罗布麻抑菌物质及其作用机制的研究进展

徐绚绚， 巩继贤， 张健飞,3， 王 莉， 黄景凤

(1. 天津工业大学 纺织科学与工程学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387； 3. 山东省生态纺织协同创新中心， 山东 青岛 266071； 4. 阿勒泰戈宝茶股份有限公司， 新疆 阿勒泰 836500)

罗布麻是我国特色珍稀植物资源，除了具有较高的药用价值外，还是性能优良的韧皮纤维来源。罗布麻韧皮纤维的主要组成成分为纤维素，此外还含有果胶、半纤维素、木质素等非纤维素成分。在纺织织造前需要对韧皮进行化学脱胶或生物脱胶处理，将胶质物质去除，得到可纺的精干麻纤维。罗布麻精干麻纤维手感柔软、力学强度高，同时具有抗菌、远红外发射、防紫外线等特性，被认为是天然功能纤维[1]。

罗布麻韧皮和精干麻纤维与羊毛、蚕丝、棉等纤维相比，具有广谱抗微生物特性[2-3]。罗布麻韧皮的抑菌性能与其中存在的多种高活性的抗菌天然成分有关，经过复杂的脱胶处理后，得到的精干麻纤维仍具有抑菌活性的原因目前还没有定论。本文从罗布麻韧皮和精干麻纤维两条主线出发，分别对其中抑菌性物质研究情况进行综述，并对罗布麻纤维纺织品抑菌活性的物质基础研究方向作了展望，以期为揭示麻纤维抑菌机制提供新思路。

1 罗布麻韧皮的抑菌物质与作用机制

经检测，罗布麻韧皮组织对大肠杆菌(革兰氏阴性菌)和金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)均有抑制作用[1, 4]。罗布麻韧皮的主要抑菌物质有黄酮类化合物、鞣质、甾体及其苷类、香豆素类化合物、酚酸类和苯甲醛类化合物以及挥发油等。

1.1 黄酮类化合物

罗布麻韧皮总黄酮类化合物含量平均为0.4%，其中主要成分为槲皮素、山奈酚、异槲皮素、木犀草素和金丝桃苷[5-6]。一般认为黄酮类化合物的抗菌机制主要集中在以下几个方面。

1.1.1 抑制核酸合成

脱氧核糖核酸(DNA)拓扑异构酶是专门调控DNA 拓扑结构相互转换的酶，参与了细胞内几乎所有的DNA复制、转录、重组等活动。有研究表明，黄酮能够抑制DNA拓扑异构酶的活性，从而影响核酸的合成[7]。

DNA旋转酶也是黄酮类化合物重要的作用靶标。该酶是迄今为止发现的唯一能够催化DNA由松弛转变为负超螺旋的Ⅱ类DNA拓扑异构酶。槲皮素、芹菜素等15种黄酮对DNA旋转酶有不同程度的抑制作用[8-9]。此外，有研究发现，黄酮类化合物可与DNA以沟槽作用方式结合，造成DNA扭曲[10]，产生细胞毒性。

1.1.2 抑制细胞膜功能

细胞膜主要是由磷脂双层和镶嵌在其中的蛋白质分子组成，其流动性对于保证细胞正常生命活动具有重要意义。已经发现，黄酮类化合物可显著降低细胞膜的流动性[11]，这应该是黄酮类化合物与磷脂分子的极性部分相互作用的结果[12]。黄酮类化合物分子中含有多个酚羟基，酚羟基可与磷脂分子的磷酸基团、羰基相互作用形成氢键，氢键限制了分子的自由运动，从而导致质膜的胶态化。

细胞膜流动性的降低，容易使细胞受到损伤和破坏。用火焰原子吸收光谱法检测黄酮类化合物处理前后金黄色葡萄球菌细胞内无机钾浓度的变化，结果显示细胞内无机钾离子的含量显著降低[13]。这可能是由于黄酮类化合物直接破坏了细胞膜或弱化了细胞壁，造成渗透压性细胞溶解。也有研究表明，黄酮类化合物会消散细菌的跨膜膜电位，增加细胞膜的通透性[14]。

