甘薯主要活性物質(zhì)及其生理效應研究進展

張雪梅，張 玲，高飛虎，張歡歡，楊世雄，李 雪，梁葉星

（重慶市農(nóng)業(yè)科學院，重慶 401329）

甘薯又稱紅薯、紅苕、地瓜等，是一種重要的糧食作物，在我國大部分省區(qū)都有種植，其產(chǎn)量僅次于水稻、小麥和玉米，位居第四[1]。隨著人們健康意識的增強及薯類主食化理念的提出，甘薯消費市場逐漸擴大，所含的功能活性物質(zhì)及其生理效應逐漸受到人們的關(guān)注。甘薯除含有豐富的淀粉外，還含有膳食纖維、多糖、蛋白質(zhì)、多酚、β-胡蘿卜素等多種功能活性物質(zhì)，在降血壓、延緩衰老、保護機體功能及抗癌等方面發(fā)揮功效[2]。市面上的甘薯加工產(chǎn)品主要有淀粉和粉絲，但甘薯在淀粉生產(chǎn)過程中，其部分淀粉、功能活性物質(zhì)和蛋白質(zhì)等隨廢水廢渣排放，不僅造成營養(yǎng)物質(zhì)的浪費，而且大量的有機物對環(huán)境造成了嚴重污染[3]。目前，甘薯的利用大多集中在塊根中，對甘薯皮、莖葉的利用率不高，這在一定程度上限制了甘薯的綜合開發(fā)利用，因此全面分析了解甘薯塊根和其他部位的功能活性物質(zhì)及其生理效應，有助于提高甘薯的綜合開發(fā)價值，全面提升甘薯的產(chǎn)業(yè)化水平[2]。

本文對甘薯不同部位的功能活性物質(zhì)、生理效應進行了歸納總結(jié)，并對未來的研究方向進行了展望，以期為甘薯的綜合加工利用提供參考。

1 甘薯主要功能活性物質(zhì)研究進展

1.1 甘薯蛋白

甘薯蛋白不僅是甘薯的主要營養(yǎng)成分，還具有較強的抗氧化性、脫氧抗壞血酸還原酶活性等，可增強免疫力、降血糖、減少高血壓發(fā)病率等[4]。甘薯蛋白主要包括甘薯莖葉蛋白、貯藏蛋白和甘薯糖蛋白[5]。

甘薯葉、柄、莖薯蔓中含有豐富的蛋白質(zhì)，有研究表明甘薯莖葉、莖尖中蛋白質(zhì)含量顯著高于塊根部位，其含量高達鮮重的3.7%～3.8%[6]。甘薯莖葉中的蛋白質(zhì)品質(zhì)好，其賴氨酸含量高于禾谷類，含硫氨基酸高于大豆，是優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)來源。因此從甘薯莖葉中提取蛋白濃縮后可制作高蛋白營養(yǎng)強化食品[7]。

貯藏蛋白是一種能為機體正常生長發(fā)育提供碳源、氮源和硫源等的蛋白質(zhì)[2]。貯藏蛋白是甘薯中一組特殊蛋白質(zhì)，它主要存在于甘薯塊根中，在莖、葉中幾乎沒有。Sporamin是甘薯中最為重要的貯藏蛋白，其占甘薯塊根可溶性蛋白的60%～80%[8]。Sporamin 在塊根的形成過程中其含量迅速增加，而在塊根發(fā)芽階段，Sporamin 作為營養(yǎng)源被利用，含量逐漸減少直至消失。研究證實Sporamin 還是一種胰蛋白酶抑制劑，具有抗蟲的效果[9]。

糖蛋白是由蛋白質(zhì)和多糖構(gòu)成的一類生物活性物質(zhì)，主要以N-或O-共價鍵結(jié)合。甘薯糖蛋白大量存在于甘薯淀粉生產(chǎn)廢水之中，但其蛋白含量較貯藏蛋白少，大多數(shù)是連接的多糖。日本學者從甘薯皮提取液中分離出一種糖蛋白，其分子量為22 000。在國內(nèi)，闞健全從甘薯提取液中分離出了4 種糖蛋白，測定其分子量，通過檢測發(fā)現(xiàn)其為O-型糖肽鍵的糖蛋白，并對其中1 種糖蛋白的糖鏈結(jié)構(gòu)進行了初步分析[10]。孫昌平等利用柱層析法從甘薯中獲得糖蛋白純品，確定了其糖肽鍵類型、糖苷鍵的結(jié)合方式及類型，分析了氨基酸的組成[11]。

