无患子皂苷及常春藤皂苷元生物活性的研究进展

殷 杰,魏敏平,姚卫蓉

(江南大学 食品学院,江苏 无锡214122)

无患子(SapindusmukorossiGaertn.)又名搓目子、假龙眼、鬼见愁、油患子,为无患子科无患子属的一种落叶乔木无患子的种子[1]。无患子利用历史悠久,《本草纲目》中记载:“肥皂荚十月采荚。煮熟捣烂,和白面及诸香作丸,澡身面,去垢而腻润,胜于皂荚也”。其中肥皂荚即为无患子,它在古代即被视为天然洗护珍果[2]。无患子药用价值也很高,其根、韧皮、嫩枝芽、果肉、种仁均可作为药品,具有清热止咳、去癣等功能[1]。无患子的活性成分主要包括无患子皂苷及常春藤皂苷元。近年来,关于无患子的研究报道呈上升趋势,笔者通过比较发现无患子皂苷及常春藤皂苷元在生物活性方面存在较大差异,因此,本文通过对无患子皂苷及常春藤皂苷元的分子结构、生物活性等方面进行比较分析,以期为无患子的综合开发利用提供参考。

1 无患子皂苷及常春藤皂苷元的功能结构

无患子皂苷具有多种结构,可分为齐墩果烷型、达玛烷型及大戟烷型三大类,在目前已被分离出的71种无患子皂苷中,有40多种为齐墩果烷型无患子皂苷[3],其中五环三萜类齐墩果烷型在无患子皂苷中占比最多[4-5]。常春藤皂苷元的正式命名为(3β,4α)-3,23-二羟基齐墩果-12-烯-28-酸,其结构如图1(a)所示。经多项研究发现,对常春藤皂苷元的C-3上的羟基及C-28的羧基进行修饰,如在C-3上引入鼠李糖、葡萄糖、阿拉伯糖、木糖等糖链,即可得到多种齐墩果烷型无患子皂苷,而取代基的不同又导致无患子皂苷具有多种活性功能[6]。如图1(b)和(c)所示结构分别为无患子皂苷A及无患子皂苷B,图1为无患子中较常见的3种结构[7-8]。

图1 常春藤皂苷元(a)、无患子皂苷A(b)和无患子皂苷B(c)的化学结构Fig.1 The structure of hederagenin(a),sapindoside A(b)and sapindoside B(c)

2 无患子皂苷与常春藤皂苷元生物活性对比

2.1 抗氧化活性

超氧化物歧化酶能够进行自由基的清除反应,降低氧化速度,进而导致氧化产物丙二醛含量的下降,因此可依据超氧化物歧化酶的酶活及丙二醛的含量判断抗氧化性的强弱[9]。近来的两项研究利用小鼠模型评价常春藤皂苷元及无患子皂苷的抗氧化活性,其结果见表1及表2,该数据证明常春藤皂苷元与无患子皂苷均具有抗氧化活性[10]。经作者计算后发现,在投喂0.01 g/kg的常春藤皂苷元后,超氧化物歧化酶活性提升及丙二醛含量下降程度均在30%左右。当无患子皂苷投喂剂量为常春藤皂苷元投喂剂量的50倍左右(0.486 g/kg)时,无患子皂苷降低丙二醛含量的效果才与常春藤皂苷元相近,而此时无患子皂苷对超氧化物歧化酶活性的提升仍远低于常春藤皂苷元对该酶活性的提升,因此推测在抗氧化活性方面,常春藤皂苷元及无患子皂苷都能够增强内源性抗氧化酶的活性,但前者明显优于后者。

表1 无患子皂苷抗氧化活性1)Table 1 Antioxidant activity of sapindus saponin

表2 常春藤皂苷元抗氧化活性1)Table 2 Antioxidant activity of hederagenin

同时无患子皂苷还具有体外抗氧化活性,其对超氧阴离子的清除作用强于同等浓度下的维生素C,且当质量浓度达到0.714 g/L时对羟自由基的清除效果即可与3%的H2O2效果持平[11]。但关于常春藤皂苷元的体外抗氧化活性方面尚未有明确的研究。

