楊蕓蕓 楚 強(qiáng) 閻芙潔 鄭子桓 鄭曉冬

(浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州 310058)

美國(guó)豆芋(ApiosAmericanaMedikus)是一種無(wú)性繁殖的多年生豆科土圞兒屬作物，其地下塊莖中一小部分作無(wú)性繁殖用，另外絕大部分作為一種新型的土豆替代食用物，是一種天然的高蛋白、高鈣食品。美國(guó)豆芋又名美洲土圞兒、大越豆芋、美國(guó)豆芋，菜用土圞兒來(lái)自羅漢參的同屬植物，是一種原產(chǎn)于北美地區(qū)藥食兩用的傳統(tǒng)作物[1]。美國(guó)豆芋主要集中生長(zhǎng)在加拿大安大略至美國(guó)佛羅里達(dá)州，目前在歐美及日本已廣泛種植與應(yīng)用，其中日本的青森縣種植和食用豆芋已有超過(guò)100年的歷史[2-3]。美國(guó)豆芋對(duì)高血壓、糖尿病和高脂血癥等具有明顯的改善效果[2, 4]。日本在20世紀(jì)80年底成功將美國(guó)豆芋開(kāi)發(fā)成為家喻戶曉的保健食品，每667 m2產(chǎn)值達(dá)25萬(wàn)元人民幣。Kiyochika Hoshikawa教授詳述了美國(guó)豆芋的營(yíng)養(yǎng)作用，促進(jìn)了其在日本的種植利用[2, 4-5]。美國(guó)豆芋一般作為滋補(bǔ)藥物、兒童成長(zhǎng)食物，具有很高的食用性和藥用價(jià)值，是一個(gè)具有巨大潛在開(kāi)發(fā)價(jià)值的豆科植物，它目前正受到日美學(xué)者的密切關(guān)注和重視。2009年，安家煒等[6]將美國(guó)豆芋成功引種至中國(guó)。目前，美國(guó)豆芋在浙江省杭州、寧波、溫州和金華地區(qū)均有栽培和食用。美國(guó)豆芋花、葉、塊莖分別如圖1所示。

圖1 美國(guó)豆芋花、葉、塊莖

20世紀(jì)80年代，美國(guó)對(duì)美國(guó)豆芋開(kāi)展了作為一種潛在的新作物的育種工作。美國(guó)豆芋主要生長(zhǎng)在溪邊、河邊或湖邊等較潮濕處，地下部分是念珠狀的根狀莖，橢圓形或卵球形的肉質(zhì)膨大部分間隔分布在根狀莖上，橢圓至扁圓形；花生于較明顯的結(jié)節(jié)上，花冠呈不同的紅棕色，為圓錐花序，花瓣從上端至下端顏色由深到淺而至白色，旗瓣為扁圓形。土圞兒屬植物具有很高的食用和藥用價(jià)值[8-11]。我國(guó)明代《農(nóng)政全書(shū)》和《本草綱目》記載其葉及塊莖均可入藥，主治百日咳、咽喉腫痛及外用治毒蛇咬傷等[12]。美國(guó)豆芋塊莖在北美從印第安土著食用開(kāi)始已經(jīng)有幾千年的食用史了，也在饑荒期發(fā)揮了重要的食用價(jià)值[13-15]。

1 美國(guó)豆芋的營(yíng)養(yǎng)成分

美國(guó)豆芋是一種食藥兼用的健康作物，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高。成分分析表明，美國(guó)豆芋有著豐富的營(yíng)養(yǎng)成分包括蛋白質(zhì)、皂苷、多糖、黃酮、鈣、鐵、維生素C、亞油酸、天門(mén)冬氨酸和谷氨酸。美洲豆芋塊莖營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高，含有豐富的蛋白質(zhì)、淀粉、粗纖維、還原糖、多種氨基酸和微量元素[16]。在日本和東南亞，美國(guó)豆芋花被制成保健茶。研究發(fā)現(xiàn)美國(guó)豆芋塊莖中的低聚糖主要是葡萄糖和蔗糖，Wilson等[17]研究發(fā)現(xiàn)豆芋干粉在脫脂的情況下，豆芋種子和塊莖中粗蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為大約25%～30%和11%～14%，其中占主導(dǎo)地位的都是天冬氨酸和谷氨酸，脂肪酸中主要的是亞油酸。美國(guó)豆芋金雀異黃酮含量比浙江天目山的土圞兒高[18]。值得注意的是，美國(guó)豆芋生食有毒，必須加熱破壞熱不穩(wěn)定植物堿。

