花椒香气研究进展

陈茜，陶兴宝，黄永亮，姜卫东，余晓琴，吴纯洁*

(1.成都中医药大学 药学院，成都 611137；2.四川省食品药品检验检测院，成都 610097)

花椒作为“八大调味品”之一，主产于四川、甘肃、陕西、山东、河北等地。其来源于芸香科花椒属植物，味辛，芳香味浓烈，内服具有温中止痛、驱虫等功效，外用具有燥湿、杀虫止痒等功效[1]。花椒主要包括红花椒(ZanthoxylumbungeanumMaxim.)、青花椒(ZanthoxylumschinifoliumSieb.Et Zucc.)和竹叶椒(ZanthoxylumarmatumDC)[2]。“麻、香”味是花椒主要的风味物质，其中挥发油是其香味物质的表征成分，也是其品质评价的主要指标，主要由烯类、醇类、酮类、醛类、酯类等挥发性成分组成[3]。花椒所含的主要共有香气成分如芳樟醇、柠檬烯、月桂烯、桉树脑、桧烯等，可作为合成各大香料和药物的原料。近年来，随着花椒产业的大力发展，花椒挥发油作为食品调味料、化妆品、医药和农药等的基料，已突显出重要的开发利用价值。因此，通过对比分析当前花椒香气成分的提取方法、成分分析、功效研究及开发利用等对扩大花椒香气的应用范围及提升花椒品质具有重要意义。

1 花椒香气成分的提取方法

花椒呈香的物质基础为其内含的挥发油，又称为花椒精油，具有浓厚的芳香气味。目前研究花椒香气成分的提取方法主要包括传统提取方法和现代新兴提取方法。传统的提取方法主要包括：水蒸气蒸馏法(HD)、溶剂提取法(SE)等。现代新兴的提取方法主要包括：超临界CO2萃取法(SCFE)、固相微萃取法(SPME)、同时蒸馏萃取法(SDE)、单滴微萃取法(SDME)、超声波萃取法(UE)及微波萃取法(ME)等[4]。

不同的提取方法提取花椒香气成分的数量有所差异，见表1。

表1 不同提取方法提取花椒香气成分数量的比较Table 1 Comparison of the amount of Chinese prickly ash aromacomponents extracted by different extraction methods

据文献[5-9]分析，采用新兴提取方法获得的花椒香气成分种类较传统方法更多，其中，以固相微萃取(SPMF)、单滴微萃取(SDME)以及多种新兴技术联合运用的提取效果更优。近年来，为使花椒香气成分的提取完全，越来越多的学者将多种现代提取技术联合使用，达到了良好的提取效果。Ye[10]结合微波蒸馏法(MD)与顶空单滴微萃取法(HS-SDME)提取花椒香气成分共鉴别出了52种香气物质，比相同条件下的水蒸气蒸馏法多鉴别出13种香气物质。Wang等使用超声波雾化萃取-顶空单滴微萃取法(UNE-HS-SDME)分析花椒的香气成分，发现UNE-HS-SDME获得的香气成分含量是超声波雾化萃取法(UNE)的13～500倍之多，其提取得到的香气成分种类也更多，说明UNE-HS-SDME具有更高的精确性和灵敏度。

2 花椒香气成分的分析

迄今为止，已有学者研究表明新鲜花椒果皮中的香气成分种类多达120种，且挥发油含量高达11%[11]。从花椒总体香气成分含量来看，以藤椒最高，青花椒次之，红花椒最低[12]。花椒的整体香气形成是由内含的多种香气成分间协调和拮抗的结果，因不同种类花椒中内含的香气成分的含量和种类均有所差别，从而形成了不同的花椒香气类型。红花椒的香气属浓郁型，青花椒及藤椒的香气属清香型[13]，引起此类差异的原因与其各自内在主要香气成分的差异有关，见表2。

表2 三类花椒的主要香气成分分析(相对含量≥1%)Table 2 The analysis of main aroma components in three kinds of Chinese prickly ash(RC≥1%)

