黃俊文,倪 賀,*,陽成偉,2
(1.華南師范大學生命科學學院,廣東省植物發育生物工程重點實驗室,廣東廣州 510631;2.華南師大(清遠)科技創新研究院有限公司,廣東清遠 511517)
玉米(Zea maysL.)是禾本科玉蜀黍屬植物,現已成為世界三大谷物糧食之首[1-2]。我國作為世界第二大玉米生產國,每年產出的玉米約占全球產量的20%[3-4]。據農業農村部預測,我國2020~2027年的玉米自給率可高達92%,這表明我國玉米的種植面積及其產量將繼續呈上升趨勢。當前,中國玉米的生產加工主要局限在淀粉生產及酒精發酵等初級階段,高附加值的精細加工產品較少,而且對玉米籽粒以外的副產品的開發及利用亟需探索及發展[5-6]。
玉米須又稱蜀黍須或包谷須,由玉米雌穗的花柱及柱頭組成,通常在夏季或秋季玉米果穗成熟后收集,可鮮用亦可曬干儲藏[7]。作為一味常見的中草藥,玉米須最早在明朝《滇南本草》中被記載:性微溫,味甜,入陽明胃經,寬腸下氣,當前也已被《中華人名共和國藥典》及《中華人民共和國衛生部藥材標準》收錄[8]。民間一般認為玉米須具有清肝利膽和利水消腫等作用,常通過單味或配伍被用于代茶和藥膳中輔助治療糖尿病及高血壓。現代醫學研究表明,玉米須中含有的活性成分具有抗氧化、抗癌及抑菌等作用且無毒性,可用于心腦血管及泌尿系統等疾病的治療之中。玉米須中含有多種活性物質,如多糖、黃酮、甾醇及皂苷等,當前已有的研究主要集中在活性物質的分離純化及藥理解析。本文將對玉米須中已報道的活性物質成分、分離方法及作用機理研究進展進行論述,以期為該領域后續深入研究及相關產品開發提供參考。
1.1.1 玉米須中主要單糖和多糖 早在1928 年,突永一枝就完成了對于Manchurian 玉米的糖成分及含量分析,結果表明玉米須主要含的糖類有葡萄糖、半乳聚糖、戊聚糖及已糖等[10]。劉曉飛等[11]通過氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)對構成玉米須多糖的單糖成分分析發現其中含量最高的單糖為葡萄糖,其次分別為阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、木糖及來蘇糖,這些簡單的單糖通過不同的組合方式組成了種類繁多且功能不盡相同的玉米須多糖。湯魯宏等[12]通過對玉米須多糖進行純化分析發現,多糖中含量較多的四種單糖為葡萄糖、半乳糖、甘露聚糖、阿拉伯糖,這些含量較多的糖類構成了玉米須多糖的主要結構,其他單糖如鼠李糖及木糖等賦予了多糖結構更多的變化及功能。
1.1.2 玉米須多糖的提取 玉米須多糖常用的提取方法有熱水提取乙醇沉淀法、結合超聲、微波及酶解法,合理地將這些提取方法聯合使用并進一步優化工藝可建立效率更高的提取體系[13]。范方宇等[14]的研究結果表明,經典的熱水提取-乙醇沉淀法的多糖提取率為4.47%,Chen 等[15]的研究探究并優化了超聲輔助法和酶解法提取的過程,優化后的方法提取率較水提法提高了35.7%。侯敏娜等[16]探究了超聲波功率及時間對多糖提取率的影響,該方法的提取率為5.5318%。陳紅等[17]建立了一個微波協同酶法提取玉米須多糖的提取系統,該系統的多糖提取率高達8.12%。Senphan[18]的研究發現品種、種植環境、采收時期及貯藏條件對玉米須多糖的含量具有影響,因此在優化提取系統時需考慮玉米須材料因素的影響。
