肉桂精油成分分析及其抗氧化性和抑菌活性的研究

李 娜 乔宏萍 刘 地 李 博 武晓英 李晓君

(太原师范学院1，晋中 030619) (中北大学2，太原 030003)

肉桂(CinnamomumcassiaPresl)，又称大桂、牡桂、菌桂和中国桂等，属双子叶樟科乔木[1]。桂皮是肉桂干燥的树皮，常被用于传统中药、食品香料以及烹饪调料等[2，3]。肉桂精油广泛存在于肉桂的花、叶、果实和树皮等器官中[4]。肉桂精油是一种具有挥发属性的油，颜色可从黄色到红棕色[5]。肉桂精油不仅能扩张末稍血管、促进血液循环流动，还有助于强化消化道的排气功能，避免体内的肠胃发生痉挛，同时也有助于强化肠胃的消化功能[6]。另外，肉桂精油还具有促进胰腺分泌胰岛素的功能，并且可以清除血液中已经受损的胆固醇，不但可以在某种程度上降低血糖和血脂在人体内的含量[7，8]，而且其本身所具有食疗效果还可以在一定程度上预防癌症的发生[9]。

肉桂精油的组成成分有很多，其中主要包含了萜类、芳香族小分子化合物、脂肪族小分子化合物、木脂素类以及多糖类等[10-12]。佘世望等[13]通过对包括肉桂在内的60多种植物的抗氧化性比较分析，说明这60多种植物的抗氧化活性强弱的数据。Wang等[14]利用滤纸片法和二倍稀释法测定肉桂精油对成团泛菌及腐生葡萄球菌的抑菌活性，结果表明肉桂精油对两种菌均有抑制作用，但对腐生葡萄球菌的抑菌能力明显优于成团泛菌。郭新春等[15]通过对20种不同的植物材料的比较和研究，结果表明这20种植物中肉桂和牡丹皮的抑菌活性比较好，抑菌效果最为明显。顾仁勇等[16]通过肉桂的抑菌试验研究，证明了肉桂精油不仅可以抑制细菌，还可以真菌和酵母菌，而且抑菌活性较强。因此，通过对肉桂精油的深入研究，为其在新型食品防腐剂、香科、抑菌剂和杀虫剂等[17]产业的开发利用提供了科学依据。

目前，全世界都在密切关注食品的安全问题，由于许多天然植物资源具有无毒、抗氧化性强的等优点[18]，不断扩大的食品添加剂及香料市场也逐步将注意力从传统的化学合成产品转移到天然植物产品上，而植物精油作为一种天然无毒的植物次生代谢产物而应用到食品添加剂领域将成为可能。因此，对天然植物精油在抗氧化和抑菌等方面的研究成为了热点。本课题以肉桂精油为研究对象，通过GC-MS定性及定量研究其组成成分，并对其体外抗氧化性及抑菌活性进行测定，为开发应用新型抗氧化剂和抗菌剂提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

肉桂；正己烷：色谱纯；DPPH、ABTS：分析纯。

供试菌株：大肠杆菌(EscherichiacoilCGMCC 44568)、金黄色葡萄球菌(StaphylococusaureusCGMCC 26085)均购于中国普通微生物菌种保藏管理中心

Trace 1300/ISQ气相色谱-质谱联用仪。

1.2 实验方法

1.2.1 水蒸气蒸馏提取肉桂精油

将肉桂干燥粉碎，将过80目筛的肉桂粉末置于烧瓶中，按料液比1∶10加入蒸馏水进行提取，精油提取的时间为5 h，提取温度100 ℃。收集精油，测定肉桂精油的提取率。

1.2.2 精油提取率测定

以一定质量肉桂粉碎物提取所得精油的质量来衡量精油提取率。按公式(1)计算：

(1)

1.2.3 肉桂精油组成成分GC-MS检测

采用Trace 1300系列气相色谱与ISQ单四极杆质谱检测器(thermo fisher scientific USA)相连，与气相色谱连接的柱子为TR-5MS毛细管柱(30 mm×0.25 mm×0.25 μm)。检测升温程序为：在55 ℃的温度下持续3 min，以3 ℃/min的速率将温度从55 ℃升至250 ℃，然后在这个温度下保持5 min；进样口温度250 ℃；检测器温度280 ℃；载气调整为流速是1 mL/min的氦气。精油在处理后用色谱纯正己烷稀释，进样量1 μL，分流比5∶1。测定精油成分所需的质谱条件为：电子轰击源，其电离能量70 eV，电子电离质谱范围33～550m/z。

1.2.4 肉桂精油抗氧化性测定[19]

