山药活性成分及营养功能研究进展

崔艺钒，张璐佳，丰 宇，陈 芳

（中国农业大学食品科学与营养工程学院 国家果蔬加工工程技术研究中心农业部果蔬加工重点实验室 教育部果蔬加工工程技术研究中心 北京 100083）

山药（Chinese yam，CY）又称薯蓣、土薯、薯药等，为薯蓣科 （Dioscoreaceae） 薯蓣属（Dioscorea L．）植物薯蓣（Dioscoreaopposita Thunb.）[1]。我国是山药的原产地，自夏、商开始种植[2]，目前形成东北、华北、西北、华中华东、华南5 个产区，其中河南省种植面积达到7 万hm2[3]。山药味甘性平，归脾、肺、肾经[4]，主要功能成分包括多糖、多酚类化合物、皂苷、尿囊素等[5-6]。本文根据近5年研究，综述山药组成成分的理化性质，功能活性及作用机制，并预测其应用前景，为其作为药食同源性食品的研究提供理论依据。

1 山药主要活性成分研究

山药营养物质丰富，以古怀庆者（今河南焦作）最佳。如表1所示，以铁棍山药和普通山药为例，显示其营养成分的占比[7]。山药中活性物质有多糖、多酚、磷脂、山药素（I、II、III、Ⅳ、V）、盐酸山药碱、槭素Ⅱ、多酚氧化酶等，包括皂苷、尿囊素、多巴胺、胆甾醇、β 谷甾醇、麦角甾醇、菜油甾醇等多种有机化合物，另外含有维生素C、微量元素I、Ca、Fe、P[3，8-9]。

表1 山药的主要营养组成（%）Table 1 Main nutrient composition of Chinese yam（%）

近年来，国内外的研究主要集中在多糖、多酚、薯蓣皂苷、尿囊素等物质上，这些化学成分决定山药的营养价值和作用活性。山药多糖（Chinese yam polysaccharide，CYP）的干粉含量约为7.4%～13.5%[10]，主要由甘露糖、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖、半乳糖及少量岩藻糖组成[11]。其组分随提取条件的不同存在差异，低温浸提得到的多糖主要由甘露糖组成，高温煎煮得到的多糖主要由葡萄糖组成[12]。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。

多酚是山药中重要的抗氧化物质，含量约为0.08%～0.11%[13-14]。研究发现，总酚含量由多至少依次为白肉山药>红肉山药>黄肉山药，而且肉色越深山药的总酚化合物含量越高。由于总酚由类黄酮、酚酸和单宁这3 种酚类化合物构成，研究山药生长中多酚含量变化，发现类黄酮是最主要的酚类物质，占到六成以上，主要由花青素和黄酮醇构成[15]。紫山药（Dioscoreaalata）的肉质部和表皮均含有较多类黄酮化合物等酚类抗氧化物质，并且山药皮中含量较高[16]。

薯蓣皂苷（Diosgenin，DG）由螺甾烷型的薯蓣皂苷元和糖链以糖苷键相连，分子结构如图1所示，在山药干粉中占0.6%～1.0%[17]，在皮中含量最高[18]。近年来，关于薯蓣皂苷的功能性研究主要集中在调节免疫、抗肿瘤、抗炎镇痛、保护胃肠黏膜等方面。此外，在山药小分子活性成分的研究领域，以尿囊素（Allantoin）、胆碱（Choline）的研究居多[5]。尿囊素是咪唑类化合物，分子式为C4H6N4O3，分子结构如图1所示。尿囊素是山药主要的有效成分之一，占比在0.9%～1.0%之间，其含量在山药及其产品的质量评价上起着重要指标作用[17]。

图1 山药活性物质（薯蓣皂苷和尿囊素）的分子结构Fig.1 Molecular structures of Chinese yam active constituents （diosgenin and allantoin）

2 山药的营养功能研究

山药气味平和，温补而不骤，微香而不燥，是中医常用的一味健脾补气良药[19]。关于山药营养功效始载于《神农本草经》，称“能补虚赢，益气力，久服耳目聪明，轻身延年”。《本草纲目》将其概括为“益肾气，健脾胃，止泄痢，化痰涎，润皮”五大功用[5]。

