葛根异黄酮组成、结构及功效机制研究进展

曾文燊，黄达荣，谢斯威，杜 冰，黎 攀,*

（1.华南农业大学食品学院，广东 广州 510642；2.华南农业大学数学与信息学院，广东 广州 510642）

葛根是豆科（Leguminosae）葛属（Pueraria）植物的膨大干燥根，在《神农本草经》中被列为中品[1]，是我国药食同源名录中一味重要的原料。葛根主要分布在我国广东、江西、广西等南方省份，其中广西为我国著名的“葛根之乡”，2020年葛根种植面积达10201 hm2，产量近30万 t，拥有数十家葛根加工企业，产值达15亿 元，以葛根产品为主的新兴经济产业正在蓬勃发展[2]。葛根的根系发达、活性成分丰富，在我国应用历史悠久且应用范围广泛[3]。据《神农本草经》等传统医学典籍记载，葛根具有清热、缓解心绞痛等功效，可作为辅助手段对上述疾病进行治疗。而现代医学则认为，葛根是一种富含异黄酮类、三萜及三萜皂苷类、香豆素类、生物碱、葛根多糖等多种活性成分的中草药食品（表1）[4-5]。葛根异黄酮是其中的主要活性成分，已被证明具有抗氧化、解酒、抗炎、缓解骨质疏松等众多功效，并因其副作用小、来源广泛、疗效好等优点，在临床上已经广泛开展药剂学研究并被纳入心脑血管疾病等的治疗方案[6-9]。

表1 葛根主要活性成分[5]Table 1 Major bioactive ingredients from Radix Puerariae[5]

近年来，由于生活压力增加、饮食不规律等原因，人们普遍处于“亚健康”状态，肥胖、骨质疏松、内分泌失调等“现代病”患病率不断上升，这也间接促进了相关功能食品的发展，以葛根为主要成分的产品发展潜力巨大。作为传统中药材，已有许多现代药企开发出葛根岑连片、感冒止咳糖浆等众多产品[10]。食品方面，因葛根的淀粉含量高、口感独特，目前市场上也已开发出了葛根面条、鲜榨葛根饮料、葛根面包等产品[11-12]，在日常食品中添加葛根，不仅能够改善口感，也能赋予食品一定的生物活性功效，而葛根异黄酮作为葛根最重要的活性成分，对其进行深入而全面的研究具有重要的意义。因此本文将通过总结近年来国内外的相关文献，综述葛根异黄酮的活性成分与功效机制，以期为后续更多产品的开发提供思路和理论依据。

1 葛根异黄酮的组成及其结构

葛根异黄酮包含20余种有效成分，如葛根素、大豆苷、3’-羟基葛根素、大豆苷元、染料木素、芒柄花素、鸢尾苷等[13]。由于不同产地的葛根受到季节、气候、土壤环境等因素影响，各地的葛根异黄酮含量与种类均不尽相同。研究者可利用高效液相色谱、固相萃取-液相色谱-串联质谱等多种设备以及外标法、一测多评法等测定方法对异黄酮成分进行分析检测。其中野葛异黄酮总质量分数可达6.2%～17.0%，葛根素质量分数则可达到1.58%～7.68%，而粉葛的异黄酮质量分数仅为0.24%～3.67%，淀粉质量分数则达到了30.87%，因此野葛可作为中药加工葛根的重要来源，而粉葛可作为食用葛进行加工[14-16]。葛根素作为评价葛根品质的标志物，其含量在葛根异黄酮中占较大比例，《中国药典》2020版明确规定葛根原料中葛根素质量分数不得低于2.4%[17]。此外，葛根异黄酮还包括染料木素、3’-羟基葛根素、大豆苷元、芒柄花素、鸢尾苷、3’-甲氧基葛根素等。葛根异黄酮是一类植物雌激素，其中的大部分成分为大豆苷元的衍生物，即在C4位或C7位的—OH与葡萄糖、木糖等糖残基发生取代反应生成7-O-糖苷或4-O-糖苷。上述主要成分的化学结构如图1与表2所示。

