香莢蘭化學(xué)成分及栽培技術(shù)研究進(jìn)展*

韋 霄，里雨桐，秦惠珍，唐健民，韋記青

(廣西壯族自治區(qū)中國科學(xué)院廣西植物研究所，廣西桂林 541006)

蘭科(Orchidaceae)香莢蘭屬(Vanilla)為多年生草質(zhì)藤本植物，原產(chǎn)熱帶和亞熱帶地區(qū)[1，2]，中國有少量野生分布[3]。香莢蘭是香莢蘭屬用作香料的幾種植物的統(tǒng)稱，世界廣泛栽培的種主要有3種：墨西哥香莢蘭(VanillaplanifoliaAndrews)、塔希提香莢蘭(VanillatahitensisJ.W.Moor)和大花香莢蘭(VanillapomponaSchiede)[4，5]。其中墨西哥香莢蘭是主要栽培種，在1500年左右通過無性插條傳播至全球[6]，我國海南和云南西雙版納州有較大規(guī)模的栽培，臺(tái)灣、廣東和廣西有少量種植[1,7，8]。

香莢蘭的綠色鮮豆莢經(jīng)發(fā)酵生香等工藝后，形成和諧、優(yōu)雅的特有芳香氣味[9]，從而為一種名貴的天然香料，并可廣泛用于各種食品的加香，素有“食品香料之王”的美譽(yù)[10]。香莢蘭主要有效成分為香草醛，或稱香蘭素。隨著研究的深入，香蘭素越來越廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、制藥、食品和化妝品等行業(yè)[11-14]，具有非常高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[15-21]。近年來香莢蘭的研究和開發(fā)得到了廣泛的關(guān)注，與香莢蘭有關(guān)的專利增多，專利申請(qǐng)主要集中在香莢蘭有效成分的提取、制備工藝、香料開發(fā)和制藥等方面。

目前國內(nèi)外對(duì)香蘭素的需求量大，但其主要植物來源——香莢蘭對(duì)溫度、光照、濕度和土壤要求嚴(yán)格[22-24]，其高產(chǎn)栽培技術(shù)仍然制約著我國香莢蘭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文對(duì)香莢蘭的化學(xué)成分與藥理作用、應(yīng)用專利和栽培技術(shù)進(jìn)行綜述，以期為“香料之王”香莢蘭的進(jìn)一步開發(fā)利用提供參考。

1 香莢蘭的化學(xué)成分與藥理作用

1.1 化學(xué)成分

從香莢蘭第一次被發(fā)現(xiàn)到全世界廣泛栽培，已經(jīng)有許多研究者對(duì)香莢蘭的化學(xué)成分進(jìn)行研究。從1858年Gobley分離得到香莢蘭豆莢中最重要的芳香成分為香蘭素開始，香蘭素的提取工藝不斷優(yōu)化，而香蘭素作為香莢蘭含量最高的單體化合物常被應(yīng)用于香莢蘭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及指紋圖譜建立的研究中[25-28]。

香莢蘭的特殊芳香氣味主要來自其揮發(fā)性成分，不同工藝提取的香莢蘭揮發(fā)性成分具有差異性。徐飛等[29]采用真空冷凍干燥工藝，檢出香莢蘭中具有呈香作用的揮發(fā)性成分主要有芳香族、醛類及酯類物質(zhì)。李娜等[30]通過3種不同萃取頭對(duì)香莢蘭浸膏萃取效果進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)CAR/PDMS萃取頭萃取揮發(fā)性香氣成分最多可檢測出44種化合物，優(yōu)于其他兩種。王海茹等[31]采用固相微萃取-氣質(zhì)色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)香莢蘭中的揮發(fā)性成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其主要揮發(fā)性成分為香草醛、鄰甲氧基苯酚、苯酚和呋喃甲。張輝等[32]發(fā)現(xiàn)用超聲提取法提取到的香蘭素含量顯著高于其他方法。任洪濤等[33]采用同時(shí)蒸餾萃取方法收集到49種香莢蘭揮發(fā)性成分。不同產(chǎn)地的香莢蘭揮發(fā)性成分也具有差異，馬達(dá)加斯加產(chǎn)地的揮發(fā)性化學(xué)成分含量和種類高于其他產(chǎn)地[34]。

Hartman等[35]相繼從香莢蘭中分析檢測出超過170種化學(xué)成分，主要有酯類、烷烴類、醇類、醚類、酸類以及雜環(huán)化合物等，現(xiàn)對(duì)香莢蘭的化學(xué)成分歸納如下。

