不同產地西洋參氨基酸種類及含量分析

趙方杰，廉喜紅，胡小平，蘇景文，王啟明，趙 平,3，范三紅，商文靜(.農業農村部黃土高原作物有害生物綜合治理重點實驗室，西北農林科技大學 植物保護學院，陜西楊凌 700；.留壩縣科學技術局，陜西留壩 700；3.云南農業大學 資源與環境學院，

昆明 6502014；4.西北農林科技大學 生命科學學院，陜西楊凌 712100)

西洋參(PanaxquinquefoliusL.)，也稱花旗參，是五加科人參屬多年生草本植物，原產于加拿大東南部的蒙特利爾、魁北克和美國東部的紐約州、密蘇里州、威斯康辛州等地[1]。西洋參在中國已有300多年的應用歷史，但長期以來一直依靠進口[2-3]。1948年江西廬山植物園從加拿大引種栽培，但沒有建立生產基地，未能形成產業。1975年再次引進西洋參種子，先后在黑龍江、吉林、遼寧、北京、江西、陜西、福建、云南等地開展西洋參引種試驗研究工作，形成吉林省撫松縣、山東省文登市和陜西省留壩縣3個主要種植區[1]。目前，中國已經成為世界西洋參第一大消費國和第二大生產國[2-3]。西洋參根、莖、葉和果實均可入藥，性寒、味甘微苦，具有補氣養陰、清熱去津、保護心臟、降血糖、降血脂、增強免疫功能和記憶、抑制血小板凝集、抗疲勞、抗休克、抗缺氧等功效，用于氣虛陰虧、虛熱煩倦、咳嗽痰血、內熱消渴、口燥咽干等癥狀[2,4]。隨著現代科學技術的發展和人們對醫療保健的重視，西洋參的利用呈現多領域、多層次和多功能化的特點。

氨基酸是構成蛋白質的基本單位，是生物體內重要生理功能及營養成分的合成原料。人體中的蛋白質是由21種氨基酸構成的，包括必需氨基酸(Essential amino acid，EAA)和非必需氨基酸(Non-essential amino acid，NEAA)，其中賴氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、亮氨酸、蘇氨酸、纈氨酸和精氨酸9種為人體必需氨基酸。必需氨基酸是合成速度不能滿足人體需求或人體無法合成的，只能從食物中攝取的氨基酸。氨基酸的消耗過多或供應不足將會導致一系列臨床癥狀，如蘇氨酸具有保護細胞膜、促進人體發育等功效，缺乏時可導致人體消瘦，甚至死亡[5]；纈氨酸可促進身體正常生長，修復組織，調節血糖、提供需要能量等，缺乏時可使大腦中樞神經系統發生紊亂，共濟失調，四肢亂顫等[4]。除此以外，作為名貴中藥材，西洋參還含有一類醫療價值極高、廣泛應用于醫療產業的氨基酸-藥用氨基酸(Medicinal amino acid，MAA)，其含量是評價食品和中藥材品質的重要指標，主要包括必需氨基酸中的蛋氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸和精氨酸，以及非必需氨基酸中的天門冬氨酸、甘氨酸和谷氨酸[6-7]。藥用氨基酸在總氨基酸中所占比例可以反映該中草藥的藥用價值。

陜西省留壩縣位于陜西省西南部，地處秦嶺南麓，氣候溫和，雨量充沛，自然環境得天獨厚，是中國重要的西洋參產區之一。為了了解中國各地西洋參與原產地加拿大多倫多西洋參中氨基酸差異，以氨基酸種類和含量為主要目標，對產于吉林省撫松縣、山東省文登市、陜西省留壩縣以及原產地加拿大多倫多市的西洋參進行測定和對比分析，以期挖掘國內西洋參的產品優勢，為西洋參特色化利用以及產業發展奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料于2017-2019年分別采自陜西省留壩縣留候鎮桃源鋪村、火燒店鎮太子嶺村和玉皇廟鎮玉皇廟村農戶自有西洋參參棚參根，以及留壩縣留侯鎮閘石口村陜西佳仕森公司種植基地西洋參標準化種植園參根，吉林省撫松縣、山東省文登市、山東榮成市和加拿大多倫多的西洋參為當地市售西洋參根，各份西洋參樣品均收集到 1 kg，且均為4 a生參根(表1)。

