肉桂化学成分与药理作用研究进展

高铭哲,李 婷,田晨琪,洪 洁,李雅园,王 浩,王元清

(中南林业科技大学 生命科学与技术学院,湖南 长沙410004)

肉桂(Cinnamomum cassiaPreesl)原名为菌桂、牡桂,系樟科樟属的植物,国产肉桂为樟科植物肉桂(Cinnamomum cassiaPreesl)的干燥树皮[1],具有重要的食用与药用价值,具有引火归元、散寒止痛、补火助阳等作用[1],其喜欢生长在温暖、湿润和阳光充足的环境之中,但不适合在缺水和积水的环境中生长。肉桂大多是人工栽培,原产地是中国,但其在印度、老挝、越南和印度尼西亚也有广泛的分布,而就中国而言,广东与广西栽培较多,特别是广西的产量达到全国的一半以上。肉桂是我们国家中药材出口的第一大品种,其既可以用作药材,又可以作为食品调料,所以广受欢迎。植物肉桂的树皮有香味,常作为香料使用。肉桂作为一种中药材,其全身都是宝,树皮、树枝、果实均可入药。肉桂药用研究历史悠久,在《本经》《珍珠囊》等古书中都有对其药用价值的记载。现在肉桂的研究已精确到分子水平,肉桂药用的相关理论更完善,药理作用机制更清晰,对其化学成分的研究也更明确。现对肉桂的化学成分与药理作用研究进行综述,以期为肉桂的开发利用提供依据。

1 肉桂的化学成分

肉桂中的化学成分复杂,主要含有挥发性成分、多糖类成分、倍半萜及其糖苷类成分和黄酮类成分,其中还含有肉桂酸、桂皮酸、丁香酸和胆碱等其他成分[2]。在所有成分当中,挥发性成分(挥发油)为其主要活性部位[3]。本文主要针对肉桂中的肉桂油及其成分进行研究分析。

1.1 肉桂油中的化学成分

张小飞等[4]利用水蒸气蒸馏法提取四川产肉桂挥发油,采用气相色谱-质谱(GC-MS)分析了其中的化学成分,并从其中鉴定出了21种挥发油成分,其中的主要成分为桂皮醛,占比大约72.54%,其余成分包括蒎烯、邻甲氧基肉桂醛和荜澄茄烯等,除以上成分外还有15种含量不足1%的成分,在总成分中占比为6.37%。董岩等[5]的实验中鉴定出了35种化学成分,占挥发油相对含量的96%以上。邱琴等[6]从福建宁德产肉桂和云南文山县产肉桂挥发油中鉴定出含量最高的组分均为反式-肉桂醛,前者占76.13%,后者占71.65%。还有其他含量较高的成分,如顺式-肉桂醛(福建2.01%,云南1.38%),肉桂醇(福建0.52%,云南1.72%),邻甲氧基肉桂醛(福建2.06%,云南2.17%),苯甲醛(福建0.76%,云南1.02%)等。

1.2 肉桂油的提取

1.2.1 水蒸气蒸馏法提取 将肉桂药材粉碎后置于挥发油提取器进行提取,提取至油量不再增加之后收集所得的肉桂挥发油通过无水硫酸钠脱水处理,得到肉桂挥发油样品[4]。

1.2.2 超临界CO2萃取法 将肉桂药材粉碎后放入萃取釜中进行萃取,萃取完毕后,用无水硫酸钠脱水,得到肉桂挥发油[7]。超临界CO2萃取(SFE-CO2)分离技术是目前挥发油提取领域颇具前景的一种提取技术,该法的原理是物质在一定温度和压力下,脂溶性物质会从物质中分离出[8]。

1.3 肉桂油成分检测

采用水蒸气蒸馏法或超临界CO2萃取法从肉桂中提取出肉桂油后,需要对其进行化学成分分析,这样可以更清晰地了解肉桂油中的各成分以及各成分的含量,为肉桂精油在食品药品中的应用提供依据。

目前对于从肉桂提取出的肉桂油的化学成分检测主要有气相色谱法、高效液相色谱法、气相色谱质谱法等方法[9-11]。而目前在实验室中最常见且最为方便的方法就是运用气相色谱质谱仪进行气相色谱质谱联用法,也就是GC-MS分析法。其中色谱条件分为GC条件和MS条件,包括色谱柱的相关数据、升温程序、进样方法、监测模式、气流量、温度等数据。质谱条件包括电离源的选择、能量的设定、温度与载气的预选、扫描方式等。不同GC条件与MS条件分析肉桂成分的情况见表1。

