胡椒（Piper nigrum Linn.）不仅是一种重要的香辛料作物[1],其多部位具有生物活性,也是常用的中药材。我国自1947年引入胡椒以来,目前已在海南、云南、广西、广东和福建等地区广泛种植,面积和产量分别居世界第6位和第5位,其中海南省占据90%以上[2,3]。胡椒从种植到收获过程中会产生大量废弃物,根据在海南省国营东昌农场和东红农场的布点测算试验结果显示,每年每公顷胡椒树在栽培管理过程中会产生鲜胡椒枝蔓约1 t[4]。但是,目前胡椒修剪的枝蔓,大都田间随意丢弃,未做任何开发,造成巨大的资源浪费和农村环境破坏。同时,文献报道胡椒废弃物中蕴含着丰富的活性化学物质,具有巨大的开发利用价值[5,6,7,8]。
目前,对胡椒化学成分的分析的研究大都集中在果实和胡椒根,而对胡椒废弃物中化学成分的研究还少有报道[9,10,11,12]。葛畅等[5]对胡椒鲜果果皮中糖类、有机酸、皂苷等进行了定性分析。张水平等[6,7]从胡椒叶中分离得到2种抗氧化活性的物质扁柏脂素和野漆树苷。王延辉等[8]对胡椒梗中挥发性成分进行研究,并比较了胡椒梗与胡椒中提取物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制能力。而胡椒废弃物胡椒蔓中化学成分的分离鉴定及抗炎抗氧化活性研究尚未见报道。同时,根据文献报道[13,14],胡椒根具有温经通络、祛寒除湿、改善睡眠等功效。民间验方认为胡椒根味辛、性温,入膀胱、肾二经,可用于风湿麻木、筋骨疼痛、慢性温疹等症的治疗,是海南岛及东南亚地区广为流传的民间药膳食疗良方,作为药用食材在市场上广为销售,单位价格甚至比胡椒果实还高[4]。而关于胡椒蔓和胡椒根抗炎抗氧化活性的研究尚未见报道。
本研究以废弃胡椒蔓和胡椒根为试材,比较研究了胡椒蔓不同极性溶剂提取物与根提取物活性的差异,并对其化学成分进行分离鉴定。以期为胡椒蔓的活性研究提供化学基础,为胡椒废弃物高效资源化综合利用提供理论依据和数据基础,同时对于将胡椒废弃物变废为宝、促进胡椒产业化升级也具有十分重要的意义。
1 材料与方法
1.1 材料
R-210旋转蒸发仪（Buchi）、万分之一天平（SHIMAZU）、恒温培养箱、制备色谱仪（Thermo,U-3000）、多种规格的玻璃填充柱、超导核磁仪（400 MHz,AV-500,Brucker）、气质联用仪（7890A-5975C,Agilent）;三重四极杆电喷雾电离质谱仪（ESI-MS）（美国AB SCIEX公司）;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚（BHT）购自麦克林试剂公司,二氯甲烷、乙酸乙酯、异丙醇为分析纯;层析硅胶（100~200目,青岛海洋化工厂）、葡聚糖凝胶（LH-20,Sigma公司）、ODS填料、大孔树脂（三菱化学）;胡椒蔓和胡椒根样品,采集于海南省琼海市胡椒种植基地,置于40 ℃烘箱干燥待用。
1.2 方法
1.2.1 组分的提取 胡椒蔓和胡椒根经小型粉碎机打碎,称取4.0 kg胡椒蔓,1.0 kg胡椒根分批次于95 %乙醇中浸泡48 h,超声2 h,每批次提取3次,提取液合并后于旋转蒸发仪上40 ℃蒸发分别得到胡椒蔓浸膏（224.5 g）和胡椒根浸膏（34.6 g）。将胡椒蔓浸膏54.3 g用水分散后分别用石油醚、乙酸乙酯进行萃取,将萃取液分别进行旋蒸,分别得到石油醚部分的浸膏（9.32 g）、乙酸乙酯部分的浸膏（17.41 g）和水相浸膏（20.22 g）,和胡椒根浸膏一并用于活性测试。
1.2.2 组分活性测试 对分离到的物质进行活性测试。
耳肿胀度=右耳质量-左耳质量;
耳肿胀抑制率=(模型组肿胀度–给药组肿胀度)/模型组肿胀度×100%。
表1 实验分组及给药剂量Tab. 1 Experiment groups and doses |
| 成分 Components | 组别 Group | 样本数 Sample number | 剂量 Dose/(g·kg-1) |
|---|---|---|---|
| 水Water | 对照组CK | 8 | - |