1.2 甘薯多糖

多糖是一類以糖苷鍵結(jié)合而成的高分子聚合物，具有多種生物活性和功能[12]。甘薯多糖種類繁多，其單糖組分種類和含量差異很大。趙國華等從甘薯中分離得到一種白色粉末狀多糖（SPPS-Ⅰ-Fr-Ⅱ），經(jīng)完全水解后分析確定其糖基組成為葡萄糖[13]。劉捷等從紅薯葉中提取了一種水溶性多糖，分析發(fā)現(xiàn)其單糖組成為木糖、甘露糖、葡萄糖[14]。WU 等從紫甘薯中分離得到3 種甘薯多糖，都屬于β 型多糖，其中分子量為33.3、75.3 kDa 的第一種、第三種多糖由鼠李糖、木糖、葡萄糖和半乳糖組成，而分子量為17.8 kDa 的第二種多糖僅由鼠李糖和半乳糖組成[15]。近年來，學者們對甘薯多糖的化學結(jié)構(gòu)進行了研究，趙國華等對甘薯多糖SPPS-Ⅰ-Fr-Ⅱ組分的結(jié)構(gòu)研究表明其是由α-D-Glcp 以1,6 糖苷鍵形成的一種葡聚糖[16]。汲晨鋒等應用光譜掃描結(jié)合甲基化和GC-MS分析初步確定甘薯多糖SPP-I 是具有1→3、1→3→6 糖苷鍵結(jié)構(gòu)的α-葡聚糖[17]。張子依對紫甘薯多糖進行了初級結(jié)構(gòu)鑒定，分析表明紫甘薯多糖含有α-糖苷鍵，糖鏈的連接方式為[Glcp（1→]、[→4）Glcp（1→]及少量[→4,6）Galp(1→]，其空間螺旋結(jié)構(gòu)不具有三股螺旋結(jié)構(gòu)，可能為單/雙股螺旋結(jié)構(gòu)，并以無定形態(tài)存在[18]。李松昂對甘薯葉多糖的結(jié)構(gòu)表征研究發(fā)現(xiàn)該多糖具有典型的糖類紅外吸收特性，是一種以吡喃糖為主鏈的多糖[19]。

1.3 類胡蘿卜素

類胡蘿卜素是甘薯中的一種重要功能活性物質(zhì)，主要有α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素和葉黃素等，其中β-胡蘿卜素具有最高的維生素A 轉(zhuǎn)化活性，是維生素A 的主要前體物質(zhì)[2]。甘薯類胡蘿卜素的含量和組分隨品種、栽培條件和薯蔓生長狀況、收獲時期、貯藏條件、塊根部位的不同而有所差異。張立明等研究發(fā)現(xiàn)甘薯富含胡蘿卜素，尤其是黃心、橙心甘薯，每100 g 鮮薯的類胡蘿卜素含量可高達40 mg[20]。ISHIDA等發(fā)現(xiàn)每100 g新鮮甘薯葉中約含胡蘿卜素4.0 mg，同絕大多數(shù)綠色、黃色植物中的含量相近[6]。余華等測定了不同肉色甘薯的β-胡蘿卜素含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)橘紅色甘薯的β-胡蘿卜素含量顯著高于黃色、紫色甘薯[21]。

1.4 膳食纖維

膳食纖維具有重要的生理活性，廣泛存在于糧食作物中，如小麥、糙米、玉米、大豆、甘薯等。甘薯中膳食纖維含量豐富，特別是薯渣中總膳食纖維含量達到28%左右。膳食纖維分為可溶性膳食纖維和非可溶性膳食纖維，甘薯中大部分為非可溶性膳食纖維，約占總膳食纖維的70%以上[22]。甘薯膳食纖維組成成分較為復雜，通常是由果膠、纖維素、半纖維素及木質(zhì)素等物質(zhì)聚合而成。MEI 等對10 個品種的甘薯渣膳食纖維進行了研究，發(fā)現(xiàn)每100 g 干物質(zhì)中纖維素、果膠、木質(zhì)素、半纖維素平均含量分別為31.19、15.65、16.85、11.38 g，同時發(fā)現(xiàn)薯渣中的膳食纖維主要是由7種單糖組成，其中葡萄糖相對含量最高[23]。曹媛媛對甘薯膳食纖維組成進行測定分析，發(fā)現(xiàn)甘薯中半纖維素、果膠等含量比大豆高，纖維素含量比大豆低；其分離的果膠中含有巖藻糖、鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖和木糖等多種單糖；而半纖維素中的單糖主要是葡萄糖，鼠李糖和半乳糖醛酸未檢出[24]。