1.1.1 酚類和酚醚類

對(duì)乙基愈創(chuàng)木酚、丁香酚、愈創(chuàng)木酚、2-甲氧基-4-甲基苯酚、對(duì)甲酚、苯酚、對(duì)乙烯基愈創(chuàng)木酚、對(duì)乙烯基苯酚、對(duì)甲酚異丙醚、對(duì)甲酚甲醚、1，2-二甲氧基苯、二苯醚、對(duì)羥基芐基乙醚、對(duì)羥基苯甲醚、香蘭素、2，3-丁烯乙二醇乙縮醛、香蘭基乙醚、香蘭基甲醚、大茴香醚。

1.1.2 醛酮類

對(duì)羥基苯甲醛、乙醛、水楊醛、1-戊醛、大茴香醛、苯甲醛、3-戊烯-2-酮、3-辛二烯-2-酮、5-羥基-2-庚酮、苯乙酮、癸酮、3-羥基-2-丁酮、丁二酮、2-庚酮、己酮、1-羥基-2-庚酮、1-羥基-2-戊酮、2-辛酮、辛二烯酮、2-壬酮。

1.1.3 酯類和內(nèi)酯類

香蘭酸甲酯、乙酸戊酯、乙酸己酯、γ-丁內(nèi)酯、γ-壬內(nèi)酯、戊酸丙酯、戊酸甲酯、戊酸丁酯、乙酰丙酸乙酯、乙酸甲基芐酯、乙酸苯乙酯、乙酸大茴香酯、乙酸芐酯、甲氧基乙酸乙酯、棕櫚酸乙酯、棕櫚酸甲酯、2-甲基丁酸乙酯、戊酸異丁酯、戊酸異丙酯、環(huán)己烷碳酸甲酯、肉豆蔻酸甲酯、十七烷酸甲酯、庚酸甲酯、乳酸甲酯、月桂酸甲酯、壬酸甲酯、十五烷酸甲酯、水楊酸甲酯、鄰苯二酸二丙酯、鄰苯二酸二丁酯、苯甲酸甲酯、苯甲酸芐酯、苯甲酸二乙酯、苯甲酸糠酯、苯甲酸肉桂酯、鄰苯二酸乙酯、丁酸芐酯、肉桂酸芐酯、甲酸芐酯、肉桂酸肉桂酯、鄰苯二甲酸二乙酯、大茴香酸甲酯、順式肉桂酸甲酯、反式肉桂酸甲酯。

1.1.4 醇類

香蘭醇、2，3-丁二醇、1-癸醇、1-庚醇、1-己醇、2-甲基-1-丁醇、3-甲基-1-丁醇、3-甲基-1-戊醇、2-壬醇、1-辛烯-3-醇、1-戊醇、2-戊醇、1-辛醇、異戊烯醇、大茴香醇、松柏醇、苯甲醇、苯乙醇、對(duì)羥基苯甲醇。

1.1.5 酸類

對(duì)羥基苯甲酸、甲氧基乙酸、肉豆蔻酸、大茴香酸、香蘭酸、乙酸、丁酸、癸酸、己酸、辛酸、甲酸、乙醇酸、正庚酸、異丁酸、乳酸、月桂酸、肉桂酸、壬酸、苯甲酸、異戊酸、水楊酸。

1.1.6 芳香族化合物

苯、萘、乙苯、丙苯、甲苯、二甲苯、三甲苯、對(duì)乙基甲苯、苯乙烯。

1.1.7 萜烯類化合物

α-蒎烯、α-松油烯、α-姜黃烯、α-穆羅烯、α-松油醇、β-蒎烯、β-紅沒藥烯、β-環(huán)檸檬醛、β-水芹烯、δ-杜松烯、苧烯、月桂烯對(duì)傘花烴、桃金娘烯醇、4-異松油醇、芳樟醇、香茅醇、橙花醇、香葉醇、6,10,14-三甲基十五環(huán)-2-酮。

1.1.8 脂肪族化合物

壬烷、癸烷、十烷、十二烷、十四烷、十五烷、十六烷、十七烷、廿二烷、癸位-癸烷、癸位-十四烯、廿碳烯、廿碳烷。

1.1.9 雜環(huán)類化合物

糠醛、糠醇、2-乙酰呋喃、2-戊基呋喃、2-乙酰吡咯、5-甲基糠醛、2,5-二甲基糠醛、2-羥基-5-甲基呋喃、噻吩、煙酸甲酯。

1.1.10 糖苷類

D-(+)-蔗糖、七葉苷、香蘭素葡萄糖苷、鄰甲氧苯基葡萄糖苷、對(duì)硝基苯基葡萄糖苷、對(duì)甲基苯基葡萄糖苷、苯乙基葡萄糖苷、5-溴-4-氯-3-吲哚基-葡萄糖苷、阿魏酸葡萄糖苷、香蘭醇葡萄糖苷、香蘭酸葡萄糖苷、對(duì)甲酰基苯基葡萄糖苷、2-甲氧基-4-甲基苯基葡萄糖苷、香蘭素葡萄糖苷A、香蘭素葡萄糖苷B[36-38]。