2.1 调节免疫

如表2所示，CYP 可提高T 淋巴细胞增殖能力和 NK 细胞活性，同时促进白细胞介素2（Interleukin-2，IL-2）、肿瘤坏死因子（Tumor necrosis factor α，TNF-α）、干扰素-γ（Interferonγ，IFN-γ）、主要组织相容性复合体（Major histocompatibility complex，MHC）水平升高[20-23]。除了增强体液免疫，CYP 还能促进吞噬细胞向M1型极化，激活其吞噬能力，增强细胞免疫功能[24]，其中作用机制包括调节Toll 样受体4 （Toll like receptor 4，TLR4）-核因子κB（Nuclear factor κB，NFκB），促进细胞外信号调节蛋白激酶（Extracellular -signal regulated protein kinase，ERK）、c-Jun N 末端蛋白激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）、p38 丝裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinase，p38） 磷酸化，激活丝裂原活化蛋白激酶（Mitogen-activated protein kinase，MAPK）途径[25]。除此之外，可以缓解卡介苗和脂多糖 （Lipopolysaccharide，LPS） 诱导的肝指数、脾指数降低[26]。

表2 山药免疫功能研究现状Table 2 Research status of immune function of Chinese yam

低剂量薯蓣皂苷治疗可以促进抗菌肽（Antimicrobial peptide，AMP）表达，上调AMP 相关基因如β-防御素（β-defensin）、RegIIIγ，增强肠上皮细胞（Intestinal epithelial cell，IEC）增殖，从而激活免疫；而高剂量薯蓣皂苷可以减少促炎因子和固有层单核细胞（lamina propria mononuclear cells，LPMC）水平，控制过度的适应性免疫反应。总之，薯蓣皂苷可以通过修复肠黏膜屏障，发挥肠道免疫功能[27]。

此外，研究显示饲喂山药皮能够提升肠道酶活性和抗炎水平，增加短链脂肪酸 （Short-chain fatty acids，SCFAs）含量，抑制肠道病原体生长。作为水产养殖饲料添加剂，提升鲤鱼免疫力[6]。

2.2 抗炎

体内炎症反应与阿尔兹海默症（Alzheimer's disease，AD）、炎症性肠病（Inflammatory bowel disease，IBD）、动脉粥样硬化、肥胖等慢性疾病的发生息息相关[29]。如表3所示，山药全粉明显上调碳酸酐酶活性，下调iNOS、COX-2、IL-1β、IL-6、TNF-α 等炎症因子水平，对炎症有干预效果[30]。山药皮提取物可以显著降低一氧化氮（Nitric oxide，NO）、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（Granulocyte -macrophage colony -stimulating factor，GM-CSF）的表达，促进p65 核位移，并且抑制ROS 产生，通过转录因子NF-E2 相关因子2（Nuclear factor （erythroid-derived 2）-like 2，Nrf2）核位移，上调下游抗氧化酶，如血红素加氧酶（Heme oxygenase，HO）-1、腺嘌呤二核苷酸醌氧化还原酶（NADPH quinine oxidoreductase，NQO）-1[31]。

表3 山药抗炎功能研究现状Table 3 Research status of anti-inflammatory function of Chinese yam

进一步发现，山药中主要抗炎成分为多酚类物质和皂苷类物质，山药皮中的多酚成分包含没食子酸、阿魏酸等[32]。体外实验结果证明，山药多

酚能够促进神经生长因子 （Nerve growth factor，NGF）表达，抑制NO 水平，主要作用机制为抑制JNK 信号通路[14，33]。紫山药（Dioscorea alata）中的花青素可以降低小鼠体内促炎因子水平，改善氧化应激，提升一系列紧密连接蛋白（Tight junction protein 1，ZO-1）水平，维护屏障完整[16]。薯蓣皂苷的抗炎机制是通过抑制蛋白激酶（Casein kinase，CK）-2，激活JNK、NF-κB，激活子蛋白（Activator protein，AP）-1，抑制巨噬细胞分泌炎性因子，并且可以促进脂肪细胞分化，抑制肥胖诱导的炎症[34]；抑制Toll 样受体 （Toll-like receptors，TLR）TLRNFκB 信号通路，缓解帕金森症（Parkinson's Disease，PD）诱导产生的运动障碍及炎症[35]；在过敏小鼠体内增强肠道T 细胞免疫，消除体内过敏原，发挥抗炎作用[36]；阻断IKKβ/IRS-1 通路，改善内皮紊乱及胰岛素抵抗，通过MAPK/Akt/NFκB 信号通路缓解动脉粥样硬化病变相关炎症[37]。