2.2 抗炎活性

小鼠耳肿胀实验经常用于筛选及评价抗炎药物的抗炎效果,因此通过该实验可评估无患子皂苷及常春藤皂苷元的抗炎作用效果,研究发现两者均有明显的抗炎功效[10]。当常春藤皂苷元的给药量为0.01 g/kg时,肿胀抑制率可达40%～60%,而无患子皂苷的给药量只有达到0.4 g/kg,其肿胀抑制率才可达40%左右[11]。即当无患子皂苷给药量为常春藤皂苷元给药量的40倍时,无患子皂苷所发挥的抗炎活性才有可能与常春藤皂苷元相近,该对比表明:常春藤皂苷元在抗炎功能方面具有比无患子皂苷更强的效果。在另一项研究中发现无患子皂苷可能具有调节Ang II及p-p38MAPK两种信号的功能,进而调节炎症,并在动物实验中表现出对自发性高血压大鼠的保护现象[12-14]。

2.3 抗抑郁活性

有研究者以预知子的乙醇提取物为原料,对小鼠进行了悬尾实验及强迫游泳实验,发现相较空白组,实验组时间出现明显缩短的现象,表明该提取物具有明显的抗抑郁作用[15]。进一步分析发现该提取物主要成分为常春藤皂苷元,且其纯度达到70%左右,因此推测常春藤皂苷元为其产生抗抑郁功能的主要物质[15]。在此实验基础上进行深入研究发现,预知子常春藤皂苷元抗抑郁机理与去甲肾上腺素无关,但却可以通过增强多巴胺和5-羟色胺的重摄取来增强神经功能,进而达到抗抑郁的效果[16]。在给小鼠分别投喂常春藤皂苷元和乙醇提取物后,进行悬尾实验、强迫游泳实验、小鼠自动活动计数实验,结果表明:二者均表现出明显的抗抑郁功能,且常春藤皂苷元功能更强[17]。通过高浓度皮质酮处理PC12细胞来模拟抑郁症的细胞模型,并分别给药常春藤皂苷元及乙醇提取物,发现两者呈现出相似的保护作用,且常春藤皂苷元保护作用更强[17]。该结果进一步证明乙醇提取物中发挥抗抑郁作用的物质为常春藤皂苷元,同时推测常春藤皂苷元可能对海马神经细胞也有一定保护作用。

2.4 抗肿瘤活性

杨小林[18]将能够引起人致癌的多种细胞培养后分别移植到裸鼠中,再投喂常春藤皂苷元一段时间后观察其抑瘤率,结果表明:常春藤皂苷元对许多肿瘤细胞,如乳腺癌MCF-7细胞、肺癌A549细胞、胃癌MGC-803细胞、肝癌Hep3B细胞、结肠癌LoVo细胞、卵巢癌H0-8910PM细胞、子宫内膜癌细胞、白血病K562细胞、食管鳞癌细胞等都具有明显的细胞毒性,同时当常春藤皂苷元给药量达到0.405 g/kg后,均可产生明显的抑瘤率。但常春藤皂苷元对人乳腺癌MCF-7细胞及肺癌A549细胞产生的抑制效果相较常规抗肿瘤药略有不足[19]。