對(duì)新引進(jìn)栽培的美國(guó)豆芋全植株進(jìn)行了不同部位生化特征成分的研究，為綜合利用美國(guó)豆芋花、莖、葉和塊莖，開(kāi)發(fā)功能性食品和醫(yī)藥中間體提供理論依據(jù)。美國(guó)豆芋塊莖、花、葉、藤中的成分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1[19]。

表1 美國(guó)豆芋塊莖成分/g/100 g[19]

通過(guò)對(duì)不同部位生化特征成分的檢測(cè)和分析，美國(guó)豆芋不同部位均含有豐富的游離氨基酸、可溶性蛋白、多糖、皂苷、黃酮、異黃酮、VC、VE和礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分。其中，豆芋葉中游離氨基酸、礦物質(zhì)、VE、總皂苷、總黃酮和異黃酮含量最高；豆芋藤中各種有效成分的含量相對(duì)較低；豆芋花中VC含量最高，同時(shí)還有含量較高的VE、總皂苷和異黃酮；作為可食部分的豆芋塊莖中可溶性蛋白和總糖含量最高，同時(shí)還含有較高量的VC、總皂苷和異黃酮。

報(bào)道的美國(guó)豆芋塊莖的成分、活性物質(zhì)和氨基酸組成見(jiàn)表2所示[20-21]。成分分析結(jié)果表明：美國(guó)豆芋塊莖中脂肪酸以亞油酸為主，氨基酸主要以天冬氨酸、亮氨酸、組氨酸、脯氨酸和精氨酸為主[17]，有效成分主要有皂苷、多糖、黃酮和異黃酮。

表2 美國(guó)豆芋塊莖中的成分、活性物質(zhì)和氨基酸組成(100 g)[17]

1.1 皂苷

大豆皂甙被報(bào)道有許多生理功能，如提高免疫功能，預(yù)防心血管疾病、抗病毒、保護(hù)肝臟等作用。美國(guó)豆芋葉子中皂苷含量是大豆的16倍，美國(guó)豆芋花中皂苷含量是大豆中的10倍。美國(guó)豆芋皂甙的報(bào)道有弱的血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑的抑制活性，可以降低血壓[22]。

1.2 多糖

美國(guó)豆芋花中的可溶性多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.95%，塊莖中含13.23%。據(jù)報(bào)道，多糖有改善免疫功能，抗衰老，降血糖效果[22]。美國(guó)豆芋塊莖中單聚糖和多聚糖中86%～90%是葡萄糖和蔗糖，美國(guó)豆芋花中大部分是葡萄糖和果糖。除此之外，10%～14%是低聚糖，如棉子糖和水蘇糖。掃描電鏡發(fā)現(xiàn)美國(guó)豆芋塊莖中多糖是雞蛋形狀，大小約10.6 m。

1.3 黃酮

黃酮類化合物是植物的次生代謝產(chǎn)物，有提高免疫功能、抗癌、抗炎、抗氧化等生理功能[23]。美國(guó)豆芋葉子中類黃酮含量有5.35%，是大豆中黃酮類化合物的8.6倍。染料木素結(jié)構(gòu)說(shuō)明：美國(guó)豆芋的多酚類物質(zhì)的主要類型是類黃酮和異黃酮，如圖4所示。美國(guó)豆芋葉子的類黃酮含量為5.35%，8.6倍大豆黃酮類化合物。黃酮類化合物的植物次生代謝物,據(jù)報(bào)道有許多生理功能，如免疫功能改善、抗癌、抗炎、抗氧化活性。美國(guó)豆芋花的異黃酮含量為59.44 mg/g，大約10倍的大豆。此外，美國(guó)豆芋葉子的異黃酮含量大約是20倍的大豆。一般來(lái)說(shuō)，有12種異黃酮，包括3種苷配基(大豆苷、染料木素和黃豆黃素)及其相應(yīng)的配糖體[24]。

