《Food Chemistry》：Chemical composition, antioxidant, and antifungal properties of Mentha essential oils: insights from chemo-informatic analysis
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牛向丽|王文静|刘启超|白文波|邱雅琼|张丽国|赵梅婷|马一龙|魏兆军|尚雅芳|佘世科合肥工业大学食品与生物工程学院，中国合肥230601摘要来自Mentha属的精油（EOs）具有多样的化学类型和多种生物活性，但其化学组成与特定活性之间的关系仍然不清楚。在这项研究中，通过水蒸馏法
牛向丽|王文静|刘启超|白文波|邱雅琼|张丽国|赵梅婷|马一龙|魏兆军|尚雅芳|佘世科
合肥工业大学食品与生物工程学院，中国合肥230601
摘要
来自Mentha属的精油（EOs）具有多样的化学类型和多种生物活性，但其化学组成与特定活性之间的关系仍然不清楚。在这项研究中，通过水蒸馏法从十五个Mentha品种中提取了精油，提取率在0.15%到0.70%之间，GC–MS分析鉴定了59种主要挥发性化合物。这些精油表现出不同程度的抗氧化（DPPH和ABTS实验）和对抗Penicillium expansum的抗菌活性。偏最小二乘回归（PLSR）方法确定nepetalactone、piperitone氧化物、piperitenone、isopiperitenone和萜类化合物是这两种生物活性的关键贡献因子。此外，基于XGBoost的Mentha精油混合物协同设计展示了机器学习在抗氧化配方设计中的潜力。总体而言，本研究为建立Mentha挥发性成分与生物活性的相关性提供了有效策略，并有助于弥合基础研究与实际应用之间的差距。
引言
Mentha属属于Lamiaceae科，主要分布于北半球的温带地区。自瑞典植物学家Carolus Linnaeus在1753年首次记录了13个物种以来，该属经历了广泛的种间杂交和自然遗传变异，这促进了人工选择和栽培，以满足多样化的医药和工业需求。迄今为止，已鉴定出至少30个物种和140个品种（Fang等人，2010年）。由于富含挥发性活性化合物，Mentha物种在食品、制药、香水和个人护理行业得到广泛应用（Mamadalieva等人，2020年；Tarasevi?ien?等人，2019年）。
精油（EOs）是Mentha植物的主要利用方式之一。通过GC–MS等分析技术发现Mentha物种的精油主要由萜类及其衍生物组成，如薄荷醇、薄荷酮和piperitone（Barros等人，2015年；Huang等人，2019年）。Mentha精油中的挥发性化合物不仅赋予了其独特的香气，还赋予了重要的生物活性，尤其是抗氧化和抗菌特性（Kumar等人，2011年）。抗氧化能力归因于主要成分——萜类化合物的结构（Schmidt等人，2009年）。例如，异戊二烯骨架容易与自由基反应，而薄荷醇等衍生物上的官能团通过氢原子转移机制帮助清除自由基。类似地，萜类化合物通过破坏微生物的细胞膜完整性和代谢功能有效抑制其生长。这种活性使Mentha精油具有广谱抗菌效果，使其成为环保且抗性风险低的合成防腐剂的理想替代品（Burt，2004年；Tariq等人，2019年）。
尽管已经记录了Mentha精油的化学组成和生物活性，但现有文献要么仅限于比较不同Mentha群体之间的化学组成，要么仅关注某一或少数几个分类群的精油生物活性。此外，大多数研究仍停留在描述性分析阶段，缺乏对成分与其生物功效之间复杂关系的系统量化和预测。为了从有限的描述性分析转向全面的预测性设计，本研究将偏最小二乘回归（PLSR）与XGBoost（极端梯度提升）机器学习相结合。作为一种经典的监督线性回归方法，PLSR在处理预测变量之间的多重共线性问题时表现稳健，特别适用于复杂的数据集，如植物精油的化学谱（Jamalova等人，2021年）。XGBoost是一种高性能的集成学习算法，以其计算可扩展性、正则化能力和抗过拟合能力著称（Chen & Guestrin，2016年；Du等人，2022年），因此可以用来构建具有最佳效果的复杂非线性预测模型来设计精油配方。然而，这些综合分析在Mentha领域尚未得到充分探索。
因此，本研究系统地研究了十五种Mentha精油的化学组成、抗氧化和抗菌活性，并利用PLSR和XGBoost进行了综合分析，从而为挥发性化合物与生物活性之间的关系提供了新的见解，并为天然香水的实验研究与实际应用之间提供了捷径。
章节片段
植物材料与生长条件
十五个Mentha品种（图1和补充图1）在受控的实验室条件下生长（白天25?°C，夜间20?°C；光照周期12?h/12?h，光照强度120?μmol·m?2·s?1）。定期给植物浇水并施肥。当植株高度达到约30?cm时，收获地上部分用于精油提取。
通过水蒸馏法提取精油
收获后，称量每个品种的新鲜地上部分进行水蒸馏。
精油产量和成分分析
在植物生长室中生长的十五种薄荷如图1和补充图1所示，表现出不同的形态特征，通过水蒸馏法得到的精油产量如图2所示。在相同的生长条件下，十五个品种的精油产量范围为0.15%至0.70%，呈正偏态分布。大多数品种（86.7%）的产量低于0.4%，其中46.7%的品种产量在0.2–0.3%范围内（Msp3、Msp4、Msp5、Mpi2、Mlo1、Mca1和Mgr1）。
结论
本研究详细分析了十五个Mentha品种精油的化学组成与其相应的抗氧化和抗菌生物活性之间的关系。观察到的多样性为开发综合的组成-活性模型提供了坚实的基础。这些模型有助于从基础化学表征过渡到关键生物活性成分的识别，从而实现（1）有针对性的
CRediT作者贡献声明
牛向丽：撰写－原始稿件、软件开发、方法论、数据分析、数据管理。王文静：撰写－原始稿件、软件开发、方法论、数据分析、数据管理。刘启超：撰写－原始稿件、软件开发、方法论、数据分析、数据管理。白文波：软件开发、方法论。邱雅琼：软件开发、方法论。张丽国：数据分析、数据管理。赵梅婷：软件开发、资源管理、方法论。马一龙：数据分析、数据管理。魏兆军：
资金来源
本工作得到了
国家自然科学基金（批准号32372243）和
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