1.5 甘薯多酚

分子結(jié)構(gòu)中含有芳香結(jié)構(gòu)和一個或多個羥基的化合物被稱為酚類化合物[25]。甘薯中的酚類化合物被稱為甘薯多酚，包括酚酸、花色苷和類黃酮三大類[26]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)甘薯不同部位的多酚含量有較大差異，葉片最多，其次是葉柄、莖，塊根最少。

酚酸類物質(zhì)以自由或結(jié)合的方式存在，在結(jié)合方式下主要是通過酯、醚或乙酸鍵與其他組分相連接。羅丹等對甘薯莖葉中的酚酸類物質(zhì)進行了研究，發(fā)現(xiàn)其有42 種[25]。黃洪光研究發(fā)現(xiàn)甘薯中的酚酸類物質(zhì)主要有4 種，分別是綠原酸、異綠原酸、新綠原酸、4-O-咖啡?？崴幔渲芯G原酸含量最高[27]。張賀等對不同肉色甘薯塊根的營養(yǎng)成分進行了比較，發(fā)現(xiàn)紫色甘薯的酚酸含量顯著高于其他肉色甘薯[28]。ZHANG等研究發(fā)現(xiàn)甘薯葉中鑒定出20種酚酸，主要為咖啡酰奎尼酸衍生物[29]。LUO 等對甘薯葉中的酚酸類物質(zhì)進行了研究，共鑒定出13 種酚酸類物質(zhì)，其中3 種二咖啡酰奎寧酸最為突出，占60.6%[30]。

花色苷是自然條件下花青素的主要存在形式，是花青素與糖分子結(jié)合形成的。相對于白心、黃心和橘心甘薯，紫肉甘薯中含有更豐富的花色苷。紫甘薯中的花色苷因品種不同而有所差異，但主要成分為?；氖杠嚲账睾蜕炙幩兀啻嬖谟趬K根中[31]。鄒波等以不同品種的紫肉甘薯為研究對象，通過高效液相色譜-四極桿飛行時間質(zhì)譜法共鑒定出16 種花色苷，包括8種矢車菊素類和8種芍藥素類[32]。張毅等對6個紫甘薯品種的花色苷組分進行了定量分析，共鑒定出11種花色苷，包括6種矢車菊素類和5種芍藥素類[31]。

類黃酮泛指由兩個芳香環(huán)（A 環(huán)和B 環(huán)）通過中央三碳連接而成的一系列化合物，在植物體內(nèi)通常與糖結(jié)合成苷類或以游離態(tài)存在。相關(guān)學者對甘薯莖葉中的類黃酮物質(zhì)研究較多。目前甘薯莖葉中已發(fā)現(xiàn)的類黃酮物質(zhì)就有42 種[25]。ZHANG 等研究發(fā)現(xiàn)甘薯葉中有12種類黃酮物質(zhì)[29]。LUO 等對甘薯葉中的黃酮類物質(zhì)進行分析，共鑒定出10種，其中黃芪素是主要成分[30]。LIU 等對甘薯葉的黃酮類物質(zhì)進行提取純化，分析發(fā)現(xiàn)其包括11 種化合物，主要有黃芪素、槲皮素、4,5-綠原酸、異槲皮素等[33]。

