山奈的活性成分及在食品工业中应用的研究进展

项昭保，平雪丽，屠大伟

（重庆工商大学环境与资源学院，重庆 400067）

山奈是姜科山柰属山奈（Kaempferia galangaL.）的干燥根茎，别名沙姜、三萘子（《海上方》）、三赖（《本草品汇精要》）、山辣（《本草纲目》）等[1]。在我国主要产于广东、广西、云南、四川、贵州、海南、福建、台湾等地，产地不同其化学成分亦有不同的特点[2]。山奈既是常用食品香辛料，又有良好的药用价值，药食两用[3]。《植物名实图考长编》载：“按《救荒本草》有野山柰，即此。滇南同甘松香、桂皮等为五香，充食料用”。《中国药典》记载，山奈姜味辛性温，具有温中散寒，行气止痛，除湿辟秽的功效，主治胃寒疼痛、寒湿吐泻、胸脘胀满、心腹冷痛、牙痛、风湿关节痛、跌打损伤等疾病[4]。

山奈中富含对甲氧基肉桂酸乙酯、山奈酚等活性物质，具有多种生物活性，且食用安全。急性毒性试验、亚急性毒性试验、血液学分析、皮肤刺激试验等一系列检测，均未见有毒性、异常、刺激等迹象[5]。当前山奈主要用于食品香料调味品，少数用于中药复方。山奈良好的生物活性并未得到合理利用，为进一步深入研究以及合理开发利用山奈资源，更好地发挥山奈的食疗作用，增进人类的健康。本文对山奈的生理活性成分及目前在食品工业中的应用进行综述，为山奈资源的进一步深度开发和高效利用提供理论依据。

1 山奈的化学成分

1.1 挥发性成分

山奈作为天然香料，其中含有大量的挥发性成分，得率约在2%～4%。国内外学者通过提取它的挥发油成分并进行分析，共分析鉴定出200 多种化学成分，其中含量最多的是对甲氧基肉桂酸乙酯，对山奈的香气起着重要作用[6]。除此之外，还有很多相对含量超过5%的成分，具体见表1（每篇文献由于使用原料的产地及方法不同，测出的含量有所差异，该表以其中测得的最高含量为准）。

表1 山奈挥发油中的主要化学成分Table 1 Main chemical constituents in volatile oil of Kaempferia galanga L.

1.2 黄酮类

山奈中的黄酮类化合物主要是山奈酚[15]、山奈素和槲皮素[16]，它们均属于黄酮醇类化合物，封传华等[17]利用高效液相色谱法对不同产地山奈药材中山奈素含量进行了检测，含量在0.08%～0.18%之间。黄酮类化合物是一类存在于多种植物中的含有多个酚羟基的化合物，具有多种潜在的药用价值。它们的化学结构式见图1。

图1 山奈中分离出的黄酮类化合物Fig.1 Flavonoids isolated from Kaempferia galanga L.

1.3 酚酸类、二芳基庚烷类和苯丙素类化合物

Yao 等[18]从山奈根茎中分离出了6 种苯丙素类化合物（1～6）、四种酚酸类化合物（7～10）、1 种新的酚类糖苷化合物（11）以及6 种二芳基庚烷类化合物（12～17），并根据质谱和核磁共振数据确定了它们的结构，如图2～图4 所示，它们的总含量约为0.066%。Wang 等[19]应用D101 大孔树脂，Sephadex LH-20 和制备液相等色谱方法，从山奈中分离出不同的二芳基庚烷类分别为C-1 磺酸化双苯庚烷差向异构体山奈磺酸A（18）和山奈磺酸B（19）（见图4）。

图2 山奈中分离得苯丙素类化合物Fig.2 Phenylpropanoids isolated from Kaempferia galanga L.

图3 山奈中分离得酚酸类化合物Fig.3 Phenolics isolated from Kaempferia galanga L.

图4 山奈中分离出的二芳基庚烷类化合物Fig.4 Diarylheptanoids isolated from Kaempferia galanga L.