表1 肉桂成分分析GC-MS条件对比

利用气相色谱-质谱联用仪,用计算机NIST谱库检索肉桂中各组分的质谱数据,就可以对各组分进行鉴定;使用NIST02标准质谱图库检索,用峰面积归一化法可以计算各成分含量。当然不同产地、不同采收方法获得的肉桂中各成分含量不同。

2 肉桂的药理作用

2.1 抗肿瘤作用

肉桂中的多种成分都对肿瘤细胞有抑制作用,加快癌细胞凋亡。曾琼瑶等[15]将不同浓度的肉桂醛加入培养基与结肠癌细胞一起培养,实验结果表明肉桂中的肉桂醛能明显抑制结肠癌细胞的增殖并且诱导肠癌细胞凋亡,培养基上结肠癌菌落数减少,且随着培养时间延长、肉桂醛用量增加,结肠癌细胞增殖速度明显下降。肉桂多酚能通过阻断细胞周期进程、诱导肿瘤细胞凋亡等方式消灭肿瘤细胞。SCHOENE N W等[16]发现肉桂总多酚对抑制急性淋巴性白血病细胞增殖有很好效果。ASSADOLLAHI V等[17]主要是以Schoene NW的研究为基础,通过进一步研究发现肉桂多酚能抑制HL-60细胞系的增殖,细胞周期止于G1期。GWANG HUN PARK等[18]发现肉桂嫩枝水提物可下调βcatenin和TCF4的表达,下调Cyclind1mRNA的表达,抑制Wnt的活化,从而抑制Cyclind1的转录来抑制直肠癌细胞增殖;另外,可能通过ROS依赖的NF-κB和ATF3激活诱导直肠癌细胞凋亡。HSING-CHEN Wu等[19]发现肉桂提取物(60μg/m L)通过抑制基质金属蛋白酶(MMP)-2和尿激酶型纤溶酶原激活剂(u-PA)抑制肺腺癌A549和H1299细胞的运动、侵袭和迁移;通过FAK-to-ERK1/2途径抑制U-PA/MMP-2,显示出抗肺腺癌A549和H1299细胞转移的活性。SOUMYA J KOPPIKAR等[20]发现肉桂改变宫颈癌细胞系SiHa细胞的生长动力学呈剂量依赖性。与对照细胞相比,经肉桂水提物处理的细胞集落数减少,MMP-2表达下调,Her-2癌蛋白表达显著降低,通过增加细胞内钙信号以及线粒体膜电位的下降来诱导宫颈癌细胞凋亡。LI JIE等[21]研究发现肉桂醛通过抑制PI3K/Akt信号通路影响大肠癌细胞的生物学行为并诱导细胞凋亡。

2.2 抗菌作用

肉桂的多种成分都有抗菌作用,如肉桂中提取出的肉桂油、肉桂酸、肉桂醛等物质。南洋等[22]发现肉桂中的乙醇提取物对肉制品中的细菌有很好抑制作用。同时肉桂酸经酯化后能够抵抗多种细菌,如大肠杆菌和白地霉能被肉桂酸蔗糖酯抑制,降低其活性甚至导致其死亡[23]。以肉桂酸为原料制成肉桂酸薄荷酯,对6种细菌进行处理,发现对大肠杆菌的抑制能力最强,其最小抑菌浓度(MIC)为1.17μg/m L,对金黄葡萄球菌的抑制能力较弱(MIC=18.85μg/m L)[24]。将肉桂中的某些成分与其他物质联合使用时也能达到良好的抑菌效果,有研究团队发现丁香和肉桂精油一起使用时,其对大肠杆菌、黑曲霉、青霉等都有着很好的抑制作用[25]。KATARZYNA GUCWA等[26]发现肉桂精油对183株白色念珠菌和76株光滑念珠菌都表现出不同程度的抑菌和杀菌活性,最小抑制浓度在0.002%~0.125%(v/v)之间,其作用机制为影响细胞膜钾离子流出,抑制酵母向菌丝体的转化。NATHALIE GAEBLER等[27]发现肉桂精油对产气荚膜菌有较好的抑菌作用,最低抑制浓度为17.57μg/m L。

