Re: plant 2차 대사산물 terpene 50% --＞ essential oil

[문형철]

에센셜 오일은 아래 그림과 같이

terpenes

terpenoids

phenylpropanoids

기타

4가지로 구성..

고형 종양 치료에 자주 사용되는 방사선 요법은 방사선 치료 중 암세포의 후천적 방사선 저항성과 정상 조직 손상을 포함해 두 가지 주요 장애물을 수반합니다. 식물에서 발견되는 자연 발생 식물 화학 물질인 페닐프로판올은 항암 작용과 상대적으로 안전한 세포 독성 수준으로 인해 잠재적인 방사선 치료제로 확인되었습니다. 여러 연구에 따르면, 이러한 화합물은 암세포를 방사선에 민감하게 만들어 성장을 억제하고 세포 사멸을 유도할 뿐만 아니라, 정상 세포를 방사선으로 인한 손상으로부터 보호할 수 있다고 합니다. 이 리뷰는 암 치료에서 방사선 요법과 페닐프로파노이드의 사용에 대한 최근 연구에 대한 개요를 제공하기 위한 것입니다.

Food Chem X

. 2022 Jan 19;13:100217. doi: 10.1016/j.fochx.2022.100217

Terpenes and terpenoids as main bioactive compounds of essential oils, their roles in human health and potential application as natural food preservatives

Ayu Masyita a, Reka Mustika Sari b,c, Ayun Dwi Astuti a, Budiman Yasir a,d, Nur Rahma Rumata d, Talha Bin Emran e,⁎, Firzan Nainu a,⁎, Jesus Simal-Gandara f,⁎

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PMCID: PMC9039924  PMID: 35498985

Highlights

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• 테르펜과 테르페노이드는 에센셜 오일(EO)의 주요 생체 활성 화합물입니다.
• •EO와 주요 성분은 여러 가지 생물학적 활동을 부여합니다.
• •EO는 천연 식품 방부제로서의 잠재력을 가지고 있습니다.

Essential oils (EOs) are volatile and concentrated liquids extracted from different parts of plants. Bioactive compounds found in EOs, especially terpenes and terpenoids possess a wide range of biological activities including anticancer, antimicrobial, anti-inflammatory, antioxidant, and antiallergic. Available literature confirm‎s that EOs exhibit antimicrobial and food preservative properties that are considered as a real potential application in food industry. Hence, the purpose of this review is to present an overview of current knowledge of EOs for application in pharmaceutical and medical industries as well as their potential as food preservatives in food industry.

에센셜 오일(EO)은

식물의 여러 부분에서 추출한 휘발성 농축액입니다.

EO에 함유된 생체 활성 화합물,

특히 테르펜과 테르페노이드는

항암, 항균, 항염증, 항산화, 항알레르기 등 다양한 생물학적 작용을 합니다.

이용 가능한 문헌에 따르면,

EO는 식품 산업에서 실제 잠재적 응용 분야로 간주되는

항균 및 식품 보존 특성을 나타냅니다.

따라서,

이 리뷰의 목적은

제약 및 의료 산업에 적용할 수 있는 천연 유기 화합물에 대한

현재의 지식과 식품 산업에서 식품 방부제로서의 잠재력에 대한 개요를 제시하는 것입니다.

Introduction

The notion to promote the use of natural products in daily life have spread worldwide in the last several decades. Of all, essential oils (EOs) have been one of the most utilized natural products (Carpena, Nuñez-Estevez, Soria-Lopez, Garcia-Oliveira, & Prieto, 2021). Essential oils are highly concentrated hydrophobic liquid derived from a variety of plants and defined based on their chemical and physical properties. The pharmacological effect of EOs have been extensively examined: ranging from antimicrobial (Burt, 2004, Falleh et al., 2020), antihelminthic (Inouye, Takizawa, & Yamaguchi, 2001), antiviral (Silva, Figueiredo, Byler, & Setzer, 2020), antiulcer (Dordević et al., 2007), antioxidant (Falleh et al., 2020, Mimica-Dukić et al., 2003), anti-inflammatory (Silva et al., 2015), insecticide (Isman & Machial, 2006), larvacidal (Jantan, Ping, Visuvalingam, & Ahmad, 2003), immunomodulatory (Mediratta, Sharma, & Singh, 2002), and antinociceptive properties (Abdollahi, Karimpour, & Monsef-Esfehani, 2003).

Essential oils have long been used as flavorings in the food industry (Pandey, Kumar, Singh, Tripathi, & Bajpai, 2017). Of thousands different EOs known at present, around 300 are commercially marketed in the flavor and fragrances products (Hyldgaard, Mygind, & Meyer, 2012). In addition to their aromatic qualities, the antimicrobial properties of EOs against a wide range of microorganisms have also provided convincing evidence that EOs are suitable candidates to be used as natural food preservatives (Falleh et al., 2020). Among all chemical components of EOs, terpenes and terpenoids have been comprehensively studied and reported to play key roles in humans health (Perveen, 2018).

Terpenes (pinene, myrcene, limonene, terpinene, p-cymene) are characterized as compounds with simple hydrocarbons structures while terpenoids (oxygen-containing hydrocarbons) are defined as modified class of terpenes with different functional groups and oxidized methyl groups moved or removed at various positions (Perveen, 2018). Terpenes have been reported to exert antimicrobial activities against both the antibiotic-susceptible and antibiotic-resistant bacteria, mainly via their abilities to promote cell rupture and inhibition of protein and DNA synthesis (Álvarez-Martínez, Barrajón-Catalán, Herranz-López, & Micol, 2021). Carvacrol, carvone, eugenol, geraniol, and thymol were among the terpenes that demonstrated antibacterial action against Staphylococcus aureus (Gallucci et al., 2009). In addition, terpenoids have been shown as one of secondary metabolites produced by aromatic and medicinal plants that played a key role in disease resistance. For example, monoterpenoids are antibacterial in nature, causing disruption in microbe multiplication and development, as well as interfering with their physiological and metabolic activities (Burt, 2004). Some botanical compounds, such as azadirachtin, carvone, menthol, ascaridol, methyl eugenol, toosendanin, and volkensin, have been shown to yield antimicrobial and antifungal properties, as well as insect pest repellent properties (Isman and Machial, 2006, Pandey et al., 2016, Pandey et al., 2017).

In addition to their various pharmacological effects in humans, the antimicrobial capabilities of EOs’ terpenes and terpenoids against foodborne microbes and their beneficial use in food as flavoring additives shall serve as excellent alternatives to the standard bactericides and fungicides currently used in the food industry (Perricone, Arace, Corbo, Sinigaglia, & Bevilacqua, 2015). This review will thus provide an overview to the current knowledge about the potential role of terpenes and terpenoids, as main bioactive compound of EOs, in human health and their industrial potential as natural food preservatives (Fig. 1). This, in turn, shall provide prompt opportunities to cultivate more and better ideas and research avenues that can promote extensive pharmaceutical applications of EOs’ constituents in the daily life.

서론

자연 제품을

일상생활에서 사용하도록 장려하는 개념은

지난 수십 년 동안 전 세계적으로 확산되었습니다.

그중에서도

에센셜 오일(EO)은

가장 많이 사용되는 천연 제품 중 하나입니다(Carpena, Nuñez-Estevez, Soria-Lopez, Garcia-Oliveira, & Prieto, 2021).

에센셜 오일은

다양한 식물에서 추출한 고농축의 소수성 액체로서,

화학 및 물리적 특성에 따라 정의됩니다.

에센셜 오일의 약리학적 효과는 광범위하게 연구되어 왔습니다: 항균(Burt, 2004, Falleh et al., 2020),

항기생충(Inouye, Takizawa, & Yamaguchi, 2001), 항바이러스(Silva, Figueiredo, Byler, & Setzer, 2020), 항궤양(Dordević et al., 2007), 항산화(Falleh et al., 2020, Mimica-Dukić et al., 2003), 항염증(Silva et al., 2015), 살충(Isman & Machial, 2006), 살충(Jantan, Ping, Visuvalingam, & Ahmad, 2003), 면역 조절(Mediratta, Sharma, & Singh, 2002), 항통각성(Abdollahi, Karimpour, & Monsef-Esfehani, 2003).

에센셜 오일은

식품 산업에서 향료로 오랫동안 사용되어 왔습니다(Pandey, Kumar, Singh, Tripathi, & Bajpai, 2017).

현재 알려진 수천 가지의 다양한 에센셜 오일 중

약 300가지가 향료 및 향수 제품으로 상업적으로 판매되고 있습니다(Hyldgaard, Mygind, & Meyer, 2012).

향기로운 특성 외에도,

다양한 미생물에 대한 에센셜 오일의 항균 특성은

에센셜 오일이 천연 식품 방부제로 사용하기에 적합한 후보라는 설득력 있는 증거를 제공합니다(Falleh et al., 2020).

에센셜 오일의 모든 화학 성분 중에서,

테르펜과 테르페노이드는 종합적으로 연구되어 왔으며,

인간의 건강에 중요한 역할을 하는 것으로 보고되었습니다(Perveen, 2018).

테르펜(피넨, 미르센, 리모넨, 테르피넨, p-시멘)은

단순한 탄화수소 구조를 가진 화합물로 특징지어지는 반면,

테르페노이드(산소 함유 탄화수소)는

다양한 위치에서 이동되거나 제거된 기능성 그룹과 산화된 메틸 그룹을 가진

변형된 테르펜 종류로 정의됩니다(Perveen, 2018).

테르펜은

항생제에 민감한 박테리아와 항생제에 내성이 있는 박테리아 모두에

항균 작용을 하는 것으로 보고되었으며,

주로 세포 파괴 촉진과 단백질 및 DNA 합성 억제를 통해

항균 작용을 하는 것으로 알려져 있습니다(Álvarez-Martínez, Barrajón-Catalán, Herranz-López, & Micol, 2021).

카르바크롤, 카르본, 유제놀, 제라니올, 티몰은

황색포도상구균에 대한 항균 작용을 보이는

테르펜 중 하나입니다(Gallucci et al., 2009).

또한,

테르페노이드는

질병 저항성에 중요한 역할을 하는 방향성 식물과

약용 식물이 생산하는 2차 대사 산물 중 하나로 밝혀졌습니다.

예를 들어,

모노테르페노이드는

본질적으로 항균성이 있어 미생물의 증식과 발달을 방해하고,

그들의 생리적, 대사적 활동을 방해합니다(Burt, 2004).

아자디락틴, 카르본, 멘톨, 아스카리돌, 메틸유제놀, 투센다닌, 볼켄신과 같은

일부 식물 화합물은 항균 및 항진균 특성뿐만 아니라

해충 퇴치 특성도 가지고 있는 것으로 나타났습니다(Isman and Machial, 2006, Pandey et al., 2016, Pandey et al., 2017).

식물성 에센셜 오일의 테르펜과 테르페노이드가

식품에 함유된 미생물에 대해 갖는 항균력, 그리고

식품에 향미 첨가제로서 유용하게 사용될 수 있다는 사실은

현재 식품 산업에서 사용되는 표준 살균제 및 곰팡이 제거제의 훌륭한 대안이 될 것입니다(Perricone, Arace, Corbo, Sinigaglia, & Bevilacqua, 2015).

따라서 이 리뷰는

에센셜 오일의 주요 생리 활성 화합물인

테르펜과 테르페노이드의 잠재적 역할과

천연 식품 방부제로서의 산업적 잠재력에 대한 현재의 지식에 대한 개요를 제공합니다(그림 1).

이는

일상생활에서 에센셜 오일의 성분을 광범위하게 제약 분야에 응용할 수 있는

더 많은 아이디어와 연구 방향을 개발할 수 있는 기회를 신속하게 제공할 것입니다.

Fig. 1.

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The potential benefits of terpenes and terpenoids found in EOs.

Bioactive compounds of essential oils

Essential oils are concentrated liquids of complex mixtures of aromatic hydrophobic oily volatile compounds and can be extracted from different parts of plants such as bark, buds, flowers, fruits, leaves, peels, roots, seeds, twigs, or whole plant from a single botanical source (Falleh et al., 2020, Stephane and Jules, 2020). International Organization for Standardization (ISO) defines that EOs are products obtained from raw material of vegetables by pressing or distillation processes (Stevanovic, Sieniawska, Glowniak, Obradovic, & Pajic-Lijakovic, 2020).

Essential oils possess a strong odor and usually colorless especially when fresh, but some exceptions are known such as pale yellow (yellow mandarin), blue (chamomile), orange (sweet orange), and green (bergamot). EOs may be easily oxidizable with age by air, heat, or light exposure which proceed to the dark color. Hence, EOs need to be stored in a cool and dry place (Stephane & Jules, 2020). Structurally, the chemical constituents of EOs can be classified into four groups: terpenes, terpenoids, phenylpropanoids, and other constituents (Hyldgaard et al., 2012, Pandey et al., 2017).

에센셜 오일의 생체 활성 화합물

에센셜 오일은

방향성 소수성 유성 휘발성 화합물의 복잡한 혼합물의 농축액이며,

나무 껍질, 새싹, 꽃, 과일, 잎, 껍질, 뿌리, 씨앗, 잔가지 또는

단일 식물 원료의 전체 식물 등 식물의 다양한 부분에서 추출할 수 있습니다(Falleh et al., 2020, Stephane and Jules, 2020).

국제표준화기구(ISO)는

압축 또는 증류 과정을 통해 야채의 원료에서 얻은 제품이

바로 EO라고 정의하고 있습니다(Stevanovic, Sieniawska, Glowniak, Obradovic, & Pajic-Lijakovic, 2020).

에센셜 오일은

강한 냄새가 나며,

특히 신선할 때는 무색이지만,

옅은 노란색(황금귤), 파란색(카모마일), 오렌지색(스위트 오렌지), 녹색(베르가못)과 같은 예외가 있습니다.

에센셜 오일은

공기, 열, 빛에 노출되면 쉽게 산화되어

어두운 색으로 변합니다.

따라서,

에센셜 오일은 서늘하고 건조한 곳에 보관해야 합니다(Stephane & Jules, 2020).

구조적으로,

에센셜 오일의 화학 성분은

테르펜, 테르페노이드, 페닐프로판올, 기타 성분 등 네 가지 그룹으로 분류할 수 있습니다(Hyldgaard et al., 2012, Pandey et al., 2017).

terpenes, terpenoids, phenylpropanoids, and other constituents

Terpenes

Terpenes or isoprenoids are the major constituents found in EOs with molecular structures containing carbon backbones of 2-methylbuta-1,3-diene (isoprene units) which can be rearranged into cyclic structures (Hyldgaard et al., 2012). The number of isoprene units are primarily responsible for structural diversity of terpenes. Hemiterpenes are formed by one isoprene unit (C5), monoterpenes (C10), sesquiterpenes (C15), diterpenes (C20), triterpenes (C30), and tetraterpenes (C40) (Bhavaniramya, Vishnupriya, Al-Aboody, Vijayakumar, & Baskaran, 2019). Hemiterpenes are a minor part of terpenes found in EOs. The most outstanding HT, isoprene which is emitted from the herbs and leaves of many trees such as conifers, oaks, poplars, and willows. Examples of hemiterpenes include angelic, tiglic, isovaleric, and senecioic acids. Monoterpenes are the predominant components of EOs (90%), followed by sesquiterpenes (Falleh et al., 2020). Diterpenes, triterpenes, and tetraterpenes with their oxygenated derivatives are also detected in small amounts (Stephane & Jules, 2020). Examples of bioactive compounds of EO are presented in Fig. 2.

