葱属植物中的生物活性物质及功效研究进展

朱云峰,徐翠翠,金少瑾,孙胜楠,张友源，马 莺,2,卢卫红,2,*

(1.哈工大机器人(山东)智能装备研究院,生物健康工程研究所,山东济南 250200; 2.哈尔滨工业大学化工与化学学院,黑龙江哈尔滨 150090)

葱属植物(Allium)是一类百合科二年或多年生的草本植物,大约有400～500种,主要分布于北半球,在我国约有110多种,主要分布在西北、东北以及华北等地区,其在蔬菜生产中占有极其重要的地位,栽培面积占蔬菜总播种面积的10%,产量占总产量的7%[1]。常见的葱属植物包括大葱、大蒜、洋葱、韭菜等,含有挥发油、黄酮、甾体、膳食纤维、多糖等多种生物活性物质[2]。研究表明葱属植物活性成分具有抗肿瘤、抗氧化、抗炎、免疫调节等作用,如大蒜中的大蒜素[3]、大葱中的挥发油[4]对肿瘤细胞生长、迁移有抑制作用;洋葱皮提取物总黄酮物质具有抗氧化活性[5];大蒜中提取到的阿霍烯类衍生物有抗炎作用[6];红洋葱乙醇提取物对小鼠的免疫功能有促进作用[7]等。近年来,研究者围绕葱属植物生物活性物质的提取分离、成分分析、药理功效、产品应用等方面开展了大量的研究工作。本文对常见葱属植物中主要生物活性物质的最新研究进展进行了系统的总结和归纳,以期为进一步开发利用葱属植物、提高其在食品和医药领域的应用提供参考。

1 生物活性物质及提取技术

1.1 挥发油

挥发油是引起葱属植物刺激性葱辣味的主要物质,因产地、部位、生长周期、提取方法、分析方法的不同，呈现明显的差异,挥发油的主要成分是含硫化合物(硫醚、硫醇、硫酚、噻吩、亚砜类等)[8]。挥发油的提取方法包括有机溶剂法、水蒸气蒸馏法、超临界CO2萃取法等[9-11]。Li等[9]研究发现用石油醚作为溶剂提取大蒜油收率高于乙醇、乙酸乙酯和正戊烷,最高提取率为0.78%,超临界CO2萃取提取率为0.81%,但是,用石油醚提取耗时42 min,而超临界CO2萃取时间为130 min。Mnayer等[10]首次使用涡轮加压-水蒸气蒸馏法提取大蒜油,最高提取率达到68.90 mg/kg(鲜重计),气质联用技术(GC-MS)分析得到9个组分,分别是二丙基二硫化物(30.92%)、二丙基三硫化物(17.10%)、丙烯基丙基二硫化物(7.26%)、2-甲基-3,4-二硫戊烷(6.48%)、甲基丙基三硫化物(5.20%)、二丙烯基三硫化物(3.07%)、甲基丙基二硫化物(2.11%)、烯丙基丙基三硫化物(1.84%)、2-己基-5-甲基3(2H)-呋喃酮(1.26%)。相比有机溶剂萃取,水蒸气蒸馏法得到的挥发油纯度更高,但是水蒸气蒸馏一般温度较高,可能会导致一些含硫化合物发生氧化分解。Ye等[11]利用超临界CO2萃取提取洋葱挥发油,最高提取率达到4.69 g/kg(干重计),气质联用技术(GC-MS)分析挥发油的主要组成为5-甲基硫基硫化物(18.30%)、3,4-二甲基-2-噻吩基二硫化物(11.75%)和1-丙烯基丙基二硫化物(9.72%)。常见的三种挥发油提取方法及优缺点见表1。

表1 挥发油提取方法比较Table 1 Comparison of essential oil extraction methods

一些新技术也被用于葱属植物挥发油的提取与成分的分析、鉴定。王俊魁等[12]利用顶空固相微萃取结合气质联用技术(HS-SPME-GC-MS)分析沙葱中的挥发性物质,选取DVB/CAR/PDMS型号的萃取头,得到主要挥发性成分是2-己烯醛(27.74%)、甲基-2-烯丙基三硫醚(25.70%)、二甲基三硫化物(13.62%)、烯丙基甲基二硫醚(9.94%)、二烯丙基二硫醚(7.23%),占总成分的84.23%,固相微萃取技术操作简便、检测快速、安全、无溶剂、选择性好并且灵敏度高,集采样、萃取、浓缩、进样于一体,大大提高了分析检测的效率。司民真等[13]建立了顶空固相微萃取-SERS结合分析测定大葱挥发性物质的方法,采用顶空瓶在常温常压下收集大葱的挥发物,将挥发物用注射器注入纳米银胶中,进行SERS测量,得到大葱主要挥发物是1-丙硫醇和烯丙基甲基硫醚；以胶态纳米银作为SERS基底,与植物挥发性气体中的含硫化合物吸附结合产生拉曼增强效果,从而对挥发性气体特定物质分子进行检测,该方法操作简单快捷、制备样品用量少、无损、灵敏度高、廉价。