1.2.4.1 DPPH·清除能力测定

将肉桂精油稀释至不同浓度，每个浓度的肉桂精油样品取0.3 mL加入试管中，于每个试管中分别加入体积为2.7 mL 浓度为60 μmol/L的DPPH甲醇溶液，在室温条件下避光反应30 min，于518 nm处测定溶液的吸光度值。以含有0.3 mL的去离子水和2.7 mL 的DPPH溶液作为A0测定其吸光度值，以含有0.3 mL的肉桂精油样品溶液和2.7 mL 的DPPH溶液作为As测定其吸光度值，以含有0.3 mL的肉桂精油样品溶液和2.7 mL 的无水甲醇溶液作为Ar测定其吸光度值，用无水甲醇溶液作为测定吸光度值过程中的空白对照，用BHT作为实验测定过程中的阳性对照。根据式(2)计算肉桂精油对DPPH·的清除率。

(2)

式中：I为肉桂精油对DPPH·的清除率/%；A0为DPPH溶液加去离子水作为空白对照的吸光度值；As为肉桂精油样品溶液与DPPH溶液进行反应后的吸光度值。

1.2.4.2 ABTS·清除能力测定

分别配制浓度为7 mmol/L的 ABTS溶液和浓度为2.5 mmol/L的过硫酸钾溶液，将二者等体积混合，在室温的条件下避光反应12～16 h，获得ABTS工作液。测定前用80%的乙醇溶液将ABTS工作液进行稀释，使其在734 nm波长处的吸光度值维持在0.7±0.02。将肉桂精油样品稀释为不同的浓度，每个浓度的精油样品取0.3 mL加入试管中，分别加入2.7 mL ABTS工作液于轻轻振荡使其均匀地混合，室温避光进行反应30 min，于734 nm处测定溶液的吸光度值，以含有0.3 mL的去离子水和2.7 mL 的ABTS工作液作为为A0测定其吸光度值，以含有0.3 mL的肉桂精油样品溶液和2.7 mL的ABTS工作液作为As测定其吸光度值，以含有0.3 mL的肉桂精油样品溶液和2.7 mL 的无水乙醇溶液作为Ar测定其吸光度值，用无水乙醇溶液作为空白对照，以BHT为阳性对照。根据式(3)计算肉桂精油对ABTS·的清除率。

(3)

式中：I为肉桂精油对ABTS·的清除率/%；A0为ABTS溶液加去离子水作为空白对照的吸光度值；As为样品溶液与ABTS溶液进行反应后的吸光度值。

1.2.5 肉桂精油抑菌活性测定

1.2.5.1 抑菌圈测定

采用滤纸片法测定肉桂精油抑菌圈直径[20]。将大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在LB培养基上进行菌种的活化培养，然后用无菌的生理盐水稀释配成菌悬液，使溶液的含菌数大约为106cfu/mL，摇匀。在无菌环境下，量取100 μL不同供试菌种稀释后的菌悬液均匀涂布在LB固体培养基上，制成含菌平板。在每个含菌平板中等距放置3个已灭菌的直径为6 mm的圆滤纸片，1个滴加5 μL的阳性对照液，另2个滴加各5 μL的肉桂精油，37 ℃倒置培养 24 h后测定肉桂精油对两种细菌的抑菌圈的直径大小。

注：图中峰上标的阿拉伯数字表示GC-MS所检测到的化合物峰编号。图1 肉桂精油总离子流图

1.2.5.2 MIC和MBC测定

用微量稀释法测定精油的MIC和MBC值[21]。将供试菌菌悬液与精油溶液置于96孔板孔内，使其精油浓度为0.125～8 mg/mL，并置于37 ℃培养24 h。以含有氨苄西林为对照组。所有实验重复3次。

2 结果与分析

2.1 肉桂精油的提取率

经过多次反复提取，肉桂精油的提取率为1.34%，比文献报道的桂皮精油提取率低[22-24]。可能是由于肉桂精油高温耐受性较差，因此受提取时间的影响，提取时间过短，会导致肉桂精油的提取不完全；提取时间过长，肉桂精油在高温下长时间受热，自身会被氧化，造成有效成分的损失，导致提取率降低。

表1 肉桂精油的提取率

2.2 肉桂精油气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析

采用GC-FID和GC-MS (图1)对不同肉桂品种的水蒸馏精油的化学成分进行检测，结果如表2所示。由表可知，GC-MS共鉴定出38种肉桂精油化合物，占肉桂精油总质量的 99.59%，其中相对含量较多的组分为反式-肉桂醛(59.54%)，γ-松油烯(12.90%)，葎草烯(6.58%)，石竹烯(4.22%)，β-红没药烯(2.20%)，视黄醇乙酸酯(1.70%)。肉桂精油不仅包括醛类化合物，烯烃和酯，还包括了醇类和酮类等化合物，其中醛类含量为主要成分，约占总质量的60.12%，烯烃类化合物的质量分数为32.78%，醇类化合物的为2.69%，酯类化合物的为2.61%，酮类化合物的为1.39%。本研究结果与Li等[3]，Chairunnisa等[11], Deng等[4]的研究结果一致，所鉴定的肉桂精油主要成分都是反式肉桂醛，与Aneta等[25]测定的肉桂精油主要成分是芳樟醇Linalool的研究结果不同，导致肉桂精油化学组成不同的主要原因可能是肉桂基因型的不同，同时，土壤、气候等其他因素也可能是肉桂精油组成成分不同的原因。