1.2 藥理作用

1.2.1 抗氧化和抗炎作用

香莢蘭豆中的香蘭素具有怡人的香氣，被廣泛應(yīng)用于食品香料中[39]。白令君等[40]通過抗氧化實(shí)驗(yàn)證明香蘭素對(duì)DNA損傷具有較好的保護(hù)作用，效果與槲皮素一致。楊慶明等[41]和時(shí)忠烈[42]研究表明香蘭素的抗氧化活性優(yōu)于維生素C。此外，郭婷婷[43]研究發(fā)現(xiàn)香蘭素能通過抗氧化和抗炎作用對(duì)急性肺損傷起到預(yù)保護(hù)作用，符玉水等[44]研究表明香蘭素能通過抑制自噬及PINK1信號(hào)通路，改善新生大鼠低氧缺血性腦損傷與炎癥反應(yīng)。谷利偉等[45]發(fā)現(xiàn)香蘭素是通過下調(diào)p65亞基的活性阻礙其活化入核，從而抑制巨噬細(xì)胞活化，達(dá)到抗炎抑炎的目的。

1.2.2 抑菌作用

香蘭素中含有醛基和酚羥基，具有一定的抑菌作用。張智維等[46，47]用平板稀釋法測定香蘭素的抑菌作用，發(fā)現(xiàn)香蘭素對(duì)細(xì)菌和真菌均有明顯的抑制作用。官燕燕等[48]將用超聲萃取法提取的香蘭素作為抗菌物質(zhì)添加到UV油墨中，發(fā)現(xiàn)該油墨具有良好的抗菌除臭效果。

1.2.3 抗癲癇作用

江振裕等[49]采用分別含有天麻和香蘭素兩種藥物的試劑注射家兔，并對(duì)家兔進(jìn)行電擊痙攣試驗(yàn)，結(jié)果表明，天麻和香黃蘭素都有阻止強(qiáng)直一陣擎型癲癇樣發(fā)作的效應(yīng)，注射藥物1 h左右，極大多數(shù)動(dòng)物具有明顯的抗病作用。此外，注射香蘭素后動(dòng)物的一般狀態(tài)和心電圖、腦電圖都沒有特殊的變化，藥物的副作用和毒性小。

2 相關(guān)專利分析

專利在于鼓勵(lì)研發(fā)創(chuàng)新，具有戰(zhàn)略價(jià)值、技術(shù)價(jià)值、法律價(jià)值和市場價(jià)值四大屬性特征，同時(shí)反映了香莢蘭市場的需求變化[50，51]。檢索中國知網(wǎng)專利數(shù)據(jù)庫，1996年9月至2021年12月有關(guān)香莢蘭方面的公開專利共159件，其中公開發(fā)明128項(xiàng)、發(fā)明授權(quán)30項(xiàng)、外觀設(shè)計(jì)1項(xiàng)。發(fā)明專利排名前3的主題是制備方法(9項(xiàng))、香莢蘭(4項(xiàng))和加料香精(3項(xiàng))，占總數(shù)的10.06%。隨著香莢蘭及其加工品研究技術(shù)的進(jìn)步，以及人工培育技術(shù)的不斷提升，自2009年起香莢蘭相關(guān)專利有了大幅度增長(圖1)。

圖1 香莢蘭相關(guān)專利數(shù)量趨勢圖

申報(bào)專利中排名前5的學(xué)科分布情況如下：輕工業(yè)手工業(yè)學(xué)科，申報(bào)專利65項(xiàng)，占比40.88%；一般化學(xué)工業(yè)學(xué)科，申報(bào)專利49項(xiàng)，占比30.82%；藥學(xué)學(xué)科，申報(bào)專利14項(xiàng)，占比8.81%；化學(xué)學(xué)科，申報(bào)專利6項(xiàng)，占比3.77%；園藝學(xué)科，申報(bào)專利5項(xiàng)，占比3.14%。此外，還涉及林業(yè)、中藥學(xué)、材料、有機(jī)化工等多個(gè)學(xué)科，進(jìn)一步證實(shí)了香莢蘭廣泛的應(yīng)用范圍和巨大的開發(fā)潛力。