1.4 異黃酮

內(nèi)源性和外源性異黃酮有多種藥理作用，如抗增殖[25-27]、抗氧化[28]、降血壓[29-31]、抗炎[32]等作用。美國(guó)豆芋花中異黃酮的含量是59.44 mg/g，是大豆中的10倍，葉子黃酮的含量是大豆的20倍左右。美國(guó)豆芋中含有豐富的異黃酮，能降低前列腺癌和乳腺癌的發(fā)病率[25]。美國(guó)豆芋塊莖中發(fā)現(xiàn)了一種新型異黃酮，染料木黃酮7-O-龍膽二堿，可以由β-葡糖苷酶降解產(chǎn)生染料木素，這類似于大豆異黃酮[34]。所以美國(guó)豆芋是食物源異黃酮的一種來(lái)源[25]。

2 美國(guó)豆芋的生理功能

美國(guó)豆芋是一種多年生豆科植物，被印第安人用作滋補(bǔ)以及淀粉類食物。19世紀(jì)中葉因?yàn)橥炼苟倘保擅乐迋魅霘W洲作為替代土豆的緊急食品[26]。美國(guó)豆芋原產(chǎn)于美國(guó)東部如科羅拉多、魁北克等在加拿大安大略省。在1943年，它在北美是栽培作物如佛羅里達(dá)、得克薩斯和日本東北部和南部北海道作為抗疲勞和兒童成長(zhǎng)食物[3]。美國(guó)豆芋的生理功能主要有降血壓、抗癌、降血糖、降血脂、抗氧化等功能。

2.1 降血壓

美國(guó)豆芋塊莖的降血壓效果如圖2所示，通過(guò)美國(guó)豆芋塊莖消化產(chǎn)生的富含脯氨酸的多肽來(lái)抑制血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(ACE)，達(dá)到降低血壓的目的[35]。

圖2 美國(guó)豆芋塊莖消化肽的降血壓效果機(jī)理圖

美國(guó)豆芋塊莖動(dòng)物研究中有溫和的降壓效果。用含有5%美國(guó)豆芋粉飲食喂養(yǎng)自發(fā)性高血壓大鼠3周，能降低10%的血壓。口服富含脯氨酸的美國(guó)豆芋水提取物200 mg/kg 1 h之后，可以降低10%的血壓[30]。YRLPNL(Tyr-Arg-Leu-Pro-Asn-Leu)和YQLP(Tyr-Gln-Leu-Pro)是美國(guó)豆芋由胃蛋白酶消化的兩種多肽，有血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制作用，其中YRLPNL血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制活性較強(qiáng)，等于賴諾普利和卡托普利的IC50值7.7 nM[36 ]。研究結(jié)果表明美國(guó)豆芋是一個(gè)潛在的降血壓的食物。

2.2 抑制癌細(xì)胞增殖

純化的Bowman-Birk抑制劑(BBI)在體外和動(dòng)物腫瘤模型研究中對(duì)致癌過(guò)程有抑制作用。與大豆的Bowman-Birk抑制劑(SBBI)相比,美國(guó)豆芋塊莖胰蛋白酶抑制劑(AATI),在四個(gè)細(xì)胞系的增殖率測(cè)試中顯示出相同或更強(qiáng)的抑制作用[36]。有學(xué)者對(duì)美國(guó)豆芋胰蛋白酶抑制劑抑制癌細(xì)胞擴(kuò)散的效果也進(jìn)行了體外研究[37]。美國(guó)豆芋抑制細(xì)胞增殖的機(jī)理如圖3所示，通過(guò)升高細(xì)胞膜磷脂酰絲氨酸和修飾精氨酸和賴氨酸來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 美國(guó)豆芋的抑制細(xì)胞增殖的機(jī)理

