基于化学计量学的桔黄地上部分挥发油成分、酚类化合物及抑菌活性分析

　　

伊朗香芹种群化学与抗菌特性研究解读：挖掘植物资源，开拓多元应用

近期，来自伊朗沙希德?贝赫什蒂大学（Shahid Beheshti University）药用植物与药物研究所农业系的 Ghasem Eghlima、同校生物学系的 Ali Sonboli 以及农业系的 Mohammad Hossein Mirjalili 在《Scientific Reports》期刊上发表了名为 “Chemometrics based analysis of the essential oil composition, phenolic compounds and antibacterial potency of aerial parts of Grammosciadium platycarpum populations” 的论文。该研究聚焦伊朗香芹（Grammosciadium platycarpum Boiss. & Hausskn）种群，首次全面评估其不同种群的植物化学特征和生物活性，为该植物在农业、食品、制药等领域的开发利用提供了关键数据支持，也为后续的驯化、育种和栽培工作奠定了坚实基础，在植物资源开发与利用领域意义重大。

一、研究背景

在全球范围内，随着人们对天然化合物在医药、化妆品和卫生产品中应用的关注度不断提升，药用和芳香植物及其产品的贸易市场日益繁荣。精油作为天然香料和众多食品补充剂的主要成分，广泛存在于药用和芳香植物的不同器官中。单萜类化合物作为精油的重要组成部分，因其具有抗炎、止痛和促进伤口愈合等特性，在食品、化妆品以及医药领域都有着重要应用。

伊朗香芹隶属伞形科，是一种富含精油的多年生植物，在伊朗被称为山欧芹或山莳萝，广泛分布于土耳其、伊朗、伊拉克和亚美尼亚等地。该植物不仅可作为食物和食品添加剂，还具有降低血糖和血脂的功效。此前已有研究对其果实精油成分进行了分析，但针对伊朗香芹地上部分的精油成分、酚类化合物以及抗菌活性的研究仍处于空白状态。本研究旨在填补这一空白，为深入了解伊朗香芹不同种群的特性提供基础数据，推动其在多个领域的开发利用。

二、研究材料与方法

（一）植物材料采集

研究人员依据《伊朗植物志》确定了伊朗香芹的自然栖息地，从 14 个不同地理区域的栖息地中，每个区域选取 10 株处于花期的植株样本。样本采集后被转移至沙希德?贝赫什蒂大学药用植物与药物研究所的实验室，在室温下自然风干。经 Ali Sonboli 教授鉴定后，将凭证标本存放在该大学的植物标本馆中。同时，研究人员确认已获得采集和培育样本的必要许可，且研究符合国际自然保护联盟（IUCN）关于濒危物种研究的政策声明以及《濒危野生动植物种国际贸易公约》的相关规定。研究详细记录了各采集区域的气候和地理信息，包括经度、纬度、海拔、年均温度和年均降水量等。

（二）精油提取

采用英国药典 39 版规定的方法，称取 50g 干燥的伊朗香芹地上部分，运用 Clevenger 装置进行 3 小时的水蒸馏，以提取精油。基于 100g 地上部分计算 180 分钟内获得的精油产量。随后，利用气相色谱（GC）和气相色谱 - 质谱联用（GC - MS）技术对提取的精油进行化学分析。

（三）GC 和 GC - MS 分析及化合物鉴定

GC 分析使用配备 DB - 5 柱（30m 长 ×0.25mm 内径 ×0.25μm 膜厚）的 Trace GC。程序升温设定为从 60°C 以 5°C/min 的速率升至 250°C，进样口温度保持在 250°C，以氦气为载气，流速为 1.1mL/min，进样量为 1μL，分流比为 1:10。

GC - MS 分析则使用 Thermoquest - Finnigan 气相色谱仪，搭配 60 米长、0.25mm 直径的 HP - 5MS 熔融石英毛细管柱（膜厚 0.25μm），并与英国曼彻斯特的 TRACE 质谱仪联用。同样以氦气为载气，流速 1.1mL/min，进样量 1μL，分流比 1:10，电离能量设定为 70eV，扫描时间 0.4s，质量范围在 40 - 460amu。通过与正构烷烃（C6 - C24）进行程序升温分析计算保留指数，并与在相同色谱条件下分析的精油保留指数进行对比，同时结合内部参考库（Adams 和 Wiley 7.0）或已知标准物质的质谱匹配，以及与已验证化合物或文献参考的保留指数对比，来鉴定精油成分，并通过 FID 信号的相对面积百分比进行定量分析。

