山药化学成分和质量控制研究进展

孙在芝,丛晓东,张 云**,蔡宝昌,2**

(1.浙江中医药大学中药炮制技术研究中心,浙江 杭州 310053;2.南京中医药大学江苏省中药炮制重点实验室,江苏 南京 210049)

山药(Dioscorea batatas decne)属常用补益类中药,药用历史悠久,首见于《神农本草经》。本品是薯蓣科植物薯蓣的干燥根茎,性味甘、平,归脾、肺、肾经,具有补脾养胃、生津益肺、补肾涩精等功能,常用于治疗脾虚食少、久泻不止、肺虚喘咳、肾虚遗精、带下、尿频、虚热消咳等疾病[1]。山药在西南、淮河流域、黄河流域均有分布,其中河南焦作一带所产山药有很高的药用和食用价值,习称怀山药,被誉为“怀参”[2]。现代药理学研究发现[3],山药多糖具有免疫调节、抗氧化、延缓衰老、降血糖、血脂以及调节脾胃等功能,此外,根茎中的一种蛋白质具有调节体内酸碱平衡的作用。随着对山药研究的深入,在营养研究方面也取得了很大发展,尤其近年来山药被制成各种营养品畅销国内外,也为老百姓创造了可观的经济利润。通过研读并系统总结记载山药的文献,我们对山药化学成分和质量控制研究现状进行了总结,为山药的质量控制和评价提供参考。

1 化学成分

1.1 山药多糖

山药多糖是山药中的主要功能性成分,组成和结构比较复杂,根据药材的品质及产地略有不同,含量也有差别。徐琴的测定结果表明,苏北产淮山药和铁棍山药多糖含量分别为1.37%和1.20%[4]。陶乐平等[5]从安徽产山药中提取到一系列性质各异的多糖,认为热水提取物中的多糖主要由葡萄糖组成,其次为甘露糖和半乳糖,冷水提取物中的多糖则主要由甘露糖组成。赵国华等[6]从山药水提液中得白色粉末状多糖RDPS-1,糖基组成为葡萄糖、甘露糖和半乳糖,摩尔比为1∶0.37∶0.11。尚晓娅,任锦等[7]从山药中得到精制多糖,纯度较高,由鼠李糖、阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖和半乳糖组成。山药的黏液质是一类含磷的复合多糖,Satoh等[8]早年报道它是甘露聚糖和植酸的复合物,山药黏液质B(dioscroreamucilage B)后又被阐明是甘露聚糖和含磷蛋白质的复合物,分子量约为200万,其中蛋白质约占64%。王刚等[9]从山药中得到两个均一多糖,相对分子质量分别为62000和7300Dal,总多糖含量为16.42%。蔡婀娜等[10]采用最佳工艺条件水煮提取山药,得到粗多糖DT,经分离纯化后得2个组分,分别命名为DTA和DTB,DTA为单一多糖,由果糖和葡萄糖组成,摩尔比为1∶26.36。徐琴[11]对江苏产淮山药多糖成分进行研究,得出淮山药多糖属于中性杂多糖,纸层析分析单糖组成为葡萄糖、D-甘露糖、D-半乳糖,其中甘露糖占 10.64%,葡萄糖占10.23%,半乳糖占8.69%。张宇喆等[12]采用乙醇终浓度分别为30%、45%、60%和75%时沉淀得到4个山药多糖,用硫酸蒽酮法测得其总多糖含量分别为45.85%、56.24%、90.91%和13.87%。姜军[13]采用传统的水提醇沉法提取山药多糖,分离出两种多糖:中性多糖和酸性多糖。顾林等[14]以山药为原料,经分离提取纯化等一系列步骤得到山药水溶中性多糖,由葡萄糖和甘露糖组成,摩尔比为0.56∶0.44。

1.2 蛋白质和氨基酸

山药中含有丰富的蛋白质和氨基酸,能够提供人类所必需的营养物质,这也是近年来,山药被做成营养食品的原因。Martin等[15]的测定结果表明,山药粗蛋白含量为8.19%。张丽梅等[16]分析福建省建阳主栽的7个山药品种氨基酸含量及组成,总氨基酸质量分数在2.86%～6.64%之间,平均4.95%。此外,在日本薯蓣的甲醇提取物中分出2种物质分别为:(+)2B2Eu2desmol和Paeonol[17]。邵海等[18]从山药中提取分离得到两种糖蛋白组分GLP2Ⅰ和GLP2Ⅱ,相对分子量分别是13000和38000。