1.2 黄酮类化合物

黄酮类化合物指两个具有酚羟基的苯环通过中央3个碳原子连接而成的一类化合物,是植物源天然次生代谢产物,是葱属植物中的一种重要的生物活性物质,葱属黄酮以槲皮素、山奈酚与葡萄糖组成的糖苷为主[14]。大蒜外部的干皮,一般在食用前丢弃,富含大量的槲皮素、槲皮素葡萄糖苷及其氧化产物,具有极佳的抗氧化能力,可以抵抗非酶脂质过氧化和低密度脂蛋白的氧化[15-16]。Miean等[17]通过比较62种热带植物中黄酮类化合物的含量,发现洋葱叶中总黄酮含量最高,其中槲皮素含量为1497.5 mg/kg,木犀草素为391 mg/kg,山奈酚为832 mg/kg。相关研究还发现同一植物不同品种、不同部位、不同生长时期、不同贮存时期的槲皮素含量都有一定差异[18]。常见的葱属植物总黄酮提取方法见表2。

分析表2中的黄酮提取的方法可以发现:洋葱、洋葱皮中总黄酮含量高于大蒜、葱白和叉枝鸭葱,葱白中黄酮含量为1.23%左右,含量最少;大蒜超声波辅助提取黄酮的提取率高于微波辅助提取,洋葱超声复合酶法提取率高于热水浸提,说明超声波辅助乙醇提取是适宜的总黄酮提取方式,与常规的溶剂浸提取方法相比,超声波具有机械作用、空化效应、热力学作用,能提高溶剂的渗透性,从而提高提取率;超声复合酶法提取洋葱总黄酮提取率为5.58%,是表2中最高的提取率,说明利用纤维素酶、果胶酶、木瓜蛋白酶、复合酶对原料进行酶解预处理,能破坏细胞壁、细胞膜的结构,加速活性物质的稳定释放。

表2 黄酮提取方法比较Table 2 Comparison of flavonoid extraction methods

黄酮粗提物的纯度一般不高,需要进一步纯化。刘安军等[23]用ADS-8大孔树脂色谱柱纯化黄酮粗提液,使用60%乙醇作为洗脱剂,得到黄酮纯度为57.2%。张天文[27]依次用D101、D4020大孔树脂色谱柱纯化鸦葱总黄酮粗提物,得到精制黄酮纯度为93.5%,得率为1.3%。说明大孔树脂色谱可用于葱属黄酮粗提物的纯化。

1.3 甾体类化合物

葱属甾体类化合物包括甾体皂苷类和甾醇类物质。甾体皂苷分为螺甾烷醇、夫甾烷醇、胆甾烷醇等,已从葱属植物中分离出近200种甾体类化合物,有多种生理功能,具有很大的开发潜力、应用前景[28]。植物甾醇是国际生命科学学会推荐的十大功能性食品之一,结构上与胆固醇类似,具有良好的降低血液胆固醇的活性,非常有效、安全[29]。研究发现大葱中总甾醇含量约为220 mg/kg,其中β-谷甾醇含量为160 mg/kg,是甾醇含量最高的蔬菜[30]。植物甾醇一般通过超临界萃取等方法进行提取,然后提取液经过吸附、柱层析和结晶等工序精制而成。其中,硅胶柱层析、氧化铝柱层析和结晶法是分离β-谷甾醇的有效方法[31]。付琴琴[32]通过硅胶柱溶剂梯度洗脱、Sephadex LH-20凝胶柱色谱、制备色谱等分离方法,从葱白超临界CO2提取物中分离得到β-谷甾醇,为首次从小葱葱白中发现该类物质。Sabha等[33]研究野生大蒜、大葱中发挥抗血小板凝集作用的物质为β-谷甾醇。