1.2.1 玉米須黃酮類化合物的組分 黃酮類化合物是一類廣泛存在于植物中的化合物,包括黃酮、黃酮苷、異黃酮和黃酮醇等。在玉米各組織中(干品),玉米須黃酮化合物含量最高[19]。玉米須中已被分離及鑒定的黃酮類化合物有29 種,組分分析顯示玉米須黃酮類化合物的母核大多為木犀草素、芹菜素、金圣草素及刺槐素,而結構分析表明該類化合物主要通過在C6 和C3 處以碳苷鍵進行結合,少數結合發生在C7、C8 處[20]。
1.2.2 玉米須黃酮類化合物的提取 黃酮類化合物常見的提取方法主要有有機溶劑法、微波輔助法和超聲輔助法。有機溶劑法主要利用該類化合物易溶在有機溶劑中,一般可使用乙醇進行粗提取,然后使用乙醚或石油醚等進行除雜,最后通過大孔樹脂進行純化[21]。王秋實[22]對玉米須黃酮類化合物的提取工藝進行研究,發現超聲輔助法的黃酮提取率高達2.263%,遠高于超過微波輔助法(1.847%)及有機溶劑法(1.536%)。一些新興的方法不斷被應用于黃酮的提取中,如半仿生法、金屬絡合法和真空減壓法。郭志紅等[23]基于半仿生法建立的提取體系使玉米須黃酮的提取量由醇提法的9.7 mg/g 提高59.4%至15.59 mg/g;常影等[24]的研究結果表明金屬絡合法較經典方法不僅操作簡單,而且可將粗產物黃酮的純度從3.02%有效地提高10.7 倍(至35.32%);基于對真空減壓法的探究,常影等[25]將玉米須中黃酮類化合物的提取率再次提高,較經典浸提法高37.76%。Tian 等[26]通過比色法和HPLC 法對來源于6 個不同玉米品種的玉米須的黃酮類化合物含量進行了比較,發現黃酮類化合物的含量因品種而不同,因此在進行實際生產時需要合理選擇玉米須的品種。
1.3.1 玉米須甾醇類化合物的組分 甾醇廣泛地存在于植物的各個組織中,其主要以游離態、甾基糖苷態、甾醇酯態及酰化甾基糖苷態的狀態存在[27]。突永一枝在對玉米須粗提物進行分析時發現玉米須中含有甾醇[10]。李靜等[28]利用HPLC 對玉米須揮發油的成分進行了定性及定量分析,發現β-谷甾醇、豆甾5-烯-3-醇和豆甾-7-烯-3-醇的含量分別為7.89%、6.67%及6.28%。
1.3.2 玉米須甾醇類化合物的提取 在植甾醇的提取中,皂化、結晶、絡合是較為經典的提取策略,超臨界CO2萃取、微波輔助及超聲輔助等策略利用了化合物的物理學特征,是較為新穎的提取方法[27]。吳海成[29]通過對微波及超聲提取進行響應面分析確定了微波-超聲聯合法是一種較優的提取方法,實際提取率可達0.76%。Zhang 等[30]優化了重結晶純化法,使所提得的植物甾醇純度上升至92.76%。
1.4.1 玉米須有機酸的組分 任順成等[31]通過HPLC測定了玉米須中有機酸的成分,結果表明乳酸、甲酸、乙酸及丁二酸構成了其中的短鏈有機酸,而油酸、亞油酸、軟脂酸、硬脂酸和山萮酸構成了其中的長鏈有機酸。翟向陽等[32]對玉米須提取物脂溶性組分鑒定發現其中含有不飽和脂肪酸亞油酸,張曉明等[33]發現玉米須中含有綠原酸。
1.4.2 玉米須有機酸的提取 有機酸的提取經典提取方法為有機溶劑提取法,但其耗時長、效果差,已經不能滿足實際需求[34]。張曉明等[33]利用超聲提取法對玉米須中的蘆丁和綠原酸進行了初步的提取探究,其提得的玉米須中蘆丁和綠原酸含量最高分別0.623 和2.508 mg/g。關海寧等[35]基于微波與酶解法聯用法建立了一個耗時較少且條件溫和的提取方法,可有效提取玉米須中的綠原酸(提取量達8.94 mg/g)。