2.3 改善胃肠屏障

山药具有健脾补虚，治疗肠胃失调，促进消化的功效。如表4所示，山药组分能够有效缓解抗生素诱导的体重降低，增强胃肠蠕动，使宿主代谢表型趋于正常，从而改善肠道失调[4]。另外，还可以预防急性胃溃疡，其机制与氧化应激作用有关[38]。

表4 山药改善胃肠屏障功能研究现状Table 4 Research status of beneficial gastrointestinal barrier function of Chinese yam

CYP 能显著抑制脾虚小鼠胃排空（Gastric emptying，GE）及小肠推进（Small intestinal propulsion，SIP），促进小肠吸收[39]。胃肠激素又称脑肠肽，其水平与肠道蠕动及传输密切相关。将CYP 与双歧杆菌结合制备微生态调节剂，可以改善胃肠道对水和电解质的运输能力，调节脑肠肽水平[40]。CYP 还能够上调有益菌，下调有害菌，改善菌群多样性，增加SCFA 生成[41]。CYP 可以调节脾虚小鼠体内环氧化酶2 （Cyclooxygenase-2，COX-2）、诱导性一氧化氮合酶 （Induced nitric oxide synthase，iNOS）、IL-1β、IL-6、TNF-α 的 表达。综上所述，CYP 主要通过增强机体免疫，调节炎症因子水平及相关激素酶活，维护肠道屏障完整性，达到治疗胃溃疡，调节肠道菌群的作用[42]。

临床采用尿囊素铝治疗胃炎及消化性溃疡患者，研究表明，尿囊素具有抗刺激物，消炎抑菌，生肌作用，可用于胃及十二指肠溃疡，能够减轻有害物对胃黏膜细胞的损伤，保护胃肠黏膜[43]。

2.4 调节糖脂代谢

山药具有调节糖脂代谢的功效。山药中抗性淀粉可以减缓餐后血糖效应，其中，黏液蛋白也发挥了降血糖的功效[5]。如表5所示，CYP 能提高己糖激酶（Hexokinase，HK）、琥珀酸脱氢酶（Succinate dehydrogenase，SDH）活性，降低血清总胆固醇（Total cholesterol，TC）、甘油三酯（Triglyceride，TG）、低密度脂蛋白胆固醇（Low density lipoprotein cholesterol，LDL-C）、丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量，增加高密度脂蛋白胆固醇（High density lipoprotein cholesterol，HDL-C）含量[32，47-48]。除此之外，CYP 显著增加胰岛细胞存活率，促进抗凋亡基因bcl-2 的表达，上调胰岛素受体 （INSR）、胰岛素受体底物（Insulin receptor substrate，IRS）、磷脂酰肌醇3 激酶（Phosphatidylinositol 3kinase，PI3K）水平，改善胰岛素分泌[10，49]。并且协同抗氧化作用，激活超氧化物岐化酶（Superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（Catalase，CAT）、GSH-Px，发挥降血糖、血脂的功能[42，50]。

表5 山药调节糖脂代谢功能研究现状Table 5 Research status of regulating glucose and lipid metabolism function of Chinese yam

山药中的尿囊素具有抗氧化作用，能够降低肌酐（Creatinine，Cre）、血尿素氮（Blood urea nitrogen，BUN）、尿酸（Uric acid，UA）、碱性磷酸酶（Alkaline phosphatase，ALP）等肾脏功能相关酶活性，保护肝脏和肾脏。并且改善胰岛β 细胞形态功能，促进胰高血糖素样肽-1 （Glucagon like peptide-1，GLP-1）释放，有效治疗糖尿病[51]。

薯蓣皂苷在动物水平上可以有效缓解高胆固醇饮食诱导的高胆固醇血症。其作用机制为增加胆汁分泌，缓解氧化应激引起的DNA 损伤，降低血浆和肝脏中TC 水平，从而抑制胆固醇吸收[52-53]。

2.5 抗氧化

体内外实验证明，山药具有抗氧化及抗衰老活性。如表6所示，CYP 具有还原性和自由基清除活性，可以下调促凋亡蛋白Bcl-2 相关X 蛋白（Bcl-2 assaciated X protein，Bax）水平[54-55]。此外，CYP 通过调节p53/p21 衰老基因相关通路，抑制神经细胞缺氧性凋亡和大肠杆菌生长[56]。数据显示，CYP 呈剂量依赖型，可调节血清、肝、脑、心、脾等组织的氧化应激，抑制脂质过氧化（Lipid peroxidation，LPO），降低过氧化物酶（Peroxidase，POD）、活性氧（Reactive oxygen species，ROS）和三磷酸腺苷（Adenosine triphosphate，ATP）相关酶的活力水平[57]。抗氧化机制是通过清除自由基，调节系统相关酶活力，抑制衰老基因表达而实现。山药低聚糖也能够清除自由基，实现抗氧化功效[8]。