3 香莢蘭的栽培技術(shù)

3.1 生長特點(diǎn)

香莢蘭為攀緣藤本植物，淺根系長達(dá)數(shù)米[52]，性喜溫暖、濕潤的環(huán)境。香莢蘭的生長對(duì)光照、水分、濕度和土壤要求嚴(yán)格。朱紅英等[8]發(fā)現(xiàn)香莢蘭在溫度較高的季節(jié)定植利于發(fā)芽。張能義等[53]研究香莢蘭在不同光照強(qiáng)度下的生理反應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，50%蔭蔽度下香莢蘭生長發(fā)育良好，而30%低蔭蔽度下香莢蘭的光合作用出現(xiàn)不同程度的抑制。江明等[54]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)香莢蘭生長環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，香莢蘭產(chǎn)量嚴(yán)重受損。林進(jìn)能[55]通過觀察香莢蘭的開花物候，發(fā)現(xiàn)其花期為4月下旬至6月上旬。田育天等[56]研究發(fā)現(xiàn)花芽分化時(shí)期花芽內(nèi)激素含量升高有利于倒垂莖蔓開花。香莢蘭自然條件下結(jié)果率極低，需人工授粉，自花授粉的掛果率和果莢生長量均優(yōu)于異花授粉[57]。

3.2 栽培品種選擇

全世界廣泛栽培供香料用的香莢蘭主要有3個(gè)種。墨西哥香莢蘭是主栽種，占栽培總面積的90%以上，主要原因是其香蘭素含量可達(dá)2%-5%，品質(zhì)最佳。塔希提香莢蘭品質(zhì)次于墨西哥香莢蘭，豆莢含茴香醇。大花香莢蘭香蘭素含量少(不足0.05%)，但豆莢手感柔軟，肉質(zhì)，纖維少，有特殊的甜香，其香氣特征有別于墨西哥香莢蘭，常用作煙草、肥(香)皂、香水、醫(yī)藥、酒類和興奮劑的調(diào)香料[58]。

3.3 栽培技術(shù)

目前香莢蘭人工栽培的2種主要模式是遮蔭棚栽培和林下栽培。遮蔭棚栽培方式是利用樹下種植或人工蔭棚種植。早期國外主要利用龍血樹、麻瘋樹等活支柱進(jìn)行樹下種植香莢蘭[59-61]。我國云南和海南從19世紀(jì)60年代開始引種試種香莢蘭，主要是人工蔭棚栽培，少量為樹下種植[62]。

香莢蘭能開花結(jié)果，繁殖方式為有性繁殖和無性繁殖兩種。段金玉等[63]研究發(fā)現(xiàn)香莢蘭的種子萌發(fā)率低，且種子苗比實(shí)生苗結(jié)實(shí)晚4-5年。因此，香莢蘭主要采取莖段扦插和組織培養(yǎng)的方式進(jìn)行繁殖。George[64]研究發(fā)現(xiàn)長扦插枝條比短扦插枝條早開花，生產(chǎn)上不宜用不足60 cm的扦插枝。嚴(yán)重兵等[65]采用液體扦插和土壤扦插對(duì)不同莖段長度的香莢蘭進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)單節(jié)莖段液體扦插的繁殖系數(shù)較高。黃先甫等[66]以香莢蘭的莖節(jié)進(jìn)行組織培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)香莢蘭在組織培養(yǎng)中對(duì)N、P、K元素的攝取較少，培養(yǎng)基中使用低濃度生長素IAA和適當(dāng)高濃度的激素可以啟動(dòng)香莢蘭休眠芽萌發(fā)。崔元方等[67]通過研究不同細(xì)胞分裂素對(duì)香莢蘭增殖的影響發(fā)現(xiàn)，6-BA對(duì)香莢蘭的增殖效果最明顯。吳昭平等[68]研究發(fā)現(xiàn)香莢蘭組織培養(yǎng)最適宜光照強(qiáng)度為8 000 lx，溫度為28℃，光照18 h。張樹珍等[69]采用香莢蘭幼莖作為組織培養(yǎng)材料，再生植株移栽成活率可以達(dá)到100%。

香莢蘭中的香蘭素主要來源于其果莢，果莢的形成和生長發(fā)育至關(guān)重要。香莢蘭定植3年后開花結(jié)果，為典型的蟲媒花植物，其雄蕊和柱頭之間隔著一片蕊喙，故必須通過人工授粉或昆蟲授粉才能結(jié)實(shí)[70]。但香莢蘭蟲媒傳粉結(jié)果率僅1%，人工授粉是提高其產(chǎn)量的關(guān)鍵技術(shù)[57]。文進(jìn)等[57]研究表明，成熟的授粉技術(shù)和充足的花粉是香莢蘭果莢生長的關(guān)鍵。人工授粉時(shí)每花序授粉8-10朵，每花序保留果莢4-8個(gè)，授粉完成后將花序上多余花朵去掉可獲取優(yōu)質(zhì)果莢[57]。

