云南怒江州3种姜科香料植物茎叶化学成分的研究

2020-08-06凌瑞枚黎平刘圆圆张斐斐严洪斌吴莲张友胜军杨毅杨全张春华胡剑颜健

热带作物学报 2020年4期

凌瑞枚黎平刘圆圆张斐斐严洪斌吴莲张友胜军杨毅杨全张春华胡剑颜健

摘要：為充分利用3种姜科植物的地上茎叶部分，本研究采用GC-MS和LC-MS方法比较了其化学组成差异，综合评价各自的特点，以期为拓宽姜科植物茎叶的应用提供依据。对采自云南怒江州的3种姜科不同香料植物草果、春砂仁、艳山姜地上部分的茎、叶分别采用80%甲醇、正己烷超声进行提取相应化学成分。采用LC-MS方法分析比较甲醇提取物中主要的6种姜科植物中具有抗癌抗炎等活性成分的含量差异，以评价地上部分在药理应用上的潜力。结果发现，各活性化合物在3种姜科植物茎叶中的含量均差异显著，春砂仁和艳山姜的茎中表儿茶素含量丰富，而草果茎以庚二醇为主。草果和艳山姜叶中奎尼酸和莽草酸含量较高，草果叶片中还有较低含量的庚二醇，艳山姜叶中有远高于另外两者的表儿茶素，而春砂仁叶片中仅检测到较低含量的奎尼酸。采用GC-MS方法分析正己烷提取物，综合分析3种姜科植物茎、叶的整体化学成分，以期发现具有潜在应用价值的化学成分。结果发现，三者茎、叶整体化学成分在数量和种类上均有明显差异。在春砂仁茎叶中发现有多种很高含量的香料成分或前体物质，如龙涎酮、桃金娘烯醇、β-蒎烯、法尼基酮等物质。在艳山姜茎叶中发现有较高含量的维生素E和去甲氧基醉椒素等活性物质。草果叶片中也含有一定量的己酸。上述物质在化工、医药等领域都有较大应用，该研究将为3种姜科植物茎叶的开发利用提供一定科学依据。

关键词：草果;春砂仁;艳山姜;化学成分

中图分类号：R284 文献标识码：A

Abstract： To fully use the stem and leaf of the three species zingiberaceae plants from Nujiang， Yunnan， the chemical composition differences of the stem and leaf of Amomum tsaoko Crevost et Lemarie， Amomum villosum Lour.， Alpinia zerumbet （Pers.） Burtt.et Smith were comprehensively evaluated. Six active compounds with anti-cancer， anti- inflammatory， and other activities were analyzed to evaluate the potential pharmacological application. The content of the active compounds in the stem and leaf of the plants was significantly different. Epicatechin was rich in the stem of A. villosum Lour. and A. zerumbet （Pers.） Burtt. et Smith， while heptanediol was rich in the stem of A. tsaoko Crevost et Lemarie， and quinic acid and shikimic acid were rich in the leaf of A. tsaoko and A. zerumbet. There was also a lower content of heptanediol in the leaves of A. tsaoko， much higher epicatechin content of in the leaf of A. zerumbet， while only a lower content of quinic acid in the leaf of A. villosum. The total chemical composition of n-hexane extract was analyzed by GC-MS to find out the composition with potential application value. The results showed that the total chemical composition of the stem and leaf was significantly different in the types and amount. Furthermore， perfume substitutes or precursors with high content were found in the stem and leaf of A. villosum， such as ambria， myrtenol， β-pinene， farnesylacetone， and so on. High content of vitamin E and 5，6-dehydrokavain and other active substances were found in the stem and leaf of A. zerumbet. 1-Hexanoic acid was also found in the leaf of A. tsaoko. This study would provide some references value for the development and utilization of the stem and leaf of the plants.

