山藥中主要功能性成分及其作用機制研究進展

龔凌霄,池靜雯,王 靜,任雨晴,孫寶國

(北京工商大學,北京食品營養與人類健康高精尖創新中心,中國-加拿大食品營養與健康聯合實驗室,食品添加劑與配料北京高校工程研究中心,北京 100048)

山藥(DioscoreaoppositaThunb)為薯蕷科(Dioscoreaceae)植物薯蕷地下塊莖,是我國傳統的藥食同源性植物[1-3],在河南、東北三省、河北等地廣泛種植[4]。目前,山藥的成分及功能已被廣泛的研究和報道[5-6]。

山藥中含有維生素、蛋白質[7]、淀粉[8]、游離氨基酸等多種營養成分,鈣、磷和鐵等一些礦物質的含量也極為豐富[9-12],其中的功能性活性成分包括多糖、多酚類化合物、皂苷、尿囊素、膽甾醇、麥角甾醇、膽堿等[13-14],具有抗氧化、抗腫瘤、降血脂、調節腸道菌群、增強機體免疫等多種生理作用,廣泛應用于功能性食品、保健品和藥品等行業[15-17]。

現階段,有關山藥中功能性成分作用的體外評價和動物實驗不斷被報道,對其功能性作用機制的研究也逐漸深入[18-19]。本文結合國內外近年對山藥中功能性成分的研究,對其中主要功能性成分的理化性質及作用機制進行概述,旨在為山藥中功能性成分的深入研究提供參考。

1 多糖

多糖作為山藥中的主要活性成分,在山藥中含量豐富。現階段,在山藥多糖中已檢測到的單糖組成包括葡萄糖、甘露糖、半乳糖、鼠李糖、木糖、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸等,而山藥多糖的組分也會隨山藥品種及提取條件的不同存在差異[20]。

如表1所示,山藥多糖具有增強體液免疫、抗氧化、抗腫瘤、調節胃腸道、降血糖等多種功能,現對山藥多糖的主要功能性作用機理歸納整理。

表1 山藥多糖的功能性研究及機理探討

1.1 調節機體免疫

山藥多糖調節機體免疫的主要作用機制為促進巨噬細胞向M1型極化、提高T細胞增殖及調節相關信號通路、激活吞噬細胞的吞噬功能等。體外研究表明,山藥多糖可促進巨噬細胞向M1型極化[21-23],而M1型巨噬細胞有殺滅微生物、促進炎癥的作用[24-25],山藥多糖還可激活吞噬細胞的吞噬能力[26];動物實驗表明,山藥多糖可促進小鼠免疫脾臟指數的增加、提高機體免疫[27];可降低小鼠的肝指數、血清中谷丙轉氨酶(ALT)、谷草轉氨酶(AST)活性及丙二醛(MDA)含量,增加谷胱甘肽(GSH)含量,對卡介苗(BCG)和脂多糖(LPS)誘導的小鼠免疫性肝損傷有一定緩解作用和保護作用[28-29],還可升高結腸癌小鼠血清中的CD4+T和CD8+T比值,提高荷瘤裸鼠的免疫力[30]。

1.2 抗氧化

山藥多糖可通過調節體內抗氧化酶的系統活力、增強腦組織ATP酶活性和抑制衰老基因表達來達到延緩器官衰老和提高機體抗氧化能力的作用[31-33]。山藥中含有多種抗氧化活性的多糖組分[34],體外細胞實驗中發現山藥多糖濃度在0.025～0.25 g/L范圍內時,可顯著性抑制神經細胞缺氧性凋亡[35];山藥多糖劑量的升高也可加大酶原的降解、促進腫瘤細胞凋亡蛋白caspa3 se-3和caspase-8蛋白酶原的活化、減弱細胞劃痕愈合率,控制腫瘤細胞生長[36]。

1.3 調節腸道菌群

多糖調節胃腸道、預防結腸癌、促進胃排空等多種功能也被證實,其主要通過增強機體免疫[37]、調節炎癥介質表達[38]及相關激素的酶活[39]、維護腸道屏障結構的完整性達到的[40]。高辛等[39]發現多糖可起到控制硫代乙酰胺(TAA)引起的總膽紅素(TBIL)和ALT活性升高的現象,改善急性肝衰竭大鼠菌群失調和細菌易位情況;山藥多糖還能調節血管活性腸肽、胃動素、生長抑素和P物質四種胃腸激素到正常水平,改善胃腸道對水和電解質運輸能力[41],其還被發現對腸道微生態失調大鼠具有顯著的調整作用,是理想的中藥微生態調節劑[42]。