테르펜

테르펜 또는 이소프레노이드는

2-메틸부타-1,3-디엔(이소프렌 단위)의 탄소 골격을 포함하는 분자 구조를 가진

에센셜 오일에서 발견되는 주요 구성 요소로,

순환 구조로 재배열될 수 있습니다(Hyldgaard et al., 2012).

이소프렌 단위 수는

주로 테르펜의 구조적 다양성을 결정합니다.

헤미테르펜은

하나의 이소프렌 단위(C5), 모노테르펜(C10), 세스퀴테르펜(C15), 디테르펜(C20), 트리테르펜(C30), 테트라테르펜(C40)으로

구성됩니다(Bhavaniramya, Vishnupriya, Al-Aboody, Vijayakumar, & Baskaran, 2019).

헤미테르펜은

에센셜 오일에서 발견되는 테르펜의 작은 부분입니다.

가장 뛰어난 HT는

침엽수, 참나무, 포플러, 버드나무와 같은

많은 나무의 허브와 잎에서 방출되는 이소프렌입니다.

헤미테르펜의 예로는

안젤릭, 티글릭, 이소발레릭, 세네시오산이 있습니다.

모노테르펜은

에센셜 오일의 주성분(90%)이고,

세스퀴테르펜이 그 뒤를 잇습니다(Falleh et al., 2020).

디테르펜, 트리테르펜, 테트라테르펜과

그 산소화 유도체도 소량 검출됩니다(Stephane & Jules, 2020).

에센셜 오일의 생체 활성 화합물의 예는

그림 2에 나와 있습니다.

Fig. 2.

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The chemical structures of bioactive compounds of EOs.

Terpenoids

Terpenoids are another type of terpenes containing oxygen molecules that are constructed via biochemical modifications (removal or addition of methyl groups) (Pandey et al., 2017). Terpenoids can be divided into alcohols, aldehydes, esters, ether, epoxides, ketones, and phenols. Examples of terpenoids are: carvacrol, citronellal, geraniol, linalool, linalyl acetate, piperitone, menthol, and thymol (Hyldgaard et al., 2012). These bioactive compounds confer several biological activities such as anticancer (Potočnjak, Gobin, & Domitrović, 2018), anti-allergic (Kobayashi et al., 2016), antibacterial (Guimarães et al., 2019), and antioxidant (Wang, Chen, & Hou, 2019).

Terpenes and terpenoids are synthesized by the meval‎onic acid (MVA) pathway in the cytosol and the 2C-methyl-d-erythritol-4-phosphate (MEP) pathway in the plastid for the formation of precursors: isopentenyl pyrophosphate (IPP) and dimethylallyl pyrophosphate (DMAPP) (Oldfield and Lin, 2012, Stephane and Jules, 2020).

테르페노이드

테르페노이드는

생화학적인 변형(메틸기의 제거 또는 추가)을 통해 생성되는

산소 분자를 포함하는 또 다른 유형의 테르펜입니다(Pandey et al., 2017).

테르페노이드는

알코올, 알데히드, 에스테르, 에테르, 에폭시드, 케톤, 페놀로 나눌 수 있습니다.

테르페노이드의 예로는

카르바크롤, 시트로넬랄, 제라니올, 리날로올, 리날릴 아세테이트, 피페리톤, 멘톨, 티몰 등이 있습니다(Hyldgaard et al., 2012).

이러한 생체 활성 화합물은 항암(Potočnjak, Gobin, & Domitrović, 2018), 항알레르기(Kobayashi et al., 2016), 항균(Guimarães et al., 2019), 항산화(Wang, Chen, & Hou, 2019)와 같은 여러 가지 생물학적 활동을 부여합니다.

테르펜과 테르페노이드는

세포질 내의 메발론산(MVA) 경로와 엽록체 내의 2C-메틸-d-에리트리톨-4-인산(MEP) 경로에 의해 합성되어

전구체를 형성합니다.

이소펜테닐 피로포스페이트(IPP)와 디메틸알릴 피로포스페이트(DMAPP) (Oldfield and Lin, 2012, Stephane and Jules, 2020).

Phenylpropanoids

Phenylpropanoids are synthesized by the shikimic acid pathway and their basic structure from the six-carbon aromatic phenol group linked usually to the three-carbon propene tail of cinnamic acid, oxygenated in the third/fourth/fifth position frequently possess a carbon–carbon double bond (Stevanovic et al., 2020). Examples of phenylpropanoids such as anethole, cinnamaldehyde, eugenol, isoeugenol, myristicin, safrole, and vanillin. In a recent study, anethole has been reported to yield anticancer activity (Contant, Rouabhia, Loubaki, Chandad, & Semlali, 2021). Moreover, myristicin has been described to exert antiproliferative and anti-inflammatory properties (Seneme, Dos Santos, Silva, Franco, & Longato, 2021) and safrole has been reported to promote diverse biological activities, such as antidiabetic, antimicrobial, analgesic, and antifungal activities (Eid & Hawash, 2021).

페닐프로파노이드

페닐프로파노이드는

시킴산 경로에 의해 합성되며,

6개의 탄소 방향족 페놀 그룹으로부터 기본 구조를 형성하고,

보통 3개의 탄소 프로펜 꼬리 부분에 연결된 계피산의 3번째/4번째/5번째 위치에 산소화되어 있는

탄소-탄소 이중 결합을 자주 포함합니다(Stevanovic et al., 2020).

페닐프로판올의 예로는

아니톨, 신남알데히드, 유제놀, 이소유제놀, 미리스티신, 사프롤, 바닐린 등이 있습니다.

최근 연구에 따르면,

아니톨은 항암 작용을 하는 것으로 보고되었습니다(Contant, Rouabhia, Loubaki, Chandad, & Semlali, 2021).

또한,

미리스티신은 항증식 및 항염증 특성을 발휘하는 것으로 알려져 있습니다(Seneme, Dos Santos, Silva, Franco, & Longato, 2021).

그리고

사프롤은 항당뇨, 항균, 진통, 항진균 등 다양한 생물학적 활동을 촉진하는 것으로 보고되었습니다(Eid & Hawash, 2021).

Other constituents

EOs contain several derivatives of amino acids such as alanine, isoleucine, leucine, valine, and methionine. Polyketides, lipids, and sulfur derivatives are rarely found in EOs such as jasmonic acid, methyl jasmonate, cis-jasmone, (Z)-3-hexenal, allicin (Pandey et al., 2017, Stevanovic et al., 2020).

기타 구성 성분

EO에는

알라닌, 이소류신, 류신, 발린, 메티오닌 등

여러 가지 아미노산 유도체가 포함되어 있습니다.

폴리케티드, 지질, 유황 유도체는

자스몬산, 메틸 자스모네이트, 시스-자스몬, (Z)-3-헥센알, 알리신(Pandey et al., 2017, Stevanovic et al., 2020)과 같은

에센셜 오일에서 거의 발견되지 않습니다.

Green extraction and purification methods of terpenes and terpenoids

Extraction is the most essential stage in extracting and purifying active compounds from natural sources. Natural chemicals can be extracted via maceration, infusion, soxhletation, percolation, or digesting methods (Giacometti et al., 2018). Due to growing energy prices, CO2 emissions, and other associated environmental issues, extraction techniques for the chemical, food, and pharmaceutical sectors have received much interest in recent years. One of the most popular topics in this approach is the development of methods and procedures to achieve maximal extraction at a low cost and in an environmentally friendly. In general, the methods involve the following steps (Fig. S2, Supplementary material): (a) breaking plant cells to release their chemical constituents; (b) extracting the sample using a suitable solvent—or through distillation or compound trapping; (c) separating the desired terpene from undesired contents of extracts that confound analysis and quantification; and (d) analyzing the product using an appropriate method (Asl & Khajenoori, 2021).

In this chapter, the processes in isolation of terpene and terpenoid chemicals in plants and the technique of determining structure elucidation were presented (Fig. S3, Supplementary material). The pre-treatment stage is the most time-consuming. This stage is determined by the physical condition of the sample, which might be solid or liquid. Several techniques are employed to decrease the size of the solid sample, including steaming, dry distillation, and heating, which is subsequently milled. For liquid samples, another option is to employ solvent treatment or chemical treatment. This method is critical in sample preparation to improve extraction efficiency. Traditional terpene and terpenoids extraction methods include maceration, soxhlet extraction, solvent extraction, pressurized liquid extraction, and hydrodistillation (Isidore, Karim, & Ioannou, 2021). Solvent extraction used such as petroleum ether, ether, and hexane for isolating mono and sesquiterpenoids. Less polar sesquiterpene lactones, diterpenes, sterols, and triterpenoids may also be extracted using ether and chloroform. Oxygenated diterpenoids, sterols, and triterpenoids are found in the ethyl acetate and acetone extracts. Highly oxygenated, polar triterpenes, as well as triterpenoid, are extracted using ethanol, methanol, and water. Total extraction using polar solvents including acetone, aqueous methanol (80%), and ethanol, followed by re-extraction with hexane, chloroform, and ethyl acetate, resulted in sequential extraction of terpenoids. Whereas, modern methods include supercritical carbon dioxide extraction, static headspace (HS) extraction, microwave-assisted hydrodistillation (MWHD), supercritical fluid extraction (SFE) and ultrasound-assisted extraction (UAE). Supercritical fluid extraction (SFE) with carbon dioxide as the solvent is considered a “green extraction” method in comparison to traditional extraction methods because it uses a solvent that is essentially non-toxic, has a low potential for artifact formation, and CO2 can be obtained in high purity suitable for the production of food grade extracts. The inclusion of polarity modifiers such as EtOH, as well as the development of SFE apparatus capable of producing pressures in excess of 600 bar, enabled the extraction of several intermediate polarity compounds (Essien, Young, & Baroutian, 2020). UAE was useful for the green production of solvent-free terpenoid-rich peppermint extracts. MWHD is better than traditional techniques since it requires fewer extraction times and less solvent. It operates at atmospheric pressure, utilizing microwaves and gravity without solvents (Pavlić et al., 2021). Furthermore, recent report suggested that HS was the most efficient extraction method to recover terpenoids from various food matrices, compared to hydrodistillation and pressurized liquid extraction (Triaux, Petitjean, Marchioni, Steyer, & Marcic, 2021). Compound extraction generates a complicated mixture of compounds. Specific compounds are now isolated using purification methods. Purification procedures varies due to variations in terpene and terpenoids structure, and they are depending on the chemical characteristics of the target molecule, the physical quality and amount of initial plant material, and the availability of equipment and reagents. The properties of a particular terpene will define the optimum extraction method (Yang et al., 2020, Zhang and Hong, 2020). This is followed by compound identification, characterization, and authentication namely Thin Layer CT (Chromatostrip), High-Performance Counter-Current Chromatography (HPCCC), Liquid-Liquid Extraction (LLE), High Performance Liquid Chromatography UV (HPLC-UV), Gas Chromatography Mass Spectrometry (GC–MS), Liquid Chromatograph (LC), High Performance Thin Layer Chromatography (HPTLC), Fast-GC Analysis and Ultra-High-Performance Liquid Chromatography (UHPLC) (Rodríguez-Llorente et al., 2020, Uwineza and Waśkiewicz, 2020).

테르펜과 테르페노이드의 녹색 추출 및 정제 방법

추출은

천연 원료에서 활성 화합물을 추출하고 정제하는 가장 중요한 단계입니다.

천연 화학 물질은

침출, 주입, 소크레타이션, 여과 또는 소화 방법을 통해 추출할 수 있습니다(Giacometti et al., 2018).

에너지 가격 상승, CO2 배출량 증가, 기타 관련 환경 문제로 인해

화학, 식품, 제약 분야의 추출 기술에 대한 관심이 최근 몇 년 동안 높아지고 있습니다.

이 접근 방식에서 가장 인기 있는 주제 중 하나는

저렴한 비용으로 환경친화적인 방식으로

최대의 추출을 달성하기 위한 방법과 절차의 개발입니다.

일반적으로 이 방법은 다음 단계를 포함합니다(그림 S2, 보충 자료):

(a) 식물 세포를 파괴하여 화학 성분을 방출하고,

(b) 적절한 용매를 사용하거나 증류 또는 화합물 포획을 통해 샘플을 추출하고,

(c) 분석 및 정량화를 방해하는 추출물의 원치 않는 내용물에서 원하는 테르펜을 분리하고,

(d) 적절한 방법을 사용하여 제품을 분석합니다(Asl & Khajenoori, 2021).

이 장에서는

식물에서 테르펜과 테르페노이드 화학물질을 분리하는 과정과

구조 해명 결정 기법을 소개합니다(그림 S3, 보충 자료).

전처리 단계는

가장 시간이 많이 걸리는 단계입니다.

이 단계는 고체 또는 액체 상태의 샘플의 물리적 상태에 따라 결정됩니다.

고체 샘플의 크기를 줄이기 위해

찜, 건식 증류, 가열 등의 여러 가지 기법이 사용되며, 이후 분쇄됩니다.

액체 샘플의 경우,

용매 처리 또는 화학 처리를 사용하는 것도 또 다른 방법입니다.

이 방법은 추출 효율을 높이기 위해 샘플을 준비하는 데 매우 중요합니다.

전통적인 테르펜과 테르페노이드 추출 방법에는

침용, 소크렛 추출, 용매 추출, 가압 액체 추출, 수증기 증류(Isidore, Karim, & Ioannou, 2021)가 있습니다.

모노 및 세스퀴테르페노이드를 분리하기 위해 석

유 에테르, 에테르, 헥산과 같은 용매 추출이 사용됩니다.

덜 극성인 세스퀴테르펜 락톤, 디테르펜, 스테롤, 트리테르페노이드는

에테르와 클로로포름을 사용하여 추출할 수도 있습니다.

에틸 아세테이트와 아세톤 추출물에서

산소화 디테르페노이드, 스테롤, 트리테르페노이드가 발견됩니다.

고도로 산소화된 극성 트리테르펜과 트리테르페노이드는

에탄올, 메탄올, 물을 사용하여 추출됩니다.

