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伞形科（Apiaceae）植物包含许多用作食品、香料和药物的物种。伞形科植物的不同部位，包括种子，均可用于提取精油（EO）。本研究通过水蒸馏法从茴香（Pimpinella anisum）、胡萝卜（Daucus carota）、芹菜（Apium graveolens）、小茴香（Anethum graveolens）、香菜（Coriandrum sativum）、芫荽（Foeniculum vulgare）和孜然（Cuminum cyminum）的种子中提取了精油成分。采用气相色谱/质谱联用（GC–MS）和气相色谱/火焰离子化检测器（GC-FID）测定精油成分，并采用铜离子还原抗氧化能力（CUPRAC）和2,2-二苯基-1-苦基肼基（DPPH）法测定其抗氧化能力。同时，测试了精油对四种致病细菌的抗菌活性。茴香（94.87%）和芫荽（92.52%）中的苯丙烷类化合物，小茴香（67.59%）和香菜（98.96%）中的含氧单萜类化合物，芹菜（75.42%）中的单萜烃类化合物，胡萝卜中的单萜烃（45.42%）和倍半萜烃（43.25%），以及孜然中的单萜烃（34.30%）和芳香烃（32.92%）是各自精油中的主要成分。茴香和芫荽中的茴香脑，胡萝卜中的胡萝卜醇，芹菜中的柠檬烯，小茴香中的香芹酮，香菜中的芳樟醇，以及孜然中的孜然醛是这些精油中的主要化合物。孜然精油中较高的烃类含量使其具有较高的CUPRAC活性（89.07 µmol Trolox g−1），而小茴香精油中适量的单萜烃和含氧单萜含量使其具有较高的DPPH活性（9.86 µmol Trolox g−1）。采用琼脂扩散法评估了精油对蜡样芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和大肠杆菌的体外抗菌活性，并测定了最小杀菌浓度。香菜、孜然和小茴香精油对所有测试菌株（铜绿假单胞菌除外）均表现出抑制作用。而芫荽和芹菜精油分别对大肠杆菌和蜡样芽孢杆菌菌株有效，茴香和胡萝卜精油对测试细菌未表现出任何抗菌效果。基于七种物种的精油成分，层次聚类分析（HCA）将其分为四组。采用栽培伞形科植物提取精油，可能有利于保护因过度采集和消耗而濒危的野生物种。伞形科（Apiaceae）或称为伞形花科（Umbelliferae）是一个庞大的植物家族，包含434个属和3780种空心茎的芳香植物[1]。伞形科植物的共同特征包括空心茎、简单或复伞形花序、小花、不开裂的果实以及带有油道的种子[1,2]。茴香（Pimpinella anisum L.）、胡萝卜（Daucus carota L.）、芹菜（Apium graveolens L.）、小茴香（Anethum graveolens L.）、香菜（Coriandrum sativum L.）、芫荽（Foeniculum vulgare Mill.）和孜然（Cuminum cyminum L.）是伞形科中广泛栽培的物种，它们被广泛用于食品、化妆品和治疗目的。茴香、胡萝卜、芹菜、小茴香、香菜、芫荽和孜然的精油（EOs）也因其对风湿病、背痛、神经紊乱、食欲、营养吸收、微生物群和氧化状态的有益作用，在传统医学中用于治疗各种疾病[3,4]。利用栽培的伞形科植物获取精油，还可能有助于保护野生伞形科植物，因为这些野生物种因其自然栖息地被过度采集而面临濒危[5,6]。植物产生的精油是高度浓缩的疏水液体，具有独特的芳香和精油成分，室温下易挥发。精油是由药用和芳香植物作为次生代谢产物合成的复杂物和挥发性化合物的混合物[3]。