图1 葛根异黄酮主要成分通式[18]Fig.1 General chemical formula of major isoflavone components from Radix Puerariae[18]

表2 葛根异黄酮主要成分[19]Table 2 Major isoflavone components of Radix Puerariae[19]

2 葛根异黄酮的功效及其作用机制

2.1 葛根异黄酮的解酒护肝功效机制

葛根中的异黄酮成分有一定的预防急性醉酒与解酒功效，且能够通过提高抗氧化酶活性，从而达到护肝效果，其解酒护肝功效在一定范围内呈剂量-效应关系[20]。酒精代谢过程中人体内生化反应如图2所示，其中乙醇脱氢酶（alcohol dehydrogenase，ADH）、乙醛脱氢酶（acetaldehyde dehydrogenase，ALDH）等是酒精代谢的重要酶，当大量酒精进入体内后ADH和ALDH无法快速代谢，造成乙醛在肝脏大量堆积的同时产生大量自由基，使得线粒体功能出现障碍，并最终导致酒精性脂肪肝等疾病[21-23]。葛根异黄酮中的葛根素、染料木素及其衍生物、鸢尾苷、鸢尾苷元、葛花素等成分的解酒护肝作用体现在其能够提高肝脏中ADH和ALDH活力，以及通过增强超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）、谷胱甘肽转移酶（glutathioneS-transferase，GST）活性等来增加自由基的清除能力，同时对酒精诱导的小胶质细胞激活产生的神经性炎症有着一定的缓解作用[24-25]。谷丙转氨酶（alanine aminotransferase，ALT）和谷草转氨酶（aspartate aminotransferase，AST）是两项评价肝功能的重要指标，Zhu He等[26]提出，经过葛根处理的酒精中毒模型小鼠，其血清中ALT、AST活性和甘油三酯（triglyceride，TG）含量显著下降。另外，酒精可直接刺激人肝星状细胞（hepatic stellate cell，HSC）形成肝纤维化细胞，影响转化生长因子（transforming growth factor，TGF）-β通路，从而导致细胞增殖、合成并分泌大量细胞外基质，是形成酒精性肝炎的重要因素。而葛根素则能够有效促进HSC的增殖，降低TGF-β表达从而抑制因乙醛导致HSC凋亡而产生的肝纤维化细胞，达到有效缓解酒精性肝病的效果[27]。

图2 葛根异黄酮解酒护肝示意图Fig.2 Schematic diagram showing the function of Radix Puerariae isoflavones in alleviating hangover and liver protection

异黄酮的糖基化取代是提高解酒护肝能力的关键。Yuan Dan等[28]的研究表明，当C6位羟基被甲氧基取代后，其解酒能力有所下降，而C7位羟基被糖残基取代后能提高其解酒能力，并抑制小胶质细胞的激活从而缓解炎症，显著缓解酒精性肝病。其分子机制在于葛根素、鸢尾苷等成分能够影响过氧化物增殖激活受体（peroxisome proliferators-activated receptors-α，PPAR-α）通路相关靶基因表达，促使乙酰辅酶A水解酶代谢乙酸形成乙酰辅酶A，提高脂肪酸的氧化水平，达到解酒护肝的功效。另外，葛根异黄酮能够抑制饮酒嗜好，减少对酒精的依赖性摄入。研究表明，经过大豆苷元和葛根素灌胃的大鼠与正常组相比，出现了明显的拒绝饮酒现象，而在停止灌胃后开始恢复饮酒嗜好[29]，但其影响机制目前尚不明确，有待研究人员的进一步深入研究。

2.2 葛根异黄酮的抗炎与抗氧化功效机制

人体因新陈代谢和生化反应失衡产生的过量自由基会造成DNA、蛋白质、线粒体等生物大分子和细胞结构的损坏，从而导致炎症、内脏疾病、心血管疾病等多种病症。因此，调控基因控制自由基过量生成对细胞正常生长修复、维持人体健康有重大意义[30-31]。

