美国豆芋的营养成分和生理功能

2018-07-12杨芸芸阎芙洁郑子桓郑晓冬

中国粮油学报 2018年6期

杨芸芸楚强阎芙洁郑子桓郑晓冬

(浙江大学生物系统工程与食品科学学院，杭州 310058)

美国豆芋(ApiosAmericanaMedikus)是一种无性繁殖的多年生豆科土圞儿属作物，其地下块茎中一小部分作无性繁殖用，另外绝大部分作为一种新型的土豆替代食用物，是一种天然的高蛋白、高钙食品。美国豆芋又名美洲土圞儿、大越豆芋、美国豆芋，菜用土圞儿来自罗汉参的同属植物，是一种原产于北美地区药食两用的传统作物[1]。美国豆芋主要集中生长在加拿大安大略至美国佛罗里达州，目前在欧美及日本已广泛种植与应用，其中日本的青森县种植和食用豆芋已有超过100年的历史[2-3]。美国豆芋对高血压、糖尿病和高脂血症等具有明显的改善效果[2, 4]。日本在20世纪80年底成功将美国豆芋开发成为家喻户晓的保健食品，每667 m2产值达25万元人民币。Kiyochika Hoshikawa教授详述了美国豆芋的营养作用，促进了其在日本的种植利用[2, 4-5]。美国豆芋一般作为滋补药物、儿童成长食物，具有很高的食用性和药用价值，是一个具有巨大潜在开发价值的豆科植物，它目前正受到日美学者的密切关注和重视。2009年，安家炜等[6]将美国豆芋成功引种至中国。目前，美国豆芋在浙江省杭州、宁波、温州和金华地区均有栽培和食用。美国豆芋花、叶、块茎分别如图1所示。

图1 美国豆芋花、叶、块茎

20世纪80年代，美国对美国豆芋开展了作为一种潜在的新作物的育种工作。美国豆芋主要生长在溪边、河边或湖边等较潮湿处，地下部分是念珠状的根状茎，椭圆形或卵球形的肉质膨大部分间隔分布在根状茎上，椭圆至扁圆形；花生于较明显的结节上，花冠呈不同的红棕色，为圆锥花序，花瓣从上端至下端颜色由深到浅而至白色，旗瓣为扁圆形。土圞儿属植物具有很高的食用和药用价值[8-11]。我国明代《农政全书》和《本草纲目》记载其叶及块茎均可入药，主治百日咳、咽喉肿痛及外用治毒蛇咬伤等[12]。美国豆芋块茎在北美从印第安土著食用开始已经有几千年的食用史了，也在饥荒期发挥了重要的食用价值[13-15]。

1 美国豆芋的营养成分

美国豆芋是一种食药兼用的健康作物，营养价值很高。成分分析表明，美国豆芋有着丰富的营养成分包括蛋白质、皂苷、多糖、黄酮、钙、铁、维生素C、亚油酸、天门冬氨酸和谷氨酸。美洲豆芋块茎营养价值很高，含有丰富的蛋白质、淀粉、粗纤维、还原糖、多种氨基酸和微量元素[16]。在日本和东南亚，美国豆芋花被制成保健茶。研究发现美国豆芋块茎中的低聚糖主要是葡萄糖和蔗糖，Wilson等[17]研究发现豆芋干粉在脱脂的情况下，豆芋种子和块茎中粗蛋白的质量分数分别为大约25%～30%和11%～14%，其中占主导地位的都是天冬氨酸和谷氨酸，脂肪酸中主要的是亚油酸。美国豆芋金雀异黄酮含量比浙江天目山的土圞儿高[18]。值得注意的是，美国豆芋生食有毒，必须加热破坏热不稳定植物碱。

对新引进栽培的美国豆芋全植株进行了不同部位生化特征成分的研究，为综合利用美国豆芋花、茎、叶和块茎，开发功能性食品和医药中间体提供理论依据。美国豆芋块茎、花、叶、藤中的成分测试结果见表1[19]。

表1 美国豆芋块茎成分/g/100 g[19]

