花椒挥发油的生物活性及提取方法研究进展

李潮俊 ，何鑫柱 ，陈 凯 ，康 明 ， 梁晓峰

（1. 西南科技大学材料科学与工程学院，四川 绵阳 621010；2. 四川中医药高等专科学校川西北中药材资源研究与开发利用实验室，四川 绵阳 621010）

花椒 （Zanthoxylum bungeanum Maxim） 是芸香科花椒属植物，通常包括花椒及花椒原变种、野花椒、川陕花椒、竹叶花椒、青花椒5 种[1]。花椒具有药食两用性，《中华人民共和国药典（2020 版）》记录花椒具有温中镇痛、杀虫止痒的功效，可以用于腹部疼痛、呕吐、泄泻、湿疹和阴痒等疾病[2]。

花椒果皮中主要包含挥发油、黄酮类、生物碱和脂肪酸等不同的活性成分[3]。其中，挥发油是小花椒中提取出的具有挥发性的含香物质，是花椒香气和特殊风味的主要来源和判断花椒品质好坏的重要依据[4]。研究花椒果皮中挥发油的提取方法，从而提高挥发油提取率，对于开发花椒生物医药价值，提升花椒附加值具有实际意义。从成分、生物活性、提取方法等角度综述了近年来花椒挥发油研究的主要进展。

1 花椒挥发油的化学成分

对花椒挥发油化学成分深入研究可为揭示中药材花椒的传统功效和开发其新用途提供物质基础。研究表明，花椒挥发油的含量为0.7%～9.0%，其中包含有醇、酮、醛、烯烃和酯类等多种化合物[5-6]。品种[7]、产地[8]、采摘时间[9]、贮藏年份[10]、花椒的加工炮制方法[11]都会对花椒挥发油的成分及含量造成影响。

蒲凤琳等人[7]使用水蒸气蒸馏法萃取出青、红花椒果皮挥发油进行成分分析，经GC-MS 鉴定，2 种花椒挥发油的主要成分均为柠檬烯、芳樟醇、月桂烯、乙酸芳樟酯、β - 罗勒烯等物质，在2 种挥发油中芳樟醇的含量都最高。丁雄等人[8]提取5 种不同产地花椒果皮的挥发油，其中有9 个相同的组分，分别是桧烯、月桂烯、异松油烯、反式罗勒烯、萜品烯、芳樟醇、4- 萜烯醇、α - 松油醇、乙酸香叶酯。

李佩洪等人[9]通过GC-MS 联用技术连续测定不同成熟度的青花椒挥发油的含量及其成分，共鉴别出29 种化合物，其中醇类、烯烃和烷烃类的含量较高，共占青花椒挥发油总量的90%以上。研究还指出，挥发油中不同成分的百分比含量随着青花椒的成熟度不同而变化，如芳樟醇的含量随青花椒成熟度的增加而增加，D- 柠檬烯的含量随青花椒成熟度的增加而减少，还有一些物质含量无明显变化。

袁源等人[10]采用气相色谱- 质谱联用法（GCMS） 分析了宜昌花椒3 年贮藏过程中挥发性有机物的变化。结果表明，随着贮藏时间的增加，花椒挥发油含量显著性下降。其中，以柠檬烯为代表的单环单萜与以芳樟醇为代表的单环萜醇在内的13 种成分贮藏越久含量越少，表现花椒香气减弱、辛辣清凉口感下降；以β - 月桂烯为代表的链状单萜与酯类在内的12 种成分贮藏越久，含量增加，表现花果香和柑橘味增加；以δ - 杜松烯为代表的酚醚与倍半萜类等4 种高沸点成分在贮藏中稳定，表现木香和草本香气稳定。

张国琳等人[12]检测不同粒度的青花椒中挥发油含量，并利用GC－MS 对提取的挥发油进行成分分析。结果表明与整粒相比，10 目左右的粗粉对挥发油含量影响较小，但有利于香气成分的提取，而80 目粒度花椒粉的挥发油损失34%左右，主要在于烯醇类的损失。

2 花椒挥发油的生物活性

花椒挥发油中的多种化学成分使其具有多样的生物活性，在药物开发方面有着较大的潜力。

2.1 抗炎镇痛

韦琳等人[13]通过小鼠体内试验对花椒的抗炎镇痛进行药效学验证，表明花椒挥发油部位提取物具有抗炎、镇痛的作用。龚普阳等人[14]探究竹叶花椒挥发油抗炎镇痛的作用机制，借助中药系统药理学数据库分析平台（TCMSP） 和多种数据库收集活性成分的对应靶点，结果表明竹叶椒挥发油中的活性成分发挥抗炎镇痛作用的过程是基于多靶点、多通路的。Zhang Zecai 等人[15]研究了花椒精油 （ZBEO） 对由葡聚糖硫酸钠（DSS） 引起的小鼠试验性结肠炎的保护作用及其机理，结果表明花椒精油降低了DSS 导致的体重减轻、疾病活动指数（DAI）、结肠长度缩短、结肠病理损伤和髓过氧化物酶（MPO） 活性，花椒精油显著减轻了促炎介质的产生，进一步的机制分析表明，ZBEO 通过调节 NF-κB 和 PPARγ 通路抑制炎症。