1.4 萜类

山奈中也发现了萜类化合物，以二萜为主。Tungcharoen 等[20]采用乙醇回流的方法对山奈中的物质进行提取，然后用正己烷萃取，得到了正己烷组分。采用硅胶柱色谱对正己烷组分进行分离纯化，并采用紫外光谱、红外光谱、核磁共振等手段对分离得到的物质进行结构鉴定，得到了10 种异戊烷二萜，如图5 所示，其中包含8 种已知的异戊烷二萜（1～8）和2 种新异戊烷二萜（9～10），它们的总含量约为0.261%。此外，在山奈精油还分离出了一种新的单萜[21]（11）和常见单萜龙脑（12）。

图5 山奈中分离出的萜类化合物Fig.5 Terpenoids isolated from Kaempferia galanga L.

1.5 其它

刘本国等[22]采用超临界流体萃取技术制备了沙姜的超临界二氧化碳提取物，并从中发现了谷甾醇（提取物中含量0.66%）和豆甾醇（提取物中含量1.27%）等植物甾醇。Srivastava 等[23]对印度西孟加拉邦的山奈进行了成分分析，发现其山奈中脂肪的含量为1.66%，蛋白质含量为5.92%，其较低的脂肪含量适合超重的人食用。

山奈中富含碳水化合物（72.04%）和纤维素（7.93%），其碳水化合物含量与谷物相当，高于姜科和豆科植物[23]，Xu 等[24]提取和纯化了山奈中的水溶性多糖，并通过紫外光谱，高效凝胶渗透色谱，傅立叶变换红外光谱和离子色谱来检测它的结构。结果表明，山奈多糖是具有吡喃糖环骨架模式的酸性多糖，主要由阿拉伯糖和半乳糖组成，平均分子量为

8.5×105Da。

曾荣等[25]对山奈中的无机元素进行了测量，发现其中含有大量有益的无机元素，例如钾（1350 mg/kg）、镁（2950 mg/kg）、钙（350.5 mg/kg）、锰（412 mg/kg）、锌（46.5 mg/kg）、铁（16 mg/kg）等，而有害元素的含量却很低，例如砷（<0.01 mg/kg）和铅（<0.01 mg/kg）。这些人体所需的微量元素，合理食用可以调节体内代谢，促进身体健康。黄巧燕等[26]也曾采用微波消解法测定山奈中的无机元素，发现钾元素（18600 mg/kg）含量极高，也含有其他有益元素，而对人体有害的微量元素铍（0.02 mg/kg）、镉（1.192 mg/kg）、铅（2.61 mg/kg）、铊（0.078 mg/kg）的含量则微不足道。

2 山奈的生物活性

2.1 调节心血管系统

山奈中的某些成分对血糖以及糖尿病并发症有调节作用。山奈中的山奈酚、槲皮素等具有维护溶酶体膜稳定性、维持渗透压、抑制N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶（N-acetyl-β-D -glucosaminidase，NAGase）等糖苷酶释放等作用，从而可以调节血糖水平[27]。α-淀粉酶是淀粉消化过程中的一种关键酶，抑制α-淀粉酶活性，可有效控制餐后血糖的升高，而山奈酚可对α-淀粉酶以非竞争性的方式产生一定程度的抑制作用[28]。糖尿病肾病是糖尿病常见的微血管并发症，山奈酚对高糖条件下人肾小球内皮细胞氧化应激及凋亡具有抑制作用[27]。

山奈酚还对心肌的缺血再灌注损伤以及血管内皮细胞的氧化损伤均具有保护作用。对缺血心肌实行灌注治疗后，可能会出现代谢功能障碍、凋亡、心律失常等症状，而在缺血心肌模型中加入山奈酚进行处理后，发现山奈酚可有效缓解心肌的缺血再灌注损伤[29]。血管内皮细胞是血管壁的屏障，可以维持血管的正常功能，血管内皮损伤会引发动脉粥样硬化。山奈酚可以缓解脂蛋白的过氧化作用，减少氧化型低密度脂蛋白（oxidized low-density lipo-protein, ox-LDL）对内皮细胞的氧化损伤，从而预防和治疗动脉粥样硬化[30]。

