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葛的功能营养特性与开发应用现状

2016-12-29

食品与机械 2016年11期
关键词:粉葛葛根素异黄酮

梁 洁

李 琳2

唐汉军1,2,3

(1. 中南大学隆平分院,湖南 长沙 410125;2. 湖南省农业科学院作物淀粉化学与代谢组学创新团队,湖南 长沙 410125;3. 湖南省农业科学院农产品加工研究所,湖南 长沙 410125)



葛的功能营养特性与开发应用现状

梁 洁1

李 琳2

唐汉军1,2,3

(1. 中南大学隆平分院,湖南 长沙 410125;2. 湖南省农业科学院作物淀粉化学与代谢组学创新团队,湖南 长沙 410125;3. 湖南省农业科学院农产品加工研究所,湖南 长沙 410125)

文章概述了近30年来国内外葛属植物功能营养特性及其在食品领域开发应用的主要成果,对旱粮作物资源开发利用过程中存在的问题进行分析,为葛的进一步高效开发,提升其科技与产业发展水平提供参考建议。

葛属植物;功能成分;生理功能;营养成分;安全性;开发应用

葛是一种多年生豆科藤本药食两用植物,主要分布在热带和温带地区,在中国、日本、美国(19世纪从日本引进)、澳大利亚、马来西亚、印度、泰国等国均有分布,在中国的华南、华东、华中、西南、华北、东北等地区广泛分布,已有35种被确认[1]221-229[2]。葛在中国有悠久的药用历史,最早记载于《神农本草经》[3-4]。葛根和葛花供药用,列为药品中的中品,历代本草也均有记载。葛根的传统功效主要为清热解肌、生津止渴、醒脾解酒、透疹和升阳止泻等,而现代葛根利用则跨越了传统清热解表的功效。近年,随着国内外对葛属植物功能营养成分及食品开发研究的不断深入,表明其在医药、食品、工业中有广泛的应用价值和开发潜力,受到世界各国关注。目前葛属植物的根是主要利用部位,中国野生及栽培总面积初步统计有40 hm2以上,葛根年产量150万t以上[5],不论作为药材应用,还是作为食品应用,生产和销售量均居世界第一位。本研究概述近30年来中国葛属植物功能营养特性及其在食品领域开发应用的主要成果,对作为旱粮作物资源开发利用过程中存在的问题进行分析,旨在为葛属植物的进一步高效开发,提升科技与产业发展水平提供参考。

1 中国葛属植物资源与分布

中国是葛属植物的种质资源中心,约有9个种,2个变种[3-6],分为野葛、粉葛(变种)、食用葛、苦葛、峨眉葛、越南葛、三裂叶葛、黄毛萼葛、密花葛、葛麻姆(变种)等[7-11]。野葛和粉葛是中国开发利用最广泛的种类,其次是苦葛与食用葛。野葛在中国分布最广,粉葛次之,是中国葛粉和中药材的主要来源。目前,粉葛是主要栽培种类,且规模化栽培年年扩大,其他种类只是个别地方开发利用,产品少、产量低,有的种类尚未被利用。中国葛属植物的种类、分布情况、资源情况和利用状况见表1。

2 葛属植物的主要功能营养成分

葛属植物主要功能成分有异黄酮类、芳香类、三萜类、氯化胆碱、二氯化乙酰胆碱、长塞因、D-甘露醇、L-(+)-乳酸镁、谷甾醇、胡萝卜苷、6,7-二甲氧基香豆素、5-甲基海因、胆碱和乙酰胆碱等[14],其中以异黄酮类化合物应用最多。葛属植物主要营养成分是淀粉、膳食纤维素、蛋白质和脂肪等[15],其应用最广泛的是葛根淀粉。

2.1 异黄酮类化合物

2.1.1 异黄酮的种类与分子结构 葛植物的主要功能成分是异黄酮类化合物,葛根素、羟基葛根素、甲氧基葛根素是葛植物所特有的异黄酮类化合物,目前已发现和确定的种类有33种,葛植物中主要异黄酮类化合物的骨架结构见图1,种类见表2。葛植物的根、茎、叶、花、籽实等器官中都有异黄酮类化合物分布。