1.4 膳食纤维

植物膳食纤维是组成细胞壁的成分,是一类难以被胃肠道消化、吸收的碳水化合物,包括纤维素、半纤维素、水胶体、抗性淀粉和不易消化的低聚糖等。基于其溶解度的不同,分为可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维两类[34]。

膳食纤维的提取方法包括干磨法、湿磨法、酸(碱)提取法、微生物发酵法等,湿磨法提取膳食纤维用水量小、有机溶剂使用量小,且产品纯度高,最高纯度可达89.6%[35-36]。苏伟等[37]研究酸法提取藠头叶中水溶性膳食纤维的最适工艺条件为料液比1∶15、pH3.0、提取温度90 ℃、提取时间90 min,得到水溶性膳食纤维提取率为9.85%。Jaime等[38]研究洋葱不同组织酸水解后总膳食纤维、可溶性膳食纤维、不可溶性膳食纤维发现外皮、上部、下部总膳食纤维量依次降低,干物质含量分别是65.8%、48.5%、38.6%,主要以不溶性膳食纤维为主,化学成分分析发现所有组织中的膳食纤维以纤维素和果胶多糖为主。

食品工业上产生大量的洋葱废弃物主要是棕色的洋葱外皮,处理不当会产生潜在的环境污染。因其富含膳食纤维、酚类、黄酮类物质,具有极佳的抗氧化特性,如对其进一步提取生物活性物质,将产生可观的经济效益，有前景的生态环境效益[39]。

1.5 多糖类化合物

葱属多糖是一类重要的活性物质,近年来,研究者围绕洋葱、大蒜、大葱多糖的提取、纯化展开了大量的研究,各种提取方法见表3。

分析表3的各种提取方法,可以看出,热水提取、乙醇沉淀是最常用的多糖提取方法,主要影响因素有提取温度、时间、料液比等,但是该方法普遍存在提取时间长、料液比大的问题,生产效率较低。超声波复合酶辅助提取,具有提取温度低、提取时间短、料液比低、提取率高等优点,是比较经济、易于产业化生产的工艺,需要根据具体原料进行工艺参数的优化。粗多糖进一步纯化的工艺步骤有脱除杂蛋白、脱色素、分级沉淀、柱层析色谱等[49]。

表3 多糖提取方法比较Table 3 Comparison of polysaccharides extraction methods

2 主要功效

葱属植物除用作调味食品外,发挥药理作用的历史也非常悠久,400多年前,中药中就开始使用大蒜治疗头痛、虫咬、霍乱、痢疾,使用大葱治疗伤寒、头痛、腹痛腹泻和习惯性流产等[50-51]。近年来,研究者围绕葱属植物生物活性物质的抗肿瘤、抗氧化、抗炎、降血脂以及提高免疫力等功效、作用机理、调控机制等方面展开了大量研究。

2.1 抗肿瘤作用

现代医学中,对葱属植物抗肿瘤的研究起始于1950年代,Weisberger等[52]发现从大蒜中提取出的硫代亚磺酸酯在体内、体外实验均能抑制肿瘤细胞增殖。Nohara等[53]研究发现大葱、洋葱、大蒜中的抗肿瘤硫化物可以通过调节巨噬细胞激活来抑制肿瘤转移和肿瘤增殖。Arulselvan等[54]研究发现给结肠癌小鼠口服大葱热水提取物能有效抑制肿瘤的生长并且提高了试验小鼠的成活率,在分子水平上,热水提取物抑制了关键炎症标记物以及涉及到肿瘤细胞增殖、凋亡、血管生成、侵袭标志物的表达。

日常饮食中常摄入大蒜、洋葱都能减少胃、食道、前列腺、乳腺、肺、皮肤、肝、脑等器官中发生肉瘤或者恶性肿瘤的风险[55]。因此,应用葱属植物营养和协同疗法防癌、抗癌的研究以及开发系列功能性保健食品具有重要的现实意义以及广阔的应用前景。

2.2 抗氧化作用

活性氧自由基引起的DNA、蛋白质、脂类物质的氧化是人体衰老和很多常见疾病的诱因[56]。葱属植物中黄酮、类黄酮物质能够清除活性氧自由基或者增强细胞抗氧化酶(超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶)的活性,因而具有抗氧化、抗衰老、抗运动疲劳等多种生物功能[57]。Arung等[58]研究发现洋葱中的槲皮素、槲皮素4′-O-β-葡萄糖苷抑制B16黑素瘤细胞中黑色素的形成及抗氧化特性。Lee等[59]研究发现洋葱提取物和槲皮素通过PKC-ε失活/ERK1/2激活保护神经细胞免受氧化应激,从而发挥抗氧化作用。Yang等[60]研究发现黄洋葱提取物中加入白曲霉粗酶液后,槲皮素含量增加,槲皮素4′-O-β-葡萄糖苷、槲皮素-3,4′-二-O-β-D-葡萄糖苷含量减少,槲皮素含量的增加对HT22细胞中谷氨酸诱导的神经毒性的保护作用增加,随之增加了抗氧化和神经保护活性。