（四）酚类提取物制备

称取 100mg 样品的地上部分粉末，加入 80% 甲醇，在超声辅助下提取 44 分钟。提取结束后，混合物在 4400×g 的离心力下离心 15 分钟，取上清液用于植物化学分析。

（五）总酚含量（TPC）和总黄酮含量（TFC）测定

TPC 采用 Singleton 等人的方法，利用 Folin - Ciocalteu 试剂进行定量；TFC 则根据 Dewanto 等人的方法，使用氯化铝进行测定。分别在 765nm 和 510nm 波长下读取 TPC 和 TFC 的吸光度。

（六）抗氧化活性测定（DPPH 法）

运用 DPPH 自由基清除率的百分比抑制法来衡量抗氧化活性。将 2mL DPPH（0.1mmol）与 2mL 制备好的甲醇提取物混合，在黑暗中静置 30 分钟后，立即用分光光度计在 517nm 波长下读取样品吸光度。以 2mL DPPH 和 2mL 甲醇的混合液作为对照，甲醇作为空白，通过特定公式计算 DPPH 自由基清除活性。

（七）酚类化合物的 HPLC - DAD 定量分析

采用配备 C18 柱（250×4.6mm）和 UV 检测器（Waters 2487）的高效液相色谱 - 光电二极管阵列（HPLC - DAD）对酚类化合物进行测定。流动相为甲醇 / 水 / 三氟乙酸（90:10:0.02 v/v/v），流速 0.5mL/min。在优化条件下进行分析，进样量 20μL，柱温 25°C，通过检测 200 - 600nm 的 UV 吸收峰来确定酚类化合物。以 Sigma Aldrich 的纯酚类化合物标准品为参照，通过保留时间和加标油提取物与标准溶液的分析来确定酚酸的存在，并构建校准曲线，结果以每克干重中毫克数（mg/g DW）表示。

（八）抗菌活性测定

采用临床和实验室标准协会（CLSI）的技术评估抗菌活性，通过在 Mueller - Hinton 肉汤中进行系列试管稀释制备不同浓度的样品，将标准细菌浓度调整为 108 CFU/mL（或 0.5 McFarland 标准），在 37°C 下孵育 24 小时进行最低抑菌浓度（MIC）测试，以此衡量细菌生长抑制情况。

（九）统计分析

运用不同的统计方法和软件包对数据进行分析。使用 SAS 软件（Ver. 9.4）进行单因素方差分析（One - way ANOVA）和 Duncan 检验（P<0.05）；在 R 软件中利用 Pearson 相关系数确定性状之间的相关性；通过 R 软件中的 Ward 方法和欧几里得距离系数进行聚类分析；借助 OriginLab 2021 软件对植物化学性状进行因子分析；使用 R 和 Excel（ver. 2016）软件绘制所有图表。

三、研究结果

（一）精油含量与成分

从伊朗不同地区采集的伊朗香芹地上部分提取精油，其精油含量（w/w%）在 0.09 - 0.46% 之间，TAK 种群的精油含量最高，RAZ 和 QAS 种群最低。通过 GC 和 GC - MS 技术分析精油成分，不同种群中约 91.63 - 98.50% 的精油化合物被识别。主要化学类别包括烃类单萜（22.79 - 46.15%）、氧化单萜（0.87 - 31.05%）、烃类倍半萜（25.50 - 61.04%）和氧化倍半萜（5.75 - 19.52%）。不同种群的精油化合物含量存在显著差异，主要成分包括 (Z, E)-α - Farnesene（13.29 - 53.71%）、芳樟醇（0.44 - 30.56%）、柠檬烯（5.84 - 31.14%）、α - Farnesene（0.71 - 22.39%）、β - 蒎烯（5.10 - 18.48%）和石竹烯（2.95 - 17.87%）等。不同种群在这些主要成分的含量上各具特点，如 OSH 种群的 (Z, E)-α - Farnesene 含量最高，ABH 种群的芳樟醇含量最高等。

（二）TPC、TFC 和抗氧化活性

不同种群的伊朗香芹 TPC 存在显著差异（p<0.05），范围在 1.76 - 3.73mg GAE/g DW 之间，MAG、OSH 和 JOL 种群的 TPC 最高，MAR 种群最低。TFC 在不同种群间也有显著差异（p<0.05），MAG 种群的 TFC 最高（6.53mg RE/g DW），TAK 种群最低（4.71mg RE/g DW）。抗氧化活性在不同种群间同样存在显著差异，MAG 种群的抗氧化能力最强（IC50 = 32.65μg/ml），GAR 种群最弱（IC50 = 57.43μg/ml）。这些差异可能由气候因素、地理条件和遗传因素共同导致。