不同品种花椒香气成分的种类差异性较大。文献调研对比分析发现，红花椒、青花椒和藤椒的香气成分主要为烯类、醇类和酯类成分，此三类成分约占所提香气成分的90%以上，而红花椒的香味物质以烯类成分含量最高，青花椒和藤椒以醇类成分最高。红花椒、青花椒和藤椒中相对含量在1%以上的共有烯类成分主要包括柠檬烯、β-月桂烯、γ-萜品烯、桧烯和β-水芹烯等；共有醇类成分主要包括芳樟醇、α-萜品醇和4-萜品醇等；共有酯类成分主要为乙酸芳樟酯。此三类花椒中主要的共有香气成分中柠檬烯和芳樟醇的含量最高，其柠檬烯含量均无明显差异，但青花椒和藤椒的芳樟醇含量明显高于红花椒，且青花椒和藤椒中共有含量较大的桧烯成分较红花椒多，然而，红花椒中乙酸芳樟酯的含量较青花椒和藤椒偏高，这些可能是青花椒和藤椒的香气成分较为类似而有别于红花椒的根本原因所在。

3 花椒香气评价方法

花椒挥发油中存在多种香气成分，但其中仅有一小部分香气成分对花椒的香味具有贡献，其被称为香气活性成分[24]。花椒的呈香程度主要与其香气活性成分的组成、含量及香气贡献值有关。香气贡献值的大小主要取决于香气成分含量的高低及香气成分的阈值(人感官嗅到某香气成分的最低浓度)。目前，用于分析花椒香气活性成分以及其香气贡献值的方法主要有两种：气相色谱-质谱-嗅闻联用法(GC-MS-O)和香味值(OAV)计算法[25]。

3.1 气相色谱-质谱-嗅闻联用法(GC-MS-O)

气相色谱-质谱-嗅闻联用法(GC-MS-O)中以稀释分析法(AEDA)应用最多，其以FD值(嗅辨员无法感知到该香气成分的最大浓度稀释值)表示花椒香气成分的香气贡献值，香气阈值大于感官阈值的香气成分才被认为具有香气贡献。FD值越大，说明该香气成分对香气的贡献越高，是关键的香气活性成分。陈海涛等[26]通过采用AEDA法从炸花椒油中共鉴定出了44种香气活性成分，其中以芳樟醇、柠檬烯、大根香叶烯 D、乙酸芳樟酯、乙酸松油酯等的FD值较高，为炸花椒油中的关键香气活性物质。杨峥等采用AEDA法从汉源红花椒和金阳青花椒中共鉴定出13种香气活性成分，其中桧烯、月桂烯、柠檬烯、芳樟醇、4-萜品醇、乙酸芳樟酯的FD值较高，对花椒香气的贡献较大。

3.2 香味值(OAV)计算法

香气成分的实际呈香程度可依据香气值进行量化评价。香气值等于某香气成分的浓度与其阈值之比，即香气值越大，说明该香气成分的香味越强，对香味的贡献越大。吴素蕊[27]通过比较青花椒香气成分的香味值发现，青花椒中的最主要香气成分是芳樟醇，其次是桧烯、β-月桂烯、α-蒎烯、柠檬烯等。Yang等提出香气特征影响值(ACI)用于评价某种香气成分的贡献值，即ACI值越大，该香气成分的香气贡献值愈大。其通过计算青花椒和红花椒的ACI值发现，芳樟醇、α-萜品醇、月桂烯、桉树脑、柠檬烯和香叶醇的香气贡献值最大，6种香气成分的ACI值之和高达90%以上。

GC-MS-O和OAV计算法均可作为鉴定花椒活性香气成分和评价花椒香气的重要手段，但两种方法各有不足之处，GC-MS-O在香气评价过程中可能会出现嗅辨员闻到了香味，而该香气成分却未被检测到的情况，这可能是由于该香气成分浓度低于检测限，从而难以准确评价香气。OAV计算法通过计算每种香气成分的香味值，着重于个体的香气贡献，却忽略了香气成分之间的协同和拮抗作用对整体香气的影响。因此，将两种香气评价方法综合使用才能较为全面、准确地对花椒香气进行评价。