Keywords： Amomum tsaoko; Amomum villosum; Alpinia zerumbet; chemical constituent

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.04.022

云南怒江傈僳族自治州位于云南省西北部，因大河怒江由北向南贯穿全境而得名。怒江州地处横断山脉纵谷地带，地势走向为北高南低，属亚热带山地季风气候。受地势影响，气温垂直变化显著，呈显著的立体气候特点。境内分布众多的温性、暖热性等植物类型，地域性植物类型组合丰富，是天然的植物基因库，长期以来备受植物学者所瞩目[1]。云南怒江州独特的自然条件和地理环境使得当地拥有众多丰富的药用植物资源。姜科植物草果（Amomum tsao-ko Crevost et Lemaire）、艳山姜[Alpinia zerumbet （Pers.） Burtt.et Smith]、春砂仁（Amomum villosum Lour.）为目前怒江州3种常见的药用植物，种植规模却大相径庭，现今只有草果经过多年发展，已在境内有大面积本土种植或引种种植。而春砂仁和艳山姜由于技术原因尚不具规模，但不影响两者日后发展带来的社会效益。关于此3种药用植物，当地政府与居民已达成共识：只要合理地可持续发展，它们将成为或已成为怒江州广泛栽培和促进农民增收脱贫的重要经济作物[2-5]。

草果、春砂仁同是姜科豆蔻属，艳山姜是山姜属植物。在我国，3种姜科植物均以干燥成熟果实入药，均具有温中燥湿、温脾止泻等功效，常用于治疗脘腹胀痛、脾胃虚寒、呕吐泄泻、消化不良等症状，进一步研究发现还具有抗菌、抗病毒、抗肿瘤等生物活性，同时还作为香辛料常用于食物烹饪[6]。在全国400种重点药材中，80%可以在云南怒江各地区找到。作为药用植物，应尽可能挖掘植株各部位的价值，使其优势或效益最大化。但目前对三者应用最多的却是各自的果实部分，对其茎叶的开发应用尚属空白。

云南是我国草果的主产地，其种植面积和产量均占全国的90%以上，适宜种植草果的地区就有怒江州的福贡县，种植与发展草果带来的收益已成为该县居民收入的重要部分。草果为多年生常绿草本植物，全株有辛香气，可提取芳香油[7-8]。目前，我国草果主要应用于食品领域，90%以上的草果用于食品添加，只有不到5%应用于中成药的配制和其他领域，如化妆品配方成分等。而在其中应用对象绝大部分为草果果实，对根茎的利用少之又少，这是对草果资源利用的不足。此外，当前草果在国内外市场上供不应求，随着草果社会需求量的不断增加，草果种植面积也在迅速扩大[3]。茎叶的累积势必也会随着草果的种植量扩大而急剧增加，因此，对草果茎叶的开发利用刻不容缓。

春砂仁为常绿草本植物阳春砂的干燥成熟果实，花、茎、叶、果实均可入药，但多以果实为主，果实味辛，富含有挥发油，临床上主要用于湿浊中阻，脾胃虚寒，呕吐泄泻等症状的治疗。近几十年来，国内外对砂仁的研究囊括了化学、药理、物种鉴定、种植栽培、分子生物等各个方面。目前认为挥发油为其主要药理活性成分，当前对于春砂仁的研究报道也多集中于此，但对其茎叶的研究报道尚属不多。春砂仁虽然不是怒江州的地道药材，但怒江州产出的春砂仁在质量上也得到市场的肯定与认可栽培面积正逐步扩大。与草果、春砂仁不同，艳山姜是姜科山姜属多年生草本植物，是民间用于祛寒暖胃的良药，其花极美，常栽培在庭园供观赏。因此，艳山姜除了具有广泛的药理作用外，其艳丽的花使其成为为数不多的具有观赏价值的姜科植物之一，但对于其茎叶的价值挖掘研究仍属空白。在当年草果、春砂仁和艳山姜的果实收获完成后，常须对已采集果实后的茎秆进行砍除，造成大量含茎、叶的秸稈堆积于地块自然腐烂，未进行任何回收利用，这造成了巨大的资源浪费。

综上所述，目前对上述3种姜科植物的研究多集中于果实的药用价值研究、生药鉴定、化学成分提取工艺或关注于比较阐述种间亲缘关系[9-12]等方面。而对地上部分茎、叶的化学成分系统研究尚不多，关于其茎叶开发利用的研究更是稀少[10-16]。对茎、叶的化学成分进行研究可为了解植株的生理变化、稳定品种质量与资源开发利用提供一定的参考。本实验室在前期研究过程中已购买获得6种姜科植物中常见的化学成分的标准品（如表1所示），并建立了LC-MS检测方法。通过比对标准品可以更确定某成分的存在与否及其含量，也可作为GC-MS结果的补充。本研究对草果、春砂仁、艳山姜3种姜科植物的茎、叶进行超声波辅助快速提取化学成分，并结合LC-MS和GC-MS手段进行分析，采用内标法进行相对化学成分的定量分析，结果将为3种作物茎叶的深加工提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 植物样本春砂仁、艳山姜、草果于2017年5月采自云南怒江州，其中春砂仁采集于泸水市上江镇付坝村，艳山姜采集于泸水市上江镇大凹子村，草果采集于贡山县普拉底乡咪唂村。经广东药科大学杨全教授鉴定。各植株自然晾干至恒重后分别剪取其茎、叶部分经粉碎机粉碎后常温避光保存。