皂苷易溶于水,因其水溶液易起泡沫而得名。據高婭等[36]的研究,玉米須中的皂苷含量約為3.18%,是主要的水溶性活性成分之一。皂苷在稀醇中溶解度較高,因此可通過正丁醇等有機溶劑萃取得到。高婭等[36]基于有機溶劑法建立了一個提取率高達4.45%的提取系統。趙紅宇等[37]和計紅芳等[38]分別利用超聲波法對玉米須中的總皂苷進行提取,提取率分別為1.803%和2.905%。而模擬體內消化的半仿生提取法則可在一定程度上保持活性物質結構的完整,張德新等[39]基于該方法建立的體系的提取率為0.789%。
當前我國高校每年都在不斷擴招,招收人數的上升,使得高校由以往的精英教育轉變為大眾教育。但是高校內部的教育資源卻沒有得到相應程度的擴展,使得許多高校內部的軟硬件資源達不到條件,影響到廣大師生正常教學工作開展。實質上學校的這種經營管理方法,在很大程度上損害了學生的利益,在實際教育之中反映出對學生的關心愛護程度不夠、服務意識較弱等問題,使得大學生許多的愿望和要求無法得到滿足。積累較長時間后,便可能造成一些突發事件的發生,學生以極端方式宣泄自身心中的怨氣。例如:媒體經常報道的畢業證發放問題和食堂食品質量安全問題等,就容易導致學生長時間不滿并引發突發事件。
隨著研究的不斷深入,玉米須中其他化合物不斷被分離鑒定。除上述以外,目前已明確被分離的化合物還有很多。有機酸類包括泛酸、烏索酸、土槿戊酸、抗壞血酸、對羥基桂皮酸等,而礦質元素、維生素E、維生素K、氨基酸、肌醇、香草醛、生物堿、赤楊酮、無羈萜酮、尿囊素、柯伊利素、隱黃素等也有被分離的報道,但研究尚未深入[40-48]。
癌變是環境致癌因子及集體癌基因的互作產生的病理學變化,許多研究表明玉米須中的活性成分具有抗癌的作用。馬虹等[49]通過體外對人腫瘤細胞株進行研究發現了玉米須提取物對人胃癌細胞(SGC)和白血病細胞(K562)的存活及增殖具有抑制作用,其抑制率分別為90.7%和63.3%。朱亮等[50]的研究表明玉米須多糖可抑制人肝癌細胞(HepG-2)在體外的生長,多糖濃度達4 mg/mL 時抑制率達到18.3%,且其抑制率與濃度呈正相關。Yang 等[51]通過H22 肝癌荷瘤小鼠模型實驗證明玉米須多糖可通過促進細胞因子產生、提高白細胞含量及升高脾臟和胸腺指數等途徑以抑制小鼠體內的癌細胞,使其平均存活指數提高超過3 倍。Lee 等[52]發現玉米須提取物可抑制細胞外調節蛋白激酶(ERK)和蛋白激酶B 活性所必須的磷酸化,也可通過影響Bcl-胱天蛋白酶-3 的表達、促進癌細胞DNA 的斷裂、線粒體膜電位的去極化等促進線粒體依賴性細胞凋亡以抑制癌細胞的生長。吳敬英等[53]通過研究玉米須提取物對皮膚黑素瘤A375 細胞的影響,發現了玉米須提取物可通過抑制遷移起始基因的表達和抑制腫瘤上皮間質轉化進而抑制癌細胞的轉移。Guo 等[54]的研究驗證了玉米須提取物可誘導癌細胞凋亡,其實驗結果表明玉米須提取物可通過上調Bax 的水平、提高半胱氨酸蛋白酶活性及使細胞色素C 釋放到細胞質等途徑促進癌細胞的凋亡。此外,玉米須中含有的含維生素A 和維生素K 可提高機體的免疫防御,有利于抵御癌細胞的發展,而谷胱甘肽不僅可抑制致癌物的活性也可清除機體內的過氧化物,緩解并發癥[8]。因此,玉米須中的活性成分通過失活致癌物、干預基因表達和細胞信號轉轉導、抑制癌細胞增殖侵染、促進細胞凋亡及提高機體免疫能力以達到抗癌的目的。