表2 肉桂精油主要成分

2.3 肉桂精油的抗氧化性分析

2.3.1 肉桂精油对DPPH·的清除能力

肉桂精油和BHT对DPPH·的清除率如图2所示。由图2可知，在实验浓度范围内，肉桂精油对DPPH·具有清除能力，当质量浓度低于250 μg/mL时，肉桂精油对DPPH·的清除率随精油浓度的增大而增大，当质量浓度高于250 μg/mL时，肉桂精油对DPPH·的清除率随着浓度的增大逐渐趋于稳定，肉桂精油对DPPH·的清除能力的IC50值是96.918 9μg/mL，其最大的清除率可达76.51%；在实验浓度范围内，BHT对DPPH·具有清除能力，且其清除率随着BHT浓度的增大而先提高后逐渐趋于不变，BHT对DPPH·的清除能力的IC50值为4.095 5 μg/mL，其最大清除率高达95.89%。通过对比肉桂精油和BHT这两种不同抗氧化剂对DPPH·的清除作用可知，天然肉桂精油对DPPH·的清除效果明显弱于化学合成的抗氧化剂BHT。

图2 肉桂精油和BHT对DPPH·的清除能力

2.3.2 肉桂精油对ABTS·的清除能力

肉桂精油和BHT对ABTS·的清除率如图3所示。由图3可知，在实验浓度范围内，肉桂精油样品对ABTS·具有清除能力，且肉桂精油对ABTS·的清除率与精油样品的浓度之间存在量效关系。当精油质量浓度低于30 μg/mL时，肉桂精油对ABTS·的清除率随着肉桂精油样品浓度的升高而显著增大，而在质量浓度高于30 μg/mL时，肉桂精油样品对ABTS·的清除率随着肉桂精油样品浓度的提高逐渐趋于稳定，肉桂精油对ABTS·的清除能力的IC50值是6.366 9 μg/mL，其最大清除率可达99.8%；在实验浓度范围内，BHT对ABTS·具有较强清除能力，BHT对ABTS·的清除能力的IC50值是1.359 6 μg/mL，其最大清除率可达96.23%。对比肉桂精油样品与BHT的清除能力可知，肉桂精油样品对ABTS·的清除效果弱于BHT。

图3 肉桂精油和BHT对ABTS·的清除

2.4 肉桂精油对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌活性

肉桂精油对大肠杆菌(a)与金黄色葡萄球菌(b)的抑菌效果如图4所示。肉桂精油对不同供试菌表现出不同的细菌敏感性。肉桂精油对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌都具有抑制作用，分别形成了直径为16、19 mm的抑菌圈，本结果与Cui等[26]的研究结果一致，都证明肉桂精油对革兰氏阴性菌及革兰氏阳性菌在短期内都有抑制作用。因此，肉桂精油对这两种细菌都有比较强抑制性，可被用在食品防腐保鲜领域。

图4 肉桂精油对大肠杆菌(a)和金黄色葡萄球菌(b)的抑菌圈

表3和表4显示了在体外培养条件下获得的肉桂精油的最小抑菌浓度值。结果表明，肉桂油抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生长的最低剂量(MIC)分别为0.50、0.25 mg/mL，化学合成氨苄西林对两种菌的MIC值仅为0.031 25 mg/mL 。MIC值越低，抗菌活性越强。肉桂油对金黄色葡萄球菌生长的抑制作用要比大肠杆菌强，这表明肉桂油对革兰氏阳性菌的抑制活性高于革兰氏阴性菌。

表3 牛至精油对大肠杆菌的MIC值/mg/mL

表4 牛至精油对金黄色葡萄球菌的MIC值/mg/mL

3 结论

本实验采用水蒸气蒸馏法提取肉桂精油，提取率为1.34%，实验过程无任何化学试剂，无污染，节能环保。GC-MS共鉴定分析出38种肉桂精油组成成分，占肉桂精油总质量的99.59%，包括烃烯、酯、醇、醛和酮等多种化合物，其中醛类化合物含量为主要成分，质量分数为60.12%，烯烃类的化合物的质量分数为32.78%，醇类的化合物的为2.69%，酯类化合物的为2.61%，酮类化合物的为1.39%。肉桂精油中相对含量较多的为反式-肉桂醛(59.54%)γ-松油烯(12.90%)，葎草烯(6.58%)、石竹烯(4.22%)。肉桂精油对DPPH·和ABTS·均有清除作用，且清除能力的强弱与肉桂精油浓度之间存在量效关系，肉桂精油对ABTS·清除的能力强于对DPPH·清除的能力，其IC50值分别为96.918 9、6.366 9 μg/mL。肉桂精油对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有抑制作用，其抑菌圈直径分别为16、19 mm，属高度敏感。