1.3 矿质元素

山药含有丰富的Zn、Fe、Mn、Cu等微量元素,这些矿质元素均是机体重要组成成分,维持着机体细胞渗透压与机体的酸碱平衡。刘影等[19]通过常规营养成分测定方法测定了浙江江山峡口镇、台州椒江的紫山药矿物质元素的含量K ＞Fe＞Zn＞Mg＞Mn ＞Ca＞Cu,除 K 、Fe、Cu元素含量差异较显著(P＜0.05)外,浙江两产地紫山药营养成分差异不显著(P＞0.05)。陈艳等[20]测定了山药及土壤样品中18种元素的含量,发现淮山药中K含量最高,其次为P、Na、Mg、Ca等,其中K、P、Na在淮山药中的含量明显高于土壤中的含量,说明淮山药对这些元素有富集作用。

1.4 其他物质

除上述成分,山药中还含有胆甾醇、麦角甾醇、β-谷甾醇、盐酸多巴胺、四氢异喹啉、山药素 I～V、胡萝卜素、VB等;此外,还含有较多对人体有益的脂肪酸。王勇等[21]在河南产怀山药中检出27种脂肪酸,饱和脂肪酸 18种(占51%),主要成分为十六酸;不饱和脂肪酸9种(占49%),主要为亚油酸、油酸和亚麻酸。

2 质量评价和控制

2.1 质量控制模式

随着中药多学科和各种现代分析技术的结合,在研究山药质量方面已取得了很大发展。现有的检测山药质量方法有:单一组分测定、多种成分同时测定、指纹图谱和生物测定等。

在单一成分或总成分质量测定中,有以山药尿囊素或总多糖的含量作为评价山药内在质量的主要指标,测定不同品种和不同产地山药多糖的含量。如以葡聚糖凝胶柱层析结合胰蛋白酶法以及紫外、红外和高效液相色谱法等技术,提取分离山药多糖。以硫酸-苯酚法测定山药中活性成分多糖的含量。结果: 山药中多糖含量为67.03%。此方法准确可靠,重复性好,待测组分无干扰,可作为山药的质量控制方法。王勇等[22]用80%醇提物过氯仿、正丁醇、乙酸乙酯相,采用FD和PB方法测山药中多酚含量,结果表明,在正丁醇相,多酚含量较高,乙酸乙酯相次之,氯仿相最少。此方法简便易行、重现性好、准确度高,可用于山药及其同属植物参薯中多酚含量的测定。

在多组分同时测定中,主要集中在多糖和尿囊素上,而其他几种成分(皂苷、脂肪酸、微量元素等)的研究较少。因此对山药化学成分的全面分析,才有助于了解山药的内在质量,Zhang L等[23]采用毛细管电泳法同时测定山药中尿囊素、胆碱、L-精氨酸的含量,线性范围尿囊素在 5～150mg/mL,胆碱在 0.9～100mg/mL,L-精氨酸在 1～200mg/mL,该法快速简便可再生。

在指纹图谱研究上,主要有HPLC、GC-MS、薄层(TC)红外(IR)紫外(UV)等方法,它们为系统控制和评价山药的质量提供方法和技术上的有益探索。

在生物测定方面,有采用酶解醇沉法测定山药多糖的含量,进行了淀粉酶水解法、温浸法、煮提法提取山药多糖,用滴定法及硫酸-苯酚法测定多糖含量。结果:淀粉酶水解法、温浸法、煮提法测得的多糖含量分别为3.53%、0.44%、8.77%。由此得出温浸法提取不完全,所得多糖值明显偏低;而煮提法则因淀粉溶出而结果虚高;与之相比,用酶解法既可较好地消除原料内淀粉的影响,多糖提取也较完全,是山药及薯蓣属植物多糖含量测定的一种较为简便、准确的方法[24]。

2.2 现代分析技术

随着科学技术的进步,现代分析仪器的发展,极大地提高了山药质量控制水平和能力,如UV、TLC、HPLC、近红外光谱(NIR)、气象色谱与质谱联用(GC-MS)等技术在山药质量检测中的应用均有了系统的研究。