表1 中国葛属资源的种类与分布Table 1 Species and distributions of pueraria in China

† -表示信息不详。

2.1.2 葛根异黄酮的组成与含量 葛根素是葛属植物特有的异黄酮化合物,且是葛根异黄酮中含量最高的化合物。目前,中国、日本等国将葛根素、大豆苷与大豆苷元的含量与组成比作为葛根品质的评价指标。不同种类、产地、生长年限的葛根异黄酮含量差异显著,表3列出了中国不同产地葛根的主要异黄酮类化合物含量。但总体上看,一般野葛根中异黄酮含量远高于其它品种,葛根素含量最高达6.021%,大豆苷达1.084%,大豆苷元达0.391%。

2.1.3 葛异黄酮的主要生理功能研究

(1) 抗氧化作用:张光成等[30]研究表明,葛根异黄酮对降低脑水肿动物血、脑组织中的LPO含量有明显作用,而且对脑水肿动物血、脑组织中SOD活性有极显著的作用。Guerra M C等[31]通过辣根过氧化物酶化学发光分析技术,体外评估葛根素和葛根提取物的抗氧化活性的研究显示,葛根提取物含有高的抗氧化活性物质且葛根素和葛根提取物能妨碍细胞色素P450催化的药物代谢过程。Jun M等[32]对葛根提取物中的葛根素、大豆苷、大豆苷元、鹰嘴豆芽素A和染料木苷5种化合物进行DPPH自由基清除试验、硫氰酸亚油酸模型试验和脂氧化酶抑制试验。结果显示,这5种化合物是自由基清除剂,能抑制亚油酸过氧化反应和脂氧化酶活性。在当鹰嘴豆芽素A浓度为14.218 mg/L时,对HL-29癌症细胞产生的花生四烯酸表现出70%的抑制力。

图1 异黄酮类化合物的骨架结构Figure 1 Framework structure of isoflavones

(2) 护肝作用:Li R等[33]对慢性酒精性肝损伤大鼠进行葛根素护肝药试验,发现葛根素能够保护肝细胞。治疗组大鼠血清中丙氨酸转氨酶、天冬氨酸转氨酶、碱性磷酸酶和促炎症细胞因子水平显著降低,而白蛋白水平增加,同时,解剖治疗组大鼠肝脏发现肝内的乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶含量升高,表明葛根素在一定程度上能够治疗酒精性肝病。病理学检查结果[34]显示葛根素护肝药治疗对的酒精造成的肝细胞损伤有所减轻。赵鹏等[35]的研究显示,葛根黄酮具有提高酒精性肝损伤的大鼠肝组织中GSH含量的作用,还具有降低酒精性损伤的大鼠的肝组织甘油三脂(TG)含量的作用,表明葛根黄酮对酒精性肝损伤具有保护作用。

葛根提取物中的大豆苷和大豆苷元这两种异黄酮有助于治疗酒精依赖症[36-37]。葛植物的花中提取的鸢尾苷可以调制干扰PPAR-α通道和改善线粒体功能,来治疗酒精诱导的肝硬化[38]。

(3) 防治骨质疏松作用:葛植物中的葛根素、大豆苷和大豆苷元等功能成分,有助于延缓骨密度的下降,可提高骨组织内的硬度,改善骨质量,预防腰椎压缩性骨折,有助于降低骨折风险和绝经后骨质疏松的发生。Tanaka T等[39]通过用葛根醇提物对鼠进行连续喂养8周[20 mg/(kg·d)]试验发现,葛根提取物可以使鼠的股骨骨密度增加,可用于预防或延缓骨质疏松症;并通过去卵巢大鼠模型给予葛根素,观察骨质疏松大鼠骨密度、骨生物力学指标和血脂的变化。发现经葛根素治疗7周后,大鼠腰椎弹性模量呈剂量依赖性增加,明显高于去卵巢组大鼠;葛根素治疗组大鼠腰椎和股骨的最大应力提高,股骨最大承载力呈剂量依赖性增加。

表2 主要异黄酮类化合物及结构Table 2 Structure of the main isoflavones

(4) 降血糖血脂作用:葛根素可以通过减少肾脏中糖基化终产物的含量和抑制特定细胞受体信使RNA的表达来保护肾组织免于高血糖和糖基化终产物的损伤[40]。Peng N等[41]研究了葛根提取物对易感型自发性高血压大鼠血压、血糖和胆固醇循环的长期影响。发现长期补充葛根提取物可以改善血糖、血脂,有助于维持血压正常。

