不同产地西洋参氨基酸种类及含量分析

赵方杰，廉喜红，胡小平，苏景文，王启明，赵 平,3，范三红，商文静(.农业农村部黄土高原作物有害生物综合治理重点实验室，西北农林科技大学 植物保护学院，陕西杨凌 700；.留坝县科学技术局，陕西留坝 700；3.云南农业大学 资源与环境学院，

昆明 6502014；4.西北农林科技大学 生命科学学院，陕西杨凌 712100)

西洋参(PanaxquinquefoliusL.)，也称花旗参，是五加科人参属多年生草本植物，原产于加拿大东南部的蒙特利尔、魁北克和美国东部的纽约州、密苏里州、威斯康辛州等地[1]。西洋参在中国已有300多年的应用历史，但长期以来一直依靠进口[2-3]。1948年江西庐山植物园从加拿大引种栽培，但没有建立生产基地，未能形成产业。1975年再次引进西洋参种子，先后在黑龙江、吉林、辽宁、北京、江西、陕西、福建、云南等地开展西洋参引种试验研究工作，形成吉林省抚松县、山东省文登市和陕西省留坝县3个主要种植区[1]。目前，中国已经成为世界西洋参第一大消费国和第二大生产国[2-3]。西洋参根、茎、叶和果实均可入药，性寒、味甘微苦，具有补气养阴、清热去津、保护心脏、降血糖、降血脂、增强免疫功能和记忆、抑制血小板凝集、抗疲劳、抗休克、抗缺氧等功效，用于气虚阴亏、虚热烦倦、咳嗽痰血、内热消渴、口燥咽干等症状[2,4]。随着现代科学技术的发展和人们对医疗保健的重视，西洋参的利用呈现多领域、多层次和多功能化的特点。

氨基酸是构成蛋白质的基本单位，是生物体内重要生理功能及营养成分的合成原料。人体中的蛋白质是由21种氨基酸构成的，包括必需氨基酸(Essential amino acid，EAA)和非必需氨基酸(Non-essential amino acid，NEAA)，其中赖氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、亮氨酸、苏氨酸、缬氨酸和精氨酸9种为人体必需氨基酸。必需氨基酸是合成速度不能满足人体需求或人体无法合成的，只能从食物中摄取的氨基酸。氨基酸的消耗过多或供应不足将会导致一系列临床症状，如苏氨酸具有保护细胞膜、促进人体发育等功效，缺乏时可导致人体消瘦，甚至死亡[5]；缬氨酸可促进身体正常生长，修复组织，调节血糖、提供需要能量等，缺乏时可使大脑中枢神经系统发生紊乱，共济失调，四肢乱颤等[4]。除此以外，作为名贵中药材，西洋参还含有一类医疗价值极高、广泛应用于医疗产业的氨基酸-药用氨基酸(Medicinal amino acid，MAA)，其含量是评价食品和中药材品质的重要指标，主要包括必需氨基酸中的蛋氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸和精氨酸，以及非必需氨基酸中的天门冬氨酸、甘氨酸和谷氨酸[6-7]。药用氨基酸在总氨基酸中所占比例可以反映该中草药的药用价值。

陕西省留坝县位于陕西省西南部，地处秦岭南麓，气候温和，雨量充沛，自然环境得天独厚，是中国重要的西洋参产区之一。为了了解中国各地西洋参与原产地加拿大多伦多西洋参中氨基酸差异，以氨基酸种类和含量为主要目标，对产于吉林省抚松县、山东省文登市、陕西省留坝县以及原产地加拿大多伦多市的西洋参进行测定和对比分析，以期挖掘国内西洋参的产品优势，为西洋参特色化利用以及产业发展奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料于2017-2019年分别采自陕西省留坝县留候镇桃源铺村、火烧店镇太子岭村和玉皇庙镇玉皇庙村农户自有西洋参参棚参根，以及留坝县留侯镇闸石口村陕西佳仕森公司种植基地西洋参标准化种植园参根，吉林省抚松县、山东省文登市、山东荣成市和加拿大多伦多的西洋参为当地市售西洋参根，各份西洋参样品均收集到 1 kg，且均为4 a生参根(表1)。

