朱云峰,徐翠翠,金少瑾,孫勝楠,張友源，馬 鶯,2,盧衛(wèi)紅,2,*

(1.哈工大機器人(山東)智能裝備研究院,生物健康工程研究所,山東濟南 250200; 2.哈爾濱工業(yè)大學化工與化學學院,黑龍江哈爾濱 150090)

蔥屬植物(Allium)是一類百合科二年或多年生的草本植物,大約有400～500種,主要分布于北半球,在我國約有110多種,主要分布在西北、東北以及華北等地區(qū),其在蔬菜生產中占有極其重要的地位,栽培面積占蔬菜總播種面積的10%,產量占總產量的7%[1]。常見的蔥屬植物包括大蔥、大蒜、洋蔥、韭菜等,含有揮發(fā)油、黃酮、甾體、膳食纖維、多糖等多種生物活性物質[2]。研究表明蔥屬植物活性成分具有抗腫瘤、抗氧化、抗炎、免疫調節(jié)等作用,如大蒜中的大蒜素[3]、大蔥中的揮發(fā)油[4]對腫瘤細胞生長、遷移有抑制作用;洋蔥皮提取物總黃酮物質具有抗氧化活性[5];大蒜中提取到的阿霍烯類衍生物有抗炎作用[6];紅洋蔥乙醇提取物對小鼠的免疫功能有促進作用[7]等。近年來,研究者圍繞蔥屬植物生物活性物質的提取分離、成分分析、藥理功效、產品應用等方面開展了大量的研究工作。本文對常見蔥屬植物中主要生物活性物質的最新研究進展進行了系統(tǒng)的總結和歸納,以期為進一步開發(fā)利用蔥屬植物、提高其在食品和醫(yī)藥領域的應用提供參考。

1 生物活性物質及提取技術

1.1 揮發(fā)油

揮發(fā)油是引起蔥屬植物刺激性蔥辣味的主要物質,因產地、部位、生長周期、提取方法、分析方法的不同，呈現(xiàn)明顯的差異,揮發(fā)油的主要成分是含硫化合物(硫醚、硫醇、硫酚、噻吩、亞砜類等)[8]。揮發(fā)油的提取方法包括有機溶劑法、水蒸氣蒸餾法、超臨界CO2萃取法等[9-11]。Li等[9]研究發(fā)現(xiàn)用石油醚作為溶劑提取大蒜油收率高于乙醇、乙酸乙酯和正戊烷,最高提取率為0.78%,超臨界CO2萃取提取率為0.81%,但是,用石油醚提取耗時42 min,而超臨界CO2萃取時間為130 min。Mnayer等[10]首次使用渦輪加壓-水蒸氣蒸餾法提取大蒜油,最高提取率達到68.90 mg/kg(鮮重計),氣質聯(lián)用技術(GC-MS)分析得到9個組分,分別是二丙基二硫化物(30.92%)、二丙基三硫化物(17.10%)、丙烯基丙基二硫化物(7.26%)、2-甲基-3,4-二硫戊烷(6.48%)、甲基丙基三硫化物(5.20%)、二丙烯基三硫化物(3.07%)、甲基丙基二硫化物(2.11%)、烯丙基丙基三硫化物(1.84%)、2-己基-5-甲基3(2H)-呋喃酮(1.26%)。相比有機溶劑萃取,水蒸氣蒸餾法得到的揮發(fā)油純度更高,但是水蒸氣蒸餾一般溫度較高,可能會導致一些含硫化合物發(fā)生氧化分解。Ye等[11]利用超臨界CO2萃取提取洋蔥揮發(fā)油,最高提取率達到4.69 g/kg(干重計),氣質聯(lián)用技術(GC-MS)分析揮發(fā)油的主要組成為5-甲基硫基硫化物(18.30%)、3,4-二甲基-2-噻吩基二硫化物(11.75%)和1-丙烯基丙基二硫化物(9.72%)。常見的三種揮發(fā)油提取方法及優(yōu)缺點見表1。

