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香茅草精油研究進展

2021-03-22 03:00李艷麗李凌范源洪
江蘇農業(yè)科學 2021年2期
關鍵詞:生物活性化學成分精油

李艷麗 李凌 范源洪

摘要:香茅草是一種具有檸檬香氣的藥食兩用香料植物,廣泛應用于制藥、食品和香水工業(yè)。綜述香茅草精油的提取方法和分析方法,對香茅草精油化學成分進行歸納總結,主要成分是芳香氣味的醛、酯、醇等,且占比達80%~90%,這是香茅草香氣特征的物質基礎。香茅草精油具有抗細菌、真菌、原蟲和緩解焦慮、抗炎、抗氧化的生物活性,對植物害蟲亦有一定的趨避效果,具有廣泛的應用前景。香茅草的提取部位、產地和栽培因素都會影響生物量和得油率,雖然研究眾多但產地因素與香茅草精油的關聯(lián)尚無定論。最后對香茅草研究的問題進行了總結,對今后香茅草研究方向提出了建議。

關鍵詞:香茅草;精油;化學成分;生物活性;進展

中圖分類號:S573+.401;R284 文獻標志碼: A文章編號:1002-1302(2021)02-0005-07

收稿日期:2020-06-04

基金項目:云南省重大科技專項-綠色食品國際合作研究中心專項(編號:2019ZG00903 );國家熱帶植物種質資源庫特色香料種質資源分庫;云南省芳香生物工程技術研究中心項目(編號:2018DH010)。

作者簡介:李艷麗(1988—),女,山東濟寧人,碩士,助理研究員,主要從事香料植物資源研究開發(fā)。E-mail:liyanli1988@163.com。

通信作者:范源洪,研究員,主要從事種質資源與育種。E-mail:2247888136@qq.com。香茅草[Cymbopogon citratus (DC) Staf]是禾本科、香茅屬多年生草本,又名檸檬草。香茅草是一種具有檸檬香氣的香料植物,可用來制作香水、肥皂等。香茅草主要生長于非洲和南亞等熱帶、亞熱帶地區(qū),南美洲巴西的巴拉那州是該國最大的香茅草生產地,在我國的華南、西南等亞熱帶地區(qū)亦有廣泛分布。香茅草性溫味辛,具有疏風解表,祛瘀通絡的功效[1],可治感冒頭痛、胃痛、泄瀉、風濕痹痛、跌打損傷等。海南的黎族取香茅草葉搗爛外敷止癢;非洲民間用于治療感冒引起的發(fā)熱和焦慮癥。國外研究認為,香茅草可以鎮(zhèn)定神經和治療腸胃問題(消化不良和胃痛)、發(fā)燒、頭痛、扁桃體炎和潰瘍等[2-5]。

香茅草因具有特殊的檸檬香氣,可增添料理的風味層次,是非常好的烹飪香料,我國云南西雙版納、德宏等地以及泰國、印度、越南等地的傳統(tǒng)亞洲料理和西餐一般會把香茅草加入咖喱、肉類、湯品和腌料中,可去腥增香。在國際市場上,香茅草主要用于制藥、食品和香水工業(yè),主要消費國為美國、日本、加拿大、瑞士、英國和法國,需求量最大的國家是美國的軟飲料工業(yè),日本和法國的香水業(yè),瑞士的制藥業(yè),英國和印度的調味品市場[6]。

香茅草作為一種藥食兩用資源,具有廣泛的開發(fā)應用前景?,F(xiàn)從香茅草精油的提取方法、香氣成分及其影響因素、香茅草精油的生物活性、香茅草開發(fā)應用前景等幾個方面進行綜述和展望。

1香茅草精油的提取研究方法

1.1香茅草精油提取方法

目前,香茅草精油提取方法主要有水蒸氣蒸餾法、超臨界CO2流體萃取法和頂空固相微萃取。研究認為,將香茅草切成2 cm小段更利于精油提取[7]。

1.1.1水蒸氣蒸餾法目前常規(guī)的工藝流程是向盛有香茅草的燒瓶中加入蒸餾水和一定量的NaCl、沸石,混合攪拌均勻后浸泡一段時間,用水蒸氣蒸餾裝置進行蒸餾[8-10]。停止加熱后乳濁液靜置分離,無水硫酸鈉脫水干燥,所得精油裝于棕色試劑瓶中密封冷藏保存。水蒸氣蒸餾法提取所需溫度高,時間在4 h左右[10],能耗較高,并且容易使部分熱敏性成分分解,導致出油率低。由于有不少缺點,很多研究者對該方法進行了改良,楊欣研究了微波改良法[11],丁華等研究了超聲輔助法[12],2種輔助方法有利于成分分散,提取的精油純度較高,蠟質、色素等雜質少,有效提高了得油率。不同提取材料的工藝流程和得油率比較見表1。