| 地塞米松Hexadecadrol | 阳性组 Positive control | 8 | 0.01 |
| 胡椒根提取物 Extract of root | 低剂量组 Low dose | 8 | 2.0 |
| 中剂量组 Medium dose | 8 | 4.0 | |
| 高剂量组 High dose | 8 | 8.0 | |
| 胡椒蔓提取物 Extract of branch | 低剂量组 Low dose | 8 | 2.0 |
| 中剂量组 Medium dose | 8 | 4.0 | |
| 高剂量组 High dose | 8 | 8.0 | |
| 胡椒蔓乙酸乙酯提取物 Acetic ether extract of branch | 低剂量组 Low dose | 8 | 2.0 |
| 中剂量组 Medium dose | 8 | 4.0 | |
| 高剂量组 High dose | 8 | 8.0 | |
| 胡椒蔓石油醚 提取物 Petroleum ether extract of branch | 低剂量组 Low dose | 8 | 2.0 |
| 中剂量组 Medium dose | 8 | 4.0 | |
| 高剂量组High dose | 8 | 8.0 | |
| 胡椒蔓水相 提取物 Aqueous extract of branch | 低剂量组 Low dose | 8 | 2.0 |
| 中剂量组 Medium dose | 8 | 4.0 | |
| 高剂量组 High dose | 8 | 8.0 |
（2）抗氧化活性。抗氧化性以清除DPPH自由基能力来评价,优化文献[18,19,20]的方法,DPPH溶液的配置：称取DPPH适量,以无水乙醇溶解,定容,现配成0.2 mmol/L的反应液,即配即用。样品测定：分别将胡椒根提取物、胡椒蔓提取物、胡椒蔓乙酸乙酯提取物、胡椒蔓石油醚提取物、胡椒蔓水相提取物用60%乙醇配制成不同浓度的样品待测液（1.0、2.0、5.0、10.0、20.0、50.0 μg/mL）,再将2 mL 0.2 mmol/L DPPH乙醇溶液加入到1.0 mL上述样品待测液中,充分混合,室温下在暗处静置30 min,于517 nm处测定吸光值（A样品）。空白溶液测定：将2 mL无水乙醇加入到1.0 mL样品待测液中,充分混合,静置30 min后测定517 nm处的吸光值（A样品空白）。溶剂空白测定：将2 mL 0.2 mmol/L DPPH乙醇溶液加入到1.0 mL溶剂中,充分混合,静置30 min后测定517 nm处的吸光值（A溶剂空白）。每个样品平行测定3次,取平均值计算样品对DPPH自由基的清除率。同法以相同浓度的BHT做参照实验。
DPPH清除率=[1-(A样品-A样品空白)/A溶剂空白]×100%
1.2.3 成分分离与鉴定 胡椒蔓浸膏（128.4 g）经大孔树脂脱色后蒸干,过硅胶柱色谱（填料4 cm × 20 cm）,以石油醚：乙酸乙酯（V/V）=20∶1、15∶1、10∶1、5∶1、2∶1、1∶2、1∶5,乙酸乙酯∶甲醇（V/V）=10∶1、5∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶5和纯甲醇进行梯度洗脱得馏分A~D,A馏分再过小硅胶柱,反复柱色谱得到化合物3（5.3 mg）,4（7.8 mg）;B馏分过硅胶小柱,凝胶柱,得到化合物1（15.4 mg）,2（10.1 mg）,5（6.1 mg）;馏分C过硅胶柱、反相柱、凝胶柱,得到化合物7（5.6 mg）;馏分D经过反相柱、制备色谱得到化合物6（3.1 mg）,8（7.7 mg）。通过GC-MS（带NIST 11.0谱库）、ESI-MS、NMR等对结构进行鉴定。
1.3 数据处理
采用Origin 7.5软件完成绘图,所有实验数据利用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析（one-way ANOVA）,对处理之间双重比较采用LSD（least significant difference）分析。进行胡椒根与胡椒蔓同一剂量下的各提取液的抗炎效果进行显著性分析。