表1 揮發(fā)油提取方法比較Table 1 Comparison of essential oil extraction methods

一些新技術也被用于蔥屬植物揮發(fā)油的提取與成分的分析、鑒定。王俊魁等[12]利用頂空固相微萃取結合氣質聯(lián)用技術(HS-SPME-GC-MS)分析沙蔥中的揮發(fā)性物質,選取DVB/CAR/PDMS型號的萃取頭,得到主要揮發(fā)性成分是2-己烯醛(27.74%)、甲基-2-烯丙基三硫醚(25.70%)、二甲基三硫化物(13.62%)、烯丙基甲基二硫醚(9.94%)、二烯丙基二硫醚(7.23%),占總成分的84.23%,固相微萃取技術操作簡便、檢測快速、安全、無溶劑、選擇性好并且靈敏度高,集采樣、萃取、濃縮、進樣于一體,大大提高了分析檢測的效率。司民真等[13]建立了頂空固相微萃取-SERS結合分析測定大蔥揮發(fā)性物質的方法,采用頂空瓶在常溫常壓下收集大蔥的揮發(fā)物,將揮發(fā)物用注射器注入納米銀膠中,進行SERS測量,得到大蔥主要揮發(fā)物是1-丙硫醇和烯丙基甲基硫醚；以膠態(tài)納米銀作為SERS基底,與植物揮發(fā)性氣體中的含硫化合物吸附結合產生拉曼增強效果,從而對揮發(fā)性氣體特定物質分子進行檢測,該方法操作簡單快捷、制備樣品用量少、無損、靈敏度高、廉價。

1.2 黃酮類化合物

黃酮類化合物指兩個具有酚羥基的苯環(huán)通過中央3個碳原子連接而成的一類化合物,是植物源天然次生代謝產物,是蔥屬植物中的一種重要的生物活性物質,蔥屬黃酮以槲皮素、山奈酚與葡萄糖組成的糖苷為主[14]。大蒜外部的干皮,一般在食用前丟棄,富含大量的槲皮素、槲皮素葡萄糖苷及其氧化產物,具有極佳的抗氧化能力,可以抵抗非酶脂質過氧化和低密度脂蛋白的氧化[15-16]。Miean等[17]通過比較62種熱帶植物中黃酮類化合物的含量,發(fā)現(xiàn)洋蔥葉中總黃酮含量最高,其中槲皮素含量為1497.5 mg/kg,木犀草素為391 mg/kg,山奈酚為832 mg/kg。相關研究還發(fā)現(xiàn)同一植物不同品種、不同部位、不同生長時期、不同貯存時期的槲皮素含量都有一定差異[18]。常見的蔥屬植物總黃酮提取方法見表2。

分析表2中的黃酮提取的方法可以發(fā)現(xiàn):洋蔥、洋蔥皮中總黃酮含量高于大蒜、蔥白和叉枝鴨蔥,蔥白中黃酮含量為1.23%左右,含量最少;大蒜超聲波輔助提取黃酮的提取率高于微波輔助提取,洋蔥超聲復合酶法提取率高于熱水浸提,說明超聲波輔助乙醇提取是適宜的總黃酮提取方式,與常規(guī)的溶劑浸提取方法相比,超聲波具有機械作用、空化效應、熱力學作用,能提高溶劑的滲透性,從而提高提取率;超聲復合酶法提取洋蔥總黃酮提取率為5.58%,是表2中最高的提取率,說明利用纖維素酶、果膠酶、木瓜蛋白酶、復合酶對原料進行酶解預處理,能破壞細胞壁、細胞膜的結構,加速活性物質的穩(wěn)定釋放。

表2 黃酮提取方法比較Table 2 Comparison of flavonoid extraction methods

黃酮粗提物的純度一般不高,需要進一步純化。劉安軍等[23]用ADS-8大孔樹脂色譜柱純化黃酮粗提液,使用60%乙醇作為洗脫劑,得到黃酮純度為57.2%。張?zhí)煳腫27]依次用D101、D4020大孔樹脂色譜柱純化鴉蔥總黃酮粗提物,得到精制黃酮純度為93.5%,得率為1.3%。說明大孔樹脂色譜可用于蔥屬黃酮粗提物的純化。