1.1.2超臨界萃取法超臨界CO2流體萃取技術具有萃取時間短、能耗低、萃取分離一體化、無污染、得油率高等特點,可以比較真實、全面地反映樣品的化學成分,超臨界CO2萃取技術已廣泛應用于食品、醫(yī)藥及化妝品等領域。不同材料的超臨界萃取法工藝流程及參數(shù)見表2。

王聰?shù)妊芯勘砻鳎R界萃取法較水蒸氣蒸餾法制備香茅草油的得率高1倍[22-25]。謝麗莎等對水蒸氣蒸餾法和超臨界CO2流體萃取法對比研究發(fā)現(xiàn),超臨界CO2流體萃取法提取的揮發(fā)油比水蒸氣蒸餾法能更真實、全面地反映香茅草的化學成分[23]。

1.1.3頂空固相微萃取頂空固相微萃取技術(head-space solid phase micro-extraction,HS-SPME)可有效檢測易揮發(fā)物質,具有操作簡單、無需溶劑、設備低廉、能夠直接用于色譜和色質聯(lián)用儀進樣等特點,該方法進樣快、選擇性好、重復性高,可以對植物葉片、發(fā)酵過程中揮發(fā)性成分進行快速比較和定性分析[26-28]。不同提取材料的提取工藝比較見表3。楊文秀等采用頂空固相微萃取技術從香茅草葉片中萃取揮發(fā)性成分,并利用氣相色譜質譜聯(lián)用儀進行分析鑒定,共鑒定了18種成分[29]。陳靜慧等采用電子鼻結合頂空固相微萃取聯(lián)合氣相質譜技術可以判別檸檬草中主要揮發(fā)性成分的差異并對檸檬草水提物中的揮發(fā)性成分進行定性定量分析,檢測出24種揮發(fā)性化合物[30]。

1.2香茅草精油成分研究方法

氣相色譜-質譜聯(lián)用技術(GC-MS)是色譜技術、質譜技術與計算機技術3種現(xiàn)代化技術緊密結合的產物,是目前化學成分分析中使用最廣泛的方法。近年來,電子鼻結合HS-SPME-GC-MS技術已逐漸成為對揮發(fā)性成分組成進行精確定性、定量分析的新興技術,該技術具有處理樣品簡單、測定速度快、基本不用有機溶劑等優(yōu)點[33-34]。陳靜慧等采用電子鼻結合HS-SPME-GC-MS對不同方法得到的檸檬草提取物中揮發(fā)性成分進行有效分析與判別[30]。

2香茅草精油的主要組成成分

香茅草精油成分復雜,變化大,與品種、產地、季節(jié)和部位等都有關系。目前研究顯示,香茅草精油含有50種以上的化學成分。根據(jù)已有的研究,可將香茅草精油的主要成分按照醇類、醛類、酯類、萜烯類等進行劃分(表4)。其中,醛類為香茅草精油的主要成分,主要有香葉醛(反式檸檬醛)和橙花醛(順式檸檬醛),二者為順反異構體,二者占香茅草精油香氣成分的60%~80%[10,13,22-23],香葉醛含量略高于橙花醛,香葉醛檸檬香氣濃郁,橙花醛較之不及,但有甜味。在香茅草成分研究中,理清天然檸檬醛包含香葉醛(反式檸檬醛)和橙花醛(順式檸檬醛)這2個順反異構體的關系,成分分析結果才會更加可靠。香茅草精油中,醇類含量占比為10%~20%,主要有香葉醇(牻牛兒醇)、橙花醇等,香葉醇具有溫和、甜的玫瑰花氣息,橙花醇具有玫瑰和橙花的混合香氣,氣味略為平和,微帶檸檬樣的果香。酯類含量占比為10%左右[17,31],主要有乙酸香葉酯、乙酸香茅酯、乙酸橙花酯,乙酸香葉酯有玫瑰和熏衣草香氣,乙酸香茅酯有檸檬氣味。萜烯類含量約占10%[17,36],以β-月桂烯、β-石竹烯等為主,β-月桂烯具清淡的香脂香氣,在香料界,月桂烯指β-月桂烯,石竹烯主要指β-石竹烯。香茅草精油的主要成分是芳香氣味的醛、酯、醇等,且占比達80%~90%,這是香茅草具有濃郁檸檬香味的主要原因,也從化學成分層面上解釋了香茅草可以作為香料、調味料。