2 结果与分析
2.1 提取物抗炎活性
用小鼠耳肿胀实验评价不同提取物的抗炎活性,结果如图1所示,几种提取物虽然活性均较阳性对照低,但仍然表现出明显的抑制耳肿胀的抗炎作用,而且呈现出明显的剂量效应。胡椒蔓中乙酸乙酯提取物抑制耳肿胀的抗炎活性最明显,水相提取物活性居中,石油醚提取物活性最差。以胡椒根提取物抑制率为基准,比较同一剂量下其与胡椒蔓各极性提取物活性的差异。高剂量（8.0 g/kg）的胡椒根、蔓乙酸乙酯提取物、蔓水相提取物和蔓石油醚提取物对肿胀的抑制率分别为32.69%、43.04%、24.27%和22.82%,结果表明,胡椒蔓的乙酸乙酯提取物抗炎活性要高于同等浓度的胡椒根提取物,而石油醚和水相提取物的活性要低于根提取物。与其类似,中剂量（4.0 g/kg）和低剂量下（2.0 g/kg）胡椒蔓的乙酸乙酯提取物活性均高于根提取物,而石油醚和水相的提取物效果低于根提取物。同时,各剂量下水相提取物的活性均高于石油醚提取物。
图1 不同处理下小鼠耳肿胀及抑制率比较同一剂量下胡椒根与胡椒蔓各提取物的抗炎效果进行显著性分析,*为显著标识,P<0.05。 Fig. 1 Comparison of the ear swelling and inhibition rate in mice under different treatments Significance analysis of the anti-inflammatory effect from the extracts of pepper root and pepper branch at the same dose was calculated. The “*” was significantly different, P<0.05. |
结果表明（图1）,以相同剂量下胡椒根提取物为基准,与胡椒蔓乙酸乙酯、石油醚、水相提取物相比,高剂量下（8.0 g/kg）胡椒根提取物与乙酸乙酯、石油醚相具有显著差异,其中,乙酸乙酯提取物的抗炎能力要显著高于根提取物,而石油醚提取物的抗炎能力要显著低于根提取物;中剂量下（4.0 g/kg）乙酸乙酯提取物的抗炎能力同样要显著高于根提取物,而其他均无显著性差异;低剂量下（2.0 g/kg）各组均无显著性差异。
2.2 提取物抗氧化活性
以BHT为参照,不同浓度的胡椒根提取物、胡椒蔓提取物、胡椒蔓乙酸乙酯提取物、胡椒蔓石油醚提取物和胡椒蔓水相提取物抗氧化活性如图2所示,几种提取物对DPPH自由基清除能力均呈现出随浓度升高而增强,剂量效应明显。BHT清除自由基能力明显较胡椒各提取物强。相同浓度下,胡椒根与胡椒蔓各提取物抗氧化活性进行比较,结果表明,胡椒蔓乙酸乙酯提取物抗氧化活性最明显,石油醚提取物活性最差且显著低于胡椒根提取物活性。几种提取物抗氧化活性大小顺序为：胡椒蔓乙酸乙酯相、根提物>蔓水相、蔓粗提物>蔓石油醚相。低浓度时（1 μg/mL）时,胡椒蔓乙酸乙酯相、根提物、蔓水相、蔓粗提物和蔓石油醚相的DPPH清除率分别为：13.52%、11.45%、7.65%、5.94%和0.69%;高浓度（20 μg/mL）时,其DPPH消除率分别为：47.46%、48.15%、37.30%、39.80%、29.11%。
图2 胡椒不同部位提取液抗氧化活性比较同一剂量下胡椒根与胡椒蔓的各提取液的抗氧化效果进行显著性分析,*为显著标识,P<0.05;**为极显著标识,P<0.01。 Fig. 2 Antioxidant activities of the extract from different parts of P. nigrum Significance analysis of the anti-oxidation effect from the extracts of pepper root and pepper branch at the same dose was calculated. The “*” was significantly different, P<0.05. The “**” was extremely significantly different, P<0.01. |