表1 西洋参样品基本信息Table 1 Basic information of American ginseng sample

1.2 西洋参样品氨基酸的测定方法

西洋参样品于60 ℃烘箱干燥到恒质量后，送到农业部食品质量监督检验测试中心(杨凌)，参照食品安全国家标准《食品中氨基酸的测定(GB/T5009.124-2016)》的测定方法，先用匀浆机将样品全部粉碎，过60目筛子，取充分混匀的待测样品2 g(精确到0.001 g)于水解管中，加入6 mol/L的浓盐酸10 mL，并向水解管内滴入苯酚3～4滴，然后将水解管放入冷冻剂(市售食盐与冰块质量比为1∶3)中，冷冻3～5 min，后接入真空泵抽真空，充入高纯氮气进行密封保护，重复抽真空-充氮气3次后，将密封的水解管放在 110 ℃±1 ℃的恒温干燥箱水解22 h后，取出冷却至室温[8]。打开水解管，过滤水解液，用去离子水冲吸水解管，并用去离子水将水解液定容至 50 mL的容量瓶内。然后取1 mL滤液于15 mL的试管内，在40～50 ℃的真空干燥器中浓缩蒸干，用 1 mL pH 2.2的柠檬酸缓冲液溶解[8-9]。振荡混匀后，吸取溶液通过 0.22 μm的滤膜过滤后，转移至仪器进样瓶，采用日立 L-8900 氨基酸自动分析仪测定西洋参的17种氨基酸(除色氨酸)和总氨基酸的含量(mg/g)[8]，每个样品重复测定3次。

1.3 西洋参营养价值评价

食物中必需氨基酸之间的平衡是相对的，某种氨基酸的含量过多或过少都会影响其他氨基酸的利用，从而降低食物中蛋白质的营养价值。蛋白质中的必需氨基酸组成比例越接近于人体必需氨基酸比例，则其营养价值越高。3大西洋参主产区的西洋参根部营养价值的评价以 WHO/FAO 提出的标准模式谱为参考。来分别计算西洋参根中必需氨基酸占总氨基酸的质量分数、氨基酸比值(Ratio of amino acid,RAA)、氨基酸比值系数(Ratio coefficient of amino acid,RCAA)和氨基酸比值系数分(Score of ratio coefficient of amino acid,SRCAA)[10-12]。

RAAi=某被测样品必需氨基酸的含量/模式蛋白中相应必需氨基酸的含量(1≤i≤7)

RCAAi=某被测样品必需氨基酸RAAi/某被测样品必需氨基酸RAA的均值(1≤i≤7)

(1≤i≤ 7)

1.4 数据分析方法

采用Excel 2013进行数据整理和初步分析，氨基酸含量以“平均值±标准差”的形式表示，使用SPSS version 19的ANOVA进行差异显著性分析，样品间的多重比较分析采用Tukey test-HSD方法进行，样品间差异显著水平Alpha= 0.05。主成分分析采用SPSS的最大方差法进行，主成分的因子载荷图采用GraphPad Prism version 6软件绘制。

2 结果与分析

2.1 氨基酸的组成及含量分析

各供试西洋参均可检测出17种氨基酸，含量范围为65.99～88.09 mg/g，其中必需氨基酸(EAA)和半必需氨基酸[精氨酸(Arg)]共8种，含量范围为33.17～46.20 mg/g，非必需氨基酸(NEA)9种，含量范围为32.83～42.40 mg/g，其中半必需氨基酸精氨酸(Arg)含量最高，为 13.47～22.40 mg/g。不同种植区西洋参根总氨基酸含量及必需氨基酸含量均存在显著差异 (P<0.05)，加拿大多伦多的含量最高，其总氨基酸含量为85.80 mg/g，必需氨基酸含量为46.20 mg/g；其次为陕西留坝，其总氨基酸含量达 88.09 mg/g，必需氨基酸含量达45.70 mg/g，而吉林的含量最低，分别为33.17 mg/g、65.99 mg/g。此外，不同种植区西洋参根的必需氨基酸与非必需氨基酸的比值(EAA/NEAA)范围为 1.008～ 1.177，均远远高于WHO/FAO 理想蛋白质标准要求的0.6，且不同种植区西洋参根部的必需氨基酸与总氨基酸的比值(EAA/TA)范围为 0.503～0.540，均符合WHO-UN 标准[13]中关于理想蛋白质中EA/TA比要求的0.4[8]。儿童必需氨基酸(Child essential amino acid，CEAA)包括精氨酸和组氨酸，其在儿童的生长发育过程中起着重要的作用，加拿大多伦多和陕西留坝西洋参根中儿童必需氨基酸远远高于其他种植区 (P<0.05)，分别为24.37 mg/g和24.17 mg/g(表2)。