아세톤, 수성 메탄올(80%), 에탄올을 포함한 극성 용매를 사용한 총 추출 후, 헥산, 클로로포름, 에틸 아세테이트를 사용한 재추출을 통해 테르페노이드를 순차적으로 추출할 수 있었습니다. 반면, 현대적인 방법으로는 초임계 이산화탄소 추출, 정적 헤드스페이스(HS) 추출, 마이크로웨이브 보조 수압증류(MWHD), 초임계 유체 추출(SFE), 초음파 보조 추출(UAE) 등이 있습니다. 이산화탄소를 용매로 사용하는 초임계 유체 추출(SFE)은 본질적으로 무독성이고, 인공물 형성 가능성이 낮으며, 식품 등급 추출물 생산에 적합한 고순도의 CO2를 얻을 수 있기 때문에 전통적인 추출 방법에 비해 “친환경 추출” 방법으로 간주됩니다. EtOH와 같은 극성 변형기의 포함과 600bar 이상의 압력을 생성할 수 있는 SFE 장치의 개발로 여러 중간 극성 화합물을 추출할 수 있게 되었습니다(Essien, Young, & Baroutian, 2020). UAE는 용매가 없는 테르페노이드가 풍부한 페퍼민트 추출물의 친환경 생산에 유용했습니다. MWHD는 추출 횟수와 용매 사용량이 적기 때문에 전통적인 기술보다 더 좋습니다. 이 방법은 대기압에서 작동하며, 용매 없이 마이크로파와 중력을 활용합니다(Pavlić et al., 2021). 또한, 최근 보고서에 따르면 HS는 수증기 증류법 및 가압 액체 추출법에 비해 다양한 식품 매트릭스에서 테르페노이드를 회수하는 데 가장 효율적인 추출 방법이라고 합니다(Triaux, Petitjean, Marchioni, Steyer, & Marcic, 2021). 복합 추출은 복잡한 혼합물을 생성합니다. 특정 화합물은 이제 정제 방법을 사용하여 분리됩니다. 정제 절차는 테르펜과 테르페노이드 구조의 차이로 인해 다양하며, 대상 분자의 화학적 특성, 초기 식물 재료의 물리적 품질과 양, 장비와 시약의 가용성에 따라 달라집니다. 특정 테르펜의 특성에 따라 최적의 추출 방법이 결정됩니다(Yang et al., 2020, Zhang and Hong, 2020). 그 다음에는 복합 식별, 특성화, 인증이 이어집니다. 즉, 씬 레이어 CT(Chromatostrip), 고성능 역류 크로마토그래피(HPCCC), 액체-액체 추출(LLE), 고성능 액체 크로마토그래피 UV(HPLC-UV), 가스 크로마토그래피 질량 분석법(GC-MS), 액체 크로마토그래프(LC), 고성능 씬 레이어 크로마토그래피(HPTLC), Fast-GC 분석 및 초고성능 액체 크로마토그래피(UHPLC) (Rodríguez-Llorente et al., 2020, Uwineza and Waśkiewicz, 2020).

Role of terpenes and terpenoids on human health

In recent decades, numerous studies have reported that terpenes and terpenoids are essential in supporting human health. These bioactive compounds consisting of several isoprene units is the largest class of organic compounds produced in the EOs of various plants. It has a significant role to treat various types of diseases, in many studies in vitro and in vivo using as anticancer agents, antimicrobial, anti-inflammatory, antioxidants, antiallergic, neuroprotective, anti-aggregator, anti-coagulation, sedative and analgesic through the activity of monoterpenes, sesquiterpenes, diterpenes, triterpenes, and tetraterpenes and glycoside compounds (Zhao, Jiang, Li, Yan, & Zhang, 2016). The content of this compound can be found in several nutritional and health products of humans because it is a source of vitamins A, E, K, and coenzyme Q10. Even carotenoid and tocopherol compounds in this group are essential sources of vitamins, mostly in animals, including humans (Rodriguez-Concepcion et al., 2018). The application of terpenes compounds in everyday human life and health is widely used in pharmaceutical, nutraceutical, food and beverage products, cosmetics, perfumes, synthetic chemicals, aroma and flavor additives, rubber products, and the biofuel industry (Tetali, 2019).

테르펜과 테르페노이드가 인체 건강에 미치는 영향

최근 수십 년 동안 수많은 연구에서

테르펜과 테르페노이드가 인체 건강을 유지하는 데 필수적이라는 사실이 보고되었습니다.

여러 개의 이소프렌 단위로 구성된 이러한 생체 활성 화합물은

다양한 식물의 에센셜 오일에서 생성되는 가장 큰 종류의 유기 화합물입니다.

이 화합물은 항암제로서 체외 및 체내에서 다양한 유형의 질병을 치료하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다. 모노테르펜, 세스퀴테르펜, 디테르펜, 트리테르펜, 테트라테르펜, 그리고 글리코사이드 화합물(Zhao, Jiang, Li, Yan, & Zhang, 2016)의 작용을 통해 항균, 항염, 항산화, 항알레르기, 신경보호, 응집 방지, 항응고, 진정, 진통 작용을 합니다. 이 화합물의 성분은 비타민 A, E, K, 코엔자임 Q10의 공급원이기 때문에 여러 영양 및 건강 제품에서 발견할 수 있습니다. 이 그룹의 카로티노이드와 토코페롤 화합물도 비타민을 공급하는 필수적인 원천이며, 주로 인간을 포함한 동물에서 발견됩니다(Rodriguez-Concepcion et al., 2018). 테르펜 화합물의 일상 생활과 건강에 대한 응용은 제약, 기능성 식품, 식품 및 음료 제품, 화장품, 향수, 합성 화학 물질, 아로마 및 향료 첨가제, 고무 제품, 바이오 연료 산업에서 널리 사용되고 있습니다(Tetali, 2019).

Anticancer

Cancer is a regenerative disease that affects anybody part's abnormal and uncontrolled cell growth. It can attack or spread to various other parts of the body and interfere with the normal function of homeostasis of its host cells (Sung et al., 2021). Today worldwide, it is one of the leading causes of morbidity and mortality in the contemporary world, number second after cardiovascular disease and being one in six human deaths and constitutes 30% of all premature deaths occurring in adults (30–69 years). In addition, the number of cancer deaths is predicted to continue to grow and multiply. This cancer is caused by the influence of internal factors, inability, and external factors in lifestyle patterns carried out every day. A food diet can protect from risk factors for carcinogenesis in the human body (El-Sherif, El-Sherif, Taylor, & Ayakannu, 2021).

Terpenes and terpenoids are the largest class of organic compounds produced in the EOs of various plants and have a significant role in the prevention of malignancies in cancer (Silva, Nascimento, Silva, Silva, & Aguiar, 2021). The anticancer potencies of terpenes and terpenoids have been reported extensively in recent years (Table 1). Sheikh, Sarker, Kamarudin, and Mohan (2017) studied the effect of citral on the proliferation of human colorectal cancer HCT116 and HT29 cells. They found that citral decreased the expression‎ of Bc-2 and Bcl-xL while inducing p53 protein phosphorylation and Bax expression‎. Citral also elevated mitochondrial-mediated apoptosis via augmentation of intracellular ROS and attenuated the total GSH levels (Sheikh et al., 2017).

항암

암은 비정상적이고 통제되지 않은 세포 성장에 영향을 미치는 재생성 질환입니다. 암은 신체의 여러 다른 부위를 공격하거나 전이할 수 있으며, 숙주 세포의 정상적인 항상성 기능을 방해할 수 있습니다(Sung et al., 2021). 오늘날 전 세계적으로 암은 현대 사회에서 사망률과 사망 원인 중 하나이며, 심혈관 질환에 이어 두 번째로 많은 사망 원인이 되고 있으며, 사망자 6명 중 1명이 암으로 사망하고, 성인(30-69세)의 조기 사망 원인 중 30%를 차지하고 있습니다. 또한, 암으로 인한 사망자 수는 계속 증가할 것으로 예상됩니다. 암은 일상생활에서 나타나는 생활습관의 내부적 요인, 무능력, 외부적 요인의 영향으로 발생합니다. 음식 다이어트는 인체 내 발암 위험 요소를 예방할 수 있습니다(El-Sherif, El-Sherif, Taylor, & Ayakannu, 2021).

테르펜과 테르페노이드는 다양한 식물의 에센셜 오일에서 생성되는 가장 큰 종류의 유기 화합물이며, 암의 악성 종양 예방에 중요한 역할을 합니다(Silva, Nascimento, Silva, Silva, & Aguiar, 2021). 테르펜과 테르페노이드의 항암 효과는 최근 몇 년 동안 광범위하게 보고되었습니다(표 1). 셰이크, 사커, 카마루딘, 모한(2017)은 시트랄이 인간 대장암 HCT116과 HT29 세포의 증식에 미치는 영향을 연구했습니다. 그들은 시트랄이 p53 단백질 인산화 및 Bax 발현을 유도하는 동시에 Bc-2와 Bcl-xL의 발현을 감소시킨다는 것을 발견했습니다. 또한 시트랄은 세포 내 ROS의 증가를 통해 미토콘드리아 매개 세포 사멸을 촉진하고 총 GSH 수준을 감소시켰습니다(셰이크 외., 2017).

Table 1.

Examples of terpene compounds in essential oils with potential anticancer effects.

ClassesCompoundsPlantTarget cancersCancer effectsType of assayReference

Monoterpene hydrocarbons	Myrcene	PC	Human lung adenocarcinoma (A549)	Increased apoptosis via caspase induction (IC50 0.5 μg/ml)	MTT	(Bai & Tang, 2020)
Cyclic monoterpene	Limonene	Navel orange (Essential oil)	Lung adenocarcinoma (A549)	Reduced cell proliferation (IC50 22.10 µg/ml)	MTT	(Yang et al., 2017)
Bicyclic monoterpene	α-Pinene	PC	Human liver cancer (HepG2)	Reduced cell growth (IR 39.3%)	MTT	(Xu et al., 2018)
Acyclic monoterpene	Linalool	PC	Human ovarian cancer (SKOV3ip1, A2780, HeyA8)	Increased apoptotis and cytotoxicity	MTT	(Han, Cho et al., 2016)
Oxygenated monoterpene	α-Thujone	Thuja occidentalis L.	Human glioblastoma multiforme (T98G), and human glioblastoma (U-87 MG)	Induction of cell death, reduced proliferation and invasive	TB exclusion	(Pudełek et al., 2019)
Terpineols Monoterpene	α-Terpineol	Navel orange (Essential oil)	Lung adenocarcinoma (A549)	Increased caspase-dependent cell death and reduced proliferation (IC50 51.37 µg/ml for 24 h)	MTT	(Yang et al., 2017)
Oxygenated monoterpene	1,8-cineole	PC	Head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC)	Reduced proliferation, Wnt/β-catenin activity	MTT	(Roettger et al., 2017)
Cyclic monoterpene	α-Phellandrene	PC	Melanoma(B-16/F-10), and Murine (S-180)	Antinociceptive and tumor-reducing effect (CI50 436.0 and 217.9 μg/ml)	MTT	(Pinheiro-Neto et al., 2021)
Bicyclic Monoterpene	3-carene	Gannan Navel (Essential oil)	Human lung cancer (A549)	Reduced proliferation (IC50 70.80 µg/ml)	MTT	(Yang et al., 2017)
Hydroxylated monoterpene	Perillyl alcohol	PC	Hepatoma cell	Suppress cell invasion and migration	Transwell	(Ma et al., 2016)
Terpenophenol	Bakuchiol	PC	Human gastric cancer (NUGC3)	Increased cell death and reduced cancer cell viability (IC50 120 µg/ml for 24 h)	MTT	(Lv & Liu, 2017)
Monoterpenoid phenol	Carvacrol	PC	Human Caucasian gastric adenocarcinoma (AGS)	Increased cell apoptosis, inhibited proliferation, GSH-reducing effects on cell (IC50 82.57 μmol/l)	CellTiter-Glo	(Günes-Bayir et al., 2017)
Citral isomers	Geranial, Neral, and Citral	PC	Colorectal cancer (HCT116 and HT29)	Increased mitochondrial-mediated apoptosis, inhibited cell growth (IC50 52.63 μM, and 91.5 μM for 72 h)	MTT	(Sheikh et al., 2017)
Tropolone monoterpene	Hinokitiol	Purity ≥ 90%	Human adenocarcinoma (A549)	Reduced cell migration and chemoprevention	MTT	(Jayakumar et al., 2018)
Bicyclic Monoterpene	Myrtenal	PC	Melanoma (B16F0, B16F10 and SkMel-5)	Decreased tumor cells migration and invasion	MTT	(Martins et al., 2019)
Oxygenated monoterpen	Carvone	PC	Breast ductal carcinoma (MCF-7)	Protective effect against tumor (IC50 14.22 μM)	MTT	(Abbas, Kandil, & Abbas, 2020)

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Note: PC = Pure Compound.

Similarly, Jayakumar et al. (2018) eval‎uated the effect of hinokitiol on the migration of A549 lung cancer cells. They observed that hinokitiol inhibited the migration of A549 cells via several mechanisms, including suppression of MMPs, induction of antioxidant enzymes (catalase and superoxide dismutase), and activation of caspases-9 and -3. It also significantly induced the cytochrome c expression‎ (Jayakumar et al., 2018).

α-Thujone is another compound that has anticancer activity. In a study carried out by Pudełek et al. (2019), the effect of α-thujone on the malignancy of glioblastoma multiforme (GBM) cells was investigated. They found that α-thujone exerts the attenuating effect on the proliferation and viability of GBM cells. They also indicated that α-thujone exhibits anti-invasive and pro-apoptotic effects on GBM cells (Pudełek et al., 2019).

Furthermore, it has been reported by Potočnjak et al. (2018) that carvacrol exhibits anticancer activity against HeLa cells, a human cervical cancer cell line. Carvacrol induced cytotoxicity on HeLa cells and enhanced cisplatin (CP)-induced expression‎ of light chain 3 beta in a manner dependent on the inhibition of mitogen-activated protein kinase (MEK). This compound, interestingly, also increased HeLa cells resistance on CP by suppressing apoptosis in an extracellular signal-regulated kinase (ERK1)/ERK2-independent manner and promoting the modulation of autophagy in an ERK1/ERK2-dependent manner (Potočnjak et al., 2018). In addition, carvacrol is a potential source of anticancer agent against the human gastric adenocarcinoma (AGS) cells. Carvacrol inhibited AGS cell proliferation and demonstrated genotoxic, ROS generating, and glutathione-reducing effects (Günes-Bayir et al., 2017).

Han et al. (2016) studied the ability of linalool-incorporated nanoparticles (LIN-NPs) as novel anticancer agents. They reported that LIN-NP had significant apoptotic and cytotoxicity activity against epithelial ovarian cancer cells (Han, Cho et al., 2016). Moreover, linalool has also been reported to exert anticancer activity against hepatocellular carcinoma HepG2 cells through modulation of Ras/MAPK and Akt/mTOR pathways (Rodenak-Kladniew et al., 2018).

In a study by Ma et al. (2016), the anticancer activity of perillyl alcohol was demonstrated. They found that perillyl alcohol has an inhibitory effect on protein synthesis of hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α) which causes a decrease in HCT116 cell growth in a xenograft colon tumor model. In addition, perillyl alcohol was also able to increase the expression‎ of p53 and p21, decrease the expression‎ of cyclin D1, c-Myc, and S-phase kinase-associated protein 2 (Skp2) and induce cell cycle catch in phase G1 in cancer cells (Ma et al., 2016).

The monoterpene myrtenal has also been reported to exhibit anticancer properties. Myrtenal plays an important role in controlling tumor malignancy and metastasis through inhibition of V-ATPase enzymes, disruption of H + flow to V-ATPase-dependent extracellular matrix, induction of autophagy, and alteration of ion gradients (Martins, Arruda, Costa, Jerdy, De Souza, Santos, De Freitas, Kanashiro, De Carvalho, Sant'anna, Antunes, Martinez-Zaguilan, Souad, Okorokova-Façanha, & Façanha, 2019). Lastly, bakuchiol, an example of meroterpene, has been reported to exert anticancer activity in the human stomach cancer cells. Preliminary investigation demonstrated that bakuchiol yield its anticancer activity via the induction of mitochondrial-dependent cell death and modulation of the phosphoinositide 3-kinase (PI3K)/protein kinase B (Akt) and mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathways of Nagoya University-Gastric Cancer-3 (NUGC3) cells (Lv & Liu, 2017).

마찬가지로, Jayakumar 외(2018)는 히노키티올이 A549 폐암 세포의 이동에 미치는 영향을 평가했습니다. 그들은 히노키티올이 MMP 억제, 항산화 효소(카탈라아제 및 슈퍼옥사이드 디스뮤타제) 유도, 카스파제-9 및 -3 활성화 등 여러 가지 메커니즘을 통해 A549 세포의 이동을 억제한다는 것을 관찰했습니다. 또한, 히노키티올은 시토크롬 c 발현을 상당히 유도했습니다(Jayakumar et al., 2018).

