综述：姜（Zingiber officinale）用于金属纳米颗粒绿色合成的研究进展：作用机制、优化策略、表征方法及生物学应用

《Next Nanotechnology》：An insight into green synthesis of metallic nanoparticles using Zingiber officinale (ginger): Mechanisms, optimization strategies, characterization, and biological applications.

　　

利用药用植物资源进行金属纳米颗粒（MNPs）绿色合成，因其独特的理化性质和生物学特性，持续受到科研界的广泛关注。数十年来，姜（Zingiber officinale）根茎提取物中所含天然生物活性成分，作为还原剂、封端剂和稳定剂，用于多种金属纳米颗粒的生物合成，已得到高度开发。在本综述中，研究人员提供了关于姜提取物中植物活性成分的最新且详细的信息，并对其在纳米技术领域中的重要性进行了批判性评价。在强调姜提取物制备方法以及以姜根茎提取物作为介导剂进行金属纳米颗粒生物合成操作流程的同时，综述还对其合成机制进行了深入讨论。此外，文章还广泛评述了影响其理化性质的可能因素、当前表征研究中采用的技术，以及相关生物学特性。文中同时强调了姜基金属纳米颗粒在安全性、可放大性和可重复性方面所面临的挑战与局限性。本综述将为未来研究人员提供更明确的研究依据，以揭示姜基金属纳米颗粒的毒性、药代动力学（PK）、作用机制，以及长期暴露对人体和环境影响的基础认识。

1. Introduction

文章首先从纳米技术的学科属性切入，指出纳米技术涵盖颗粒材料及其复合物的设计、制备与操控，并广泛服务于药物递送、能源科学、生物医学工程、食品技术、环境修复、农业及纳米医学等领域。主体论述中比较了物理法、化学法与生物法三类纳米颗粒合成路径：物理法通常依赖高温高压条件，化学法则常涉及有毒试剂，而生物合成法利用植物、细菌、真菌、放线菌及病毒等生物来源作为还原剂、稳定剂和封端剂。文章强调，尽管物理和化学方法各有优势，但往往存在污染性高、环境不友好及成本较高等问题；相比之下，基于生物质材料的绿色合成具有生态友好、工艺简便、成本较低、可放大性较好及毒性较低等优势。

随后，作者重点讨论植物提取物介导法在生物合成中的代表性地位。植物提取物由于来源丰富、可再生、成分多样且使用便捷，已成为最常用的绿色合成策略之一。文中指出，植物中富含黄酮类、萜类、单宁酸、多酚、蛋白质、多糖、氨基酸及维生素等生物活性成分，这些成分可在纳米颗粒形成过程中发挥还原与包覆功能。茎、叶、花、果实、根和种子等不同植物部位均已被用于纳米颗粒生物制备。

在此基础上，文章引出金属纳米颗粒（MNPs）的研究价值，指出其因具有优异的理化特征和广谱抑菌活性而备受关注。纳米尺度赋予其在抗菌、抗耐药、创面修复及细胞靶向等方面的重要潜力，且可通过抗体、肽、脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）等功能基团进行表面功能化。作者进一步聚焦姜根茎，认为姜因其悠久的民族药用历史和丰富多功能植物化学组成，在植物介导金属及金属氧化物纳米材料制备中具有独特优势。文中指出，姜根茎介导纳米颗粒通常表现出较好的化学稳定性、光电化学性质、电导率、治疗效能提升、生物相容性改善及成本优势，因此有必要对相关实验依据、制备协议、表征技术和生物学用途进行系统整合。

2. Methodological approach

本节说明该叙述性综述的文献检索方法。作者通过Google Scholar、ScienceDirect和PubMed等数据库开展系统性在线检索，限定纳入英文文献，并由多位作者协同完成。检索过程中采用布尔逻辑运算符AND、OR、NOT，将“Zingiber officinale”“ginger”“ginger rhizome”“medicinal plants”“phytochemicals”“nanoparticles”“metallic nanoparticles”“nanotechnology”“phytosynthesis”“biological applications”等关键词进行组合。最终通过深入分析和集体讨论，对姜绿色合成金属纳米颗粒及其生物学应用的现有知识进行了归纳，以提高文献覆盖的全面性和内容适配性。