针对无患子皂苷在抗肿瘤方面的活性研究也较多。朱晓雯[20]首先利用大孔树脂分离的方法从无患子提取液中得到各级分级物(分级物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ),然后以此为原料,对人乳腺癌细胞MCF-7、MDA-MB-231、MDA-MB-435s,以及小鼠乳腺癌细胞4T1分别进行体外和体内的抑制实验。体外实验结果表明:在给药量为0.1 g/L情况下,分级物Ⅱ和Ⅳ对3种人乳腺癌细胞的抑制率均可达到约100%,而分级物Ⅰ和Ⅲ的抑制效果不明显。体内实验结果表明:在给药量为0.162 5 g/kg的情况下,小鼠乳腺癌细胞4T1的生长同样受到抑制,抑制率在40%左右。王美玲等[21]研究了无患子皂苷对引起人肺癌的A549细胞增殖的影响,结果表明当无患子皂苷的给药量达到0.175 g/L及以上时,对A549细胞的生长抑制效果已超过抗癌药5-FU,A549细胞的相对生存率仅为16.19%左右;而在后续的实时荧光定量PCR检测中发现:在给予无患子皂苷后A549细胞中抑制细胞凋亡的bcl-2活性下降,进而促进了细胞凋亡,因此推测无患子皂苷抗肺癌的机理为促进癌细胞的凋亡。

其他诸多研究还发现,常春藤皂苷元能够抑制TGF-β1的活性,进而阻碍人肠癌细胞的上皮-间质转化,达到抗癌效果[22];内含无患子皂苷和常春藤皂苷元的无患子果皮的甲醇提取物能够抑制人宫颈癌HeLa、小鼠黑素瘤B16F10及人胃癌MK-1细胞的增殖,且单糖链无患子皂苷才具有抗肿瘤活性,双糖链无患子皂苷则无抗肿瘤活性,为提取具有抗肿瘤活性的无患子皂苷提供了一定理论依据[23];齐墩果酸型无患子皂苷对人前列腺癌PC-3细胞也具有抗肿瘤活性[24]。由此可看出,常春藤皂苷元及无患子皂苷在抗肿瘤方面,都具有广阔的应用前景。

2.5 降血脂

高血脂症(HLP)会引起小肠细菌过度生长等代谢紊乱[25],而当前广泛使用的降血脂药物大部分都会产生许多副作用。与之相对,高血脂症的草药治疗没有副作用,并且价格便宜,原料获取简单。有研究者就草本植物中皂苷类物质进行研究,以验证草药中发挥降血脂作用的物质是否为皂苷。

以HepG2细胞为模型,进行常春藤皂苷元的降血脂作用研究,结果显示:其可通过降低三酰甘油的含量来保护细胞正常生理活动,且该皂苷元对HepG2细胞无细胞毒性[26]。在另一项研究中,陆辉等[27]则以小鼠为模型研究无患子皂苷对血脂的影响,结果发现:无患子皂苷同样可以降低血脂,在降低血脂的同时,还可以起到保护血管内皮及防止血栓的作用。

作者对两项研究中的数据进行计算,结果见表3。由表3可知,无患子皂苷的三酰甘油清除率可达到71.95%,三酰甘油的量则超出空白组48.39%;而常春藤皂苷元的三酰甘油清除率仅能达到26.62%,此时三酰甘油的量超过空白组2.46倍。因此在三酰甘油清除方面,无患子皂苷优于常春藤皂苷元。

表3 常春藤皂苷元及无患子皂苷的降血脂活性1)Table 3 Hypolipidemic activity of hederagenin and sapindus saponin

2.6 降血糖

糖尿病肾病(DN)产生的主要原因为不良的血糖控制及高级糖化终产物的积累[28]。张显涛[29]利用从续断(Dipsacales)中提取得到的高纯度常春藤皂苷元进行蔗糖体外抑制试验、外翻肠段法、抑制靶酶试验以研究该提取物对血糖的影响,结果发现:在体外时,常春藤皂苷元可有效抑制α-葡萄糖苷酶、淀粉酶和双糖酶的活性,而这些酶均与葡萄糖的生成有关,因此推测常春藤皂苷元可通过抑制酶活进而抑制葡萄糖的生成。在另一项研究中,赵全成等[30]发现:当常春藤皂苷元的质量浓度达到0.125 g/L时,其对α-葡萄糖苷酶的抑制率达到66.53%,在质量浓度达到0.5 g/L时,其抑制率达到94.66%;而用于控制血糖的药物拜糖平质量浓度达到50 g/L时,其抑制率仅为76.84%,在后续的动物实验中还发现,常春藤皂苷元可促进胰岛素的分泌,使得胰高血糖素含量降低,肝糖原及肌糖原含量增加。

