Research progress on biosynthesis, content determination and biological activity of volatile oil components in Perillae Folium

紫苏叶中的挥发油化学成分类型包括单萜类，倍半萜类，芳香类，脂肪族类等，目前已报道的成分超过80种，主要包括紫苏醛、紫苏酮、香薷酮、柠檬醛、紫苏烯、β-石竹烯等多种成分。紫苏醛系统名为4-异丙烯基-1-环己烯基-甲醛，又称二氢枯名醛，分子式为C₁₀H₁₄O，是一种具有樱桃、油脂和枯茗类似香气的光学活性萜类化合物，是天然紫苏油的特征香气成分，存在于天然紫苏油、莲叶桐和香柠檬油中。根据2020版《中国药典规定》紫苏叶的挥发油含量不少于0.20%^[1]，

最早，日本学者Ito等^[2]根据紫苏挥发油主要成分的差别，将日本产的紫苏分成6个不同的化学型，并推测了每种成分的生物合成途径，之后又在泰国的紫苏样品中发现了另外一种化学型。而郭佳琪等^[3]从800份紫苏种质中选出非PK化学型的种质62份，并且发现了两种新亚型, 1份PA-Ⅱ型和3份PT-Ⅱ型。魏长玲等^[4]也参考了Ito等学者对紫苏精油的分类方法，汇总了国内70份不同来源样品的报道，将紫苏的化学型总结为7种，包括：① PA 型，主要含紫苏醛和柠檬烯；②PK型，主要成分为紫苏酮；③PAPK 型，含有紫苏醛、柠檬烯和紫苏酮；④PL 型，主要成分为紫苏烯；⑤PP型，PP-a 型，主要成分为芹菜脑；PP-m 型，主要成分为肉豆蔻醚；PP-e 型，主要成分为榄香素；PP-as 型，主要成分为细辛脑；⑥PT 型，主要成分为薄荷烯酮和柠檬烯。⑦F 型，主要成分为2-己酰呋喃。目前仍有不少学者对紫苏种质进行研究，不断有新的化学型出现，如C（柠檬醛）型，MT（β-石竹烯、肉豆蔻碱）型，EK（香薷酮）型，PS（倍半萜）型等。

腺毛是紫苏、薄荷等挥发性植物挥发油的生成和分泌部位。紫苏的腺毛分为头状腺毛和盾状腺毛两种，其中挥发油主要是在盾状腺毛中生成和积累，腺毛的类型、结构、分布、数量和发育等与挥发油的产生和分泌有着直接的联系。Nitta等^[5]通过研究推测紫苏叶挥发油主要化学成分合成途径分成两类：单萜类成分合成通过甲羟戊酸（MVA）途径，而芳香类成分则是通过莽草酸（SA） 途径合成。这两种途径的转换受相应基因的调控。

甲羟戊酸途径是通过甲羟戊酸生成异戊烯基焦磷酸酯（IPP）和其双键异构体二甲基烯丙基焦磷酸酯（DMAP），IPP 和DMAP 通过生成焦磷酸香叶酯（GPP）进一步形成单环薄荷烷型骨架，该骨架阳离子在水分的作用下失去1个质子在柠檬烯合酶催化下生成柠檬烯，柠檬烯合成途径的开始受显性基因H的控制，存在该关键基因时从柠檬烯途径开始合成，之后柠檬烯在基因Ｒ 的调控下转化成紫苏醛^[6]。当柠檬烯不受Ｒ调控时则生成薄荷酮和薄荷烯酮。当途径中没有显性基因H 而变成隐性基因h 时，不再从柠檬烯途径合成，此时IPP 和其同分异构体焦磷酸橙花酯（NPP）会首先合成反式柠檬醛，反式柠檬醛在2个聚合基因Fr1，Fr2 的调控下生成呋喃环而进一步合成紫苏烯，紫苏烯通过基因J的作用再转化成白苏烯酮而进一步合成紫苏酮。同时IPP 亦可通过结构的变化生成顺式柠檬醛。在基因N 的调控作用下生成白苏酮，若存在关键基因P，Q则进一步生成香薷酮。

