白蕓豆功能成分、生物活性及其產品開發研究進展

鄭虹君，朱敘丞，李耀基，周雪瑩，劉金陽，湯 堯，王玉林，楊新泉，張惠君，申迎賓，黎海梅

(廣州大學生命科學學院1，廣州 510006)(廣州大學化學化工學院2，廣州 510006)(天津科技大學食品科學與工程學院3，天津 300456)(中國檢驗認證集團澳新公司4，墨爾本 3168)

白蕓豆(PhaseolusvulgarisLinn.)是藥食同源的植物資源，在亞洲地區產量占比最高(45.44%)，在中國各個省份均有種植[1]。白蕓豆的食用價值在于其豐富的氨基酸含量，其比例符合FAO/WHO提出的參考蛋白模式，是全價蛋白；藥用價值在于其中的一種糖蛋白—α-AI，它是一種α-淀粉酶抑制劑，能有效降低餐后血糖水平，為糖尿病人的食譜提供了新的選擇。此外，白蕓豆中的多糖、多酚，具有一定的生物活性，有益于抗氧化、抗肥胖等，這些因素使其成為一種開發潛力巨大的藥食同源植物，且已經引起食藥公司和各相關研究機構的高度重視。

目前對白蕓豆α-AI的理化性質、結構特征、提取工藝、生物活性的研究已經十分豐富。而對植物凝集素(phytohemagglutinin, PHA)的研究則側重于其凝血，抗腫瘤增殖等作用。關于其他功能性成分，如膳食纖維、抗性淀粉、多酚等，在白蕓豆中具有穩定而豐富的含量，有益于調節體內脂肪、抗氧化、抗炎癥等生物學功能。已有研究人員通過細胞實驗、動物實驗對白蕓豆生物活性成分降血糖、抗肥胖功能進行了研究，結果表明效果顯著。

至今市面上白蕓豆的相關產品還比較罕見，一方面是對于白蕓豆的研究和開發程度不夠深入，另一方面是其成本、安全性、生物有效性還有待明確。因此本文通過總結近幾年國內外關于白蕓豆功能成分及生物活性的文獻，理清白蕓豆知識體系的發展脈絡，指明當前研究的側重點和缺陷，為后續白蕓豆開發的研究人員提供理論參考。

1 功能成分

1.1 糖蛋白

1.1.1 α-AI

α-AI的分子質量為28 800[2]，主要作用于哺乳動物和昆蟲α-淀粉酶[3]。早期用超臨界二氧化碳法可從白蕓豆提取到α-AI高達12%[4]，但常混有胰蛋白酶抑制劑和植物凝集素，前者能夠刺激胰臟產生過多淀粉酶、削弱或完全抑制α-AI活性[5]。目前從白蕓豆提取的α-AI抑制率可達90%以上[6，7]。

關于白蕓豆α-AI亞基的種類和數量的報道不完全一致。早期研究發現α-AI有α和β 2種亞型，屬于異源二聚體結構[2,8]，后有報道α-AI具有3種亞型[9]。這可能是由于未脫糖基化的糖聚多肽-SDS復合物的分子質量估計異常高，易將α-AI與α-淀粉酶配合物作為α-AI的其中一種亞基形式，或者同種亞基之間的糖鏈未斷裂，把同源二聚體結構當作一個整體。另外提取溫度不同和早期模糊信息的積累也有一定影響。

α-AI三維結構上完全沒有碳水化合物表面結合環，不具有碳水化合物結合能力，屬于非競爭性抑制劑，對活力較高的α-淀粉酶抑制作用不明顯，且其抑制作用不受淀粉濃度的影響，可廣泛用于抑制α-淀粉酶對日常飲食的淀粉水解[10]。

α-AI的抑制作用受自身蛋白濃度、溫度、酸堿度、金屬離子等影響。當α-AI蛋白濃度小于6.00 mg/mL 時，α-AI對α-淀粉酶的抑制呈劑量依賴關系。若溫度大于70 ℃時，其抑制率隨著溫度升高而顯著下降，至90 ℃時降為零[11]。α-AI在pH 6.9時活性最高，酸或堿處理均會使抑制活性迅速下降后趨于穩定，且活力損失會隨著時間的延長而減小[5]。Na+、K+、Ca2+、Mg2+在一定濃度范圍內對α-AI具有激活作用，其中K+的激活作用最為顯著；Fe2+、Co2+、Zn2+、Mn2+、Cu2+對α-AI有明顯的抑制作用[12]。

