粉葛主要營養物質、異黃酮成分的積累規律及其相關性分析

曹 升, 馬崇堅, 尚小紅, 吳芳芳, 施平麗, 陳會鮮, 譚梔恩, 嚴華兵, 吳正丹, 王 穎*, 韓 偉, 于白音

(1. 廣西壯族自治區農業科學院, 南寧 530007; 2. 廣西壯族自治區藥用植物園, 南寧 530010; 3. 韶關學院 英東生物與農業學院, 廣東 韶關 512005; 4. 廣東省粵北食藥資源利用與保護重點實驗室, 廣東 韶關 512005 )

粉葛為豆科葛屬植物,素有“亞洲人參”“南葛北參”之美譽(楊旭東等,2014),2014年被我國國家衛生健康委員會認定為藥食兩用植物。廣西是粉葛的傳統種植區域,種植歷史可追溯至清代,每年的種植面積均達2 667 hm2。粉葛塊根富含淀粉、脂肪、氨基酸、纖維素、鐵、鈣、銅、硒等人體所需的營養及礦質元素(李臻等,2011),常被加工成葛粉、葛面、葛酒、葛根飲品、葛根餅干等系列產品(尚小紅等,2021),食品開發前景廣闊。粉葛塊根還含有葛根素、大豆苷、大豆苷元、染料木素等異黃酮物質,具有清熱、解毒、解肌、生津、透疹、升陽和止瀉等作用,《中國藥典第一部》(國家藥典委員會,2015)規定,葛根素含量達到0.3%以上的粉葛塊根可用于藥用。可見,粉葛具有很高的食用和藥用價值。粉葛開發利用的部位主要是塊根,葛根的葉、藤、根頭等部位大多直接丟棄,少量用作飼料,其綜合利用率較低。此外,采收時間是影響中藥材質量的關鍵因子(胡少偉等,2018; 嚴華等,2019; 周賽男,2019),確定藥食兩用植物粉葛的適宜采收時期,對其開發利用至關重要。因此,掌握不同部位和不同時期粉葛的主要營養物質及異黃酮成分的積累規律,對粉葛的綜合開發利用及最佳采收期的確定具有重要指導意義。

異黃酮類物質和葛根素是葛根的主要藥用成分,其含量是評價葛根藥用價值的主要指標。王德立(2008)發現野葛的葛根素和異黃酮含量在6月份最高,11月份次之,綜合考慮單株塊根中葛根素和異黃酮總量,認為5年生野葛在11月采收具有最高的利用價值。潘玲玲等(2011)發現4年至5年生野葛的塊根葛根素含量最高,每年的11—12月野葛塊根的葛根素含量達到全年最高值。段海燕(2016)認為野葛的異黃酮類成分主要分布在韌皮部和木質部中,周皮的含量最低,而韌皮部的含量高于木質部。Son等(2019)發現野葛的塊根提取物中主要的異黃酮物質為葛根素,而葛葉提取物中主要的異黃酮物質是染料木素。曾慧婷等(2022)發現粉葛的總異黃酮含量在不同部位中的分布規律為根>莖>葉,粉葛根中異黃酮類成分含量在10月達到最大,葛莖中異黃酮類成分的積累量在7月和12月達到最大,葛葉中異黃酮類成分的積累量在10月達到最大。不同區域、不同部位收獲期葛的葛根素、大豆苷元等存在差異(劉逢芹等2006;馬樹運等,2015;李琳,2015;劉玉等,2022)。當前,葛根的異黃酮物質的積累規律研究主要集中在野葛上,對粉葛的異黃酮成分積累規律的研究還處于初級階段,還需大量深入細致的系統性研究來全面揭示粉葛的異黃酮物質的分布規律,以達到粉葛利用的最大化。淀粉、多糖、蛋白質、可溶性膳食纖維是葛根重要的食用品質指標。譚小燕等(2014)發現多年生野葛在11月至次年2月的淀粉含量最高;紀寶玉等(2013)發現野葛在每年8月和9月的多糖含量最高;郭麗君等(2018)發現桂粉葛1號的淀粉含量在6—12月之間呈逐漸增大的趨勢,在11—12月達到最大。