4 花椒香气活性成分的构效关系

香气形成的本质是香气成分挥发至空气中经嗅黏膜扩散至嗅细胞并刺激其产生动作电位而形成香气信息被我们感知[28]。物质香味的必备条件是：有挥发性；有一定数量的发香基团(如羟基、酯基、羧基等)或广义芳香理论结构；不饱和性及共轭体系有利于香气形成[29]。花椒香气成分的呈香程度与其分子结构(挥发性、不饱和性、芳香性、官能团和取代基等)息息相关，其中挥发性是最重要的影响因素。由于目前关于花椒香气活性成分的构效关系研究甚少，因此，笔者尝试借鉴花椒麻味的构效关系，探究分析花椒的香味与其主要香气活性成分的构效关系，见表3。

表3 花椒中主要香气活性成分的化学结构及感官特性Table 3 The chemical structures and sensory properties of the main aroma active ingredients in Chinese prickly ash

注：a为根据文献[13,25,27]查阅的花椒主要香气活性成分；b为根据文献[30]查阅的花椒各香气成分在水中的阈值；c为根据文献[30]查阅的花椒各香气成分的感官特征。

由表3可知，花椒中的香气活性成分主要为烯萜类、醇类和酯类。从分子式来看，烯萜类成分主要分为C10H16和C15H24两种，醇类成分主要为C10H18O，酯类成分主要为C12H20O2。从分子量来看，随着碳原子数的增加，香气阈值逐渐呈上升趋势，这可能是由于香气成分的蒸气压减小而使其挥发性降低；从不饱和性来看，在同碳链数的情况下，双键数量越少，香气阈值越高，这可能是由于双键越多越易形成共轭体系，并且在双键处易断裂而分裂为小分子挥发，所以香气阈值与双键数量呈反比；从分子结构分析，以上花椒香气活性物质多数以同分异构体的形式存在，均含异戊二烯单位或一个近平面的环状结构。同时，由于醇类和酯类成分中含有烯萜类成分不含有的羟基和酯基发香团，因此这三类成分的香味有所差异。综上分析，花椒的香气活性成分的呈香物质基础主要表现在：有挥发性；含异戊二烯单位或一个近平面的环状结构或一定数量的发香基团。

5 花椒香气成分的活性研究

5.1 药理活性

5.1.1 抑杀人体寄生虫、致病菌

鉴于历版药典记载花椒具有“杀虫止痒”的功效，现代关于花椒精油抑杀人体寄生虫的研究已趋于成熟。蒋丽艳等[31]发现花椒精油对皮脂蠕形螨和毛囊蠕形螨均有较好的抑杀作用。花椒香气成分对人体部分真菌、细菌等也有抑杀作用，其中革兰氏阳性菌较革兰氏阴性菌对花椒香气成分更为敏感，原因可能是革兰氏阴性菌细胞壁富含的脂多糖对花椒香气中的抑菌成分有屏障作用，或者壁膜间隙中的酶破坏了花椒子香气中的抑菌成分[32]。

5.1.2 抗炎镇痛作用

花椒香气成分有较强的抗炎镇痛作用，Jin等[33]用甲醇提取青花椒挥发油后，发现二氯甲烷、乙酸乙酯和丁醇的萃取部位表现出明显的抗炎活性。Wu等[34]采用扭体法、热板法、舔尾实验和蟾蜍坐骨神经电位传导测试观察青花椒香气成分的镇痛效果，发现高、中剂量的青花椒挥发油以及与维拉帕米联合使用均呈现出较好的镇痛效果，而低剂量的青花椒挥发油没有镇痛活性，这可能与青花椒挥发油主含的柠檬烯、芳樟醇和桧烯有关。

5.1.3 抗肿瘤

花椒中的香气成分能够明显抑制HepG2型人体肝癌细胞的增殖，有望成为肝癌的有效治疗药物，其中活性氧是其诱导癌细胞凋亡的关键信号物质[35]。韩胜男等[36]采用MTT法检测花椒挥发油的体外抗肿瘤活性，发现其对Hela，A549，K562 3种肿瘤细胞的生长均表现出较好的抑制作用。

5.1.4 抑制平滑肌收缩

袁太宁[37]研究发现花椒挥发油具有抑制离体兔结肠平滑肌、大鼠子宫平滑肌和小白鼠子宫平滑肌收缩的作用[38，39]，认为其可能与阻断钙通道而减少外钙内流和内钙释放有关。