1.1.3 抑制能量代谢

有研究认为，与抗生素抑制细菌呼吸作用的方式相似，黄酮类化合物可能通过阻碍细胞的能量代谢而影响大分子的生物合成[15-16]。金黄色葡萄球菌和滕黄微球菌细胞的呼吸作用受到黄酮类化合物的抑制已经得到证实。

研究还发现，黄酮类化合物能够有效抑制能量代谢酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)-细胞色素c还原酶的表达，而对细胞色素c氧化酶和NADH-辅酶Q(CoQ)还原酶无明显抑制效果[15]。

1.1.4 影响脂肪酸合成

脂肪酸是构成细胞生物膜的重要组成成分，其正常合成对生物体的生存至关重要。β-酮脂酰-ACP (酰基载体蛋白)合成酶Ⅲ即FabH是细菌脂肪酸合成(FAS)的关键酶，负责催化FAS途径的起始步骤，并对整个合成途径起关键性调节作用。β-羟酰-ACP脱水酶(FabZ)是Ⅱ型FAS途径延伸循环反应中的重要脱水酶，主要负责催化β-羟酰-ACP生成反-2-烯酰-ACP。有研究发现，部分黄酮类化合物可与细菌的FabH发生有效结合，表现出显著的FabH抑制性[17]。槲皮素还可通过疏水作用和氢键结合于细菌FabZ的活性位点，占据酶底物结合部位，或堵塞通道口阻止酶底物到达活性位点，从而形成竞争性抑制，导致酶活性下降，影响细胞生物膜合成，引起细菌死亡[18]。

1.1.5 抑制运动性

运动性对菌株发挥毒力和适应环境具有重要意义。槲皮素对枯草芽孢杆菌等菌体运动性具有显著的抑制作用，可有效控制细菌的致病性和感染活性[14, 19]。

1.2 鞣 质

罗布麻韧皮中含有原花青素B-2等多种鞣质，同时还从中分离得到儿茶素、表儿茶素、没食子儿茶素、表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)等[20]儿茶素类物质，经测定总鞣质含量约为0.39%。鞣质类化合物呈现广谱抗菌特性，抗菌机制主要与其引起的细胞膜功能的变化以及细胞生物膜的合成受阻有关。

1.2.1 引起细胞膜功能的变化

研究认为细胞膜为儿茶素类物质抑制微生物的主要靶标位点。表儿茶素没食子酸酯(ECG)能够增加金黄色葡萄球菌细胞膜的通透性[21]。 EGCG可引起卵磷脂脂质体内小分子的渗漏，并引发脂质体的聚合[22]。这可能是由于EGCG可直接穿透脂质双分子层，破坏细胞膜的屏障作用，也可能是由于EGCG引发了膜融合。

鞣质分子中含有羟基，儿茶素、表儿茶素、表没食子儿茶素、EGCG、ECG和单宁酸均可与细胞膜结合形成氢键，使质膜产生胶态化[23-24]。

鞣质也会影响到膜蛋白功能的实现。孔蛋白(porin)是细菌主要的外膜蛋白，常以同源三聚体形式在细胞外膜上聚集起来形成亲水性蛋白通道，用于菌体与外界的物质交换。研究发现，EGCG可进入大肠杆菌孔蛋白孔道，通过氢键与孔蛋白内壁的碱性氨基酸残基结合，堵塞外膜孔蛋白[25]，从而影响细菌对葡萄糖等小分子亲水性营养物质的吸收，抑制细菌生长。EGCG对枯草芽孢杆菌细胞被膜蛋白的功能也有抑制作用[26]。