He 等[31]通过斑马鱼血管生成测定法对山奈提取物的抗血管生成作用进行测试，结果正己烷部位和乙酸乙酯部位的抗血管生成作用明显，并从中发现了两种活性物质：反式对甲氧基肉桂酸乙酯和山奈酚，经进一步的实验证明，反式对甲氧基肉桂酸乙酯在体内和体外均具有良好的活性，其抗血管生成的作用机制可能与制血管内皮生长因子受体（vascular endothelial growth factor receptor, VEGFR）和血管生成素信号系统（Angiopoietin-tie, ANGPT-TIE）的信号通路有关。

2.2 抗肿瘤活性

山奈中提取到的多种活性物质对癌细胞有抑制作用。Ali 等[9]研究了山奈的甲醇提取物在瑞士白色小鼠的体内外抗肿瘤活性，结果表明该提取物对癌细胞产生强烈抑制作用，使得癌细胞数减少，小鼠存活时间延长，细胞形态改变，细胞膜起泡、核碎裂等，且抗癌活性与提取物中总酚含量和总黄酮含量呈显著正相关。

Gunasekaran 等[32]以雄性白色大鼠为研究对象，用1,2-二甲基肼（1,2-dimethylhyrdrazine，DMH）诱导大鼠结肠癌发生，使得小鼠异常隐窝病灶（aberrant crypt foci, ACFs）增加，转录因子（NF-κB p65）的核移位增加，炎症因子（iNOS, COX-2） 、细胞因子（TNFα, IL-6）、细胞周期蛋白、细胞抗凋亡蛋白（Bcl-2）等均增加，促凋亡蛋白表达减少。此后使用山奈中苯丙素类化合物对甲氧基肉桂酸乙酯进行调节，发现上述病理现象均可恢复正常。

多项研究表明，山奈酚可抑制癌细胞增殖。蛋白激酶CK2 是癌细胞生长阶段所需的，而山柰酚是蛋白激酶CK2 的有效抑制剂[33]。另外，山奈酚还能抑制食管癌细胞、胃癌细胞[34]、肝癌细胞[35]、人鼻咽癌CNE2[36]细胞、非小细胞肺癌[37]、乳腺癌[38]、胆囊癌[39]、胰腺癌[40]、黑色素瘤细胞B16[41]等癌细胞增殖，诱导细胞凋亡。

Srivastava[23]评估了从山奈中的水提物和关键化合物对9 个人癌细胞系的抗增殖潜力，并报告了其对正常的腹膜巨噬细胞的安全性。结果表明山奈对MDA-MB-231 和WRL-68 细胞具有抑制作用。其中活性成分对甲氧基肉桂酸乙酯可通过抑制细胞内活性氧的产生来抑制癌细胞的增殖。

Yang 等[24]采用热水浸提法提取了山奈中的多糖，通过体内抗肿瘤实验表明，该多糖能够有效保护肿瘤小鼠的胸腺和脾脏，抑制肿瘤增殖，提高T 细胞、B 细胞的增殖能力，且有剂量依赖性。

2.3 抗氧化和抗光老化活性

Ching Yuen Venus[42]等研究了山奈热水提取物的抗氧化作用，通过DPPH、ABTS 自由基清除实验、还原铁分析和总多酚含量评估提取物的抗氧化活性，结果发现提取物的自由基清除活性与浓度有良好的量效关系，对还原铁的抗氧化性最强。Ali 等[9]利用DPPH、ABTS 和NO 自由基清除实验，对山奈甲醇提取物体外抗氧化活性进行了评价，结果表明其具有良好的抗氧化活性，IC50分别是16.58、8.24、38.16 μg/mL。山奈的不同提取部位的抗氧化活性也不同，项昭保等[43]采用DPPH 和ABTS 法测试了山奈不同提取部位的抗氧化活性，结果表明氯仿部位的抗氧化活性最强，其次是乙酸乙酯和正丁醇部位。此外有研究[22]发现，山奈中还含有植物甾醇，且其中的豆甾醇和谷甾醇具有一定清除DPPH 自由基的能力。