在另一项关于常春藤皂苷元降血糖方面的研究中发现其对肝糖原有明显的促进作用,有效抑制了小鼠的糖异生[31]。信学雷等[32]从黑种草(Nigellaglandulifera)中提取的常春藤皂苷元还能够作为蛋白酪氨酸磷酸酶1B的抑制剂,由于在2型糖尿病患者及胰岛素抵抗患者体内蛋白酪氨酸磷酸酶1B的活性会增加,因此该途径也是常春藤皂苷元降血糖的途径。

而关于无患子皂苷的降血糖作用则研究较少。有研究者以无患子的乙醇提取物为原料,大鼠为模型,进行降血糖功能的研究,结果发现:无患子乙醇提取物在禁食的正常大鼠中表现出明显的降血糖作用,且经该提取物治疗后,糖尿病症得到缓解,并且起到镇痛作用[33-34]。但该提取物中除含无患子皂苷外,还含有黄酮、生物碱、萜类化合物等物质,故并不能证明发挥降血糖作用的物质为无患子皂苷。

2.7 抑菌活性

2.7.1抗动物病原菌赵志敏等[35]利用抑菌圈实验研究发现:4种常见的皮肤致病菌大肠杆菌(Escherichiacoli)、绿脓杆菌(Pseudomonasaeruginosa)、白色念珠菌(Moniliaalbican)和黑曲霉菌(Aspergillasniger)的生长均受到无患子皂苷的抑制,且在较低的质量浓度下对黑曲霉菌和白色念珠菌就有较高的抑菌活性,总体而言无患子皂苷对真菌的抑制活性最高,抑菌效果呈现浓度依赖性,且为正相关。值得注意的是,无患子皂苷对痤疮丙酸杆菌(Propionobacteriumacnes)及红色毛癣菌(Trichophyton rubrum)最低抑菌浓度(MIC)非常低,分别为25和1.29 g/L[36]。无患子皂苷种类复杂,金秋等[37]以大孔树脂法为基础,实现不同皂苷的粗分离,再针对不同组分分别进行抑菌试验;该研究表明,除之前提到的菌以外,无患子总皂苷各组分还对巨大芽孢杆菌(BacillusmegateriumdeBary)及绿色木霉菌(Trichodermaviride)等具有很强的抑菌活性。Sun等[38]以无患子皂苷为原料,对能造成口臭的牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonasgingivalis)、产气荚膜梭状芽胞杆菌(Clostridiumperfringens)和核梭形杆菌(Fusobacterium)进行抑菌活性研究,结果表明:无患子皂苷对这3种菌均有抑菌活性,特别是针对核梭形芽孢杆菌,最低抑菌浓度仅为31.3 mg/L,最低杀菌浓度也仅为125 mg/L,呈现出明显的抑菌效果。

针对常春藤皂苷元在抑菌效果方面的研究也较多。刘桂娟[39]以从板栗叶中提取得到的常春藤皂苷元为原料进行MIC实验,结果表明:金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)及白色念珠菌的生长受到常春藤皂苷元的极大抑制,MIC值分别为0.016、0.064 g/L,且对变形链球菌(Streptococcusmutans)、蜡状芽孢杆菌(Bacilluscereus)、枯草杆菌(Bacillussubtilis)、产酸克雷伯菌(Klebsiellaoxytoca)均有抑制作用。