血壓和血脂密切相關,高血脂癥患者體內過量的脂質容易沉積在血管中,導致動脈粥樣硬化進而形成高血壓。劉平[55]通過高血脂癥小鼠模型探究了玉米須黃酮類化合物對血脂的干預,結果顯示飼喂處理后小鼠血清中總膽固醇、甘油三脂含量均顯著下降,而高密度蛋白膽固醇含量升高,表明玉米須黃酮類化合物具有顯著的降血脂功效。楊夏等[56]通過膽酸鹽結合試驗及高血脂小鼠模型驗證了玉米須多糖對血脂的影響,結果顯示玉米須多糖可降低模型小鼠的血脂,當用藥量達到300 mg·kg-1時其作用效果與脂必妥及洛伐他汀接近。Wastl[57]利用高血壓小鼠模型證明了玉米須提取物注射后可在一定時間內降低其血壓,其機制為玉米須提取物可降低血管緊張素Ⅱ的水平。董艷等[58]統計的數據表明連續10 周服用玉米須代茶可明顯降低患者血壓,而利用玉米須提取物進行輔助治療的患者治療其療效也有10%的上升。此外,玉米須提取物也可減低高血壓患者的眼壓緩解高血壓的并發癥,但作用機制有待解析[59]。因此,用玉米須提取物通過在體內可通過多種途徑調節血壓及血脂,具有較好的降血壓、降血脂保健功效。
糖尿病是一種血糖代謝異常性疾病,通常由胰島素分泌不足或作用缺陷引起。Chen 等[60]通過體外實驗發現玉米須多糖對α-葡萄糖苷酶的活性具有顯著的抑制作用,趙亞寧等[61]測定其抑制率可達85.26%。Chang 等[62]的研究發現玉米須提取物可清除細胞內應激性活性氧,促進胰島素合成、葡萄糖激酶等相關基因的表達以提高胰島細胞的活力進而降低血糖。黃曉巍等[63]利用糖尿病大鼠模型發現玉米須黃酮類化合物可減少血清中糖化血紅蛋白及乳酸的含量進而緩解糖尿病癥狀。孫秋等[64]的研究發現玉米須提取物可通過降低IL-6、CRP、TNF-α等炎癥因子以緩解糖尿病。Sani 等[65]、李鳳林等[66]和賈淑杰等[67]通過四氧嘧啶致病模型研究不僅發現玉米須黃酮類化合物可顯著降低小鼠的血糖和緩解其消瘦表型,而且驗證了玉米須黃酮化合物可有效抑制外源性及內源性因素引起的血糖升高,還闡述了玉米須黃酮可減輕胰島β細胞的損傷及促進損傷細胞的修復進而促進胰島素分泌的機制。楊靈玲等[68]發現玉米須多糖可促進血糖的利用,其機制為糖異生過程及肝糖元的合成進而降低小鼠的血糖。陳麗艷等[69]使用II 型糖尿病模型大鼠發現玉米須提取物可降低大鼠組脂肪組織中SPARC 的轉錄及蛋白積累水平,且可減少脂肪在胰腺中的沉積,還可促進胰島損傷的修復[62]。在另一研究中,陳麗艷等[70]通過分析玉米須提取物與菌群多態性及糞便中短鏈脂肪酸含量之間的關系發現玉米須提取物可促進糖尿病腸道內鼠厭氧益生菌生長及短鏈脂肪酸的分泌,進而抑制有害菌的生長以達到降糖的目的。盛麗[71]通過Ⅱ型糖尿病模型小鼠的研究表明玉米須提取物可顯著降低小鼠的空腹血糖值和提高其糖耐受性。高瑩等[72]的網絡藥理學研究發現了玉米須提取物對糖尿病治療的8 個潛在靶點,表明玉米須提取物可通過INSR,AKT1,PRKACA 及AMPK 等途徑參與糖尿病的干預。因此,基于已知的作用機制利用玉米須中的活性成分開發干預糖尿病的藥物和保健品在抗糖尿病中具有的廣闊前景。
