山药(Dioscoreae rhizoma)是薯蓣科薯蓣属植物的块茎,在我国西南地区、淮河流域及黄河流域均有种植。山药最早被记载在《神农本草经》中,它是一种优良药食同源作物,有着悠久的栽培和药用历史。河南焦作一带所产怀山药以较高药用和食用价值备受欢迎,其中以铁棍山药最为有名,仅温县一县每年种植面积约2 266.67 万m2,平均每667 m2 产量1 500 kg,年产共50 000 t,形成连片种植区[1]。
怀山药含有淀粉、纤维、蛋白质、多糖、皂苷元、薯蓣皂苷元、尿囊素、黄酮类、多酚类等多种营养和功能成分[2‐3],现代生物活性研究表明,山药具有降血糖、降血脂、抗氧化、滋补脾胃、增强免疫力和延缓衰老的重要生物作用[4‐5]。随着我国居民对食疗养生及健康产业认识的不断提高,对怀山药的功能价值愈加重视。本文对河南道地药食同源怀山药的功能组分的分离提取、生物活性研究现状及发展前景进行综述,以期为怀山药在功能食品领域的深入开发利用提供理论依据和参考。
怀山药的主要功能性物质分类和分布情况见表1。
表1 怀山药功能组分含量及分布
Table1 Content and distribution of functional components of Dioscorea opposita Thunb
功能组分多糖类皂苷类多酚类尿囊素环肽类主要分布果皮、块茎果皮、块茎果皮、块茎果皮、块茎块茎总含量/%11.372~12.000 0.066~0.493 10.168~18.880 2.168~2.430 0.352参考文献[6][6][7][8‐9][10]
由表1可知,怀山药中多糖类总含量最高(11.372%~12.000%),其次是多酚类物质(10.168%~18.880%)、尿囊素和皂苷类物质(2.168%~2.430%、0.066%~0.493%),环肽类物质总含量最低(0.352%)。安顺山药和怀山药相比综合得分为怀山药皮>安顺山药皮>怀山药肉≈安顺山药肉[6],怀山药多糖含量(11.37%)高于安顺山药肉多糖含量(4.71%),怀山药皮皂苷元含量(1.22%)高于安顺山药肉(0.67%),黄酮含量为0.27%,与安顺山药黄酮含量(0.26%)相近。魏福晓等[6]和段伟萍等[11]研究分析得出3 种多糖含量,广西山药多糖含量为2.85%,安国怀山药多糖含量为4.57%,安顺山药多糖含量为4.71%,河南怀山药多糖含量(8.41%)高于前三者。综上,与其他品种山药相比,怀山药作为河南焦作温县特有的优良品种,功能组分含量和营养价值尤为突出,因此,很有必要对怀山药进行更加深入地研究。
传统的植物多糖提取技术包括热水提取、碱液提取[12]和化学提取(超声辅助、微波辅助和酶辅助)[13]。大多数研究认为水是提取山药多糖的理想溶剂,因为多糖具有良好的水溶性[14]。但多糖经水提取后,通常需要乙醇沉淀。为了减少时间成本和溶剂消耗,也有研究人员采用酶辅助提取。研究表明,木瓜蛋白酶辅助提取的山药多糖具有更高的乳化活性和稳定性[13],而酸性提取多糖比热水提取和酶辅助提取具有更高的水溶性和热稳定性[15]。山药多糖的具体提取步骤如图1所示[12‐15]。
图1 怀山药多糖提取制备流程
Fig.1 Polysaccharide preparation of Dioscorea opposita Thunb
挤压提取和超声辅助提取等方法提取效率虽高,但易受到温度、压力及环境因素的影响[16],且用此类方法提取的山药多糖结构变化较大,可能会对其功能活性有一定的影响。因此深入研究确定其最佳工艺参数,确保山药多糖较高的功能活性很有必要。
目前,提取山药皂苷最常用的方法是气相色谱(gas chromatography,GC)法及高效液相色谱(high perfor‐mance liquid chromatography,HPLC)法,常用甲醇作为提取剂,C18 柱液相色谱(liquid chromatography,LC)分离,质谱检测。现有最新的怀山药皂苷提取方法是溶剂浸提法,即怀山药经粉碎后用冷甲醇浸泡,然后过滤,将滤液浓缩,得到的浸膏制成水悬浮液,经脱脂萃取,再用水饱和正丁醇萃取,经再次浓缩后的浸膏,用热的甲醇配制成饱和溶液,然后放置于冰箱内,将析出的沉淀物用蒸馏水溶解,经大孔径吸附树脂纯化,然后收集、浓缩得白色无定型粉末,其主要成分既是怀山药皂苷。
