药食同源植物土茯苓不同年龄品质研究

邓丽丽，梁 惠，2，高 薇，3，胡真真，3，韦 霄，熊忠臣，史艳财*

（1.广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所，广西 桂林 541006；2.广西师范大学 生命科学学院，广西 桂林 541006；3.桂林理工大学 旅游与风景园林学院，广西 桂林 541006）

土茯苓是百合科(Liliaceae)菝葜属(Smilax)植物光叶菝葜(Smilax glabraRoxb.)的干燥根状茎，可入药，性味甘、淡、平，具有解毒除湿、强健脾胃、通利关节等功效，常用于治疗湿热淋浊、带下、筋骨疼痛等症［1-2］。现代药理学研究表明，土茯苓具有保护肝免受损伤、抗糖尿病、保护心血管系统、抗炎、抑菌抗菌、抗动脉粥状硬化、抗血栓等功效［3-4］，且对重金属汞、砷和铅具有解毒作用［5-7］。国外对土茯苓多作为药物进行了研究［8］，日本、泰国等将土茯苓作为茶和糖的替代品用于防治坏血病［9］。在我国，土茯苓作为药食两用植物，既可以直接作为中药以利用其药用价值［10］，也可以通过药膳发挥其保健作用，如龟苓膏、茯苓糕、土茯苓靓汤、土茯苓糖水和饮品等。因其根状茎富含淀粉，也可用于酿酒和制作糕点［11-12］。根据《国家卫生健康委员会关于进一步规范保健食品原料管理的通知》(国家卫生健康委员会2002年第51号文件)做出的规定，土茯苓已加入保健食品原料中。与此同时，在民间存在土茯苓越粗壮，其药效越好、越滋补的观念，在此观念的引导下，大量的大株土茯苓被采挖，土茯苓野生种群繁殖受到了严重影响。为阐明不同年龄土茯苓化学成分的差异，实现土茯苓资源的可持续开发利用，本研究拟对5种不同径级(代表不同年龄)土茯苓样品的品质进行系统的比较分析。

1 材料与方法

1.1 供试材料和检测方法

供试的土茯苓块茎于2021年5月采集于广西桂林市恭城县，将样品清洗干净后，置于60 ℃的烘箱中烘干至恒重备用。将样品分成5个不同的径级：径级1～5的直径分别为10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 mm。

将分好径级的土茯苓样品送至广西桂林锐德检测认证技术有限公司，并测定其29种化学成分，各化学成分指标的具体检测方法为：淀粉总量按GB 5009.9—2016标准检测，可溶性糖按NY/T 1278—2007标准检测，落新妇苷按GLCX-(SOP/YJE)090标准检测，直链淀粉含量按GB/T 15683—2008标准检测，脂肪按GB 5009.6—2016标准检测，磷按GB 5009.87—2016标准检测，氮按NY/T 2017—2011标准检测，钾、钙、镁、铁、锌、铜、锰按GB 5009.268—2016标准检测，氨基酸按GB 5009.124—2016标准检测。

1.2 数据处理

利用Excel 2007软件建立数据库，采用SPSS 23.0软件进行描述统计、方差分析、相关性分析及主成分分析等，数据用平均值±标准差表示。使用Origin 8.5软件制图。

2 结果与分析

2.1 营养成分的比较分析

由表1可知，在5种径级的土茯苓中，各营养成分的含量呈现波浪形变化，其中，直径20～30 mm的土茯苓块茎的直链淀粉、可溶性糖、脂肪和氮含量最高，而淀粉总量则以40～50 mm的土茯苓块茎达到最高。变异系数以淀粉总量的最小，为3.43%；脂肪的变异系数最大，为43.54%。

表1 不同径级土茯苓的营养成分的比较分析

对各营养成分的方差分析可知，5个径级土茯苓块茎之间的淀粉总量、可溶性糖含量的差异达到极显著水平，脂肪、直链淀粉含量的差异达到显著或极显著水平。5个样品的淀粉总量为61.6%～68.1%。径级4的淀粉总量为68.1%，极显著高于其他径级样品，其直链淀粉含量为0.20～0.49 g/100 g；径级2的直链淀粉含量为0.49 g/100 g，极显著高于其他径级样品；径级1与径级4的直链淀粉含量不存在显著差异，但均极显著低于径级2、3、5样品。径级4的可溶性糖含量为11.94%，极显著高于其他径级样品。各径级的脂肪含量为0.20～0.60 g/100 g，其中径级2的脂肪含量为0.60 g/100 g，极显著高于其他径级样品，径级1和径级3的脂肪含量极显著低于其他3个径级样品。