肝臟和腎臟是體內重要的代謝器官,在參與機體代謝廢物排出中常會受到不同程度的損傷,保護肝臟及腎臟有利于維持機體代謝的穩態。張百明等[73]在對膽管結扎致急性膽汁淤積性肝損傷模型的研究中發現玉米須提取物可減低大鼠血清中直接膽紅素和丙氨酸氨基轉移酶的含量,顯著改善肝內膽汁淤積引起的肝病。昌友權等[74]利用小鼠探究發現玉米須多糖可抑制血清中谷草轉氨酶、谷丙轉氨酶、乳酸脫氫酶的活性及抑制丙二醛的生成和促進谷胱甘肽的合成以緩解四氯化碳引起的肝損傷。王燕[75]的研究發現玉米須黃酮類化合物可提高肝臟中SOD 和CAT 的酶活力,有利于緩解肝臟的損傷。Saheed 等[76]發現玉米須提取物可通過其抗氧化活性以緩解肝臟損傷。朱愛華等[77]的研究發現玉米須提取物具有清除自由基的活性進而緩解肝炎引起的膽紅素代謝異常。中醫認為玉米須具有利水利尿的功效,因此被用于尿路感染的治療中,蒲昭和[78]研究表明玉米須提取物不僅可促進排尿還可消除水腫。王潤霞等[79]和Guo 等[80]的研究均表明玉米須中的活性物質可與尿液中的二水草酸鈣結合抑制其轉化為熱力學更穩定的一水草酸鈣。玉米須提取物可通過降低肌酐及血尿素氮等途徑保護腎臟,緩解慶大霉素導致的腎毒性[81-83]。李山等[84]和蔣一強等[85]的研究均發現玉米須提取物對腎草酸鈣結晶形成的抑制作用,表明玉米須提取物不僅可抑制結石的產生,還可促進碳酸鹽類結石的溶解。綜上,玉米須提取物可通過不同途徑有效參與肝臟的腎臟的保護,玉米須中的活性成分有利于維持機體代謝的穩態。
機體與外界的接觸過程將無可避免地引起自由基的產生,自由基的過量產生與人體疾病及衰老等具有密切的關聯,抗氧化是克服自由基產生的危害的主要途徑。張理平等[86]和Liu 等[87]均發現玉米須黃酮類化合物可清除DPPH,O2-和·OH 等過氧化物。Yang 等[88]的研究表明玉米須提取物中槲皮素與山奈酚可提高細胞的抗氧化能力。李鳳林等[66]利用四氧嘧啶致糖尿病小鼠探究玉米須黃酮對糖尿病的干預時發現了玉米須黃酮可提高患病小鼠SOD 的酶活力以清除患病導致的過氧化物的產生。趙強等[89]通過比色法分別測定了玉米須黃酮對DPPH,O2-和·OH 的清除率,數據表明其半清除率分別為0.057、0.56 g 及0.38 mg/mL。劉軍[90]通過體外實驗驗證了玉米須黃酮類化合物可較好地清除DPPH 自由基,也發現了該類化合物的還原性和金屬離子螯合能力較強。Liu 等[87]通過比色法測得玉米須提取物濃度在500 μg/mL 時可清除80%以上的DPPH。Yang等[91]發現玉米須黃酮類化合物進而通過提高SOD和GSH-Px 的活性以抑制脂質過氧化及降低丙二醛含量以緩解小鼠過度運動所致的氧化應激反應。Vranje?m 等[83]發現玉米須提取物可通過提高小鼠肝臟中還原型谷胱甘肽的水平及降低丙二醛的積累以緩解損傷導致的應激氧化反應。玉米須中的活性成分可通過抑制自由基的產生及促進其清除以緩解氧化作用對機體的危害進而行使其保健功能。
外界病原菌的入侵常會導致機體產生炎癥反應,炎癥反應嚴重干擾體內代謝的穩態,因此抗菌消炎的研究在維持代謝穩態中具有重要的意義。Amani等[92]的研究發現玉米須黃酮類化合物對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和四聯球菌等細菌具有抑制作用,苑國嬋[93]的研究推測其機制可能是玉米黃酮類化合物影響了黑色素形成酶相關的信號通路進而引起細菌的生長抑制。Patra 等[94]和董長穎等[95]通過濾紙片法及牛津杯法證明了玉米須中的甾醇與黃酮可顯著抑制金黃色葡萄球菌的生長。Emmanuel 等[96]驗證了玉米須總皂苷對金黃色葡萄球菌、變形桿菌、枯草桿菌和沙門氏菌的抑制作用,其中對沙門氏菌的抑制率最高。Neucere[97]解析了玉米須提取物中的殼多糖及葡聚糖酶是抑制曲霉生長的活性成分。