1.4 降血脂、降血糖

多糖通過調節糖脂代謝相關酶活性、協同抗氧化作用及改善胰島素敏感性達到降血糖、降血脂作用。Li等[43]發現山藥多糖可有效減少糖尿病小鼠空腹血糖(FBG)、葡萄糖耐量(GT)、清除氧自由基[44]、降低NO/NOS水平以及血清中MDA含量,提高超氧化物歧化酶(SOD)、氧化氫酶(CAT)和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-PX)的活性[45]、降低血糖水平[46]和抑制糖尿病并發癥;其可提高胰島細胞的存活率[47],對改善血小板功能起到有效作用。此外,還可降低糖尿病小鼠體內血糖(GLU)、總膽固醇(TC)、甘油三酯(TG)及低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)的濃度,緩解體重減輕的狀況,具有調節糖尿病小鼠糖脂代謝紊亂的作用[48]。

2 多酚類物質

多酚類物質是分子內具有多個羥基酚類成分的總稱,其包括黃酮類、酚酸類、單寧類、花色苷類等[49],是廣泛存在于植物體內的天然化合物,具有較高的生物活性。研究表明,山藥皮中多酚類化合物的含量較多[50],其中類黃酮(Flavonoids)作為主要的酚類物質,在山藥中占到六成以上[51]。多酚是山藥中有效的抗氧化活性物質,可有效的清除體內自由基,具有降血脂功能,并對山藥的感官和風味產生影響。

如表2所示,山藥多酚還原能力強,可通過抑制烷氧基和烷過氧基,清除亞硝酸鹽及DPPH自由基,調節氧化應激達到良好的抗養化性[52-53]。動物實驗研究表明,山藥多酚可有效降低高脂血癥大鼠血清中TC、TG、LDL-C的含量,作用機制主要是抑制與脂肪合成有關酶的活性和膽固醇和不飽和脂肪酸的氧化[54]。研究發現,山藥根莖中所含的酚類衍生物具有較好的抗神經炎癥和神經保護活性,其分離物可增加小鼠神經2a(N2a)細胞中的神經突向外生長,作為C6神經膠質瘤細胞中的生長因子(NGF)誘導劑、對脂多糖(LPS)激活的小膠質細胞BV-2細胞中NO產生起到抑制作用,主要作用機制為抑制c-Jun N末端激酶(JNK)信號通路[55]。因此,此類活性成分可作為神經退行性疾病的潛在調控因子[56]。此外,酚類物質與山藥在加工和貯藏過程中產生的褐變有很大的關系[57],因此對山藥多酚進行深入研究將對預防植物褐變有積極的作用。

表2 山藥多酚的功能性研究及機理探討

3 尿囊素

尿囊素(allaniotn)是咪唑類雜環化合物,分子式為C4H6N4O3,又名l-脈基間二氮雜戊烷-2,4-二酮或5-脈基海因,常作為評價山藥品質的指標之一,其結構如圖1所示。

圖1 尿囊素的分子結構式

如表3所示,尿囊素可以改善肌膚,加強皮膚中蛋白與水相結合、修復上皮組織、促進傷口愈合、軟化角質層蛋白,對魚鱗病及手足皸裂等多種皮膚病都有一定的改善作用[58-60];還起到鎮定、對局部產生麻醉、消炎和抑制細菌滋生作用[61-63]。其可通過促進胃黏液的合成及分泌的機制來治療胃潰瘍,還可通過調節抗氧化活性、促進脂質代謝的機制來治療糖尿病[64]。有報道發現,山藥尿囊素可促進子宮ERα和GPR30的表達,發揮雌激素樣作用[65]。此外,尿囊素可提高農作物根系活力及體內酶活性,促進土壤中有益微生物數量增長,展現出良好的肥料作用[66-67]。

表3 山藥中尿囊素的功能性研究及機理探討

4 薯蕷皂苷

薯蕷皂苷(Diosgenin)分布于山藥的根、莖、葉等各個部位,其中以皮中的含量最高,其分子式為C27H42O3,是由螺甾烷型的薯蕷皂苷元和糖鏈以糖苷鍵相連,分子量大小為414,結構如圖2所示。

圖2 薯蕷皂苷的結構式

如表4所示,近年來對薯蕷皂苷的功能以及藥理作用的研究越來越多,薯蕷皂苷具有調節免疫、抗艾滋病、預防白血病、抗腫瘤、抗炎鎮痛、保護胃腸黏膜等多種藥理作用。

4.1 抗炎消腫、鎮痛

薯蕷皂苷抗炎癥、消腫鎮痛等作用現已經被應用到某些抗炎類藥物中,如阿司匹林[68]、金剛藤口服液等[69];Li等[70]發現薯蕷皂苷對帕金森癥大鼠運動缺陷、炎癥等具有有效的減緩作用,其抗炎機制主要是調節酶活及炎癥相關的信號通路、抑制炎癥因子的表達等[71-72]。