1.1.2 药品与试剂乙酰苯胺、咖啡奎尼酸、绿原酸、莽草酸、表儿茶素、柚皮素、1，7-双-（4-羟苯基）-3，5-庚二醇标准品，北京伊诺凯公司;色谱纯甲醇，Fisher Scientific公司;色谱纯正己烷，天津科密欧公司;C8～C24系列正烷烃标样，Sigma-Aldrich公司。

1.1.3 仪器与设备 AcquityUPLC XevoTQD超高效液相色谱-质谱联用仪，美国Waters公司;气相色谱-质谱联用仪5975C，美国安捷伦;超纯水系统ZX21，广州皇河科技;粉碎机HK-04B，广州雷迈;超声波清洗仪SB-800D，宁波新芝;万分之一天平M104/02，上海梅特勒-托利多。

1.2 方法

1.2.1 标准曲线的绘制准确称取乙酰苯胺10 mg，用80%甲醇超声溶解并定容至100 mL容量瓶中，制备成100 mg/L母液备用。分别用移液器准确吸取一定体积母液，用80%甲醇稀释配制成终浓度分别为250、500、1000、2000、5000、10 000 g/L的系列混合标准溶液。

2.4 3种姜科植物叶的正己烷提取部分化学成分的分析

与茎不同，3种植物叶的化学成分差异要比茎的复杂，尤其体现在草果上（表3）。草果叶化学成分的种类最多，达66种，但含量还是不是很高，大多只有15%～80%，含量最高的为己酸，为210%。而春砂仁和艳山姜的化合物种类都很少，分别仅为11和10种，但含量均比草果的多很多，均达到200%以上，有些甚至有百分之几千的含量。如春砂仁中含量最高的为β-蒎烯，含量达10 mg/L内标物质的6585倍，其次为1，3，3-trimethyltricyclo[2.2.1.02，6]heptane，还特有姜花素E、法尼基丙酮、龙诞酮等化学成分以及较高含量的桃金娘烯醇。而艳山姜中含量最高的为7，8-dihydro-5，6-dehydrokawain，含量为14823%，其次为dehydrocamphor。另外，天然维生素E、维生素E和去甲氧基醉椒素都仅在艳山姜中检测到，且含量都不低分别为231%、202%和270%。由此可知，草果叶的化学成分繁杂但含量低，春砂仁和艳山姜叶的化学简单且含量丰富，继而在用途开发上也会因其各自的特点而表现各异。

3 讨论

通过运用LC-MS与GC-MS对不同试剂提取的春砂仁、艳山姜、草果茎叶的化学成分进行定性和相对定量分析发现，3种植物茎叶化学成分在质和量上都具有明显差异，为从不同角度评价茎叶的利用价值提供依据。从LC-MS结果可以得知，姜科植物中主要的6种具有抗癌、抗炎等活性的化合物，在本研究中的3种姜科植物的茎、叶中含量均较低，仅个别含量较高，如庚二醇，这或许是茎、叶不是主要药用部位，药用价值不高的原因所在。但从GC-MS结果来看，却能有别样的挖掘。

GC-MS结果不仅展现了此3种不同种姜科植物间化学成分的巨大差异，更从药理价值之外的角度充分发现茎叶化学成分的潜力。首先在整体比较上，3种姜科植物化学成分各有特异性，如己酸仅在草果叶中存在、法尼基酮仅在春砂仁叶中含有、去甲氧基醉椒素仅在艳山姜茎叶中发现，共有的成分仅有2种。其次同种化合物在不同种植物之间、同种植物不同部位之间的含量也有差异。如本研究发现，β-蒎烯和龙诞酮都仅在春砂仁的茎叶中检测到，且在叶中的含量远高于在茎中的含量，而在艳山姜、草果的茎叶未发现。根据相关文献报道，β-蒎烯在春砂仁果实的果皮中含量相对丰富，但种子中未发现[10]，而艳山姜、草果的干燥果实均有β-蒎烯等研究结果[11-12]，由此提出此种差异可能为同种植物在不同地理环境适应所带来的成分差异与变化。

