紫背天葵的功能活性成分及产品开发研究

张文展，肖 和，刘定荣，邱小林，李 萍

(南昌理工学院，江西 南昌 330044)

“天问一号”火星探测器顺利抵达火星和 “祝融号”火星车成功登陆火星是中国航天事业发展的一大进步。下一步中国航天的重要任务便是正在建设的有航天员长期驻守的中国空间站。而航天食品是航天员在空间站特殊环境下长期生存的基本保障。开发出能够为航天员提供良好营养和保健功能，且便于太空携带、长期保存和抗辐照的航天食品是中国航天事业发展面临的一项重要课题。且随着飞行时间的延长，其重要性越发凸显。航天食品是一种供航天员在执行空间飞行任务过程中食用的，具有保健功能的食品，是结合航天员在太空中的口味和消化吸收能力，以及特殊进食方式而研制生产的。它要保证航天员在失重、辐照、生存空间狭窄和其他环境突变情况下身体机能的正常运转，同时确保航天项目的顺利开展[1-2]。

紫背天葵是井冈山和樟树等地区著名的野菜和经济农作物，具有良好的食用和药用价值[3]。相关药学实验表明，紫背天葵中含有丰富的营养素和生物活性物质[4]，具有清热解毒、活血止血、降血压、抗病毒等功效[5-6]。将紫背天葵制作成蔬菜粉或提取液应用到航天食品中，利用人体协同吸收紫背天葵中维生素K和钙元素，对解决航天员和老年人的钙流失等关键问题具有重要意义[7]。本文以井冈山等地区特有的紫背天葵为研究对象，对紫背天葵中所含的元素、化学成分，蛋白质、维生素和重金属离子等进行了检测与分析；探讨了紫背天葵中维生素K和Ca元素之间的协同吸收作用。优化了紫背天葵乙醇提取物提取条件，对其化学成分和抗氧化活性进行研究。在此基础上研制了紫背天葵航天食品，为开发出以紫背天葵为原料的绿色航天食品提供技术支持和依据。

1 紫背天葵资源及营养价值研究

紫背天葵是秋海棠科的多年生无茎草本植物[8]。在江西、广东、海南、福建、四川和东南亚等地均有分布，其中生长在井冈山地区的紫背天葵被当地人称为红军菜。目前紫背天葵药材品种来源一共有5个品种，分别是：紫背天葵、观音苋、紫背天葵草、天葵和野海棠[3]。

井冈山地区野生紫背天葵属于典型的阴生酸性土植物，周围环境会严重影响其生存状况。近些年，由于人类活动及气候变化等原因导致野生紫背天葵濒临灭绝，因此人们开始采取迁地保育和人工仿野生栽培等措施来缓解紫背天葵野生资源的减少。为了更好的种植和培育紫背天葵，在温控大棚里利用无土栽培技术培育了紫背天葵，以便比较室内和室外种植紫背天葵的效果。经过对比发现，室外种植基地和智能温控大棚中培育的紫背天葵均长势良好。

紫背天葵属于药食同源植物，含有非常丰富的微量元素和其它营养成分，具有很高的营养保健价值。研究表明，其中总氨基酸质量分数达13.03 %，必需氨基酸占总氨基酸的44.13 %，且含有人体所必需的12种无机元素和7种微量元素[9]，还有含有丰富的黄酮类物质、皂苷、有机酸、B族维生素和其他多种化学成分及微量元素等[10-12]。此外，紫背天葵水浸出液中含有较丰富的铁、锰、钠、镁、铝、钾等金属元素[13]。

空间飞行对生物体的显著危害之一是空间辐射。水果和蔬菜中的天然抗氧化剂、Ω-3脂肪酸、多酚类物质，甚至是植物的膳食纤维都可以预防或改善空间辐射造成的伤害。前苏联曾应用沙棘和葡萄籽提取物开发出具有抗辐射功能的航天食品[14-15]。多酚类物质是植物重要的次生代谢产物，具有抗氧化、抗辐射、抗病毒、降血糖和降血脂等多种生物活性[16-17]。紫背天葵乙醇提取物中含有丰富的多酚类物质，可以发挥出较好的抗辐射和抗病毒作用。

