馬鈴薯龍葵素研究進展

馮燁 花萌

(安徽農業大學經濟管理學院，安徽 合肥 230000)

引言

龍葵素作為馬鈴薯食品加工中的有害物質，一般在其幼嫩和損傷部位有較多分布，據相關文獻論述，龍葵素的種類有80多種。龍葵素的理化性質具有兩面性，對于植物病蟲藥物的開發具有積極意義。對于人類醫藥的研發具有重要意義，特別是為抗癌藥物的研發提供一條頗具開發利用的道路。但對于食品民生方面，馬鈴薯龍葵素的高低影響著餐桌上的安全。

1 龍葵素來源及組織結構

1.1 來源

龍葵素在其他茄科、百合科、菊科植物中有分布。馬鈴薯發芽、變綠的部位中龍葵素含量高，未成熟的番茄中龍葵素的含量也很高。通常花、芽、未成熟果實等幼嫩部分含量普遍較高，在受到病蟲侵害的塊莖中含量也較高，是植物應對逆境的反應機制。針對龍葵素的研究重點多與馬鈴薯相關，成熟馬鈴薯塊莖中每100g中龍葵素的含量約為10mg，對人類健康不構成損害。但未成熟或貯藏時間長馬鈴薯中龍葵素含量升高，食用一定量會造成急性中毒，甚至危及生命。而番茄中龍葵素的含量隨著成熟而不斷降低，人們很少過量生食茄子，因此龍葵素中毒案例中很少出現因食用番茄和茄子而導致的中毒。

1.2 組織結構

龍葵素作為茄科作物中較為常見的毒素，龍葵素可溶于水，與醋酸結合，酸堿平衡易分解。攝入一定量后生物反應強烈，具有溶血性，由于其對運動與呼吸中樞有影響，中毒會造成軀體麻痹和呼吸困難等生理問題。龍葵素是植物為應對天敵而產生的次生代謝產物。由疏水苷元(糖普配基)和親水寡糖鏈組成，苷元部分由1個環戊烷多氫菲和1個含氮雜環連接而成[1]。馬鈴薯中的龍葵堿主要成分為a-龍葵堿和a-茄堿，茄堿味苦，晶白針狀，190℃時呈褐色，熔點在248℃，易溶于吡啶、醇類，在水、乙醚和苯中幾乎不溶。

2 龍葵素提取及檢測方法

2.1 提取方法

在龍葵素提取方面，因其光熱穩定性的特點，目前提取方法有浸提、回流提取、超聲波提取、微波提取等方法[2]。各種提取方法的提取效果、時間和價格各不相同。浸提法操作簡單，成本低，但耗時長，不能完全提取。回流提取法和索氏提取法均耗時較長，但提取質量較好，后者的提取效果比前者要好。超聲提取法的效率相比上述3種提取方法具有以下幾點優勢：提取效率高，回收率高，提取時間短，設備操作簡單。而微波提取法提取率雖高，但其操作復雜，最佳的提取工藝還需一定試驗進行調整，進一步改進。

2.2 檢測方法

龍葵素的檢測方法有稱重法、比色法、酶聯免疫法、高效液相色譜法和液-質聯用法。5種檢測方法各有優缺點，稱重法誤差大，使用少，成分難以檢測。而比色法和酶聯免疫法比較復雜，不能對提取物進行定量分析。目前龍葵素檢測較常用的方法就是高效液相色譜法和液-質聯用法。兩者的檢測效率、回收率都較其他方法要好，鄧孟勝[1]在各種龍葵素檢測方法的對比中發現，高效液相色譜法的樣品回收率為93.4%～94.6%。而液-質聯用法比其他幾種檢測方法更具精密性，回收率高達97%，重現性良好且準確率、靈敏度高，對于低濃度的龍葵素檢測效果好，高濃度的樣本需要預先稀釋。