目前,對粉葛的多糖、蛋白質、膳食纖維素的積累規律及主要營養物質與異黃酮成分積累之間的關系研究均未見報道。不同品種、不同地點粉葛收獲期的可溶性糖、淀粉、總膳食纖維、蛋白質、脂肪等營養物質存在差異(張應等,2013; 李杏元,2016; 朱盼和謝娟平,2019)。成熟期,粉葛農藝性狀、碳水化合物與異黃酮具有一定的相關關系(顧彩霞,2019; 黃秋連等,2021)。本試驗在前人的研究基礎上,分析粉葛成熟期的葉、上藤、中藤、下藤、根頭、塊根各部位的異黃酮含量,探索不同時期粉葛的淀粉、多糖、可溶性蛋白、粗蛋白、可溶性膳食纖維素、不溶性膳食纖維積累量的動態變化,并分析各營養物質與異黃酮成分積累的相關性,進一步豐富和細化了粉葛的淀粉、多糖、葛根素、黃酮等物質的積累規律,并首次研究了粉葛的蛋白質、纖維素的積累規律及營養物質與異黃酮成分之間的相關性。旨為闡明粉葛主要營養物質、異黃酮成分的積累規律及其相關性,明確粉葛的最佳采收時期、各部位的應用價值及營養物質與異黃酮成分積累的相關性,為粉葛的綜合開發利用以及采收時期的確定提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料種植和取樣處理

試驗于2020—2021年在廣西壯族自治區農業科學院里建科研基地進行。該試驗基地年平均氣溫為22.2 ℃,年均降雨量為1 386.9 mm;土壤背景平均pH為6.6,土壤堿解氮的平均含量為92.2 mg·kg-1,有效磷的平均含量為42.8 mg·kg-1,速效鉀的平均含量為50.21 mg·kg-1,有機質的平均含量為26.22 g·kg-1。以健壯、無病蟲害、長勢一致的廣西藤縣粉葛苗為試驗材料,于2020年和2021年的3月中旬種植,2021年和2022年的1月收獲,采用單行單壟種植,壟間距為150 cm,壟高50 cm,株間距為50 cm,行間距為150 cm,種植300株,設置3次重復;基肥每畝施用商用生物有機肥400 kg,植后90 d每畝追施復合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)50 kg,植后120 d每畝追施復合肥(N∶P2O5∶K2O=12∶11∶18)50 kg;搭架引蔓,每株留一個薯;其他按照粉葛的常規高產栽培方式進行栽培管理。

試驗分別在8月中旬(植后150 d)、9月中旬(植后180 d)、10月中旬(植后210 d)、11月中旬(植后240 d)、12月中旬(植后270 d)、次年1月中旬(植后300 d)共6個生長時期采集塊根樣品,并采集成熟期(12月份)粉葛的葉片、上藤、中藤、下藤、根頭、塊根樣品。每個時期采集9株長勢一致的粉葛植株進行測定。上藤、中藤、下藤的取樣方法是把粉葛的主藤平均分成3段,由頂端至基部分別為上藤、中藤、下藤;根頭的取樣方法是粉葛主藤與塊根連接的膨大部位;塊根取整薯。材料經切片烘干后,105 ℃殺青30 min左右,75 ℃烘干至恒重,然后粉碎,保存于干燥陰涼處,用于各指標的測定。

1.2 測定指標和方法

樣品送至廣西桂林銳德檢測認證技術有限公司進行淀粉、可溶性蛋白、多糖、粗蛋白、粗脂肪、氨基酸、可溶性膳食纖維、不溶性膳食纖維、葛根素、大豆苷、大豆苷元、染料木素等物質含量的測定。淀粉、可溶性蛋白、多糖、氨基酸分別使用蘇州夢犀生物醫藥科技有限公司淀粉含量測試盒(M1101A)、可溶性蛋白含量測試盒(M1806A)、總多糖含量測試盒(M1505A)、氨基酸含量測試盒(M0501A)進行檢測;粗蛋白采用微量凱氏定氮法測定(GB5009.5-2016);可溶性膳食纖維、不溶性膳食纖維采用酶重量法測定(GB5009.88-2014);粗脂肪采用索氏抽提法測定(GB5009.6-2016);葛根素、大豆苷、大豆苷元、染料木素采用高效液相色譜檢測(徐桂新等,2020);總異黃酮采用紫外分光光度計進行測定(譚梔恩等,2021)。