1.3 甾體類化合物

蔥屬甾體類化合物包括甾體皂苷類和甾醇類物質。甾體皂苷分為螺甾烷醇、夫甾烷醇、膽甾烷醇等,已從蔥屬植物中分離出近200種甾體類化合物,有多種生理功能,具有很大的開發(fā)潛力、應用前景[28]。植物甾醇是國際生命科學學會推薦的十大功能性食品之一,結構上與膽固醇類似,具有良好的降低血液膽固醇的活性,非常有效、安全[29]。研究發(fā)現(xiàn)大蔥中總甾醇含量約為220 mg/kg,其中β-谷甾醇含量為160 mg/kg,是甾醇含量最高的蔬菜[30]。植物甾醇一般通過超臨界萃取等方法進行提取,然后提取液經過吸附、柱層析和結晶等工序精制而成。其中,硅膠柱層析、氧化鋁柱層析和結晶法是分離β-谷甾醇的有效方法[31]。付琴琴[32]通過硅膠柱溶劑梯度洗脫、Sephadex LH-20凝膠柱色譜、制備色譜等分離方法,從蔥白超臨界CO2提取物中分離得到β-谷甾醇,為首次從小蔥蔥白中發(fā)現(xiàn)該類物質。Sabha等[33]研究野生大蒜、大蔥中發(fā)揮抗血小板凝集作用的物質為β-谷甾醇。

1.4 膳食纖維

植物膳食纖維是組成細胞壁的成分,是一類難以被胃腸道消化、吸收的碳水化合物,包括纖維素、半纖維素、水膠體、抗性淀粉和不易消化的低聚糖等?；谄淙芙舛鹊牟煌?分為可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維兩類[34]。

膳食纖維的提取方法包括干磨法、濕磨法、酸(堿)提取法、微生物發(fā)酵法等,濕磨法提取膳食纖維用水量小、有機溶劑使用量小,且產品純度高,最高純度可達89.6%[35-36]。蘇偉等[37]研究酸法提取藠頭葉中水溶性膳食纖維的最適工藝條件為料液比1∶15、pH3.0、提取溫度90 ℃、提取時間90 min,得到水溶性膳食纖維提取率為9.85%。Jaime等[38]研究洋蔥不同組織酸水解后總膳食纖維、可溶性膳食纖維、不可溶性膳食纖維發(fā)現(xiàn)外皮、上部、下部總膳食纖維量依次降低,干物質含量分別是65.8%、48.5%、38.6%,主要以不溶性膳食纖維為主,化學成分分析發(fā)現(xiàn)所有組織中的膳食纖維以纖維素和果膠多糖為主。

食品工業(yè)上產生大量的洋蔥廢棄物主要是棕色的洋蔥外皮,處理不當會產生潛在的環(huán)境污染。因其富含膳食纖維、酚類、黃酮類物質,具有極佳的抗氧化特性,如對其進一步提取生物活性物質,將產生可觀的經濟效益，有前景的生態(tài)環(huán)境效益[39]。

1.5 多糖類化合物

蔥屬多糖是一類重要的活性物質,近年來,研究者圍繞洋蔥、大蒜、大蔥多糖的提取、純化展開了大量的研究,各種提取方法見表3。

分析表3的各種提取方法,可以看出,熱水提取、乙醇沉淀是最常用的多糖提取方法,主要影響因素有提取溫度、時間、料液比等,但是該方法普遍存在提取時間長、料液比大的問題,生產效率較低。超聲波復合酶輔助提取,具有提取溫度低、提取時間短、料液比低、提取率高等優(yōu)點,是比較經濟、易于產業(yè)化生產的工藝,需要根據具體原料進行工藝參數(shù)的優(yōu)化。粗多糖進一步純化的工藝步驟有脫除雜蛋白、脫色素、分級沉淀、柱層析色譜等[49]。

表3 多糖提取方法比較Table 3 Comparison of polysaccharides extraction methods

2 主要功效

蔥屬植物除用作調味食品外,發(fā)揮藥理作用的歷史也非常悠久,400多年前,中藥中就開始使用大蒜治療頭痛、蟲咬、霍亂、痢疾,使用大蔥治療傷寒、頭痛、腹痛腹瀉和習慣性流產等[50-51]。近年來,研究者圍繞蔥屬植物生物活性物質的抗腫瘤、抗氧化、抗炎、降血脂以及提高免疫力等功效、作用機理、調控機制等方面展開了大量研究。