1.2.2 阻碍细胞生物膜的合成

β-酮脂酰-酰基载体蛋白还原酶(FabG)与烯酰-ACP还原酶(FabI)同样是细菌脂肪酸生物合成的重要功能酶。研究发现，EGCG对FabG和FabI有显著的抑制作用[27]，而且EGCG可诱导FabG发生聚合[28]，引起酶失活。

1.3 甾体及其苷类

罗布麻韧皮中含有罗布麻苷[29]、毒毛旋花子苷元[30]等强心苷类物质，同时还含有β-谷甾醇[5]，β-谷甾醇-β-D-葡萄糖苷[31]。

强心苷对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌、奇异变形杆菌、β-溶血性链球菌均具有抑制作用[32]。β-谷甾醇对肺炎链球菌不具有抑菌和杀菌活性[33]，但可与链球菌溶血素的胆固醇结合位点结合，封闭活性位点，阻碍毒素与宿主细胞膜的结合，从而对肺炎链球菌起到有效的抑制作用。

1.4 香豆素类化合物

罗布麻韧皮中还含有香豆素类物质。从罗布麻韧皮的乙醇提取液中分离出6-甲氧基-7-羟基香豆素[5]。香豆素类化合物可利用氢键、疏水性作用、范德华力等非共价键力与生物体内的活性位点相结合，使其具有抗菌、抗氧化、抗凝血等生物学活性。香豆素质量浓度在1 mg/mL时，开始对金黄色葡萄球菌、黄曲霉、柑橘青霉显示出抑制作用；当质量浓度达到8 mg/mL时，对表皮葡萄球菌、奇异变形杆菌、酿脓链球菌、铜绿假单胞菌、产酸克雷伯菌、肠杆菌、沙雷氏菌、白色念珠菌也展示出不同的抑制效果[34]。

1.5 酚酸类和苯甲醛类化合物

罗布麻韧皮中测得的主要酚酸类和苯甲醛类化合物为3,4-二羟基苯甲酸(原儿茶酸)和3,5-二羟基苯甲醛[5]。原儿茶酸对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌以及产气荚膜梭菌均具有较好的抑制效果[35]，对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌、空肠弯曲菌及肠道沙门氏菌也表现出较强的杀灭能力[36-37]。3,5-二羟基苯甲醛除对空肠弯曲菌和肠道沙门氏菌有显著的抑菌活性外，还对单核细胞增生性李斯特氏菌有抑制作用[37]。

1.6 挥发油

采用气相色谱-质谱(GC-MS)从罗布麻韧皮挥发性成分中共分离鉴定出十六烷酸、二十九烷、邻苯二甲酸二丁酯、2-苯基乙醛等61种化合物[2]，其中，脂肪酸类、酯类、酮类、醛类化合物是其主要的组成成分，这些物质均具有抑菌性。

2 精干麻纤维的抑菌物质与作用机制

研究证实，罗布麻的精干麻纤维对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯氏菌和白色念珠菌等纺织品服用过程中的常见致病菌都表现出抑菌活性[1, 38-39]。在化学脱胶或生物脱胶加工时，罗布麻韧皮中的抑菌物质会随着胶质的去除而丢失。目前,对罗布麻脱胶后形成的精干麻纤维抑菌作用的物质基础仍不清楚。有研究从罗布麻精干麻纤维中分离得到脂肪酸和挥发油。

2.1 脂肪酸

用高效液相色谱-质谱技术，从罗布麻精干麻纤维乙醇提取物中分离出了顺式-9-十八烯酸(油酸)、顺式-9-十六烯酸(棕榈油酸)、顺式-9,10-环氧-十八烷酸和顺式-13,14-环氧-二十二烷酸4种长链脂肪酸类化合物[5]。脂肪酸类化合物可抑制多种微生物的生长[40-42]，抑菌机制主要有以下几种。