表1 西洋參樣品基本信息Table 1 Basic information of American ginseng sample

1.2 西洋參樣品氨基酸的測定方法

西洋參樣品于60 ℃烘箱干燥到恒質量后，送到農業部食品質量監督檢驗測試中心(楊凌)，參照食品安全國家標準《食品中氨基酸的測定(GB/T5009.124-2016)》的測定方法，先用勻漿機將樣品全部粉碎，過60目篩子，取充分混勻的待測樣品2 g(精確到0.001 g)于水解管中，加入6 mol/L的濃鹽酸10 mL，并向水解管內滴入苯酚3～4滴，然后將水解管放入冷凍劑(市售食鹽與冰塊質量比為1∶3)中，冷凍3～5 min，后接入真空泵抽真空，充入高純氮氣進行密封保護，重復抽真空-充氮氣3次后，將密封的水解管放在 110 ℃±1 ℃的恒溫干燥箱水解22 h后，取出冷卻至室溫[8]。打開水解管，過濾水解液，用去離子水沖吸水解管，并用去離子水將水解液定容至 50 mL的容量瓶內。然后取1 mL濾液于15 mL的試管內，在40～50 ℃的真空干燥器中濃縮蒸干，用 1 mL pH 2.2的檸檬酸緩沖液溶解[8-9]。振蕩混勻后，吸取溶液通過 0.22 μm的濾膜過濾后，轉移至儀器進樣瓶，采用日立 L-8900 氨基酸自動分析儀測定西洋參的17種氨基酸(除色氨酸)和總氨基酸的含量(mg/g)[8]，每個樣品重復測定3次。

1.3 西洋參營養價值評價

食物中必需氨基酸之間的平衡是相對的，某種氨基酸的含量過多或過少都會影響其他氨基酸的利用，從而降低食物中蛋白質的營養價值。蛋白質中的必需氨基酸組成比例越接近于人體必需氨基酸比例，則其營養價值越高。3大西洋參主產區的西洋參根部營養價值的評價以 WHO/FAO 提出的標準模式譜為參考。來分別計算西洋參根中必需氨基酸占總氨基酸的質量分數、氨基酸比值(Ratio of amino acid,RAA)、氨基酸比值系數(Ratio coefficient of amino acid,RCAA)和氨基酸比值系數分(Score of ratio coefficient of amino acid,SRCAA)[10-12]。

RAAi=某被測樣品必需氨基酸的含量/模式蛋白中相應必需氨基酸的含量(1≤i≤7)

RCAAi=某被測樣品必需氨基酸RAAi/某被測樣品必需氨基酸RAA的均值(1≤i≤7)

(1≤i≤ 7)

1.4 數據分析方法

采用Excel 2013進行數據整理和初步分析，氨基酸含量以“平均值±標準差”的形式表示，使用SPSS version 19的ANOVA進行差異顯著性分析，樣品間的多重比較分析采用Tukey test-HSD方法進行，樣品間差異顯著水平Alpha= 0.05。主成分分析采用SPSS的最大方差法進行，主成分的因子載荷圖采用GraphPad Prism version 6軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 氨基酸的組成及含量分析

各供試西洋參均可檢測出17種氨基酸，含量范圍為65.99～88.09 mg/g，其中必需氨基酸(EAA)和半必需氨基酸[精氨酸(Arg)]共8種，含量范圍為33.17～46.20 mg/g，非必需氨基酸(NEA)9種，含量范圍為32.83～42.40 mg/g，其中半必需氨基酸精氨酸(Arg)含量最高，為 13.47～22.40 mg/g。不同種植區西洋參根總氨基酸含量及必需氨基酸含量均存在顯著差異 (P<0.05)，加拿大多倫多的含量最高，其總氨基酸含量為85.80 mg/g，必需氨基酸含量為46.20 mg/g；其次為陜西留壩，其總氨基酸含量達 88.09 mg/g，必需氨基酸含量達45.70 mg/g，而吉林的含量最低，分別為33.17 mg/g、65.99 mg/g。此外，不同種植區西洋參根的必需氨基酸與非必需氨基酸的比值(EAA/NEAA)范圍為 1.008～ 1.177，均遠遠高于WHO/FAO 理想蛋白質標準要求的0.6，且不同種植區西洋參根部的必需氨基酸與總氨基酸的比值(EAA/TA)范圍為 0.503～0.540，均符合WHO-UN 標準[13]中關于理想蛋白質中EA/TA比要求的0.4[8]。兒童必需氨基酸(Child essential amino acid，CEAA)包括精氨酸和組氨酸，其在兒童的生長發育過程中起著重要的作用，加拿大多倫多和陜西留壩西洋參根中兒童必需氨基酸遠遠高于其他種植區 (P<0.05)，分別為24.37 mg/g和24.17 mg/g(表2)。