1.3 試驗數據分析

試驗數據采用SPSS 17.0進行方差分析、相關性分析。

2 結果與分析

2.1 粉葛成熟期不同部位異黃酮成分的分布情況

由表1可知,在成熟期,粉葛不同部位的染料木素含量的變化不顯著,而粉葛不同部位的總異黃酮、葛根素、大豆苷的含量變化較大。總異黃酮含量在粉葛各部位的大小順序為根頭>下藤>上藤>中藤>葉片>塊根,葛根素含量在粉葛各部位的大小順序為根頭>下藤>中藤>上藤>塊根>葉片,大豆苷含量在粉葛各部位的大小順序為上藤>中藤>下藤>根頭>葉片>塊根,其中根頭和藤蔓的總黃酮、葛根素含量均大于1.00%。通過方差分析,發現根頭和藤蔓(下藤、中藤、上藤)的總異黃酮、葛根素、大豆苷的含量顯著大于葉片和塊根的含量。綜合而言,根頭、藤蔓有很高的藥用價值,葉片的總異黃酮較高。

表1 粉葛成熟期不同部位的異黃酮物質含量Table 1 Contents of isoflavone substance in different parts of Pueraria lobata var. thomsonii

2.2 粉葛不同生長時期塊根主要營養物質的積累變化

由表2可知,粉葛的淀粉、多糖、可溶性蛋白均呈先增大后減小的變化趨勢,其中淀粉在11月和12月達到最大值且顯著大于其他4個時期,多糖、可溶性蛋白在11月達到最大且顯著大于其他5個時期。粗蛋白的含量呈先減小后增大再減小的趨勢,在11月達到最大值;不溶性膳食纖維含量呈先增大后減小再增大的趨勢,可溶性膳食纖維含量呈先減小后增大再減小的趨勢,兩者呈此消彼長的變化規律,不溶性膳食纖維含量在9月和10月達到最大且顯著大于其他時期,可溶性膳食纖維含量在8月和12月顯著大于其他時期。整體看來,淀粉、多糖、粗蛋白、可溶性蛋白、可溶性膳食纖維在11月和12月達到最大值,在10—11月均有一個快速上升的階段。因此,粉葛在11月和12月采收的營養價值最佳,營養物質積累的關鍵時期是10月和11月。

表2 不同生長時期粉葛營養物質的積累量Table 2 Nutrient accumulation of Pueraria lobata var. thomsonii in different growth periods

2.3 粉葛不同生長期塊根主要異黃酮成分的積累變化

通過測定不同生長時期粉葛塊根的異黃酮成分的含量,由表3可知,發現粉葛不同生長時期的總異黃酮、大豆苷、大豆苷元、染料木素的含量呈逐漸減小的變化趨勢,其中8月和9月的含量最大且顯著大于其他5個時期;葛根素含量變化呈先增大后減小的變化趨勢,其中9月的葛根素含量達到最大且顯著大于其他5個時期。總體來看,粉葛的異黃酮成分在8月和9月的含量最大,此時粉葛的藥用價值最高。

表3 不同生長時期粉葛異黃酮物質的積累量Table 3 Isoflavone substance accumulation of Pueraria lobata var. thomsonii in different growth periods

2.4 粉葛總異黃酮、葛根素的積累與主要營養物質積累之間的相關性

通過相關性分析,由表4可知,總異黃酮與葛根素之間呈極顯著正相關,與淀粉和多糖呈極顯著負相關,與不溶性膳食纖維成顯著正相關;葛根素與不溶性膳食纖維呈極顯著正相關,與淀粉及多糖呈顯著負相關。因此,總異黃酮和葛根素的積累與淀粉、多糖、不溶性膳食纖維密切相關。

表4 粉葛總異黃酮、葛根素的積累與主要營養物質積累之間的相關系數Table 4 Correlation coefficient between accumulation of total isoflavone, puerarin and main nutrients in Pueraria lobata var. thomsonii