除了上述两条紫苏叶挥发油主要化学成分合成途径之外，还可通过特定的酶催化反应合成挥发油中的特定成分^[7]。紫苏醛生物合成过程中柠檬烯合酶、柠檬烯羟化酶、紫苏醇氧化酶和香叶基焦磷酸合酶等酶类发挥着关键作用，通过催化不同的生化反应，最终促成紫苏醛的生成。此外，以α-蒎烯和β-蒎烯为原料，经一系列催化、氧化、异构化等操作，所得到的紫苏醛含量高且纯度大。还可通过异构化桃金娘烯醛来获得紫苏醛或者通过紫苏醇氧化为紫苏醛。通过紫苏醛衍生物设计合成酰腙、腙、肟醚等一系列衍生物，进一步扩展紫苏醛的应用范围。

紫苏挥发油作为紫苏叶中的主要活性成分之一，其含量的测定对于紫苏叶的质量控制具有重要意义。随着对紫苏挥发油研究的不断深入，其含量测定方法也在不断发展和优化。如水蒸气蒸馏法提取紫苏叶和花中挥发油^[8]，利用不同的有机溶剂萃取法提取紫苏挥发油，并通过GC-MS分析了其成分^[9]。其他如超临界流体萃取法、微波辅助萃取法、超声辅助萃取法等不断发展，这些方法具有提取效率高，速度快等特点，但同时也存在成本高，规模小等弊端^[10]。温方方等^[11]利用气相色谱同时测定紫苏叶油中的紫苏烯、紫苏酮和紫苏醛含量，其方法简便，快速、准确，重复性好。谭善财等^[12]利用高效液相色谱测定不同部位中紫苏醛含量，发现紫苏醛含量与叶型之间存在一定的关联。此外，气相色谱-质谱联用技术也可被用于检测紫苏不同部位挥发油的化学成分组成及含量差异。近年来通过一种高光谱成像技术结合特征融合，成功建立了紫苏中紫苏醛含量的快速检测模型。同时，还可利用双模式光学传感器阵列，通过智能手机检测和识别溶液相和植物叶子中的紫苏醛含量，为紫苏叶挥发油的质量控制和成分分析提供支持^[13]。

种质对紫苏的影响主要体现在营养成分和活性成分的含量差异上，张琛武等^[14]对9个不同种质的紫苏叶进行不同日期、部位和时间取样，并测定紫苏醛含量，结果发现不同种质之间紫苏醛含量存在差异。Kaur等^[15]通过研究评估了印度东北喜马拉雅地区45种紫苏种质的营养成分，发现水分、灰分、油脂、蛋白质等含量存在显著差异，并观察到矿物质元素含量的显著变化。多变量分析显示种质间营养多样性丰富，相关性分析揭示了营养参数间的生化和代谢相互作用，为选择优质紫苏品种提供了科学依据。随着遗传转化和基因组编辑技术的进步，已有学者开始利用这些技术来获得紫苏的优良性状以提高产量和品质。

生长发育不同时期挥发油含量存在差异，通常花期含量最高但存在品种之间差异。2020 版《中国药典》规定紫苏叶应该在夏季枝叶茂盛时采收^[1]。向福等^[16]对不同生育期的紫苏进行了总挥发油含量的测定，发现开花期前紫苏叶挥发油含量不断升高，花期后则逐渐降低。Zhang等^[17]通过分析不同生育期的PA型紫苏叶挥发油组成，发现挥发油中主成分的含量在不同时期存在差异，但变动不大，紫苏醛在10 月中旬相对最高，为57. 21%，6月下旬最低，为54. 20%；β-石竹烯在9月中旬含量最高达7. 23%，10月中旬最低为4. 87%。杨军辉等^[18]研究了对不同采收期PK 型紫苏叶挥发性成分进行分析，发现其中10种主要成分（包括β-石竹烯、α-法尼烯等）的含量在8月和9月较高，而紫苏酮则是8 月份最高。采收时期的不同影响紫苏叶挥发油的总量，但成分构成类型变化不大，而相对含量有一定变化，也会造成紫苏叶挥发油质量的差异。