总体而言,在抑菌活性方面常春藤皂苷元与无患子皂苷对大部分革兰氏阳性菌都有抑制作用,且效果强于革兰氏阴性菌,猜测为细胞壁结构的不同造成的,且常春藤皂苷元的抑菌活性强于无患子皂苷。

2.7.2抗植物病原菌目前为止,植物病原菌依旧是影响农作物生长的重要因素,也影响着农业的经济效益,市场所售大部分杀菌剂为人工合成药剂,在杀菌的同时,会产生污染物残留,对环境造成不利影响[40]。而无患子现已被广泛用作绿化树种,来源广,且无患子皂苷对人体病原菌的抑制作用已得到多方面的证实,因此针对其抗植物病原菌活性的研究也逐渐开展起来。

经研究发现,利用乙醇对无患子种仁进行提取后,当粗提物质量浓度为0.1 g/mL时,其可对椒炭疽病菌(VermiculariacapsiciSyd)、黄瓜蔓枯病菌(Ascochytacitrullina)、小麦赤霉病菌(Gibberellazeae)、番茄灰霉病菌(Batryliscinerea)、番茄早疫病菌(Alternariasolani)、油菜菌核病菌(SclerotiniasclerotiorumBary)6种菌产生抑制作用,且菌丝抑制率为100%,对稻瘟病菌的菌丝生长抑制率也可达90%以上,当质量浓度降为0.01 g/mL时,对黄瓜蔓枯病菌及番茄灰霉病菌的菌丝抑制率依旧在25%以上;但该提取液对病原菌的孢子萌发抑制效果较差,仅对椒炭疽病菌有较强抑制作用[41]。在后续研究中还发现,无患子果皮的乙醇提取物还可对由番茄灰霉病菌、油菜菌核病菌2种菌造成的损伤进行治疗,具有治疗保护作用[41-42]。因此,可推测无患子中必定存在某种具有抑制植物病菌活性的物质。

赫文琦等[41]研究发现,无患子皂苷液能够有效抑制桉树溃疡病菌(Lasiodiplodiatheobromae)、猕猴桃腐烂病菌(Neofusicoccumparvum)、欧美杨树溃疡病菌(Lonsdaleaquercinasubsp.populi)3种菌,当皂苷液PDA培养基中无患子皂苷的质量浓度达到22.28 g/L时,对桉树溃疡病菌和猕猴桃腐烂病菌的抑菌率达到100%;当皂苷液LB混合培养基中皂苷质量浓度达到11.14 g/L时,即可实现100%抑制欧美杨树溃疡病菌。Porsche等[43]研究发现,无患子皂苷的提取液还对灰霉菌及苹果黑星病菌有抑制作用,对其菌丝体生长的抑制率可达43%和45%。总体而言,无患子皂苷在植物病菌方面也具有一定的抑制作用。

常春藤皂苷元在抗植物病原菌活性方面的研究尚未有报道,但根据研究发现,常春藤皂苷元-3-O-阿拉伯糖的抗植物病原菌活性同样较强,该物质对立枯丝核菌(Rhizoctoniasolani)的MIC为20 mg/L,对串珠镰胞菌(Fusariummoniliforme)的MIC为40 mg/L[44]。其中立枯丝核菌已被证实可危害263种植物,可引起水稻纹枯病等多种作物疾病[45]。而后者串珠镰胞菌不单单可以侵染农作物引起病害,还可产生镰孢菌素、赤霉素等毒素或直接侵染人体,对人类造成直接伤害。

2.8 抑制黄嘌呤氧化酶活性

黄嘌呤氧化酶(XO)可催化次黄嘌呤氧化为黄嘌呤并进一步氧化生成尿酸,它可导致关节炎[46]、痛风[47]。临床上,通常采用类固醇或非类固醇药物来控制,然而,长期使用这些药物,会导致很多副作用,例如乙酰水杨酸会导致胃肠道、肾脏和心血管疾病等副作用;而天然药物副作用较小,因此植物产品是理想的潜在自然疗法[48]。