2.1.1 增加细胞膜渗透性

脂肪酸可增加细胞膜的渗透性[43]，使细胞内容物泄露，从而引起菌体裂解死亡[44]。

2.1.2 阻断电子传递链

生物体的一切生命活动都需要能量，大多数的微生物通过生物氧化作用将有机物中储存的能量释放出来并转化为能够被细胞直接利用的生物能。呼吸电子传递链的功能就是进行生物氧化，并由此产生能量。电子传递过程中，质子跨膜传递释放的能量直接驱动了腺苷二磷酸(ADP)的磷酰化反应合成了腺苷三磷酸(ATP)。当电子传递过程被中断，将直接危及细胞的生命活动。脂肪酸可通过限制内膜上载体蛋白的运动中断电子传递，阻碍ATP的形成[45]。而且，有研究表明，不饱和脂肪酸能够提高膜对质子的通透性，使得更多质子绕开ATP合成酶进入细胞质，降低了膜两侧的质子梯度和膜电位，削弱了酶合成ATP的能力，导致ATP合成减少[46]。

2.1.3 抑制酶活性

脂肪酸可有效抑制细菌细胞膜和细胞质内多种重要酶的活性，如油酸对葡糖基转移酶有明显的抑制作用[47]，油酸、棕榈油酸、亚油酸、亚麻酸等长链不饱和脂肪酸能够引起FabI活力的显著降低[48]。

2.1.4 降低营养物质的吸收

脂肪酸能够减弱菌体对营养物质的吸收，从而影响细胞的活力。有研究发现，脂肪酸的存在抑制了巨大芽孢杆菌和溶壁微球菌对氨基酸的摄入[49]。

2.1.5 过氧化和自氧化

脂肪酸的抑菌功能或者还与其二次降解产物有关。不饱和脂肪酸可通过自身过氧化反应产生的过氧化氢(H2O2)和活性氧(ROS)造成细胞损伤[50]，也可通过自氧化反应生成脂氧化物及短链醛而发挥抗菌活性[51]。

2.2 挥发油提取物

精干麻纤维经水蒸汽蒸馏可得到挥发油，其中有5-甲基-糠醛、邻苯二甲酸二异丁酯、十六烷酸等44种化合物[2]，酯类、醛类、脂肪酸类3种抑菌活性较高的物质占挥发油总量的50%以上。研究表明，罗布麻纤维挥发油对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌都具有良好的抑制作用。

3 结束语

随着人们对纺织品功能性、舒适性、环保性要求的不断提高，天然抗菌纤维用于纺织品加工逐渐成为主流。罗布麻纤维具有的透气、吸湿、抑菌等优点，成为当前纺织、医疗保健领域的研究热点之一。罗布麻韧皮和精干麻纤维抑菌化学成分及其具体作用方式的深入、系统研究，将有助于罗布麻资源的综合开发和利用,并可为以抗菌物质含量为评价指标的罗布麻加工工艺优化提供技术参考。

罗布麻韧皮的抑菌性能与其含有的多种生物活性成分有密切联系，不同活性成分的抗菌机制不同，有必要运用现代化仪器检测和分析手段对化学组成以及相应的抗菌机制开展进一步研究。对于脱胶后得到的精干麻纤维，目前对其抑菌功能的物质基础还没有清晰的认识，许多问题需要深入探讨，比如脂肪酸由何物质转化而来，韧皮中存在的黄酮等抗菌成分的去向等。结合罗布麻加工工艺特点和目前的研究现状，罗布麻精干麻纤维存在的抗菌性物质不仅可以通过直接的成分检测加以确认，还可从由原料(韧皮)到产品(精干麻纤维)的整个加工处理过程的宏观角度出发，分析各个加工工序尤其是化学脱胶(高温强碱)条件下，韧皮中功能性成分的演化行为，即黄酮类化合物、鞣质等是否能够反应生成新的大分子的抗菌性衍生物而沉积在纤维表面或内部，而使脱胶后纤维及其纺织制品具有长久的抗菌性能。