紅芪中的無機元素及其與藥效活性成分關系的研究進展△

孫天雄，李成義，賈妙婷，汪莉

甘肅中醫藥大學，甘肅 蘭州 730000

紅芪為甘肅特色中藥材之一，來源于豆科植物多序巖黃芪Hedysarum polybotrysHand.-Mazz.的干燥根[1]，與黃芪功效相似，具有補氣、固表、利水、斂瘡的作用，歷史上多與黃芪通用[2]。紅芪主產區為甘肅定西，隴南武都、宕昌等地，尤其以隴南武都所產的道地藥材“米倉紅芪”聞名全國[3-5]。近年來，國內有很多無機元素影響中藥材質量的相關研究[6-13]，這些研究表明，不同種類的無機元素會直接或間接影響中藥材的生長發育[14]，同時影響藥材中次生代謝產物的積累[7]，從而影響中藥材的藥效，其中有些無機元素更是決定了某些中藥材的道地性[15]；而紅芪中無機元素的研究相對較少，無機元素影響紅芪藥效活性成分的研究也很少。紅芪中含有人體代謝活動所需的多種無機元素[16]。紅芪的臨床療效除了與中藥材生產、加工、炮制有關，還與多糖、黃酮類、異黃酮類等藥效活性成分有關[17]，其中紅芪多糖、毛蕊異黃酮、芒柄花素等被認為是紅芪藥效活性成分，而這些藥效成分的代謝積累更離不開無機元素的參與，且一些無機元素對紅芪藥效指標成分的積累有很大影響，會最終影響到紅芪藥材質量與臨床療效。

1 紅芪無機元素種類和含量變化

1.1 紅芪含較多的大量和微量無機元素

趙長琦等[18]研究比較了紅芪和黃芪中無機元素的含量，測定了紅芪中Na、K、Mg、Ca、Ba、Zn、Cu、Cd、Pb、Ni、Sn、Fe、Al、Mn、Hg、Se、B、P、Te、I、Mo、Cr、Co 等20 多種無機元素的含量，比較了紅芪與黃芪中無機元素含量的差別，發現紅芪與黃芪中的大量元素含量差異不明顯，但與之相對的微量元素卻有顯著差異，推測紅芪、黃芪的藥效差別可能與兩者所含微量元素的量有關系。在對紅芪和黃芪所含的藥效成分含量研究的過程中發現，為同科同屬的2 種植物，紅芪中的芒柄花素、芒柄花苷的含量普遍較黃芪高；而黃芪中則是毛蕊異黃酮葡萄糖苷含量較紅芪高，可能與2 種藥材生長過程中微量元素的積累有關。

1.2 無機元素含量隨紅芪生長過程呈規律性變化

強正澤等[19]采集了不同生長期的紅芪，并對紅芪根所含的Na、K、Mg、Ca、Zn、Cu、Ni、Fe、Mn、Cr、Li、Co 12 種無機元素進行分析，發現紅芪在不同的生長期所含Cu、Co 元素含量差異顯著，Na、K、Mg、Ca、Zn、Ni、Fe、Mn、Cr、Li 元素含量差異極顯著。Cu 元素含量隨著紅芪生長時間逐漸增多，呈顯著正相關；Fe、Mn、Na、Cr、Li元素含量隨月份變化含量減少，呈顯著負相關；Ca、Mg 元素含量隨月份變化呈極顯著負相關。Ni、K、Mn、Cr、Na 元素成為紅芪不同生長時期的特征性元素。

1.3 各產區紅芪所含無機元素種類相同但含量差異明顯，且野生和栽培紅芪無機元素種類和含量有差異

有研究者研究了不同紅芪產區紅芪質量與無機元素的關系，發現在武都、宕昌、岷縣、首陽、漳縣、渭源、天水采集的紅芪樣品中無機元素含量不盡相同，野生樣品和栽培樣品中無機元素含量也有差別[20-21]。以Na、K、Mg、Ca、Zn、Cu、Ni、Fe、Mn、Cr、Li、Co 12 種無機元素來評價紅芪質量發現，野生紅芪無機元素含量高于栽培品，并且道地產區武都、宕昌的紅芪樣品較其他產區紅芪樣品在評價排名中占優勢。在基于無機元素鑒別野生紅芪與栽培紅芪的研究中發現：首先，Na、K、Mg、Ca、Zn、Cu、Ni、Fe、Mn、Cr、Li、Co 12種無機元素在野生紅芪與栽培紅芪體內含量有差異，K、Mg、Ca、Ni、Fe、Cu 含量在野生紅芪體內較高；Na、Zn、Mn、Cr、Li、Co 在栽培紅芪體內含量較高。其次，以微量元素為指標分析，Fe、Li、Co 3 種元素可以作為鑒別野生和栽培紅芪的分類元素。并且發現紅芪生長環境中，水和土壤因子會影響野生與栽培紅芪體內微量元素含量的差異[22]。