3 龍葵素功能活性

龍葵素的毒性相對于馬鈴薯食品產業來說是有危害的，但對人類醫藥的開發和農業植物保護方面具有深遠開發的意義。

3.1 致毒肌理及生物反應

成熟的馬鈴薯含有少量的龍葵素，每100g馬鈴薯大約含有10mg龍葵素，不會對生物造成危害。當馬鈴薯發芽或其表皮受到損傷時，龍葵素的含量就會急劇升高。關于致毒肌理，馬鈴薯中的SGAs能刺激胃腸黏膜，導致胃腸出血性炎癥，引起紅細胞溶解，影響延腦和脊髓，從而干擾感覺和運動神經[3]。馬鈴薯達到15mg·100g-1時，食用口感表現出苦味，超過20mg·100g-1時，龍葵素的生物中毒主要表現為腹部疼痛、神經方面的耳鳴、頭暈、惡心、嘔吐等癥狀，嚴重的癥狀表現為呼吸困難、發熱、昏迷等，如果不進行及時的治療，會危及生命[4,5]。

3.2 龍葵素的應用

3.2.1 植物病蟲害防治

龍葵素本身是茄科和百合科植物為了防止天敵侵害而形成的防御機制，研究表明，龍葵素可通過抑制昆蟲體內膽堿酶的活性而影響入侵者的生命體征。其防御對于甲殼類、線蟲類、病原微生物類都有一定的作用[6]，馬鈴薯的早疫病和晚疫病對于馬鈴薯的植物和塊莖都會造成危害，導致產量、品質的降低，而龍葵素通過表達對疫病的病菌有一定的毒害作用，龍葵素中的茄啶對晚疫病具有強烈的抑菌效應，非糖基化的a-茄堿和a-卡茄堿更具有抗晚疫病菌活性，這一發現使得育種家努力將這一防御機制在不增加塊莖中的龍葵素含量的情況下，使得馬鈴薯對于病害具有高抗性，減少農藥的使用。有報告指出，龍葵素提取物能夠防治咀嚼式和刺吸式口器的害蟲，對果蔬的鱗翅目害蟲防治效果較好。

3.2.2 抗癌藥物

癌細胞產生的透明質酸酶使得基質的粘稠度降低，通透性的增加利于癌細胞的擴散，癌細胞的增生和通透性強使得病癥難以控制。關于龍葵素的文獻表明，龍葵素破壞膽堿酯酶活性，影響膜上甾族物質破壞細胞膜通透性。在龍葵素的作用下，腫瘤細胞的膜通透性大大降低。龍葵素誘導肝癌細胞產生活性氧，細胞內ROS誘導凋亡信號調節激酶(ASK1)、硫氧還蛋白結合蛋白(TBP-2)等凋亡信號蛋白的表達，促進HepG2肝細胞癌細胞凋亡，抑制肝癌細胞和食管癌細胞的增殖和生長。龍葵素能抑制食管癌細胞EC9706和ECa109細胞的生長，對于前列腺癌也具有一定的抑制和促使癌細胞凋亡的作用。龍葵素主要通過活性氧ROS/P38途徑抑制癌細胞的生長和凋亡[7]。人類在抗擊癌癥方面，投入了大量的人力財力，龍葵素對于肝癌、食道癌、前列腺癌的藥物研發提供了一條可行性程度很高的道路[8]。

3.2.3 抗真菌

龍葵素中的茄堿對于紅色毛癬菌具有明顯的抑制作用。應該說大部分皮癬都是由紅色毛癬菌引起的，其感染的分子機制目前還未明確，分布于角質層、指甲、毛發等，引起淺表真菌病，頭癬、手足癬、體癬等。相關研究表明，龍葵素中的茄堿抑制了紅色毛癬菌的生長，對于治療皮膚病的新藥開發具有一定意義。

虛擬現實（Virtual Reality）簡稱VR，是一種比普通模擬技術更為高級的模擬仿真技術。它利用計算機技術建立一種更為逼真的三維虛擬環境，讓用戶有一種“身臨其境”的感覺，高端的虛擬現實除了提供視覺和聽覺感受外，還提供觸覺、嗅覺等感受。更為重要的是，在這樣的環境中，用戶還能夠與環境或其中的對象實時交互，如漫游虛擬世界、操作虛擬設備等。這種技術在計算機輔助教學、網絡教學和模擬訓練等領域具有廣闊的應用前景。在網絡課件中用到的虛擬現實技術主要有VRML、Web3D和虛擬全景，Web3D是用于網絡環境的實時三維技術，廣義的Web3D包括VRML和虛擬全景。