精油能保护植物免受细菌、真菌和病毒病害的侵袭，并防止紫外线辐射引起的各种细胞结构的氧化损伤[7]。许多植物物种独特的芳香气味是由其所含精油组分的数量和成分决定的。这些精油可以通过冷榨、蒸汽或水蒸馏法从种子、叶子、花、树皮和根部中提取。然而，伞形科植物的果实腺体中含有最高量的精油[1]。植物精油成分主要分为两大类：萜类化合物（单萜烃、倍半萜烃、芳香烃及其含氧衍生物）和苯丙烷类化合物（酚和酚醚）[8]。这两类化学物质中包含的酚类化合物被认为是精油抗氧化能力的来源[8,9]。伞形科家族的许多物种都是良好的精油来源，在伞形科家族中已经鉴定出超过760种属于不同化学类别的精油化合物[1]。随着具有多重耐药性的细菌性疾病的出现以及经济负担的增加，公共卫生问题日益严峻。因此，具有特定和广泛抗菌、抗微生物和抗真菌活性的天然物质，如精油，在开发有效且新型抗菌化学物质方面备受青睐[10,11]。此外，具有广谱抗菌和抗真菌活性的精油的重要性日益凸显，它们因其抗氧化活性而被用于食品包装和产品中作为涂层，以保护食品并延长其保质期[9,12]。因此，筛选具有抗菌活性的精油仍是当前研究的热点领域。已有报道称，精油的生产存在很大差异。研究表明，各种次生化合物的产生受环境条件[13]、地理位置[14]、海拔[15]、所用植物部位[16]、基因型[17,18]等因素的影响。因此，同一物种内存在不同的化学型是常见的[14,19,20]，并且有必要对这些类型进行活性分子和生物活性的表征[17,19-21]。本研究旨在从不同商业上重要且广泛栽培的伞形科植物中获取并评估精油，作为种子精油的可替代来源。本研究使用了茴香、胡萝卜、芹菜、小茴香、香菜、芫荽和孜然来获取这些物种的种子精油，并对精油化合物进行了表征。此外，还研究了这些精油对常见食源性致病菌和人类致病菌，即蜡样芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和大肠杆菌的抗氧化和抗菌活性。结果
精油的化学成分
茴香的精油得率为1.45%，胡萝卜为0.93%，芹菜为1.63%，莳萝为3.23%，香菜为0.40%，小茴香为1.95%，孜然为0.95%。采用气相色谱-质谱联用技术（GC–MS）测定了七种种子所得的精油成分，结果汇总于表1。通过水蒸馏法获得的精油具有独特的气味，并呈现浅棕色（小茴香）、棕色（茴香）、浅黄色（莳萝、香菜、芹菜）和黄色（胡萝卜、孜然）。鉴定出49种挥发性化合物，分别占茴香、胡萝卜、芹菜、莳萝、香菜、小茴香和孜然精油总量的99.97%、99.04%、99.91%、99.01%、100.0%、100.0%和99.90%，并根据其成分将这些化合物分为八类（脂肪醛-AlA、单萜烃-MH、芳香醇-ArAl、芳香烃-ArHy、含氧单萜-OM、倍半萜烃-SH、烃类-H、苯丙烷类-P）。
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表1.通过水蒸馏法分离的七种伞形科植物种子中精油的化学成分。
在茴香和小茴香的精油中，苯丙烷类是含量最丰富的挥发性化合物类别，分别占总量的94%以上和92%以上。香菜的精油中，含氧单萜是主要的代谢物，占总量的98%。在胡萝卜和芹菜中，单萜烃和倍半萜烃是主要的代谢物类别。在莳萝的精油中，检测到的主要代谢物类别为含氧单萜和单萜烃，它们分别占总化合物的67.59%和31.25%。与其他伞形科植物不同，孜然精油有三种主要的代谢物类别：单萜烃（34.30%）、芳香烃（32.92%）和烃类（20.19%）。这些精油在挥发性化合物组成上表现出高度的多样性（图1展示了最丰富组分的化学结构）。在茴香精油中共鉴定出11种化合物，主要成分为茴香脑（93.74%）。