白蕓豆α-AI的亞慢性研究對其應用十分重要。Qin[13]等在90 d內按照4 g/(kg·d)白蕓豆α-AI處理對大鼠的體重、器官質量、食物消耗、血液學、血清生化和組織病理學均無顯著影響。Chokshi等[14]也得到類似的結果。白蕓豆α-AI的安全性較高。

1.1.2 PHA

從不同品種白蕓豆分離的PHA種類不是單一的。一種是由2個30 ku單體組成的50 ku同源二聚體蛋白[15]；另一種是從小白蕓豆分離出來的表觀分子質量為136 ku，是由2種分子質量分別為36.2 ku和32.2 ku的亞基組成的四聚體[16]，糖含量為4.93%；還有一種是分子質量為30～40 ku、特異性活力為1 193.62 HU/mg的PHA[17]。其含量性狀有明顯的種質特異性和遺傳多樣性[18]，屬數量性狀遺傳[19]，且隨著植物體生長發生波動[20]。

PHA對血細胞、淋巴細胞、精子細胞有凝集作用，程度與血型無關[1]。PHA的抗營養作用決定于其對血細胞凝集作用導致小腸正常結構被破壞，營養物質吸收利用率下降，并出現病理性腹瀉，同時導致腸細胞生長和分化受到抑制[21]。PHA進入循環系統后，會破壞胰腺正常結構，引發全身性反應[21]。其活性對酸堿度和溫度不敏感，在20～70 ℃和pH 4.0～7.2范圍內不受影響[15,22]。因此，未煮熟的白蕓豆有紅細胞凝集現象，會發生不同程度的溶血，可能導致炎癥反應[23]。但PHA與EDTA溶液反應會失活，Mn2+能使其完全恢復，Mg2+和K+次之。脲、鹽酸、SDS也能使PHA凝血活性降低[22]。

在對小鼠進行連續3個月陰道或直腸注入PHA的長期毒性研究中發現，PHA對小鼠的日常生活沒有異常，對尿液指標和臟器系數沒有顯著影響，而小鼠的血液學和血液生化指標未見規律性變化，生化指標影響不明確[24]。但灌胃的小鼠均呈現行動遲緩、皮毛暗淡無光、眼微睜無神、食欲減退、輕微腹瀉癥狀，其1周內致死率與淋巴細胞生長影響率呈正相關，病理分析表明各臟器的組織細胞均有病理改變，主要表現為局部水腫充血、炎性浸潤以及部分細胞壞死[25]。體循環和糞便中無檢測出凝集素，而小腸中麥芽糖酶和蔗糖酶活性下降，乳糖酶活性未發生變化[26]。出現這些全身性癥狀，很有可能是PHA進入循環系統所導致的。不同方式的給料實驗可推測PHA需通過各種消化酶的作用才能破壞小腸細胞，引起一系列不良反應或者PHA使陰道或直腸上皮細胞無法特異性結合，不能表現出毒理活性。這說明PHA的毒性程度與其作用部位有關。

1.2 多糖

白蕓豆多糖是一種富含多種類型果膠的混合物，具有降血糖、降血脂及良好的體外抗氧化作用[27]。多糖經過高壓微射流處理后基本理化性質和分子質量分布均未出現明顯差異，但單糖組成有一定變化[28]。而非淀粉多糖的分子質量分布不均一，3個組分的相對分子質量分別為300.67、222.30、18.16 ku，是含有 α 型果膠結構的雜合多糖[27]。多糖分子結構特征決定了其功能活性，因此研究白蕓豆多糖的結構和組成對其應用具有一定的價值。

1.2.1 果膠

豆皮細胞壁富含木糖半乳糖醛酸聚糖(XGA)、同半乳糖醛酸(HG)、鼠李糖半乳糖醛酸(RG-I)的果膠[29]，具有聚半乳糖醛酸和典型的阿拉伯半乳糖結構[28]。白蕓豆3種果膠的詳情見表1，3種果膠的SEM圖見圖1，其可能的模式結構見圖2。

圖1 P2、P3、P4的SEM圖(×10 000)[28] 圖2 P2、P3、P4可能的模式結構圖[30]