本研究在上述发现的基础上又进一步拓展了3种姜科植物茎叶化学成分在药理之外的应用。对春砂仁而言，β-蒎烯和龙诞酮都在春砂仁的茎叶中有较高含量。龙涎酮兼有木香、龙涎香等香气，且香气持久，性质稳定，可作为香料或定香剂。早在21世纪70年代就由美国1FF公司开发出成香料，是龙涎香的极佳替代品。而龙涎香是抹香鲸胃肠内未完全消化食物所形成的一种病理性结石，资源极其有限而难得，是一种极其名贵的动物香料[21]。而巧妙的是，有文章报道，β-蒎烯可以作为一种具有龙涎香型香料分子结构的环状缩醛的原料来源[22]。同样的，仅在春砂仁叶中存在的法尼基酮和桃金娘烯醇也具有巨大潜在价值。法尼基酮是一种重要的香料，而桃金娘烯醇是香料桃金娘烯醛的前体物质。从当前的研究报道来看，目前通过化学反应来生产龙涎酮、法尼基酮和桃金娘烯醛的工艺都很复杂，步骤繁多且产量低下，还有安全隐患以及环境污染等问题[23-25]。而3种成分在春砂仁茎叶中均有极高的含量，这无疑是该3种成分的极佳天然来源。因此，本研究的结果将为春砂仁茎叶在香水领域或化妆品等行业的应用提供重要参考价值。

至于艳山姜，其茎叶分别含有较高含量的棕榈酸、亚油酸、去甲氧基醉椒素、天然维生素E和维生素E。据报道，棕榈酸能引起人成骨肉瘤MG 63细胞凋亡，而亚油酸则对其有保护作用，有助于预防骨质疏松[26-27]。而去甲氧基醉椒素能拮抗实验性胃及十二指肠溃疡[28]。另外有研究报道，从胡椒属植物中分离到具抗利什曼原虫活性最强的成分（+）-（7R，8S）-环氧-5，6-二脱氢醉椒素和黄醉椒素[29]。还有研究显示，醉椒素对平滑肌膜有非特异性亲肌作用[30]。维生素E具有抗氧化、维持生育和调节免疫系统等诸多生物学功能[31-35]，而天然维生素E无论在营养、生理活性，还是在安全性上均优于合成维生素E，天然的维生素E（α-生育酚）和维生素E 醋酸酯（α-生育酚醋酸酯）被广泛地应用于防晒产品中。这些信息均将为艳山姜茎叶化学成分在药物开发和在化妆品领域的应用具有重要的参考意义。

草果的叶中含有较高含量的己酸。有研究报道，我国北方奶牛场多以玉米秸秆为主要青贮原料。在大量制作青贮饲料时，由于青贮前不预干，玉米秸秆水分含量高，制成的青贮饲料质量较差，盐酸和己酸的共同处理除了明显改善青贮饲料的色泽、气味和质地外，还可明显降低青贮饲料中OB、ADF和ADL的含量（P>0.05），显著提高了青贮饲料的营养价值[36]。2-乙基己酸亦称异辛酸，用途广泛，主要用作油漆油墨催干剂，汽油添加剂，金属润滑剂、药品制备、香料制备等。异辛醇催化转化合成异辛酸通常需要在高温高压下进行，或者使用贵金属催化剂，条件比较苛刻[37]。己酸在白酒中不仅起到呈香、助香、减少酒体刺激以及缓冲平衡的作用，而且还可以与乙醇发生酯化反应，生成浓香型大曲酒的主体香成分己酸乙酯，从而改善浓香型白酒的风味及口感[38]。所以，草果的叶片就可以成為潜在的2-乙基己酸前体物质来源和为白酒提香的辅助物质取代己酸菌的作用或改良白酒风味。对草果来说，虽然化合物普遍含量较低，但是种类丰富。且草果已发展成为怒江州第一大经济作物，种植面积已逾7.3万公顷或许通过研究不同加工处理方式对草果叶化学成分的影响作用可以有助于草果叶成为重要的深加工原料加以利用。至此，本研究结果将为提升该3种香料植物的应用价值及拓宽应用领域提供参考。

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