紫苏叶挥发油的提取一般采用水蒸气蒸馏法（SD），有机溶剂萃取（SE）、同时蒸馏萃取（SDE）、超声波辅助溶剂萃取（UASE）、液-液萃取（LLE）、超临界CO₂萃取（SFECO₂）等，此外，还有微波辐射诱导法、响应面优化法、无溶剂微波萃取法及生物酶解技术法等新型提取技术。张辰露等^[9]在对比分析了5种不同的紫苏叶挥发油提取方法后发现，萃取溶剂种类和辅助提取方式对提取效果影响显著，而纤维素酶辅助法和NaCl盐析辅助法均能有效提高紫苏叶挥发油的提取率，达到0.63%和0.54%，分别是常规SDE法得率的1.34倍和1.15倍。Huang等^[19]发现，使用SFE提取挥发油，不仅得油率高，提取速度也更快，能明显提高挥发油得率。而滕晓焕等^[20]以新鲜紫苏叶为主，利用离子液体-酶辅助水提得到的紫苏挥发油提取率为0.528%，在相同的条件下，比水提法提高了22.5%。

植物挥发油多具有抗菌活性，紫苏叶中富含丰富的挥发油，有研究表明^[21]，紫苏叶挥发油对革兰氏阳性和阴性菌均有抗菌效果，成分分析发现了10种主要化合物，包括芳香醇、紫苏醛、紫苏醇等，首次发现牻牛儿基牻牛儿醇，含量约2.69%。褚宏叶等^[22]研究发现紫苏醛和紫苏烯两种化学型紫苏挥发油对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌均有明显抑制活性。而紫苏醛型紫苏含紫苏醛、石竹烯等单萜类成分，紫苏烯型紫苏含紫苏烯、柠檬醛等单萜类成分。近期研究发现^[23]，紫苏酸对酸土脂环酸芽孢杆菌具有良好的抑菌效果，它通过破坏该菌的细胞膜和细胞壁，增加膜的通透性，进而导致氨基酸合成代谢紊乱。基于此制备的紫苏酸抗菌水凝胶，可有效抑制苹果汁中的酸土脂环酸芽孢杆菌，可开发天然抗菌剂。此外，利用紫苏醛/甲基-β-环糊精纳米纤维，提高紫苏醛热稳定性和水溶性，从而增强抑菌效果，据检测，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率分别达到96.2%和94.0%^[24]。

紫苏挥发油被认为是一种比化学合成的食品防腐剂更可靠的天然食品添加剂，具有广谱抗菌特性。其特征性成分紫苏醛在抗菌过程中发挥着关键作用，其抗菌机制主要通过调节活性氧（ROS）、自噬、蛋白降解和细胞膜完整性等途径实现，而不依赖于类胱天蛋白酶（metacaspase）^[25]。此外，还能通过调控过氧化氢酶CATA的表达，阻断黄曲霉菌细胞内活性氧的清除，促进其积累，导致细胞凋亡^[26]。智亚楠等^[27]采用水蒸气蒸馏法提取紫苏挥发油，发现其主要成分为2-丁酰呋喃（79.093%）和2-呋喃甲酰乙腈（12.398%），这些成分对番茄灰霉病菌、油菜菌核病菌、小麦赤霉病菌和花生白绢病菌有强烈熏蒸抑制作用。此外，还能影响植物病原真菌生物膜的结构和发育，抑制真菌分生孢子的黏附与萌发，提示其可用于防治植物病害^[28]。近年来，Wang等^[29]发现紫苏挥发油与聚乳酸制成的共混膜可延长冷冻鸡肉保鲜期至12天，负载紫苏醛的聚乳酸膜也能提升冷鲜羊肉保质期，并具有良好的机械性能。同时，以紫苏醇为原料，经多步反应合成紫苏醇硒氰酸酯对小麦纹枯病菌和苹果轮纹病菌抑制率分别为97.4%和83.9%，这一数据接近阳性药百菌清，充分显示出紫苏挥发油良好的开发价值^[30]。

