细胞壁内酚酸类化合物的研究进展

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细胞壁内酚酸类化合物的研究进展

作者：胡文冉 谢丽霞 刘娜 刘红娟 范玲 来源：《安徽农业科学》2014年第34期

摘要

天然酚酸是一类广泛存在于植物体细胞壁内的次生代谢产物。酚酸在植物体内具有广泛的功能。酚酸类化合物大多具有药理活性和药用价值，已成为当今国内外研究开发的热点。本文综述了酚酸的类型及在植物体内的存在形式、植物体内常见酚酸的结构、合成途径、光谱特征及提取方法的最新进展，为更深入研究细胞壁内酚酸奠定基础。 关键词 酚酸类化合物;次生代谢产物;光谱特征;提取

中图分类号 S188;Q501 ;文献标识码 A ;文章编号 0517-6611（2014）34-12020-03 Research Progress in Phenolic Acids of Cell Walls HU Wenran1， XIE Lixia2， LIU Na3， FAN Ling1* et al

（1. Institute of Nuclear and Biological Technologies， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Urumqi， Xinjiang 830091; 2. College of Agronomy， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， Xinjiang 830091; 3. College of Science and Technology， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， Xinjiang 830052）

Abstract Natural phenolic acids are a kind of secondary metabolites widely exist in plant cell walls. Phenolic acids have become the focus of domestic and foreign research because they have wide ranges of functions in plants and its compounds mostly have pharmacological activities and medicinal value. This paper reviewed the types and forms of phenolic acids， common structure，

biosynthesis， spectral characteristics and extraction methods， which will lay the foundation for the further research of phenolic acids in cell walls.

Key words Phenolic acids; Secondary metabolites; Spectral characteristics; Extraction

天然酚酸类化合物（Phenolic acids）属于苯丙素类化合物，是一类广泛存在于植物细胞壁内的次生代谢产物。酚酸在植物体内具有广泛的功能，对植物养分吸收、蛋白质合成、酶活性、光合作用、细胞骨架与结构建成和种间感化作用均有影响。酚酸也与植物的抗逆性有关。植物在遭受低温、紫外辐射、臭氧、伤害、病虫害等生物和非生物逆境时，植物体内酚酸等酚类物质大量积累，以提高植物的抗逆性。酚酸类化合物大多具有确切的药理活性和药用价值。因此，植物体内的酚酸类化合物已受到广泛的研究。为使人们对酚酸类化合物有一个比较全


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面、系统的了解，笔者拟从酚酸类化合物的类型及存在形式、植物体内常见酚酸的结构、合成途径、光谱特征及提取方法做一综述。 1 ;酚酸类化合物的类型

酚酸类化合物是酚类物质的一种，在自然界广泛存在，多为对羟基苯甲酸

（Hydroxybenzoic acids）和对羟基肉桂酸（Hydroxxycinnamic acids）的衍生物，是一类广泛存在于植物体内由碳水化合物代谢衍生形成的一类次生代谢产物。它具有一个苯核。羟基苯甲酸类化合物是由苯甲酸衍生而来的，结构上具有C6C1特点。羟基苯甲酸的结构因芳香环上羟基以及甲基化位置的不同而异。植物中常见的有对羟基苯甲酸（phydroxybenzoic acid， PHBA）、原儿茶酸（Protocatechuic acid， PRA）、香草酸（Vanillic acid， VA）、没食子酸（Gallic acid， GA）和丁香酸（Syringic acid， SYA）。这类化合物除了被酯、配糖取代外，大多以游离形式存在，或与糖基和其他有机酸以共价结合形成可溶的共轭物，或者与细胞壁结合形成木质素。没食子酸是以三羟基形式存在的羟基苯甲酸。单体可参与水解型五倍子单宁（Gallotannin）的形成。它的二聚体为鞣花酸，经缩合后形成鞣花酸单宁（Ellagitannin）。另外，还有一种常见的邻羟基苯甲酸即水杨酸，在植物中也普遍存在[1]。羟基肉桂酸类是由肉桂酸衍生而来的，结构上具有C6C3特点，可与奎宁酸、莽草酸和酒石酸形成酯类化合物。羟基肉桂酸类多以结合态形式存在，植物中最常见的有p香豆酸（pcoumaric acid， PCA）、咖啡酸（Caffeic acid， CA）、阿魏酸（Ferulic acid， FA）和芥子酸（Sinapic acid， SA）[2]，是植物细胞壁合成木质素的前体。它广泛存在于植物的果实中，易形成酯合的结构[3]。羟基肉桂酸多以结合态形式存在。植物组织中的酶可以将其水解为游离态。另外，羟基肉桂酸可与奎宁酸、莽草酸及酒石酸形成酯类化合物。 2 ;酚酸类化合物在植物体内的存在形式

酚酸类物质是合成木质素的前体，其含量和种类对木质素合成有着重要的影响。在各植物组织中，酚酸的存在形式和含量都不尽相同，而且在不同的发育阶段，各植物组织中酚酸的存在形式和含量也发生相应的变化。植物体内常见酚酸的结构见图1、表1、2。