表6 山药的抗氧化功能研究现状Table 6 Research status of antioxidation function of Chinese yam

山药中含有的多酚类物质具备强还原性，其酚羟基既能与蛋白质结合，又能与金属离子发生螯合作用，并且可以清除体内自由基，抗脂质过氧化，调节胞内氧化应激[58-59]。

薯蓣皂苷对心肌梗塞模型鼠的治疗与其抗氧化作用密切相关，它通过提高GSH、SOD、CAT、GSH-Px、谷胱甘肽还原酶（Glutathione reductase，GR）的活性，减少红细胞和淋巴细胞DNA 损伤，同时清除自由基，缓解氧化应激[60]。

2.6 其它

除上述提到的营养活性以外，山药的功能还集中体现在抗肿瘤免疫[29]，改善认知，增肌，促进愈合[61]以及雌激素样作用[62]等方面，研究现状如表7所示。

表7 山药的其它营养功能研究现状Table 7 Research status of other nutritional functions of Chinese yam

薯蓣皂苷对黑色素瘤细胞、结直肠癌、前列腺癌、乳腺癌、肝癌等多种癌细胞具有细胞毒性[62]。体外通过抑制肿瘤细胞增殖，诱导凋亡及氧化反应，发挥抗肿瘤作用；体内可改变肠道菌群的组成，程序性死亡受体1 （Programmed cell death protein1，PD-1）抗体治疗可增强这一功效，证明山药能提高抗肿瘤免疫活性[63]。

除此之外，薯蓣皂苷能够显著改善衰老引起的认知障碍，增强体内抗氧化酶活力[64]。薯蓣皂苷处理能增强AD 小鼠的认知功能，减少大脑皮层和海马区淀粉状斑块和神经元纤维节，还可以外源激活1，25D3-MARRS/PDIA3/ERp57 通路，触发轴突生长，靶向治疗AD 等神经退行性疾病[65]。抗老化是薯蓣皂苷新开发的功能活性，可以促进人类皮肤DNA 合成，溴脱氧尿苷的摄取，提高细胞内环磷酸腺苷cAMP 水平，说明薯蓣皂苷可以用于老化皮肤上角化细胞增殖修复，且具有安全性[66]。

据报道，山药中的尿囊素可以促进未成熟小鼠子宫指数升高，增加雌二醇（Estradiol，E2）、促卵泡激素（Follicle-stimulating hormone，FSH）等雌性激素水平[61]。临床数据显示，尿囊素可以改善肌肤，促进健康组织细胞再生，软化角质层蛋白，形成弹力的瘢痕表面，对鱼鳞病、手足皲裂等多种皮肤病都有一定改善作用[67-68]。

总结上述文献得出，山药中活性成分能够通过NF-κB、MAPK、AMPK、Akt、p53、Nrf2 等分子靶点，影响下游基因表达，调节细胞因子和氧化还原酶活力，清除自由基及过氧化物，改善血糖水平，发挥免疫、抗炎、调节糖脂代谢、抗氧化等作用。其具体的分子机制如图2所示。

图2 山药营养功能的作用机制Fig.2 Molecular mechanism of nutritional function of Chinese yam

3 展望

综上所述，山药资源有巨大的经济价值，近年来，国内外对山药营养功能的研究大部分集中于体外水平和动物水平，山药对人体生理的调节机制研究不甚明确[73]。山药成分复杂，其特征组分结构尚不清晰，未来应该进一步明确山药多糖、多酚的结构组成。此外，利用多组学技术阐明山药活性成分对人体保健的作用机制，靶向干预各类慢性疾病，响应“精准营养”的理念，将成为山药营养研究的主要趋势。

目前，新型冠状病毒肺炎（Novel coronavirus pneumonia，NCP）疫情依旧严峻，免疫力低下是易感人群的一大特征，NCP 主要侵犯的器官是肺和脾[74]。通过食疗提升机体免疫力，从而达到预防NCP 的功效，不失为良策。山药作为一种药食同源食材，在中医上常用于治疗脾胃虚弱，食少倦怠、营养不良、虚劳咳嗽等症状[2]。由此可见，将山药开发成新型天然安全的免疫增强剂具有很大的研究价值。