张君等[44]发现通过提高脑组织抗氧化的能力，山柰酚可改善双侧颈总动脉永久性结扎诱导的慢性脑缺血大鼠的学习记忆能力障碍和协调运动功能障碍，对缺血性中风具有一定的治疗潜能。

山奈的正己烷提取物可以抑制酪氨酸酶的活性和黑色素的生成[45]，有研究表明其主要有效成分为对甲氧基肉桂酸乙酯[46]，可望开发为皮肤增白剂用于治疗色素沉积性疾病。Pratama 等[47]用印尼麒麟菜提取物与山奈提取物按不同比例制备防晒霜，并采用DPPH 法进行抗氧化检测，发现防晒霜中山奈提取物占比30%时，抗氧化活性最好。

2.4 抗炎作用

炎症是机体对损伤和感染的正常生物反应，一氧化氮是众所周知的内源性细胞信号分子，并且在许多生理过程中充当重要的介质。药理学研究已经证明炎症与NO 的过量产生有关。Sulaiman 等[48]发现山奈提取物有显著的镇痛活性和抗炎活性，且都具有良好的量效关系。有望开发出新型药物来对抗疼痛，替代目前具有副作用的阿片类物质。Ching Yuen Venus[42]研究了山奈热水提取物的抗炎活性作用机制，发现山奈提取物通过抑制NO、TNF-α的分泌以及iNOS 和TNF-α的mRNA 表达，发挥出抗炎作用。

Yao 等[49]发现从山奈中分离得到的二芳基庚烷类化合物对脂多糖（LPS）诱导巨噬细胞RAW 264.7 细胞系中NO 的产生具有抑制作用，二芳基庚烷类化合物可能是山奈抗炎作用的功效成分。Tungcharoen 等[20]在山奈提取物中分离得到了十种异戊烷二萜，且其中化合物5、6、8、9 具有良好的抗炎活性，可以抑制iNOS（一氧化氮合酶）的mRNA表达；化合物5、6 还可以抑制COX-2（环氧合酶2）的mRNA 表达。

山奈活性物质可以通过多种途径来抑制炎症反应。Umar 等[50]对石油醚、氯仿、甲醇、水提取物的抗炎作用进行了评价，发现氯仿提取物的抗炎活性最强，通过GC-MS 确定了对甲氧基肉桂酸乙酯为氯仿提取物主要成分，推测可能通过抑制环氧合酶来产生抗炎作用。Jagadish 等[51]测试了山奈石油醚提取物对大鼠急性和慢性炎症的影响，比较它们对炎症的效果以及发现可能的机制。结果表明石油醚提取物通过抑制中性细胞浸润，有效抑制大鼠急慢性炎症，化学分析表明提取物中含有对甲氧基肉桂酸乙酯。山奈酚可抑制神经炎症，保护血脑屏障功能，从而改善脑缺血再灌注对神经功能造成的损伤，其抗炎机制与抑制NF-κB 通路的激活有关[52]。

2.5 杀虫抑菌作用

山奈提取物具有一定的杀虫活性。Li 等[53]采用水蒸气蒸馏法提取山奈挥发油成分，并从中分离出了肉桂酸乙酯、对甲氧基肉桂酸乙酯和反式肉桂醛等化合物，将提取物和分离物分别进行了杀线虫毒性评价，结果表明精油提取物及其主要分离物（肉桂酸乙酯、对甲氧基肉桂酸乙酯和反式肉桂醛）对谷物的活性囊肿线虫均表现出强杀线虫活性，有望开发为防止禾谷类囊肿线虫的杀线虫剂。Liu 等[54]也采用类似的方法研究山奈精油及其主要分离活性物质对书虱的接触毒性和熏蒸毒性，结果表明精油对书虱表现出接触毒性和熏蒸毒性，其中肉桂酸乙酯的接触毒性最强，1,8-桉树脑的熏蒸毒性最强。

