山药中主要功能性成分及其作用机制研究进展

龚凌霄,池静雯,王 静,任雨晴,孙宝国

(北京工商大学,北京食品营养与人类健康高精尖创新中心,中国-加拿大食品营养与健康联合实验室,食品添加剂与配料北京高校工程研究中心,北京 100048)

山药(DioscoreaoppositaThunb)为薯蓣科(Dioscoreaceae)植物薯蓣地下块茎,是我国传统的药食同源性植物[1-3],在河南、东北三省、河北等地广泛种植[4]。目前,山药的成分及功能已被广泛的研究和报道[5-6]。

山药中含有维生素、蛋白质[7]、淀粉[8]、游离氨基酸等多种营养成分,钙、磷和铁等一些矿物质的含量也极为丰富[9-12],其中的功能性活性成分包括多糖、多酚类化合物、皂苷、尿囊素、胆甾醇、麦角甾醇、胆碱等[13-14],具有抗氧化、抗肿瘤、降血脂、调节肠道菌群、增强机体免疫等多种生理作用,广泛应用于功能性食品、保健品和药品等行业[15-17]。

现阶段,有关山药中功能性成分作用的体外评价和动物实验不断被报道,对其功能性作用机制的研究也逐渐深入[18-19]。本文结合国内外近年对山药中功能性成分的研究,对其中主要功能性成分的理化性质及作用机制进行概述,旨在为山药中功能性成分的深入研究提供参考。

1 多糖

多糖作为山药中的主要活性成分,在山药中含量丰富。现阶段,在山药多糖中已检测到的单糖组成包括葡萄糖、甘露糖、半乳糖、鼠李糖、木糖、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸等,而山药多糖的组分也会随山药品种及提取条件的不同存在差异[20]。

如表1所示,山药多糖具有增强体液免疫、抗氧化、抗肿瘤、调节胃肠道、降血糖等多种功能,现对山药多糖的主要功能性作用机理归纳整理。

表1 山药多糖的功能性研究及机理探讨

1.1 调节机体免疫

山药多糖调节机体免疫的主要作用机制为促进巨噬细胞向M1型极化、提高T细胞增殖及调节相关信号通路、激活吞噬细胞的吞噬功能等。体外研究表明,山药多糖可促进巨噬细胞向M1型极化[21-23],而M1型巨噬细胞有杀灭微生物、促进炎症的作用[24-25],山药多糖还可激活吞噬细胞的吞噬能力[26];动物实验表明,山药多糖可促进小鼠免疫脾脏指数的增加、提高机体免疫[27];可降低小鼠的肝指数、血清中谷丙转氨酶(ALT)、谷草转氨酶(AST)活性及丙二醛(MDA)含量,增加谷胱甘肽(GSH)含量,对卡介苗(BCG)和脂多糖(LPS)诱导的小鼠免疫性肝损伤有一定缓解作用和保护作用[28-29],还可升高结肠癌小鼠血清中的CD4+T和CD8+T比值,提高荷瘤裸鼠的免疫力[30]。

1.2 抗氧化

山药多糖可通过调节体内抗氧化酶的系统活力、增强脑组织ATP酶活性和抑制衰老基因表达来达到延缓器官衰老和提高机体抗氧化能力的作用[31-33]。山药中含有多种抗氧化活性的多糖组分[34],体外细胞实验中发现山药多糖浓度在0.025～0.25 g/L范围内时,可显著性抑制神经细胞缺氧性凋亡[35];山药多糖剂量的升高也可加大酶原的降解、促进肿瘤细胞凋亡蛋白caspa3 se-3和caspase-8蛋白酶原的活化、减弱细胞划痕愈合率,控制肿瘤细胞生长[36]。

1.3 调节肠道菌群

多糖调节胃肠道、预防结肠癌、促进胃排空等多种功能也被证实,其主要通过增强机体免疫[37]、调节炎症介质表达[38]及相关激素的酶活[39]、维护肠道屏障结构的完整性达到的[40]。高辛等[39]发现多糖可起到控制硫代乙酰胺(TAA)引起的总胆红素(TBIL)和ALT活性升高的现象,改善急性肝衰竭大鼠菌群失调和细菌易位情况;山药多糖还能调节血管活性肠肽、胃动素、生长抑素和P物质四种胃肠激素到正常水平,改善胃肠道对水和电解质运输能力[41],其还被发现对肠道微生态失调大鼠具有显著的调整作用,是理想的中药微生态调节剂[42]。