研究表明，葛根素、染料木素、大豆苷元等具有一定的体外抗氧化能力，可采用超氧阴离子自由基、羟自由基、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基清除率测定法及还原力测定法对其进行抗氧化功效评价。研究者经AB-8树脂柱纯化葛根异黄酮，其提取液成分富含葛根素、大豆苷元、染料木素、芒柄花素等，对氧化应激损伤大鼠模型进行灌胃后测定上述指标，结果显示该提取液在质量浓度为0～1 mg/mL时，抗氧化能力呈现浓度依赖性，不仅能有效清除自由基，也可促进血管内皮细胞增殖，降低肝脏丙二醛含量，显著提高大鼠血液中SOD、CAT、GST活性，防止心肌和神经细胞氧化损伤凋亡并缓解线粒体膜电位紊乱，达到抗氧化的功效[32-37]。Zhang Bo等[38]分别测定葛根及其全根的抗氧化能力（1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基清除能力），在经分离纯化后发现其根外皮所含异黄酮含量最高并显示出了最佳的抗氧化活性。

此外，葛根异黄酮能够调控促凋亡基因表达来保护细胞和生物大分子防止炎症发生。由图3可知，葛根异黄酮通过调控体内的主要炎症因子如肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）、白细胞介素（interleukin，IL）-6等进行抗炎。胰岛素激活细胞外调节蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）等信号转导通路从而引起胰岛素抵抗，进一步加剧炎症反应。葛根异黄酮能够作用于靶蛋白信号通路胞内磷脂酰肌醇激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）、p38丝裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinase，p38 MAPK）、ERK、IL-6受体（recombinant IL-6 receptor，IL6R）等促进蛋白表达，抑制铅诱导、乙醇、高强度运动等因素导致的氧化应激，从而使葛根异黄酮具有一定的保护心脏、减轻炎症、保护骨骼肌运动损伤等功效。此外，由于3’-羟基葛根素的C3位存在羟基，可通过羟基给电子和抑制过氧亚硝基阴离子介导酪氨酸硝化，具有较强的NO、活性氧（reactive oxygen species，ROS）和过氧亚硝基阴离子清除能力，而3’-甲氧基葛根素的C3位连接甲氧基，仅对NO和ROS有较好的清除活性，因此C3位羟基对抗氧化能力有很大影响[39]。这些发现表明不同结构对功效能力具有不同的影响，在治疗预防与药物开发方面可能是对抗炎症和氧化应激损伤的有效研究方向。

图3 葛根异黄酮抗炎通路示意图Fig.3 Anti-inflammatory pathways of Radix Puerariae isoflavones

2.3 葛根异黄酮的降血压功效机制

高血压的发病与体内NO水平息息相关，NO水平能够影响血管内皮细胞的收缩舒张平衡，而内皮细胞一氧化氮合成酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS）的活性则影响着NO的含量[40-42]。现阶段研究表明，葛根素能够通过调控NO含量，缓解主动脉压力增高、心肌细胞异常增生肥大及心室肥厚的症状，并介导血管平滑肌的4 个钾通道：内向整流钾通道、电压依赖性钾通道、大电导钙激活钾通道和ATP敏感钾通道，引起钾离子外流超极化，超极化导致钙通道关闭，使钙离子流入减少和血管舒张，并上调eNOS的表达来提高NO含量，达到保护内皮细胞的功效。另外研究也表明，自由基含量增多会导致低密度脂蛋白和心钠肽（atrial natriuretic peptide，ANP）含量上升，是引发高血压的重要特征，葛根素能够显著提升高血压模型小鼠体内SOD活性从而减少自由基的产生，并降低ANP的含量，达到一定的降血压效果。