2 紫背天葵元素及成分分析

根据食品相关国标测定方法，测定了紫背天葵中核黄素成分、维生素K1、元素、水分、灰分、脂肪、蛋白质、硫胺素和维生素C等含量；此外还根据进出口食品中砷、汞、铅、镉的检测方法(电感耦合等离子体质谱法ICP-MS，SN/T 0448-2011)测定了紫背天葵中砷、汞、铅、镉四种有毒重金属离子的含量。对紫背天葵的元素和成分测定主要采用紫外-可见分光光度比色法及原子吸收分光光度仪法。其检测结果如表1和表2所示。

表1 紫背天葵的营养成分

表2 紫背天葵中重金属含量

研究结果表明：长期的航天飞行会导致航天员出现骨钙丢失、肌肉萎缩和红细胞减少等现象。那么，航天食品就要提供充足的优质蛋白质和钙，以及适宜的钙磷比例和维生素D、K等；且飞行初期航天食品的脂肪量不宜太高，以免加重空间运动病的症状；同时，为防止心血管系统功能失调，就要求限制航天食品中钠的供给，保证钾的供给[18]。通过表1可知，相较于其他一些常见蔬菜的K元素和Ca元素的含量，紫背天葵中含有丰富的K、Ca等元素(其中每1kg紫背天葵中含有K元素：86302.61 mg，含有Ca元素：17108.08 mg)，还含有较多的蛋白质和维生素K(每100g紫背天葵中含维生素K：437.14 ug)，但紫背天葵中含有较少的Na元素和脂肪(每1kg紫背天葵中含有Na元素：231.11 mg，每100 g紫背天葵中含脂肪：0.2 g)，这与航天食品对营养的特殊要求相吻合。同时，通过表2可知，紫背天葵中重金属离子含量远小于国家标准，这说明利用紫背天葵制备航天食品具有良好的适应性。

3 紫背天葵中维生素K与Ca元素协同吸收作用

航天医学研究结果表明，长期的太空活动会影响航天员一些生理系统的正常运行，导致其机体营养吸收和物质代谢发生变化[19]。特别是在微重力环境下，航天员极易出现骨钙流失现象。这主要是在飞行期间其血清中的维生素K的浓度下降所导致的，且维生素K水平与航天员的骨健康状态呈正关系[20]。

此前有研究表明，机体维生素K参与人体蛋白质中羧基谷氨酸(GLA)的合成，如骨钙素(OC)和GLA蛋白质。且通过对不同健康人群进行调查后发现，维生素K对人体骨钙流失具有显著的抑制作用，膳食维生素K低摄入与低骨质或骨质流失增加有关[21-22]。维生素K是谷氨酸γ-羧化酶的辅酶，能够将OC中谷氨酸残基羧化成γ-羧化骨钙素，该结构对Ca2+具有独特的亲和力及络合性，能促进钙盐沉积，提高骨矿化速率[23]。因此，充足的维生素K是确保人体血液中Ca2+在骨骼上有效沉积与矿化的根本。所以航天员在飞行期间要保证充足的维生素K摄入量。从表1可以看出，紫背天葵中含有大量的Ca元素、维生素K和其他人体所必须的各种矿物质和微量元素，而维生素K又可以参与骨骼代谢，促进人体对Ca元素的吸收和矿化，防止骨髓钙流失，这是其他蔬菜不可比拟的。因此利用紫背天葵中维生素K和Ca元素之间的这种协同吸收作用，将其开发成航天食品可以缓解太空中宇航员骨骼流失问题和骨折风险。经常摄入含有丰富维生素K和Ca元素的紫背天葵的老年人、儿童和妇女也能够有效降低缺钙风险，这为紫背天葵开发应用成更加民用化的航天食品提供了一个良好思路。

4 紫背天葵酚类物质抗氧化活性研究

长期的载人航天飞行，会对宇航员和航天食品造成比较严重的空间辐射。而酚类物质是紫背天葵重要的次生代谢产物，具有多种显著的生物活性，包括抗氧化，抗辐射和抗病毒等功效[5]。在此前的研究中[24]，课题组通过单因素实验考察了乙醇体积分数、提取温度、料液比与提取时间对紫背天葵多酚提取效果的影响，并采用正交实验对紫背天葵多酚的提取工艺进行优化。实验结果表明，紫背天葵多酚最佳提取条件为：乙醇体积分数40 %，料液比1：50(g/mL)，提取温度50。C，提取时间50 min，在此最优条件下，紫背天葵多酚提取量可达 10.88 mg/g。优化所得工艺多酚提取率较高，为进一步综合利用井冈山地区的紫背天葵资源提供技术支持和理论依据，也为其更好的开发成航天食品提供了有力证据。