作为评价食品及中药材品质重要指标的药用氨基酸包括必需氨基酸中的蛋氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸和赖氨酸，以及非必需氨基酸中的天门冬氨酸、甘氨酸、谷氨酸和精氨酸[6-7]。对测定结果分析表明，供试西洋参样品中药用氨基酸含量范围为45.94～61.93 mg/g，其含量占总氨基酸含量的67.3%～72.3%。不同种植区西洋参根部的药用氨基酸含量存在差异(P<0.05)，加拿大多伦多西洋参根的药用氨基酸含量最高，为61.93 mg/g，占总氨基酸的72.3%；其次为陕西留坝县，为61.63 mg/g，占总氨基酸的70.0%(表2)。其中，重要的药用氨基酸，如用于生发剂、预防和治疗肝昏迷，保护肝脏和调节中枢神经系统的世界上氨基酸产量最大的谷氨酸(Glu)；作为营养增补剂、调味增香剂、植物生长促进剂、调节血糖水平、缓和焦躁及紧张情绪、控制酒精中毒的亮氨酸(Leu)[4,14]；高浓度抗肿瘤、加入饲料中能有效抑制二甲苯胺化学致癌作用的精氨酸等[14]，均有较高的含量。

2.2 不同种植区西洋参的营养价值评价

食品中蛋白质的营养价值主要取决于必需氨基酸的种类、数量及比例。蛋白质中氨基酸的组成方式影响食品的营养价值，当蛋白质的氨基酸组成与人体氨基酸组成相近时，使用价值就越高[15-16]。本研究将测定结果与FAO/WHO于1973年修订的-理想蛋白人体必需氨基酸模式谱[13,17-18]进行比较分析。结果表明，供试西洋参中人体必需氨基酸比例总体配比较为合理；不同种植区西洋参根中苏氨酸(Thr)、苯丙氨酸+酪氨酸(Phe+Tyr)、赖氨酸(Lys)含量在总氨基酸中的比例均显著高于标准模式；异亮氨酸(Ile)、亮氨酸(Leu)、缬氨酸(Val)、蛋氨酸+胱氨酸(Met+Cys)含量在总氨基酸中的比例低于标准模式。陕西留坝西洋参的必需氨基酸占总氨基酸的比例与原产地加拿大多伦多的最为相近，且接近于标准模式图谱(图1)。

氨基酸比值系数法是食品中氨基酸营养评价的常用方法。氨基酸比值(RAA)、氨基酸比值系数(RCAA)和氨基酸比值系数分(SRCAA)是氨基酸比值系数法中的主要参数。RAA是指样品中氨基酸的含量与模式蛋白中的氨基酸的含量的比值。RCAA可以反应食品中氨基酸组成含量与模式氨基酸的偏离程度，RCAA值最小的氨基酸可被视为第一限制性氨基酸，第一限制氨基酸会严重影响机体对蛋白质的利用。SRCAA可表示食物中蛋白质的相对营养价值，其值越接近100，说明西洋参根中蛋白质营养价值越高[16,19-20]。表3结果显示，加拿大多伦多和陕西留坝西洋参根的RAA值和RCAA值更接近WHO/FAO氨基酸模式谱。不同种植区西洋参的氨基酸比例不是完全合理的，但其第一限制氨基酸均为蛋氨酸+半胱氨酸(Met+Cys)。不同种植区西洋参根的SRCAA值差异显著(P< 0.05)，加拿大多伦多西洋参根的SRCAA最高，为42.36，营养均衡性最强，营养价值最高；其次是陕西留坝西洋参参根，为21.07(表3)。

表2 不同栽培区西洋参样品氨基酸组成与含量Table 2 Composition and content of amino acids of American ginsengin planting areas

图中每种氨基酸上标字母相同者视为地区差异不显著(P>0.05)，上标字母不同者视为差异显著(P<0.05)

表3 不同种植区西洋参中必需氨基酸的RAA，RCAA和SRCAA的比较分析Table 3 RAA,RCAA and SRCAA analysis of essential amino acids in American ginseng from different planting areas