α-Thujone은 항암 작용을 하는 또 다른 화합물입니다. Pudełek et al. (2019)이 수행한 연구에서, α-thujone이 다형성교모세포종(GBM) 세포의 악성도에 미치는 영향이 조사되었습니다. 그들은 α-thujone이 GBM 세포의 증식과 생존력에 대한 약화 효과를 발휘한다는 것을 발견했습니다. 또한 α-thujone이 GBM 세포에 대한 항침습 및 항세포자멸사 효과를 나타낸다는 것을 밝혀냈습니다(Pudełek et al., 2019).

또한 Potočnjak et al. (2018)에 따르면 카르바크롤은 인간 자궁 경부암 세포주인 HeLa 세포에 대한 항암 작용을 나타냅니다. 카르바크롤은 HeLa 세포에 대한 세포 독성을 유도하고, MEK(mitogen-activated protein kinase)의 억제에 의존하는 방식으로 시스플라틴(CP)에 의한 경쇄 3 베타의 발현을 강화합니다. 흥미롭게도, 이 화합물은 세포외 신호 조절 키나아제(ERK1)/ERK2 독립적인 방식으로 세포자살을 억제하고, ERK1/ERK2 의존적인 방식으로 자가포식 조절을 촉진함으로써 HeLa 세포의 CP에 대한 저항성을 증가시켰습니다(Potočnjak et al., 2018). 또한, 카르바크롤은 인간 위선암(AGS) 세포에 대한 항암제의 잠재적 원천입니다. 카르바크롤은 AGS 세포 증식을 억제하고, 유전독성, ROS 생성, 글루타티온 감소 효과를 나타냈습니다(Günes-Bayir et al., 2017).

한 외(2016)는 리날룰이 함유된 나노입자(LIN-NPs)의 새로운 항암제로서의 능력을 연구했습니다. 그들은 LIN-NP가 상피 난소암 세포에 대해 상당한 세포자멸 및 세포독성 활성을 가지고 있다고 보고했습니다(Han, Cho et al., 2016). 또한, 리날로올은 Ras/MAPK 및 Akt/mTOR 경로의 조절을 통해 간세포암 HepG2 세포에 대한 항암 활성을 발휘하는 것으로 보고되었습니다(Rodenak-Kladniew et al., 2018).

Ma et al. (2016)의 연구에서 페릴릴 알코올의 항암 효과가 입증되었습니다. 그들은 페릴릴 알코올이 이종 이식 결장 종양 모델에서 HCT116 세포 성장을 감소시키는 저산소 유도 인자 1α(HIF-1α)의 단백질 합성을 억제하는 효과가 있음을 발견했습니다. 또한, 페릴릴 알코올은 암세포에서 p53과 p21의 발현을 증가시키고, 사이클린 D1, c-Myc, S-phase kinase-associated protein 2(Skp2)의 발현을 감소시키며, G1 단계에서 세포주기를 유도할 수 있습니다(Ma et al., 2016).

단일 테르펜인 미르테날(myrtenal)도 항암 특성을 나타내는 것으로 보고되었습니다. 미르테날은 V-ATPase 효소의 억제, V-ATPase 의존성 세포외 기질로의 H+ 흐름의 방해, 자가포식 유도, 이온 구배의 변화 등을 통해 종양의 악성 및 전이를 조절하는 데 중요한 역할을 합니다(Martins, Arruda, Costa, Jerdy, De Souza, Santos, De Freitas, Kanashiro, De Carvalho, Sant'anna, Antunes, Martinez-Zaguilan, Souad, Okorokova-Façanha, & Façanha, 2019). 마지막으로, 메로테르펜의 일종인 바쿠치올은 인간의 위암 세포에서 항암 작용을 하는 것으로 보고되었습니다. 예비 조사에 따르면, 바쿠치올은 미토콘드리아 의존성 세포 사멸을 유도하고 나고야 대학 위암-3(NUGC3) 세포의 포스포이노시타이드 3-키나제(PI3K)/단백질 키나제 B(Akt) 및 미토겐 활성화 단백질 키나제(MAPK) 경로를 조절함으로써 항암 작용을 나타내는 것으로 밝혀졌습니다(Lv & Liu, 2017).

Antimicrobial

The antimicrobial activity of EOs has been reported in many studies, but most of these studies attribute such action to the most common compounds without analyzing it independently (Guimarães et al., 2019). Infections caused by sensitive and drug-resistant bacteria or other microorganisms seriously harm human health and global public health. Therefore, finding and developing new antimicrobial agents to combat multidrug-resistant organisms is essential (Liu et al., 2020).

The use of terpene and terpenoid compounds as antimicrobial agents is very promising. It has been used in several industrial fields, including cosmetics, foods, and some health care products, such as hair tonics, toothpaste, eyelid cleansers, hair restorers, skin soaps, and body lotions (El Hachlafi et al., 2021). Terpene and terpenoid compounds have been reported to yield bactericidal effects (Guimarães et al., 2019). For example, limonene have synergistic modulation effects with gentamicin antibiotics in the inhibition of Gram-positive Staphylococcus aureus and Gram-negative Escherichia coli as and several resistant bacteria (Costa et al., 2019). In addition, a combination of limonene and ε-Polylysine demonstrates an additive and useful synergistic effect against E. coli, S. aureus, Bacillus subtilis and Saccharomyces cerevisiae (Zahi, El Hattab, Liang, & Yuan, 2017),

Monoterpene terpineol’s isomers (α-terpineol, terpinen-4-ol, and δ-terpineol) have a good inhibitory effect on several Gram-negative bacteria, especially Shigella flexneri with bacterial membrane permeability mechanisms resulting in the release of nucleic acids and proteins along with a decrease in membrane potential. In addition to that, the release of AKP indicates that the bacterial cell wall is destroyed, thus the potential use of terpineol in food as a natural antibacterial agent that is capable to destroy cell membranes and walls, resulting in bacterial cell death (Huang et al., 2021). Borneol and citral also have synergistic effects as bacteriostatic and antibiofilm agents in the packaging materials and common surface disinfectants. The synergistic effects of borneol and citral demonstrates a good elimination effect on the formation of biofilms produced by Listeria monocytogenes and Pseudomonas aeruginosa, most likely attributed to the ability of those two components to increase porosity and lytic effect on bacterial cell membranes as particularly suitable for use as promising food additives (Wang et al., 2021).

Hinokitiol is effective against Candida strain panels with several azole-resistant mechanisms and inhibits the growth of Candida albicans (Jin et al., 2021). The mechanism of action of hinokitiol is attributed to the chelated effect of intracellular iron fungus and inhibits the respiration of fungal cells but has little effect on the mammalian cells. It has been reported that hinokitiol also inhibits the activity of mitochondrial respiratory chains complex I and II and reduces the potential of mitochondrial membranes, thereby reducing intracellular ATP synthesis and increasing the intracellular reproductive stress. Thus, hinokitiol shows low potential to induce resistance in some Candida species and greatly improves the survival of Candida-infected Galleria mellonella (Jin et al., 2021). Furthermore, hinokitiol has also been demonstrated to yield prospective antibacterial effect with low or no negative effect on the human host or environment (Suzuki et al., 2019).

Other examples of EO with antimicrobial effect are eugenol (Devi, Nisha, Sakthivel, & Pandian, 2010). Eugenol showed rapid bactericidal action against Salmonella enterica serovar Typhimurium. Eugenol also demonstrated excellent bactericidal activity against strains of S. aureus. The compounds carveol, citronellol, and geraniol have a rapid bactericidal effect against E. coli. Furthermore, carvacrol, l-carveol, eugenol, trans-geraniol, and thymol, showed higher activity when compared to sulfanilamide. The inhibition of microbial growth and the death of bacterial cells is based on the loss of integrity in the function of cellular membranes (Guimarães et al., 2019). Terpenes and other terpenoid compounds, such as bakuchiol, α-pinene, linalool, champene, geraniol, 1,8-cineole, α-phellandrene, 3-carene, p-cymene, perillyl alcohol, bornyl acetate, and citral isomers, also have been reported to yield inhibitory effects on the growth of microorganisms (Table 2). These convincing data further indicate the potential use of these compounds as efficient antimicrobial agents in the food industry (Zahi et al., 2017), thus has a valuable contribution in supporting human health.

항균성

에센셜 오일의 항균성 활동은 많은 연구에서 보고되었지만, 이러한 연구의 대부분은 이러한 작용을 독립적으로 분석하지 않고 가장 일반적인 화합물에 기인한다고 보고하고 있습니다(Guimarães et al., 2019). 민감한 박테리아나 약물 내성 박테리아 또는 기타 미생물에 의한 감염은 인간의 건강과 전 세계 공중 보건에 심각한 해를 끼칩니다. 따라서 다제 내성 미생물을 퇴치하기 위한 새로운 항균제를 찾고 개발하는 것이 필수적입니다(Liu et al., 2020).

테르펜과 테르페노이드 화합물을 항균제로 사용하는 것은 매우 유망합니다. 화장품, 식품, 그리고 헤어 토닉, 치약, 눈꺼풀 세정제, 모발 복원제, 피부 비누, 바디 로션과 같은 일부 건강 관리 제품을 포함한 여러 산업 분야에서 사용되고 있습니다(El Hachlafi et al., 2021). 테르펜과 테르페노이드 화합물은 살균 효과를 나타내는 것으로 보고되었습니다(Guimarães et al., 2019). 예를 들어, 리모넨은 그람 양성 황색포도상구균과 그람 음성 대장균 및 여러 내성 박테리아의 억제에 있어 젠타마이신 항생제와 시너지 효과를 나타냅니다(Costa et al., 2019). 또한, 리모넨과 ε-폴리라이신의 조합은 대장균, 황색포도상구균, 바실러스 서브틸리스, 사카로마이세스 세레비시아에 대해 추가적이고 유용한 상승 효과를 나타냅니다(Zahi, El Hattab, Liang, & Yuan, 2017).

모노테르펜 테르피네올의 이성질체(α-테르피네올, 테르피넨-4-올, δ-테르피네올)는 여러 그람 음성균, 특히 핵산과 단백질의 방출과 함께 막 전위의 감소를 초래하는 막 투과성 메커니즘을 가진 시겔라 플렉스네리(Shigella flexneri)에 대해 좋은 억제 효과를 가지고 있습니다. 또한, AKP의 방출은 박테리아 세포벽이 파괴되었음을 나타내며, 따라서 테르피네올을 세포막과 세포벽을 파괴할 수 있는 천연 항균제로 식품에 사용할 수 있는 잠재력이 있음을 의미합니다(Huang et al., 2021). 보르네올과 시트랄은 포장재와 일반적인 표면 소독제에서 정균 및 항생물질 형성 억제제로서 시너지 효과를 발휘합니다. 보르네올과 시트랄의 상승 효과는 리스테리아 모노사이토제네스(Listeria monocytogenes)와 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)에 의해 생성된 생물막 형성에 대한 우수한 제거 효과를 보여줍니다. 이는 두 성분이 특히 유망한 식품 첨가물로 사용하기에 적합한 세균 세포막의 다공성 및 용해 효과를 증가시키는 능력 때문인 것으로 추정됩니다(Wang et al., 2021).

히노키티올은 여러 가지 아졸 내성 메커니즘을 가진 칸디다 균주에 효과적이며, 칸디다 알비칸스의 성장을 억제합니다(Jin et al., 2021). 히노키티올의 작용 메커니즘은 세포 내 철 곰팡이의 킬레이트 효과에 기인하며, 곰팡이 세포의 호흡을 억제하지만 포유류 세포에는 거의 영향을 미치지 않습니다. 히노키티올은 또한 미토콘드리아 호흡 사슬 복합체 I과 II의 활동을 억제하고 미토콘드리아 막의 잠재력을 감소시켜 세포 내 ATP 합성을 감소시키고 세포 내 생식 스트레스를 증가시킨다고 보고되었습니다. 따라서, 히노키티올은 일부 칸디다 종에서 저항을 유도할 가능성이 낮고, 칸디다에 감염된 갈레리아 멜론넬라의 생존율을 크게 향상시킵니다(Jin et al., 2021). 또한, 히노키티올은 인간 숙주나 환경에 부정적인 영향을 거의 주지 않거나 전혀 주지 않으면서도 항균 효과를 발휘하는 것으로 나타났습니다(Suzuki et al., 2019).

항균 효과가 있는 EO의 다른 예로는 유제놀(eugenol)이 있습니다(Devi, Nisha, Sakthivel, & Pandian, 2010). 유제놀은 살모넬라 장염(Salmonella enterica serovar Typhimurium)에 대해 신속한 살균 작용을 보였습니다. 유제놀은 또한 황색포도상구균(S. aureus) 균주에 대해서도 우수한 살균 작용을 보였습니다. 카르베올(carveol), 시트로넬롤(citronellol), 제라니올(geraniol) 화합물은 대장균(E. coli)에 대해 신속한 살균 효과를 보입니다. 또한, 카르바크롤, l-카르베올, 유제놀, 트랜스-제라니올, 티몰은 설파닐아미드에 비해 더 높은 활성을 보였습니다. 미생물 성장 억제 및 세균 세포의 사멸은 세포막 기능의 완전성 상실에 기반합니다(Guimarães et al., 2019). 테르펜과 바쿠치올, α-피넨, 리날로올, 샴펜, 제라니올, 1,8-시네올, α-펠란드렌, 3-카렌, p-시멘, 페릴릴 알코올, 보르닐 아세테이트, 시트랄 이성질체 등과 같은 다른 테르페노이드 화합물도 미생물의 성장 억제 효과가 있는 것으로 보고되었습니다(표 2). 이러한 설득력 있는 데이터는 식품 산업에서 이러한 화합물이 효율적인 항균제로 사용될 수 있음을 보여줍니다(Zahi et al., 2017). 따라서 인간의 건강을 지원하는 데 중요한 기여를 할 수 있습니다.

Table 2.

Examples of terpene compounds in essential oils with the potential antimicrobial effects.