3香茅草精油的生物活性

國內外眾多研究者對香茅草精油的生物活性進行了廣泛研究,香茅草精油具有抑菌、抗蟲、抗氧化等作用,在化妝品、食品保鮮、植物病蟲害防治(表5)等方面具有廣闊的應用前景。

4香茅草精油成分的影響因素

除提取方法外,影響香茅草精油得油率的因素還有很多,香茅草部位、產地、栽培因素等都會影響香茅草精油的成分和含量比例。

4.1提取部位

歐陽婷等通過研究5個產地的香茅草不同部位的揮發(fā)油含量[10]。葉揮發(fā)油含量最高,其次為全草,莖含量最低;不同部位揮發(fā)油主要成分不同,香茅葉主要成分為(E)-檸檬醛、(Z)-檸檬醛、β-月桂烯和香葉醇。黎華壽等研究香茅地上莖葉和根的成分發(fā)現(xiàn),香茅莖葉揮發(fā)物的主要成分是檸檬醛和(Z)-檸檬醛,含量分別為53.98%、34.40%,而根的主要成分是長葉松烯(56.67%)、芹子烯內酯(2003%)、欖香烯(5.66%)、依蘭烯(433%)[31]。由于香茅草精油具有濃郁檸檬香味的主要原因是含有醛、醇等類化合物,因此在香茅草精油的相關研究中應以莖葉為主要研究對象,才能更準確地反映香茅草香氣成分的本質。

4.2產地因素

香茅草在我國主要分布在亞熱帶地區(qū),已有研究者分別對浙江杭州[56]、廣西田林[57]、廣東肇慶[13]、海南??谑衃19]、云南西雙版納[29]、云南文山[32]、福建漳州[58]等地栽培的香茅草揮發(fā)油的成分進行了研究,結果顯示,香茅草精油最主要的成分為檸檬醛的2個順反異構體:香葉醛和橙花醛,檸檬醛相對含量高達60%~80%,其他主要成分因產地而有所差異。許廷生等分別對廣西香茅草精油進行成分分析,結果表明廣西產香茅草精油除了檸檬醛外,β-月桂烯的含量也較高[59-60,57]。

對不同省份香茅草精油進行對比的研究也較多,歐陽婷等對湖南省、廣東省、浙江省、海南省、福建省香茅草葉中的揮發(fā)油進行研究表明,湖南省、廣東省、海南省的香茅草含油量基本相同(全草、莖、葉),福建省和浙江省的香茅含油量較低;5個省份的香茅草精油主要成分中(E)-檸檬醛含量為4086%~51.15%,(Z)-檸檬醛含量為3101%~36.46%;β-月桂烯含量為1.94%~1543%,香葉醇含量為1.61%~4.89%[10]。喻世濤等對廣西壯族自治區(qū)、云南省、內蒙古自治區(qū)、四川省的香茅草得油率和香氣特征進行了區(qū)別研究,認為廣西壯族自治區(qū)、云南省種植的香茅草揮發(fā)油得率較低,但其香氣濃郁、強烈,持久性好,而內蒙古自治區(qū)和四川省種植的香茅草得油率雖高,但香氣特征不明顯,且香氣持久性不足[9]。其得油率結果與歐陽婷等的研究結果(湖南省、廣東省、海南省得油率較高、浙江省、福建省偏低)在地理上南北方的差別不一致。王聰利用主成分分析法對浙江省、湖南省、四川省、云南省等4個產地的12個香茅草成分進行分析判別,結果可以準確顯示出香茅草的區(qū)域性特征,適用于香茅草的產地判定[22]。

眾多研究者對產地因素影響下的香茅草精油成分進行了研究,均得出香茅草成分種類和含量因產地而異,但對更廣泛產區(qū)的大量香茅草樣品尚未有系統(tǒng)的研究,由于香茅草精油成分復雜,各影響因素與成分含量的規(guī)律尚未形成統(tǒng)一的結論或認識,這也將是今后的研究方向。