表1 3種白蕓豆果膠糖的結構特征

1.2.2 膳食纖維

白蕓豆的豆皮質量占顆粒質量的7.5%～8.0%，比大豆含量高，是膳食纖維的優良原料，其中可溶性膳食纖維和不可溶性膳食纖維的質量分數分別為3.5%、19.8%[31]。而豆粉中含有水溶性纖維1.14%，豆渣中含有43.49%不溶性膳食纖維[32]。白蕓豆可溶性膳食纖維主要由阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、甘露糖和半乳糖醛酸組成，其中阿拉伯糖和半乳糖是兩種主要的中性糖，且阿拉伯糖的含量比半乳糖高[27,33]。

1.2.3 抗性淀粉

抗性淀粉的性質類似溶解性纖維，具有一定的調節體內脂肪效果，可預防糖尿病和肥胖[34]。闞麗嬌等[35]檢測到白蕓豆抗性淀粉的質量分數是9.13%～16.35%。郭神旺[36]從小白蕓豆中提取到抗性淀粉的質量分數為58%。由于化學提取法和酶解法對白蕓豆的處理效果不同，檢測的抗性淀粉含量存在差異。此外，品種和種植地區也會影響抗性淀粉含量高低。

1.3 多酚類

白蕓豆的抗氧化活性體現在含有豐富的多酚。總酚的質量分數為0.67～2.22 mg RTE/g DW[35,37]，總黃酮的質量分數為0.78～1.33 mg RTE/g DW[35]。芽菜多酚提取率也達2.76%，純度達32.29%[38]。

有研究表明白蕓豆含有阿魏酸、槲皮素、沒食子酸等14種酚酸及其衍生物[39]，其中沒食子酸含量接近黑豆[40]的10倍。此外，白蕓豆還有其他活性成分，如過氧化物酶[41]、低聚糖、β-胡蘿卜素生育酚[42，43]、皂苷[44]以及豐富的K、Ca、Mg等礦物質[45]。這為其廣泛的生物活性奠定了物質基礎。

2 生物活性

2.1 抗氧化

白蕓豆具有良好的體外抗氧化活性，體現在DPPH自由基清除能力和鐵離子還原抗氧化能力比大豆略高[35]。有研究發現補充白蕓豆提取物能顯著降低小鼠高脂肪飲食后血漿中的蛋白質羰基化水平，對小鼠心臟組織也有類似的作用，但這些作用沒有達到顯著水平[46]。另外白蕓豆提取物可以通過降低高血糖狀態下過氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性及脂質過氧化引起的組織損傷而增加糖尿病大鼠的總抗氧化活性，并降低膠原蛋白水平，降低心臟并發癥的發生率[47]。這表明白蕓豆的抗氧化效果主要是抑制脂肪的過氧化。

2.2 降血糖

白蕓豆α-AI對Wistar 大鼠、肥胖大鼠、糖尿病模型小鼠都有降血糖的作用[48-50]，具有減輕2型糖尿病對胰腺、腎臟和肝臟的損害方面的潛力[51]。另外健康人群在餐前15 min服用6 g白蕓豆提取物可以有效降低進食白米飯后的血糖反應[52]。

患有糖尿病和需要減肥的人常常需要控制每日的糖分攝入。血糖生成指數(GI)反映了食物與葡萄糖相比升高人體血糖的速度和能力[53]。低GI食品是GI值低于55的食品，高GI食品指GI值高于70的食品。對于2型糖尿病人來說，低GI食品可大大避免由于血糖水平過高而導致重要器官受損和高血壓并發癥[54]。將白蕓豆 α-AI按30%的添加量加入到方便粥(大米粥、燕麥粥、青稞粥、蓮子粥)中，其GI值均降至55以下[55]。第二階段白蕓豆提取物的添加也能有效降低人服用食物后的GI值[53]。

白蕓豆復合物也有降糖作用，如白蕓豆-馬齒莧餐前控糖片[56]，防治糖尿病的苦瓜肽組合物(含白蕓豆粉)[57]等。

2.3 體內脂肪調節

長或短期服用白蕓豆提取物都可起到減重減脂的效果[58-61]。在12周的餐前白蕓豆攝入的人體試驗中，受試者的體質量、脂肪率、腰圍及臀圍均有減少，有效率達到90% 以上，對體質量的控制效果明顯[62]。其抗肥胖作用不是由于攝入能量、糞便排出能量或飼料效率的改變，而是小鼠盲腸內容物中總細菌和黏菌Akkermansiamuciniphila的濃度顯著升高，回腸膽汁酸含量較高導致，但膽汁酸介導的細胞信號的改變是否在與豆類有關的脂肪積累或整體代謝健康的差異中發揮作用還需要進一步的研究[63]。