ClassesCompoundsPlantMicroorganism strainAntimicrobial effectsType of assayReference

Monoterpene hydrocarbons	Myrcene	PC	Enterococcus faecalis (ATCC 29212), Streptococcus mutans (ATCC 25175), S. mutans (ATCC 35668), S. mutans (ATCC UA159), and Lactobacillus rhamnosus (ATCC 53103)	Bacterial growth (MIC > 8 × 102 CFU/ml)	Agar dilution	(Chaves-Quirós et al., 2020)
Terpineols Monoterpene	α-Terpineol	PC	Escherichia coli (CICC 21530), Shigella flexneri (CICC 21534), and Salmonella enterica (CICC 21513)	Good inhibitory effects against several gram-negative bacteria (MIC 1.531, 0.766, and 1.531 mg/ml)	Two-fold dilutions	(Huang et al., 2021)
Tropolone monoterpene	Hinokitiol	PC	Bacillus subtilis, S. aureus, E. coli, and Pseudomonas aeruginosa	(MIC 80, 160, 80, and 320 mg/ml)	Agar dilution	(Suzuki et al., 2019)
Bicyclic monoterpene	Borneol	Purity ≥ 98%	E. coli (ATCC 43894), Listeria monocytogenes (ATCC 19118), S. aureus (ATCC 23235), P. aeruginosa (ATCC 27853)	Bacteriostatic activity (MIC 1.25, 5, 5, 10 mg/ml)	Double microdilution	(Wang et al., 2021)
Terpenophenol	Bakuchiol	PC	S. aureus (ATCC29213), MRSA N315, MRSA NCTC10442, E. coli (ATCC25922), P. aeruginosa (ATCC9027), Acinetobacter baumannii (ATCC17978), A. baumannii (R2889), Klebsiella pneumoniae (ATCC10031), K. pneumoniae (ATCC14581)	Antibacterial activity (MIC 6.25, 3.125, 3.125, > 100, >50, >50, >50, 12.5, and > 50 μl/ ml)	Broth dilution method	(Li et al., 2021)
Cyclic monoterpene	d-Limonene	PC	E. coli (ATCC 8739), S. aureus (ATCC 6538), B. subtilis (ATCC 6633), Saccharomyces cerevisiae (ATCC 9763)	Exhibit strong synergistic (MIC 1, 1, 1, and 0.5 µg/ml)	Serial Dilution	(Zahi et al., 2017)
Acyclic monoterpene Alcohol	Geraniol	PC	B. cereus (MTCC 430), E. coli(MTCC 443)	Antimicrobial effect (MIC 1200  µl/ml all tested)	BHI broth	(Syed & Sarkar, 2018)
Oxygenated monoterpene	1,8-cineole	Purity 99%	S. aureus (ATCC 25923), MRSA clinical isolate, P. aeruginosa (ATCC 27853), E. coli (ATCC 25922), K. pneumoniae (ATCC 700603), Enterococcus faecalis (ATCC 51299) Candida albicans (ATCC 90028)	Effect against microorganisms (MIC 128, 128, 256, 32, 64, 128, and 32 g/l)	Serial double dilutions	(Şimşek & Duman, 2017)
Cyclic monoterpene	α-Phellandrene	Purity > 99%	Penicillium cyclopium	Inhibit the mycelia growth (MIC 1.7 ml/L)	Agar dilution	(Zhang, Sun, Chen, Zeng, & Wang, 2017)
Bicyclic Monoterpene	(+)-3-carene	Purity ≥ 90.0%	Brochothrix thermosphacta (ACCC 03,870), and Pseudomonas fluorescens (ATCC 13,525)	Had strong antibacterial activity (MIC 20 ml/L)	Agar dilution	(Shu et al., 2020)
Alkylbenzene Monoterpene	p-Cymene	Salvia officinalis (Essential oil)	E. coli (ATCC 8739), S. aureus (ATCC 6538), C. albicans (ATCC 10231)	Antibacterial activity (MIC 7.5, >15, and 3.75 μl/ml)	Broth microdilution	(Cutillas, Carrasco, Martinez-Gutierrez, Tomas, & Tudela, 2017)
Oxygenated monoterpene	Bornyl acetate	S. officinalis (Essential oil)	E. coli (ATCC 8739), S. aureus (ATCC 6538), C. albicans(ATCC 10231)	Antibacterial activity (MIC > 15, 15, and > 15 μl/ml)	Broth microdilution	(Cutillas et al., 2017)
Monoterpenoid phenol	Carvacrol	PC	B. cereus (MTCC 430), E. coli (MTCC 443)	Antimicrobial effect (MIC 400 µl/ml all tested)	BHI broth	(Syed & Sarkar, 2018)
Acyclic monoterpene Alcohol	Linalool	PC	P. aeruginosa (ATCC9027)	Antibacterial activity (MIC 431 µg/ml)	Medium dilution	(Liu et al., 2020)
Citral isomer	Citral	PC	C. albicans (SC5314), C. tropicalis (ATCC1369), S. aureus (ATCC25923)	Antimicrobial action (MIC 0.0313, 0.0156, and 0.0313 v/v%)	Serial microdilutions	(Gao et al., 2020)

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Note: PC = Pure Compound.

Anti-inflammatory

Recent decades have shown that terpenes and terpenoids are physiologically important to alleviate various symptoms caused by inflammation, most likely by inhibiting multiple pathological steps in the inflammatory process (Kim, Song, Cho, & Lee, 2020). Inflammation is a protective response of the host to non-self objects that are usually generated by microbial infection and/or tissue damage. Dysregulation of inflammatory responses can lead to acute and chronic inflammatory diseases that cause excessive or long-lasting tissue damage (Chen et al., 2017).

Macrophages, one of key immune cells, play a central role in many different immune pathological phenomena during inflammation, including overproduction of pro-inflammatory cytokines and inflammatory mediators, such as interleukin-1β (IL-1β), IL-6, tumor necrosis factor-alpha (TNF-α), and nitric oxide (NO) synthesized by non-reduced NO synthase (iNOS), and prostaglandin E2 (PGE-2) synthesized by cyclooxygenase-2 (COX-2). Lastly, a central transcription factor, nuclear-κB (NF-κB) factor, holds a central role in the expression‎ of pro-inflammatory genes during inflammation (Liu, Zhang, Joo, & Sun, 2017).

Some cellular processes, including oxidative stress and autophagy, also play an essential role in inflammation. Reactive oxygen species (ROS), which results from several sources, including mitochondria, mediate increased leukocyte migration and junctional permeability through various signaling mechanisms. In addition, a recent study showed that ROS regulates the release of IL-1β by directly interfering with NF-κB signals (Warnatsch et al., 2017).

The application of terpenes and terpenoids to alleviate inflammation has been shown successful in the mitigation of respiratory inflammation, atopic dermatitis, arthritis, and neuroinflammation (Kim, Song et al., 2020). Table 3 shows that terpene compounds and terpenoids are beneficial as an anti-inflammatory in some disease conditions.

항염증 작용

최근 수십 년 동안 테르펜과 테르페노이드는 염증으로 인한 다양한 증상을 완화하는 데 생리학적으로 중요한 역할을 한다는 사실이 밝혀졌습니다. 염증 과정의 여러 병리학적 단계를 억제함으로써 그 효과가 나타날 가능성이 큽니다(Kim, Song, Cho, & Lee, 2020). 염증은 미생물 감염 및/또는 조직 손상으로 인해 발생하는 비자극성 물질에 대한 숙주의 보호 반응입니다. 염증 반응의 조절 장애는 과도하거나 오래 지속되는 조직 손상을 유발하는 급성 및 만성 염증성 질환으로 이어질 수 있습니다(Chen et al., 2017).

주요 면역 세포 중 하나인 대식세포는 염증 동안 다양한 면역 병리 현상에서 중심적인 역할을 합니다. 여기에는 인터루킨-1β(IL-1β), IL-6, 종양 괴사 인자-알파(TNF-α)와 같은 전염증성 사이토카인과 염증 매개체의 과잉 생산이 포함됩니다. 그리고 비환원성 NO 합성효소(iNOS)에 의해 합성되는 산화질소(NO), 그리고 사이클로옥시게나제-2(COX-2)에 의해 합성되는 프로스타글란딘 E2(PGE-2). 마지막으로, 중심 전사 인자인 핵-κB(NF-κB) 인자는 염증 동안 전염성 염증 유전자의 발현에 중심적인 역할을 합니다(Liu, Zhang, Joo, & Sun, 2017).

산화 스트레스와 자가포식 작용을 포함한 일부 세포 과정도 염증에 중요한 역할을 합니다. 미토콘드리아를 포함한 여러 가지 원인에 의해 생성되는 활성산소(ROS)는 다양한 신호 전달 메커니즘을 통해 백혈구 이동과 접합부 투과성을 증가시킵니다. 또한, 최근 연구에 따르면 ROS는 NF-κB 신호를 직접적으로 방해함으로써 IL-1β의 방출을 조절합니다(Warnatsch et al., 2017).

테르펜과 테르페노이드를 사용하여 염증을 완화하는 것은 호흡기 염증, 아토피성 피부염, 관절염, 신경염을 완화하는 데 성공적인 것으로 나타났습니다(Kim, Song et al., 2020). 표 3은 테르펜 화합물과 테르페노이드가 일부 질병 상태에서 항염증제로서 유용하다는 것을 보여줍니다.

Table 3.

Examples of terpene compounds in EO with the potential anti-inflammatory effects.

ClassesCompoundsPlantType of inflammationAnti-inflammatory effectsAssay/methodReference

Monoterpene hydrocarbons	Myrcene	PC	Renal tissues of rats	Inhibited the activities of inflammatory cytokine, pro-inflammatory signalling	ELISA	(Yang & Liao, 2021)
Cyclic monoterpene	R-(+)-limonene	Purity > 99%(Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA)	Gastric ulcer in rats	Decreased the levels of TNF-a, IL-6, and IL-1β and increased the level of IL-10	ELISA kits	(De Souza et al., 2019)
Bicyclic monoterpene	Borneol	PC	Acute pancreatitis mice model	Inhibited TNF-α, IL-1β, IL-6, and modulated Nrf2/NF-κB pathway	ELISA	(Bansod et al., 2021)
Tropolone monoterpene	Hinokitiol	PC	Inflammation in primary human keratinocytes	Inhibited LPS-mediated up-regulation of pro-inflammatory factors including tumor necrosis factor alpha, IL-6, and prostaglandin E2 (PGE2), and Sirt1 activity	Quantitative Real-Time PCR	(Lee et al., 2017)
Terpenophenol	Bakuchiol	Psoralea corylifolia (Seeds essential oil)	Cerebral ischemic injury in mouse BV-2 microglia	Exhibit its anti-inflammatory property via activating Nrf2 signaling	Immuno-fluorescence staining	(Xu, Gao, Wang, Yang, & Xie, 2021)
Bicyclic monoterpene	α-Pinene	PC	Focal cerebral ischemia–reperfusion in rats	Neuroprotective effect during ischemic stroke through attenuating neuroinflammation.	ELISA	(Khoshnazar, Parvardeh, & Bigdeli, 2020)
Acyclic monoterpene Alcohol	Linalool	Boswellia carterii	Ear edema model and a formalin-inflamed hind paw model	More potent pharmacological effects on hind paw inflammation and COX-2 overexpression‎	Immuno-histochemistry	(Li, Yang, Li, Zhang, & Tang, 2016)
Acyclic monoterpene Alcohol	Geraniol	PC	Lungs in mice model	Improved the inflammatory changes	ELISA	(Lin et al., 2021)
Cyclic monoterpene	α-Phellandrene	PC	Wound healing	Suppressed the overproduction of pro-inflammatory cytokines of IL-6 and TNF-α.	ELISA	(De Christo Scherer et al., 2019)
Hydroxylated monoterpene	Perillyl alcohol	Purity 96%	Lung tissue in rats	Inhibited cellular inflammation	ELISA	(Beik et al., 2021)
Citral isomer	Citral	Purity ≥ 95%	Hyperalgesia and pleurisy in mice	Anti-inflammatory activities	ELISA	(Campos, Lima, Trindade, Souza, Mota, Heimfarth, & Thangaraj, 2019)
Monoterpenoid phenol	Carvacrol	PC	Asthma in rats	Reduced of AEC, IgE, IL-4, IL-5, IL-13, TNF-α, IFN-γ, iNOS and MDA	Colorimetric and Quantitative Real-Time PCR	(Ezz-Eldin, Aboseif, & Khalaf, 2020)
Oxygenated monoterpene	1,8-cineole	PC	Upper Ileum Tissues	Prevented low-grade inflammation	Quantitative Real-Time PCR	(Jiang et al., 2021)

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Note: PC = Pure Compound.

The prospective anti-inflammatory effect of myrcene in the treatment of renal inflammation was tested in the adrenalectomized rat models (Islam et al., 2020). The mechanisms were suggested to be associated with the downregulation of pro-inflammatory cytokine (IL-1β, IL-6, and TNF-α) and anti-inflammatory markers (IL-4 and IL-10) as well as the upregulation of endogenous antioxidants such as catalase (CAT), superoxide dismutases (SODs) and glutathione (GSH) (Islam et al., 2020).

Limonene, a cyclic monoterpene, has been reported to exert gastroprotective effect in rats (De Souza et al., 2019). The precise mechanism of its gastroprotective action remains unclear. However, current experimental evidence suggested that this effect may be due to its ability in the modulation of the oxidative stress (via upregulation of endogenous antioxidant glutathione peroxidase) and the alleviation of inflammatory responses (via inhibition of NF-κB-mediated gene expression‎) (De Souza et al., 2019).

Several terpenes and terpenoids such as (+)-α-terpineol, (−)-β-pinene, and (+)-α-pinene reported to reduce the expression‎ of genes associated with inflammation (IL-4 and IL-13) and secretion of β-hexosaminidase in RBL-2H3 cells stimulated by LPS. The application of these compounds in the treatment of inflammatory conditions and the basis for the development of new anti-inflammatory drugs (Yang, Choi, Kim, Eom, & Park, 2021). Borneol, for example, has been reported to significantly increase the activation of nuclear factors E2-related factor 2 (Nrf2) and the expression‎ of superoxide dismutase (SOD) 1 but at the same time downregulate the expression‎ of NF-κB and p65. Treatment with borneol significantly inhibited the pro-inflammatory expression‎ of cytokines and has the potential to alleviate cerulein-induced acute pancreatitis by reducing oxidative damage and inflammation of the pancreas in a manner dependent on the modulating of the Nrf2/NF-κB pathway (Bansod et al., 2021).

Another example is bakuchiol, a meroterpene in the class of terpenophenol, and hinokitiol, a natural monoterpenoid. Bakuchiol has been demonstrated to be effective in the suppression of pro-inflammatory cytokine expression‎ and mitigation of delayed hypersensitivity responses compared to the control group (Kumar et al., 2021). Hinokitiol inhibits LPS-mediated regulation, including tumor necrosis factor-alpha, IL-6, and prostaglandin E2 (PGE2). Hinokitiol is suggested to act through the inhibition of LPS-mediated proinflammatory signals via the activation of histone sirt1 deacetylase in primary human keratinocytes. Hence, hinokitiol has been suggested as a potential therapeutic agent in the treatment of inflammatory skin diseases such as psoriasis (Lee, Moon, Lee, & Park, 2017).

신장 염증 치료에 미르센의 항염 효과가 있는지 알아보기 위해 부신 절제 쥐 모델에서 실험을 진행했습니다(Islam et al., 2020). 이 메커니즘은 전염증성 사이토카인(IL-1β, IL-6, TNF-α)과 항염증성 마커(IL-4, IL-10)의 하향 조절과 카탈라제(CAT), 슈퍼옥사이드 디스뮤타제(SOD), 글루타티온(GSH)과 같은 내인성 항산화제의 상향 조절과 관련이 있는 것으로 제안되었습니다(Islam et al., 2020).

사이클릭 모노테르펜인 리모넨은 쥐에게 위장 보호 효과를 발휘하는 것으로 보고되었습니다(De Souza et al., 2019). 위장 보호 작용의 정확한 메커니즘은 아직 명확하지 않습니다. 그러나 현재의 실험적 증거에 따르면, 이 효과는 항산화제인 글루타티온 퍼옥시다아제의 상향 조절을 통한 산화 스트레스 조절 능력과 NF-κB 매개 유전자 발현 억제를 통한 염증 반응 완화 능력 때문일 수 있습니다(De Souza et al., 2019).