陶树高等[42]通过动物试验,研究了葛根素对代谢综合征-2型糖尿(MS-T2DM)大鼠的胰岛素敏感性及血糖、血脂和氧化应激的影响。用腹腔注射小剂量链脲霉素25~30 mg/(kg·d),并加饲高热量饮食(富含脂肪和蔗糖)42 d,造成糖耐量减退、胰岛素抵抗(IR)的MS-T2DM大鼠模型;葛根素0.30,0.15 g/kg或二甲双胍0.25 g/kg灌胃给药,每日1次,给药28 d,发现葛根素能显著降低胰岛素和胰岛素抵抗指数,提高胰岛素敏感指数,降低总胆固醇,低密度脂蛋白胆固醇和高密度脂蛋白胆固醇,增强清除自由基能力,改善糖脂代谢紊乱。葛根素能对MS-T2DM大鼠产生二甲双胍样的改善高胰岛素血症、提高胰岛素敏感性以及降糖和调节血脂等效应。

表3 葛根主要异黄酮的含量(干基)Table 3 Content of the main isoflavones in the root of kudzu vine

† -表示信息不详;因各研究报告的提取方法和测量方法不同,生长年限不详,数据仅供参考。

(5) 护脑作用:Chang Y等[43]研究了葛根素对大鼠大脑动脉阻塞导致的脑梗塞中的神经保护机制。用葛根素对脑梗塞大鼠(20,50 mg/kg)进行治疗,用50 mg/kg的葛根素治疗后,心肌梗死面积明显缩小,抑制了缺氧诱导因子-1α、胱天蛋白酶-3活性蛋白、诱导型一氧化氮合酶和mRNA的表达。说明葛根素对大脑动脉阻塞引起的脑缺血有神经保护作用,可以改善缺血再灌注脑损伤。葛根素可以改善氧气/葡萄糖匮乏引起的海马神经元死亡[44],抑制谷氨酸递质、细胞内Ca2+升高和神经细胞NO的合成;对创伤性脑损伤神经细胞具有保护作用[45],且呈剂量依赖性,其机制可能与葛根素抗细胞凋亡,增加Bcl-2的表达有关;对Glu、NMDA或KA损伤的神经细胞有保护作用[46]。

2.2 淀粉

淀粉是葛根的主要营养成分,因种类、产地,其含量差异显著。葛根淀粉是广泛作为食品利用的功能性高端原料,一般野葛的淀粉品质最佳,价格最高,但出粉率较粉葛低,目前市场流通的主要野葛产地与粉葛根的淀粉含量见表4。

表4 中国不同产地野葛与粉葛根的淀粉含量

Table 4 Content of starch in the root of Pueraria lobata (Willd. ) Ohwi and Pueraria thomsonii Benth from different habitats in China

种类/品种名产地淀粉含量(干基)/%矮寨野葛[27]湖南矮寨37.87永顺野葛[27]湖南永顺山区37.31洪江野葛[27]湖南怀化安江镇32.24青川野葛[27]四川广元青川37.46赣葛81-3(粉葛)[47]四川省泸县福集镇玉蟾山66.43九顶大粉葛[47]四川省泸县福集镇玉蟾山56.78地金1号(粉葛)[47]四川省泸县福集镇玉蟾山51.72合川大粉葛[47]四川省泸县福集镇玉蟾山57.19葛博士11号(粉葛)[47]四川省泸县福集镇玉蟾山58.54宋氏粉葛[47]四川省泸县福集镇玉蟾山56.64仙女葛王(粉葛)[47]四川省泸县福集镇玉蟾山47.55合川苕葛[47]四川省泸县福集镇玉蟾山55.19细叶粉葛[47]四川省泸县福集镇玉蟾山60.54野生粉葛[48]-53.32栽培粉葛[48]-50.36合川大粉葛[49]合川高龙镇基地35.96葛博士[49]合川草街镇38.27合川大粉葛[49]合川合阳办事处33.16合川大粉葛[49]合川钱塘镇44.46苕葛、合川大粉葛[49]合川铜溪镇37.59苕葛、合川大粉葛[49]合川土场镇47.14苕葛[49]合川张桥镇30.51葛博士[49]合川双凤镇31.37粉葛[49]江津西湖罗来村36.82粉葛[49]秀山梅江24.38