目前临床上的常用降压药物主要包括非洛地平等，该药通过抑制钙离子通道，使血管扩张从而实现降压效果，其虽然具有药效长、用药方便、不影响心肌能力等优势，但长期用药容易产生耐药性及一些不良反应，因此积极寻找副作用小的药物是当前开发降血压药物的重要研究方向。通过网络药理学分析，构建相关靶点后发现葛根素可影响约30 个靶点，通过调控多基因、抑制细胞凋亡和氧化应激、扩张血管等功效来达到降血压的目的[43-45]。因此，葛根在临床上可与非洛地平等药物进行联合用药以降低药物的副作用，提高整体治疗效果。此外，对模型组与葛根组大鼠的肠道菌群进行高通量测序研究发现，红杆菌属（Rhodobacter）中的一段编码基因蛋白与人SA基因有较高的相似度，而人SA基因已被证明与高血压关联度高，因此红杆菌属丰度较高时，可促进SA基因表达，其代谢产物也促进了下游信号表达导致高血压，而链球菌属（Streptococcus）的代谢终产物醋酸是引发动脉高血压的诱因，梭菌属（Clostridium）的代谢终产物则是促使降压的部分短链脂肪酸，而葛根素在肠道吸收过程中则能够提高上述菌群在肠道的丰度从而起到降压的功效[46-47]。目前关于葛根降血压功效成分仅对葛根素进行了研究，而其他异黄酮成分还有待深入阐明。

2.4 葛根异黄酮的降血糖功效机制

糖尿病是一种慢性代谢疾病，通常会伴随着心脑血管、肝、肾等多脏器疾病，在糖尿病人中以2型糖尿病（diabetes mellitus type 2，T2DM）为主。由于目前临床上的抗糖尿病药物疗效有限，且副作用大，因此从植物原料寻求新型药物成为一个新的研究热点[48-52]。

Nawaz等[53]研究表明，葛根异黄酮能通过增加葡萄糖摄取量和葡萄糖耐量，抑制糖尿病相关蛋白的mRNA表达来达到降血糖的功效。如图4所示，葛根异黄酮调控糖尿病主要信号通路为晚期糖基化终末产物（advanced glycosylation end products，AGEs）-晚期糖基化终末产物受体（receptor of AGEs，RAGE）、叉头盒蛋白（forkhead box，FoxO）、MAPK和PI3K-AKT等，包括核因子（nuclear factor，NF）-κB、TGF-β等多个靶蛋白。同时，T2DM同样使血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）水平异常，从而导致细胞炎症、血管损伤和胰岛素抵抗[53-54]。葛根素、染料木素、大豆苷元等异黄酮成分能够调控上述信号通路，同时抑制乙酰辅酶A羧化酶（acetyl CoA carboxylase，ACC）、重组人胎球蛋白（Fetuin B）、蛋白酪氨酸磷酸酶（protein tyrosine phosphatase，PTP）-1B等蛋白表达来调控胰岛素信号通路，抑制胰岛素抵抗，并作用于PPAR-γ等受体位点使其激活胰岛素产生并合成糖原，从而使葛根具有良好的降血糖功效[55-61]。另外，Wu Ka等[62]的研究指出，胰岛素受体底物（insulin receptor substrate，IRS）-1和胰岛素样生长因子（insulin like growth factor，IGF）-1在代谢和胰岛素敏感性信号转换中起着关键的生物学作用，葛根素疗法能够提高缺血再灌注损伤小鼠IRS-1和IGF-1的蛋白表达水平，逆转糖尿病模型小鼠中出现的胰腺细胞损伤，降低血糖、血清尿素和肌酐含量，优化胰岛素信号通路，从而达到降血糖的目的。此外，Srivastava等[63]的研究显示，葛根素在一定剂量范围内能显著降低小鼠二肽基肽酶-IV（dipeptidyl peptidase-IV，DPP-4）活性，防止DPP-4分解血浆胰高血糖素样肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1），而GLP-1对于刺激胰岛素生成、促进胰岛细胞生长、降低糖负荷有显著的作用，因此研究异黄酮对GLP-1的活性影响能够为T2DM治疗提供重要的参考。综上，葛根异黄酮类物质在应用T2DM患者治疗中表现出了较好的研究前景，为糖尿病治疗与相关药物开发提供的新的思路与解决方案。