紫苏挥发油具有抗真菌作用，还能够减轻宿主的炎症反应。冯劼等^[31]通过GC-MS分析紫苏叶挥发油成分，发现其主要含柠檬烯、紫苏醛、紫苏酮、芹菜脑和反式丁香烯。实验表明，紫苏挥发油可减轻角叉菜胶诱导的炎症，降低PGE2、NO含量及蛋白渗出，抑制白细胞游走，且与肾上腺皮质系统无关。而紫苏醛作为紫苏挥发油的主要单体成分，抗炎作用也十分显著。Chen等^[32]的研究发现，在口咽部念珠菌病小鼠模型中，紫苏醛不仅能抑制白念珠菌毒力，还能抑制NLRP3炎症体的组装，减少活性氧积累，阻止p65核转移，降低宿主炎症反应。还可通过激活Nrf2/HO-1信号通路，抑制Dectin-1介导的炎症反应和中性粒细胞募集，改善烟曲霉菌感染的小鼠角膜炎^[33]。此外，紫苏醛还能通过抑制脂多糖（LPS）诱导的肺组织病理变化、炎症细胞的浸润、炎症因子过表达和氧化应激；显著下调cGAS、STING、p-TBK、p-IRF3、p-P65和p-IκB的表达，并抑制cGAS/STING介导的IRF3/NF-κB信号通路，有效缓解LPS诱导的急性肺损伤（ALI），可作为ALI的潜在候选药物^[34]。

植物挥发油作为一种天然抗氧化剂，不仅高效安全，还具有绿色环保等特点。张彦等^[35]对比了8种植物挥发油的抗氧化活性，采用DPPH自由基清除法进行评估比较，发现紫苏叶挥发油的抗氧化活性在这8种植物中最为突出。紫苏挥发油中的紫苏醛具有显著的抗氧化能力，可通过抑制炎症反应和氧化应激，进一步增强了紫苏挥发油的综合抗氧化能力^[36]。曾燕茹等^[37]发现PK型紫苏挥发油具有良好的抗氧化能力，其主要成分包括紫苏酮、异白苏烯酮和β-石竹烯。这些成分赋予了PK型紫苏挥发油对DPPH和ABTS自由基的清除能力，且抗氧化活性指标均与浓度呈正相关。Masahiro等^[38]从紫苏中分离出了两种新型抗氧剂：乙烯基咖啡酸酯和咖啡酸反式对薄荷-8-烯-7-基酯（trans-p-menth-8-en-7-yl caffeate），其中，咖啡酸反式对薄荷-8-烯-7-基酯能有效的防止紫苏醛在紫苏挥发油中的氧化降解，从而保持了紫苏挥发油的稳定性和抗氧化活性。

抑郁症是常见的精神障碍，早在2008年，世界卫生组织将重度抑郁症列为全球疾病负担第三大原因，预计2030年将升至首位。其临床表现多样，成因复杂，给检测、诊断和治疗带来挑战。而紫苏在传统用药中常用于抗抑郁，常见于香苏散、半夏厚朴汤等方剂。

已有多项研究涉及紫苏及其提取物和单体成分在抗抑郁方面的效应。Ji等^[39]利用慢性不可预知轻度应激（CUMS）小鼠模型发现，紫苏精油（EOPF）可逆转CUMS诱导的海马5-HT及5-HIAA水平下降、血浆促炎因子（IL-6、IL-1β、TNF-α）升高，并改善蔗糖偏好率、旷场活动及强迫游泳（FST）不动时间，其作用与调节5-羟色胺能系统及抑制神经炎症相关，但疗效未呈现剂量依赖性。Nguyen团队^[40]进一步通过鼻内给药紫苏叶精油（PFEO，含榄香素、芹菜脑、紫苏醛）发现，该方式可缓解社交失败应激（SDS）小鼠的抑郁样行为，其机制涉及调控皮质酮水平、恢复海马神经递质平衡及激活ERK信号通路。此外，针对单体成分的研究显示，紫苏醛在CUMS大鼠模型中显著增加糖水消耗量、缩短FST不动时间并提升旷场活动性，同时上调海马TXNIP/NLRP3炎症小体及p-NF-κB p65表达水平^[41]。在脂多糖（LPS）诱导的抑郁模型中，紫苏醛可逆转血清及前额叶皮层IL-6、TNF-α升高，恢复5-HT和NE水平，并通过调节单胺能神经传递与抗炎作用改善悬尾（TST）和FST行为学指标^[42]。综上所述，紫苏挥发油可能通过多靶点协同机制——包括单胺递质调控、炎症通路抑制及神经可塑性调节，发挥抗抑郁潜力。