结果表明（图2）,以相同剂量下胡椒根提取物为基准,与胡椒蔓乙酸乙酯、石油醚、水相提取物相比,胡椒根提取物与胡椒蔓乙酸乙酯提取物各浓度均无显著性差异,而与水相提取物、石油醚提取物和蔓粗提物的差异性较为显著,特别是与石油醚提取物相比,差异性极为显著。
实验结果表明,胡椒蔓的乙酸乙酯提取物抗炎、抗氧化活性与胡椒根相比高于或者与之相当,而石油醚相和水相提取物效果则相对较差。乙酸乙酯极性处于石油醚和水相之间,萃取到了胡椒蔓中极性处于中间部位的化学成分,其中所含抗炎、抗氧化作用的物质相对丰富,发挥相应的活性作用,这也为胡椒废弃物高值化利用方式提供了方向,也为胡椒根的替代效果提供了部分基础数据。根据实验结果可以推测,胡椒蔓乙酸乙酯相中包含多种抗炎抗氧化物质,这些物质是其生理活性的化学基础。因此,进行胡椒蔓提取物中化学物质的分离鉴定,能为进一步明确其活性成分,探索其可利用的化学物质提供科学基础。
2.3 胡椒蔓提取物成分及结构鉴定
对分离得到的上述化合物,通过质谱（GC- MS）、液相色谱-质谱（LC-MS）、核磁共振氢谱（1H-NMR）和核磁共振碳谱（13C-NMR）并结合文献等多种方法进行结构鉴定。
化合物1,半固体状,易溶于氯仿,丙酮等。经ESI-MS分析,准分子离子峰为286.2[M+H]+,核磁鉴定数据如下：1H-NMR (400 MHz, CDCl3) δ 6.45 (1H, d, 13.85 Hz, H-2), 6.77(1H, m, H-3), 7.39 (1H, m, H-4), 6.78 (1H, m, H-5), 6.95 (1H, d, 1.54 Hz, H-7), 6.85 (1H, d, 1.54 Hz, H-10), 6.88 (1H, d, 1.54 Hz, H-11), 5.95 (2H, s, H-12), 3.66 (2H, s, H-1′), 1.64 (2H, m, H-2′), 1.53 (2H, m, H-3′), 3.52 (2H, s, H-4′)。13C-NMR (100 MHz, CDCl3) δ 164.47 (C=O), 148.54 (C-8), 148.33 (C-9), 142.35 (C-3), 137.22 (C-5), 130.22 (C-6), 125.65 (C-4), 122.78 (C-2), 120.88 (C-11), 108.54 (C-10), 105.49 (C-7), 101.33 (OCH2O), 43.66 (C-1′), 25.77 (C-2′), 18.89 (C-3′)。经质谱、氢谱和碳谱分析,并结合文献[21]对比确定该化合物为胡椒碱,分子式为C17H19NO3,结构式见图3。
化合物2,粉末状固体,易溶于氯仿等。经GC-MS鉴定,其特征离子峰为149,135,150,131等,经由NIST 11.0标准谱库检索,与胡椒碱的相似度为97%。核磁鉴定数据如下：1H-NMR (400 MHz, CDCl3) δ 6.88 (6H, m, H-2, 2′, 5, 5′, 6, 6′), 5.96 (4H, s, 2O-CH2O), 4.75 (2H, s, H-7, 7′), 4.25 (2H, m, H-9a, 9a′), 3.88 (2H, d, 6.08 Hz, H-9b, 9b′), 3.06 (2H, m, H-8, 8′)。13C-NMR (100 MHz, CDCl3)δ 147.58 (C-4, 4′), 146.88 (C-3, 3′), 134.79 (C-1, 1′), 119.05 (C-6, 6′), 107.82 (C-5, 5′), 106.44 (C-2, 2′), 101.00 (2OCH2O), 85.24 (C-7, 7′), 71.66 (C-9, 9′), 54.01 (C-8, 8′)。LC-MS (ESI)：[M+Na]+=377.1,经质谱、氢谱和碳谱分析,并结合文献[22]对比确定该化合物为芝麻素,分子式为C20H18O6,结构式见图3。