图4 葛根异黄酮抗糖尿病通路示意图Fig.4 Antidiabetic pathways of Radix Puerariae isoflavones

2.5 葛根异黄酮的降血脂、抗心脑血管疾病功效机制

血脂的异常是导致心脑血管疾病的病理基础和主要病因，其特征为动脉血管因脂质异常沉积导致内层膜呈现厚灶型斑块，进而硬化堵塞血管形成血栓甚至导致血管破裂形成动脉粥样硬化，最终伴随着免疫炎症反应导致诸如脑卒中等各类心脑血管疾病[64-66]。目前研究表明，葛根素、葛花苷、鸢尾素等能够减少eNOs、COX等相关促炎症因子的mRNA表达，避免单核细胞在多种细胞黏附分子的作用下与其他免疫细胞迁移到内皮细胞下，减少免疫反应促使炎症因子释放[66-70]，同时减少单核细胞分化成巨噬细胞吞噬胆固醇，形成泡沫化细胞导致焦化，抑制脂多糖诱导NO的生成和缓解线粒体DNA功能障碍，减少血脂水平，对脑内炎症或是胃肠型炎症均有一定的缓解作用[71-76]。Min等[77]采用高脂饲料诱导高脂小鼠模型，经灌胃葛花苷和鸢尾素干预有明显的降血脂效果，其作用机理是葛花苷和鸢尾素能够促进3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶合成胆固醇限速酶，而胆固醇限速酶能够有效降低TG和胆固醇含量，对心血管系统具有较好的改善作用。综上，目前相关研究均侧重于血管内血脂水平、线粒体功能、炎症与心血管疾病关系来开发更多有效的治疗方案，而葛根作为一种重要的植物原料为相关药物开发提供了可能。

2.6 葛根异黄酮缓解绝经后骨质疏松症功效机制

绝经后骨质疏松症（postmenopausal osteoporosis，PMO）是一种因卵巢功能障碍、雌激素水平下降等因素导致骨重塑性不平衡，进而引起以骨结构退化和骨质流失等为主要特征的疾病[78-80]。研究指出，PMO的发病机制在于成骨细胞中的NF-κB受体因子（Rank）、Rank配基（RankL）与骨保护素相关通路能够影响破骨细胞与成骨细胞的骨形成和骨吸收平衡，而葛根素能够调控上述通路从而影响相关细胞发挥功能缓解PMO[81-82]。另外，葛根素能够通过调控血清雌二醇（estradiol，E2）和雌激素受体α（estrogen receptor-α，ER-α）蛋白表达来改善子宫功能，其中E2是一种雌激素，而ER-α蛋白则是诱导子宫肌肉运动和阴道上皮细胞增殖的重要蛋白，提示葛根素能够起到植物雌激素的调节功效。骨形成与骨吸收的平衡水平可利用骨转换标志物和血清素进行评估[83-84]。Lee等[85]的研究指出，去卵巢小鼠在经过葛根素处理后，其显著抑制了骨转换和血清素水平的上升，同时也提高了血液中钙、磷水平，进一步验证了葛根素对PMO的缓解作用。目前临床上所使用的雌激素替代疗法（estrogen replacement therapy，ERT）虽然能够缓解因雌激素下降导致的PMO，但长期使用仍然会导致一些诸如宫颈癌、血栓等疾病[86]。而葛根素作为一种具有雌激素样作用的成分，能够对雌激素调节产生积极作用的同时避免ERT疗法产生的副作用[87-88]。因此，研究诸如葛根素等具有雌激素样作用的异黄酮成分对开发更多副作用更低的PMO治疗方案有非常积极的作用。