1.4 紅芪含無機元素與補益類中藥中發現的無機元素種類大致相似

強正澤等[23]對紅芪中無機元素的研究中發現，紅芪中Ca、K、Zn、Na、Mg 元素相對含量較高，范文秀[24]在補益類中藥微量元素的比較研究中也發現，補益中藥中的Zn、Cu、Mn、Fe 含量豐富，說明紅芪作為補益類中藥體內含有特定無機元素種類。

2 無機元素的營養作用及與紅芪藥效活性成分的相關性

2.1 幾種植物無機元素的生理作用

植物生長過程中從土壤和水中主動或被動轉運吸收一些無機元素，大部分被細胞主動吸收利用，用于植物自身生命活動。例如，Fe 元素對植物生理活動有非常重要的作用，是葉綠素合成的必須物質[25]，常參與細胞內氧化還原反應和電子傳遞，參與核酸代謝、蛋白質代謝，參與植物呼吸作用，有機酸、維生素、碳水化合物合成[26]。而Mg、Zn、Ca、K、Cu、Co 元素對植物也有很重要的作用：Mg是葉綠素的組成成分、多種酶的活化劑，對植物生長發育有促進作用，還參與脂肪和蛋白質的合成[27]，與遺傳物質、維生素A、維生素C 的合成有關[28]；Zn 是植物體內物質水解、氧化還原和蛋白質合成有重要作用的酶的組成元素，如脫氫酶、碳酸酐酶和磷脂酶等，Zn 還參與吲哚乙酸和葉綠素的形成，是細胞核糖體維持穩定的必要成分[29-30]；Ca 元素對植物有不可估量的作用，能穩定細胞生物膜、細胞壁結構，能促進細胞伸長和分裂，還能參與第二信使傳遞[31]，有調節細胞滲透壓和酶促作用；K能調節植物氣孔的開閉和水分的代謝，是多種酶的活化劑，其中一些酶參與光合作用、糖酵解和氮代謝過程，并且K 能增強植物抗逆性，能促進光合作用和同化產物向果實內轉移；Cu元素是植物維持正常生命活動必需的7 種微量元素之一，能和各種氨基酸、肽、蛋白質結合成為穩定性強的絡合物，這些絡合物參與植物體各種生命活動，如與色素結合參與光合作用，對葉綠素和其他色素有穩定作用，還能構成各種含銅氧化酶，參與植物體內氧化還原反應，在酶中的作用獨一無二，還參與氮素代謝，影響植物根部根瘤中氧化酶的活性，進而影響固氮作用；Co 元素對一切固氮生物來講是特殊的，不論是豆科根瘤固氮植物還是非豆科非根瘤固氮植物[32]。目前，從Co對植物的作用研究來看，Co能形成活潑的含Co金屬酶絡合物，也是很多酶的催化劑，尤其是合成維生素B12的主要成分，還能促進植物胚軸生長、胚芽鞘的張開和托葉的擴大，也會促進生長素和細胞分裂素的形成等[33]。

2.2 紅芪代表性活性成分與藥理表現

紅芪中有豐富的化學成分，其中具有生物活性的成分包括黃酮、多糖、皂苷、氨基酸、微量元素等。其中，最具代表性的藥效活性成分有紅芪多糖、總黃酮（包括異黃酮類成分毛蕊異黃酮、毛蕊異黃酮葡萄糖苷、芒柄花素和芒柄花苷）。這些藥效活性成分有廣泛的臨床藥理作用，主要表現為機體免疫調節[34-35]、抗腫瘤[36]、改善心血管疾病、抗炎、抗細胞衰老[37-38]等，是紅芪斂瘡生肌、脫毒排膿、補氣扶正的藥效物質基礎。紅芪多糖（HPS）是紅芪中具有藥效活性的成分之一，屬于植物多糖的范疇，化學結構上是由同種或不同種多糖通過化學鍵（糖苷鍵）相互作用而形成的多聚糖化合物，主要存在于紅芪根部細胞中。目前，化學結構和生物活性研究最清楚的紅芪多糖主要有26 種，如HPS1、HPS2、HPS3、HPS4、HPS5、硫酸酯葡糖（SHG）等[39]。紅芪多糖藥理作用廣泛，常表現在調節免疫系統能力[40]、機體保護[41]、抗炎[42]、抗腫瘤[43-44]、抗氧化[36,45]等方面，在防治糖尿病方面也有不錯的效果[46]。黃酮類化合物的基本母核結構為2-苯基色原酮，廣泛存在于高等植物中，有廣泛的生物活性。紅芪中也含有大量的黃酮類化合物及其衍生物。黃酮類成分也是紅芪藥效活性成分之一，其中異黃酮類成分為主要藥效活性成分。紅芪總黃酮有較好的抗腫瘤作用，能在一定濃度范圍內阻滯血癌細胞增殖分裂，具體表現為會抑制血癌細胞核DNA 復制分裂的準備期，延緩白血病病勢[47]。此外，紅芪總黃酮在體外抗氧化實驗中有良好的清除氧自由基的能力[48]；還能延緩運動后小鼠骨骼肌內氧化因子的積累，升高超氧化物歧化酶（SOD）的水平，抑制骨骼肌細胞氧化反應[49]。