作為評價食品及中藥材品質重要指標的藥用氨基酸包括必需氨基酸中的蛋氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸和賴氨酸，以及非必需氨基酸中的天門冬氨酸、甘氨酸、谷氨酸和精氨酸[6-7]。對測定結果分析表明，供試西洋參樣品中藥用氨基酸含量范圍為45.94～61.93 mg/g，其含量占總氨基酸含量的67.3%～72.3%。不同種植區西洋參根部的藥用氨基酸含量存在差異(P<0.05)，加拿大多倫多西洋參根的藥用氨基酸含量最高，為61.93 mg/g，占總氨基酸的72.3%；其次為陜西留壩縣，為61.63 mg/g，占總氨基酸的70.0%(表2)。其中，重要的藥用氨基酸，如用于生發劑、預防和治療肝昏迷，保護肝臟和調節中樞神經系統的世界上氨基酸產量最大的谷氨酸(Glu)；作為營養增補劑、調味增香劑、植物生長促進劑、調節血糖水平、緩和焦躁及緊張情緒、控制酒精中毒的亮氨酸(Leu)[4,14]；高濃度抗腫瘤、加入飼料中能有效抑制二甲苯胺化學致癌作用的精氨酸等[14]，均有較高的含量。

2.2 不同種植區西洋參的營養價值評價

食品中蛋白質的營養價值主要取決于必需氨基酸的種類、數量及比例。蛋白質中氨基酸的組成方式影響食品的營養價值，當蛋白質的氨基酸組成與人體氨基酸組成相近時，使用價值就越高[15-16]。本研究將測定結果與FAO/WHO于1973年修訂的-理想蛋白人體必需氨基酸模式譜[13,17-18]進行比較分析。結果表明，供試西洋參中人體必需氨基酸比例總體配比較為合理；不同種植區西洋參根中蘇氨酸(Thr)、苯丙氨酸+酪氨酸(Phe+Tyr)、賴氨酸(Lys)含量在總氨基酸中的比例均顯著高于標準模式；異亮氨酸(Ile)、亮氨酸(Leu)、纈氨酸(Val)、蛋氨酸+胱氨酸(Met+Cys)含量在總氨基酸中的比例低于標準模式。陜西留壩西洋參的必需氨基酸占總氨基酸的比例與原產地加拿大多倫多的最為相近，且接近于標準模式圖譜(圖1)。

氨基酸比值系數法是食品中氨基酸營養評價的常用方法。氨基酸比值(RAA)、氨基酸比值系數(RCAA)和氨基酸比值系數分(SRCAA)是氨基酸比值系數法中的主要參數。RAA是指樣品中氨基酸的含量與模式蛋白中的氨基酸的含量的比值。RCAA可以反應食品中氨基酸組成含量與模式氨基酸的偏離程度，RCAA值最小的氨基酸可被視為第一限制性氨基酸，第一限制氨基酸會嚴重影響機體對蛋白質的利用。SRCAA可表示食物中蛋白質的相對營養價值，其值越接近100，說明西洋參根中蛋白質營養價值越高[16,19-20]。表3結果顯示，加拿大多倫多和陜西留壩西洋參根的RAA值和RCAA值更接近WHO/FAO氨基酸模式譜。不同種植區西洋參的氨基酸比例不是完全合理的，但其第一限制氨基酸均為蛋氨酸+半胱氨酸(Met+Cys)。不同種植區西洋參根的SRCAA值差異顯著(P< 0.05)，加拿大多倫多西洋參根的SRCAA最高，為42.36，營養均衡性最強，營養價值最高；其次是陜西留壩西洋參參根，為21.07(表3)。

表2 不同栽培區西洋參樣品氨基酸組成與含量Table 2 Composition and content of amino acids of American ginsengin planting areas

圖中每種氨基酸上標字母相同者視為地區差異不顯著(P>0.05)，上標字母不同者視為差異顯著(P<0.05)

表3 不同種植區西洋參中必需氨基酸的RAA，RCAA和SRCAA的比較分析Table 3 RAA,RCAA and SRCAA analysis of essential amino acids in American ginseng from different planting areas