Parjo 等[55]经十年研究发现了山奈醇提物具有体外抗真菌活性，并将此提取物配制成水包油护发霜，对其理化性质进行了评价，发现其具有良好的油水不分离的特性，有应用于抗真菌水乳膏的潜力。除此之外，Lakshmanan 等[56]在山奈中分离出对甲氧肉桂酸乙酯，发现其具有体外抗结核活性，并对结核分枝杆菌H37Ra 和H37Rv 菌株具有抑制作用。

山奈中的山奈酚能够抑制神经氨酸酶活性，并对流感病毒H1N1 和H9N2 都具备较高的抑制能力[57]。吉米丽汗等[58]发现金花清感颗粒中的山柰酚可能通过与ACE2 结合作用于PTGS2、BCL2 和CASP3 等靶点调节多条信号通路，从而可能发挥对新冠病毒COVID-19 的治疗作用。Kitani 等[59]从山奈根茎衍生的放线菌菌株的菌丝中提取出一种新的环状脂质肽—胱氨酸酰胺B，其可以抑制登革病毒NS2B/NS3 复合物的蛋白酶活性。

2.6 其它作用

除了以上几种功能外，山奈的水提物还可以清除亚硝酸盐、阻断亚硝胺合成[60]。山奈丙酮提取物的石油醚、氯仿和甲醇部位对瑞士白色小鼠均具有明显的镇静作用[61]。山奈的乙醇提取物显示出中枢神经系统抑制作用[62]，山奈中的山奈酚能够显著提高去卵巢大鼠的骨密度[63]，明显抑制大鼠尿液中骨钙和磷的流失，能够治疗骨质疏松，且其作用机制可能与抑制骨吸收有关。山奈中山柰素可通过下调JNK 信号通路来有效地抑制钛颗粒引起颅骨的骨丢失[64]，有望开发成一种治疗破骨相关疾病的药物。山奈酚还可减少脂质积累[65]，体现出抗肥胖作用。

3 山奈在食品工业中的应用

近年来，随着人们生活水平的不断提高，“治未病”的大健康理念越来越深入人心。山奈以其独特的香味、众多的活性成分和广泛的药理作用在中药方剂和食品中广泛应用，其在食品常作为香料来烹饪各种美味佳肴，山奈的各种提取物也被常常被加入各种食品充当功能因子。

3.1 香料及调味料

山奈具有独特的香味，常常被人们用作调味料应用于多种食品中。例如著名的粤菜山奈白切鸡[66]，其主要的辅料就是山奈，它既可以让鸡肉吃起来香而不腻，又可以抑制微生物的生长；此外在广东，人们还把砂锅石斑鱼与山奈结合起来，使得石斑鱼更加的香气扑鼻[67]；还有绝味鸭脖[68]的辣味卤汁里也添加了山奈，通过与其他香料的香味调和，使得鸭脖有一种独特的香味；清凉火锅底料[69]和四川麻辣烫[70]的香料包中也有添加山奈作为香料，使得火锅以及麻辣烫更加的麻辣鲜香；王志江等[71]还研究了新型山奈猪肉干的加工工艺，发现当沙姜添加量为3%时，猪肉干的口感最佳、品质较好，既能赋予肉干良好的风味，又可以保持肉干的组织形态。