通过对不同部位生化特征成分的检测和分析，美国豆芋不同部位均含有丰富的游离氨基酸、可溶性蛋白、多糖、皂苷、黄酮、异黄酮、VC、VE和矿物质等营养成分。其中，豆芋叶中游离氨基酸、矿物质、VE、总皂苷、总黄酮和异黄酮含量最高；豆芋藤中各种有效成分的含量相对较低；豆芋花中VC含量最高，同时还有含量较高的VE、总皂苷和异黄酮；作为可食部分的豆芋块茎中可溶性蛋白和总糖含量最高，同时还含有较高量的VC、总皂苷和异黄酮。

报道的美国豆芋块茎的成分、活性物质和氨基酸组成见表2所示[20-21]。成分分析结果表明：美国豆芋块茎中脂肪酸以亚油酸为主，氨基酸主要以天冬氨酸、亮氨酸、组氨酸、脯氨酸和精氨酸为主[17]，有效成分主要有皂苷、多糖、黄酮和异黄酮。

表2 美国豆芋块茎中的成分、活性物质和氨基酸组成(100 g)[17]

1.1 皂苷

大豆皂甙被报道有许多生理功能，如提高免疫功能，预防心血管疾病、抗病毒、保护肝脏等作用。美国豆芋叶子中皂苷含量是大豆的16倍，美国豆芋花中皂苷含量是大豆中的10倍。美国豆芋皂甙的报道有弱的血管紧张素转换酶抑制剂的抑制活性，可以降低血压[22]。

1.2 多糖

美国豆芋花中的可溶性多糖质量分数为3.95%，块茎中含13.23%。据报道，多糖有改善免疫功能，抗衰老，降血糖效果[22]。美国豆芋块茎中单聚糖和多聚糖中86%～90%是葡萄糖和蔗糖，美国豆芋花中大部分是葡萄糖和果糖。除此之外，10%～14%是低聚糖，如棉子糖和水苏糖。扫描电镜发现美国豆芋块茎中多糖是鸡蛋形状，大小约10.6 m。

1.3 黄酮

黄酮类化合物是植物的次生代谢产物，有提高免疫功能、抗癌、抗炎、抗氧化等生理功能[23]。美国豆芋叶子中类黄酮含量有5.35%，是大豆中黄酮类化合物的8.6倍。染料木素结构说明：美国豆芋的多酚类物质的主要类型是类黄酮和异黄酮，如图4所示。美国豆芋叶子的类黄酮含量为5.35%，8.6倍大豆黄酮类化合物。黄酮类化合物的植物次生代谢物,据报道有许多生理功能，如免疫功能改善、抗癌、抗炎、抗氧化活性。美国豆芋花的异黄酮含量为59.44 mg/g，大约10倍的大豆。此外，美国豆芋叶子的异黄酮含量大约是20倍的大豆。一般来说，有12种异黄酮，包括3种苷配基(大豆苷、染料木素和黄豆黄素)及其相应的配糖体[24]。

1.4 异黄酮

内源性和外源性异黄酮有多种药理作用，如抗增殖[25-27]、抗氧化[28]、降血压[29-31]、抗炎[32]等作用。美国豆芋花中异黄酮的含量是59.44 mg/g，是大豆中的10倍，叶子黄酮的含量是大豆的20倍左右。美国豆芋中含有丰富的异黄酮，能降低前列腺癌和乳腺癌的发病率[25]。美国豆芋块茎中发现了一种新型异黄酮，染料木黄酮7-O-龙胆二碱，可以由β-葡糖苷酶降解产生染料木素，这类似于大豆异黄酮[34]。所以美国豆芋是食物源异黄酮的一种来源[25]。

2 美国豆芋的生理功能

美国豆芋是一种多年生豆科植物，被印第安人用作滋补以及淀粉类食物。19世纪中叶因为土豆短缺，由美洲传入欧洲作为替代土豆的紧急食品[26]。美国豆芋原产于美国东部如科罗拉多、魁北克等在加拿大安大略省。在1943年，它在北美是栽培作物如佛罗里达、得克萨斯和日本东北部和南部北海道作为抗疲劳和儿童成长食物[3]。美国豆芋的生理功能主要有降血压、抗癌、降血糖、降血脂、抗氧化等功能。

