马铃薯糖苷生物碱及其影响因素研究进展

李会珍，张志军

（中北大学化工与环境学院生命科学系，山西太原030051）

马铃薯作为一种世界范围内的主要作物，在过去20年中，无论在发展中国家还是发达国家，其消费总量都持续增长[1]。到2002年，我国马铃薯种植面积已达到490 万hm2以上，占全球20%，亚洲60%以上，是世界第二大生产国[2]。马铃薯既是粮食又是蔬菜，也是发展畜牧业的良好饲料，还是轻工业、食品工业和医药制造业不可缺少的重要原料之一[3]。但马铃薯块茎中普遍存在的一种有苦味的毒性淄类生物碱，即糖苷 生 物 碱（Steroidal alkaloids glycosides，glycoalkaloids）。糖苷生物碱，又名马铃薯素或龙葵素，现已被认为是人类食物中最严重的有毒物质之一[4]。马铃薯在生产、储运和加工过程中受到机械或化学、光照及物理损伤后，体内的糖苷生物碱就会迅速合成和累积，能引起人和动物发育畸变[5]。糖苷生物碱不易被高温烘烤、干燥和煎炸等加工处理破坏[6]。马铃薯，特别是作为加工产品（炸条、炸片等）消耗量的逐年增大，使糖苷生物碱在食品安全和质量方面具有重要影响。糖苷生物碱在发达国家已引起足够重视，并进行了深入研究，而我国在这方面报道很少。本文将从马铃薯糖苷生物碱的化学结构、毒性机理、含量分布及其影响因素等方面进行综述，以进一步加深对马铃薯糖苷生物碱的认识，并为加工食品过程中尽量减少其含量提供参考。

1 马铃薯生物碱的化学结构

糖苷生物碱通常指茄科和百合科植物产生的具有特殊甾体结构的一类生物碱糖苷，有时也被称为甾体糖苷生物碱[6]。在马铃薯植株和块茎中，至少95%的糖苷生物碱是以α-茄碱（α-Solanine）和α-卡茄碱（α-Chaconine）的形式存在。它们由一个亲脂性的类固醇核子构成，一端通过2 个融合的含氮杂环延伸，而另一端结合到一个极性水溶性三糖上。α-茄碱和α-卡茄碱有相同的糖苷配基—茄啶（Solanidine），但在碳水化合物组成结构上有所不同[4]。此外，部分马铃薯品种中还存在一些其它的糖苷生物碱，如茄解啶（Solasodine）和番茄啶（Tomatidenol）等，其基本结构与茄碱和卡茄碱结构类似，可能是作为生物合成和降解的中间产物[4]。

2 糖苷生物碱的毒性及其作用机理

2.1 中毒症状及安全剂量

马铃薯糖苷生物碱具有很强的剧毒性和潜在的慢毒性，主要是麻痹呼吸系统和神经系统，当含量超过一定的阀值时，就会引起一系列的中毒症状。马铃薯糖苷生物碱毒性表现症状很广，从肠胃紊乱、意识混乱、幻觉、全身抽搐甚至昏迷和死亡。当块茎中生物碱含量大于140 mg/kg·FW 时，味变苦，影响马铃薯的食用风味；含量超过200 mg/kg·FW 时，就超过了安全食用性阀值[7]。人类对生物碱毒性的敏感性很强，但因个体而不同。食用1 mg/kg～5 mg/kg 体重可导致严重中毒，3 mg/kg～6 mg/kg 体重则是人的致死剂量[3]。有关马铃薯糖苷生物碱引起食物中毒甚至致死的报道有2 000 多例，引起畜禽损失的案例更多，我国也有报道[8-9]。事实上，轻度中毒的事例要更多一些，只是由于中毒症状和其它普通的肠胃疾病症状相似，很少能被对症下药。由于马铃薯糖苷生物碱含量会因为品种、季节、栽培方法以及胁迫条件的不同而升高，并发生大的、经常性的变异，且对这些成分的许多生化和毒性方面问题仍然了解不够，因此，目前建议应将马铃薯生物碱安全食用性阀值降低到60 mg/kg·FW～70 mg/kg·FW[4]。

2.2 糖苷生物碱的毒性机理

马铃薯糖苷生物碱毒性根源于生物碱1 种或2 种完全不同的作用方式。第1 种是糖苷生物碱抑制乙酰胆碱酯酶的活性。乙酰胆碱酯酶协调水解神经传递素乙酰胆碱为胆碱和乙酸，在神经冲动传递过程中起重要作用[10]。该酶活性被抑制后，造成乙酰胆碱的积累，病人就会表现出糖苷生物碱的中毒症状，如虚弱、意识混乱和沮丧等。茄碱和卡茄碱都是潜在的乙酰胆碱酯酶活性的抑制物。糖苷生物碱的另一种主要生物作用是它能裂解含固醇的膜[11]。这种作用能够随着糖苷生物碱的吸收和运输损害消化道及其它组织或器官，如血液、肝脏等。在此作用中，卡茄碱在许多组织和膜系统中活性更强。由于在不同系统中茄碱和卡茄碱作用效果不同，因此摄入的糖苷生物碱最终结果还取决于它们主要在人体内哪个系统作用。由于用人体进行毒性试验较为困难，因此到目前这一点尚不清楚。同时，茄碱和卡茄碱在破裂膜的过程中有相互协同作用[12]，导致糖苷生物碱总体毒性明显增强。