Deng等[49]通过体外抑制试验证明:无患子皂苷在体外具有明显的黄嘌呤氧化酶抑制特性,其抑制效果具有浓度依赖性,当无患子皂苷质量浓度为100 mg/L时,其抑制率达到90%左右。推测其产生抑制作用的原理为无患子皂苷是由寡糖链和皂苷元组成的三萜糖苷,是一种具有很强的表面活性的两亲性产品,可以通过特殊的亲和力与酶结合[50]。且与现今应用较广的别嘌呤醇(黄嘌呤氧化酶抑制剂)对比发现,当两者质量浓度均为100 mg/L时,无患子皂苷与别嘌呤醇对该酶的抑制率均为90%左右,证明无患子皂苷能够代替别嘌呤醇,应用在医疗领域。

2.9 改善肉畜肉质

无患子皂苷在饲料领域也存在应用潜力。Bera等[51]首先利用有机溶剂提取无患子果皮,得到皂苷提取液,并通过薄层色谱法分析皂苷含量[51];再通过在肉鸡的饲料中设计添加4种皂苷水平(0、0.1、0.15、0.2 g/kg),每次提供42 d(0～42 d)和21 d(21～42 d),共计8种饲养方式,结果表明:添加了无患子皂苷的饲料(特别是0.15、0.2 g/kg)的实验组,其胸部和大腿部位的肉所含胆固醇和脂肪的含量降低,过氧化值也有明显降低;而喂料42 d后,胸部及大腿部位的肉的过氧化值又明显低于喂料21 d的实验组;同时投喂含无患子皂苷的饲料并不会引起肉鸡质量的明显改变,而脂肪的减少,会使肌肉量相应增加,从而提高鸡肉品质,且生产经济成本并无明显变化[51]。在文献[52]研究的基础上,经作者进行变化率的计算后得到表4,由表4可知,投喂无患子皂苷后,可以改善肉鸡的体液免疫反应,雄肉鸡的血清睾丸激素、精浆睾丸激素、精液量、运动比、活精子比例都有显著提升,可明显增强其生育能力,且效果随皂苷含量的增加而增强[52-53],由此可见,无患子皂苷在肉鸡繁殖领域有较大应用空间。

表4 皂苷对肉畜肉质的影响Table 4 Effects of saponins on meat quality of meat animals

3 结语与展望

本文对无患子皂苷及常春藤皂苷元的生物活性差异进行了比较。大量研究表明,无患子皂苷与常春藤皂苷元虽都具有广泛的活性,但它们之间存在较大差异。从二者结构的差异可推测出,其生物活性存在差异的原因为无患子皂苷除齐墩果烷型外,还具有达玛烷型、大戟烷型等其他类型,故其拥有常春藤皂苷元所没有的活性;同时齐墩果烷型无患子皂苷是在常春藤皂苷元的基础上引入不同侧链形成的,由于引入侧链的影响,有可能使其拥有比常春藤皂苷元更强的活性。但是,诸如体内抗氧化、抗炎等活性需要常春藤皂苷元的五环三萜类结构,而无患子皂苷由于具有多种类型,导致其五环三萜类物质浓度不及常春藤皂苷元,从而使得无患子皂苷在某些活性方面不如常春藤皂苷元。

近年来,针对天然产物方面的研究逐渐发展起来,而无患子由于其广谱的药理作用受到越来越多的关注。在梳理其内部两大活性成分在各方面差异的基础上,有利于更加合理地利用无患子,使开发的产品更具针对性和高效性。同时未来应加大研究力度,在无患子皂苷方面,应详细分析其多种结构,进一步探究其结构与功能间关系;在常春藤皂苷元方面,应寻找更加高效的提取方法以快速分离出高纯度的常春藤皂苷元。针对无患子的研究将对人类的健康事业发挥更大的作用。