此提取工艺所需设备简单,分离提取操作简便。提取的山药皂苷可作为降血糖药物和治疗糖尿病并发症药物的主要活性成分或关键原料。
目前对山药中多酚类物质进行提取的方法主要包括溶剂提取法、超声波辅助提取法、微波辅助提取法和酶提取法,其中超临界流体萃取法、微波辅助提取法等则作为新的提取技术被广泛使用。最常用的辅助方法是碱提酸沉,采取液‐液萃取的方法对山药皮中的酚类成分进行提取,并通过对比提取前后物质成分的HPLC 图谱,进行所提酚类物质的差异分析,以期在操作简单的前提条件下,达到酚类物质的快速富集。葛梦焕[7]采用碱提酸沉法在不同碱性溶液中对山药皮中的酚酸类物质进行快速制备。试验结果显示提取率随提取剂碱性的不断增大而显著升高,且5%NaOH 的碱性溶液对山药皮中的酚酸类成分提取率最高,为0.44%。
尿囊素是一种极性物质,一般用极性溶剂进行提取,如热水和甲醇[8]。高效液相色谱法是最常用的测定方法,但是最终的提取率不理想,Cao 等[9]采用1H 定量核磁共振(quantitative nuclear magnetic,QNMR)法定测定韩国山药果肉和果皮中的尿囊素,该方法是根据尿囊素与一定量内标二甲基砜的信号积分的相对比值进行的,是一种快速、灵敏和可靠的基于1H QNMR 波谱的山药尿囊素定量方法。
传统的环肽提取方法包括热水浸提法、溶剂提取法,其中溶剂提取法使用较为广泛。此方法是利用有机溶剂与样品混合,通过液相提取的方法,从样品中获得环肽提取物。现有研究表明,乙醇或乙酸乙酯溶剂是巨藻环肽提取的常用方法。该方法操作流程简便、试剂成本较低,在怀山药环肽提取工艺中具有潜在的应用价值。图2展示了怀山药环肽制备流程图。
图2 怀山药环肽制备流程图
Fig.2 Cyclic peptide preparation of Dioscorea opposita Thunb
大量研究表明,植物多糖具有抗氧化、抗炎、胰岛素抵抗、调节肠道菌群以及对其他代谢疾病的有益作用。体内体外实验研究表明,怀山药多糖具有较好的1,1‐二苯基‐2‐三硝基苯肼(1,1‐diphenyl‐2‐picrylhydra‐zyl,DPPH)自由基清除能力(60%~80%)和羟基自由基清除能力(30%~50%)[10];细胞研究表明,粗提、分离和化学提取的山药多糖可以抑制白细胞介素‐1β(inter‐leukin‐1 beta,IL‐1β)、白介素‐6(interleukin‐6,IL‐6)和肿瘤坏死因子‐α(tumor necrosis factor alpha,TNF‐α)的过量产生[12,17]。从山药中纯化的多糖也被发现可以抑制脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)刺激下巨噬细胞中的NO 和TNF‐α 的产生[12];动物实验研究发现,山药多糖可以改善乙醇破坏的小鼠胃黏膜组织的微观形态[18]、有效延长小鼠的游泳时间达到抗疲劳效果及提高抗氧化酶(超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶)活性的升高[19]、改善肥胖小鼠的胰岛素敏感性、降低体重[20]、降低镉(Cd)在小鼠各组织器官中的蓄积并缓解Cd 暴露引起的小鼠氧化应激[21]。此外,细胞培养过程中添加山药多糖提取物对细胞的生长、抗体的表达方面发挥着重要作用,为今后研究中药提取物对中国仓鼠卵巢细胞生长及抗体表达方面的影响提供了参考[22]。此外,山药多糖干预可降低厚壁菌门与拟杆菌门的比例,表明其可能缓解肠道菌群失调;硫酸酸化山药多糖可以恢复肠道菌群和短链脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)水平,改善微生物群落的多样性和结构[23]。
虽然近年来关于山药多糖功能的研究较多,但是对其多糖结构的研究并不深入。王瑞娇[24]采用紫外光谱、红外光谱、核磁共振波谱、高效液相色谱结合甲基化反应等方法对怀山药多糖结构进行鉴定并对其活性进行了评价,推测了山药纯化可溶性粗多糖DOP1‐1、DOP1‐2、DOP1‐3、DOP2‐1 和DOP2‐3 的结构,初步得出结构在抗氧化、肠道消化及抗炎方面的功效关系。因此,有必要进一步探讨多糖的结构调控和构效关系及多开展一些临床相关的实验。进一步的研究应充分考虑两个问题:山药多糖的药理作用机制以及多糖与其他化合物结合后活性的变化。