白蕓豆被食用后，其對多糖的生物活性可以按部位進行簡單概括：在口腔中，白蕓豆經過咀嚼其部分α-AI、膳食纖維、抗性淀粉等得以釋放，其中α-AI對唾液α-淀粉酶催化淀粉分解起抑制作用[64]；在胃中，α-AI的活性大大減少，若白蕓豆中含有過多的胰蛋白酶抑制劑會刺激脾臟產生大量的α-淀粉酶，可使淀粉的分解恢復至正常水平[5]；在小腸中，積存大量未被消化的淀粉會隨著膳食纖維、抗性淀粉等混合，最后排出體外，避免由于微生物發酵引起脹氣。若白蕓豆未完全煮熟，具有生物活性的凝集素在小腸內凝集紅細胞，使小腸絨毛發生病變[65]。所以無胰蛋白酶和凝集素的白蕓豆提取物可使人飯后血糖水平無明顯升高，有降血糖、調節體內脂肪的作用。

2.4 其他活性

在體外實驗中，PHA具有廣泛的精子凝集作用，對避孕和抗早孕有效[66]。PHA還對HONE1、HepG2[67]、MDA-MB-435S[16]腫瘤細胞有較好的抗性。白蕓豆粉中游離的抗原n-聚糖具有免疫活性，是人工合成抗原的優質底物[68]。豆渣進行厭氧發酵可產生沼氣，作為一種新的能源物質利用[69]。

3 產品開發

白蕓豆的相關產品基本以 α-AI阻斷淀粉水解和膳食纖維消除饑餓感及助排便為主要功效，制成膠囊、片狀、粉狀沖劑等形式的減肥輔物，原產地為美國和日本的產品種類較多，暫無醫藥類產品。國內所用的白蕓豆粉多來源于意大利，主要原因是其出產的白蕓豆中 α-AI含量較高。

Phase 2在臨床第一階段已被證明分劑或單劑服用該產品500～3 000 mg/d均可減輕體重，在臨床第二階段實驗表明Phase 2整合到各種食品和飲料中不會影響食品本身的外觀、質地和味道，α-AI活性沒有變化，胃腸道副作用罕見且輕微[70]。國內多數白蕓豆α-AI產品與膳食纖維混合制備成調節體內脂肪保健品，達到既能減緩淀粉的水解速度，抑制脂肪合成，又能避免因淀粉在腸道內發酵脹氣的效果。然而，此類產品均以白蕓豆粉為原材料，并且沒有對粗提物中可溶性纖維的比例組合進行優化以及淀粉進行處理，常有便秘的副作用。隨著消費者對天然產品的重視度日漸提高，以白蕓豆為主要原材料開發一種純天然的淀粉酶抑制劑具有重要研究價值和應用前景。

此外，白蕓豆可制成的面食，其平滑度、風味等比傳統面食可接受度高[71]，還可制成強化餅干[72]、果凍[73]等多種形式的食品。白蕓豆的粗脯氨酸均具有較高的硫基，具有較好的持水能力，可作為食品包裝材料[74]、護膚品等。另外白蕓豆在抗氧化、避孕、發酵沼氣、制備免疫抗原等應用鮮有詳細報道。基于白蕓豆來源豐富、是多種有效成分的廉價來源，其功能產品的開發將會成為社會熱點。

4 展望

近年來，白蕓豆的抗衰、調節體內脂肪、降糖功能逐漸被重視與應用，市面上白蕓豆相關產品大多以粗提取物中的α-AI、抗性淀粉和膳食纖維作為主要成分，其多糖和酚類物質等未能引起廣泛關注，因此白蕓豆抗氧化等應用相對少見，其潛在功能有待開發。此外，白蕓豆降糖產品不應僅限于以白蕓豆粗提物中α-AI、膳食纖維和抗性淀粉為全部成分，可以考慮與能抑制葡萄糖苷酶或胰蛋白酶活性的其他天然植物進行配伍優化，如小球藻、鴨跖草、菠菜等。白蕓豆作為一種藥食同源植物，開發前景十分可觀，如針對肥胖患者或者減肥人群，以白蕓豆作為長期食物加入其減肥計劃中，豐富該類人群的飲食；針對Ⅱ型糖尿病患者，有潛力作為主要成分開發出一種純天然淀粉酶抑制劑。