2 甘薯活性物質(zhì)生理功效研究進展

2.1 抗腫瘤作用

癌癥是世界范圍內(nèi)最致命的疾病之一，目前其主要治療手段是手術(shù)和放射性療法，對人體傷害嚴重，尚未發(fā)現(xiàn)有效的其他治療手段，因此具備高效、低毒等優(yōu)勢的天然活性產(chǎn)物成為食品抗腫瘤領域的研究熱點[34]。日本學者對甘薯中的活性物質(zhì)進行研究后發(fā)現(xiàn)，甘薯具有防癌作用。YAO 等對甘薯塊根中的sporamin 蛋白研究發(fā)現(xiàn)，sporamin 可以抑制Tca8113 細胞增殖并誘導細胞凋亡，這說明甘薯的sporamin 蛋白可能對口腔癌有一定的抑制效果[9]。YANG 等發(fā)現(xiàn)甘薯中的貯藏蛋白會下調(diào)肝臟中β-連環(huán)素及血管生長因子的表達和分泌，起到抑制小鼠直腸癌結(jié)節(jié)生長的作用[35]。趙國華等研究發(fā)現(xiàn)甘薯多糖SPPS-Ⅰ-Fr-Ⅱ組分對黑色素瘤B16 和Lewis 肺癌有強烈的抑制作用[16]。鐘偉以廣菜4號作為樣品，研究紅薯葉萃取液對Hep G2肝癌細胞、MDA-MB-231乳腺癌細胞的毒性和抑制增殖作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)紅薯葉不同萃取液對癌細胞都有較為明顯的增殖抑制作用[36]。另外，甘薯中含有的膳食纖維在預防結(jié)腸癌和乳腺癌方面具有相對顯著的功效[22]。美國科學家在甘薯中還發(fā)現(xiàn)含有一種“去氧表雄酮”的活性物質(zhì)，可以預防結(jié)腸癌和乳腺癌[37]。

2.2 抗氧化作用

超氧陰離子O2-·、羥自由基·OH 等活性氧容易造成人體的氧化損傷，從而引發(fā)各類疾病，如癌癥、心血管等[12]。郭金穎等比較了5 種甘薯多糖的體外抗氧化活性，發(fā)現(xiàn)這5 種甘薯多糖都具有良好的抗氧化活性，其中紫薯寧薯2-2 對DPPH 自由基及羥自由基清除能力最強，浙薯255 的鐵離子還原能力最強[38]。甘薯中的酚酸、花青素及類黃酮等酚類物質(zhì)也具有抗氧化作用。張賀等對4 個不同肉色甘薯塊根的抗氧化活性進行比較，發(fā)現(xiàn)紫色薯肉的渝紫7 號抗氧化能力最強[28]。靳艷玲等比較了4 種類型共18 個品種（系）甘薯的葉、藤、皮、肉4 個部位的抗氧化活性，表明4種類型中以紫薯各部位的抗氧化活性最高，4 個部位中以葉的抗氧化活性最高，同時抗氧化活性與多酚含量呈極顯著正相關(guān)，與黃酮類化合物含量呈顯著正相關(guān)[39]。陳蓬鳳等比較了4 個品種（福薯7-6、福薯18、寧菜、7001）薯尖的抗氧化活性，發(fā)現(xiàn)7001品種薯尖的抗氧化能力最高[40]。Santiago 等比較了3 個采收期的甘薯葉抗氧化活性，發(fā)現(xiàn)在第3 個采收期的甘薯葉抗氧化活性最高[41]。

2.3 免疫調(diào)節(jié)作用

免疫調(diào)節(jié)是機體自我調(diào)節(jié)以維持自身生理功能穩(wěn)定的一種機制，是機體識別和排除抗原性異物的一個過程[42]。ZHAO 等研究了甘薯多糖對小鼠體內(nèi)免疫功能的影響，發(fā)現(xiàn)在50 mg·kg-1劑量下可顯著增加淋巴細胞增殖，明顯增加血清IgG 濃度，而在150、250 mg·kg-1劑量下，所有的免疫指標均顯著增加，這表明甘薯多糖可改善免疫系統(tǒng)，被視為生物反應調(diào)節(jié)劑[43]。劉露等對“南薯88”多糖的免疫調(diào)控作用進行了研究，結(jié)果顯示“南薯88”多糖在20～80 mg·mL-1濃度下，可極顯著增加B 細胞和T 細胞增殖效果；在10～40 mg·mL-1濃度下，可極顯著增加巨噬細胞增殖效果，其中“南薯88”多糖在40 mg·mL-1濃度下對3種免疫細胞的增殖效果達到最佳[44]。