(+)-α-테르피네올, (−)-β-피넨, (+)-α-피넨과 같은 여러 테르펜과 테르페노이드는 LPS에 의해 자극된 RBL-2H3 세포에서 염증(IL-4 및 IL-13)과 β-헥소사미니다아제 분비와 관련된 유전자의 발현을 감소시키는 것으로 보고되었습니다. 이러한 화합물의 염증성 질환 치료에 대한 적용과 새로운 항염증제 개발의 기초(Yang, Choi, Kim, Eom, & Park, 2021). 예를 들어, 보르네올은 핵 인자 E2 관련 인자 2(Nrf2)의 활성화와 슈퍼옥사이드 디스뮤타제(SOD) 1의 발현을 크게 증가시키는 것으로 보고되었지만, 동시에 NF-κB와 p65의 발현을 하향 조절합니다. 보르네올을 이용한 치료는 사이토카인의 전염증성 발현을 현저하게 억제하고, Nrf2/NF-κB 경로의 조절에 의존하는 방식으로 췌장의 산화적 손상 및 염증을 감소시킴으로써 세룰레인에 의한 급성 췌장염을 완화할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다(Bansod et al., 2021).

또 다른 예로, 테르페노페놀 계열의 메로테르펜인 바쿠치올과 천연 모노테르페노이드인 히노키티올이 있습니다. 바쿠치올은 대조군에 비해 전염증성 사이토카인 발현 억제 및 지연성 과민반응 완화에 효과가 있는 것으로 입증되었습니다(Kumar et al., 2021). 히노키티올은 종양 괴사 인자-알파, IL-6, 프로스타글란딘 E2(PGE2)를 포함한 LPS 매개 조절을 억제합니다. 히노키티올은 1차 인간 각질 세포에서 히스톤 sirt1 탈아세틸화 효소의 활성화를 통해 LPS 매개 전염증성 신호를 억제함으로써 작용하는 것으로 알려져 있습니다. 따라서 히노키티올은 건선과 같은 염증성 피부 질환의 치료에 잠재적인 치료제로 제안되었습니다(Lee, Moon, Lee, & Park, 2017).

Antioxidant

Some EOs have an important role in reducing oxidative stress and often used to prevent several chronic diseases. Chamazulene, a bicyclic sesquiterpene derivative from EOs of Matricaria chamomilla, was able to balance ROS level on bovine aortic endothelial cells-1 (BAECs), which increase due to high glucose and H2O2 treatment (Querio et al., 2018). Ursolic acid which isolated from Entada abyssinica is a pentacyclic triterpenoid carboxylic acid. Ursolic acid has antioxidant activity with IC50 1.43 ± 0.080, 2.87 ± 1.19, and 7.04 ± 1.29 µg/ml by using FRAP, DPPH, and ABTS method, respectively (Dzoyem et al., 2017). FRAP, DPPH, and ABTS are radical compound which can assist in the measurement of antioxidant activity through color change. DPPH will change into a non-radical compound (diphenylpicrylhydrazine), characterized by a change in the color of the solution from purple to pale yellow, if its free electrons bind to the hydrogen atom of an antioxidant compound. In the ABTS method, the solution will change from blue or green to colorless due to the acceptance of proton donors from antioxidant compounds. Meanwhile, in the FRAP method, the solution will change color from yellow to blue when ferri-tripyridyl-triazine (Fe(III)TPTZ) becomes ferro-tripyridyl-triazine (Fe(II)TPTZ) due to electron transfer from antioxidant compounds (Moon & Shibamoto, 2009).

Some terpeneoids (α-pinene, limonene, nerol, terpinol, geraniol, linalool, and myrcene) are responsible for specific aroma in wine. α-Pinene showed the strongest radical scavenging effect with IC50 12.57 ± 0.18 mg/ml, followed by limonene and nerol with IC50 13.35 ± 0.26 and 26.08 ± 2.28 mg/ml, respectively. This is in line with the result of reducing power assay, where α-pinene has the greatest reducing power among others (213.7 ± 5.27 mg/ml), followed by limonene (133.48 ± 6.22 mg/ml), nerol (79.15 ± 3.75 mg/ml), terpinol (73.92 ± 3.34 mg/ml), geraniol (73.78 ± 3.94 mg/ml), linalool (43.97 ± 1.09), and the lowest was myrcene (21.59 ± 1.14 mg/ml) (Wang et al., 2019).

Magnolia biondii, one of traditional Chinese herb, contain many active components in its essential oil. Of all, α-terpineol showed the highest % rate of scavenging (84.1%) followed by c-cadinene (83.9%), geraniol (75.5%), linalool (65.5%), and citronellol (58.1%) by DPPH assays. Similar results were also obtained in the ABTS assays, where these five components had the highest scavenging activity compared to the others, ranging from 89.1% to 83.0% (Nie et al., 2020). Essential oil of Cinnamon contains cinnamaldehyde which has high scavenging rate of 93.0% by using DPPH assay (Farag, Alagawany, & Tufarelli, 2017). Eugenol and isoeugenol which found in a variety of plants including cinnamon, basil, clove, spices, and nutmeg have quite promising antioxidant activity, with EC50 of 22.1 ± 3.5 and 17.6 ± 4.1 µg/ml for DPPH assay, 146.5 ± 5.6 and 87.9 ± 4.7 µg/ml for ABTS assay, and 11.2 ± 1.5 and 18.4 ± 1.2 µg/ml for FRAP assay, respectively. These results indicate that isoeugenol has slightly higher scavenging activity than eugenol (Zhang, Zhang, Xu, & Hu, 2017).

항산화제

일부 에센셜 오일은 산화 스트레스를 줄이는 데 중요한 역할을 하며, 여러 만성 질환을 예방하는 데 자주 사용됩니다. Matricaria chamomilla의 에센셜 오일에서 추출한 바이사이클릭 세스퀴테르펜 유도체인 Chamazulene은 높은 포도당과 H2O2 처리로 인해 증가하는 소의 대동맥 내피 세포-1(BAECs)의 ROS 수준을 균형 있게 조절할 수 있었습니다(Querio et al., 2018). Entada abyssinica에서 분리된 우르솔산은 펜타사이클릭 트리테르페노이드 카르복실산입니다. 우르솔산은 FRAP, DPPH, ABTS 방법을 각각 사용하여 IC50 1.43 ± 0.080, 2.87 ± 1.19, 7.04 ± 1.29 µg/ml의 항산화 활성을 나타냅니다(Dzoyem et al., 2017). FRAP, DPPH, ABTS는 색상 변화를 통해 항산화 활성을 측정하는 데 도움이 되는 라디칼 화합물입니다. DPPH는 자유 전자가 항산화 화합물의 수소 원자에 결합할 경우 용액의 색이 자주색에서 담황색으로 변하는 비급진성 화합물(디페닐피크릴히드라진)로 변합니다. ABTS 방법에서는 항산화 화합물로부터 양성자 공여체가 받아들여지기 때문에 용액이 청색 또는 녹색에서 무색으로 변합니다. 한편, FRAP 방법에서는 항산화 화합물로부터 전자가 이동하여 페리-트리피리딜-트리아진(Fe(III)TPTZ)이 페로-트리피리딜-트리아진(Fe(II)TPTZ)으로 바뀌면 용액이 노란색에서 파란색으로 변합니다(Moon & Shibamoto, 2009).

일부 테르펜(α-피넨, 리모넨, 네롤, 테르피놀, 제라니올, 리날룰, 미르센)은 와인의 특정 향을 담당합니다. α-피넨은 IC50 12.57 ± 0.18 mg/ml로 가장 강력한 라디칼 소거 효과를 보였고, 그 뒤를 이어 리모넨과 네롤이 각각 IC50 13.35 ± 0.26 mg/ml와 26.08 ± 2.28 mg/ml로 그 뒤를 이었습니다. 이는 환원력 분석 결과와 일치하는데, α-피넨이 다른 물질들 중 가장 높은 환원력을 보였으며(213.7 ± 5.27 mg/ml), 그 뒤를 리모넨(133.48 ± 6.22 mg/ml), 네롤(79.15 ± 3.75 mg/ml)이 따랐습니다. 테르피놀(terpinol)(73.92 ± 3.34 mg/ml), 제라니올(geraniol)(73.78 ± 3.94 mg/ml), 리날로올(linalool)(43.97 ± 1.09), 그리고 가장 낮은 것은 미르센(myrcene)(21.59 ± 1.14 mg/ml)입니다(Wang et al., 2019).

중국 전통 약초인 목련나무에는 에센셜 오일에 많은 활성 성분이 함유되어 있습니다. 그중에서도 α-테르피네올은 DPPH 분석 결과 가장 높은 소거율(84.1%)을 보였고, c-카디넨(83.9%), 제라니올(75.5%), 리날룰(65.5%), 시트로넬롤(58.1%)이 그 뒤를 이었습니다. ABTS 분석에서도 유사한 결과가 나왔는데, 이 다섯 가지 성분이 다른 성분들에 비해 89.1%에서 83.0%에 이르는 가장 높은 소거 활성을 보였습니다(Nie et al., 2020). 계피 에센셜 오일에는 DPPH 분석법을 사용하여 93.0%의 높은 소거율을 보이는 신남알데하이드가 함유되어 있습니다(Farag, Alagawany, & Tufarelli, 2017). 계피, 바질, 정향, 향신료, 육두구 등 다양한 식물에서 발견되는 유제놀과 이소유제놀은 DPPH 분석에서 EC50이 22.1 ± 3.5 및 17.6 ± 4.1 µg/ml로 상당히 유망한 항산화 활성을 가지고 있으며, 146. ABTS 분석의 경우 5 ± 5.6 및 87.9 ± 4.7 µg/ml, FRAP 분석의 경우 11.2 ± 1.5 및 18.4 ± 1.2 µg/ml입니다. 이 결과는 이소유제놀의 소거 활동이 유제놀보다 약간 더 높다는 것을 나타냅니다(Zhang, Zhang, Xu, & Hu, 2017).

Anti-allergic

Allergic diseases are characterized by inflammation with infiltration of T cells and granulocytes (eosinophils, neutrophils, and mast cells). Mast cells play a major role in almost all allergic diseases, generally in the end reaction of allergic disease (Modena, Dazy, & White, 2016). Mast cells begin to synthesize prostanoids and proinflammatory leukotrienes, and subsequently produce inflammatory cytokines, such as IL-4, IL-5, IL-13, IL-1α/β, thereby stimulating the activation of other cells such as neutrophils, monocytes, basophils, eosinophils and lymphocytes. Anti-allergic compounds derived from plants, animals, and microbes, with various mechanisms of action such as binding to the epitope present in allergens, affecting gut microbiota and intestinal epithelial cells, changing antigen presentation and T cell differentiation, and inhibiting effector cell degranulation (Yang, Li, Xue, Huang, & Wang, 2021).

Some terpenes and terpenoids have been studied for anti-allergic activity. Atractylone (Atr), one of sesquiterpene components from Atractylodes japonica, can inhibit rat peritoneal mast cells (RPMC) degranulation, tryptase and histamine release, and intracellular calcium levels. Also, reduced tryptase and histamine release from PMA plus A23187-stimulated HMC-1 cells, led to decreased actvity and expression‎ of histidine decarboxylase in activated HMC-1 cells. Atr decreased levels of histamine, IgE, IL-4, IL-5, IL-6, vascular endothelial growth factor, and IL-13 in the serum of PCA-induced mice. Atr has activity as a treatment for allergic reactions mediated by mast cells (Han, Moon et al., 2016). Carvone (S- and R-) at concentrations 10 mg/kg via oral route has been reported to reduce the total eosinophil and leukocytes counts in the murine model of airway allergic inflammation induced by sensitization and challenge with ovalbumin (OVA). S-carvone significantly increased the concentrations of IFN- and neutrophil counts in the BAL of allergic mice. R-carvone could stimulate IL-10 synthesis and inhibit IgE secretion (Ribeiro-Filho et al., 2020). β-Amyrin, 2α,3α,23- trihydroxyursa-12,20(30)-dien-28-oic acid, and euscaphic acid at 10 µM, inhibited histamine release with percentage of inhibitions of 46.7, 57.9, and 54.2%, respectively. In addition, β-amyrin and 2α,3α,23- trihydroxyursa-12,20(30)-dien-28-oic acid showed strong inhibition of TNF- α and IL-6 in the test for pro-inflammatory cytokines (Choi, Kim, Kim, & Kim, 2016).

Citronellol, one of major component from geranium EOs, at concentrations 0.5 mM can inhibit degranulation of mast cells by 69.4% and significantly inhibit IgE- induced tumor necrosis factor -α (TNF-α) production (Kobayashi et al., 2016). Vernodalin isolated from Vernonia amygdalina increase filaggrin (FLG) mRNA expression‎ levels and reduce IL-33mRNA expression‎ in mice (vs. control group) also significantly reduce the dermatitis score (vs. control) in regard to ear skin lesions at 100 µg/ml via topical administration (Hirota & Ngatu, 2018). Mojabanchromanol, a constituent isolated from Sargassum horneri, has anti-allergy effect on bone marrow-derived cultured mast cells. Mojabanchromanol shows inhibitory effect on the β-hexosaminidase release and inhibited the mRNA expression‎ levels of allergic cytokines in bone marrow cultured mast cells (BMCMCs) (Kim, Han et al., 2020).

항알레르기

알레르기 질환은 T 세포와 과립구(호산구, 호중구, 비만세포)의 침윤을 동반한 염증이 특징입니다. 비만세포는 거의 모든 알레르기 질환에서 중요한 역할을 하며, 일반적으로 알레르기 질환의 최종 반응에 관여합니다(Modena, Dazy, & White, 2016). 마스트 세포는 프로스타노이드와 프로인플루엔자 류코트리엔을 합성하기 시작하고, 그 후에 IL-4, IL-5, IL-13, IL-1α/β와 같은 염증성 사이토카인을 생성하여 호중구, 단핵구, 호염기구, 호산구, 림프구와 같은 다른 세포의 활성화를 촉진합니다. 식물, 동물, 미생물에서 추출한 항알레르기 화합물은 알레르기 유발 물질에 존재하는 에피토프에 결합하거나, 장내 미생물군과 장 상피세포에 영향을 미치거나, 항원 제시 및 T세포 분화를 변화시키거나, 이펙터 세포 탈과립을 억제하는 등 다양한 작용 기전을 가지고 있습니다(Yang, Li, Xue, Huang, & Wang, 2021).

일부 테르펜과 테르페노이드는 항알레르기 작용에 대한 연구가 진행되고 있습니다. 일본산 쑥의 세스퀴테르펜 성분 중 하나인 아트락틸론(Atr)은 쥐의 복막 비만세포(RPMC) 탈과립, 트립타제 및 히스타민 방출, 그리고 세포 내 칼슘 수치를 억제할 수 있습니다. 또한, PMA와 A23187 자극 HMC-1 세포에서 트립타제 및 히스타민 방출이 감소되어, 활성화된 HMC-1 세포에서 히스티딘 데카르복실라제의 활성 및 발현이 감소되었습니다. Atr은 PCA 유발 마우스의 혈청에서 히스타민, IgE, IL-4, IL-5, IL-6, 혈관 내피 성장 인자, IL-13의 수준을 감소시켰습니다. Atr은 비만세포에 의해 매개되는 알레르기 반응의 치료제로서 활동하고 있습니다(Han, Moon et al., 2016). 경구 투여를 통해 10mg/kg의 농도로 카르본(S- 및 R-)을 투여하면, 알레르기 유발 물질인 오발부민(OVA)에 대한 과민 반응과 그로 인한 알레르기성 기도 염증의 쥐 모델에서 호산구와 백혈구 총 수를 감소시키는 것으로 보고되었습니다. S-카르보네는 알레르기성 마우스의 BAL에서 IFN 농도와 호중구 수를 크게 증가시켰습니다. R-카르보네는 IL-10 합성을 자극하고 IgE 분비를 억제할 수 있습니다(Ribeiro-Filho et al., 2020). β-에이미린, 2α,3α,23- 트리하이드록시우르사-12,20(30)-디엔-28-오산, 그리고 유스카피산 10 µM은 각각 46.7%, 57.9%, 54.2%의 억제율을 보이며 히스타민 방출을 억제했습니다. 또한, β-amyrin과 2α,3α,23- trihydroxyursa-12,20(30)-dien-28-oic acid는 전염증성 사이토카인 시험에서 TNF- α와 IL-6의 강력한 억제를 보였습니다(Choi, Kim, Kim, & Kim, 2016).

