精油（Essential Oils，EOs）提取方法、化学组成与生物活性研究进展：绿色提取、多靶点机制及转化挑战

《Food Chemistry Advances》：Extraction Methods, Chemical Composition and Biological Activities of Essential Oils

　　

精油（Essential Oils，EOs）是与人类健康、食品、农业及其他生物基应用相关的天然生物活性分子的丰富来源。其组成和生物特性受植物来源、土壤气候条件、发育阶段和提取条件塑造。本综述考察了精油提取方法、化学组成和生物活性的现有知识。水蒸气蒸馏（hydrodistillation）和蒸汽蒸馏（steam distillation）仍被广泛使用，而超临界 CO₂（supercritical CO₂）、微波（microwave）、超声（ultrasound）和酶辅助提取（enzyme-assisted extraction，EAE）为提高回收率和选择性提供了替代途径。萜类化合物（terpenoids）和苯丙素类化合物（phenylpropanoids）主导精油组成，此外还有丰度较低的挥发性成分。其化学多样性和相互作用通过多种分子和细胞机制支撑抗菌（antimicrobial）、抗氧化（antioxidant）、抗炎（anti-inflammatory）及其他生物效应。近期研究进一步探索抗毒力（anti-virulence）效应、协同相互作用（synergistic interactions）和纳米递送（nano-enabled delivery）。然而，更广泛的应用受到组成变异性、不稳定性、挥发性、水溶性差、安全性问题和制剂限制的挑战。需要标准化提取和化学表征、统一的生物测定以及更强的体内（in vivo）和临床证据，以提高精油的可重复性、安全性和实际应用。

由 Chaimae El Youssfi、Asmae Charki 等完成的综述围绕精油（Essential Oils，EOs）展开。精油是挥发性、亲脂性植物代谢物混合物，其组成和活性受植物来源、基因型、发育阶段、土壤气候条件、地理来源、植物器官、采收期和提取条件影响，并可形成不同化学型（chemotype）。常规水蒸气蒸馏（hydrodistillation）和蒸汽蒸馏（steam distillation）简单、可重复，但热暴露可导致热不稳定成分水解、氧化或异构化；冷压（cold-press extraction）适合柑橘油，溶剂提取可回收不同于蒸馏的组分。现有问题包括组成变异、提取选择性和化学保留不足、GC–MS（gas chromatography–mass spectrometry，气相色谱–质谱联用）跨研究可比性受限、活性不能简单归因于单一主成分，以及挥发性、水溶性差、稳定性、安全性、制剂和放大限制。因此该综述从提取、组成、生物活性和技术转化四方面进行整合，旨在明确可重复、安全应用所需条件。

主要关键技术方法：该研究为综述性分析，未涉及临床样本队列或原始实验队列；关键技术包括常规提取（水蒸气蒸馏、蒸汽蒸馏、Soxhlet提取、溶剂提取、冷压）与绿色/非常规提取（超临界 CO₂ 提取（SFE–CO₂）、微波辅助水蒸馏（MAHD）、超声辅助提取（UAE）、无溶剂微波提取（SFME）、酶辅助提取（EAE）），采用 GC–MS 进行挥发性成分谱分析，并汇总抗菌、抗生物膜、抗真菌、抗病毒、抗氧化、抗炎、抗癌、杀虫/杀螨/抗寄生虫及神经药理学等体外、体内和临床前证据。