3. The family Zingiberaceae

文章对姜的植物学背景进行了简要概述。姜（Zingiber officinale Roscoe）属于姜科（Zingiberaceae），是一种具有地下根茎的常见开花植物。文中介绍了姜科的属种规模、姜的起源与传播区域，并强调姜在全球范围内兼具营养、药用和民族医学价值。作者指出，姜根茎为主要药用部位，具有芳香、浅黄色、肥厚、分裂及条纹状质地等特征。作为膳食香辛料、食品添加剂和草药制剂，姜被广泛用于缓解恶心、哮喘、痉挛、咳嗽、咽痛、腹泻、消化不良、风湿、牙痛、炎症、发热、食欲减退、肌肉疼痛、便秘及部分感染性疾病。文章还提及姜根茎以鲜品、干品或煎剂形式的全球需求持续上升。

4. Phytochemical constituents of Zingiber officinale (Ginger) plant

本节系统归纳了姜根茎的植物化学组成及其差异来源。作者指出，姜的成分受到地理来源、品种、加工处理方式、农艺条件以及鲜干状态等多因素影响。依据已有植物化学研究，姜根茎含有酚类、单宁、类固醇、碳水化合物、生物碱、黄酮类、蛋白质、6-姜辣素、6-姜烯酚和姜酮等成分，总体可归为酚类化合物和萜类化合物两大类。主要酚类包括姜辣素、姜烯酚和paradols；其中鲜姜富含6-、8-和10-姜辣素，经加热或干燥后可转化为姜烯酚，并进一步转化为paradols。代表性萜类包括姜烯、α-法呢烯、β-没药烯、α-姜黄烯和β-倍半水芹烯等。除此之外，姜还富含钙、锌、钠、磷、铁、镁等矿物质，以及硫胺素、烟酸、核黄素和维生素C等维生素。文章进一步指出，挥发性成分主要贡献香气与风味，而非挥发性苯丙烷衍生物则是辛辣口感的重要来源；同时，姜中还含有已知的强蛋白水解酶zingibain。

5. Significance of Zingiber officinale (Ginger) in Nanotechnology

作者在本节阐明姜在纳米技术中的意义。植物提取物富含植物化学分子，可作为抑制病原体传播的替代策略，而这些生物活性分子又可在纳米技术中充当还原剂和稳定剂，将金属离子由单价或二价氧化态还原为零价态，即M⁺、M²⁺→M⁰。文中指出，姜根茎由于药用价值突出，其生物活性分子已被多项研究证实可有效介导金属纳米颗粒的还原、封端与稳定。与其他植物、真菌或细菌介导体系相比，姜提取物往往更易操作，且无需复杂培养条件，所生成纳米颗粒通常稳定、低毒，并具备多领域应用潜力。

6. Zingiber officinale (ginger) rhizome aqueous extract preparation

该部分总结了姜根茎水提物的常见制备流程。总体步骤包括：清洗并浸泡根茎，去皮切片，研磨成糊状，将约10 g根茎糊与30 mL去离子水混合，在60 °C下加热5 min以提取植物化学成分，随后经无菌滤纸过滤去除纤维杂质，获得浅黄色提取液，并于4 °C保存。作者借此说明，姜提取液制备过程简单、可重复，为后续纳米颗粒绿色合成提供了标准化基础。

7. Green synthesis of metallic nanoparticles by Zingiber officinale

本节为全文核心内容之一，集中综述姜提取物介导多种金属纳米颗粒的绿色合成协议。文中列举了银（Ag）、金（Au）、铜（Cu）、铂（Pt）、锌（Zn）、铁（Fe）、钴（Co）和铅（Pb）等纳米颗粒的前驱体种类、浓度、提取物用量、反应温度和时间。作者指出，合成过程中最直观的初步证据是反应体系颜色变化，其本质与金属离子被还原以及表面等离子体共振（SPR）现象密切相关。文章总结认为，姜提取物类型、浓度、反应介质pH和温度，以及金属盐浓度等因素，均会影响纳米颗粒的形成速率、尺寸、形貌及结构。