3.2 抗氧化膜及防腐剂

自由基会导致食物的脂质过氧化从而引起食物变质，虽然通过添加合成抗氧化剂可以预防食品氧化，但人工合成抗氧化剂存在一定的安全问题，对天然抗氧化剂的关注越来越多[72]。山奈具有良好的抗氧化和抑菌作用，食用安全，在食品抗氧化和防腐中应用前景广泛。卢洪成等[73]利用山奈提取物发明了一种抗氧化膜，既可以用于果蔬及肉类的抗氧化，而且无毒无害可食用，是一种天然的植物提取物抗氧化膜；田玉红等[74]通过对山奈油提取过程中得到的水相废液进行纯化结晶，得到了顺式对甲氧基肉桂酸乙酯和反式对甲氧基肉桂酸乙酯的混合物，经检验，该混合物不仅具有抑菌作用，还具有自由基清除作用，且香气怡人，可以作为天然食品防腐剂。

3.3 功能食品

利用药食两用资源功效部位开发功能食品受到越来越多的关注[75]，山奈药食两用、生理功效多、食用安全，将其开发功能食品前景广泛。张俊辉等[76]发明了一种保健腐乳，在腐乳中加入了山奈等药材，并通过多种工序使其营养成分进入到腐乳中，使得腐乳具有开胃消食的保健功能；明毅强等[77]发明了一种山奈苦荞营养保健丸的加工方法，该方法提高了山奈的利用率和营养价值，制得的保健丸既可冲水作为饮料，又可拌成营养糊，具有温中散寒、开胃消食、理气止痛等功效；黄腾庆[78]发明了一种山奈软糖，绿色天然、Q 弹香甜，还具有健胃消食的作用。

4 总结和展望

山奈药食两用，历史悠久，在食品中主要被用作香料或调味品，其香味物质基础挥发油的研究比较深入；在临床中多与其他药物配伍用于治疗高血压、风湿病、发炎、消化不良和其他胃病。然而除香料及调味料外，山奈不适合作为食物直接食用，在食品中应用较少；山奈的活性部位、功效成分也没有在功能食品中得到体现，在“治未病”的大健康理念越来越深入人心的当今时代，充分利用生物活性多样、产量巨大的山奈，开发出功效明确的功能食品很有意义。对山奈资源的开发利用以下三点应特别关注：

第一，注重山奈化学成分的系统研究，目前山奈的研究主要集中在挥发油成分，其他成分如黄酮、酚酸类、萜类和苯丙素类化合物等目前仅发现30 余个。产地不同、植物中化学成分一般相差很大，山奈国内外广泛种植，不同产地山奈化学成分研究也有少量报道，但是对某一产地的山奈化学成分系统研究尚未有报道。只有明确了不同产地山奈的化学成分，才能更有针对性地开发利用山奈资源。

第二，加强山奈活性部位和功效成分的研究，山奈的药理活性中医典籍有报道，现代药理实验也证实和发现了山奈提取物的一些生物活性，但活性筛选较多，深入研究较少，依据活性追踪寻找活性部位和功效成分的研究更少。活性部位是进一步开发功能食品的基础，功效成分及进一步的作用机制研究，是开发新型药物的前提，这都有利于山奈资源的高值化利用。今后的研究应进一步利用现代药理评价和筛选技术寻找山奈活性部位和功效成分，切实推动山奈资源高值化开发。

第三，山奈资源的综合利用，当前主要利用山奈的地下部分，地上部分被当作一种没有价值的农业残留物丢弃，造成了很大的资源浪费。今后的研究可以利用活性追踪与系统分离相结合寻找山奈地上部分的活性部位与功效成分，并与山奈地下部分的活性部位和功效成分研究相结合，增加山奈活性部位和功效成分的来源，同时充分利用了之前被视为毫无价值的农业残留物，切实提高山奈资源的经济效益和社会效益。

总之，山奈药食两用，应用广泛、种植面积广、产量大，但目前主要以原料形式用于食品调味料和中成药复方，化学成分研究不系统、功效成分研究不深入，明确功效作用的功能食品尚未开发出。今后应进一步加强山奈化学成分、活性部位和功效成分的研究，充分利用山奈良好的生物活性，明确其物质基础，更好地利用山奈的食疗作用，增进人类的健康。