2.3 不同种植区西洋参根中氨基酸的主成分分析与综合评价

以特征值λ大于1并综合考虑累计贡献率≥85%确定主成分数[8,21]，西洋参中17种氨基酸共提取到4个主要成分，累计贡献率达93.418%，可以反应氨基酸含量的大部分信息(表4)。其中，第一主成分(PC1)的方差贡献率为61.298%，其代表性氨基酸主要包括缬氨酸(Val)、脯氨酸(Pro)、甘氨酸(Gly)、赖氨酸(Lys)、丝氨酸(Ser)、丙氨酸(Ala)、组氨酸(His)、苏氨酸(Thr)、天冬氨酸(Asp)、胱氨酸(Cys)、酪氨酸(Tyr)、异亮氨酸(Ile)，第二主成分(PC2)的方差贡献率为 13.230%，其代表性氨基酸主要包括精氨酸(Arg)、谷氨酸(Glu)，第三主成分(PC3)的方差贡献率为11.303%，其代表性氨基酸主要包括苯丙氨酸(Phe)、亮氨酸(Leu)，第四主成分(PC3)的方差贡献率为7.587%，其代表性氨基酸为蛋氨酸(Met)(图2)。

表4 主成分的初始特征值Table 4 Initial eigen values of principal components

利用综合评价指标F1、F2、F3替代原有的17种氨基酸指标进行综合分析与评价，通过以每个主成分所对应的特征值的方差贡献率建立综合评价模型[21-23]，即F=0.613F1+0.132F2+ 0.113F3+0.076F4。结果显示，第1主成分及第3主成分中加拿大多伦多得分最高，其次是陕西留坝，第1主成分及第2主成分因子载荷中影响较大的因子是必需氨基酸(图2)，所以加拿大多伦多和陕西留坝西洋参中必需氨基酸得分较高。综合得分结果显示陕西留坝排名第1，其次为加拿大(表5)。

图2 主成分的因子载荷图Fig.2 Factor load diagram of principal components

3 结论与讨论

氨基酸与人类的健康密切相关，它不仅是营养物质，还可以用作治疗药物。作为名贵药材的西洋参，其氨基酸含量的高低，必需氨基酸和药用氨基酸的种类是否齐全，必需氨基酸占总氨基酸的比例与各种必需氨基酸的组成比例等，都是衡量其品质和药用价值的重要指标[16,18]。本研究采用国家标准对比测定国内外不同西洋参产区西洋参样品中氨基酸的种类和含量。结果表明，陕西省留坝县西洋参总氨基酸量、人体必需氨基酸和药用氨基酸含量普遍较高，仅次于原产地加拿大多伦多；相较于其他产地来源的西洋参样品，加拿大多伦多和陕西留坝氨基酸含量和必需氨基酸组成比例更接近于FAO/WHO于1973年制定的理想蛋白人体必需氨基酸模式谱，含有大量的人体所必需的氨基酸，且氨基酸营养较为均衡。

表5 不同种植区的综合得分Table 5 Comprehensive scores of different planting areas

据报道[4]，西洋参的部分氨基酸不仅对癌症有抑制作用，可以抗菌抗病毒，同时可以调节机体免疫力。目前，西洋参被研发为医药、食品、保健品、饮料等系列产品，使人们对西洋参保健及治疗作用广泛认同，需求量不断增加，但作为道地药材的西洋参，不同的自然环境条件对西洋参的质量和品质还存着巨大的影响。陕西省留坝县地处秦岭南麓腹地，气候属亚热带北缘山地暖温带湿润季风气候类型，兼有亚热带、暖温带、温带各种气候特色，冬无严寒、夏无酷暑、冬长夏短、春秋近半、雨量充沛，自然环境得天独厚。自1981年从美国、加拿大引种西洋参在陕西省留坝县种植获得成功后，于1986年被列入国家科委首批“星火计划”项目进行支持，留坝西洋参商品参获得国家卫生部颁发的新药证书，西洋参速溶茶取得省级“准”字号生产许可证，后办理了地标升国标生产许可证，成为西北最大的西洋参基地和全国三大西洋参栽培基地之一[24]。陕西省留坝县现有西洋参留床面积超过200 hm2，成为当地农户脱贫致富的支柱产业。本研究结果证实陕西省留坝县是我国西洋参的优质产地，为充分利用西洋参的药用价值和营养价值，开发附加值更高的特效产品以及拓展西洋参产业等提供一定的理论基础。