文中进一步概述多项实例研究，如AuNPs在HAuCl₄体系中的快速生成、AgNPs在AgNO₃体系中的颜色变化及离心纯化流程，以及CuNPs在CuSO₄体系中的微波辅助制备。综合这些研究，作者强调姜来源生物活性分子在反应中兼具还原与稳定双重功能：一方面促使金属离子转变为金属原子并启动成核，另一方面通过天然封端层抑制团聚，提高产物长期稳定性。整体而言，该合成路线具有原料易得、能耗较低、流程简便及经济性好的特点。

8. Mechanisms and roles of Zingiber officinale (ginger) rhizome extract biomolecules for the bio-reduction process

文章在机制层面讨论姜提取物如何介导金属纳米颗粒生成。作者指出，姜中已鉴定出约400种活性生物分子，包括黄酮类、生物碱、萜类、酚类及挥发性成分等。含有酮基、羧基（-COOH）、羰基（CO）和羟基（-OH）等官能团的植物化学成分可作为生物还原剂，蛋白质和氨基酸则常承担封端功能。这些官能团通过向金属离子供电子形成稳定金属-配体络合物，从而提高离子反应性和溶解性，促进还原过程。

作者将纳米颗粒形成过程概括为成核、生长、聚集与稳定四个相关阶段。依赖姜来源代谢物的抗氧化性质，电子可由黄酮类、多酚、酶、维生素、多糖及萜类等转移至金属离子，使其由较高氧化态降至零价态，如Ag⁺→Ag⁰、Au³⁺→Au⁰。当金属原子浓度达到成核阈值后，开始形成小簇；提取物浓度升高可提升成核速率，并促进较小粒径纳米颗粒形成。随后金属原子沉积于晶核表面进入生长阶段，并在不同反应条件下形成球形、棒状或三角形等结构。最终，特定植物化学成分在颗粒表面形成天然包覆层，防止团聚并改善分散性。

文章还结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证据，指出姜提取物中的酚类、酯类、烯烃、炔烃、蛋白质、碳水化合物、胺类和氨基酸等均可能参与AgNPs和AuNPs的生物还原与稳定。另有研究采用电化学方法分析姜提取液中活性成分的氧化还原行为，显示部分含4-羟基-3-甲氧基苯基结构单元的化合物参与不可逆氧化还原过程，这为其供电子还原金属离子提供了支持性证据。作者进一步指出，姜来源植物化学包覆层还可能增强纳米材料与细菌表面的静电相互作用，并促进活性氧（ROS）生成，从而提高其生物学与催化学效能。

9. Optimization parameters for Z. officinale (ginger) rhizome extract-mediated synthesis of metallic nanoparticles

本节从工艺调控角度综述影响姜介导MNPs合成的关键参数。首先，提取物浓度直接影响产率、粒径和形貌；适当提高提取物浓度可增加可反应官能团数量，促进纳米颗粒形成，但低于最佳浓度时还原不足、稳定性下降。其次，pH是决定植物分子电荷状态及其还原/封端能力的重要因素。较高pH通常有利于快速成核并形成尺寸更小、稳定性更好的颗粒，而较低pH则更容易导致聚集和较大粒径形成。再次，反应时间影响金属离子还原完全程度及颗粒结构演化，吸收峰强度趋于恒定通常提示还原过程基本完成。温度方面，升高温度可加快生物合成速率、增强SPR峰强度并促进更小粒径颗粒生成，但部分研究也表明室温可维持良好稳定性。最后，溶剂类型同样关键，文中多次强调水作为理想绿色溶剂的优势，且姜水提物在AgNPs合成中的还原能力优于有机提取物或混合溶剂体系。