† -表示信息不详。

葛根淀粉提取的一般工艺流程是:葛根→清洗→打浆→漂洗→筛分→除杂→漂洗→脱水→干燥→淀粉产品。目前小型葛根淀粉提取生产线工程设备比较成熟,但葛根的各种功能与营养成分同步提取的生产工艺还处于研究试验阶段。葛根淀粉平均粒度为9.90~24.08 μm[50-51],葛根淀粉偏光十字接近颗粒中心但偏光十字不明显[51],结晶结构为C型[51],结晶度为18.0%~19.3%[50-51],直链淀粉含量为22.2%~22.9%[52],起始糊化温度范围57.5~78.9 ℃,终止糊化温度范围73.0~88.6 ℃[50,52],凝胶强度较玉米淀粉强[53-54]。葛根淀粉对酸碱较玉米、甘薯淀粉稳定,葛根淀粉对α-淀粉酶的作用极为敏感,容易被淀粉酶等消解[51,53]。但关于淀粉的组成和分子结构等深入研究的报告还很少。

3 葛植物的安全性评价

近年国内外研究者对主要器官根、多年生藤、花的提取物开展了一系列的毒理学试验。Bebrevska L等[55]通过动物试验评价了葛根的抗氧化活性和毒理学特性,用葛根乙醇提取物对糖尿病大鼠模型进行体内试验,口服给药3周[50 mg/(kg·d)],发现糖尿病大鼠血浆中的丙二醛水平与健康对照组的大鼠相同,并且没有明显的毒性。马建芳等[56]研究了葛根素(布瑞宁)治疗急性脑梗死的治疗作用及其用药的安全性影响,采用随机对照的方法将诊断明确的急性脑梗死病人分为两组,治疗组26例,用布瑞宁500 mg加入生理盐水250 mL中静脉输注,每日1次;对照组30例,用曲克芦丁(维脑路通)400 mg加入生理盐水250 mL中静脉输注。两组均以14 d为1个疗程,应用两个疗程,发现葛根素(布瑞宁)不良反应小,安全性高,可临床推广。

Takano A等[57]通过动物试验评价了葛花的毒理学特性。用葛花热水提取物(PFE),对小白鼠进行急性(PFE 5 g/kg 体重)与亚慢性(0.0%,0.5%,1.5%,5.0%)毒性试验,发现在试验期间,没有观察到不良反应,PFE安全性较高。

李琳等[58]通过动物、微生物试验评价了栽培粉葛藤蔓的毒理学特性。用藤蔓乙醇粗提物(PVEE),对幼年、成年、老年小白鼠进行慢性(PVEE 40 mg/kg体重)与急性(PVEE 4 g/kg体重)毒性试验,并对鼠伤寒沙门氏菌等5种菌株进行致突变性试验(PVEE 312.5~5 000.0 mg/Plate),发现PVEE安全性较高,栽培粉葛藤蔓可以作为一种高品质的食物资源。陈琴等[59]采用常压耐缺氧、低浓度醋酸致小鼠腹腔毛细管通透性增高试验法,初步探讨葛藤抗炎、耐缺氧作用,并对葛藤的安全性进行评价,发现葛藤毒性较小,在抗炎与耐缺氧方面与葛根作用近似。这些研究表明葛植物的根、藤和花毒副作用小,具有较高的安全性,可以作为一种高品质的食物和药物资源。