2.3 已知的相關性分析及野生與栽培紅芪的活性成分差異

目前，國內外對紅芪中無機元素和藥效成分之間關系研究的很少，具體的作用機制尚不清楚，更多的是研究無機元素對紅芪異黃酮類和多糖類成分積累的影響，還有野生和栽培紅芪之間質量差異與兩者所含無機元素種類、含量間的關系：1）紅芪積累毛蕊異黃酮與Fe 和Mg 元素在一定范圍內有正相關關系；芒柄花素的積累除了與Fe 和Mg 元素有關還和Ca和Ni元素有顯著相關，這4 種元素間有協同作用；Zn 和Mg 元素表現出對紅芪多糖的積累有抑制作用，強正澤等[50]在測定了Na、K、Mg、Ca、Zn、Cu、Ni、Fe、Mn、Cr、Li、Co 12 種微量元素與紅芪中紅芪多糖、毛蕊異黃酮和芒柄花素含量的相關性后發現，Fe 和Mg 元素與紅芪中毛蕊異黃酮的積累呈現極顯著正相關關系，且Fe 元素相關關系最高，說明毛蕊異黃酮的累積與紅芪攝取Fe和Mg元素有關，Fe可能為主導元素；Fe、Ca、Ni、Mg 4種微量元素與芒柄花素的累積呈極顯著正相關關系，并與K 元素含量有正相關性，與Cr、Li、Co 元素含量有負相關性，說明紅芪體內芒柄花素的累積受多種元素的協同作用；Zn 和Mg 元素可能會對紅芪多糖的累積有抑制作用。2）研究發現，野生紅芪中的芒柄花素和毛蕊異黃酮含量均比人工栽培紅芪高，說明野生紅芪在藥效物質積累上優于栽培紅芪，一個原因可能是野生紅芪生長環境優于栽培紅芪，野生紅芪多生長在土壤內環境平衡、氣候變化差異不明顯、生長所需的無機元素相對平衡的地方，栽培紅芪的栽培土壤往往經過多年其他作物的生長，土壤內環境已出現不平衡，無機元素種類趨于單一，含量或多或少，人為地施肥和噴施農藥導致土地酸堿性不穩定；另一個原因可能與野生紅芪體內攝入的微量元素種類和含量與栽培紅芪有差異性[51]，野生紅芪受自然環境淘汰選擇，已經適應了所在地的環境情況，能主動和被動地吸收自身環境中的大多數自身需要的無機元素來滿足生長發育和后代遺傳；而栽培紅芪經人工選育，對生長條件要求比較苛刻，再加上栽培土壤中的無機元素種類不平衡，或認為施加的元素肥料過于單一、農藥殘留等問題，導致紅芪新陳代謝不旺盛，植物次生代謝被抑制，使紅芪在從苗到藥材成熟的關鍵階段積累的藥效活性成分不足。

3 結語

中藥紅芪在防病、治病方面特點突出，補氣作用強，能托毒斂瘡、化腐生肌，資源豐富，有極大的種植應用價值。紅芪藥材質量主要體現在臨床療效，藥材所含的藥效物質是關鍵。藥效指標成分紅芪多糖、異黃酮類毛蕊異黃酮和芒柄花素的藥理作用廣泛，這些紅芪次生代謝產物與紅芪新陳代謝活動密不可分，而紅芪新陳代謝活動又離不開無機元素的參與。中藥紅芪中的無機元素種類多達幾十種，其中既有大量元素也有微量元素，且元素含量隨紅芪生長呈現有規律的動態變化。毛蕊異黃酮、芒柄花素的積累受無機元素的影響明顯，紅芪多糖受Zn和Mg 元素濃度范圍的影響。可見，無機元素的動態平衡會影響到紅芪藥效活性成分的積累，所以紅芪藥效質量不僅受土壤營養成分的影響，土壤中無機元素種類和含量的平衡也必不可少。產地對紅芪種植品質的形成有較大的影響，不同地區所產紅芪無機元素無種類差異，但同種無機元素含量差異明顯，道地產區隴南武都和宕昌所產紅芪微量元素含量總體較高。野生紅芪在質量方面優于栽培紅芪，并且在以微量元素為指標的前提下，野生紅芪和栽培紅芪的區別主要在Fe、Li、Co 這3 種微量元素的含量上。建議加大對紅芪體內無機元素的研究，進一步明確無機元素對紅芪指標成分的具體影響，提高紅芪栽培質量，增強紅芪的臨床療效。