3.4 病蟲害防治

盡管通過組織培養(yǎng)技術(shù)，香莢蘭的成活率能得到提高，但是香莢蘭的生長極易受根腐病、細(xì)菌性軟腐病的危害[71]。根腐病是香莢蘭的主要病害，為害香莢蘭的莖蔓和根，嚴(yán)重影響香莢蘭的產(chǎn)量[72，73]，導(dǎo)致香莢蘭大面積減產(chǎn)。我國在2000年前后有近2/3的種植園處于毀園和半失管狀態(tài)。趙國祥等[74]提出一種新型的香莢蘭栽培方式——無土栽培，并篩選出2種適宜香莢蘭生長的營養(yǎng)液配方，而且首次提出“人工蔭棚下香莢蘭全新的仿生攀緣栽培技術(shù)”，此技術(shù)可減少香莢蘭栽培過程中出現(xiàn)的病蟲害。

3.5 采收與加工

香莢蘭從授粉到果莢成熟大約需要8個(gè)月，果莢在10月下旬至11月上旬成熟。當(dāng)鮮莢從深綠色轉(zhuǎn)為淺綠色、略微暈黃，或者果莢末端0.2-0.5 cm處略見微黃時(shí)為最佳采收時(shí)期，一般每周采收1-2次，采收時(shí)間持續(xù)2個(gè)月左右。與八角等香料相比，香莢蘭不僅采收時(shí)間長，而且加工過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。傳統(tǒng)的生香工藝是先將采收后的香莢蘭鮮莢在24 h內(nèi)進(jìn)行分級(jí)、清洗、殺青，然后經(jīng)酶促、干燥和陳化生香3道基本工序處理讓莢果的內(nèi)源酶得以活化并釋放出來，內(nèi)源酶和外界微生物在一定條件下共同作用，釋放出香氣成分?，F(xiàn)代研究表明，通過外加β-葡萄糖苷酶處理青莢促進(jìn)香蘭素糖苷等化合物的分解，可以加速生香過程，縮短生香周期[75]。

4 展望

香莢蘭作為“香料之王”，栽培歷史悠久，栽培遍布全世界。香莢蘭中主要有效成分為香蘭素，該成分具有抑菌抗炎、抗氧化、抗癲癇等多種藥理活性作用，臨床上也常用于治療癲癇、腫瘤等[76]。香莢蘭原產(chǎn)于熱帶雨林，對(duì)溫度和水分的需求量大，低溫、缺水會(huì)影響香莢蘭的正常生長，在生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)其生態(tài)習(xí)性選擇種植地或栽培模式。當(dāng)前我國香莢蘭主要是采用莖段扦插和組織培養(yǎng)進(jìn)行繁殖，普遍存在管理粗放、產(chǎn)量低等問題，應(yīng)加大對(duì)栽培技術(shù)的攻克力度，降低種植成本，提高香莢豆產(chǎn)量，改善加工工藝，形成豐產(chǎn)高效栽培模式和產(chǎn)品深加工模式。此外，生產(chǎn)過程中可以根據(jù)用途不同來選擇栽培品種：食品和化妝品用途的可選擇墨西哥香莢蘭，煙草、肥(香)皂、香水、醫(yī)藥、酒類和興奮劑的調(diào)香料可選擇大花香莢蘭。對(duì)不同品種的香莢蘭進(jìn)行雜交以獲得手感柔軟、肉質(zhì)，纖維少，同時(shí)又保持高含量香蘭素的品種可能是未來香莢蘭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向。

目前國外香莢蘭的研究領(lǐng)域廣，涉及多學(xué)科交叉融合，香莢蘭的產(chǎn)出大于需求，其主要有效成分香蘭素被大量用作醫(yī)藥中間體、植物生長促進(jìn)劑和殺菌劑等。目前我國香蘭素年產(chǎn)量為2 000-2 500 t[77]，仍處于供不應(yīng)求的狀況，大多數(shù)用于加香，少量用于食品工業(yè)、醫(yī)藥中間體、飼料、調(diào)味劑和化妝品等方面，可見對(duì)香蘭素及其他有效化學(xué)成分的加工利用深度不夠，應(yīng)加大香蘭素衍生物及其他有效化學(xué)成分的開發(fā)利用。