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紫花苜蓿化学成分及其生物活性研究进展

2018-07-02刘学贵黄明远吕梦超孙羽俅高品一李丹琦

食品工业科技 2018年11期
关键词:皂苷元香豆素三萜

刘学贵,黄明远,吕梦超,孙羽俅,卞 珺,高品一,*,李丹琦

(1.沈阳化工大学制药与生物工程学院,辽宁沈阳 110142; 2.沈阳化工大学功能分子研究所,辽宁沈阳 110142)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)为豆科(Leguminosae)蝶形花亚科(Papilionoideae)车轴草族(Trib. Trifolieae)苜蓿属(MedicagoL.)植物,是当今世界分布最广、应用最多的栽培牧草之一[1],被誉为“牧草之王”。紫花苜蓿的营养价值很高,富含蛋白质、维生素和各种矿物质,是迄今发现对人体健康营养最全面的植物之一[2-3]。紫花苜蓿原产于西域各国,始从大宛传入,中国历代本草均有记载,在我国有两千多年的栽培历史[4]。《本草纲目》中记载:“长安中乃有苜蓿园,北人甚重之,江南不甚食之”[5]。《名医别录》将其列为菜部上品,称其“味苦、平,无毒,主安中,利人”,具有清热解毒、凉血通淋、益气健脾温肾的功效[6]。近年来,越来越多研究者认识到其在农牧业、食品保健和医药领域蕴藏的重要价值,逐步开始对紫花苜蓿进行深入研究[7]。本文对紫花苜蓿化学成分及其生物活性作用的研究进展做了较为系统地概述,为高效充分的利用紫花苜蓿资源和开发出新型高附加值产品提供了依据。

1 紫花苜蓿化学成分研究

紫花苜蓿的茎叶、种子和根等部位富含多种化学成分[1],主要包括三萜皂苷类、黄酮类、香豆素和生物碱等。国内外学者对紫花苜蓿化学成分的研究报道较多,本文总结归纳如下。

1.1 三萜皂苷类化学成分

三萜皂苷多为白色无定型粉末,易溶于甲醇等有机溶剂,与水混合易产生泡沫。据文献报道[8-9],紫花苜蓿中含有大量三萜皂苷类化学成分,已知发现的均为齐墩果烷(oleananc)型五环三萜,其3位均为β构型的羟基或苷化,28位多连接羧基并常苷化。苜蓿属三萜皂苷多为醇苷,少数为酯苷,也的皂苷中既有醇苷键,又有酯苷键。有研究表明,紫花苜蓿叶和根中的皂苷生物合成途径有所区别。紫花苜蓿叶的溶血性皂苷生物合成途径中,β-amyrin合成酶的表达与基因表达相关。然而,在根中溶血性皂苷和非溶血性皂苷生物合成过程中,β-amyrin合成酶的表达与基因表达相关[10]。

紫花苜蓿中含有的皂苷成分存在于植物的各个部位(根、茎、叶、种子),尤其根部含量最为丰富[10]。到目前为止从紫花苜蓿中分离得到皂苷有60多种[10-14],分离得到的化合物结构骨架分别为:苜蓿酸型(medicagenic acid)、常春藤皂苷元型(hederagenin)、贝萼皂苷元型(bayogenin)、大豆皂苷元型(soyasapogenol)、zanhic acid型。组成三萜皂苷的糖有葡萄糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖、鼠李糖、葡萄糖醛酸、芹糖。这些糖多为吡喃糖,也有呋喃糖。另外根据皂苷分子中糖链的多少,可分为单糖链皂苷(monodesmosidic saponins)、双糖链皂苷(bisdesmosidic saponins)和三糖链皂苷(tridesmosidic saponins)[10]。具体类型及化学结构如图1所示:

图1 紫花苜蓿三萜皂苷类化学成分母核Fig.1 Triterpenoids from roots of Medicago sativa L.

1.1.1 苜蓿酸型三萜皂苷 在植物界三萜皂苷及其衍生物母核大多由30个碳原子组成,三萜皂苷母核又以四环三萜和五环三萜为主,而目前分离得到的紫花苜蓿皂苷类化学成分母核都为齐墩果烷型[10]。其中,苜蓿酸型三萜皂苷含量较其它几类母核含量略高,而且根部的皂苷含量远大于紫花苜蓿茎叶部分的皂苷含量[10]。苜蓿酸型三萜皂苷结构如表1所示:

表1 紫花苜蓿苜蓿酸型三萜皂苷Table 1 Medicagenic acid saponins isolated from Medicago sativa L.

