我国药用植物种子油研究进展

廖 阳, 闫荣玲, 黄国文, 李昌珠

(湖南科技学院化学与生物工程学院1,永州 425199)

(湘南优势植物资源综合利用湖南省重点实验室2,永州 425199)

(湖南省林业科学院,省部共建木本油料资源利用国家重点实验室3,长沙 410007)

我国植物资源种类丰富,且随经纬度高低、海拔高度、地形地貌、气候因子的变化而呈现出显著的表观形态、组织结构、功能成分、生殖方式的多样性。据不完全统计,全世界可作为药用或者药物原料的植物有50 000～70 000种,我国共有药用植物383科2 309属11 146种[1]。这些药用植物的根、茎、叶、花、果实、种子中的1种或多种器官中含有酚类、糖类、萜类、皂苷、黄酮、精油、生物碱、维生素、苯丙烷类等活性成分,对止血、止泻、杀菌、镇痛、降血压、降血糖等有促进作用,人们通常直接或经炮制后利用其进行疾病治疗[2,3]。

人类对植物油脂的需求量随着人口增加以及工业化进程的不断推进呈不断增加趋势,油茶、橄榄、油菜、花生等传统植物油脂已不能满足世界经济社会发展的需要。因此,近年来各国均结合自身实际积极开展新型植物油脂资源的挖掘,我国已批准元宝枫籽油、牡丹籽油、光皮树果油、星油藤油等作为新型植物油脂资源,这些举措促进了相关油料作物产区农民增收,也对我国油料资源安全保障起到了积极作用。然而,我国油脂资源安全形势并不乐观,因此各地因地而异、因地制宜地筛选更多可用于食品、化工、医药、能源等领域的新型植物油脂资源具有重要战略意义。随着传统中医等药用植物资源在实现乡村振兴、农民增产增收以及国民健康保驾护航等方面发挥着越来越重要的作用,因此其产业化越来越得到各级政府的重视,部分药用植物品种实现了规模化人工栽培。药用植物种子富含油脂及其他营养成分,表现出显著的开发潜质,对其种子油进行提取和应用是增加药用植物经济价值、延长产业链的重要举措。文章从药用植物种子油的提取方法、脂肪酸成分、微量营养、生物活性、应用领域等方面对近年来我国学者在药用植物种子油领域已开展的工作和取得的成果进行了系统综述,以期为进一步推进我国药用植物种子油的基础研究与综合利用提供参考。

1 已获种子油药用植物概况

目前已被报道提取得到种子油的药用植物有40余种,其中木本植物约25种,草本植物约16种(表1)。这些药用植物分属不同科属,具有不同的形态特征,表现出多样化的药用功能和药用部位;分布范围上,其中一部分广泛分布于我国全境或大多数省份,另一些种类则分布范围小从而表现出显著地方特色。

表1 已提取得到种子油的药用植物概况

提取得率是决定药用植物种子油能否进行产业化开发的重要前提。由表1可知,药用植物种子油提取得率总体可观,但不同药用植物种子的提取得率差异显著,变化范围为6.20%～71.00%,提取得率超过20%的有薄荷、大戟、五味子、厚朴、垂序商陆、三叶木通、绞股蓝、番木瓜、杜仲、黑种草子、假奓包叶、马桑、猫儿屎、双边栝楼、香叶树、红松、杭芍、白木香、奇可力、黄檗等20种,其中三叶木通、绞股蓝、黑种草子、双边栝楼、香叶树、白木香、奇可力、红松的种子油提取得率甚至超过了40%。良好的提取得率为我国药用植物种子油脂资源的开发利用提供了良好条件。

2 药用植物种子油提取方法

与其他植物种子油提取方法类似,总体来说植物种子油的提取方法分为溶剂萃取法和机械压榨法2类,溶剂萃取法还根据其所用到的设备而细分为索式提取、常温浸提等方法。索式提取、常温浸提、机械压榨作为植物种子油的传统提取方法,往往存在诸如不利于工业化生产(如索式提取法主要用于实验室进行种子油脂的抽提和测定)以及提取得率低等不足,近年来人们积极探索利用微波和超声辅助等来提高种子油的提取得率,通过优化超临界CO2萃取工艺来实现规模化生产。

不同提取方法的主要工艺参数影响着种子油的最终提取得率。以机械压榨法为例,其物料粒度、水分、温度、含油量等影响榨料弹塑性和榨油效果的榨料性状和系列性质指标就会显著影响到种子油的得率。表2列出了常用药用植物种子油提取方法的主要工艺参数。由于不同药用植物种子的组织结构、油脂含量、脂肪酸组成等存在差异,因此即使采用同一种提取方法提取不同药用种子油,其最优工艺参数也可能差异显著,在实际应用中需根据不同药用植物种子的特点选取合适的提取方法和摸索最佳提取工艺。另一方面,不同提取方法均有各自优缺点,有些方法提取得率高、时间短,但可能存在杂质多、易导致目标产物氧化或结构破坏等;有些提取方法的选择性强、对目标产物的破坏少,但提取不充分。