4 葛植物的综合开发应用

葛根黄酮已成为世界各国认可的保健营养品,葛根全粉和提取物远销美国、英国和澳大利亚,其中葛根中制备的葛粉外销出口价格为3.1万元/t[3]。葛藤中含有大量纤维,可提葛麻,其弹性好、拉力强、耐潮湿耐腐蚀,具有抗菌、消炎等保健功能[60],可加工高档麻织品,作为轻工业原料。已有多种葛根药品被列入国家基本医疗保险药品名单中,被医院作为主要用药。特别是葛根素是各大医院心脑血管治疗用药的前三位首选药物之一。2004年,全球约有0.171亿人死于心血管疾病,预计到2030年,这个数字将显著增加至0.236亿[61]。此外,全球代谢综合征-2型糖尿患者在2010年已达2.85亿,预计2030年将上升至4.38亿[62],葛植物资源可开拓的市场空间不可估量。中国对葛属植物资源的利用主要有以下几方面:中药材;鲜食(根条、根片、幼茎和幼叶等);粗加工食品(葛根口香糖、炸葛根片等);深加工食品(高纯度葛根异黄酮、速溶葛根提取物、菜肴佐料、葛根淀粉及衍生产品等);饲料(葛藤嫩枝和叶);园林绿化和荒山绿化,水土保持;葛藤纤维的织物与造纸等。中国以葛根、葛根提取物或葛粉为原料开发的系列食品与保健食品有:葛根片、葛酒、葛茶、葛饮料、葛口服液、速溶葛粉、果冻、葛面条、葛面包、葛粉丝、葛冰淇淋、葛红肠、葛根莲子、葛根绿豆粉、葛根木瓜胶原粉,以及葛根淀粉基可食性包装膜等。葛植物的综合开发应用详见表5。

表5 葛植物的综合开发应用Table 5 Comprehensive development of pueraria

5 中国葛属植物资源开发应用存在的主要问题

虽然中国的葛植物资源丰富,药用与食用历史悠久,但在现代科学研究与产业开发应用方面起步较晚,存在的主要问题有:① 对于葛资源的开发利用尚处于初级阶段,资源浪费严重;② 产业缺乏强有力的技术支撑,加工设备落后,产品技术含量低,以出售初级产品为主,质量问题多,同质产品相互竞争,经济效益较低;③ 产业模式落后,区域优势不明显,行业信誉度不高,没有形成在国内外有影响力的知名品牌,产业竞争力弱;④ 国家政策的关注度不高,政策缺位,缺乏产业系统规划,导致外资对中国葛产品市场价格形成垄断局面;⑤ 对科研投入严重不足,缺乏相关的科技人才,在种质资源收集整理、功能营养成分分析与鉴定、生理功能与作用机理研究、产品开发的深度与广度等方面与先进国家比较存在较大差距;⑥ 相关研究成果的应用转化率较低。

6 展望

作为旱粮作物的葛植物具有卓越的生理功效活性和营养价值,以及广阔的国内外市场需求,是21世纪必须抢占、开发和利用的重要资源。鉴于中国的现状,必需增加科研投入,吸引更多的优秀人才,致力于葛植物的营养功能特性与加工适应性等基础与应用研究,加速前处理、深加工、副产物多层次综合利用等技术积累和高附加值新产品开发。同时大力开展产后前处理设备、精深加工设备研发,积极开展生产技术、加工技术、质量安全、企业管理、营销策略、市场行情培训,提高产业体系人员整体素质水平,促进产业人才队伍的成长与壮大,为产业提供系统的强有力的技术支撑。

中国葛植物资源种类多、分布广,相关产业主要集中在山区和贫困地域,引导和支持适宜区域实行适度规模生产,推动种植、加工和营销一条龙的现代化产业模式发展,推动葛植物产业成为现代山区农业的支柱产业、扶贫的重要手段。同时,根据市场需求,以资源综合利用为前提,以高质量高附加值产品为着力点,打造高水准的供给侧格局,创建具有国内外影响力的知名品牌,将大力推动产业走出困境、持续健康发展。

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Research and development of functional properties in Pueraria

LIANG Jie1

LILin2

TANGHan-jun1,2,3

(1.LongpingBranchGraduateSchool,CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan410125,China; 2.ResearchTeamofCropStarchChemistryandMetabonomics,HunanAcademyofAgriculturalSciences,Changsha,Hunan410125,China; 3.ProductProcessingInstitute,HunanAcademyofAgriculturalSciences,Changsha,Hunan410125,China)

Summarized the functional properties and application of pueraria in the food industry, and analyzed the exploitation, research and problems of the kudzu as a dry crop resource. It was helpful for high efficiency development and level improvement in technology and industry development of pueraria application.

pueraria; functional components; physiological function; nutrients; security; application

湖南省农业科学院作物淀粉化学与代谢组学创新团队平台建设项目(编号:2014TD06);中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助(编号:2016zzts586)

梁洁,女,中南大学在读硕士研究生。

唐汉军(1964—),男,湖南省农业科学院副研究员。 E-mail:tanghanjun@yeah.net

2016-06-05

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.050

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