10. Characterization of the synthesized metallic nanoparticles from Zingiber officinale (ginger) extract

本节总结了姜提取物介导金属纳米颗粒的常用表征技术。作者指出，表征目标包括粒径、形状、分散性、结晶性、孔隙性、Zeta电位、化学组成及表面形貌等，这些性质与纳米颗粒的活性、安全性和体内分布密切相关。紫外-可见光谱（UV–Vis）常用于通过SPR峰确认颗粒形成；FTIR用于识别附着于颗粒表面的官能团；动态光散射（DLS）用于测定流体力学粒径；Zeta电位用于评估表面电荷与胶体稳定性；X射线衍射（XRD）和能量色散X射线谱（EDS）等技术用于结晶性和元素组成分析；扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）则用于观察形貌和真实粒径。

文章结合实例指出，姜介导AuNPs通常在约530 nm出现单一SPR峰，TEM多见球形颗粒，平均尺寸可在约15 nm量级；部分AgNPs呈球形、六边形或三角形，TEM常见小于15 nm的颗粒，而DLS测得的水合粒径往往更大。若Zeta电位绝对值较高，则通常提示胶体稳定性较佳。XRD结果普遍证明产物具有晶体结构，FTIR峰则支持姜来源酚类、黄酮类、蛋白质及其他官能团参与包覆和稳定。整体上，这些表征结果共同说明姜提取物可高效介导生成形貌相对均一、晶型明确且具有一定物理稳定性的金属纳米颗粒。

11. Biological applications of Zingiber officinale extract-mediated metallic nanoparticles

文章最后系统综述了姜介导MNPs的生物学功能。其一，在抗菌方面，AuNPs与AgNPs对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等均表现出显著抑制作用，机制可能涉及穿透细胞膜、诱导ROS生成、蛋白变性、DNA复制抑制和膜结构破坏等；小粒径颗粒因比表面积更大而通常具有更强抗菌效应。其二，在抗真菌方面，AgNPs和CuNPs等对烟曲霉、尖孢镰刀菌、Candida albicans等表现出较好的抑制潜力，部分研究提示其机制可能与麦角固醇通路抑制相关。其三，在抗癌方面，姜介导的Au/Ag双金属纳米颗粒及多种单金属纳米颗粒对HepG2、MCF7、T47D、Caco及胰腺癌细胞系均显示细胞毒性，可能与选择性靶向、氧化应激增强、细胞核损伤及DNA干扰有关。其四，在抗氧化方面，姜来源多酚及纳米化后表面特性共同赋予材料较强自由基清除能力，常通过DPPH和ABTS实验评价。其五，在催化方面，姜介导AgNPs可催化多种有机染料和4-硝基苯酚（4-NP）的降解，还原效率较高，显示出环境治理应用前景。

12. Challenges and future perspectives

作者指出，尽管姜基MNPs具备丰富性质和广泛应用前景，但其产业化和商业化仍受多重障碍限制。现有研究以体外实验为主，体内应用证据有限，毒性机制、免疫原性、长期安全性及剂量依赖性风险尚缺乏充分评估。与此同时，姜提取物植物化学及矿物组成受成熟度、地理来源、采收季节和气候条件影响显著，这种原料差异直接制约合成过程标准化、规模化和批次一致性。作者认为，未来应强化体内试验与规范化研究，建立涵盖代谢物提取、工艺优化、表征、生物学评价和监管框架的标准协议，以支撑可重复、可放大且成本可控的姜基纳米产品开发。

13. Conclusions

结论部分认为，植物材料参与的绿色合成已被证明是制备金属基纳米颗粒的有效生态友好路径。姜作为富含活性植物化学成分的药食同源资源，在金属离子还原和纳米结构稳定方面具有突出优势。本文综述了姜根茎提取物介导金属纳米颗粒的制备流程、活性分子作用、理化参数优化、表征技术及生物学应用，并强调Ag、Au、Cu和Pd等姜来源纳米材料在实验研究中表现出良好潜力。同时，作者也批判性指出其在安全性、可放大性和可重复性方面仍存在关键限制。总体而言，姜提取物在植物纳米技术（phytonanotechnology）中具有重要开发前景，但其向全球医疗体系中的纳米植物药（nano-phytomedicines）转化，仍有赖于后续深入、规范且可验证的研究。