多项研究证明抗氧化是预防机体衰老的重要方法,因为自由基或氧化剂会将细胞和组织分解,影响代谢功能,并会引起不同的健康问题。如果能够消除过多的氧化自由基,对于许多自由基引起的老化相关疾病都能够预防。如常见的癌症、动脉硬化、糖尿病、白内障、心血管病、老年痴呆、关节炎等,这些疾病都被认为与自由基相关[61]。

2.3 抗炎作用

抗炎作用是机体对外来反应的抵制作用或药物辅助带来的防止机体发炎的行为,葱属植物中的含硫化合物、黄酮类化合物等都有一定的抗炎作用[62]。Lee等[6]从大蒜中分离出有抗炎作用的四种化合物,经鉴定为Z-阿藿烯、E-阿藿烯和阿藿烯的氧化磺酰衍生物,发现这些物质能够抑制核因子转录活性和促分裂原活性蛋白激酶、胞外信号调节激酶的磷酸化,导致减少LPS脂多糖诱导的一氧化氮、前列腺素E2的生成和可诱导的一氧化氮合成酶/环氧合酶基因的表达，从而发挥抗炎作用。Woo等[63]从葱属植物中分离出八种黄酮糖苷类物质,发现四种物质对LPS脂多糖诱导的BV-2细胞中一氧化氮的产生有抑制作用,并且没有细胞毒性。

2.4 降血脂和降血糖作用

葱属植物提取物含有的β-谷甾醇、黄酮类物质,分别具有降血脂和降血糖的功效。Hwang[64]等研究发现葱乙醇提取物能够降低油酸诱导的非酒精性脂肪肝病模型中HepG2细胞中脂质的积累,抑制固醇调节元件结合蛋白1和脂肪酸合成酶基因的转录活性,可以明显降低高脂肪、高蔗糖喂养小鼠的体重增加、肝脏重量增加、附睾脂肪重量和肝组织中脂肪的积累。Sung[65-66]等研究发现大葱乙醇提取物和水提取物都能降低高脂肪诱导肥胖小鼠的体重、肝脏重量、脂肪组织重量、脂肪细胞的尺寸。Kim等[67]研究发现洋葱皮乙醇提取物可以改善血糖和葡萄糖的餐后峰值,因为它可以抑制肠道蔗糖酶,从而延缓碳水化合物的吸收。

2.5 免疫调节作用

葱属植物中的挥发油、黄酮、多糖等具有免疫调节作用[68]。Ueda等[69]研究发现,分葱葱叶中的粘液能提高小鼠白血病单核细胞中的肿瘤坏死因子TNF-α、单核细胞趋化蛋白和巨噬细胞样细胞中的白介素-12的量,以增强腹膜细胞的免疫功能,同时提高了脾细胞中干扰素-γ的量和杀伤活性,证实大葱粘液能增强小鼠的非特异性免疫功能。鸟类基础饲料中添加0.5%～1%的大蒜粉可以通过增加T细胞介导的免疫反应来增强鸟类的生产性能和免疫状态,从而保护它们免于疾病而不降低生长性状[70]。Prasanna等[71]利用D-甘露糖-琼脂糖色谱法纯化洋葱凝集素ACA(收率约1 mg/kg),ACA显示出8200 U/mg的特异性血细胞凝集活性,它能显著提高细胞因子(IFN-γ和IL-2)的表达水平,能在体外诱导Th1型免疫应答。此外,相关研究还发现0.02%用量的大蒜提取物和益生菌的组合物,能调节蛋鸡的免疫功能,显著改善产蛋量[72]。膳食1%洋葱粉可以改善白鲸幼鱼的生长、血液学参数和免疫功能[73]。