续表

1.1.2 常春藤皂苷元型三萜皂苷 常春藤皂苷元型三萜皂苷与苜蓿酸型三萜皂苷主要区别在于其28位连有-COOH基团,而苜蓿酸型三萜皂苷28位一般多连有糖链基团[10]。在苜蓿根总皂苷中,常春藤皂苷元型三萜皂苷含量占比18%仅次于苜蓿酸型皂苷含量占比68%,同时常春藤皂苷元型三萜皂苷在根中的含量高于在茎叶中的含量1%[10]。有研究表明,皂苷的溶血作用与其结构类型有一定的相关性,常春藤型皂苷与苜蓿酸型皂苷比其它种类皂苷有较强的溶血作用[11]。常春藤皂苷元型三萜皂苷结构如表2所示。

表2 紫花苜蓿常春藤皂苷元型三萜皂苷Table 2 Hederagenin acid saponins isolated from Medicago sativa L.

1.1.3 贝萼皂苷元型三萜皂苷 贝萼皂苷元型三萜皂苷母核与常春藤皂苷元型三萜皂苷母核类似,二者最大的不同在于贝萼皂苷元型三萜皂苷母核2位多连有羟基[10,12]。贝萼皂苷元型三萜皂苷结构如表3所示。

表3 紫花苜蓿贝萼皂苷元型三萜皂苷Table 3 Bayogenin saponins isolated from Medicago sativa L.

1.1.4 大豆皂苷元型三萜皂苷 紫花苜蓿地上部分和根部提取的皂苷水解产物中含有大豆皂苷元型三萜皂苷,与其他皂苷元母核的区别一般在于21位,22位易连有取代基[10-12]。有研究表明,大豆皂苷元型三萜皂苷因其24位没有羟基取代,所以并没有溶血作用,这一特点也是此类型皂苷与其他类型皂苷最大的区别之一[10-11]。大豆皂苷元型三萜皂苷结构如表4所示。

表4 紫花苜蓿大豆皂苷元型三萜皂苷Table 4 Soyasapogenol saponins isolated from Medicago sativa L.

1.1.5 Zanhic acid型三萜皂苷 Zanhic acid型三萜皂苷在地上部分含量较高,含量高达25%,而根部含量较低,仅仅占根部总皂苷含量的1%[10]。Zanhic acid型皂苷与其他种类皂苷最大的区别在于16位连有羟基,Zanhic acid型三萜皂苷结构如表5所示。

表5 紫花苜蓿Zanhic acid型三萜皂苷Table 5 Zanhic acid saponins isolated from Medicago sativa L.

1.2 黄酮类化学成分

黄酮类化合物是一类天然具有抗氧化活性的化合物,广泛存在于植物体内。到目前为止,从紫花苜蓿中分离得到的黄酮类化学成分将近50余种,这些物质具有抗氧化,延缓衰老、提高机体免疫力、调节心血管功能、协同雌激素作用以及抗癌功效。紫花苜蓿黄酮母核可分为黄酮及其苷类、异黄酮类、异黄烷及其苷类、查耳酮类、二氢黄酮类等[10]。

1.2.1 黄酮及其苷类 据报道,紫花中黄酮类成分的基本母核多为芹菜素、木犀草素、金圣草黄素、小麦黄素、苜蓿素,其糖基部分以葡萄糖或葡萄糖醛酸为主[10]。部分结构如表6所示。

表6 紫花苜蓿黄酮及其苷类化学成分Table 6 Flavones isolated from Medicago sativa L.

1.2.2 异黄酮及其苷类 有文献报道,紫花苜蓿异黄酮类可以通过调节体液免疫和增强非特异性免疫来提高T细胞、NK细胞和K细胞的免疫机能以改善机体免疫功能[18],部分结构如表7所示。

表7 紫花苜蓿异黄酮及其苷类化学成分Table 7 Isoflavones isolated from Medicago sativa L.