제라늄 에센셜 오일의 주요 성분 중 하나인 시트로넬롤은 0.5mM의 농도에서 비만 세포의 탈과립화를 69.4% 억제하고, IgE에 의해 유도된 종양 괴사 인자-α(TNF-α) 생성을 현저하게 억제할 수 있습니다(Kobayashi et al., 2016). Vernodalin은 Vernonia amygdalina에서 분리된 물질로, 100 µg/ml의 용량으로 국소 투여했을 때, 생쥐의 filaggrin(FLG) mRNA 발현 수준을 증가시키고, IL-33mRNA 발현을 감소시킴과 동시에, 귀 피부 병변과 관련된 피부염 점수를 현저하게 감소시킵니다(대조군 대비) (Hirota & Ngatu, 2018). 모자반에서 분리된 성분인 모자반크로마놀은 골수 유래 배양 비만 세포에 항알레르기 효과가 있습니다. 모자반크로마놀은 β-헥소사미니다아제 방출을 억제하고 골수 배양 비만 세포(BMCMCs)에서 알레르기성 사이토카인의 mRNA 발현 수준을 억제합니다(김한 외, 2020년).

Bioaccessibility and bioavailability of terpenes and terpenoids

Bioavailability is a term that refers to a measure of the rate and fraction of the initial dose of a drug that successfully reaches the site of action or body fluids of the target drug to produce the desired biologic effect (Currie, 2018). Bioavailability includes two interrelated parts, namely: bioaccessibility and bioactivity. Bioaccessibility is defined as the quantity or fraction released from the food matrix in the digestive tract that is available for absorption (Thakur et al., 2020).

Studies on the bioavailability and bioaccessibility of a compound are generally carried out by in vitro or in vivo methods. Simulation of the condition of the gastrointestinal system by adjusting the pH, digestive enzymes and some chemical reactions that occur, is the most widely used in vitro digestion method (Jones, Caballero, & Davidov-Pardo, 2019). In vitro methods can also be carried out using a Caco-2 cell model wherein the absorbed target compound is collected on the basolateral side of the monolayer model cell (Jones et al., 2019). In vivo methods were carried out using animal models prior to clinical studies.

The matrix of medicinal plants is related to the bioavailability of the terpenes they contain because they must pass through digestion in the mouth and stomach before accessing the small intestine. Furthermore, these compounds will undergo mechanical and enzymatic actions, changes in pH conditions, as well as water-soluble transformations, which occur mainly in the liver and other tissues such as the lungs, gastrointestinal, kidney, blood and brain. Terpenes describe high lipophilic behavior that influences their solubility in the aqueous phase of the gut lumen, thus incorporation with the lipid phase becomes very important in the bioavailability of terpenes, either during digestion or during food processing (Mouhid et al., 2017). Even though intravenous administration is assumed has maximal (100%) bioavailability of EOs, skin application, oral intake, and inhalation are the primary intake routes of EOs (Stevanovic et al., 2020). Some studies have been conducted in order to understand bioavailability and bioaccessibilty of terpenes and terpenoids (Table S1).

Terpenoids easily enter the body by penetration through the skin due to their lipophilic properties although the amount depends on the area of skin applied, skin characteristics, concentration of compounds and exposure time. Following oral administration of terpenoids, the upper gastrointestinal tract did not have a significant role in the absorption. However, using the route of inhalation, terpenoids may be absorbed by the lungs so that they are available systemically. This absorption depends on the type of compound and the respiratory mechanics of the subject. Enterohepatic circulation, pulmonary and renal excretion play a role in the elimination of terpenoids in the form of feces, expired air, and urine. A minor part is eliminated along with the feces, and the rest through the urine as terpene conjugates and in the expired air with CO2. Drug biotransformation occurs in the liver by phase I and phase II reactions, but in many terpenoids it takes only one phase to eliminate these volatile compounds (Jäger and Höferl, 2020, Kohlert et al., 2000). Camphor undergoes phase II metabolism to 5-exo-hydroxycamphor. Menthol and peppermint oil are excreted through the kidneys as menthol glucuronide. Terpenoids have high clearance and a short elimination half-life making accumulation of their metabolites are impossible.

Some EOs were used as penetration enhancer of drug via transdermal administration. Galangal EO was added to flurbiprofen microemulsion gel to increase bioavailability of flurbiprofen as anti-inflammatory drugs (Dong et al., 2020). Menthol and menthone can enhance penetration of ligustrazine hydrochloride, an anti-platelet aggregation, on transdermal absorption (Wang et al., 2017). In the oral administration, the main absorption site, the intestine, the absorption rate of EOs depends on lipophilicity, polarity, solubility, and molecular weight (Stevanovic et al., 2020). Due to different physiological and chemical condition of absorption site in GI tract, different rates of absorption can be happened in different terpenes. For example, sesquiterpene lactones and diterpene lactones, which have similar structures, have often been reported to have changeable pharmacokinetics, particularly unstable absorption and extensive metabolism. Although this compound is quite permeable in the intestinal epithelium, its absorption can be unstable due to the influence of gastrointestinal pH and efflux transporters (P-glycoprotein). P-gp expression‎ increases from the proximal to the distal end of the small intestine causing a different absorption area of the P-gp substrate. Sesquiterpene lactone and diterpene lactone tend to be absorbed most effectively in the duodenum, followed by the jejunum, ileum and colon (Liu et al., 2019). In addition, differences in pH in the GI tract also affect terpene absorption, where the pH of the stomach, duodenum and colon is 1.2, 5.5 and 7.0, respectively (Wang et al., 2020).

테르펜과 테르페노이드의 생체 접근성과 생체 이용률

생체 이용률은 원하는 생물학적 효과를 내기 위해 약물의 작용 부위나 체액에 성공적으로 도달하는 약물의 초기 투여량의 비율과 분획을 측정하는 것을 의미하는 용어입니다(Currie, 2018). 생체 이용률은 상호 관련된 두 가지 부분, 즉 생체 접근성과 생체 활성을 포함합니다. 생체 접근성은 소화 기관의 음식 매트릭스에서 방출되어 흡수 가능한 양 또는 분율로 정의됩니다(Thakur et al., 2020).

화합물의 생체 이용률과 생체 접근성에 대한 연구는 일반적으로 체외 또는 생체 내 방법으로 수행됩니다. 위장 시스템의 상태를 pH, 소화 효소 및 발생하는 일부 화학 반응을 조정하여 시뮬레이션하는 것이 가장 널리 사용되는 체외 소화 방법입니다(Jones, Caballero, & Davidov-Pardo, 2019). 체외 방법은 흡수된 표적 화합물이 단층 모델 세포의 기저측에 수집되는 Caco-2 세포 모델을 사용하여 수행할 수도 있습니다(Jones et al., 2019). 생체 내 방법은 임상 연구에 앞서 동물 모델을 사용하여 수행되었습니다.

약용 식물의 매트릭스는 소장에 도달하기 전에 입과 위장에서 소화를 거쳐야 하기 때문에, 그 안에 들어 있는 테르펜의 생체 이용률과 관련이 있습니다. 또한, 이러한 화합물은 주로 간과 폐, 위장관, 신장, 혈액, 뇌와 같은 다른 조직에서 일어나는 기계적 및 효소적 작용, pH 조건의 변화, 수용성 변형을 겪습니다. 테르펜은 장 내강의 수성 단계에서 용해도에 영향을 미치는 높은 친지방질성을 나타내므로, 소화 과정이나 식품 가공 과정에서 지질 단계와의 통합이 테르펜의 생체 이용률에 매우 중요합니다(Mouhid et al., 2017). 정맥 투여가 에센셜 오일의 생체 이용률을 최대치(100%)로 끌어올린다고 가정하더라도, 에센셜 오일의 주요 섭취 경로는 피부 도포, 경구 섭취, 흡입입니다(Stevanovic et al., 2020). 테르펜과 테르페노이드의 생체 이용률과 생체 접근성을 이해하기 위한 몇몇 연구가 수행되었습니다(표 S1).

테르페노이드는 친지방질성 때문에 피부를 통해 쉽게 체내로 침투하지만, 침투량은 피부의 적용 부위, 피부 특성, 화합물의 농도, 노출 시간에 따라 달라집니다. 경구 투여한 테르페노이드의 경우, 위장관의 역할은 흡수에 큰 영향을 미치지 않습니다. 그러나 흡입 경로를 사용하면 테르페노이드가 폐에 흡수되어 전신에 퍼질 수 있습니다. 이 흡수는 화합물의 종류와 피험자의 호흡 기계에 따라 달라집니다. 장간 순환, 폐 및 신장 배설은 대변, 호흡기, 소변의 형태로 테르페노이드를 제거하는 데 중요한 역할을 합니다. 소량은 대변을 통해 배설되고, 나머지는 테르펜의 대사 산물과 함께 소변을 통해 배출되거나 이산화탄소와 함께 호흡을 통해 배출됩니다. 약물 생체 변형은 간에서 1단계와 2단계 반응을 통해 발생하지만, 많은 테르페노이드의 경우 이러한 휘발성 화합물을 제거하는 데 단 한 단계만 필요합니다(Jäger and Höferl, 2020, Kohlert et al., 2000). 장뇌는 5-엑소하이드록시캠퍼로 2단계 대사를 거칩니다. 멘톨과 페퍼민트 오일은 신장을 통해 글루쿠로니드 멘톨로 배설됩니다. 테르페노이드는 제거율이 높고 반감기가 짧아서 대사 산물의 축적이 불가능합니다.

일부 에센셜 오일은 경피 투여를 통해 약물의 침투 촉진제로 사용되었습니다. 갈란갈 EO는 플루르비프로펜 마이크로에멀젼 젤에 첨가되어 플루르비프로펜의 생체 이용률을 높이는 항염증제로 사용됩니다(Dong et al., 2020). 멘톨과 멘톤은 경피 흡수 시 항혈소판 응집제인 리구스트라진 염산염의 침투를 향상시킬 수 있습니다(Wang et al., 2017). 경구 투여 시, 주요 흡수 부위인 장에서 에센셜 오일의 흡수율은 친유성, 극성, 용해도, 분자량에 따라 달라집니다(Stevanovic et al., 2020). 위장관 내 흡수 부위의 생리적, 화학적 조건이 다르기 때문에 테르펜마다 흡수율이 다를 수 있습니다. 예를 들어, 구조가 유사한 세스퀴테르펜 락톤과 디테르펜 락톤은 종종 변화 가능한 약동학, 특히 불안정한 흡수와 광범위한 대사를 갖는 것으로 보고되었습니다. 이 화합물은 장 상피에서 상당히 투과성이 있지만, 위장 pH와 유출 수송체(P-당단백질)의 영향으로 흡수가 불안정할 수 있습니다. P-gp 발현은 소장의 근위부에서 원위부로 갈수록 증가하여 P-gp 기질의 흡수 영역이 달라집니다. 세스퀴테르펜 락톤과 디테르펜 락톤은 십이지장에서 가장 효과적으로 흡수되는 경향이 있으며, 그 다음으로 공장, 회장, 결장에서 흡수됩니다(Liu et al., 2019). 또한 위장관 내의 pH 차이는 테르펜 흡수에 영향을 미치는데, 위, 십이지장, 결장의 pH는 각각 1.2, 5.5, 7.0입니다(Wang et al., 2020).

Potential and limitation application of EO as natural food preservatives

One of the crucial matters in the food industry is to provide safe and healthy food. Thereby, to improve safety and extend the shelf life of food products, many synthetic preservatives have been permitted to be used in the food industry to prevent contamination of foodborne pathogens and/or to control spoilage (Yousefi, Khorshidian, & Hosseini, 2020). Nevertheless, following the consumers' preference to consume food products with natural substances, the food industry has also been exploiting the use of natural preservatives in their products. In this sense, EOs exhibit various activities including antibacterial, antioxidant and antifungal properties that are considered as alternative eco-friendly food preservatives (Pandey et al., 2017).

Several EOs and their constituents were approved by the United States Food and Drug Administration (FDA) as Generally Recognized as Safe (GRAS) status to be used as flavorings and food preservatives (Ben Jemaa et al., 2017). The registered EOs have GRAS status including basil, cinnamon, clove, coriander, ginger, lavandin, menthol, nutmeg, oregano, rose, sage, and thyme EOs. Likewise, the reported EO constituent comprise carvacrol, carvone, citral, cinnamaldehyde, eugenol, limonene, linalool, thymol, and vanillin. The main constituents of EOs such as terpenes, play an important role in food safety without affecting the quality (Falleh et al., 2020).

EOs have the potential to be used as a food preservative for various food products (Table 4) such as meat, breads, grains, fruits, vegetables, milk, and dairy products (Pandey et al., 2017). Various pathogens including E. coli, Clostridium spp., Salmonella spp., Campylobacter jejuni, Aeromonas hydrophila, S. cerevisiae, Penicillium expansum, and Listeria monocytogenes involved in the spoilage of food products. Among them, L. monocytogenes has been reported as the main causative agent of serious diseases in humans and animals (Yousefi et al., 2020).

천연 식품 방부제로서의 EO의 잠재력과 한계 적용

식품 산업에서 가장 중요한 문제 중 하나는 안전하고 건강한 식품을 제공하는 것입니다. 따라서 식품의 안전성을 높이고 유통 기한을 연장하기 위해 식품 산업에서 식품 매개 병원체의 오염을 방지하고 부패를 방지하기 위해 많은 합성 방부제가 사용되도록 허용되었습니다(Yousefi, Khorshidian, & Hosseini, 2020). 그럼에도 불구하고 소비자들이 천연 물질로 만든 식품을 선호하는 경향에 따라 식품 산업도 제품에 천연 방부제를 사용하는 것을 이용하고 있습니다.

이런 의미에서,

에센셜 오일은

항균, 항산화, 항진균 등 다양한 활동을 통해

대체 친환경 식품 방부제로 간주되는 특성을 보여줍니다(Pandey et al., 2017).

여러 가지 에센셜 오일과 그 성분이 미국 식품의약국(FDA)의 안전성 인정(GRAS)을 받아 향료와 식품 방부제로 사용될 수 있게 되었습니다(Ben Jemaa 외, 2017년).

등록된 에센셜 오일에는

바질, 계피, 정향, 고수풀, 생강, 라반딘, 멘톨, 육두구, 오레가노, 로즈, 세이지, 타임 에센셜 오일이 포함됩니다.

마찬가지로, 보고된 EO 성분은 카르바콜, 카르본, 시트랄, 신남알데히드, 유제놀, 리모넨, 리날룰, 티몰, 바닐린으로 구성되어 있습니다. 테르펜과 같은 EO의 주요 성분은 품질에 영향을 미치지 않으면서 식품 안전에 중요한 역할을 합니다(Falleh et al., 2020).

EO는 육류, 빵, 곡물, 과일, 채소, 우유, 유제품 등 다양한 식품(표 4)의 식품 보존제로 사용될 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다(Pandey et al., 2017).