2.3 不同種植區西洋參根中氨基酸的主成分分析與綜合評價

以特征值λ大于1并綜合考慮累計貢獻率≥85%確定主成分數[8,21]，西洋參中17種氨基酸共提取到4個主要成分，累計貢獻率達93.418%，可以反應氨基酸含量的大部分信息(表4)。其中，第一主成分(PC1)的方差貢獻率為61.298%，其代表性氨基酸主要包括纈氨酸(Val)、脯氨酸(Pro)、甘氨酸(Gly)、賴氨酸(Lys)、絲氨酸(Ser)、丙氨酸(Ala)、組氨酸(His)、蘇氨酸(Thr)、天冬氨酸(Asp)、胱氨酸(Cys)、酪氨酸(Tyr)、異亮氨酸(Ile)，第二主成分(PC2)的方差貢獻率為 13.230%，其代表性氨基酸主要包括精氨酸(Arg)、谷氨酸(Glu)，第三主成分(PC3)的方差貢獻率為11.303%，其代表性氨基酸主要包括苯丙氨酸(Phe)、亮氨酸(Leu)，第四主成分(PC3)的方差貢獻率為7.587%，其代表性氨基酸為蛋氨酸(Met)(圖2)。

表4 主成分的初始特征值Table 4 Initial eigen values of principal components

利用綜合評價指標F1、F2、F3替代原有的17種氨基酸指標進行綜合分析與評價，通過以每個主成分所對應的特征值的方差貢獻率建立綜合評價模型[21-23]，即F=0.613F1+0.132F2+ 0.113F3+0.076F4。結果顯示，第1主成分及第3主成分中加拿大多倫多得分最高，其次是陜西留壩，第1主成分及第2主成分因子載荷中影響較大的因子是必需氨基酸(圖2)，所以加拿大多倫多和陜西留壩西洋參中必需氨基酸得分較高。綜合得分結果顯示陜西留壩排名第1，其次為加拿大(表5)。

圖2 主成分的因子載荷圖Fig.2 Factor load diagram of principal components

3 結論與討論

氨基酸與人類的健康密切相關，它不僅是營養物質，還可以用作治療藥物。作為名貴藥材的西洋參，其氨基酸含量的高低，必需氨基酸和藥用氨基酸的種類是否齊全，必需氨基酸占總氨基酸的比例與各種必需氨基酸的組成比例等，都是衡量其品質和藥用價值的重要指標[16,18]。本研究采用國家標準對比測定國內外不同西洋參產區西洋參樣品中氨基酸的種類和含量。結果表明，陜西省留壩縣西洋參總氨基酸量、人體必需氨基酸和藥用氨基酸含量普遍較高，僅次于原產地加拿大多倫多；相較于其他產地來源的西洋參樣品，加拿大多倫多和陜西留壩氨基酸含量和必需氨基酸組成比例更接近于FAO/WHO于1973年制定的理想蛋白人體必需氨基酸模式譜，含有大量的人體所必需的氨基酸，且氨基酸營養較為均衡。

表5 不同種植區的綜合得分Table 5 Comprehensive scores of different planting areas

據報道[4]，西洋參的部分氨基酸不僅對癌癥有抑制作用，可以抗菌抗病毒，同時可以調節機體免疫力。目前，西洋參被研發為醫藥、食品、保健品、飲料等系列產品，使人們對西洋參保健及治療作用廣泛認同，需求量不斷增加，但作為道地藥材的西洋參，不同的自然環境條件對西洋參的質量和品質還存著巨大的影響。陜西省留壩縣地處秦嶺南麓腹地，氣候屬亞熱帶北緣山地暖溫帶濕潤季風氣候類型，兼有亞熱帶、暖溫帶、溫帶各種氣候特色，冬無嚴寒、夏無酷暑、冬長夏短、春秋近半、雨量充沛，自然環境得天獨厚。自1981年從美國、加拿大引種西洋參在陜西省留壩縣種植獲得成功后，于1986年被列入國家科委首批“星火計劃”項目進行支持，留壩西洋參商品參獲得國家衛生部頒發的新藥證書，西洋參速溶茶取得省級“準”字號生產許可證，后辦理了地標升國標生產許可證，成為西北最大的西洋參基地和全國三大西洋參栽培基地之一[24]。陜西省留壩縣現有西洋參留床面積超過200 hm2，成為當地農戶脫貧致富的支柱產業。本研究結果證實陜西省留壩縣是我國西洋參的優質產地，為充分利用西洋參的藥用價值和營養價值，開發附加值更高的特效產品以及拓展西洋參產業等提供一定的理論基礎。