1.2.3 二氢黄酮及其苷类 有文献报道,应用联合逆流色谱法和液相色谱的一种新颖制备分离技术从紫花苜蓿中制备出具有抗氧化活性的二氢黄酮类化合物[19],结构如表8所示。

图2 紫花苜蓿黄酮类化学成分母核Fig.2 Flavonoids isolated from Medicago sativa L.

表8 紫花苜蓿二氢黄酮及其苷类化学成分Table 8 Flavonone isolated from Medicago sativa L.

1.2.4 异黄烷类 目前,文献报道从紫花苜蓿中分离得到的异黄烷类有三个[20],部分结构如表9所示。

表9 紫花苜蓿异黄烷及其苷类化学成分Table 9 Isoflavans isolated from Medicago sativa L.

1.2.5 美迪紫檀素及其苷类 文献报道[14]从紫花苜蓿中分离得到的化合物有:美迪紫檀素(medicarpin)、4-methoxymedicarpin、methylnissolin(10-methoxymedicarpin)、美迪紫檀素-3-O-β-D-葡萄糖苷、美迪紫檀素-3-O-glucoside-6′-O-malonate等,部分结构如表10所示。

表10 美迪紫檀素及其苷类化学成分Table 10 Medicarpin isolated from Medicago sativa L.

1.2.6 查尔酮类 有文献报道从紫花苜蓿地上部分分离得到大量具有降血脂以及抗血管生成活性的黄酮类化学成分[23],部分化合物结构如图3所示。

图3 紫花苜蓿查尔酮类化学成分Fig.3 Chalcones isolated from Medicago sativa L.

1.3 香豆素类化学成分

香豆素化学名称:2H-1-benzopyran-2-one,即苯并α-吡喃酮,或1,2-苯并α-吡喃酮。香豆素可看作是邻羟基肉桂酸的内酯,具芳香气味。母核上取代基及其位置的不同,将香豆素分为简单香豆素、呋喃香豆素、吡喃香豆素等[24]。其中,coumestans型结构母核如图4所示。

图4 紫花苜蓿香豆素类化学成分Fig.4 Coumestans isolated from Medicago sativa L.

从紫花苜蓿中分离得到的香豆素类成分母核均为coumestan型结构[25-26],结构如表11所示。

表11 香豆素类化学成分Table 11 Coumestans isolated from Medicago sativa L.

1.4 生物碱类化学成分

生物碱,又名植物碱,是一类含氮的有机碱性化合物。生物碱多数结构复杂,有含氮杂环,只有少数生物碱为结构简单的胺类化合物。大部分生物碱能与有机酸结合以盐的形式存在,但极少数生物碱则以酰胺和糖苷以及有机酸酯的形式存在[27]。紫花苜蓿中的生物碱大多数为氨基酸类衍生物,具有吲哚环、吡啶环和吡咯环的结构[28],结构如图5所示。

图5 紫花苜蓿生物碱类化学成分Fig.5 Alkaloids isolated from Medicago sativa L.

1.5 其它化学成分

苜蓿中还存在着大量的其他营养成分如苜蓿多糖。另外,苜蓿叶蛋白营养成分丰富,包含多种人类必须氨基酸[29]。含有的挥发油类成分主要是醇酚类、烯烃、烷烃和醛酮类[2]。除此之外,苜蓿中含有多种天然素,包括叶绿素、叶黄素、胡萝卜素和类胡萝卜素等[2]。近年来,人们对苜蓿高附加值产品开始进行深入研究与开发[30],以苜蓿为主要原料和辅料的功能性食品逐步被大家所认可。

2 紫花苜蓿生物活性研究进展

在阿拉伯及西方国家,紫花苜蓿被称为“植物之父”、“生命之草”。我国民间常有“用饲牛草,嫩时人兼食之”之说。现代医学研究发现紫花苜蓿中的化学成分具有抗菌、杀虫、抗氧化、减少动脉硬化、预防心血管病、提高免疫力和抗癌等功效[10],对病体有极好的康复效果[29]。