5.1.5 促进透皮吸收

目前，大部分的化学经皮促透剂都具有皮肤毒性或刺激性等缺点，所以将中药挥发油作为促透剂不失为一种好的选择。兰颐[40]研究花椒挥发油的促透作用，发现其能促进药物(尤其是亲脂性药物)的吸收，其原因可能为：降低了皮肤角质层的屏障作用；花椒挥发油的脂溶性促进亲脂性药物进入皮肤角质层；通过改变角质细胞内Ca2+平衡而影响角质细胞膜流动性等。

5.1.6 其他

花椒挥发油能够通过降低血清过氧化脂质水平和抵抗脂质过氧化损伤而达到降血脂并减轻动脉粥样硬化的作用，这说明花椒挥发油具有一定的抗氧化活性[41]。此外，印度将花椒称为“牙痛树”被用于治疗牙痛，现已有学者证明花椒挥发油能用于麻醉止痛[42]。花椒挥发油还能够改善银屑病，其机制可能是抑制角朊细胞、T细胞的增殖和炎症细胞的渗出有关[43]。

5.2 生物活性

5.2.1 防虫抑菌

目前，农产品所用的大部分杀虫抑菌农药对人体都有一定的危害，天然、无害的植物杀虫剂有广泛的应用前景。现有多篇文献证明花椒挥发油在农产品虫害和致病菌方面有良效，如花椒挥发油对赤拟谷盗、玉米象成虫、绿豆象等多种储粮害虫都有较强的熏蒸和触杀作用[44]。另外，Li等[45]发现花椒挥发油和α-蒎烯都能够有效控制干腐病菌诱导的马铃薯干腐病，其中挥发油的抗菌活性比α-蒎烯更强，原因可能是挥发油能够更有效地破坏干腐病菌细胞膜的完整性和抑制孢子发芽。

5.2.2 抑菌防腐

花椒香气成分可作为一种天然、无毒的抑菌防腐剂用于食品防腐，其抗菌防腐能力较食品行业中常用的山梨酸钾更强，其中柠檬烯、芳樟醇、β-蒎烯和α-萜品醇等都具有较强的抗菌活性。花椒香气成分对金黄色葡萄球菌、枯草杆菌、蜡样芽孢杆菌、侧孢芽孢杆菌和大肠杆菌等多种细菌均有抑杀作用，其通过破坏细菌细胞膜和细胞壁的完整性以及使细胞质外流而改变细菌的细胞结构，细菌细胞膜的选择性渗透功能的丧失是导致其死亡的原因[46]。

6 展望

花椒作为一种药食同源的植物，国内外学者对花椒香气成分的大量研究证明其不仅有着诸多药理功效，而且还可应用于食品和农业等行业。在药品开发方面，花椒香气成分的杀虫、抑菌、消炎镇痛、抗肿瘤、抑制平滑肌收缩、促进透皮吸收、抗氧化、降脂等药理功效可用于开发各种花椒医药产品，治疗人体寄生虫病、真菌和细菌感染、炎症、风湿痛、关节痛、神经痛、肝癌、肺癌、子宫颈癌、白血病、腹泻、心血管疾病等。花椒香气成分能够促进药物的透皮吸收，所以将花椒香气成分制备为乳剂等外用制剂会有较好的疗效。在食品和农业行业上，花椒香气成分可代替山梨酸钾、苯甲酸钠等常用的食品防腐剂，具有天然、无毒、无害的优点，此外，花椒香气成分还可以用于控制农作物的虫害、病害等，减少化学农药的使用，更加健康、环保。但因花椒香气成分稳定性差、易挥发，花椒香气成分的相关产品开发需要保证其稳定性，所以提升花椒香气成分的稳定性亟待研究和解决。目前花椒香气成分的提取、成分分析及其香气活性成分的研究均取得了突破性的进展，但对于花椒香气的构效关系研究甚为薄弱，开发利用仍处于基础阶段，因此，加强花椒香气成分的基础研究的同时，理应综合考虑产品的开发利用。

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