2.1 抗腫瘤作用

現(xiàn)代醫(yī)學中,對蔥屬植物抗腫瘤的研究起始于1950年代,Weisberger等[52]發(fā)現(xiàn)從大蒜中提取出的硫代亞磺酸酯在體內、體外實驗均能抑制腫瘤細胞增殖。Nohara等[53]研究發(fā)現(xiàn)大蔥、洋蔥、大蒜中的抗腫瘤硫化物可以通過調節(jié)巨噬細胞激活來抑制腫瘤轉移和腫瘤增殖。Arulselvan等[54]研究發(fā)現(xiàn)給結腸癌小鼠口服大蔥熱水提取物能有效抑制腫瘤的生長并且提高了試驗小鼠的成活率,在分子水平上,熱水提取物抑制了關鍵炎癥標記物以及涉及到腫瘤細胞增殖、凋亡、血管生成、侵襲標志物的表達。

日常飲食中常攝入大蒜、洋蔥都能減少胃、食道、前列腺、乳腺、肺、皮膚、肝、腦等器官中發(fā)生肉瘤或者惡性腫瘤的風險[55]。因此,應用蔥屬植物營養(yǎng)和協(xié)同療法防癌、抗癌的研究以及開發(fā)系列功能性保健食品具有重要的現(xiàn)實意義以及廣闊的應用前景。

2.2 抗氧化作用

活性氧自由基引起的DNA、蛋白質、脂類物質的氧化是人體衰老和很多常見疾病的誘因[56]。蔥屬植物中黃酮、類黃酮物質能夠清除活性氧自由基或者增強細胞抗氧化酶(超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶)的活性,因而具有抗氧化、抗衰老、抗運動疲勞等多種生物功能[57]。Arung等[58]研究發(fā)現(xiàn)洋蔥中的槲皮素、槲皮素4′-O-β-葡萄糖苷抑制B16黑素瘤細胞中黑色素的形成及抗氧化特性。Lee等[59]研究發(fā)現(xiàn)洋蔥提取物和槲皮素通過PKC-ε失活/ERK1/2激活保護神經細胞免受氧化應激,從而發(fā)揮抗氧化作用。Yang等[60]研究發(fā)現(xiàn)黃洋蔥提取物中加入白曲霉粗酶液后,槲皮素含量增加,槲皮素4′-O-β-葡萄糖苷、槲皮素-3,4′-二-O-β-D-葡萄糖苷含量減少,槲皮素含量的增加對HT22細胞中谷氨酸誘導的神經毒性的保護作用增加,隨之增加了抗氧化和神經保護活性。

多項研究證明抗氧化是預防機體衰老的重要方法,因為自由基或氧化劑會將細胞和組織分解,影響代謝功能,并會引起不同的健康問題。如果能夠消除過多的氧化自由基,對于許多自由基引起的老化相關疾病都能夠預防。如常見的癌癥、動脈硬化、糖尿病、白內障、心血管病、老年癡呆、關節(jié)炎等,這些疾病都被認為與自由基相關[61]。

2.3 抗炎作用

抗炎作用是機體對外來反應的抵制作用或藥物輔助帶來的防止機體發(fā)炎的行為,蔥屬植物中的含硫化合物、黃酮類化合物等都有一定的抗炎作用[62]。Lee等[6]從大蒜中分離出有抗炎作用的四種化合物,經鑒定為Z-阿藿烯、E-阿藿烯和阿藿烯的氧化磺酰衍生物,發(fā)現(xiàn)這些物質能夠抑制核因子轉錄活性和促分裂原活性蛋白激酶、胞外信號調節(jié)激酶的磷酸化,導致減少LPS脂多糖誘導的一氧化氮、前列腺素E2的生成和可誘導的一氧化氮合成酶/環(huán)氧合酶基因的表達，從而發(fā)揮抗炎作用。Woo等[63]從蔥屬植物中分離出八種黃酮糖苷類物質,發(fā)現(xiàn)四種物質對LPS脂多糖誘導的BV-2細胞中一氧化氮的產生有抑制作用,并且沒有細胞毒性。