表2 药用植物种子油常用提取方法及主要工艺参数与优缺点

3 药用植物种子油脂肪酸成分

通过GC-MS等方法测试脂肪酸成分及其相对含量,药用植物种子油的脂肪酸成分多的可超20种,少的则不足10种。表3汇总了已有报道各类药用植物种子油主要脂肪酸成分及相对含量,软脂酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸普遍存在于各类药用植物种子油中;同一脂肪酸在不同种子油的相对含量差异明显,如亚油酸在大叶紫薇的种子油中相对质量分数高达74.57%,而在垂序商陆中的相对质量分数仅为1.05%。

表3 药用植物种子油中常见脂肪酸及相对质量分数/%

如表4所示,部分药用植物种子油中存在一些特殊脂肪酸,如微孔草的神经酸、香榧的金松酸、红松种子油中的皮诺敛酸、恬楼的石榴酸等,这些特殊脂肪酸的存在增加了药用植物种子油的自身特色和潜在的开发价值[30, 31, 35, 47]。值得注意的是,采用不同方法对同一种药用植物种子油的提取,其提取得率及脂肪酸成分可能存在差异,这可能与不同提取方法对细胞的破坏程度以及提取溶剂对细胞内油脂的抽提程度差异明显有关[14, 16]。有学者还以紫苏为研究对象,分析了药用植物种子的籽粒重、籽粒直径与含油率的相关性,并发现籽粒重与含油率呈显著正相关,亚麻酸含量与籽粒直径和千粒重间呈显著负相关,油酸含量与千粒重间呈显著正相关,亚麻酸与亚油酸含量间呈极显著负相关,这些相关性的发现为药用植物种子油产量及品质的预测提供依据[48]。

表4 药用植物种子油所含特殊脂肪酸及质量分数/%

4 药用植物种子油脂肪酸随成熟过程的动态变化

药用植物种子在发育成熟过程中,形态、大小、颜色及组织结构均会发生显著改变,种子中的油脂总量、各脂肪酸组分相对含量、总不饱和脂肪酸含量等在这一过程中也均呈现明显的动态变化。研究发现,红松种子的含油率随成熟度的增加呈现出先增加,9月初达峰值后又逐渐降低的趋势,且在发育和成熟过程中油酸和亚油酸含量持续增加[35]。同步比较沙棘果肉和种子二者所含油脂的脂肪酸成分发现,发育初期二者各脂肪酸含量之间差异很小,但随着果实及种子发育进程的推进,果肉油脂中16碳的软脂酸(棕榈酸)和棕榈油酸含量快速增加,而18碳的亚油酸和亚麻酸含量逐渐下降,这与种子油脂所含的4种脂肪酸含量的变化趋势正好相反;研究还发现果实颜色发生急剧变化期间正好是油脂和脂肪酸合成、积累和分配的关键时期[36]。药用种子发育成熟的整个过程中,外界环境因子对最终含油率以及各类脂肪酸成分的含量均有显著影响,如温度越低的地区所产紫苏种子内的亚麻酸含量越高,而越温暖地区杜仲种子油亚麻酸含量越高[18]。这些研究成果为人们科学选择药用植物种子的采收期,以及探究脂肪酸在种子内、外组织的合成、积累与分配机制,弄清外界环境因子对种子油合成的影响等具有重要意义。

5 药用植物种子油中的微量营养组分

各类脂肪酸是植物油脂的主要成分,也是衡量油脂品质的核心指标,但植物油脂中一些含量不高但具有独特生物学活性的营养成分,也是衡量其综合品质的重要指标,这些活性物质包括角鲨烯、甾醇、维生素E、多酚、类胡萝卜素等,它们赋予了植物油脂某种特殊口感或味觉体验,以及抗氧化、抗肿瘤、降低胆固醇、提高免疫力等特殊生物学活性。表5列出了部分药用植物种子油种所含有的活性成分情况,大部分药用植物种子油中均含有角鲨烯、甾醇、生育酚等活性成分,但不同药用植物由于各自生存的气候环境、海拔高度、遗传背景、代谢途径等差异,其种子油中所含活性成分也表现出品种特色,如沙棘种子油中就富含维生素E、维生素K、卜素、磷脂等,天冬种子油则含有角鲨烯、甾醇、维生素E、多酚、皂苷、氨基酸、微量元素等多样化的微量营养成分,这些微量生物活性物质能够促进机体代谢或者具有抗氧化、延缓衰老等功效,因而具有极为重要的医用价值。需指出的是,实质上绝大多数植物油脂中均含有磷脂、维生素E、甾醇等活性成分,这些成分被认为是各类植物油脂普遍存在的共有脂肪伴随物,因此药用植物种子油中也普遍存在这几类活性物质,但目前鲜有相关报道。