4.3栽培因素

秦榮秀等研究了香茅草的不同種植模式,認為雙排起垅由于利于根系排水、保證較多株數(shù),是最優(yōu)種植模式,并認為香茅草最佳采收期為種植后的6個月,即11月[61]。Gomes研究認為,香茅草種植后6~8個月采收最佳,不必遵從農業(yè)日歷,此后可根據(jù)行情采收,1年最多可采收5次[62]。而周麗珠等認為,9月為最佳采收期,這可能是由于二者研究對象栽種月份和最后1次采收時間不一致導致[60]。

郇樹乾等研究了不同高度刈割香茅草的生物量和提取量的區(qū)別,結果顯示當生長高度在100 cm時,刈割生物量和香茅草精油浸提量遠遠高于40、70、130 cm時,此時生物量為66 120 kg/hm2,精油浸提量為371.26 L/hm2[63]。

丁一等研究了不同施氮水平對香茅草的影響,施氮對精油含量和檸檬醛含量影響不顯著,但顯著增加了檸檬草精油的產量,施氮量以210 kg/hm2較適宜[64]。郇樹乾等研究施肥對香茅草生物量和香茅草精油產量都有明顯的提高,最佳施肥水平在中肥區(qū),即硫酸鉀400 kg/hm2,鈣鎂磷肥1 500 kg/hm2,尿素750 kg/hm2,此施肥水平鮮草產量和香茅草精油出油量最高,鮮草產量為60 622.2 kg/hm2、香茅草精油出油量為372.5 L/hm2[65]。國外研究表明,堿性土壤與香茅草精油中大量的檸檬醛有關[66]。

5討論

香茅草具有典型的檸檬香氣,其香氣特征有豐富的物質基礎。香茅草精油具有檸檬香氣的檸檬醛類,具有玫瑰香、橙花香、鈴蘭香等各種花香的醇、酯、萜烯類。本文綜述了香茅草精油主要組成成分和含量比例,匯總了不同提取方法的關鍵技術參數(shù)。目前國內各項研究應用常用的精油提取手段結合GC、GC-MS、高效液相色譜(HPLC)、SPME、電子鼻等香氣成分分析手段鑒定香茅草精油香氣成分組成及含量,還有研究者分析了不同提取部位、產地因素、栽培因素等對香茅草精油成分和含量的影響。香茅草揮發(fā)性成分各不相同,在各成分的相對含量上也存在著較大差異,這些差異可能與香茅草的產地氣候、生長環(huán)境和采收時期有關。

香茅草研究工作取得了一定進展,但國內研究還僅限于香氣成分檢測和分析,以及不同因素對香茅草產量、精油提取量的影響。而香茅草種質資源、遺傳多樣性研究及分子標記輔助育種、單體成分的功能機制等相關研究較少。在今后的研究中應從以下幾個方面進一步開展。(1)在種質資源收集鑒定方面,首先應制定香茅草形態(tài)描述規(guī)范。香茅草同物異名現(xiàn)象較為嚴重,美國密蘇里植物園2015年記載香茅草有8個異名,分別為Andropogon cerifer Hack、Andropogon ceriferus Hack、Andropogon citratus DC、Andropogon citriodorus Desf.、Andropogon fragrans C. Cordem、Andropogon nardus subsp. ceriferus (Hack.) Hack、Andropogon nardus var. ceriferus (Hack.) Hack、Andropogon roxburghii Nees ex Steud[66]。我國香茅草形態(tài)尚無規(guī)范的描述,一致的規(guī)范描述也有利于香茅草研究的開展。(2)在遺傳育種方面,在廣泛收集香茅草種質資源,建立香茅草種植資源圃的基礎上,應對香茅草種質資源進行系統(tǒng)整理,在形態(tài)學、生理學和分子遺傳學等3個方面進行綜合評價,為香茅草遺傳育種提供優(yōu)異的基礎材料。構建香茅草基因組草圖,結合代謝組學關聯(lián)分析,進一步闡釋香茅草精油物質合成和代謝分子機制。采用分子標記技術開展遺傳多樣性研究,對相關位點進行定位,為高出油率定向育種奠定基礎。(3)在香茅草精油產品的開發(fā)利用方面,研究香茅草精油的單體分離技術,研究單體成分的生物活性和功能機制,最后將研究成果應用到功能性產品開發(fā)中,將有廣闊的市場前景。

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