2.3 降血脂

美國(guó)豆芋塊莖可以改善脂質(zhì)代謝，是一種預(yù)防高血脂的健康食品[29]。美國(guó)豆芋塊莖含有染料木黃素和皂苷，能聯(lián)合異黃酮參與脂代謝，降低脂質(zhì)濃度。用含5%美國(guó)豆芋粉的飲食喂養(yǎng)自發(fā)性高血壓鼠3周，能降低血漿三酰甘油和肝臟總膽固醇。此外，即使飲食中額外增加1%的膽固醇，也能降低血漿總膽固醇[30]。

2.4 降血糖

美國(guó)豆芋的花朵是豐富的皂苷，可以抑制β葡萄糖苷酶的活性。因此，淀粉和蔗糖的利用途徑被抑制，能降低血糖。在日本也有喝美國(guó)豆芋花茶降血糖的報(bào)道[38]，這些都說(shuō)明美國(guó)豆芋是一個(gè)潛在降血糖的食物。美國(guó)豆芋降血糖的機(jī)理如圖4所示，通過(guò)皂苷抑制β-葡萄糖苷酶的活性，從而達(dá)到降低血糖生成量減少的目的。

圖4 美國(guó)豆芋降血糖的機(jī)理

美國(guó)豆芋葉提取物在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中研究發(fā)現(xiàn)：能促進(jìn)HepG2細(xì)胞吸收葡萄糖，可以抑制糖異生相關(guān)酶(磷酸烯醇丙酮酸羧基激酶，葡萄糖-6-磷酸酯酶)活性，促進(jìn)糖原合成酶的活性，促進(jìn)肝糖原合成，促進(jìn)葡萄糖的吸收[39]。

2.5 抗氧化

美國(guó)豆芋的葉子含有豐富的異黃酮，可以產(chǎn)生自由基清除活性[40]。美國(guó)豆芋提取物中主要成分是一種新型的異黃酮，染料木黃素-7-O-龍膽二糖甙。但是它并不直接發(fā)揮抗氧化功能，而是通過(guò)激活抗氧化系統(tǒng)，抑制自由基來(lái)實(shí)現(xiàn)。用美國(guó)豆芋提取物處理人乳腺癌細(xì)胞24 h后，能提高抗氧化應(yīng)激主要的酶血紅素加氧酶的基因表達(dá)[41]。

3 美國(guó)豆芋的應(yīng)用

美國(guó)豆芋塊莖是一種高蛋白質(zhì)、高鈣、高能量的食物，含有許多活性成分如皂甙，多糖、類黃酮、異黃酮等?？梢宰鳛槭澄锱腼?，或者將塊莖作為功能食品的主要原料，它可以消除自由基，降低血糖/脂質(zhì)，保障人類的健康。在歐洲和日本，美國(guó)豆芋鮮花已經(jīng)制成花茶，用來(lái)預(yù)防和治療高血糖，高血脂和其他慢性疾病的病人[42]。研究表明美國(guó)豆芋有降血壓、降血脂，降血糖、抗氧化和抗癌等效果，因此，美國(guó)豆芋是一種潛在的藥品和功能食品的來(lái)源。美國(guó)豆芋的提取物添加到美國(guó)豆芋塊莖或中藥內(nèi)，可開(kāi)發(fā)成新藥物或功能食品，或制成礦物質(zhì)和維生素的補(bǔ)充劑，應(yīng)用前景廣泛。

4 總結(jié)

美國(guó)豆芋是一種重要的功能性高營(yíng)養(yǎng)豆科作物。美國(guó)豆芋的營(yíng)養(yǎng)成分包括蛋白質(zhì)、皂苷、多糖、黃酮、異黃酮、鈣、鐵、維生素C、亞油酸、天門(mén)冬氨酸和谷氨酸等，有許多有效的生理活性，包括降血壓、降血脂、降血糖、抗氧化劑和抗癌等效果。因此，美國(guó)豆芋是潛在的藥品和功能食品來(lái)源。