3 糖苷生物碱在马铃薯植株中的含量和分布

糖苷生物碱存在于大多数马铃薯组织中，包括果实、叶、茎、花、块茎，块茎的芽眼、皮层和芽以及离体培养组织中[6]。糖苷生物碱的主要成分α-茄碱和α-卡茄碱的比例取决于品种类型或马铃薯解剖部位，一般比例为1 ∶2 到1 ∶7，大多数发现于花、叶和芽中[13]。不同马铃薯品种中糖苷生物碱含量不同[14]。块茎和叶片中生物碱水平表现相关，但目前的常规育种方法还不能做到既维持或提高叶片中的生物碱水平（从而更有效地抵制病虫害的侵袭），同时又减少块茎中生物碱水平以降低毒性。目前已开始采用基因工程方法，但实验研究到实际应用还需探索很长时间。

不同器官以及不同品种和植株的相同器官中含量也不同。在正常成熟马铃薯块茎中糖苷生物碱平均含量为3 mg/100 g～10 mg/100 g，且主要集中于块茎1.5 mm 的皮层，特别是芽眼附近和损伤的部位。马铃薯皮占块茎重量的2%～3%，但总生物碱含量为30 mg/100 g～60 mg/100 g[15]。一般小块茎中含量比大块茎中多[14]，合成总糖苷生物碱多的品种，无论环境条件如何，都表现出这个倾向，且与合成总糖苷生物碱少的品种相比，更易在胁迫条件下累积更多的糖苷生物碱。

4 糖苷生物碱含量的影响因素

4.1 光照

马铃薯在收获运输、加工销售过程中难免受到光照影响。自然光是由包含紫外线和红外线的很广的辐射光谱组成，2 种光谱都是糖苷生物碱合成的潜在诱导物。不同品种马铃薯暴露于日光下，随时间的延长块茎内糖苷生物碱含量都会增加[16]。研究表明，光照使α-卡茄碱和α-茄碱的比率下降，表明日光对提高α-茄碱的合成更有效。而α-卡茄碱的毒性是α-茄碱毒性的10 倍左右，就马铃薯毒性而言，α-卡茄碱的作用更重要，且二者之间存在协同作用[17]。因此二者的相对比率对毒性影响要比生物碱总含量的绝对值的影响更大。

同时，在光照下马铃薯块茎逐渐变绿，这涉及块茎外层淀粉体向叶绿体的转化过程。虽然叶绿体对人体无害，但光下绿色马铃薯块茎内糖苷生物碱含量的增加使其不适于人类食用[18]。Percival[1]试验表明，随光照时间延长，块茎内糖苷生物碱和叶绿素含量不断增加，光照改变了α-卡茄碱和α-茄碱的比率，但对叶绿素a 和叶绿素b 的比率影响不显著，糖苷生物碱和叶绿素含量的累积关系密切。但Edwards 等[19]认为叶绿素和生物碱生物合成之间没有直接的联系，因为光照期间叶绿素合成抑制剂4-amino-5-fluoro-pentanoic acid（AFPA）能抑制叶绿素的合成，但对糖苷生物碱的积累却没有显著的影响。

4.2 收获时期和加工处理

马铃薯糖苷生物碱在块茎生长和成熟过程中逐渐减少，且不同品种之间减少速度存在一定差异[20]。早熟品种提前收获，糖苷生物碱含量最高，而中晚熟品种适期或延期收获，糖苷生物碱含量将大大降低。在100 g 未成熟块茎中，约含2.8 mg～3.8 mg α-茄碱和6.6 mg～8.4 mg α-卡茄碱，而在成熟块茎中，则约含0.4 mg～1.0 mg α-茄碱和1.1 mg～3.0 mg α-卡茄碱[21]。

虽然糖苷生物碱不易被高温烘烤、干燥和煎炸等加工处理破坏，但马铃薯块茎中糖苷生物碱主要集中于块茎1.5 mm 的皮层，因此去皮可以显著降低糖苷生物碱含量。Peksa 等[14]研究表明，不论马铃薯块茎在剥皮前生物碱含量是多少，剥皮后块茎中α-茄碱和α-卡茄碱含量都下降，均保持在较低水平，且品种间差异不显著。另据分析，在蒸汽中蒸熟块茎，其含量减少65%，在水中煮熟块茎，其含量可减少80%[3]。

4.3 贮藏温度

贮藏温度是影响马铃薯块茎糖苷生物碱含量的重要因素。不同贮藏温度下，块茎糖苷生物碱含量会发生大幅度的波动，故难以对温度的影响下一个定论。Percival 等[22]试验表明，块茎贮藏在24 ℃比在5 ℃贮藏下积累更多的总糖苷生物碱。通常，高温会使块茎更早度过休眠期而增强代谢活动，而在植株生长活跃部分（如芽分生组织部分）则往往含有更多的糖苷生物碱，这可能用来解释高温下总糖苷生物碱含量增加的原因。然而这与Linnemann 等[23]的结论相反。他们将块茎在7、16、28 ℃下贮藏一定时间后，总糖苷生物碱含量均比初始值有所下降。这可能与不同品种类型有关。

此外，块茎中糖苷生物碱的合成可以被一些生理胁迫诱导，如物理损害或微生物侵害等。这些对块茎的影响也适用于带皮的马铃薯制品，它们含有较高的基础糖苷生物碱水平，因此对人类健康造成潜在的威胁。

5 结论与展望

马铃薯作为人类长期主要食物来源之一，应尽可能地减少马铃薯块茎和加工产品中糖苷生物碱的含量。尽管通过育种手段，使马铃薯块茎中的糖苷生物碱含量在逐步降低，但突破性的进展很少，而对糖苷生物碱在人体内毒性残留的效果目前尚没有定论。因此，今后在糖苷生物碱之间及其与其它食品成分之间毒性增强的协同作用程度大小；低糖苷生物碱马铃薯新品种培育及其配套的栽培管理措施；糖苷生物碱在人或动物体内的累积和代谢机理等诸多方面还需作进一步深入研究。

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