2.2.1 UV

紫外及可见分光光度法分析已得到广泛的应用,它不仅可以用于物质的鉴定及结构分析,而且还可以用于某些物质含量的测定。高英春等[25]用硫酸-苯酚法,在490nm处有最大吸收峰的有色化合物来对山药中的多糖进行含量测定,结果表明山药片粗多糖的最佳提取条件为:提取温度为100℃,提取时间为3h,料液比为1∶12,pH 为8,提取液真空浓缩至原体积的1/5,所用95%乙醇的体积为多糖体积的3倍,用紫外分光光度法测得山药粗多糖的得率为11.58%,多糖含量为67.03%。以紫外分光光度法测定山药中多糖含量,该方法简便易行、准确度高、重现性好,为保证山药的质量控制提供了一个更为可靠的依据。

2.2.2 TLC

TLC法是鉴别山药药材及其成药最常用的方法。实验中薄层色谱检测山药,多数采用乙醇、甲醇、水等极性较大溶剂提取,用氯仿、甲醇或氯仿、甲醇、水的下层溶液等作为展开系统,显色剂为10%磷钼酸乙醇溶液。徐自升等[26]利用薄层色谱法鉴别怀山药炮制前后图谱的变化,结果证明生山药在麸炒前后发生了化学成分的明显变化,含量也随之发生了变化。为山药的质量控制提供了新的方法。

2.2.3 HPLC

HPLC是山药质量测定中最常见的方法。张芳芳等[27]用HPLC法测定了不同产地麸炒山药中尿囊素的含量,结果表明:不同产地麸炒山药中尿囊素的含量差异较大,其中河南登峰产地的尿囊素含量最高,为0.35%。此外还有RP-HPLC测定怀山药中腺苷的含量,该法操作简单、峰形好、灵敏度高、重复性好、回收率高,可用于怀山药的质量控制和综合评价。

2.2.4 NIR

红外光谱分析是一门历史悠久并且还在不断发展着的实用技术科学,由于红外光谱具有特征性强、取样量小、简便迅速、准确等特点,既能客观反映中药内在物质基础,又能在宏观上有效控制中药整体质量。白雁等[28]采用高效液相色谱(HPLC)法测定其尿囊素的含量,结合OPUS软件建立NIR光谱特征值与HPLC测定的结果之间的校正模型,进而对预测集样品进行分析,结果:利用NIR技术测定山药样品中尿囊素的含量是可行的,为山药药材的质量控制提供一种快速简便的检测方法。

2.2.5 GC-MS

目前,气质连用已经是一种非常有用且新颖的科学技术,在复杂中药体系中,对中药及其成品的鉴别和质量控制发挥着越来越重要的作用。牛健平等[29]以二氯甲烷为溶剂提取怀山药中的有机成分,利用气相色谱-质谱联用技术进行分析鉴定,结合计算机质谱图库检索技术对分离的化合物进行结构分析机质谱图库检索技术对分离的化合物进行结构分析,并采用峰面积归一化法确定出各成分的相对百分含量。结果表明:从怀山药中共提取分离出74种化合物,鉴定出 41种有机成分,占挥发性物质总含量的95.03%,主要成分为脂肪酸类、甾醇类、酯类、维生素 E等,其中,含量最高的是甾醇类化合物(45%),为探究怀山药的药物活性成分和有机成分的相关关系提供依据。

2.2.6 AAS

原子吸收光谱法具有检出限低,准确度高,选择性好,分析速度快等优点,主要适用样品中微量及痕量组分分析,如以原子吸收光谱法测定山药中的铅、镉、铜、砷和汞的含量。结果表明该法重现性好,适用于工业现场的原位和在线检测。

3 结语

山药作为一种临床常用的补益药,目前对其化学成分的研究主要集中在多糖和尿囊素类成分,对皂苷和其他成分如氨基酸、微量元素的研究则相对较少。山药药效的研究主要是以多糖为主,也仍有部分药理作用机理尚未明确。随着科学的发展,山药的质量控制模式还有待进一步优化,鉴于目前单成分质量控制尚缺乏对照品供应,更不用说多指标成分的质量控制模式。此外,山药具有较高的营养价值、药用价值及科学的食用价值,因此越来越受到大家的青睐。山药含有大量的糖蛋白、氨基酸和微量元素,常用作食疗药膳,多制成粥、糕点等保健食品。当其作为传统补益中药时,有健脾养胃、补肺益肾、止泻利湿的功效,对糖尿病、肿瘤等都有比较好的防治作用。在科技高度发展的今天,我们要用科学的价值观去探索、研发山药的更大功用,让山药更好地为我们人类造福。

[1]国家药典委员会.中华人民共和国药典[M].北京:中国医药科技出版社,2010:267.