2.4 降血糖作用

糖尿病是由代謝紊亂引起的一種以高血糖為表征的慢性病，主要分為Ⅰ型糖尿病和Ⅱ型糖尿病。Oki等研究了白心甘薯的阿拉伯半乳糖蛋白(WSSP-AGP)對db/db 小鼠高血糖的影響，胰島素耐受試驗發(fā)現(xiàn)，由于使用WSSP-AGP 治療，胰島素敏感性有所改善，這表明該糖蛋白通過改善胰島素敏感性來降低血糖水平[45]。研究發(fā)現(xiàn)甘薯莖葉中的多酚類物質(zhì)也具有良好的降血糖活性，能有效抑制α-葡萄糖苷酶活性，改善HepG2 肝癌細胞胰島素抵抗模型糖異生代謝，改善3T3-L1脂肪前體細胞胰島素抵抗狀態(tài)和Ⅱ型糖尿病動物模型的狀態(tài)[25]。劉雪輝等從紫甘薯莖葉中分離得到綠原酸、異綠原酸等4 種化合物，研究其對α-葡萄糖苷酶的抑制作用，結(jié)果顯示這4 種化合物具有顯著的α-葡萄糖苷酶抑制作用，說明綠原酸類化合物具有降糖作用[46]。另外，甘薯中的膳食纖維可以增加小腸內(nèi)物質(zhì)的黏度，從而阻止葡萄糖的擴散，同時膳食纖維吸水膨脹后會形成高黏度的膠體溶液，能有效延緩餐后血糖水平的升高，從而預防糖尿病的發(fā)病率[22]。

2.5 其他作用

研究表明甘薯還具有抗突變、抗疲勞、抗輻射、抗衰老、保護肝臟、抑制肥胖等功效。闞建全等發(fā)現(xiàn)甘薯活性多糖具有顯著的抗突變作用，并呈明顯的劑量-效應關(guān)系[47]。趙婧等實驗發(fā)現(xiàn)紫心甘薯多糖能顯著增加運動后肝糖原、肌糖原儲量，降低血清尿素氮含量，使相關(guān)血清酶活性呈良性趨勢，能有效抑制肝臟中MDA 生成，提高肝組織中SOD 酶活力，這說明紫心甘薯多糖具有一定的抗疲勞活性[48]。江雪等研究表明紫甘薯多糖在體內(nèi)對137Csγ-射線輻射損傷小鼠具有一定的保護作用[49]。人體中活性氧含量過高會使人衰老，甘薯可以降低活性氧含量，有效預防衰老。甘薯中含有的粘蛋白等多糖類活性成分，可防止動脈血管硬化，也能保持消化道和呼吸道的潤滑。甘薯還含有一種類似雌激素的活性物質(zhì)，對保持皮膚細膩和延緩人體衰老有一定效果。甘薯中的膳食纖維組分含有較少的脂肪、淀粉等能源物質(zhì)，其進入機體后吸水膨脹產(chǎn)生高黏度膠體溶液，增加胃的飽腹感，延長胃排空時間，進而減少人體對食物的攝取，達到抑制肥胖的作用[22]。另外甘薯中的可溶性膳食纖維可顯著改變腸道菌群結(jié)構(gòu)，促進腸道益生菌的生長，抑制有害菌群的增殖[50]。

3 展望

甘薯具有多種生理活性功能，是一種天然的功能食品原料，具有重要的經(jīng)濟價值和廣闊的市場前景。我國甘薯資源豐富，為甘薯的工業(yè)化開發(fā)提供了堅實的物質(zhì)基礎。甘薯中功能活性物質(zhì)的含量，因品種不同而差異很大，可根據(jù)加工需要，選擇適宜品種的適合部位，加工成各種功能食品，以獲得甘薯各個部位功能物質(zhì)的價值最大化。目前，許多學者對甘薯的多種功能物質(zhì)進行了研究，但仍然存在功能活性成分提純制備技術(shù)不夠高效、生物活性作用機制不夠明確、開發(fā)應用缺少動物試驗等問題，使得甘薯的工業(yè)化開發(fā)進度較慢，嚴重制約了甘薯的應用與推廣。因此，今后研究的重點是探索高效提純工藝、闡明功能生理活性作用機制及開展產(chǎn)品的動物毒理試驗等。通過提高甘薯的工業(yè)化生產(chǎn)水平，充分利用甘薯的生物活性功效，提高甘薯的使用價值，開發(fā)新產(chǎn)品，達到產(chǎn)品多樣化、系列化，以滿足消費市場的需要。發(fā)展甘薯經(jīng)濟，可增加農(nóng)民收入，有益于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。