2.2 营养元素含量的比较分析

由表2可知，土茯苓块茎中富含营养元素，其中钾和钙元素含量较高。各营养元素在不同径级土茯苓样品中的富集程度存在极显著差异，在5种径级的土茯苓中，钾、钙含量在直径50～60 mm的块茎中较高，镁、铁和锌含量在30～40 mm的块茎中最高，而铜和锰则在20～30 mm的块茎中最高。总体来看，在5种径级中，10～20 mm的块茎中营养元素含量偏低。5种径级土茯苓样品之间的8种营养元素含量均存在极显著差异。

表2 不同径级土茯苓的营养元素含量的比较分析

比较各元素含量的变异系数发现，锌和铁含量在不同径级土茯苓样品之间的变异系数较大，变异系数分别为110.79%和110.06%；变异系数最小的是钾含量，为13.56%，钾含量在不同径级之间的土茯苓样品中相对稳定。

2.3 氨基酸含量的比较分析

表3为土茯苓块茎中测定出的氨基酸组成及各组成的含量。由表3可知，土茯苓含有14种氨基酸，其中必需氨基酸5种、半必需氨基酸2种、鲜味氨基酸4种、非必需氨基酸6种。在14种氨基酸中，各氨基酸在不同径级块茎中的含量不同，缬氨酸和赖氨酸在不同径级之间的含量存在显著差异，其他12种氨基酸含量在不同径级之间存在极显著的差异。土茯苓的氨基酸总量、必需氨基酸总量、半必需氨基酸总量、鲜味氨基酸总量、非必需氨基酸总量在不同径级之间均存在极显著差异，径级5的氨基酸总量为2.330 g/100 g，极显著高于其他4个径级，径级3的土茯苓块茎氨基酸总量最低，但其必需氨基酸总量、鲜味氨基酸总量、非必需氨基酸总量均最高。径级3的∑DAA/∑TAA和∑EAA/∑TAA均极显著高于其他径级，∑EAA/∑NEAA在各径级之间存在显著差异，支/芳比值在各径级之间不存在显著差异。

表3 不同径级土茯苓的氨基酸组成及含量

2.4 活性成分的比较分析

土茯苓中主要活性成分为落新妇苷，对不同径级土茯苓样品的落新妇苷含量进行分析。由图1可知，落新妇苷含量随着径级的增加而呈现先增加后减少的趋势，20～30 mm块茎中的落新妇苷含量最高，为0.32%。方差分析结果显示，直径20～30 mm与30～40 mm块茎的落新妇苷含量不存在显著差异，但均极显著高于其他3个径级样品。

图1 不同径级土茯苓的落新妇苷含量比较

2.5 相关性分析

由表4可知，淀粉总量与磷含量呈极显著正相关，与直链淀粉、脂肪、氮、钙、铜、锰含量呈显著或极显著负相关；可溶性糖与直链淀粉、脂肪和钾含量呈显著或极显著正相关；落新妇苷与直链淀粉、氮、铁、锌、铜和锰含量呈显著或极显著正相关；直链淀粉与氮、镁、铁、锌、铜、锰含量呈现显著或极显著正相关，但与淀粉总量呈现极显著负相关；脂肪与钾含量呈现显著正相关；磷与氮、钙、铜、锰含量呈极显著负相关；氮与钙、镁含量呈显著正相关，与铜、锰含量呈极显著正相关；钾与钙含量呈极显著正相关；镁与铁、锌含量呈极显著正相关；铁与锌含量极显著正相关；铜与锰含量呈极显著正相关；氨基酸总量与落新妇苷、磷、镁、铁、锌含量呈显著或极显著负相关，与钾、钙含量呈显著或极显著正相关。