化合物3,蜡状物,易溶于氯仿。经GC-MS鉴定,其特征离子峰为74,87,43,55,经由NIST 11.0标准谱库检索,与棕榈酸甲酯的相似度为99%,核磁鉴定数据如下：1H-NMR (400 MHz, CDCl3) δ 0.88 (3H, t, 6.56 Hz, H-18), 1.26~1.28 (24H, m, H：4~15), 1.62 (2H, m, H-3), 2.30 (2H, t, 7.48 Hz, H-2), 3.67 (3H, s, H-21)。13C-NMR (100 MHz, CDCl3) δ 14.09 (C-16), 22.69~34.12 (C：2~15), 51.39 (C-17), 174.29 (C-1), 经质谱、氢谱和碳谱分析,并结合文献[23]对比确定该化合物为棕榈酸甲酯,分子式为C17H34O2,结构式见图3。
化合物4,白色固体,易溶于氯仿。经GC-MS鉴定,其特征离子峰为55,83,81,69,经由NIST 11.0标准谱库检索,与豆甾醇的相似度为96%,核磁鉴定数据如下：1H-NMR (400 MHz, CDCl3) δ 5.35 (1H, brd, 4.96 Hz, H-6), 5.16 (1H, dd, 8.56, 15.16 Hz, H-22), 5.02 (1H, dd, 8.6, 15.12 Hz), 3.52 (1H, m, H-3), 1.02 (3H, d, 7.3 Hz, H-21), 0.84 (3H, t, 6.32 Hz, H-29), 0.80 (3H, d, 6.88 Hz, H-26), 0.70 (3H, s, H-18)。13C-NMR (100 MHz, CDCl3) δ 12.07 (C-19), 12.25 (C-25), 19.00 (C-30), 19.41 (C-23), 21.09 (C-21), 21.23 (C-22), 24.39 (C-18), 25.42 (C-11), 28.92 (C-12), 31.70 (C-9), 31.90 (C-20), 31.94 (C-8), 36.55 (C-3), 37.29 (C-29), 39.72 (C-4), 40.49 (C-26), 42.26 (C-14), 42.35 (C-24), 50.21 (C-17), 51.26 (C-28), 56.00 (C-10), 71.84 (C-1), 121.72 (C-7), 140.79 (C-6), 129.32 (C-16), 138.32 (C-15),经质谱、氢谱和碳谱分析,并结合文献[24]对比确定该化合物为豆甾醇,分子式为C29H48O,结构式见图3。
化合物5,黄白色粉末,易溶于甲醇等。经GC-MS鉴定,其特征离子峰为77,208,207,103,经由NIST 11.0标准谱库检索,与豆甾醇的相似度为98%,核磁鉴定数据如下：1H-NMR (400 MHz, CDCl3) δ 4.71 (2H, d, 2.32 Hz, H-8), 6.52 (1H, d, 2.84 Hz, H-4), 8.05~8.06 (1H, d, 4.0 Hz, H-2), 7.83~7.87 (1H, d, 16 Hz, H-2), 7.43~7.69 (10H, H-Ar)。13C-NMR (100 MHz, CDCl3) δ 190.57 (C=O), 122.13 (C-3), 144.86 (C-2), 122.47~138.24 (C-Ar),经质谱、氢谱和碳谱分析,并结合文献[25]对比确定该化合物为查尔酮,分子式为C15H12O,结构式见图3。
化合物6,具有香味的浅黄色液体,易溶于甲醇等。经ESI-MS分析,准分子离子峰为m/z 127.0 [M+H]+,经GC-MS鉴定,其特征离子峰为97,126,41,39,经由NIST 11.0标准谱库检索,与5-羟甲基糠醛的相似度为96%,核磁鉴定数据如下：1H-NMR (400 MHz, CDCl3) δ 3.75 (3H, s, OCH3), 3.32 (2H, m, CH2), 4.79~5.92 (3H, m, CH2=CH-), 6.60~6.80 (3H, m, H-Ar)。13C-NMR (100 MHz, CDCl3) δ 56.30 (OCH3), 39.58 (CH2), 110~145 (C=C, C-Ar),经质谱、氢谱和碳谱分析,并结合文献[26]对比确定该化合物为5-羟甲基糠醛,分子式为C6H6O3,结构式见图3。