研究结果：
2. 不同提取方法：文献比较表明，提取不是中性步骤，直接决定产率、选择性和化学保留。
2.1. 常规提取方法：可产真精油或较宽提取物，但高温和有机溶剂可改变热不稳定成分并带来残留问题。
2.1.1. 水蒸气蒸馏：Clevenger 型装置适合小中型生产者，但耗时2–7 h、能耗高、可热降解，仍因重复性和可比性成为金标准。
2.1.2. 蒸汽蒸馏：蒸汽穿过植物材料，适合大规模生产，但过热可降解热不稳定成分。
2.1.3. Soxhlet提取：连续固–液提取，提高产率，但耗时耗能且依赖溶剂和温度。
2.1.4. 溶剂提取：溶剂极性决定回收物，可提取热敏非挥发性分子，但需脱溶剂并有环境毒性问题，深共熔溶剂（deep eutectic solvents，DES）和离子液体受关注。
2.1.5. 冷压提取：无热无溶剂，保留热敏成分，为柑橘油工业主导方法，但产率低且部分油残留在压榨渣中。
2.2. 非常规提取方法：绿色提取旨在提高效率并保留天然比例，减少溶剂、CO₂排放、能耗和时间。
2.2.1. 超临界流体提取（SFE–CO₂）：利用低临界条件 CO₂，低黏度、高扩散、低热降解，可提高纯度和抗氧化、抗菌、抗生物膜活性，但高压成本高、操作复杂。
2.2.2. 微波辅助水蒸馏（MAHD）：微波加热加速挥发物释放，缩短时间，保持或提高产率，提高含氧化合物比例和能效，但工业应用有限。
2.2.3. 超声辅助提取（UAE）：超声空化破坏细胞壁、改善传质，适合热敏成分，可提高产率，但需优化功率、频率、时间、温度和溶剂等。
2.2.4. 无溶剂微波提取（SFME）：利用植物组织水分，无需额外水或有机溶剂，缩短时间、降低能耗，保持或提高产率和化学质量。
2.2.5. 酶辅助提取（EAE）：纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶水解细胞壁多糖，提高回收率并改变化学谱，常作预处理，但效果高度依赖基质。
3. 精油化学组成：精油为分子量多低于300 Da 的挥发性亲脂性次生代谢物，通常含20–60种成分，优势成分可占20%–70%。
3.1. 萜烯和萜类：由 C₅ 异戊二烯单元衍生，主要为单萜（C₁₀）和倍半萜（C₁₅），二萜（C₂₀）较少。
3.1.1. 单萜：由两个异戊二烯单元组成，最丰富且最挥发，决定香气前调，分为无环、单环和双环。
3.1.2. 倍半萜：由三个异戊二烯单元组成（C₁₅H₂₄），多样性高，挥发性较低，常为底调，经甲羟戊酸（mevalonic acid，MVA）途径由法尼基焦磷酸（farnesyl pyrophosphate，FPP）生成，有抗炎、抗氧化和抗菌活性。
3.1.3. 二萜：C₂₀ 结构，多与树脂相关，经甲基赤藓醇4-磷酸（methyl erythritol 4-phosphate，MEP）途径由香叶基香叶基焦磷酸（geranylgeranyl pyrophosphate，GGPP）生成，蒸馏油中多为痕量，需溶剂或超临界 CO₂ 提取，具抗菌、抗炎、抗氧化和抗肿瘤潜力。
3.2. 苯丙素类：C₆–C₃ 骨架，经莽草酸途径由 L-苯丙氨酸生成，包括醛、酚、酚醚和亚甲二氧基衍生物，常见于 Apiaceae、Lamiaceae 和 Myrtaceae，贡献抗菌和抗氧化活性。
3.3. 其他化合物：包括脂肪族烃、有机酸、醇、醛和短链酯，以及含硫和含氮化合物；异硫氰酸酯由硫代葡萄糖苷经黑芥子酶水解产生，虽微量但影响总体性质和生物活性。
3.3.1. 醇类：单萜醇和倍半萜醇，具花香、果香或薄荷样气味，可破坏微生物细胞壁，并可作为化学型标志。
3.3.2. 酯类：由醇和有机酸形成，提供甜果香，常见于薰衣草、佛手柑和鼠尾草，具舒缓抗炎作用，如乙酸芳樟酯降低促炎细胞因子。
3.3.3. 酮类：含羰基，如香芹酮、薄荷酮、樟脑、侧柏酮和胡薄荷酮，可镇痛或祛痰，但部分有毒性风险，如胡薄荷酮肝毒性。
3.3.4. 醛类：含端羰基，如肉桂醛、香茅醛、香叶醛和橙花醛，化学反应性强，抗菌抗真菌活性突出。
3.3.5. 酚类：羟基直接连芳香环，如百里香酚、香芹酚和丁香酚，抗菌谱广，可变性蛋白、改变膜通透性并清除自由基。
3.3.6. 醚和氧化物：如1,8-桉叶素，具中等挥发性和稳定性，参与祛痰、抗炎和抗菌，并有助于化学型表征。
4. 精油生物活性：多靶点作用源于萜类和苯丙素类的化学复杂性，涉及抗菌、抗炎、抗氧化等。
4.1. 抗菌活性：对革兰阳性和阴性菌及多重耐药（multidrug-resistant，MDR）病原体有广谱作用，涉及膜扰动、质子动力势破坏、代谢干扰、外排泵抑制、氧化应激、抗生物膜和抗毒力。
4.1.1. 抗细菌和抗生物膜作用：香芹酚、百里香酚、香叶醇、柠檬烯和1,8-桉叶素影响膜组织、通透性和质子动力势；肉桂和洋甘菊精油可抑制 P. aeruginosa 的 mexA-mexB-oprM 和 mexR；香叶醇影响 las、rhl、pqs 系统；百里香和富含香芹酚油抑制 icaA、icaD 等生物膜和毒力基因。
4.1.2. 抗真菌活性：对白色念珠菌、多重耐药耳念珠菌、曲霉、马拉色菌及农业霉菌有效；肉桂、百里香、牛至、丁香和柠檬草精油效果最强，机制包括膜破坏、通透性增加、麦角固醇耗竭和线粒体功能障碍，并抑制生物膜、黏附、菌丝转换和蛋白酶。
4.2. 抗氧化活性：酚类如丁香酚和百里香酚供氢终止自由基链，非酚单萜如 γ-萜品烯促进链终止；可激活核因子E2相关因子2/抗氧化反应元件（Nrf2/ARE）信号促使细胞产生保护酶；在癌症中扰乱线粒体稳定性，诱导活性氧（reactive oxygen species，ROS）积累导致癌细胞死亡；精油复配显示协同抗氧化。
4.3. 抗病毒活性：针对包膜病毒，破坏脂质包膜、阻断进入和干扰复制；百里香酚和柠檬苦素抑制流感 A 和 SARS-CoV-2 聚合酶；桉树精油中和禽流感、支气管炎病毒；纳米制剂牛至油保护宿主细胞；效果依赖病毒，丁香油抑制甲肝但对 HSV-1 选择性差，香芹酚和百里香酚耗竭 HIV-1 包膜胆固醇，Thymus vulgaris 或 Cymbopogon nardus 提取物干扰 Tat/TAR-RNA 或逆转录酶。
4.4. 杀虫、杀螨和抗寄生虫活性：作为低哺乳动物毒性和快速降解的可持续替代，对埃及伊蚊、玉米象、蚜虫、Bovicola limbatus 等有效；纳米乳提高接触毒性，降低半数致死浓度（median lethal concentration，LC₅₀）；Thymus syriacus 油诱导 L. tropica 前鞭毛体凋亡样死亡，Lippia dominguensis 油抗多重耐药 Haemonchus contortus，破坏虫卵和成虫表皮；商业应用受挥发性、剂量依赖和胃肠道不稳定限制。
4.5. 抗炎和抗癌活性：可调节一氧化氮、前列腺素E₂（prostaglandin E₂，PGE₂）、促炎细胞因子、核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）、丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）、诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）、环氧合酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）和5-脂氧合酶（5-lipoxygenase，5-LOX）；Litsea cubeba 油改变肠道菌群并降低 TNF-α、IL-6、IL-1β；佛手柑油乳剂增加菌群多样性并降低细胞因子。抗癌方面，对白血病、多发性骨髓瘤、乳腺、肺、皮肤、前列腺、结肠、胰腺和肝细胞癌模型有效，影响增殖、克隆形成、迁移、细胞周期和凋亡；多数证据为临床前。
4.7. 神经保护和心理药理学多靶点作用：临床前证据支持认知障碍、帕金森样神经退行和抑郁模型中的神经行为效应；Anthriscus nemorosa 油吸入改善东莨菪碱遗忘模型空间记忆并产生抗焦虑/抗抑郁样作用；芳樟醇和香叶醇保护多巴胺能神经元；香叶醇改善 MPTP/probenecid 小鼠运动功能；佛手柑油乳剂改善慢性皮质酮抑郁模型行为并调节血清素、多巴胺、去甲肾上腺素和脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）；部分成分可穿过血脑屏障，但依赖化合物和制剂。
5. 转化挑战、局限与未来展望：讨论部分指出，尽管临床前证据支持抗菌、抗炎和抗癌活性，临床转化仍有限，原因包括理化不稳定、化学变异、安全性、法规、疏水、水溶性差、热/氧化/光降解；提取条件影响产率和组成；地理、基因型、环境、器官和采收期导致批次变异；氧化柠檬烯和芳樟醇形成氢过氧化物，有致敏性，821例中阳性斑贴试验分别为9.4%和11.7%；临床证据在适应证、制剂、剂量、给药途径和结局指标上异质；纳米乳和脂质递送可改善溶解度、稳定性、生物利用度和控释，但放大、重复性、安全性和法规未解决；未来需标准化提取和化学表征、药代和毒理分析及严格临床试验。