대장균, 클로스트리듐속 세균, 살모넬라속 세균, 캄필로박터 제니, 아에로모나스 하이드로필라, S. cerevisiae, 페니실리움 엑스파섬, 리스테리아 모노사이토제네스 등 다양한 병원균이 식품 부패와 관련되어 있습니다. 그 중에서도 리스테리아 모노사이토제네스는 인간과 동물에게 심각한 질병을 일으키는 주요 원인균으로 보고되고 있습니다(Yousefi et al., 2020).

Table 4.

Examples of conducted studies on preservation of food products by essential oils.

Food productInvestigated essential oilMain bioactive compoundsKey findingsReference

Bread	Cymbopogon citratus (lemongrass)	(z)-Citral (62.58%), cis-verbenol (6.29%), geranyl acetate (5.36%), isoeugenol (4.52%), caryophyllene (3.91%)	The vapor of lemongrass EO (750 µl of EO/Lair) could inhibit Penicillium expansum inoculated on bread for 21 days at 20 °C.	(Mani López, Valle Vargas, Palou, & López Malo, 2018)
Cake	Thymus vulgaris	Thymol (53.57%), p-cymene (15.51%), limonene (7.14%), carvacrol (6.93%), trans-caryophyllene (3.26%), α-pinene (2.80%)	Addition of encapsulated thyme essential oil (0.60 mg/ml) in the cake formulation enhanced the shelf life of the product for 30 days of storage.	(Gonçalves et al., 2017)
Dry fruits	Mentha cardiaca L.	Carvone (59.6%), limonene (23.3%), β-myrcene (2.5%), 1,8-cineole (2.1%), β-bourbonene (1.5%), cis-dihydrocarvone (1.5%)	M. cardiaca EO showed strong antifungal activity (MIC 1.25 µl/ml) against biodeterioration fungi of dry fruits and potentially to reduce aflatoxin secretion.	(Dwivedy, Prakash, Chanotiya, Bisht, & Dubey, 2017)
Green gram seeds	Lippia alba	Geranial (36.94%), neral (29.32%), myrcene (18.65%), α-caryophyllene (2.07%), eugenol (1.82%), α-phelandrine (1.02%)	Utilization of a dose of 80 μl/0.25 L of Lippia alba oil in green gram seeds significantly inhibited the proliferation of fungal and production of aflatoxin B1 without affecting the seed germination rate during storage.	(Pandey, Sonker, & Singh, 2016)
Orangina fruit juice	Eucalyptus globulus essential oil	1,8-cineole (94.03%), α-pinene (2.93%), γ-terpinene (1.93%), α-phellandrene (0.59%), β-pinene (0.20%), myrcene (0.19%)	EGEO (0.8 to 4 μl/ml) was effective and potent to reduce S. cerevisiae growth in the fruit juice of Orangina.	(Boukhatem et al., 2020)
Pineapple juice	Cymbopogon citratus D.C. Stapf. essential oil (CCEO)	Geraniol (46.16%), neral (31.74%), geranyl-acetate (4.34%), caryophyllene (2.02%), 6-methyl-5-hepten-2-ona (1.77%), dipentyl-ketone (1.06%), linalool (1.03%)	The incorporation of CCEO in pineapple juice at all tested concentrations (5, 2.5, and 1.25 μl/ml) caused a decrease in viable counts of E. coli, L. monocytogenes, and Salmonella enterica.	(Leite et al., 2016)
Chicken breast fillets	Zingiber officinale(Ginger)	α-Zingiberene (24.96%), β-sesquiphellandrene (12.74%), sesquisabinene hydrate (6.19%), camphene (5.90%), zingiberenol (4.26%), (E)-citral (3.93%), sabinene (3.75%), (E)-farnesene (3.73%), and italicene (3.21%)	Ginger essential oils nanoemulsion (6%) significantly reduced L. monocytogenes growth in refrigerated chicken filets during 12 days of storage.	(Noori, Zeynali, & Almasi, 2018)
Chicken meatballs	Ziziphora clinopodioides	Carvacrol (65.22%), thymol (19.51%), p-cymene (4.86%),and γ-terpinene (4.63%)	Z. clinopodioides EO (0.3%) efficiently inhibited the growth of L. monocytogenes in chicken meatball during 12 days storage 4 °C without any unfavorable sensory properties.	(Shahbazi, Karami, & Shavisi, 2018)
Dry Fermented Sausages	Juniperus communis L.	β-myrcene (14.12%), sabinene (9.51%), d,l-limonene (8.36%), 4-terpineol (6.88%), α-amorphene (5.43%), β-pinene (5.39%), caryophyllene (3.94%), p-cymene (3.92%), germacrene D (3.81%),	Juniperus communis EO can be utilized to control foodborne pathogens (L. monocytogenes, Salmonella spp., E. coli, and sulfite-reducing clostridia) in dry fermented sausages during storage period (225 days). The sample with 0.10 µl/g of Juniperus communis EO had untypical flavor.	(Tomović et al., 2020)
Ground beef	Melaleuca alternifolia (tea tree)	Terpinen-4-ol (43.1%), γ-terpinene (22.8%), α-terpinene (9.3%), α-terpineol (5.2%), terpinolene (3.5%), and α-pinene (3.0%)	The incorporation of 1.5% v/w Melaleuca alternifolia EO in ground beef was effective against L. monocytogenes with MIC and MBC values of 0.10 μl/g and 0.15 μl/ml, respectively. Melaleuca alternifolia EO was not significantly effective in the sample with the suspension at 1.5 × 108 CFU/ml.	(Silva, Figueiredo, Stamford, & Silva, 2019)
Minced beef meat	Citrus limon (lemon)	β-Pinene (25.44%), limonene (39.74%), linalool (2.16%), α-terpineol (7.30%), linalyl acetate (3.01%), acetate geranyl (3.03%), nerolidol (6.91%), acetate neryl (1.74%), and farnesol (4.28%).	The application of Citrus limon EO (0.06 and 0.312 mg/g) can be considered as a natural substance in controlling growth of L. monocytogenes during storage at 4 °C of minced beef meat.	(Ben Hsouna, Ben Halima, Smaoui, & Hamdi, 2017)
Sausages	Thyme essential oil	Thymol (38.2%), p-cymene (25.4%) and terpineol with γ-terpinene (16.2%), α-pinene (2.2%)	Thyme EO inhibited development of L. monocytogenes in sausages. The main constituents of thyme EO related to thymol that disrupts membrane cells and reduces the activity of ATPase of L. monocytogenes.	(Blanco-Lizarazo, Betancourt-Cortés, Lombana, Carrillo-Castro, & Sotelo-Díaz, 2017)
Turkey meat	Zataria multiflora Boiss and Bunium persicum Boiss	Zataria multiflora Boiss: carvacrol (51.55%), thymol (25.49%), p-cymene (5.23%), and γ-terpinene (4.44%). Bunium persicum Boiss: cumic aldehyde (38.39%), p-cymene (18.36%), and 2-caren-10-al (13.26%)	Nanoemulsion of BEO and ZEO could extend the shelf life of turkey meat to 9 days. The chitosan-loaded nanoemulsion containing ZEO 1% provided the best antimicrobial activity. Nanoemulsion containing BEO and ZEO significantly decreased the population of Salmonella Enteritidis and L. monocytogenes about 3 log CFU/g and 2 log CFU/g, respectively.	(Keykhosravy, Khanzadi, Hashemi, & Azizzadeh, 2020)
UHT milk	Syzygium aromaticum(clove), Cinnamomum zeylanicum (cinnamon), Myrtus communis (myrtle), and Lavandula stoechas (lavender)	Syzygium aromaticum (clove): eugenol (74.5%), caryophyllene (20.4%), aceteugenol (2.6%), β‐selinene (2%). Cinnamomum zeylanicum (cinnamon): Cinnamaldehyde (89%), camphene (3.5%), α‐terpineol (1.6%), 1,8‐cineole (1.6%). Myrtus communis (myrtle): Butanoic acid, 2-methyl, 2-methylbutyl ester (74.6%), 1,8‐cineole (11.5%), d‐limonene (6.5%), linalool (1.9%). Lavandula stoechas (lavender): camphor (35.4%), α‐fenchone (32.5%), 1,8‐cineole (7.4%), camphene (4.3%), α‐pinene (2.8%).	The combination of 2.4% S. aromaticum, 38.2% L. stoechas, and 59.4% C. zeylanicum significantly restricted the viability of E. coli to 1 × 106 CFU.ml−1. These findings are to be taken into consideration for a successful application of these essential oils as food preservatives in milk and dairy industries.	(Falleh et al., 2019)

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In a study by Khaleque et al. (2016), the effect of clove and cinnamon EO against L. monocytogenes in ground beef were determined (Khaleque et al., 2016). They found that 10% of crude and commercial clove EOs could be effective to decrease contamination and growth of L. monocytogenes. Furthermore, recent findings indicated that Eucalyptus globulus EO could reduce S. cerevisiae growth in the Orangina fruit juice (Boukhatem, Boumaiza, Nada, Rajabi, & Mousa, 2020).

Regardless, the main limitations for using EOs as food preservatives are their organoleptic effects (Falleh et al., 2020). In fact, EOs intense aroma sometimes adversely affects the organoleptic characteristics of food matrices. Several strategies have been considered to overcome this hurdle. Carpena et al. (2021) suggested that encapsulation is considered as a promising technique to minimize the EOs organoleptic impact. EOs may be used in active packaging as encapsulated molecules into microemulsions or nanoemulsions (Carpena et al., 2021). Active packaging is an innovative packaging technology with an extra function to extend product shelf life, ensure food quality and safety, and improve the appearance of the packaged food (Fang, Zhao, Warner, & Johnson, 2017). In addition, it also has been reported that Thymus capitatus (thyme EO) and its nanoemulsion were able to entirely inhibit Gram positive bacterial (S. aureus, Bacillus licheniformis, and Enterococcus hirae) in contaminated milk (Ben Jemaa et al., 2017).

Khaleque et al. (2016)의 연구에서

갈은 소고기에서 L. monocytogenes에 대한 정향과 계피의 EO의 효과가 확인되었습니다(Khaleque et al., 2016). 그들은 생정향과 상업용 정향의 에센셜 오일 10%가 L. monocytogenes의 오염과 성장을 감소시키는 데 효과적일 수 있다는 것을 발견했습니다.

또한 최근 연구 결과에 따르면 유칼립투스 글로불러스 에센셜 오일이 오랑지나 과일 주스에서 S. cerevisiae의 성장을 감소시킬 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다(Boukhatem, Boumaiza, Nada, Rajabi, & Mousa, 2020).

그럼에도 불구하고,

식품 방부제로서 에센셜 오일을 사용하는 데 있어 가장 큰 제약은

에센셜 오일의 관능적 효과입니다(Falleh et al., 2020).

사실,

에센셜 오일의 강렬한 향은 때때로 식품 매트릭스의 관능적 특성에 부정적인 영향을 미칩니다.

이 문제를 극복하기 위해 몇 가지 전략이 고려되었습니다. Carpena et al. (2021)은 에센셜 오일의 관능적 영향을 최소화하기 위해 캡슐화가 유망한 기술로 간주된다고 제안했습니다. EO는 마이크로에멀젼 또는 나노에멀젼으로 캡슐화된 분자로 활성 포장에 사용될 수 있습니다(Carpena et al., 2021). 활성 포장은 제품 유통 기한을 연장하고, 식품의 품질과 안전성을 보장하며, 포장된 식품의 외관을 개선하는 추가 기능을 갖춘 혁신적인 포장 기술입니다(Fang, Zhao, Warner, & Johnson, 2017). 또한, Thymus capitatus(thyme EO)와 그 나노에멀젼이 오염된 우유에서 그람 양성 세균(황색포도상구균, 리케니아 바실러스, 히라에균)을 완전히 억제할 수 있다는 연구 결과도 있습니다(Ben Jemaa 외, 2017년).

Concluding remarks and future perspectives

The information compiled in this review demonstrates that EOs and their main active constituent(s) are crucial in pharmaceutical and medical industries with several potential activities such as anticancer, antimicrobial, anti-inflammatory, antioxidant, and anti-allergic. Nevertheless, more studies are necessarily required to understand the mechanism behind the biological properties of EOs. Major bioactive compounds of EOs need to be clearly elucidated to improve their potential efficiencies in disease management. In addition to their function in health, EOs show high potential to be used as natural food preservatives in the food industry. However, organoleptic impact and probable contamination of EOs in food products have been suggested to limit their use. Indeed, careful and thorough investigations are urgently needed to reduce the disadvantages of EOs to meet the needs for food industry applications. Accordingly, scientific efforts need to be further initiated and developed to eval‎uate the effects of incorporating EOs into packaging systems and to ensure their safety for the consumers and the environment.

결론 및 향후 전망
이 리뷰에서 수집된 정보는 항암, 항균, 항염증, 항산화, 항알레르기 등 여러 가지 잠재적 활동이 있는 EO와 그 주요 활성 성분이 제약 및 의료 산업에서 매우 중요하다는 것을 보여줍니다. 그럼에도 불구하고, EO의 생물학적 특성의 메커니즘을 이해하기 위해서는 더 많은 연구가 필요합니다. EO의 주요 생체 활성 화합물을 명확하게 밝혀 질병 관리의 잠재적 효율성을 개선해야 합니다. 건강 기능 외에도, 에센셜 오일은 식품 산업에서 천연 식품 방부제로 사용될 가능성이 높습니다. 

그러나, 에센셜 오일이 식품에 미치는 영향과 오염 가능성 때문에 사용이 제한되고 있습니다. 실제로, 식품 산업에서의 사용을 위해 에센셜 오일의 단점을 줄이기 위해서는 신중하고 철저한 조사가 시급히 필요합니다. 따라서 포장 시스템에 EO를 도입하는 효과를 평가하고 소비자 및 환경에 대한 안전성을 보장하기 위한 과학적 노력이 더욱 시작되고 발전되어야 합니다.

Declaration of Competing Interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

AcknowledgmentsAcknowledgements

Funding for open access charge: Universidade de Vigo/CISUG.

Footnotes

Appendix A

Supplementary data to this article can be found online at https://doi.org/10.1016/j.fochx.2022.100217.

Contributor Information

Talha Bin Emran, Email: talhabmb@bgctub.ac.bd.

Firzan Nainu, Email: firzannainu@unhas.ac.id.

Jesus Simal-Gandara, Email: jsimal@uvigo.es.

Appendix A. Supplementary data

The following are the Supplementary data to this article:

Supplementary data 1

mmc1.docx (232.7KB, docx)

References

1. Abbas M.M., Kandil Y.İ., Abbas M.A. R-(-)-carvone attenuated doxorubicin induced cardiotoxicity in vivo and potentiated its anticancer toxicity in vitro. Balkan Medical Journal. 2020;37:98–103. doi: 10.4274/balkanmedj.galenos.2019.2019.7.117. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
2. Abdollahi M., Karimpour H., Monsef-Esfehani H.R. Antinociceptive effects of Teucrium polium L total extract and essential oil in mouse writhing test. Pharmacological Research. 2003;48:31–35. [PubMed] [Google Scholar]
3. Álvarez-Martínez F.J., Barrajón-Catalán E., Herranz-López M., Micol V. Antibacterial plant compounds, extracts and essential oils: An updated review on their effects and putative mechanisms of action. Phytomedicine. 2021;90 doi: 10.1016/j.phymed.2021.153626. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]