表5 部分药用植物种子油含有的活性物质

6 药用植物种子油理化性质

药用植物种子油中已有部分种子油的理化性质相关指标,如密度、折光值、酸值、皂化值、碘值等被测定和报道。由表6可知,不同药用植物种子油的理化性质差异显著,这与各种子油所含脂肪酸及其他活性成分的种类、含量、占比等密切相关。总体来看,药用植物种子油的理化性质表现良好,绞股蓝、薄荷等种子油还进行了急性毒性测试,未导致明显急性毒性现象的出现。部分药用植物种子油可能含有对人体有害的成分如垂序商陆种子油等,因此其在生物柴油等非食用领域的开发利用受到重点关注[11]。

表6 药用植物种子油理化性质

表7 药用植物种子油的多样化生物活性

7 药用植物种子油生物学活性

7.1 抑菌

既可调味又可入药的孜然种子油对油菜菌核病相关病原菌具有显著抑制作用,且抑菌活性与其所含有的特殊活性成分枯茗醛的含量呈正相关[52]。麻疯树种子油常被用作泻药和治疗各种皮肤病及缓解风湿病症,但其对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、藤黄八叠球菌等均具有明显的抑菌活性[53]。魏丹丹等[54]的研究发现,黄秋葵种子油可显著减少小鼠乙醇性胃溃疡的出血面积、溃疡程度,以及胃酸的游离酸度、总酸度等对急性胃溃疡小鼠起到良好的保护作用,产生的积极效应可能是多种途径共同作用的结果,但可能与其种子油具有一定的抑菌效应有关。

7.2 肠道调节

一些药用植物中含有共轭亚麻酸等脂肪酸,共轭亚麻酸在哺乳动物体内可以代谢形成已被人们证明可以调节肠道菌群的共轭亚油酸。有研究发现,不同剂量的绞股蓝种子油在没有导致小鼠体重、脏器结构与功能发生显著变化的基础上发挥了类似益生元的作用,即上调了小鼠肠道厚壁菌门的比例而降低了拟杆菌门的比例;尤其是高剂量种子油处理下,分泌可降低肠道炎症、修复肠道屏障作用丁酸盐的优杆菌属成为优势菌群;粪菌移植实验证明,绞股蓝种子油通过影响肠道菌群改善了糖尿病模型小鼠的相关症状[55]。

7.3 抗氧化

植物种子种子中含有许多具抗氧化活性的物质,如麻疯树种子提取物中就发现存在7-表-芝麻素-二儿茶酚、异巴西油大戟素等物质,这些物质在进行植物油脂提取时,可能从种子组织中析出进入最终提取得到的油脂中,从而赋予植物种子油不同程度的抗氧化特性[53]。桂花种子油在特定质量浓度范围内,对DPPH、APTS等自由基清除率呈逐渐增加趋势,针对2种自由基的半数抑制质量浓度为286.347、271. 963 mg/mL,强抗氧化能力有助于清除机体内的自由基,因此提高了药用植物种子油作为食用油的保健价值,也提高了其在延缓衰老相关美容产品,以及功能性食品开发等方面的潜能[38]。

7.4 神经保护

一些药用植物种子油有益于改善中枢神经系统功能、调节神经递质分泌、保护神经损伤等。有研究发现低剂量天冬种子油具有镇静作用[49];不饱和脂肪酸总质量分数达90%,且富含亚麻酸和亚油酸的牡丹籽油可显著提高转tau基因果蝇的攀爬能力,减少脑部病变空泡及神经纤维缠结,降低果蝇脑内cAMP水平,抑制AchE活性,从而提高果蝇学习记忆能力和改善认知功能障碍[56]。灯油藤种子油对H2O2及谷氨酸盐诱导损伤的神经细胞具有显著保护作用,且比灯油藤的甲醇和乙醇提取物效果更佳,这说明灯油藤种子油在缓解阿尔茨海默氏病、帕金森综合征等神经退行性疾病上具有良好的应用价值,除自由基清除效应外,可能还有其他未被阐明的多重作用机制在其中发挥着不可或缺的作用[57]。这些研究成果都说明,多种药用植物种子油进入动物体后,会对中枢神经系统产生不同程度的影响。