2.1 抗菌、杀虫作用

2.2 抗氧化作用

2.3 降血脂、抗动脉粥样硬化的作用

脂质代谢是动物机体重要活动之一。研究报道,动物饲粮中添加苜蓿草粉能调控机体的脂质代谢。紫花苜蓿总皂苷能将小鼠血清TCH、TG、LDL-C含量显著降低,HDL-C含量有所增高,低剂量组血脂变化不明显[44]。Pietrzak等[45]发现苜蓿提取物能显著改善血脂参数;总胆固醇水平降低和低密度脂蛋白降低。王先科等[46]研究发现降低机体内胆固醇含量的原因可能与下调肝脏ACAT-2的表达,同时降低体内对外源胆固醇的吸收有关。紫花苜蓿皂苷对机体内的脂质平衡有一定作用,能起到明显的预防和治疗作用。有研究者通过实验初步探究皂苷对大鼠胆固醇代谢的作用机制[47],其实验设计将SD大鼠随机分成4组:正常对照组、皂苷组、高脂模型组和高脂皂苷组,分别饲喂给药,实验周期为四周,进行血液和组织样本的采集,测定血清脂类相关指标;第四周末,与正常对照组相比较,皂苷组显著降低高血脂大鼠体重、肝脏系数,可以降低血清中总胆固醇含量,以上实验结果说明皂苷可以调节机体内胆固醇分布。

2.4 增强免疫力作用

有报道显示饲料中添加苜蓿成分对机体的免疫性能存在影响。在动物日粮中,添加一定比例的苜蓿会影响动物的生产性能[48],有促进仔猪的免疫调节、加强仔猪抗病能力的作用;通过观察在饲料中添加苜蓿对生长猪的消化能、代谢能及氨基酸标准回肠消化率的影响情况,可为开发利用具有潜在药用价值的紫花苜蓿食品添加剂,提供前期实验基础[49]。现有实验结果表明,在饲粮中添加一定量的苜蓿皂苷有利于降低血清、肝脏和肌肉中的胆固醇含量,调节仔猪的血脂代谢,并能提高仔猪的抗氧化性能和免疫机能,但其主要的物质基础和生物活性机制尚不明确[50]。

2.5 抗肿瘤作用

目前,癌症和肿瘤是威胁人类健康的一个主要因素。近些年来,对紫花苜蓿抗肿瘤作用的研究进一步深入。有研究证明紫花苜蓿可以提高机体的免疫调节、诱导肿瘤细胞死亡和逆转肿瘤细胞多药耐药性,其中起到主要作用的成分为黄酮类化合物和三萜皂苷类化合物[51-52]。左晓昕[53]等在对紫花苜蓿黄酮化合物抗肿瘤活性研究中发现,苜蓿黄酮可以使人胃癌细胞MGC-803凋亡,抑制细胞增殖,生长抑制率增高,同时苜蓿的皂苷与皂苷元具有的防癌抗癌功效也得到了证实。Paparella等[54]初步筛选出紫花苜蓿7种皂苷和3种苷元进行不同肿瘤细胞毒活性测试,为了进一步研究它们的构效关系,首次利用透射电子显微镜(TEM)分析皂苷对植物细胞壁完整性的影响;而且通过紫花苜蓿叶中提取物在几种敏感和多药耐药性肿瘤细胞系上评估其细胞毒作用。在近期的这项研究中,Gatouillat等[55]通过对紫花苜蓿甲苯提取物的分离,得到3种三萜类化合物和5种黄酮类化合物,其中(-)-美迪紫檀素,(-)-melilotocarpan E,millepurpan,麦黄酮和甲氧基木犀草素在P388以及P388/DOX细胞中显示明显的细胞毒作用。紫花苜蓿在体外有明显的抗肿瘤作用,在预防和治疗癌症方面均有很好的功效,采用日常饮食的方式,也能起到一定的抗癌保健效果。

3 展望

我国紫花苜蓿资源极其丰富,价格低廉,研究开发具有极为广阔的前景。在一些食品中已经得到广泛的应用,在一些保健品和药品的开发上也成为一些学者研究的热点,如苜蓿挂面、苜蓿灌肠、苜蓿罐头制品在市面上经常出现。除此之外,苜蓿饮料和苜蓿茶也早已上市销售被大家认可[56]。随着各化学成分被陆续鉴定出来,研究的重点和难点应依据不同药理活性进行相关功能性食品的研发。苜蓿开发具有巨大潜在价值,尚需要优化加工工艺,保证有效成分不被破坏,更全面更清晰的结合新型药理活性,形成系列功能食品,将产品生产多元化,实现对苜蓿资源的深层次开发。

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