3 討論

3.1 粉葛不同部位異黃酮物質的積累差異

段海燕(2016)通過解剖葛根塊根結構,發現葛根素主要分布在韌皮部和木質部;石旭等(2009)對葛根進行化學定位,結果表明葛根的異黃酮類物質主要貯藏在周皮的栓內層細胞、韌皮薄壁細胞、次生木質部、初生木質部等基本組織中,暗示著葛根素等異黃酮類物質可能主要集中在木質部中。藤蔓和根頭是粉葛的營養和水分的運輸通道,起到支撐的作用,含有豐富的木質部結構, 這就不難解釋本研究中粉葛根頭和藤蔓的總異黃酮、葛根素、大豆苷的含量高于塊根和葉片的含量。然而,潘玲玲等(2011)發現一年生野葛的塊根與藤蔓的葛根素相當,并且大于葉片的葛根素含量;曾慧婷等(2022)發現“贛葛2號”粉葛品種不同部位的葛根素、大豆苷含量排序為根>莖>葉。兩者研究結果與本研究結果存在明顯差異,造成這種差異的原因可能是品種和地域不同。因此,有必要研究不同區域和不同品種各部位積累異黃酮物質的規律,以找到共性規律,這也是本試驗的下一步研究計劃。

3.2 不同時期主要營養物質的積累規律

纖維素和淀粉均屬于多糖。前人研究結果表明不同作物的多糖合成均有一個適宜溫度,過高或過低的環境溫度均不利于植物中多糖的積累,甜瓜、鐵皮石斛、青錢松等植物的多糖積累的適宜溫度被證實在20～25 ℃之間(郝敬虹等,2009; 粟君等,2011; 張春柳,2015; 孟雨冉,2017)。廣西在10月之前會出現一個持續性的高溫天氣,到了11—12月時,溫度會下降到20～25 ℃,這一溫度可能也是粉葛的多糖類物質積累的最佳溫度,因此粉葛的淀粉、多糖、可溶性膳食纖維的含量在11—12月達到最大。研究者認為適量的高溫會引起稻米蛋白含量增加(張桂蓮等,2013; Cao et al., 2017),但也有學者認為高溫對蛋白質的提高作用會因品種而異(孟亞利和周治國,1997)。本研究中粗蛋白、可溶性蛋白在溫度較高的6—10月的積累量大于溫度較低的11—12月的積累量,這說明適度的低溫可能更有利于粉葛的蛋白質積累。此外,淀粉、多糖、蛋白質等物質均屬于粉葛的儲藏物質,在粉葛生長發育過程中不斷得到積累,在11—12月時,粉葛的地上部分出現枯萎無法繼續合成這些儲藏物質,此時儲藏物質的積累量達到最大,為了維持粉葛地下部分的存活,這些儲藏物質又被轉化成其他能量物質,從而在1月份出現一個減小的趨勢。

3.3 不同時期粉葛的異黃酮物質的積累規律

葛根素、異黃酮類物質均屬于黃酮物質,由肉桂酰輔酶A側鏈延長后環化形成以苯色酮環為基礎的酚類化合物,是次生代謝產物。一定程度上,植物對環境脅迫可做出相應的抵御反應,而次生代謝及其產物是其生化反應基礎,因此植物次生代謝產物的合成與環境因子有著密切的聯系。擬南芥、茶樹、煙草、柑橘等作物,通過適度的干旱脅迫會大量提高黃酮物質的積累量(Alininian et al., 2016;Wang et al., 2016;Song et al., 2016;Zandalinas et al., 2017)。在芹菜中,適度低溫脅迫可以提高黃酮物質的積累(張萌,2017),而Wahid等(2007)則認為高溫下植物中黃酮類物質含量呈現升高趨勢。由此可見,環境脅迫可以提高黃酮物質的積累。廣西每年的8—9月的溫度和降雨量很高,這時的粉葛可能面臨著嚴峻的高溫、高濕的環境脅迫,從而產生更多的次生代謝產物葛根素和其他異黃酮物質。

3.4 粉葛主要營養物質與異黃酮成分積累的相關性

葡萄糖、果糖屬于還原性糖,是合成淀粉、果膠、纖維素等多糖物質的重要底物,而還原糖物質可以參與到異黃酮類物質的合成(Zhang et al., 2021)。因此,淀粉、多糖與異黃酮類物質存在競爭底物的關系,從而出現粉葛的總異黃酮、葛根素的積累與淀粉、多糖呈顯著負相關關系。然而,目前對總異黃酮物質與膳食纖維之間相關關系的研究較少,其相互作用機制并不明確,有待進一步研究。

4 結論

粉葛的根頭、藤蔓含有豐富的總異黃酮、葛根素、大豆苷,具有很好的開發利用價值;粉葛藥用的最佳采收期為8月和9月,粉葛食用的最佳采收期為11月和12月,粉葛的淀粉、多糖的積累可能不利于總異黃酮及葛根素的積累。