植物细胞壁木质素中阿魏酸、对香豆酸及二聚阿魏酸等酚酸类物质以酯键方式与半纤维素支链形成致密网状交联结构，从空间上限制动物、微生物对植物细胞壁中纤维素、半纤维素的有效降解。阿魏酸及其衍生物可与多糖残基氧化交联，促使细胞壁变厚和组织老化[4]。阿魏酸除与多糖残基形成复合物外，还可通过自身的氧化交联形成酚酸二聚体，使得细胞壁韧性增强，木质化加剧。由于阿魏酸在植物细胞壁结构中起重要的作用，它在植物细胞壁的木质素与木质素之间、木质素与半纤维素之间、半纤维素与半纤维素之间形成交接，构成一个骨架结构，使得整个细胞壁变得坚硬。阿魏酸酯键可以增强植物细胞壁对酶解的抗性。阿魏酸酯酶在植物细胞壁木质素消除和交联结构解聚中具有重要作用。在天然木质纤维素原料中，阿魏酸以单体或二聚体的形式分别通过醚键和酯键与细胞壁中的木质素和半纤维素相连接，以结合状态存在于其中。而FA形成的二聚体主要有85′、55′、8O4′和88′ 4种形式。阿魏酸和对香豆酸与


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细胞壁物质连接不同。对香豆酸主要与木质素相连，阿魏酸主要与半纤维素酯键相连，同木质素之间的连接键取决于原材料;同时，对香豆酸相比阿魏酸与半纤维素之间的键更易断裂[5]。 许多植物性食品（如水果、蔬菜、谷物等）都含有较多的酚酸。酚酸主要分布在植物的种子（果实）、叶片、根和茎中。这些酚酸（尤其是PCA和FA）既可以作为可溶形式存在于细胞质中，又可以通过共价键与植物细胞壁相连。酚酸类物质自身的氧化交联和形成的二聚体可使细胞壁增厚，促进植物组织木质化。在各植物组织中，酚酸只有少部分以游离态的形式存在，多数以与纤维素、蛋白、木质素、类黄酮、葡萄糖、酒石酸结合的形式存在于植物细胞的初生壁和次生壁中[6-7]。在细胞壁的发育过程中，酚酸作为木质素的前体物和木质素与多糖间的连接也沉积到初级和次级细胞壁中。Zarra等[8]认为，植物组织木质化的生物化学机制是由酚类物质与多糖残基的氧化交联造成的。

酚酸在双子叶植物和单子叶植物中的存在形式不同，如在双子叶植物中，阿魏酸通过酯键与阿拉伯糖的O2、O3及半乳糖的O6位相连，这种连接发生在多糖的主链上，二聚体以85′最多;在单子叶植物中，阿魏酸则通过酯键连接到杂木聚糖的侧链上，二聚体以88′最少，其他3种二聚体数量相当。当然，FA也可以通过酯键和醚键与木质素相连[9]。 3 ;植物体内酚酸合成代谢的途径

在许多植物中，酚酸的生物合成步骤已基本得到探明，如图2所示。来自莽草酸途径的莽草酸通过分枝酸、预苯酸经转氨作用形成苯丙氨酸，从而进入苯丙烷代谢途径。在苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸4羟化酶（C4H）的作用下，形成反式肉桂酸、香豆酸、阿魏酸、芥子酸等酚酸。这些酚酸在4香豆酸辅酶A连接酶（4CL）、甲基转移酶（OMT）等酶的作用下，可进一步转化为香豆素、绿原酸、咖啡酸等，也可形成CoA酯，再进步转化为类黄酮、木质素等[10]。苯丙烷类代谢途径是酚酸生物合成的主要途径。除苯丙烷类代谢途径外，在一些植物中，还发现其他途径，主要生成对羟基苯甲酸类酚酸。研究发现，莽草酸经脱水作用后可直接产生没食子酸;对羟基肉桂酸类酚酸、类黄酮等也可直接降解生成对羟基苯甲酸类酚酸，类似于脂肪酸的β氧化[11-12]。

图2 植物体内合成代谢的一般途径[10] 4 ;酚酸化合物的光谱特征

酚酸类物质也有明显的光谱特征（表3）。大多数苯甲酸衍生物在246～262 nm范围内有最大的吸收（除没食子酸和丁香酸分别在271和275 nm有最大吸收外）;羟基肉桂酸衍生物有2个吸收峰，分别为225～235和290～320 nm。 表3 酚酸类光谱[13-14] 类别名称吸收带