1.4 降血脂、降血糖

多糖通过调节糖脂代谢相关酶活性、协同抗氧化作用及改善胰岛素敏感性达到降血糖、降血脂作用。Li等[43]发现山药多糖可有效减少糖尿病小鼠空腹血糖(FBG)、葡萄糖耐量(GT)、清除氧自由基[44]、降低NO/NOS水平以及血清中MDA含量,提高超氧化物歧化酶(SOD)、氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)的活性[45]、降低血糖水平[46]和抑制糖尿病并发症;其可提高胰岛细胞的存活率[47],对改善血小板功能起到有效作用。此外,还可降低糖尿病小鼠体内血糖(GLU)、总胆固醇(TC)、甘油三酯(TG)及低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)的浓度,缓解体重减轻的状况,具有调节糖尿病小鼠糖脂代谢紊乱的作用[48]。

2 多酚类物质

多酚类物质是分子内具有多个羟基酚类成分的总称,其包括黄酮类、酚酸类、单宁类、花色苷类等[49],是广泛存在于植物体内的天然化合物,具有较高的生物活性。研究表明,山药皮中多酚类化合物的含量较多[50],其中类黄酮(Flavonoids)作为主要的酚类物质,在山药中占到六成以上[51]。多酚是山药中有效的抗氧化活性物质,可有效的清除体内自由基,具有降血脂功能,并对山药的感官和风味产生影响。

如表2所示,山药多酚还原能力强,可通过抑制烷氧基和烷过氧基,清除亚硝酸盐及DPPH自由基,调节氧化应激达到良好的抗养化性[52-53]。动物实验研究表明,山药多酚可有效降低高脂血症大鼠血清中TC、TG、LDL-C的含量,作用机制主要是抑制与脂肪合成有关酶的活性和胆固醇和不饱和脂肪酸的氧化[54]。研究发现,山药根茎中所含的酚类衍生物具有较好的抗神经炎症和神经保护活性,其分离物可增加小鼠神经2a(N2a)细胞中的神经突向外生长,作为C6神经胶质瘤细胞中的生长因子(NGF)诱导剂、对脂多糖(LPS)激活的小胶质细胞BV-2细胞中NO产生起到抑制作用,主要作用机制为抑制c-Jun N末端激酶(JNK)信号通路[55]。因此,此类活性成分可作为神经退行性疾病的潜在调控因子[56]。此外,酚类物质与山药在加工和贮藏过程中产生的褐变有很大的关系[57],因此对山药多酚进行深入研究将对预防植物褐变有积极的作用。

表2 山药多酚的功能性研究及机理探讨

3 尿囊素

尿囊素(allaniotn)是咪唑类杂环化合物,分子式为C4H6N4O3,又名l-脉基间二氮杂戊烷-2,4-二酮或5-脉基海因,常作为评价山药品质的指标之一,其结构如图1所示。

图1 尿囊素的分子结构式

如表3所示,尿囊素可以改善肌肤,加强皮肤中蛋白与水相结合、修复上皮组织、促进伤口愈合、软化角质层蛋白,对鱼鳞病及手足皲裂等多种皮肤病都有一定的改善作用[58-60];还起到镇定、对局部产生麻醉、消炎和抑制细菌滋生作用[61-63]。其可通过促进胃黏液的合成及分泌的机制来治疗胃溃疡,还可通过调节抗氧化活性、促进脂质代谢的机制来治疗糖尿病[64]。有报道发现,山药尿囊素可促进子宫ERα和GPR30的表达,发挥雌激素样作用[65]。此外,尿囊素可提高农作物根系活力及体内酶活性,促进土壤中有益微生物数量增长,展现出良好的肥料作用[66-67]。

表3 山药中尿囊素的功能性研究及机理探讨

4 薯蓣皂苷

薯蓣皂苷(Diosgenin)分布于山药的根、茎、叶等各个部位,其中以皮中的含量最高,其分子式为C27H42O3,是由螺甾烷型的薯蓣皂苷元和糖链以糖苷键相连,分子量大小为414,结构如图2所示。

图2 薯蓣皂苷的结构式

如表4所示,近年来对薯蓣皂苷的功能以及药理作用的研究越来越多,薯蓣皂苷具有调节免疫、抗艾滋病、预防白血病、抗肿瘤、抗炎镇痛、保护胃肠黏膜等多种药理作用。

4.1 抗炎消肿、镇痛

薯蓣皂苷抗炎症、消肿镇痛等作用现已经被应用到某些抗炎类药物中,如阿司匹林[68]、金刚藤口服液等[69];Li等[70]发现薯蓣皂苷对帕金森症大鼠运动缺陷、炎症等具有有效的减缓作用,其抗炎机制主要是调节酶活及炎症相关的信号通路、抑制炎症因子的表达等[71-72]。