山药皂苷元是一种甾体皂苷元,在5~6 位含有一个双键,呈r 构型。它是合成几种商用类固醇的基本成分,如可的松、孕烯醇酮和黄体酮。薯蓣皂苷元是口服薯蓣皂苷的代谢物,怀山药皂苷和皂苷元均在薯蓣块茎中检测到。皂苷元结构式见图3。
图3 皂苷元结构式
Fig.3 Structure formula of saponin
研究表明,山药皂苷元具有各种生物活性,例如其抗氧化和抗炎特性,对过敏性疾病、脑部疾病、肥胖症、糖尿病、更年期皮肤老化症状等也有效。它对心血管疾病(血栓形成和动脉粥样硬化)具有防治作用,尤其值得注意的是其抗癌作用[25]。怀山药皂苷在疾病方面的应用见表2。
表2 怀山药皂苷生物活性研究进展
Table2 Research progress on biological activity of radix saponins of Dioscorea opposita Thunb
药理作用黑色素生成(皮肤病)癌症氧化应激(动脉粥样硬化)血管舒张糖尿病血脂异常和肥胖中枢神经系统(阿尔茨海默病和帕金森病)免疫系统血栓形成生殖系统炎症系统病原微生物皂苷对健康的影响降低黑色素含量通过阻断细胞周期来抑制增殖;通过半胱天冬酶途径和环氧合酶诱导人宫颈癌细胞凋亡;通过抑制核因子活化B 细胞κ 轻链增强子(nuclear factor kappa‐light‐chain‐enhancer of activated B cells,NF‐κВ)调节的基因表达来抑制破骨细胞生成增加对由H2O2 引起的淋巴细胞DNA 损伤的抵抗力冠状动脉松弛降低双糖活性抑制胆固醇吸收,降低血清低密度脂蛋白和胆固醇中高密度脂蛋白的升高,抑制三酰甘油水平通过抑制免疫蛋白(toll‐like receptors,TLR4)/NF‐κβ 信号通路来防止LPS 诱导的帕金森病对肠道辅助性T 细胞的抑制作用,调节T 细胞免疫通过增加出血和凝血时间来达到抗血栓形成作用薯蓣皂苷元通过增加DNA 含量来刺激乳腺上皮细胞的生长对肠道炎症和肥大细胞脱颗粒的抑制作用复制受到抑制,病毒RNA 和蛋白质水平降低参考文献[26][25][27][28][29][30][31][32][33][34][35]
怀山药皂苷有很多生物活性价值,具有α‐糖苷酶抑制活性,其作用机理是怀山药皂甙通过与消化道内的许多酶作用,特别是对α‐糖苷酶的抑制活性,从而控制了机体对葡萄糖等营养成分的吸收,使其具有了抗营养性。同时怀山药皂甙具有己糖激酶激活活性,从而加快了糖代谢途径中糖的降解。对于糖尿病并发症中的眼部病变、神经病变和肾部病变的病人而言,怀山药还具有醛糖还原酶抑制活性,从而能消除体内山梨醇的蓄积,因此怀山药皂苷可作为治疗糖尿病及其并发症的药物。但是相对于怀山药中其他的功能组分,皂苷的含量较少,目前对其研究较多的集中在探究化学合成皂苷上面,并且目前对怀山药皂苷的提取方法还仅限于色谱法,效率低、成本高。因此,仍需进一步探索更高效的怀山药皂苷的提取方法,并且可以对怀药元和皂苷元的剂量效应和构效关系进行进一步系统的研究。
怀山药多酚是指从怀山药中提取的多酚类化合物。多酚是一类具有多个酚羟基(—OH)的化合物,具有较强的抗氧化能力。怀山药中含有多种多酚类化合物,如黄酮类化合物、酚类化合物和单宁类化合物。研究发现,块茎果皮的总黄酮和酚类含量显著高于块茎果肉[2]。怀山药多酚的研究进展涉及多个方面,这些多酚化合物被认为具有抗氧化、抗炎、降血糖、降血脂等多种生理作用。它们可以帮助清除体内自由基,减少氧化应激、维护身体的健康。洪永健等[36]研究表明,山药多酚对DPPH 自由基具有较强的清除作用,对大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌具有较好的抑制效果;怀山药多酚具有抗炎作用,能够减轻炎症反应和相关疾病的发展,这可以归因于多酚化合物对炎症介质的调节作用,从而缓解炎症症状;研究表明,植物多酚具有抗肿瘤作用,它们可以通过调节细胞肿瘤周期阻制在G1 期等途径抑制肿瘤细胞的增殖、诱导细胞凋亡、阻断肿瘤血供等机制来发挥抗肿瘤活性[37‐38]。葛梦焕[7]进行了怀山药多酚类对α‐糖苷酶抑制活性的研究,结果发现提取出来的多种酚均具有一定的抑制酶活性,表明山药皮中的酚类物质对血糖具有调节作用。近年来,学者们对怀山药中多酚的生物活性研究较多,但是对其抗肿瘤机制体内外实验研究较少,相关理论支撑不足,未来需加强该领域的系统性研究,为怀山药多酚的应用提供更多参考依据。