在胡萝卜精油中共鉴定出13种化合物，以胡萝卜醇（42.08%）、松萜（26.08%）、β-蒎烯（7.97%）、α-蒎烯（7.38%）和乙酸香叶酯（5.73%）为主。在芹菜精油中，鉴定出9种化合物，主要成分为柠檬烯（73.27%）和β-芹烯（17.53%）。在莳萝的10种鉴定化合物中，主要成分为香芹酮（67.41%）和柠檬烯（30.58%）。香菜精油仅含有两种化合物，即芳樟醇（98.96%）和3-己基氢过氧化物（1.04%）。与茴香精油类似，小茴香精油的主要成分为茴香脑（88.79%），其次是4-甲氧基苯甲醛（2.95%）和甲基胡椒酚（2.83%）。在孜然精油中共鉴定出15种化合物，以孜然醛（32.13%）、γ-松油烯（20.19%）、β-蒎烯（15.86%）、对伞花烃（14.47%）和藏红花醛（9.76%）为主。在所研究的物种中，小茴香和孜然具有最多的鉴定出的精油成分。![]()
图1. 茴香、香菜、小茴香、胡萝卜、芹菜、莳萝和孜然中最丰富组分的结构。
基于气相色谱-质谱（GC–MS）的结果进行了多元分析，以确定研究中所用物种之间的关系和相似性。图2以热图和树状图的形式展示了在各物种中检测到的49种精油化合物的百分比。通过计算样品中所有组分的相对峰面积，并对其进行层次聚类分析（HCA），根据物种间的亲缘关系对它们进行排序。聚类分析将这些物种分为四类：第一类为香菜，第二类为胡萝卜和孜然，第三类为茴香和小茴香，第四类为芹菜和莳萝。由于茴香和小茴香中发现的共同化合物（如茴香脑、对甲氧基苯乙酮、甲基胡椒酚和4-甲氧基苯甲醛）具有化学分类学上的相似性，因此它们被聚在同一组内。芹菜和莳萝也由于柠檬烯的高浓度而被聚在一起。香菜被单独聚类，因为仅检测到两种挥发性化合物，且它们的数量不同。热图还显示，部分精油组分是特定于某些物种的。
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图2. 基于表1中所示化合物的鉴定结果，对不同伞形科植物精油的热图进行聚类分析。蓝色框表示浓度高于平均值，红色框表示浓度低于平均值。
采用两种技术（CUPRAC和DPPH）测定了种子精油的体外抗氧化能力，这两种方法均极为敏感且结果一致。不同物种精油的铜（II）离子还原能力存在显著差异（表2）。孜然、莳萝和芹菜精油的CUPRAC活性分别为89.07、14.66和13.83 µmol Trolox g−1，而香菜、小茴香、胡萝卜和茴香精油的CUPRAC活性则分别为6.63、6.49、5.16和4.63 µmol Trolox g−1。DPPH自由基清除活性低于CUPRAC活性。DPPH活性（µmol Trolox g−1）分别为：莳萝9.86，芹菜4.18，孜然2.74，茴香1.91，小茴香1.73，香菜1.18，胡萝卜0.26。![]()
表2. 精油的抗氧化活性（CUPRAC和DPPH）。
对精油进行了体外抗菌活性测试，测试菌种包括金黄色葡萄球菌（S. aureus）、蜡样芽孢杆菌（B. cereus）、大肠杆菌（E. coli）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）。表3显示了琼脂扩散实验中精油产生的抑菌圈大小。香菜、孜然和莳萝精油对除铜绿假单胞菌外的所有测试菌株均表现出抑制作用，而小茴香和芹菜精油则分别对大肠杆菌和蜡样芽孢杆菌菌株有效（图3）。茴香和胡萝卜精油对测试细菌菌种未表现出任何抗菌作用。![]()
表3. 采用琼脂扩散法测得的精油（v/v %）对金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌的抑菌圈直径和最小杀菌浓度（MBC）值。*：表示＞4%（v/v）或无抑菌作用。