为了更深入研究紫背天葵提取物的化学性质和抗氧化活性，通过HPLC-Q-TOF-MS方法分析鉴定了乙醇提取物中的二十三种化合物。发现其中含有14种酚类化合物，其中包括9种多酚和5种类黄酮[25]。并采用DPPH、ABTS自由基清除和还原能力实验来评估紫背天葵乙醇提取物的抗氧化活性，将维生素C作为阳性对照组进行比较，实验结果如图1所示。尽管数据结果很难将其应用于标准的生物系统，但是该数据还是可以指示紫背天葵具有一定的抗氧化活性。如图1(a)所示，随着总酚含量的增加，紫背天葵提取物的DPPH自由基清除能力稳定增加，浓度为140 μg/mL时清除率达到90 %。在140 μg/mL条件下，ABTS自由基清除测试发现了相似的结果。紫背天葵提取物的抗氧化活性比阳性对照组维生素C弱。但是，它们在相同数量级上具有一定的可比性。如表3所示，紫背天葵提取物对DPPH和ABTS自由基清除的EC50值(清除率达到50 %的浓度)分别为44.35 μg/mL和36.36 μg/mL，而维生素C的EC50值分别为15.51 μg/ mL和5.83 μg/ mL。

图1 紫背天葵总酚提取物的抗氧化活性：(a)DPPH自由基清除测定(b)；ABTS自由基清除测定；(c)还原能力测定

表3 紫背天葵提取物和维生素C在不同抗氧化测试中的EC50值(ug/mL)

紫背天葵提取物的还原能力取决于将三价铁还原为二价铁的能力。具有还原能力的化合物表明它们是电子给体，并且可以减少脂质过氧化过程中与其抗氧化性能密切相关的氧化中间体。反应混合物的吸光度增加表明其具有更大的还原能力。图1(c)显示，紫背天葵提取物具有一定的还原能力，并且还原能力随着浓度的增加而稳定地增加。紫背天葵提取物的EC50值(吸光度达到0.5时的浓度)为36.92μg/ mL，而维生素C小于3μg/ mL。与DPPH和ABTS自由基清除测试类似，紫背天葵提取物的还原能力比维生素C的还原能力弱。

5 紫背天葵在航天食品上的开发利用

航天食品要根据合乎膳食标准的航天食谱制成，其中必须含有足够和完善的科学营养，如每天人体所需要的蛋白质、脂肪、维生素和糖等，并保证含有钙、磷、镁、钾等主要无机元素，还要含有铁、锌、硒、碘等微量元素，以及两种脂溶性维生素(维生素A和E)和各种水溶性维生素(维生素B和C等)[3]。

近年来，我国航天事业迅速发展，航天食品也逐渐朝着生产规模化、品种多样化、食用民用化方向发展。通过前面的研究发现，紫背天葵具有开发成民用航天食品的巨大潜力，为了将紫背天葵能够更好的应用在航天食品上，根据图2的技术路线，开发出了以紫背天葵为原料的绿色航天食品，在国内推出了“红军菜营养面”。

图2 紫背天葵航天食品开发路线

6 总结与展望

通过对紫背天葵的元素和营养成分进行分析鉴定，发现紫背天葵中含有丰富的K元素、Ca元素、蛋白质、维生素K，但含有较少的Na元素和脂肪，这与航天食品对营养的特殊要求相吻合；紫背天葵中维生素K和Ca元素的协同吸收作用，有利于防止航天员长期在太空飞行中存在的骨钙流失现象；同时，紫背天葵中含有多种酚类物质和类黄酮，具有良好的抗氧化性，将其开发成航天食品可减少空间辐射对航天员食品的影响；这些都表明，将紫背天葵开发成航天食品具有巨大的潜力。在此基础上，开发了一种紫背天葵营养面航天食品，为紫背天葵在航天食品上的开发利用提供了一定的思路。

在当前新冠病毒肆虐的背景下，紫背天葵可凭借其资源丰富、营养价值高，开发出各种式样的保健食品和航天食品等。还可凭借其含有的多酚和类黄酮物质的抗氧化、抗病毒能力，在医药领域方面显示出它的药用价值。

*基金项目：江西省大学生创新创业训练计划项目(S202012795005X)；江西省教育厅科学技术重点项目(GJJ161153)。