2.4 降血脂和降血糖作用

蔥屬植物提取物含有的β-谷甾醇、黃酮類物質,分別具有降血脂和降血糖的功效。Hwang[64]等研究發(fā)現(xiàn)蔥乙醇提取物能夠降低油酸誘導的非酒精性脂肪肝病模型中HepG2細胞中脂質的積累,抑制固醇調節(jié)元件結合蛋白1和脂肪酸合成酶基因的轉錄活性,可以明顯降低高脂肪、高蔗糖喂養(yǎng)小鼠的體重增加、肝臟重量增加、附睪脂肪重量和肝組織中脂肪的積累。Sung[65-66]等研究發(fā)現(xiàn)大蔥乙醇提取物和水提取物都能降低高脂肪誘導肥胖小鼠的體重、肝臟重量、脂肪組織重量、脂肪細胞的尺寸。Kim等[67]研究發(fā)現(xiàn)洋蔥皮乙醇提取物可以改善血糖和葡萄糖的餐后峰值,因為它可以抑制腸道蔗糖酶,從而延緩碳水化合物的吸收。

2.5 免疫調節(jié)作用

蔥屬植物中的揮發(fā)油、黃酮、多糖等具有免疫調節(jié)作用[68]。Ueda等[69]研究發(fā)現(xiàn),分蔥蔥葉中的粘液能提高小鼠白血病單核細胞中的腫瘤壞死因子TNF-α、單核細胞趨化蛋白和巨噬細胞樣細胞中的白介素-12的量,以增強腹膜細胞的免疫功能,同時提高了脾細胞中干擾素-γ的量和殺傷活性,證實大蔥粘液能增強小鼠的非特異性免疫功能。鳥類基礎飼料中添加0.5%～1%的大蒜粉可以通過增加T細胞介導的免疫反應來增強鳥類的生產性能和免疫狀態(tài),從而保護它們免于疾病而不降低生長性狀[70]。Prasanna等[71]利用D-甘露糖-瓊脂糖色譜法純化洋蔥凝集素ACA(收率約1 mg/kg),ACA顯示出8200 U/mg的特異性血細胞凝集活性,它能顯著提高細胞因子(IFN-γ和IL-2)的表達水平,能在體外誘導Th1型免疫應答。此外,相關研究還發(fā)現(xiàn)0.02%用量的大蒜提取物和益生菌的組合物,能調節(jié)蛋雞的免疫功能,顯著改善產蛋量[72]。膳食1%洋蔥粉可以改善白鯨幼魚的生長、血液學參數(shù)和免疫功能[73]。

2.6 其他作用

埃及紅蔥的甲醇提取物、乙酸乙酯提取物和丁醇提取物對成人血吸蟲曼氏蠕蟲具有顯著的抑制作用,表現(xiàn)出較好的抗血吸蟲功效[74]。洋蔥提取物抑制哮喘的凈效應與皮質醇類似,平喘作用優(yōu)于大蒜[75]。此外,蔥屬提取物還有抗血小板凝集作用[76]、促進機體排鉛、降低鉛中毒的作用[77]。

蔥屬植物中的生物活性物質種類多、結構獨特,未來的研究中會有更多的物質被分離發(fā)現(xiàn),也會有更多新的生理功效被研究。

3 蔥屬植物的開發(fā)應用現(xiàn)狀

3.1 食品、醫(yī)藥行業(yè)應用現(xiàn)狀

蔥屬植物中的大蔥、大蒜、洋蔥等主要被用作調味食品,初級加工食品有脫水大蔥葉、干燥蔥粉、脫水洋蔥片、洋蔥粉、洋蔥精油、洋蔥汁等,精深加工食品有大蒜精油軟膠囊、洋蔥紅酒等,具有提高免疫力、抗氧化等功效。作為藥食同源物,大蒜自古就被用作天然殺菌劑,有“天然抗生素”之稱[78]。大蔥也被廣泛應用于中草藥中,用于治療傷寒、頭痛、腹痛腹瀉和習慣性流產等[79]。