2.3 调节神经系统

肉桂对神经系统具有调节作用,能治疗一些神经系统性疾病,如帕金森、阿尔斯海默症、慢性脑缺血等疾病。在水迷宫实验中,体内被注入肉桂的阿尔斯海默症小鼠的记忆力更好,在水迷宫中能取得较好成绩,表明肉桂能明显改善小鼠的记忆力。随后对小鼠进行电生理刺激实验,经肉桂粉灌肠的小鼠海马CA1区群体锋电位(Population spike,PS)值明显提高,说明肉桂能提高大脑海马体突触间的信息传递能力,提高小鼠学习和记忆功能,有治疗阿尔斯海默症的作用[28]。

2.4 降血糖

肉桂多酚通过激活胰岛细胞的AKT通路,促进胰岛素分泌,降低血糖含量。廖作庄等[29]将链脲佐菌素(Streptozotocin,STZ)注入小鼠体内,小鼠的血糖含量明显高于正常含量,再用不同浓度的肉桂多酚对小鼠进行14天的灌胃处理,检测发现小鼠血清中的胰岛素含量下降,但胰高血糖素的含量则增加,小鼠血糖(FBZ)浓度降低。同时在肉桂多酚能的作用下,胰岛β细胞的阳性细胞数量增加,细胞的AKT信号通路被激活,能分泌更多胰岛素,促进糖原合成,最终降低血糖含量。KOFFI KOUAME等[30]采用链脲佐菌素(STZ,60mg/kg)腹腔注射诱导SD大鼠,研究了肉桂银纳米粒的降糖活性及对2型糖尿病大鼠肾脏的影响,结果发现,肉桂银纳米粒具有明显的降糖活性,并在糖尿病引起的肾脏损伤中具有再生作用。ASHLEY N HOEHN等[31]对18名2型糖尿病患者(9名女性和9名男性)做了为期12周的试验,其中首先3周对照,接着9周实验,其中一半的受试者服用1 000 mg肉桂,另一半则服用1 000 mg安慰剂。结果肉桂组所有受试者的血糖水平均有下降,与口服糖尿病药物相当。

2.5 降血脂

FAHADAH NAEEF等[32]评估了肉桂对大白鼠体质量增加、食物摄入和血脂的影响,研究发现肉桂提取物粉4μg/kg的剂量给药30天后使高胆固醇成年雄性大鼠最终体质量下降4.4%,摄食量下降1.7%,食物利用率下降22.38%,血清总胆固醇下降31.22%,甘油三酯下降24.05%,低密度脂蛋白胆固醇下降43.49%,血清总胆固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)水平在第30天显著降低。这一发现为肉桂治疗高脂血症提供了依据。

2.6 降尿酸

YOUNG-SIL LEE等[33-34]发现野菊花和肉桂皮提取物的混合物可通过抑制黄嘌呤氧化酶活性和增加尿液排泄来改善高尿酸血症;该混合物及其主要成分绿原酸、3,4-二咖啡酰奎宁酸(异绿原酸)、香豆素、肉桂醛、反式肉桂酸和邻甲氧基肉桂醛在体外抑制黄嘌呤氧化酶(XOD)的活性。

2.7 保护心血管

郝霁萍等[35]在探究肉桂酸预处理对大鼠缺血再灌注损伤心肌的影响及其可能机制的过程中发现肉桂酸预处理能减少大鼠心肌缺血再灌注损伤,发挥心肌保护作用。黄亚婷等[2]通过实验发现肉桂在预防静脉和动脉血栓方面发挥作用,其机制可能是肉桂中的某些成分能够抑制二磷酸腺苷诱导的血小板聚集。