化合物7,油状液体,易溶于氯仿,甲醇等。经ESI-MS分析,准分子离子峰为m/z 163.0 [M-H]-,核磁鉴定数据如下：1H-NMR (400 MHz, CDCl3) δ 4.71 (2H, d, 2.32 Hz, H-8), 6.52 (1H, d, 2.84 Hz, H-4), 7.23 (1H, d, 3.4 Hz, H-3), 9.56 (1H, d, 3.84 Hz, H-6), 3.27 (1H, br, H-9)。13C-NMR (100 MHz, CDCl3)δ 57.50 (C-8), 110.01 (C-4), 123.15 (C-3), 152.25 (C-2), 160.97 (C-5), 177.78 (C-6),经质谱、氢谱和碳谱分析,并结合文献[27]确定该化合物为丁香酚,分子式为C10H12O2,结构式见图3。
化合物8,棕红色粉末状物质,易溶于甲醇等。经ESI-MS分析,准分子离子峰为 [M-H]-= 136.9,核磁鉴定数据如下：1H-NMR (400 MHz, CDCl3) δ 6.90 (1H, d, 8.04 Hz, H-9), 7.29~7.31 (2H, m, H-3, 8), 9.68 (1H, s, H-1)。13C-NMR (100 MHz, CDCl3) δ 191.66 (C-1), 152.33 (C-6), 145.80 (C-4), 129.44 (C-2), 125.01 (C-9), 114.83 (C-3), 113.94 (C-8)。经质谱、氢谱和碳谱分析,并结合文献[28]对比确定该化合物为原儿茶醛,分子式为C7H6O3,分子式为C7H6O3,结构式见图3。
胡椒植株可入药,这与其所含的化学成分具有重要的关系,胡椒蔓中分离得到的8种化合物特别是胡椒碱、豆甾醇、5-羟甲基糠醛、查尔酮、原儿茶醛等具有显著的杀菌抗炎、抗氧化、抗肿瘤、改善血液循环与代谢等多种药理活性[29,30,31,32,33],是枝蔓资源开发利用的化学基础。对于胡椒根化学成分的分离早有报道,敖平等[34]1998年采用气-质联用技术,从胡椒根挥发油中分离鉴定出22种化合物。韦琨[9]2005年从胡椒根的甲醇提取物中分离得到60个酞胺类生物碱化合物。刘红等[35]2012年采用气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）分别在乙醇和乙酸乙酯提取的胡椒根油树脂中,鉴定出了27种化学组分,包括胡椒碱、豆甾醇、棕榈酸等。与本文胡椒蔓提取物中得的到8种化合物相比较可知,胡椒碱、豆甾醇、酸酯类和黄酮类在胡椒根和胡椒蔓中均有分离出来,少量几种物质如芝麻素等在胡椒根文献中未见报道,说明胡椒蔓中很多活性成分与胡椒根中种类一致,这也是胡椒枝蔓作为胡椒根替代开发材料的一个理论依据,也为胡椒废弃物高值化利用提供了理论依据。
3 讨论
本研究进一步利用多种分离分析技术,从胡椒蔓提取液中分离鉴定得到包括黄酮类、甾醇类、生物碱、木质素和酚类等8种化合物,进一步明确了其活性的化学基础。其中,多种物质具有抗炎抗氧化活性如豆甾醇、5-羟甲基糠醛、原儿茶醛等。胡椒碱作为胡椒的特征性成分,在胡椒蔓中也大量存在。近年来,随着人们健康理念的转变,中国传统医药越来越受到关注,对药材的需求剧增,很多传统的药材资源面临枯竭,因此,提高药用植物资源的利用率,变废为宝也逐渐成为农业和医药行业的研究热点。胡椒蔓具有产量大的优势,同时修剪的枝蔓也是亟待处理的农业废弃物,具有收集成本低的特点,降低了胡椒蔓利用的门槛,为其活性成分值得进一步开发利用提供了良好的基础。本研究也为保护农村生态环境,将胡椒废弃物变废为宝,促进胡椒产业化升级提供了科学依据。