3.2 農業(yè)領域應用現(xiàn)狀

蔥屬植物浸提液、根系分泌物或揮發(fā)物等對多種受體植物種子萌發(fā)和幼苗生長表現(xiàn)出“低濃度促進、高濃度抑制”的效應,對多種灰霉病菌、青枯病菌、枯萎病菌的孢子萌發(fā)及菌絲生長起到抑制作用,因而在農業(yè)生產上能發(fā)揮化感作用,被鑒定出的化感物質多為有機硫化物、有機酯類、有機酸類、酚類、烷烴、烯烴、醛酮類、醇醚類和含苯化合物等[80]。研究蔥屬植物與其他作物間化感作用的關系,合理規(guī)劃栽培模式,可解決農業(yè)生產過程中蟲、草控制、光合作用調控和連作障礙等難題,增加作物產量[81]。江冰冰等[82]研究發(fā)現(xiàn)韭菜根系可以干擾辣椒疫霉菌孢子在土壤中的傳播侵染行為,并能分泌抑菌物質抑制辣椒疫霉菌的生長。生產上利用韭菜和辣椒間作或輪作可以有效降低辣椒疫病在田間的擴展危害,有利于實現(xiàn)病害的有效控制。

3.3 養(yǎng)殖業(yè)領域應用現(xiàn)狀

蔥屬植物含有多種生物活性物質,作為飼料添加劑在養(yǎng)殖業(yè)有重要的應用價值。主要功效有誘食助消化、抗菌抗炎、抗真菌感染、增強動物免疫力等[83]。相關研究發(fā)現(xiàn)在豬[84]、雞[85]、兔[86]、羊[87]飼料中添加蔥屬植物干粉對日增重、成活率、改善肉質、增強抗病性、增強動物免疫力方面有重要的幫助。

目前,我國養(yǎng)殖業(yè)面臨抗生素濫用的問題,動物生產中抗生素使用占比為23%,而美國為13%,德國為3%,濫用抗生素存在潛在的食品安全問題[88]。利用蔥屬植物開發(fā)飼料添加劑代替抗生素,能有效減少藥物殘留,保障食品安全[89]。

4 結論及展望

我國的蔥屬植物品種繁多、種植范圍廣、面積大、產量高,含有揮發(fā)油、黃酮、甾體、膳食纖維、多糖等多種生物活性物質,研究者圍繞生物活性物質的提取、純化工藝參數(shù)優(yōu)化、功能性成分分析、結構鑒定,抗腫瘤、抗氧化、抗炎、降血脂、降血糖、免疫調節(jié)等功效展開了大量研究,但是偏向于基礎研究,成果轉化率不高,開發(fā)利用程度還遠遠不夠。為解決此類問題,未來主要有以下兩個重點研究方向:

第一,應用先進的分離、純化、分析技術進一步挖掘生物活性物質,對活性物質進行分離及結構鑒定,并對不穩(wěn)定成分進行結構修飾及工藝優(yōu)化,增加其穩(wěn)定性的同時,提高生物利用度。從多方面進行藥理作用研究,由混合物到具體化合物,以確定其發(fā)揮作用的具體物質,從基因表達、蛋白合成、細胞因子調控、信號通路等角度研究其作用機制,為豐富蔥屬植物藥用價值提供技術保障。

第二,不斷挖掘蔥屬植物品種資源,對不同品種間蔥屬植物成分、功能進行系統(tǒng)研究,開發(fā)更多蔥屬植物的價值,擴大蔥屬植物在食品、藥品、保健品、化妝品、養(yǎng)殖業(yè)、農業(yè)生產中的應用范圍。還可以針對不同人群的需要開發(fā)特色功能性食品、特醫(yī)食品等高端產品,實現(xiàn)產業(yè)化生產,更好地服務于人類健康。

蔥屬植物研究的空間大,應用前景廣闊,相信隨著科研人員的不斷努力及科技水平的不斷提高,其價值會得到更好的利用,產業(yè)的發(fā)展會帶來更可觀的經濟、社會和生態(tài)效益,為人類健康做出更大的貢獻。