2.6 其他作用

埃及红葱的甲醇提取物、乙酸乙酯提取物和丁醇提取物对成人血吸虫曼氏蠕虫具有显著的抑制作用,表现出较好的抗血吸虫功效[74]。洋葱提取物抑制哮喘的净效应与皮质醇类似,平喘作用优于大蒜[75]。此外,葱属提取物还有抗血小板凝集作用[76]、促进机体排铅、降低铅中毒的作用[77]。

葱属植物中的生物活性物质种类多、结构独特,未来的研究中会有更多的物质被分离发现,也会有更多新的生理功效被研究。

3 葱属植物的开发应用现状

3.1 食品、医药行业应用现状

葱属植物中的大葱、大蒜、洋葱等主要被用作调味食品,初级加工食品有脱水大葱叶、干燥葱粉、脱水洋葱片、洋葱粉、洋葱精油、洋葱汁等,精深加工食品有大蒜精油软胶囊、洋葱红酒等,具有提高免疫力、抗氧化等功效。作为药食同源物,大蒜自古就被用作天然杀菌剂,有“天然抗生素”之称[78]。大葱也被广泛应用于中草药中,用于治疗伤寒、头痛、腹痛腹泻和习惯性流产等[79]。

3.2 农业领域应用现状

葱属植物浸提液、根系分泌物或挥发物等对多种受体植物种子萌发和幼苗生长表现出“低浓度促进、高浓度抑制”的效应,对多种灰霉病菌、青枯病菌、枯萎病菌的孢子萌发及菌丝生长起到抑制作用,因而在农业生产上能发挥化感作用,被鉴定出的化感物质多为有机硫化物、有机酯类、有机酸类、酚类、烷烃、烯烃、醛酮类、醇醚类和含苯化合物等[80]。研究葱属植物与其他作物间化感作用的关系,合理规划栽培模式,可解决农业生产过程中虫、草控制、光合作用调控和连作障碍等难题,增加作物产量[81]。江冰冰等[82]研究发现韭菜根系可以干扰辣椒疫霉菌孢子在土壤中的传播侵染行为,并能分泌抑菌物质抑制辣椒疫霉菌的生长。生产上利用韭菜和辣椒间作或轮作可以有效降低辣椒疫病在田间的扩展危害,有利于实现病害的有效控制。

3.3 养殖业领域应用现状

葱属植物含有多种生物活性物质,作为饲料添加剂在养殖业有重要的应用价值。主要功效有诱食助消化、抗菌抗炎、抗真菌感染、增强动物免疫力等[83]。相关研究发现在猪[84]、鸡[85]、兔[86]、羊[87]饲料中添加葱属植物干粉对日增重、成活率、改善肉质、增强抗病性、增强动物免疫力方面有重要的帮助。

目前,我国养殖业面临抗生素滥用的问题,动物生产中抗生素使用占比为23%,而美国为13%,德国为3%,滥用抗生素存在潜在的食品安全问题[88]。利用葱属植物开发饲料添加剂代替抗生素,能有效减少药物残留,保障食品安全[89]。

4 结论及展望

我国的葱属植物品种繁多、种植范围广、面积大、产量高,含有挥发油、黄酮、甾体、膳食纤维、多糖等多种生物活性物质,研究者围绕生物活性物质的提取、纯化工艺参数优化、功能性成分分析、结构鉴定,抗肿瘤、抗氧化、抗炎、降血脂、降血糖、免疫调节等功效展开了大量研究,但是偏向于基础研究,成果转化率不高,开发利用程度还远远不够。为解决此类问题,未来主要有以下两个重点研究方向:

第一,应用先进的分离、纯化、分析技术进一步挖掘生物活性物质,对活性物质进行分离及结构鉴定,并对不稳定成分进行结构修饰及工艺优化,增加其稳定性的同时,提高生物利用度。从多方面进行药理作用研究,由混合物到具体化合物,以确定其发挥作用的具体物质,从基因表达、蛋白合成、细胞因子调控、信号通路等角度研究其作用机制,为丰富葱属植物药用价值提供技术保障。

第二,不断挖掘葱属植物品种资源,对不同品种间葱属植物成分、功能进行系统研究,开发更多葱属植物的价值,扩大葱属植物在食品、药品、保健品、化妆品、养殖业、农业生产中的应用范围。还可以针对不同人群的需要开发特色功能性食品、特医食品等高端产品,实现产业化生产,更好地服务于人类健康。

葱属植物研究的空间大,应用前景广阔,相信随着科研人员的不断努力及科技水平的不断提高,其价值会得到更好的利用,产业的发展会带来更可观的经济、社会和生态效益,为人类健康做出更大的贡献。