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位置∥nm

羟基苯phydroxybenzoic acid （4hydroxybenzoic）255 甲酸类ophrocatechuic acid （2，3dihydroxybenzoic）245 315 βresorcylic acid （2，4dihydroxybenzoic）256 294 γresorcylic acid （2，6dihydroxybenzoic）246 306 Protocatechuic acid （3，4dihydroxybenzoic）256 298 αresorchlic acid （3，5dihydroxybenzoic）249 307 Gallic acid （3，4，5trihydroxybenzoic）271 Isovanillic acid （3hyfroxy4methoxybenzoic）262 294 Vanillic acid （4hyfroxy3methoxybenzoic）261 293 Syringic acid （4hyfroxy3，5methoxybenzoic）275 羟基肉ocoumaric acid （ocoumaric）275 325 桂酸类mcoumaric acid （mcoumaric）235 277 pcoumaric acid （4hydroxycinnamic）235 310 Caffeic acid （3，4dihydroxycinnamic）246 322 Ferulic acid （4hydroxy3methoxycinnamic）240 328 Sinapic acid （4hydroxy3，5dimethoxycinnamic）237 323 Chlorogenic acid （5caffeoylquinic）246 324 5 ;酚酸的提取方法

提取酚酸的方法主要有水浸提法、有机溶剂法、超声波法和超临界CO2萃取法等。 酚酸类物质为水溶性成分，呈弱酸性，易溶于水、醇、丙酮等溶剂，在工业生产中一般采用水为提取溶剂，而水浸提法的缺点是产品中含有较多的脂类和多糖物质，为后续的纯化工艺


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带来一定的困难。有机溶剂法常用丙酮、甲醇、乙醇等提取酚酸，其提取效率为甲醇>乙醇>丙酮，多采用体积分数50%～70%的丙酮或体积分数70%甲醇或体积分数70%的热乙醇或无水乙醇进行提取。在整个提取过程中，应尽量避免与空气、阳光、碱和高温长时间的接触。 超声波法是近年来应用较广泛的提取方法。超声波是一种均匀的球面机械波。它以独特的作用形式在液体内部产生强烈的冲击波和微射流，能击碎细胞壁，使细胞内组分渗透到溶液中，达到分离的目的。该方法具有较高的提取率且能缩短提取时间、节约提取剂、综合成本低、污染较小、工艺简易等优点，适合于工业化生产。超声波法提取温度不是很高，提取可在室温下进行，免去高温对提取成分的影响。

超临界CO2萃取法是以液态CO2为溶剂进行提取的，提取率与提取温度、提取压力、CO2消耗量等因素有关。该法具有操作范围广、便于调节的特点，可以通过控制压力或温度，有针对性地将酚酸类物质萃取出来。同时，萃取和蒸馏合为一体，不需要回收溶剂，可以大大提高生产效率、节约能耗，制取的产品纯度高。但是，生产成本较高，还没有大规模应用于工业生产。

6 ;酚酸的分析测定方法

天然酚酸类化合物在植物中分布广泛，但是一般成分复杂、含量低，相互间分离比较困难，因而不能从植物体内直接分离其全部成分。对于酚酸类化合物的测定方法有多种，主要有紫外分光光度法（UV）、毛细管电泳法、电化学分析法、流动注射分析法和色谱法等，而色谱法又有薄层层析法（TCL）、高压液相色谱法（HPLC）和气相色谱法等。目前，应用较多的是紫外分光光度法和高效液相色谱法。

酚酸类化合物具有吸收紫外光的特点。它们的吸收峰值在270～330 nm之间，因此可利用紫外分光光度法测定酚酸含量。该法操作简单，方便快捷，为实验室提供简易、省时的酚酸研究方法。但是，由于植物样品中酚酸成分复杂多样，在进行含量测定时难以分离，利用紫外分光光度法测定时易受到其他杂质的干扰，因此测定值一般偏高。

高效液相色谱法（HPLC）是最常用的定性定量分析方法。MarkoVarga等[15]采用CH3CN2H2O系统等度洗脱、 UV 280 nm检测，详细研究了固定相、流动相、pH等对29种酚酸类化合物保留行为的影响;Bocchi等[16]主要研究了不同检测器对酚酸类化合物的检测限，并且研究了其中6种酚酸采用氰基柱梯度分离的检测限;Andersen等[17]采用C18柱分离、CH3OHH2O系统梯度洗脱，UV双波长检测，在柱温40 ℃、流速4.0 ml/min条件下，建立了11种酚酸的同时定性、定量分析方法。由于绿原酸在水中会部分解离，解离后绿原酸与固定相作用较强，导致谱图的拖尾，影响测定结果的准确性。在实际操作中，在流动相里可加入一定比例的乙酸或磷酸等，有效抑制酚羟基解离，克服谱图的拖尾现象。在采用高压液相色谱法分析酚酸时，流动相多采用甲醇-水-磷酸、甲醇-水-冰醋酸、乙睛-水-乙酸等。 7 ;结语


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酚酸类化合物在自然界中广泛存在，是一类广泛存在于植物体内的次生代谢产物。它在控制植物细胞壁形成完整性、形态以及抵抗病原入侵等方面有显著作用，并且大多具有确切的药理活性和药用价值。有关植物体内酚酸类物质的生物合成、调控和食品中酚酸类物质的分离、鉴定、检测、纯化等已越来越引起研究者的关注，但目前对酚酸在植物体内的作用仍不是十分清楚，还有待深入研究。

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