2.2 抑菌

李毛加等人[16]发现不同产地竹叶椒挥发油对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等细菌具有抑制作用，采用灰色关联分析，结果表明柠檬烯与金黄色葡萄球菌有较高关联度值，芳樟醇、侧伯酮与大肠杆菌、须鲜毛癣菌和红色毛癣菌有较高关联度值。脱聪聪等人[17]研究了陇南大红袍花椒挥发油的抑菌性，发现其对破伤风杆菌、大肠杆菌、荧光单胞杆菌、金黄色葡萄球菌这4 种细菌均能起到抑制作用。Hong Lei等人[18]研究了花椒精油对大肠杆菌在体内外的抑菌性，体外试验表明花椒精油对大肠杆菌具有良好的抑制作用，体内试验表明花椒精油同时也能很好地抑制大肠杆菌感染引起的肠炎和肠道功能障碍。

2.3 杀虫

寇芸芸[19]使用三角瓶密闭熏蒸的方法探究花椒挥发油对赤拟谷盗、白纹伊蚊的熏蒸、趋避活性，研究显示花椒挥发油对白纹伊蚊和赤拟谷盗具有一定的熏杀、趋避活性，其中对赤拟谷盗最高趋避率达到93.617%。束成杰等人[20]探究了青花椒精油防治松材线虫的作用，结果表明青花椒精油对松材线虫具有显著的防治作用，0.025%青花椒精油处理4 h，松材线虫可达到半数致死。

2.4 抗氧化性

梁美融等人[21]使用DPPH 自由基和ABTS 自由基清除试验证明了花椒精油具有较强的抗氧化活性，同时进行的还原力测定试验也表明花椒精油具有较好还原能力，且还原能力随浓度的增加而增强。杜兵兵[22]以维C 为对照组评价花椒挥发油的抗氧化能力，结果表明花椒挥发油对DPPH 自由基有一定的清除能力，但清除能力低于维C。魏姜勉[23]提取花椒籽种挥发油并对其进行体外抗氧化活性研究，结果表明花椒籽挥发油具有较强的体外抗氧化性。罗爱国等人[24]采用DPPH 自由基和超氧自由基清除试验测定花椒叶挥发油的抗氧化能力，结果表明花椒叶挥发油对两者的清除率大于维C，说明花椒叶挥发油抗氧化能力较强。

2.5 其他

Wei Daneng 等人[25]发现花椒挥发油对慢性不可预测的压力诱发焦虑行为表现出改善作用，可能是通过抑制下丘脑- 垂体- 肾上腺轴的激活和恢复肠道菌群的失调，从而改善压力诱发的菌群- 肠- 脑异常轴。Zhao Meihuan 等人[26]研究证明了花椒挥发油提取物可以通过激活磷酸肌醇3- 激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)/Nrf2 增强抑制细胞凋亡和氧化应激的能力，从而缓解D- 半乳糖诱导的衰老小鼠模型的认知功能障碍和神经缺陷。Wang Zefu 等人[27]研究发现一定浓度的花椒精油能降低丙二醛对兔肉肌原纤维蛋白的氧化损伤，添加花椒精油还可以延缓脂质氧化诱导期，延长微生物生长滞后时间，表明花椒精油是一种很有前途的天然添加剂，用于食品保鲜[28]。此外，花椒挥发油还具有抗肿瘤[29]、局部麻醉[30]、经皮促透[31]等多种功效。

3 花椒挥发油提取方法

花椒挥发油的良好生物活性，使其在生物医药研发方面具有潜在的应用前景。近年来，如何提取质量高且得率多的挥发油受到科研人员的关注。依据文献报道，提取挥发油的主要方法有水蒸气蒸馏法、溶剂提取法、超临界CO2萃取法、微波辅助提取法、超声波辅助提取法等[32-33]。

3.1 水蒸气蒸馏法

水蒸气蒸馏法是将物质与水进行共蒸馏，使得物质中挥发性成分随水蒸气共同蒸馏出来，再采用冷凝的方式收集，该方法适用于具有挥发性、热稳定且不溶于水的植物活性成分提取[32]。水蒸气蒸馏法设备、操作等较为简单，成本低，适合大规模生产。但蒸馏出挥发油得率低、时间长。影响该方法的主要因素有料液比、蒸馏时间、蒸馏温度、浸泡时间等[34]。针对传统水蒸气蒸馏方法的不足，也可以使用不同的方法对其进行改进，如通过超声、微波等辅助手段，可以加快提取时间，增加提取率[35]。

哈立洋等人[36]通过超声辅助水蒸气蒸馏法，采用单因素试验和响应面法，得出优化条件后的提取率达到4.21%，最佳工艺为超声时间40 min，蒸馏时间90 min，料液比1∶20。史芳芳等人[37]探究了微波辅助蒸馏法提取挥发油的工艺条件，采用正交试验结合单因素试验进行优化，得到最佳提取工艺为提取时间50 min，微波功率600 W，料液比1∶12（g∶mL），微波温度90 ℃。最佳条件下挥发油提取率达到2.65%；从时间成本上，提取效率比单纯采用水蒸气蒸馏法大幅度提高。