3.2.4 降膽固醇

通過飼喂大鼠一定量的a-茄堿，對于降低大鼠的膽固醇有著積極意義。營養條件的改善，也使得三高人群逐漸增加，且趨于年輕化。心血管疾病對于人類的健康威脅很大，龍葵素降低膽固醇的這一效果，為心血管疾病的控制與治療提供了方向。

4 降低馬鈴薯龍葵素的措施

馬鈴薯育種家通過育種的方法降低龍葵素含量[9]；在栽培技術上，通過一定的溫、水、肥控制，降低馬鈴薯龍葵素含量；在運輸貯藏方面都找到了降低馬鈴薯龍葵素含量的技術和措施。下面分別論述從品種-栽培-運儲方面降低馬鈴薯龍葵素的技術和措施。

4.1 優選品種與基因改造

從品種選育上，馬鈴薯育種家陷入兩難的境地，龍葵素在馬鈴薯逆境抵抗上具有重要意義，在促進塊莖發育上具有積極作用。用于食品的馬鈴薯龍葵素含量越低，其品質越高。如何平衡龍葵素的高低影響，是限制優質種薯開發的重要限制因素。龍葵素在幼嫩、代謝強的組織和部分含量高，一般來說，塊莖萌芽中龍葵素的含量表達高，最高可達成熟塊莖中的50倍，也就是500mg·100g-1。但通過外源龍葵素處理馬鈴薯，并未促進莖芽的萌發，猜想是由于合成路徑受阻使得馬鈴薯中產生抑芽成分。具體的機制尚不明確。通過基因工程來降低龍葵素方面，在對St-SSR2基因的研究中表明，可以降低茄堿的含量，膽固醇也有顯著的降低，因為膽固醇是糖苷生物堿的前體物質，這一發現有望能夠降低龍葵素含量。

龍葵素合成和代謝路徑的機制尚不完全明確，使得從育種方面平衡馬鈴薯龍葵素變得很困難。目前育種手段選育龍葵素含量低的品種，但人工選育周期長，具有一定的不確定性。

4.2 栽培方面

龍葵素在馬鈴薯塊莖中的形成受多種因素影響，外界條件的影響不容忽視，在栽培管理過程中，溫度高、肥料偏重氮肥的施用、干旱等都會使得龍葵素含量升高。因為溫度的升高，呼吸作用加強，一般呼吸作用旺盛的部分，龍葵素的積累就愈高。干旱和養分的不均衡，促使馬鈴薯為應對逆境而做出對應的機制，從而使得龍葵素這一次生代謝產物成分升高。因此對于馬鈴薯產區的選擇，是做出栽培應對的重要手段，選擇氣候較為涼爽、水分較為充足、日夜溫差較大的栽培環境中，合理施用化肥，注重磷、鉀肥的施用。

4.3 科學貯藏、運輸及加工

馬鈴薯成熟收獲時，對馬鈴薯收獲機進行調試，收獲機操作得當，破皮率可以降到1%左右。收獲時應選擇晴天、土壤濕度低的時候，便于馬鈴薯的清挖。作業時，盡量避免塊莖的機械損傷，塊莖挖出地表后，要實時關注溫光天氣，需要一定的晾曬，去除附著泥土，避免表面含水量，也利于表皮傷口的愈合；注意降雨，以免造成儲藏腐壞。在晾曬完成后，要分揀大小薯，減少因重復分揀而造成的二次損害。

馬鈴薯儲藏過程中，龍葵素含量與光照、儲藏時間、溫度、濕度、O2濃度、CO2濃度有關。要求儲藏溫度4℃左右，干燥、通風、避光。有實驗表明，在光照處理下，龍葵素合成速度快，相較于避光處理，含量升高近1倍。儲藏時間長、溫度升高等都會使得龍葵素含量升高，儲藏過程中，要及時挑出發芽的塊莖。以往認為塊莖表皮綠變與龍葵素含量具有相關性，目前的結論表明，龍葵素含量升高與發芽長度具有相關性，與綠變部分有間接聯系[10]。