2.8 抗炎

JUNG-CHUN LIAO等[36]采用脂多糖(LPS)刺激小鼠巨噬细胞(RAW264.7)和角叉菜胶(Carr)诱导的小鼠足肿胀模型,研究了肉桂成分(肉桂醛、肉桂醇、肉桂酸和香豆素)的抗炎作用,发现肉桂醛可显著抑制RAW264.7巨噬细胞中NO、TNF-α和PGE2的产生。肉桂醛能减轻Carr所致的足跖水肿,提高足跖组织中过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)的活性;能降低足肿胀小鼠中的丙二醛(MDA)水平和髓过氧化物酶(MPO)活性与血清中NO、TNF-α和PGE2水平。HIMANSHU SHARMA等[37]研究发现肉桂水醇提取物治疗可显著降低CFA诱导的关节炎大鼠的关节肿胀度以及IL-1β和TNF-α水 平(P<0.01)。CHINJARERNPAN PANNEE等[38]比较了肉桂叶油和肉桂醛对脂多糖(LPS)激活的J774A.1细胞的作用。两种油在1~20μg/mL时均能显著抑制LPS激活的J774A.1细胞产生NO,其同样抑制促炎细胞因子和趋化因子的mRNA表达。这些介质包括LPS激活细 胞 中 的TNF-α、IL-1β、IL-6、MCP1和MIP 1α。其还可显著降低诱导酶诱导型一氧化氮合酶、环氧合酶-2的表达,还能增加抗炎细胞因子IL-10和转化生长因子-β的产生。

2.9 抗氧化

CHENG-HONG YANG等[39]以肉桂为原料,采用乙醇和超临界流体萃取(SFE)方法,研究了肉桂不同部位(皮、芽、叶)的抗氧化活性。DPPH清除试验中SFE和乙醇提取物的IC50值分别为0.562~10.090 mg/mL和0.072~0.208mg/m L,Trolox当量抗氧化能力(TEAC)值分别为6.789~58.335 mmol Trolox/g和133.039~335.779 mmol Trolox/g。肉桂皮乙醇抗氧化活性强于超临界流体萃取物,证明肉桂可作为天然抗氧化物质。

2.10 抗酪氨酸酶活性

CHEN-TIEN CHANG等[40]评价了肉桂精油及其主要成分对蘑菇酪氨酸酶的抑制活性,发现肉桂精油和肉桂醛具有抗酪氨酸酶活性,IC50分别为(6.16±0.04)mg/m L和(4.04±0.08)mg/m L;而顺-2-甲氧基肉桂酸没有显示任何抗酪氨酸酶活性。可见肉桂精油及其主要成分肉桂醛具有较强的抗酪氨酸酶活性,可作为皮肤美白剂的良好来源。

2.11 其他作用

徐泽曦等[41]先用白酒或水给予小鼠灌胃,再用肉桂多酚进行灌胃进行对照试验,发现肉桂多酚处理过的小鼠肝组织受到的损伤较轻,作用机制是肉桂多酚能提高小鼠肝组织的抗氧化能力,可以降低酒精造成的肝组织脂质的氧化造成的损伤,证明肉桂多酚有治疗急性酒精肝的作用。肉桂油对免疫系统有一定的抑制作用,小鼠静脉注入肉桂油后,经检测小鼠血清中免疫球蛋白lg M、lgG的含量降低,机体对病毒的抵抗能力下降,血清中还发现C3、C4的含量有所提高,这是生物体对肉桂油刺激做出的反应,证明生物体的免疫调节作用并没有完全被抑制[42]。SUMANTA KUMAR GOSWAMI等[43]研究发现治疗量的肉桂能显著增强老年大鼠的性欲和勃起功能,提高大鼠阴茎组织中平滑肌水平,从而改善老年大鼠性功能。

3 结语

近年来随着科学技术的发展,国内外学者对肉桂进行了深入研究,肉桂的有效成分提取技术比较成熟,临床应用比较广泛。现在一般用水蒸气蒸馏法和超临界CO2萃取法从肉桂中提取肉桂油,用气相色谱质谱法分析检测化学成分,发现肉桂挥发油的主要成分有肉桂醛、肉桂醇、反式肉桂酸等。

中国地大物博,资源丰富,能够药用的资源也有较大的开发空间。近年来随着国家经济逐步发展,人们对生活质量以及医疗用药的要求越来越高。本次研究的肉桂疗效丰富,研究表明肉桂有抗肿瘤作用、抗菌作用、抗炎、抗氧化、抗酪氨酸酶、降糖、降脂、降尿酸等多种药理作用,可治疗多种疾病,具有多种用途。今后的研究中,可加强肉桂产品的开发,特别是肉桂精油在消毒、美白、保鲜等领域的产品开发与利用;另外,从作用机制上,还可以对肉桂的主要成分在相关作用机制方面进行深入研究,为肉桂的临床应用提供更多依据。