3.2 溶剂浸取法

溶剂提取法是利用花椒挥发油在特定溶剂中溶解度的不同，使其分离提取出来的一种方法。根据需求可采用冷浸、热浸、连续回流提取等方式。常用花椒挥发油的溶剂有乙醇、乙醚、丙酮、石油醚、二氯甲烷等。采用不同方法和溶剂提取挥发油的得率及成分略有不同[38]，一般溶剂提取法的得率略高于水蒸气提取法，但是溶剂提取法得到的挥发油中会有残留溶剂和杂质，使得挥发油品质不高，需要进一步提纯，且使用有机溶剂提取还会有废液回收、环境污染等一系列问题。

黄志远等人[39]结合单因素试验和响应面分析，选用微波辅助提取法，探究提取花椒挥发油的最佳工艺。根据得到的各个参数影响度大小顺序，优化提取工艺为提取温度60 ℃，料液比1∶10.3，微波时间6 min，微波功率502 W，该工艺下挥发油提取率可达8.01%，与预测值7.96%相近。研究人员采用超声波辅助法，在单因素试验基础上，进行Boxbehnken 响应面分析试验，对花椒籽挥发油提取工艺进行优化，最终确定在料液比1∶26（mg∶mL），超声功率166 W，超声时间13 min 的条件下，花椒籽挥发油得率可达3.29%。

3.3 超临界CO2 萃取法

超临界CO2萃取（SFE） 利用CO2在超临界状态下同时具有气体和液体的双重性质，对植物体内活性成分具有极大的溶解能力，并利用超临界流体溶解能力对温度、压力的敏感性，配合夹带剂，调节三者将活性成分有选择性依次萃取出来，CO2由于其自身无毒无害、安全廉价等优点，常被作为超临界流体[40]。超临界CO2提取法利用超临界状态下的CO2对植物精油的特殊溶解性来进行萃取。相对而言，超临界CO2提取花椒挥发油的得率最高，用时短、自动化程度高、绿色环保，但该方法所需设备昂贵、能耗高、提取成本大、不易推广。

刘琳琪等人[41]通过响应面优化法得到超临界CO2法萃取花椒挥发油的最优提取工艺为温度42 ℃，压力30 MPa，提取时间180 min，最终挥发油得率为12.70%。王洪等人[42]采用二氧化碳超临界流体萃取花椒中的花椒精油，得到最佳的提取工艺为萃取温度46 ℃，萃取压力22 MPa，萃取时间120 min，经验证其提取率为13.7%。

3.4 其他提取方法

龙圆圆等人[43]采用同时蒸馏萃取法，在单因素试验基础上结合Box-behnken 响应面法优化提取工艺，选择提取时间、乙醚量、粉碎粒度等作为影响因素，以挥发油得率为指标，探究挥发油提取条件，最终在使用80 目粒度花椒，注水5.5 倍，加入41 mL 乙醚的条件下反应3.5 h，得到挥发油为3.59%，与预测值3.61%接近。

钟炼军等人[44]通过单因素试验和正交试验对亚临界提取技术提取花椒精油的工艺条件进行了优化，以添加4%～6%乙醇的亚临界丁烷为溶剂，在提取温度为40 ℃，提取时间为40 min，提取次数为4 次的条件下，花椒精油的得率为11.96%～12.68%。

Zhang 等人[45]采用表面活性剂辅助酶水解法提取花椒中挥发性成分，通过正交试验和单因素试验优化的提取条件为纤维素酶、中性蛋白酶和表面活性剂（硬脂酰乳酸钙） 的添加量分别为0.5%，0.3%，0.7%（W/W），料液比为1∶6（g∶mL），酶解温度为45 ℃，酶解时间3 h，粒度小于60 目提取的柠檬烯、芳樟醇和烷基酰胺的含量分别由1.02%提高到7.51%，由16.50%提高到48.39%，由27.40%提高到37.74%。

4 结语

目前，花椒的主要用途还是作为调味品，产品类型单一；食用消费增加赶不上花椒产量的增加，容易出现供大于求现象；拓展花椒在食品、日化、药品、生物制剂等领域的利用途径是花椒科技发展的内在要求。挥发油作为花椒果皮中的主要成分之一，含有多种活性成分，可广泛应用于食品、医药、化妆品等众多行业。

未来对花椒挥发油的研究，一是要充分利用现代分析测试技术解析挥发油化学成分及其分子结构，为其生物活性研究提供理论基础；二是要充分利用现代分离技术，建立挥发油高效提取方法，同时探究挥发油成分变化的影响因素及其与花椒加工工艺之间的关系，为花椒挥发油工业化提取提供技术基础；三是多学科交叉探究花椒挥发油生物活性的功能性成分及功能机制，为花椒挥发油生物医药应用及新产品开发提供依据。