通過化學方法降低龍葵素含量的技術措施也有一定程度的使用，董甜甜采用乙醇熏蒸法降低龍葵素含量，結果顯示具有一定的降解作用。乙醇抑制機理是通過抑制表皮綠變的形成，抑制發芽而達到調控的目的[11]。采用氯苯胺靈(CIPC)雖能有效地抑制龍葵素，但是對于后續的加工會造成一定影響，且有一定的毒性。通過酸處理雖能降低龍葵素含量，但對于貨架期的馬鈴薯來說，耗工時較多。此外，樟腦和薄荷醇也有抑制生長發育基因的表達，降低芽的萌發[12]。

在食品加工中，去皮、蒸煮都能有效地降低龍葵素含量。對于綠變和發芽的塊莖盡量不要使用，雖說龍葵素分布于幼芽和生命活躍旺盛部位，但塊莖中龍葵素含量達到15mg·100g-1食用后就會感到一定不適，且在家畜飼喂中，發現龍葵素在家畜體內有積累作用，長期食用，會增加慢性中毒的風險。許榮華用多種烹飪方法對龍葵素含量的實驗表明，家庭烹飪過程中，用鹽水浸泡、放醋翻炒、蒸制等都會降低龍葵素的含量，日常飲食注意，可以有效預防龍葵素中毒[13]。

收獲時減少馬鈴薯機械損傷，科學貯藏、運輸，及時加工處理，烹飪過程注意處理，都能夠有效地降低馬鈴薯對于人類健康的傷害，對于馬鈴薯產業的穩步發展起到重要作用。

5 展望

糧食的優質穩定是民生的基礎，馬鈴薯作為4大主糧之一，為我國糧食貢獻巨大，馬鈴薯產業發展具有廣闊的發展前景。我國人口眾多，糧食需求量大，而馬鈴薯的營養價值較高，其塊莖內的淀粉和糖類等物質豐富，從食品方面和糧食戰略層面上講，發展馬鈴薯產業具有重要意義。龍葵素含量的增高是馬鈴薯食品制品的大敵，食用龍葵素過高的馬鈴薯，對于生物的健康造成不利影響，甚至危及生命。茄科和百合科植物在長期的進化過程中進化出一套保護自身免于被其他生物侵襲的機制，龍葵素在植物保護層面上發揮著重要的意義。隨著龍葵素研究的不斷深入，對于龍葵素的化學成分、結構特征、提取和檢測、功能活性等都有了較為系統的研究。在提取與檢測上，由于提取檢測的工序復雜，無法快速得到數據，需要進一步開發快速檢測設備，以滿足醫院、飼料加工廠、食品加工廠對龍葵素快速檢測的需求。

根據相關文獻的敘述，龍葵素在抗癌藥物的研發上，提供了一條可行性程度極高的道路。研究者從藥理學的角度上發現龍葵素對于抑制腫瘤細胞具有積極作用，通過實驗表明，龍葵素依靠降低腫瘤細胞的通透性使得腫瘤細胞擴散速度減緩，但具體的機制鮮有報道，醫藥的研發仍處于理論層面，其功能活性方面的進一步研究是藥物研發的基礎。探明其具體機制，提取技術和檢測技術仍需進一步的提高以發揮龍葵素的實踐應用。

在降低馬鈴薯中龍葵素含量上，一般通過品種選育和合理儲藏的方法。品種選育耗時長、目的性差，且不同的地區、栽培環境都對龍葵素的形成有影響。其代謝合成的機制雖有一定探明，但在實際操作過程中，缺乏較為常規、成熟的技術措施有效降低龍葵素含量。

龍葵素含量對于增加馬鈴薯抗病性具有積極意義，早疫病、晚疫病危害大，若發病會導致莖葉死亡、塊莖腐壞，影響馬鈴薯產業發展。合理的濃度范圍對于人體不會造成傷害，平衡兩者之間的矛盾，以及切實可行的措施，都會直接推動馬鈴薯的優質高產，利用轉基因技術調控馬鈴薯中龍葵素的合成代謝，在提高植株抗性的基礎上，保證馬鈴薯的產量。從優質種苗培養、科學栽培管理、儲藏合理調控等一系列控制方法，降低龍葵素含量，是保證馬鈴薯主糧化發展的重要措施。