表4 土茯苓15个营养成分间的相关系数

2.6 主成分分析

由表5可知，前4个主成分的特征值均大于1，分别为16.78、5.78、3.87、2.57，其中第1、2、3、4主成分的方差贡献率分别为57.85%、19.94%、13.36%、8.85%，累积方差贡献为100%，这4个主成分反映了原始变量的全部信息，因此，提取前4个主成分代替原29个营养成分评价土茯苓品质能达到降维目的。

表5 主成分载荷矩阵

氮和各类氨基酸对第1主成分产生了较大的正向影响，可作为第1主成分代表；在第2主成分中，镁产生了较大的正向影响，可作为第2主成分代表；第3主成分代表是落新妇苷和铜；可溶性糖对第4主成分产生了较大的正向影响，可作为第4主成分代表。由于4个主成分的累积贡献量已达到100%，因此可选择各氨基酸含量、氮、铁、铜、落新妇苷、可溶性糖作为评价土茯苓块茎品质的重要指标。

2.7 综合评价

为消除29种营养成分不同量纲和数量级对分析结果的影响，可对原始数据进行标准化处理，使用标准化处理后的数据见表6。使用各指标的主成分载荷除以主成分对应的特征值开平方，得到4个主成分中每个指标所对应的系数(即特征量)，将特征量作为权重可构建4个主成分的函数表达式：

表6 各营养成分的数据标准化值

式(1)～式(4)中，A、B、C、D分别为4个主成分中每个指标的系数，X1～X29分别为29个营养成分的标准化值。

按照F=∑ri×Zi计算土茯苓综合得分，即以各主成分对应的方差贡献率为权重，由主成分得分和对应的权重线性加权求和得到综合得分，其综合得分函数为：

根据式(5)的函数计算结果可知(表7)，5种径级土茯苓样品的综合得分顺序依次为：径级3＞径级2＞径级5＞径级1＞径级4，其品质随着径级的增大而呈现出波浪形，质量最佳的径级为径级3。

表7 土茯苓样品的主成分因子综合得分及排序

2.8 聚类分析

根据29种营养成分对5个径级的土茯苓样品进行聚类分析，结果如图2所示，在欧氏距离为1000时，可将5个径级的土茯苓样品分为3类，直径30～40 mm的土茯苓样品归为一类，20～30 mm和50～60 mm的土茯苓样品归为一类，10～20 mm和40～50 mm的土茯苓样品归为一类，此结果与主成分分析中的综合排序结果一致，且在营养成分含量的分析中，直径30～40 mm块茎的绝大多数营养成分均表现为优异，直径20～30 mm和50～60 mm块茎的大多数营养成分含量较接近，而直径10～20 mm和40～50 mm块茎的大部分指标含量较其他3个径级样品稍低。可见，土茯苓营养成分分析、主成分分析与聚类分析结果趋势表现一致，多种分析相结合，可信度较高。

图2 不同径级土茯苓的聚类分析图

3 小结与讨论

土茯苓是百合科一种药食两用植物，不仅作为中药发挥其药用价值，也可作为食材发挥其食疗保健作用。本研究首次对不同径级的土茯苓营养和活性成分进行分析，为土茯苓的合理开发与利用提供了科学依据。

土茯苓富含淀粉、糖类等营养物质，民间常有提取土茯苓粉制作果冻食用的习惯。5个径级土茯苓的淀粉总量为61.6%～68.1%，可溶性糖含量为6.51%～11.94%，直链淀粉含量为0.20～0.49 g/100 g，脂肪最高含量为0.6 g/100 g。综合来看，土茯苓的淀粉含量较高，与常见作物大米(62%～86%)、麦子(57%～75%)、玉米(65%～72%)的含量相近，与其他药食两用植物相比，淀粉含量高于三七(32.88%)［13］、百合(10.43%～15.97%)［14］、甘薯(22.66%)［15］等，低于山药(77.3%～81.0%)［16］，故土茯苓在淀粉物质利用方面具有很大的开发利用前景。与此同时，淀粉含量随着径级的增大而呈现先降低再升高，随之又下降的趋势，直径40～50 mm的淀粉含量最高，该等级的土茯苓是制作土茯苓粉的最佳原料。