2.1 降血压

美国豆芋块茎的降血压效果如图2所示，通过美国豆芋块茎消化产生的富含脯氨酸的多肽来抑制血管紧张素转换酶(ACE)，达到降低血压的目的[35]。

图2 美国豆芋块茎消化肽的降血压效果机理图

美国豆芋块茎动物研究中有温和的降压效果。用含有5%美国豆芋粉饮食喂养自发性高血压大鼠3周，能降低10%的血压。口服富含脯氨酸的美国豆芋水提取物200 mg/kg 1 h之后，可以降低10%的血压[30]。YRLPNL(Tyr-Arg-Leu-Pro-Asn-Leu)和YQLP(Tyr-Gln-Leu-Pro)是美国豆芋由胃蛋白酶消化的两种多肽，有血管紧张素转化酶抑制作用，其中YRLPNL血管紧张素转换酶抑制活性较强，等于赖诺普利和卡托普利的IC50值7.7 nM[36 ]。研究结果表明美国豆芋是一个潜在的降血压的食物。

2.2 抑制癌细胞增殖

纯化的Bowman-Birk抑制剂(BBI)在体外和动物肿瘤模型研究中对致癌过程有抑制作用。与大豆的Bowman-Birk抑制剂(SBBI)相比,美国豆芋块茎胰蛋白酶抑制剂(AATI),在四个细胞系的增殖率测试中显示出相同或更强的抑制作用[36]。有学者对美国豆芋胰蛋白酶抑制剂抑制癌细胞扩散的效果也进行了体外研究[37]。美国豆芋抑制细胞增殖的机理如图3所示，通过升高细胞膜磷脂酰丝氨酸和修饰精氨酸和赖氨酸来实现。

图3 美国豆芋的抑制细胞增殖的机理

2.3 降血脂

美国豆芋块茎可以改善脂质代谢，是一种预防高血脂的健康食品[29]。美国豆芋块茎含有染料木黄素和皂苷，能联合异黄酮参与脂代谢，降低脂质浓度。用含5%美国豆芋粉的饮食喂养自发性高血压鼠3周，能降低血浆三酰甘油和肝脏总胆固醇。此外，即使饮食中额外增加1%的胆固醇，也能降低血浆总胆固醇[30]。

2.4 降血糖

美国豆芋的花朵是丰富的皂苷，可以抑制β葡萄糖苷酶的活性。因此，淀粉和蔗糖的利用途径被抑制，能降低血糖。在日本也有喝美国豆芋花茶降血糖的报道[38]，这些都说明美国豆芋是一个潜在降血糖的食物。美国豆芋降血糖的机理如图4所示，通过皂苷抑制β-葡萄糖苷酶的活性，从而达到降低血糖生成量减少的目的。

图4 美国豆芋降血糖的机理

美国豆芋叶提取物在细胞实验中研究发现：能促进HepG2细胞吸收葡萄糖，可以抑制糖异生相关酶(磷酸烯醇丙酮酸羧基激酶，葡萄糖-6-磷酸酯酶)活性，促进糖原合成酶的活性，促进肝糖原合成，促进葡萄糖的吸收[39]。

2.5 抗氧化

美国豆芋的叶子含有丰富的异黄酮，可以产生自由基清除活性[40]。美国豆芋提取物中主要成分是一种新型的异黄酮，染料木黄素-7-O-龙胆二糖甙。但是它并不直接发挥抗氧化功能，而是通过激活抗氧化系统，抑制自由基来实现。用美国豆芋提取物处理人乳腺癌细胞24 h后，能提高抗氧化应激主要的酶血红素加氧酶的基因表达[41]。

3 美国豆芋的应用

美国豆芋块茎是一种高蛋白质、高钙、高能量的食物，含有许多活性成分如皂甙，多糖、类黄酮、异黄酮等。可以作为食物烹饪，或者将块茎作为功能食品的主要原料，它可以消除自由基，降低血糖/脂质，保障人类的健康。在欧洲和日本，美国豆芋鲜花已经制成花茶，用来预防和治疗高血糖，高血脂和其他慢性疾病的病人[42]。研究表明美国豆芋有降血压、降血脂，降血糖、抗氧化和抗癌等效果，因此，美国豆芋是一种潜在的药品和功能食品的来源。美国豆芋的提取物添加到美国豆芋块茎或中药内，可开发成新药物或功能食品，或制成矿物质和维生素的补充剂，应用前景广泛。