[2]白冰,刘绣华,王勇,等.怀山药化学成分研究(Ⅱ)[J].化学研究,2008,9(19):59.

[3]袁书林.山药的化学成分和生物活性作用研究进展[J].食品研究与开发,2008,3(29):156.

[4]宋君柳.山药品种资源及化学成分研究进展[J].长江药业:学术版,2009,12(6):19.

[5]陶乐平,吴东儒.薯蓣多糖的分离、纯化、组成及其某些性质[J].安徽大学学报,1988,5(3):102.

[6]张红英,赵献敏,崔保安.山药多糖研究进展[J].河南中医学院学报,2006,11(6):98.

[7]尚晓娅,任锦,曹刚,等.山药多糖的制备及其体外抗氧化活性[J].化学研究,2010,21(2):59.

[8]张卫明,单承莺,杭悦宇,等.温度因素对薯蓣多糖测定的影响研究[J].食品科学,2008,25(7):68.

[9]王刚,杜士明,肖淼生,等.山药多糖的提取分离及山药总多糖的含量测定[J].中国医院药学杂志,2007,27(10):78.

[10]蔡婀娜,王昭晶,罗巅辉.水提山药多糖的分离纯化与DTA的性质分析[J].福建中医学院学报,2006,16(3):40-43.

[11]徐琴,徐增荣.江苏产淮山药多糖成分的研究[D].南京:南京农业大学,2006.

[12]张宇喆,孔祥峰,印遇龙,等.4种山药多糖的体外发酵特性比较研究[J].天然产物研究与开发,2009,21(9):30235.

[13]姜军.山药多糖的分离纯化及其化学结构的初步研究[J].扬州:扬州大学,2007(5).

[14]顾林,姜军,孙婧.山药多糖的分离纯化及其结构鉴定[J].食品科技,2006,10(15):89.

[15]MARTIN F W,THOMPSON A E.Crude protein content ofyams[J].Hort Science,1971,6(6):545-546.

[16]张丽梅,陈菁瑛,黄玉吉,等.山药品种间氨基酸含量的差异性研究[J].氨基酸和生物资源,2008,30(2):12-15.

[17]孔晓朵,白新鹏.山药的活性成分及生理功能研究进展[J].安徽农业科学,2009,37(13):5984.

[18]邵海,龚钢明,管世敏.山药糖蛋白的提取及纯化研究[J].天然产物研究与开发,2010,22(9):261-263.

[19]刘影,史姗姗,汪财生.浙江紫山药营养成分及薯蓣皂苷元含量的测定[J].安徽农业科学,2010,38(9):4563-4564,4567.

[20]陈艳,姚成.淮山药及其种植土壤中微量元素的测定[J].广东微量元素科学,2004,11(2):49-52.

[21]王勇,赵若夏,白冰,等.怀山药脂肪酸成分分析[J].新乡医学院学报,2008,25(2):112-113.

[22]王勇,史会齐,李明静,等.山药及其同属植物参薯中多酚含量的测定[J].河南大学学报:自然科学版,2005,12(4):25.

[23]ZHANG L,LIU Y,CHEN G.Simultaneous determination of allantoin,choline and L-arginine in Rhizoma Dioscoreae by capillary electrophoresis[J].Chromatoqr,2004,1043(2):317-321.

[24]张卫明,单承莺.酶解法测定山药多糖含量的研究[J].食品科学,2009,30(20):403.

[25]高英春.山药多糖的提取分离及活性初步研究[J].无锡:江苏大学,2009(6).

[26]徐自升,蔡宝昌,张弦.怀山药炮制前后TLC,UV及HPLC图谱的变化[J].中国中药杂志,2004,29(2):98.

[27]张芳芳,李伟东,杨光明,等.HPLC法测定麸炒山药饮片中尿囊素的含量[J].南京中医药大学学报,2010,26(2):47.

[28]白雁,宋瑞丽,陈志红,等.NIR结合OPUS软件建立山药中尿囊素定量模型[J].中国医院药学杂志,2008,2(22):56.

[29]牛建平,孙瑞霞,孙剑辉.气相色谱-质谱法分析怀山药中的有机成分[J].河南师范大学学报:自然科学版,2007,35(2):99.