土茯苓的主要活性成分为落新妇苷，它具有抗炎、选择性免疫抑制、抗抑郁、抗氧化等活性，2020年版的《中国药典》中土茯苓以落新妇苷作为质量控制指标［1］。国内不同产地土茯苓的落新妇苷含量在0.1%～0.6%之间，越南产的土茯苓的落新妇苷含量在1.04%～5.50%之间［17］。本研究测定的样品为国内的白色断面土茯苓，落新妇苷含量与前人的研究结果相似，在0.01%～0.32%之间，变异系数为64.22%，具有较强的变异度。落新妇苷含量随着径级的增大而呈现单峰走势，说明落新妇苷含量并不是随着径级的增大而升高的。因此，在土茯苓的生产中应及时采收，以保证较高的落新妇苷含量。与此同时，落新妇苷含量与铁、锌、铜和锰等微量元素含量呈显著或极显著正相关，为提高土茯苓的品质，在土茯苓的人工栽培过程中可适量施加富含微量元素的肥料。

矿质元素是维持机体生理功能正常运行的必要营养元素，土茯苓各矿质元素在不同径级中的含量存在一定的差异。10～20 mm块茎中营养元素含量偏低，可能是由于植物中的矿质元素需要从土壤中获取，或许径级较小的土茯苓吸收矿质元素的时间较短，所以径级较小的块茎中积累的矿质元素含量要低于径级较大的块茎。铁和锌含量的变异系数分别高达110.06%和110.79%，说明了这2个矿质元素在各径级中的含量不稳定。钾是人体生长必需的营养元素之一，对保持健全的神经系统和调节心脏节律有重要作用，能够维持细胞的新陈代谢，调节渗透压与酸碱平衡，保持神经肌肉的应激性和心肌的正常功能，本研究结果表明，钾含量为3924～5455 mg/kg，变异系数较小，为13.56%，含量高且较为稳定，可作为补钾的药膳植物。与常见的淀粉性药食两用作物马铃薯相比［18］，土茯苓中钙、镁、钾、铁、锌、铜、锰的最高含量分别是马铃薯中最高含量的15.5、2.8、7.8、109.4、46.3、2.5、42.1倍，土茯苓中各矿质元素含量较高，在开发与利用上具有广阔前景。

土茯苓含有14种氨基酸，其中必需氨基酸5种，半必需氨基酸2种，鲜味氨基酸4种，非必需氨基酸6种，供试土茯苓的支/芳比值为3.693～4.500。肝脏受到损伤或者功能衰退时提供高支、低芳的氨基酸则可有效保护肝脏，本研究中土茯苓的支/芳比值稍高于人体内的支/芳比值(3.0～3.5)，说明高支/芳比值的土茯苓具有很好的护肝作用。

土茯苓块茎的各营养成分间存在复杂的相关性关系，通过部分营养含量可预测与之相关的营养含量趋势，再使用主成分分析法将多个具有相关关系的指标转化为几个能反映原来多个性状指标重要信息的新综合指标，简化数据，准确综合评价土茯苓性状的表现［19-20］。本研究将29个营养指标降维成4个主成分，分别反映了57.85%、19.94%、13.36%、8.85%的信息，其中，可溶性糖、落新妇苷、氮、铁、铜以及各类氨基酸对土茯苓品质产生了较大的影响。根据主成分分析所计算的综合得分对土茯苓品质进行评价，结果显示：径级3(30～40 mm)的营养品质最高，说明在土茯苓的生产中，并非径级越大越好，而是在径级达到30～40 mm时的品质最高。同时，聚类分析结果将直径30～40 mm的土茯苓块茎单独归为一类，2种分析方法的结果相互佐证，可信度高。

综上所述，作为一种营养成分丰富的药食两用植物，不同径级土茯苓中化学成分含量存在差异，从单一的活性成分含量及多指标综合来看，直径30～40 mm的土茯苓块茎的品质最佳，此时应及时采收。该研究也表明土茯苓的品质并非如民间所认为的块茎越大越好，适时采收既可节约生产成本，又能收获高品质的土茯苓。