（三）化学计量分析

主成分分析（PCA）结果显示，PC1、PC2 和 PC3 分别解释了总方差的 28.03%、16.79% 和 14.59%。第一主成分中，罗勒烯、石竹烯、(Z, E)-α - Farnesene、斯巴醇、石竹烯氧化物、石竹烯醇 - II 和精油含量等性状影响较大；第二主成分主要受总酚含量、总黄酮含量和抗氧化活性影响；第三主成分中柠檬烯和法卡林二醇的系数最高；第四主成分中 γ - 萜品烯和芳樟醇的影响系数最大。总体上，因子分析将评估的性状归纳为六个主要因子，清晰地揭示了不同种群间的主要差异因素。

聚类分析结果表明，不同种群可分为五个主要组群。第一组包括 SAQ、RAZ 和 MAQ 种群，其柠檬烯含量较高；第二组的 TAR、GAR、JOL 和 SIL 种群在斯巴醇和法卡林二醇含量上表现突出；第三组的 MAR 和 TAK 种群富含 (Z, E)-α - Farnesene；第四组的 ABH、QOR 和 QAS 种群芳樟醇和 β - 蒎烯含量较高；第五组的 OSH 和 MAG 种群具有最高的罗勒烯含量、TPC、TFC 和抗氧化活性。

Pearson 相关系数分析显示，石竹烯醇 - II 和 γ - 萜品烯与芳樟醇呈正相关；石竹烯氧化物与 β - 蒎烯、(Z, E)-α - Farnesene 和罗勒烯等呈负相关；石竹烯与对伞花烃和石竹烯氧化物呈正相关；精油含量与对伞花烃和石竹烯醇 - II 呈负相关；TPC 和 TFC 与抗氧化活性呈正相关。

（四）HPLC 分析酚类化合物

HPLC 分析结果表明，在伊朗香芹地上部分的甲醇提取物中检测到绿原酸、阿魏酸和芦丁三种多酚类化合物。不同种群中绿原酸含量在 0.13 - 0.55mg/g DW 之间，QAS 和 MAG 种群含量最高，SIL 种群最低；阿魏酸含量在 0.72 - 0.32mg/g DW 之间，QOR 种群最高，OSH 种群最低；芦丁含量在 0.85 - 2.26mg/g DW 之间，不同种群间存在差异。这些酚类化合物的含量差异与植物的自然栖息地密切相关，它们在植物防御病原体感染和抵御活性氧物种的侵害中发挥着重要作用。

（五）抗菌活性

MIC 测定结果显示，伊朗香芹的提取物和精油对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均具有显著的抗菌活性。MAG、OSH 和 JOL 种群的提取物对金黄色葡萄球菌（MIC = 7.5mg/ml）和大肠杆菌（MIC = 15mg/ml）的抑制作用最强；ABH、JOL、GAR 和 QOR 种群的精油对金黄色葡萄球菌（MIC = 1.87 - 3.75mg/ml）和大肠杆菌（MIC = 3.75 - 7.50mg/ml）的抑制效果最佳，且这些种群的芳樟醇含量相对较高。芳樟醇通过破坏细菌细胞膜的完整性，导致核酸等大分子泄漏，进而抑制细菌生长，其抗菌效果已在其他研究中得到证实。

四、研究结论与讨论

本研究首次对伊朗香芹不同种群的植物化学特征和生物活性进行了全面评估，发现不同种群在精油成分、地上部分提取物的组成以及抗氧化和抗菌活性方面存在显著差异。(Z, E)-α - Farnesene、芳樟醇和柠檬烯是精油中的主要成分；地上部分提取物含有丰富的酚类和黄酮类化合物，具有显著的抗氧化和抗菌活性。

基于研究结果，ABH、GAR 和 QOR 种群可作为在农业、食品和制药系统中开发利用的理想种群，同时可作为伊朗香芹育种计划中富含芳樟醇的候选亲本进行深入研究。这些发现不仅凸显了伊朗香芹种群的植物化学价值，也为食品、香水、医疗保健和农业等多个行业的创新发展开辟了新的途径，有助于推动相关产业对天然植物资源的合理开发与利用，促进经济发展的同时，也为进一步探索植物化学与生物活性之间的关系提供了重要参考，对后续植物资源的研究和利用具有重要的指导意义。