4.2 抗氧化

薯蕷皂苷主要通過清除自由基、減少細胞損傷、調節氧化應激等機制達到抗氧化作用[73],還可增加膽汁分泌、抑制膽固醇吸收,表現出良好的降血脂功效[74-75]。Son等[76]在動物實驗中,發現薯蕷皂苷可有效升高血漿中高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)的水平、SOD、GSH-PX及CAT的含量,通過comet分析發現對紅細胞和淋巴細胞DNA損傷有所減少,同時對抗氧化酶活性也有一定的影響。

4.3 降低心腦血管疾病

薯蕷皂苷在降低心腦血管疾病發生等方面的效果明顯,可有效的減少心肌細胞中的鈣超載、調節相關信號通路[77-80]。薯蕷皂苷中含有雙糖鏈水溶性甾體皂苷,動物實驗中,通過建立大鼠離體心臟缺血再灌注損傷模型,對比心肌單向動作電位和乳酸脫氫酶的變化等指標,發現此成分可以有效的保護和修復大鼠離體缺血再灌注損傷的心臟、防止心血管疾病的發生[77]。

4.4 保護生殖系統

薯蕷皂苷還通過改善氧化應激反應、增強機體生理功能、提高免疫力達到對生殖系統的保護作用[81-82]。當山藥提取物作用于少弱精子癥小鼠模型中,發現其能縮短少弱精子癥小鼠勃起潛伏期,提高睪丸組織中的SOD活性、降低MDA含量,并提高精子質量及生殖和免疫器官的臟器系數[83]。

4.5 預防癌癥、抗腫瘤

薯蕷皂苷的抗腫瘤、預防癌癥作用顯著。Chen等[84]研究發現薯蕷皂苷可抑制肝癌細胞中的一種致癌因子(TAZ)的表達,從而間接的抑制肝癌細胞的增長、誘導細胞的凋亡、抑制細胞遷移和侵襲,因此薯蕷皂苷將是治療人類癌癥的潛在性藥物[85-86]。

5 其他功能性成分

除上述所介紹的主要功能性成分外,山藥中還含膽堿、低聚糖等功能性成分。

膽堿(Choline)為三甲基氨的氫氧化物,為卵磷脂和鞘磷脂組成部分,是神經遞質乙酰膽堿的前體物質,可作為不穩定甲基的來源,同時也是肺表面活性劑的組分。作為一種重要的營養物質,膽堿對機體生長、骨骼發育以及脂肪的代謝和產生都起到重要作用[87]。目前對于山藥中膽堿的分離和檢測方式也有一定的報道[88]。

目前低聚糖已被證實具有潤腸通便、安全排毒、提高機體免疫力、增進礦物質吸收、預防結腸癌、調節微生態平衡、促進益生菌的生長繁殖等作用[89-90],在益生功能方面已得到廣泛的應用[91]。Chen等[92]利用雙氧水水解法提取山藥中的低聚糖,發現對羥基自由基有良好的清除作用;Zeng等[93]通過對小鼠子宮增重和乳腺癌細胞系的增殖分析、并通過血清藥理學實驗對雌激素活性作用機理進行了綜合評價,發現腺苷和阿布丁是山藥中的兩種有效化合物,在雌激素樣中起重要作用。

6 結語及展望

山藥作為一種傳統藥食兩用的材料,是我國保健食品的重要原料,在我國具有幾千年的種植和食用歷史。中醫認為山藥具補脾養胃、生津益肺、補腎澀精等功效,現代藥理研究證實山藥具有抗氧化、抗腫瘤、降血脂、調節腸道菌群、增強機體免疫等多種生理作用。然而,上述藥理作用的研究主要集中于體外細胞和動物實驗,山藥及功能性成分對人體的保健作用機制尚不清楚。此外,山藥雖然已被廣泛用于食品和藥品,但開發和利用仍以傳統飲片為主,山藥中的功能性成分如多糖、薯蕷皂苷、尿囊素等卻未被充分挖掘。

由于人們不健康的生活及飲食習慣而導致的各類慢性疾病發病率逐漸增加,山藥中豐富的功能活性成分對慢性疾病的保健價值逐漸凸顯。為進一步開拓山藥的藥食應用,需加強以下兩方面的研究:山藥原料的示范種植及原料質量標準制定,山藥由于受區域氣候、地質、生長習性等因素的影響,不同品種、不同樣品之間的成分具有較大差異,為保證山藥產品的保健作用,需通過規范種植和制定質量標準以確保山藥原料成分組成的穩定性;利用基因組學、代謝組學等現代技術闡明山藥及功能性成分對人體保健的作用機制,明確功能性成分的量效、構效關系,使山藥的開發利用從粗放型向精準型趨近。