梁艷文等[98]采用二甲苯致小鼠耳廓腫脹模型和蛋清致大鼠足跖腫脹試驗模型發現了中劑量和高劑量的玉米須黃酮可以顯著的抑制炎癥的發生且不會發生毒害。Wang 等[99]的研究發現玉米須提取物對卡拉膠致胸膜炎大鼠模型的炎癥具有緩解作用,結果顯示玉米須提取物可減少胸膜滲出液和白細胞的數量,緩解氧化應激,降低炎癥病灶的過氧化物含量,且還通過激活NF-κB 蛋白以抑制IL-1β,TNF-α,VEGF-α和IL-17A相關的信號通路以抑制炎癥的發生。因此,玉米須中的活性成分既可以抑制病原菌的生長,也可以有效緩解炎癥反應,在維持機體代謝平衡中具有重要的保健價值。
由大腦等器官組成的神經系統參與了感覺、情緒和運動等方面的控制,神經系統的正常運行是人體健康的重要組成部分,保護神經系統及干預精神疾病在腦科學研究中意義重大。Qi 等[100]在玉米須提取物中分離了一批二萜類化合物并通過過氧化氫誘導的人神經母細胞瘤SH-SY5Y 細胞損傷模型篩選驗證了其中一個具有神經保護活性,結果顯示該化合物可抑制過氧化氫誘導的SH-SY5Y 細胞凋亡。Zhou等[101]從玉米須中分離了一種新型單萜內酯,通過SH-SY5Y 細胞實驗驗證了其可抑制由過氧化氫誘導的神經細胞凋亡,表明其具有神經保護活性。Ebrahimzadeh 等[46]的研究發現玉米須提取物具有抗抑郁活性,實驗添加玉米須處理小鼠的強迫游泳實驗和尾部懸吊實驗中的不穩定期減少,表明提取物具有良好的抗抑郁活性。Zhao 等[13]最近的研究使用鏈脲佐菌素致糖尿病的大鼠驗證了玉米須提取物對具有抗抑郁活性,黑箱實驗結果表明玉米須提取物可明顯提高小鼠的興奮性,延長其自主活動時間,且該表現與玉米須提取物的劑量呈正相關。玉米須化合物在保護神經系統及抗抑郁中的作用研究是一個較為新穎的研究方向,雖然報道較少,但現有的研究均表明玉米須中的化合物被應用的潛力巨大,隨著研究的深入有望被開發及應用在實際治療及保健之中。
雖然玉米須的產量將隨著玉米種植面積的增長而上升,但其利用效率仍相當有限,在收割后隨著苞葉被大量丟棄的現象依然存在[8]。這一方面說明玉米須的精細加工利用規模較小,玉米須供大于求,需要積極開拓市場;另一方面也說明了配套的研究及宣傳深入度不足,沒有通過市場反饋積極引導生產者合理地利用資源[102]。此外,玉米須的品質管控機制仍未建立,無法保證其中活性物質的含量,因此無法保證藥效的穩定[18]。因此,深入有效地對玉米須中的有效成分進行研究以解析其具體的作用機制和將研究成果用于實際生產之中是解決當前困境的有效途徑。
當前,玉米須的保健機理解析尚處于初期,已被分離鑒定及解析作用機制的化合物較少[103],而被用于開發利用于實際生產中的更少,因此需要通過大量的研究對其中的化合物進行研究,以深入對玉米須中化合物的了解。此外,現有研究主要使用傳統的實驗手段進行一些機理的驗證,研究的重復性較高,缺乏創新性。現今發展迅猛的蛋白質組及代謝組等組學的方法可為玉米須中活性成分的機理解析提供新的動力,既可在玉米須提取物中發現新的化合物,也可用于化合物在細胞及動物模型的作用機理解析中,可有效地提高玉米須中新化合物的挖掘及其機理的解析。因此,開拓實驗思路,改良實驗方法,提高效率做原創性成果是當前玉米須的保健機理解析的一大要求。
基礎研究的成果在生產應用中起著重要作用,玉米須的活性成分大多尚未得到開發及產業化。大量的研究表明玉米須中許多化合物都適合被開發成為功能性食品及護膚品等高附加值產品,市場非常非常廣闊,因此需要積極引導基礎研究的成果向產業化過渡并促進產業的發展。