2.7 葛根异黄酮改善认知障碍功效机制

阿尔茨海默症（Alzheimer’s disease，AD）是一种慢性神经退行性疾病，通常伴随认知能力下降、脑内神经炎症和睡眠障碍等多种发病特征。如图5所示，AD是由于淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein，APP）的异常水解形成β淀粉样蛋白（amyloid β-protein，Aβ），造成对神经细胞的损伤和线粒体、糖脂代谢功能障碍，最终导致大脑神经系统受损[89-91]。而葛根素能够降低Aβ对神经细胞的抑制作用，减少脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）、反应元件结合蛋白（cyclic-AMP response binding protein，CREB）的损失从而达到保护神经系统的目的，同时也会抑制ROS诱导的线粒体氧化应激，促进线粒体功能恢复，减轻氧化损伤并抑制细胞凋亡，其能够调控细胞凋亡蛋白，抑制APP被β-分泌酶和γ-分泌酶水解聚集形成具有神经毒性的胞外蛋白片段Aβ40-42，疏通钙离子通道防止失衡，并通过调控糖原合成酶激酶-3（glycogen synthase kinase 3，GSK-3）、细胞周期素依赖蛋白激酶5（cyclin-dependent kinase 5，CDK5）、PKC、ERK等激酶产生Tau蛋白的过度磷酸化，从而防止神经原纤维缠结的发生以及神经元的凋亡，上述通路均对神经细胞和线粒体内外功能稳定有着重要的影响[92-93]。另外，胱天蛋白酶（cysteine aspartic acid specific protease，Caspase）-3和Caspase-9也被证实是促进神经元凋亡的重要因素，葛根素则能够起到抑制Caspase-3和Caspase-9活性的作用，从而保护神经元。综上，葛根异黄酮能够通过调控氧化应激通路，抑制细胞凋亡基因表达，保护线粒体功能和神经元，从而达到缓解AD病症的功效[94-97]，但由于AD的潜在发病机制不明确，仅有APP的异常水解和神经纤维缠结两种主要假说。因此对该病的研究仍然需要集中于机制与特效药物的开发。

图5 葛根异黄酮改善认知障碍通路示意图Fig.5 Schematic diagram of the pathway by which Radix Puerariae isoflavones alleviate cognitive impairment

2.8 葛根异黄酮改善癫痫功效机制

癫痫（epilepsy，EP）是一种常见于脑部、由于神经元的反复突发性放电导致大脑功能障碍的神经退行性慢性疾病，目前的研究表明，颅内感染引发炎症与大脑皮质兴奋性失衡对EP发展有较大关系。颅内感染引发EP的机制尚不明确，但可推测其与IL-6、TNF-β等促炎细胞因子的生成有关，从而导致脑部神经系统的损伤[98-100]。

葛根素能够通过调节炎症信号通路PI3K/AKT/GSK来改善氧化应激和炎症，从而缓解EP。对脑灌注再缺血性损伤小鼠模型灌胃一定剂量葛根素后，可发现其发病频率与发病时间分别显著下降和缩短，病理学分析结果表明小鼠血清中的IL-6、TNF-α、NF-κB等促炎因子含量下降，SOD水平提高，脑组织中NO含量以及eNOS活性降低，最终通过抑制氧化应激和炎症达到缓解EP的功效[101-102]。另外，Xie Nanchang等[103]的研究显示，对EP模型大鼠灌胃葛根素后，其体内线粒体膜电位显著恢复，促凋亡蛋白Bax表达水平下降而抗凋亡蛋白Bcl-2表达水平上升以及细胞色素c的产生受到抑制，从而抑制了Caspase-3表达，达到防止神经细胞凋亡、改善大脑皮质兴奋性失衡的目的，缓解EP症状。目前临床上常用的抗EP用药以苯二氮卓类化合物为主，其虽能迅速对EP起到一定的缓解作用，但因EP患者需要长期用药，该过程中易产生耐药性，导致长期用药效果下降，因此寻求更加有效且不易产生耐药性的药物成为当前治疗EP的重要研究方向[104]。而葛根作为食药同源的植物原料，其低毒、高效的特性正在为逐渐受到重视，为治疗EP和相关临床药物的开发提供新的思路和途径。

3 结语

葛根异黄酮是葛根中最重要、含量最丰富的活性成分，对其进行研究开发具有深远的意义。目前相关研究集中于葛根素、染料木素、大豆苷元等主要成分提取工艺优化与功效评价等基础性分析，而对于其他葛根异黄酮成分的分析则存在研究不透彻、机制尚不明确等问题。作为食药同源原料，葛根的生物活性是当前研究的热点，但目前关于葛根异黄酮对肠道菌群影响的研究较少，未来这一方向的研究会逐渐成为热点。逐步优化葛根异黄酮活性成分提取分离工艺，在现有葛根方剂与产品的基础上开展临床试验等将有助于葛根新产品的开发。