尿囊素化学名为咪唑烷‐2,4‐二酮‐5‐羟酸酰胺,是一种尿酸衍生物,其结构特征包括咪唑烷‐2,4‐二酮骨架及外环氮原子上的氨基甲酰基取代基。作为人体皮肤天然存在的成分,尿囊素是内源性物质,并被广泛应用于非处方(OTC)化妆品中[39]。尿囊素被认为可以改善伤口、炎症和溃疡。山药中含有尿囊素(尿囊素和尿囊酸),且在山药块茎中比在土豆、红薯和木薯中含量高。尿囊素结构式见图4。
图4 尿囊素结构式
Fig.4 Allantoin structural formula
尿囊素既是一种食品添加剂,也常被应用于保健品中。它被认为具有一些潜在的健康益处,如抗氧化、抗炎、降血压、抑制血小板凝聚等。尿囊素还被研究用于一些疾病的治疗,如心血管疾病和糖尿病等。王小兰等[40]对大鼠卵巢模型进行了尿囊素(allantoin,ALL)干预,结果发现尿囊素对卵巢功能早衰大鼠有显著的保护作用。李凯伦等[41]研究发现尿囊素可以用作破骨细胞靶向药物,它通过调节绝经前女性骨保护素(os‐teoprotegerin,OPG)和核因子‐κB 受体活化因子配体(receptor activator of NF‐kappa B ligand,RANKL)来促进破骨细胞的成熟,从而促进骨折愈合。邢亮等[42]研究表明,尿囊素凝胶可促进烧伤大鼠创面愈合。尿囊素的功能虽已被广泛研究,但对其在怀山药的分布及高效提取方法研究较少,后期可以在相关方向进行深入挖掘。
山药环肽是指从山药中提取出来的具有环状结构的肽类化合物。肽是由氨基酸通过肽键连接而成的多肽链,而环肽通过这些多肽链的某些部分形成环状结构。环肽的环结构可以由多种方式形成,包括内酯化、酰胺键封合、二硫键交联等。
环肽因其独特的生物活性和良好的药理特性,在药物研究和医学应用中受到广泛关注。由于其环结构的稳定性,环肽在体内具有较好的生物活性、生物稳定性和药代动力学特性,因此可以被用于开发抗菌药物、抗癌药物、激素类药物等。已报道的环肽具有抗肿瘤、抗人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)、抗菌、抗疟、安眠、抑制血小板聚集、降压、抑制酪氨酸酶、抑制环氧化酶、抑制脂质过氧化酶、免疫抑制、雌性激素样等多种生物活性[43‐45]。
王志强[46]通过免疫印迹(western bloting)实验发现环肽与鼠双微体2(murine double minute 2,MDM2)的结合亲和力与分子体积呈正相关,随着药物中环肽蛋白降解靶向嵌合分子(proteolysis‐targeting chimeras,PROTAC)的浓度增高,MDM2 含量明显降低。而MDM2 在肿瘤细胞表达和发展中起着重要作用,环肽分子通过降低MDM2 蛋白的含量,来抑制肿瘤细胞的增殖。Mosetti 等[47]通过对培养的纤维细胞进行紫外照射,接着用5 种环二肽对其进行分组处理,发现,紫外照射后的对照组细胞活力丧失较多,其余添加了环肽的实验组的细胞活力均高于对照组。由此得出,环肽对抗衰老也具有一定的作用。Liu 等[48]采用微量肉汤稀释法测定8 种环肽对单核细胞增生李斯特菌ATCC19115 的最小抑制浓度,以评估其抗菌活性。结果表明,环肽D、E 和G 均在320µm 浓度下表现出显著的抗菌活性。
环肽类物质有着极其丰富的价值,但是近年来人们对怀山药中环肽类的开发利用还较少,对其多集中在化妆品领域的抗衰老、抗炎等研究中,对一些临床疾病的治疗、环肽提取方法及环肽剂量和效应之间的关系都研究较少。因此后期对环肽的研究可以着重考虑这些方面。
目前,对山药块茎中功能成分的研究主要集中在淀粉、多糖等大分子物质上。现代研究证实,山药块茎具有抗氧化、抗炎、保护胃肠道、调节肠道菌群、治疗心脏疾病、降血糖等作用,充分展示了山药块茎在医药、保健品等领域的功能特点。然而,由于山药块茎的大分子物质结构复杂,其分子结构与生物活性之间的关系尚不清楚;且当前对山药功能组分验证大都停留在体内和体外实验,临床研究相对较少。因此,应加强山药块茎中功能成分的分离,并开展适当的临床实验,进一步分析山药对人体健康的作用机理,为山药的推广应用提供重要的理论依据。
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