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图3. 莳萝（a）和小茴香（b）精油对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的琼脂扩散试验：2k（50% v/v）、4k（25% v/v）、8k（12.5% v/v）、16k（6.25% v/v）、K30（卡那霉素）、AK30（阿米卡星）和DMSO（5% v/v）。
香菜精油（25%）对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌（＞30 mm）和蜡样芽孢杆菌（18.3 ± 1.5 mm）表现出最强的抗菌活性。香菜精油对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的最小杀菌浓度（MBC）分别为0.06%（v/v）和0.25%（v/v）。阴性对照（5% DMSO）未显示出抑制作用（表3）。还应注意的是，香菜精油（25%和50%（v/v））的抗菌效果强于卡那霉素。精油的化学成分在定性和定量上均存在差异。茴香籽经水蒸馏后的精油产率为2%至3%[4]，其中主要成分为茴香脑（79.0%–92.9%），同时还检测到甲基苯乙烯、茴香醛和双环烯[25-27]。本研究中也发现了类似的精油特征，茴香脑是茴香精油的主要化合物（93.7%）。尽管已有几项研究对胡萝卜花中提取的精油进行了调查，但对胡萝卜籽的精油特征研究尚不充分。Özcan和Chalchat[28]报告称胡萝卜籽的主要成分为胡萝卜醇、俞创木烯和α-法呢烯，而在本研究中，胡萝卜籽精油除了胡萝卜醇外，没有其他主要化合物。此外，突尼斯自然种群中胡萝卜籽的精油主要由单萜类化合物（占总油量的50%以上）组成，其次是倍半萜类化合物（33.95%–38.82%）[29]。本研究中的胡萝卜籽精油在类别组成上与之相似，但各组分比例存在显著差异。芹菜籽精油的主要成分为柠檬烯（73.27%）和β-芹烯（17.53%）。Khalid等人[30]、Hassanen等人[21]和Zorga等人[31]均报告了芹菜精油中存在柠檬烯和β-芹烯。莳萝籽经水蒸馏可得到2%–4%的精油，其主要化合物为香芹酮（47.7%–73.6%）和柠檬烯（12.4%–16.6%）[4,32]，而莳萝叶的主要化合物为α-水芹烯、对伞花烃和柠檬烯[20]。在本研究中，香芹酮（67.41%）和柠檬烯（30.58%）也被发现是莳萝籽精油的主要化合物。香菜经水蒸馏后共发现27种化合物，其中主要化合物为芳樟醇（66.29%）[33]，其他报告也证实了芳樟醇为主要化合物[34,35]。同样，本研究也发现芳樟醇（98.96%）是香菜精油中的主要化合物。小茴香籽的精油产率为2%至4%[4]，来自不同国家的小茴香精油的主要化合物为茴香脑[36-39]，本研究结果也显示茴香脑是小茴香的主要化合物。然而，也有报告称突尼斯和埃及的小茴香籽的主要化合物为草茴香醚[13,14,19]。孜然精油的主要成分为孜然醛、γ-松油烯、β-蒎烯和对伞花烃[40]，但本研究结果显示孜然籽精油中还含有藏红花醛和β-香树脂醇等重要化合物。精油的多样挥发性特征可能受植物部位、发育阶段、收获时间以及气候和土壤条件的可变性影响。此外，其他非生物和生物因素也可能改变途径中基因的表达，从而形成不同的化学模式[41]。伞形科是一个分类复杂的属，因为它包含大量物种。因此，有必要对茴香、胡萝卜、芹菜、莳萝、香菜、小茴香和孜然的植物化学成分进行比较。