研究结论部分翻译：精油（EOs）因其广泛生物特性和潜在应用持续吸引科学兴趣。其化学组成及由此决定的生物活性受植物身份、基因型、植物材料、发育阶段、土壤气候条件和提取技术塑造。水蒸气蒸馏和蒸汽蒸馏因简单、可及和可重复仍广泛使用，冷压与柑橘油尤为相关。新兴技术包括超临界 CO₂、微波、超声、无溶剂微波和酶辅助提取，可提高回收率、缩短处理时间、减少溶剂和能耗、保留选定成分并降低环境负担，但其有效性取决于植物基质和操作条件。在生物学层面，效应涵盖抗菌和抗生物膜、抗真菌、抗病毒、抗寄生虫、杀虫、抗炎、抗癌、抗氧化和神经活性；近期研究还关注肠道微生物组调节，提示宿主–微生物相互作用的新维度。这些效应反映多成分对细胞和分子过程的联合作用，但化学复杂性也造成生物结果变异。化学不稳定性、有限水溶性、安全性和毒性问题以及批次间变异仍是主要限制，提取、组成、浓度、制剂和实验模型差异进一步限制可比性。组合方法和纳米制剂可改善递送、稳定性、生物利用度和安全性，但多数证据仍为临床前。未来进展取决于建立来源、组成、生物活性和安全性之间的更强联系，需要可重复工作流程涵盖植物鉴定、原料表征、标准化提取、全面化学谱分析、剂量–反应评估、药代动力学、毒理学及严格体内和临床评价；将基因组、环境、化学和生物学数据与人工智能整合，可阐明变异性决定因素并加强预测和质量控制。目标不仅是识别有活性精油，而是定义组成、功效、安全性和预期应用可可靠确立的可重复精油制备物。