作用方式的深入、系統(tǒng)研究，將有助于羅布麻資源的綜合開發(fā)和利用,并可為以抗菌物質(zhì)含量為評價指標的羅布麻加工工藝優(yōu)化提供技術(shù)參考。

羅布麻韌皮的抑菌性能與其含有的多種生物活性成分有密切聯(lián)系，不同活性成分的抗菌機制不同，有必要運用現(xiàn)代化儀器檢測和分析手段對化學(xué)組成以及相應(yīng)的抗菌機制開展進一步研究。對于脫膠后得到的精干麻纖維，目前對其抑菌功能的物質(zhì)基礎(chǔ)還沒有清晰的認識，許多問題需要深入探討，比如脂肪酸由何物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來，韌皮中存在的黃酮等抗菌成分的去向等。結(jié)合羅布麻加工工藝特點和目前的研究現(xiàn)狀，羅布麻精干麻纖維存在的抗菌性物質(zhì)不僅可以通過直接的成分檢測加以確認，還可從由原料(韌皮)到產(chǎn)品(精干麻纖維)的整個加工處理過程的宏觀角度出發(fā)，分析各個加工工序尤其是化學(xué)脫膠(高溫強堿)條件下，韌皮中功能性成分的演化行為，即黃酮類化合物、鞣質(zhì)等是否能夠反應(yīng)生成新的大分子的抗菌性衍生物而沉積在纖維表面或內(nèi)部，而使脫膠后纖維及其紡織制品具有長久的抗菌性能。