多元分析方法在区分相关物种方面很有效[6,42]。本研究对气相色谱-质谱（GC-MS）结果进行了层次聚类分析（HCA），并根据样本之间的亲和力将其分为四类。这些结果表明，伞形科的化学分类学研究可以使用精油进行。已有研究采用自由基和超氧阴离子自由基清除活性法，对伞形科成员的乙醇、甲醇、丙酮、油和水提取物进行了抗氧化活性研究[1]。建议至少采用两种不同的方法来可靠估计抗氧化能力[43]。因此，本研究采用CUPRAC和DPPH方法评估了精油的抗氧化能力。通过CUPRAC方法测得的抗氧化活性高于DPPH方法的结果。酚类化合物是能够强烈抑制自由基的次生代谢产物之一。然而，烃类在抑制自由基方面也发挥作用[6,44]。孜然精油中的烃类含量最高，本研究中观察到的孜然精油的高CUPRAC活性可能与其高烃类含量有关。孜然精油的高抗氧化活性也可能与其含有的其他抗氧化化合物（如孜然醛和γ-松油烯）有关[1]。由于Ferreira等人[45]报告称含有高氧化单萜类化合物的精油具有高抗氧化能力，因此氧化合物也可能对精油的总体抗氧化作用有所贡献。莳萝精油具有中等含量的烃类和氧化单萜类化合物，并表现出最高的DPPH活性。CUPRAC和DPPH结果之间的差异可能源于它们的转移机制[46]，DPPH反应使用氢原子转移机制[47]，而CUPRAC主要基于电子转移机制。此外，DPPH仅使用溶解在有机溶剂中的自由基，因此适用于疏水系统[48]。因此，CUPRAC是评估抗氧化活性的更敏感技术。香菜、孜然和莳萝精油对三种细菌表现出抗菌活性，但小茴香和芹菜精油仅分别对大肠杆菌和蜡样芽孢杆菌表现出抗菌活性。尽管小茴香籽精油仅对大肠杆菌有效，但已有研究表明小茴香的叶和籽精油对不同细菌和真菌均有效[17,19]。25%浓度的香菜精油对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌大肠杆菌的抑菌圈直径均大于30 mm，表现出与其他测试精油相当的抗菌活性。关于香菜、孜然和莳萝精油的抗菌活性的报道与以往发表的数据一致[20,49-53]。尽管已有多项研究调查了精油的抗菌活性机制，但很难将活性归因于单一成分[6]。许多研究报告称，这些精油的抗菌特性与其主要成分的活性以及由此产生的协同或拮抗效应有关。在本研究中，香菜精油表现出强大的抗菌活性，这显然是由于其主要化合物芳樟醇（98.96%）具有已知的抗菌特性[54-56]。孜然精油的抗菌活性归因于孜然醛（32.13%）、γ-松油烯（20.19%）、β-蒎烯（15.86%）和对伞花烃（14.47%），这些成分可抑制细菌生长[57,58]。莳萝精油的抗菌活性可能与其香芹酮（67.41%）和柠檬烯（30.58%）含量有关，这些成分已被报道具有抗菌特性[59,60]。以胡萝卜醇和茴香脑为主要化合物的胡萝卜和茴香精油对测试细菌未表现出任何抗菌活性。本研究调查了从茴香、胡萝卜、芹菜、莳萝、香菜、小茴香和孜然中提取的七种精油的化学特征、抗氧化能力和抗菌活性。在种子精油中共鉴定出49种化合物。单萜类烃是胡萝卜、芹菜和孜然精油中的主要化学成分，氧化单萜类是莳萝和香菜精油中的主要成分，而苯丙烷类是茴香和小茴香精油中的主要成分。层次聚类分析显示，芹菜与莳萝、茴香与小茴香、孜然与胡萝卜之间存在密切关系。孜然和莳萝精油分别表现出最高的CUPRAC和DPPH活性，同时也具有中等抗菌活性。香菜精油表现出中等的CUPRAC活性和较低的DPPH活性，但具有较高的抗菌活性。由于香菜、孜然和莳萝精油对细菌具有较高的抗菌活性，因此它们有可能作为天然抗菌剂使用。然而，为了更好地理解并在食品工业中应用这些精油，还需要进一步研究其单一化合物的效应、作用机制、安全性和毒性。