植物挥发油多含萜类和苯丙素类成分，通过诱导细胞凋亡、抑制增殖和血管生成而抑制肿瘤生长。有研究发现^[43]，紫苏挥发油能够抑制人肺癌LTEP-a-2细胞的生长，经24、48、72 h处理后的人肺癌LTEP-a-2细胞的IC₅₀分别为17.56、14.83、12.65 mg/ml，具有剂量和浓度的依赖性。近年来，紫苏挥发油中的单体成分在抗肿瘤活性方面也得到了广泛研究。Zhang等^[44]研究发现，紫苏醛能够以时间和剂量依赖性方式激活小鼠胃癌细胞系MFC和人胃癌细胞系GC9811-P中的AMPK，增加Thr172的磷酸化和活性，进而促进自噬，包括 beclin-1、LC3-II、组织蛋白酶、caspase-3、p53和组织蛋白酶在小鼠胃癌异种移植模型中分离的肿瘤，从而抑制胃癌生长。张媛^[45]通过薄膜分散法制备了载紫苏醇的DSPE-PEG-TPP脂质体，体外实验表明，该脂质体可靶向线粒体，激活凋亡程序，显著抑制乳腺癌MDA-MB-231细胞增殖，增强抗肿瘤效果。为了进一步提高抗肿瘤活性，通过引入含氮基团合成衍生物，如7-乙基紫苏醇、7-甲基紫苏醇，极性增强后抗肿瘤活性显著提高，且耐药性风险降低^[46]。紫苏挥发油及其单体成分在抗肿瘤药物开发方面展现出较大的潜力。

紫苏挥发油及其主要活性成分紫苏醛（PAE）在心血管系统保护方面展现出多维度药理活性。刘蓉等^[47]研究表明，紫苏挥发油通过双重调控机制作用于大鼠结肠平滑肌：一方面通过抑制钙泵活性降低细胞内钙离子浓度，另一方面通过增强细胞膜流动性改善离子通道功能，从而参与结肠平滑肌收缩过程，减轻肢体缺血再灌注模型大鼠的肠黏膜损伤。值得关注的是，紫苏醛在心脏保护领域显示出更广泛的治疗潜力。Yu等^[48]发现了PAE能改善糖尿病型心肌病（DCM）大鼠的心功能，降低血糖和心脏体重指数，减少心肌损伤和细胞凋亡；通过上调miR-133a-3p和抑制P-GSK-3β表达发挥作用，改善H9c2细胞的迁移和线粒体功能，对DCM具有潜在治疗作用。进一步研究还发现，PAE对阿霉素（DOX）诱导的大鼠心脏毒性有保护作用，能显著改善心脏功能，减轻心肌纤维化，并降低氧化应激和炎症反应。通过调节PI3K/Akt信号通路和抑制NHE1磷酸化来保护心脏^[49]。这些研究系统揭示了PAE通过调节钙稳态、能量代谢、氧化应激和炎症反应等多重途径发挥心脏保护作用，为开发新型心脏保护剂提供了重要的药理学依据。

紫苏作为被广泛应用的药食两用中药，以紫苏醛为特征成分的挥发油是紫苏叶主要活性成分，具有抗菌、抗炎、抗氧化、抗抑郁、抗肿瘤等多种药理活性。近年来，紫苏醛的生物活性和药理作用成为研究的热点，尤其是在抗肿瘤、抗炎和抗抑郁等方面的研究不断深入，具有良好的开发利用的潜力。而不同化学型的紫苏挥发油成分差异较大，通过对不同挥发油化学型紫苏植株的研究、检测、培育等，同时通过对紫苏醛等挥发性成分的生物合成途径的解析，结合基因编辑技术，可以进一步地提高紫苏的品质，通过研究进一步明确挥发油的活性物质基础及作用机制，推动紫苏在医药、食品和香料工业等方面的高效合理应用。