7.5 降血脂

临床观察发现,对老年人及患有高血脂及血清高胆固醇病人每日有规律地给予一定剂量的红花种子油,一段时间后发现有72%～74%个体的血脂及胆固醇有明显下降[58]。绞股蓝种子油可以降低总胆固醇,甘油三酯和低密度脂蛋白,增加高密度脂蛋白,通过激素水平的检测说明绞股蓝种子油可以升高血清中的激素如血清胰岛素、脂联素、瘦素的含量,同时绞股蓝种子油还可以降低血清游离脂肪酸水平[59]。除此之外,翅果种子油等也被证明具有降血脂等功效[60]。

7.6 抗肿瘤

许多植物含有可抑制肿瘤细胞增殖的活性物质,西兰花就是其中的典型代表,其由于含有丰富的异硫氰酸盐等活性成分,流行病学研究表明常食西兰花可预防多种癌症发生,其种子是异硫氰酸盐类物质含量最丰富的部位,提取得到的种子油可有效抑制Hela细胞、肝癌细胞的增殖[61]。红豆杉由于其内生真菌合成的紫杉醇具有良好的抗肿瘤作用,而成为一种重要的药用植物,研究发现,红豆杉的种子油也具有良好的肿瘤抑制功效,其对鼻咽癌细胞表现出很强的杀伤效应,因为红豆杉种子油的加入导致体外培养的人类鼻咽癌细胞发生形变并碎裂形成凋亡小体,且对肿瘤细胞增殖的抑制效应表现出浓度和作用时间依赖性[62]。

7.7 其他活性

香榧树种子油除表现出良好的抗氧化活性外,还被发现可有效抑制参与人体黑色素合成的酪氨酸酶活性,进而在具有美白作用化妆品的开发中表现出良好的应用价值[63]。

8 药用植物种子油的应用

我国植物油脂的消费量在2019年就已达到3 600万t,这一数字随经济社会的不断发展呈增长趋势[69]。消耗的植物油脂主要用于食品、化工、医药、能源等领域,是人们日常生活和工业生产必不可少的原料。药用植物种子油作为越来越受人们重视和重点开发的新型植物油脂资源,将是传统植物油脂的重要补充,有效缓解我国植物油脂的供需矛盾。

部分药用植物种子含油率高、提取难度低、油脂理化性质佳且无急慢性毒性,在通过国家食用安全性和合规性检测后,可直接作为人们日常食用油或作为食品药品生产的原料,牡丹籽油已经符合《中华人民共和国食品安全法》和《新资源食品管理办法》等有关规定,被列入国家新资源食品进入油脂市场。值得一提的是,相对传统植物种子油,大部分药用植物种子油含有的多样化微量活性成分或营养成分进一步提升了其保健价值。

安全性和合规性指标达不到食用油标准的部分药用植物种子油,可与其他油脂一样,作为肥皂、化妆品、洗涤剂、润滑剂、油墨、油漆、生物柴油、高分子材料等等工业产品的生产原料,但往往需要先对其进行脱色、脱胶、脱酸等系列前处理。目前已经摸索了多种药用植物种子油生产生物柴油的工艺条件,如三叶木通种子油在温度350 ℃,氢气压力3.8 MPa,空速1.2 h-1,氢油比700 Nm3/m3条件下氢化裂解,可得到C15～C18烷烃为主要组分十六烷值达91生物柴油产品,反应转化率可达98.2%;以KOH为催化剂催化垂序商陆种子油生产生物柴油的最佳工艺条件为反应时间80 min、反应温度50 ℃、醇油摩尔比7∶1、催化剂用量1.1%(质量分数),此条件下生物柴油转化率为94.6%[11, 70]。我国《可再生能源中长期发展规划》将黄连木列为重要的生物燃料植物,研究发现其种子油在不同催化体系下均获得了优秀的生物柴油转化率[71,72]。除此之外,还有研究者从废弃物利用角度,不经种子油提取这一环节,直接利用药用植物种子残渣及其所含油脂为原料进行灵菌红素等产品的发酵生产[73]。

9 总结与展望

药用植物种子油开发的巨大潜能及其独特优势,将令其越来越受到人们的关注和重视,近年来关于药用植物种子油的研究报道呈逐渐增加的趋势。但需指出的是,虽然目前在药用植物种子油的新资源挖掘,以及油脂成分、性质、品质、应用等方面均取得了显著成果,但总体来看还处于起步阶段,表现在已被产业化、规模化种植的药用植物品种还比较有限,从全产业链的思维角度思考药用植物种子油的开发利用意识还不足,已被关注种子油的药用植物种类还仅占药用植物总量的少部分,提取所得药用植物种子油中大部分基础资料(成分、性质、毒理、活性等)还不够完整和系统等。除此之外,对具有特殊生物学活性种子油中特殊脂肪酸分离、纯化、应用,以及基于药用植物种子油为原料的生物转化、生物炼制及下游高附加值产品深度开发均有待进一步拓展和深入。