4.2 抗氧化

薯蓣皂苷主要通过清除自由基、减少细胞损伤、调节氧化应激等机制达到抗氧化作用[73],还可增加胆汁分泌、抑制胆固醇吸收,表现出良好的降血脂功效[74-75]。Son等[76]在动物实验中,发现薯蓣皂苷可有效升高血浆中高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)的水平、SOD、GSH-PX及CAT的含量,通过comet分析发现对红细胞和淋巴细胞DNA损伤有所减少,同时对抗氧化酶活性也有一定的影响。

4.3 降低心脑血管疾病

薯蓣皂苷在降低心脑血管疾病发生等方面的效果明显,可有效的减少心肌细胞中的钙超载、调节相关信号通路[77-80]。薯蓣皂苷中含有双糖链水溶性甾体皂苷,动物实验中,通过建立大鼠离体心脏缺血再灌注损伤模型,对比心肌单向动作电位和乳酸脱氢酶的变化等指标,发现此成分可以有效的保护和修复大鼠离体缺血再灌注损伤的心脏、防止心血管疾病的发生[77]。

4.4 保护生殖系统

薯蓣皂苷还通过改善氧化应激反应、增强机体生理功能、提高免疫力达到对生殖系统的保护作用[81-82]。当山药提取物作用于少弱精子症小鼠模型中,发现其能缩短少弱精子症小鼠勃起潜伏期,提高睾丸组织中的SOD活性、降低MDA含量,并提高精子质量及生殖和免疫器官的脏器系数[83]。

4.5 预防癌症、抗肿瘤

薯蓣皂苷的抗肿瘤、预防癌症作用显著。Chen等[84]研究发现薯蓣皂苷可抑制肝癌细胞中的一种致癌因子(TAZ)的表达,从而间接的抑制肝癌细胞的增长、诱导细胞的凋亡、抑制细胞迁移和侵袭,因此薯蓣皂苷将是治疗人类癌症的潜在性药物[85-86]。

5 其他功能性成分

除上述所介绍的主要功能性成分外,山药中还含胆碱、低聚糖等功能性成分。

胆碱(Choline)为三甲基氨的氢氧化物,为卵磷脂和鞘磷脂组成部分,是神经递质乙酰胆碱的前体物质,可作为不稳定甲基的来源,同时也是肺表面活性剂的组分。作为一种重要的营养物质,胆碱对机体生长、骨骼发育以及脂肪的代谢和产生都起到重要作用[87]。目前对于山药中胆碱的分离和检测方式也有一定的报道[88]。

目前低聚糖已被证实具有润肠通便、安全排毒、提高机体免疫力、增进矿物质吸收、预防结肠癌、调节微生态平衡、促进益生菌的生长繁殖等作用[89-90],在益生功能方面已得到广泛的应用[91]。Chen等[92]利用双氧水水解法提取山药中的低聚糖,发现对羟基自由基有良好的清除作用;Zeng等[93]通过对小鼠子宫增重和乳腺癌细胞系的增殖分析、并通过血清药理学实验对雌激素活性作用机理进行了综合评价,发现腺苷和阿布丁是山药中的两种有效化合物,在雌激素样中起重要作用。

6 结语及展望

山药作为一种传统药食两用的材料,是我国保健食品的重要原料,在我国具有几千年的种植和食用历史。中医认为山药具补脾养胃、生津益肺、补肾涩精等功效,现代药理研究证实山药具有抗氧化、抗肿瘤、降血脂、调节肠道菌群、增强机体免疫等多种生理作用。然而,上述药理作用的研究主要集中于体外细胞和动物实验,山药及功能性成分对人体的保健作用机制尚不清楚。此外,山药虽然已被广泛用于食品和药品,但开发和利用仍以传统饮片为主,山药中的功能性成分如多糖、薯蓣皂苷、尿囊素等却未被充分挖掘。

由于人们不健康的生活及饮食习惯而导致的各类慢性疾病发病率逐渐增加,山药中丰富的功能活性成分对慢性疾病的保健价值逐渐凸显。为进一步开拓山药的药食应用,需加强以下两方面的研究:山药原料的示范种植及原料质量标准制定,山药由于受区域气候、地质、生长习性等因素的影响,不同品种、不同样品之间的成分具有较大差异,为保证山药产品的保健作用,需通过规范种植和制定质量标准以确保山药原料成分组成的稳定性;利用基因组学、代谢组学等现代技术阐明山药及功能性成分对人体保健的作用机制,明确功能性成分的量效、构效关系,使山药的开发利用从粗放型向精准型趋近。