铁皮石斛茎、叶、花的活性成分及综合利用研究进展

严静,蔡易熹,陈燕兰,张慧莹,杜冰

(华南农业大学 食品学院,广东 广州,510642)

铁皮石斛(DendrobiumofficinaleKimura et Migo)是兰科石斛属草本植物,在我国民间享有“救命仙草”的美誉[1]。我国有74种石斛属植物和2个变种[2],2005版《中国药典》收录的石斛有铁皮石斛、金钗石斛和马鞭石斛。但由于铁皮石斛有较高的药用价值,2010版《中国药典》将铁皮石斛单独列出。铁皮石斛味甘、性微寒,具有生津养胃和润肺益肾的功效。铁皮石斛以茎入药,含有石斛多糖、石斛碱、酚类、黄酮类和氨基酸等活性成分[3]。现代药理学研究表明铁皮石斛具有降血压、提高免疫力、抗肿瘤、抗衰老和降血脂等药用价值[4-8]。

虽在本草考证中是以铁皮石斛茎为药用部分,但在《中国药典》及很多文献中均以铁皮石斛全草为药用部分,传统的铁皮石斛制品如石斛枫斗、石斛粉、胶囊主要是以铁皮石斛茎为原料加工而成,很少利用铁皮石斛叶和花为原料[9]。在采收时,生物产量较大的非药用部分叶、花往往作为药材生产过程的副产品被直接丢弃,造成了一定的资源浪费。近年来,随着铁皮石斛种植面积不断扩大,铁皮石斛多样性产品不断丰富,对铁皮石斛叶、花部位的化学成分深入研究也引起了研究者兴趣,研究表明铁皮石斛茎、叶、花的化学成分相似,但含量有所差异[10-11]。

铁皮石斛叶具有很好的降血脂、降血糖功效[12],具有一定的应用价值。铁皮石斛花具有抗氧化、降血压、滋阴护肝等保健功效[13-15],已被应用于化妆品、保健品、普通食品中。对铁皮石斛叶、花资源进行研究开发,不仅能更充分地利用中药珍稀资源,而且也可填补市场的空白,延续铁皮石斛产业的发展。目前我国的铁皮石斛产业总体上还处于生产初级制品阶段,深加工产业发展水平还较低,深加工制品占比不到1/20。本文从铁皮石斛茎、叶、花活性成分和综合利用方面进行论述,旨在为铁皮石斛茎、叶、花活性成分的深入认识提供数据支撑,为铁皮石斛产品多样性开发提供理论依据；同时促进铁皮石斛茎、叶、花相关产品的深加工,提高其附加值,实现铁皮石斛资源的有效开发。

1 铁皮石斛茎、叶、花的活性成分

1.1 多糖

表1 铁皮石斛茎、叶、花的多糖含量和体外抗氧化活性比较Table 1 Comparison of polysaccharide content and antioxidant activity in vitro of D.officinale stems,leaves and flowers

多糖活性与含量和单糖组成比例是密切相关的,铁皮石斛茎、叶、花的单糖组成和甘露糖与葡萄糖之比如表2所示。铁皮石斛茎多糖主要由甘露糖和葡萄糖组成[20-23]；铁皮石斛叶多糖为酸性杂多糖,主要由甘露糖、半乳糖醛酸、葡萄糖、半乳糖和阿拉伯糖组成[20,24]。张又元等[25]研究铁皮石斛茎和叶中多糖的单糖组成发现,虽然铁皮石斛茎和叶的多糖组成有较大差异,但主要的单糖组成皆为甘露糖和葡萄糖,且茎部多糖中甘露糖和葡萄糖的占比达98.59%。张四杰等[26]采用柱前衍生超高效液相色谱对11个铁皮石斛花样品的多糖进行了单糖组成分析。不同家系铁皮石斛花多糖中单糖种类组成基本相同,主要由葡萄糖、甘露糖、半乳糖、半乳糖醛酸和阿拉伯糖5种单糖组成,与铁皮石斛叶单糖组成一致。

表2 铁皮石斛茎、叶、花的单糖组成和甘露糖与葡萄糖之比Table 2 Monosaccharide composition of stems,leaves and flowers of D.officinale and ratio of mannose to glucose

甘露糖和葡萄糖是铁皮石斛多糖的重要组成部分,2015年《中国药典》将甘露糖和葡萄糖的含量作为铁皮石斛的质控指标,规定铁皮石斛中的甘露糖与葡萄糖的比值为2.4～8.0。由表2可知,铁皮石斛茎、叶、花的甘露糖与葡萄糖的比值均在2.4～8.0范围内,且铁皮石斛叶中甘露糖与葡萄糖的比值最高。研究表明甘露糖可通过抑制葡萄糖代谢从而损害肿瘤生长起着增强化疗效果[27-28],这表明铁皮石斛叶和花也有很好的应用价值。

1.2 黄酮类和酚类

黄酮及酚类物质是天然的抗氧化剂,能有效清除人体内过量的自由基,维持人体内自由基平衡,具有抗衰老、抗氧化等功效。李芳等[29]通过硝酸铝比色法对浙江乐清产的铁皮石斛茎、叶、花中的黄酮含量进行测定,发现铁皮石斛花中的黄酮含量最高,叶中次之,茎中的黄酮含量最低。张志信等[30]对云南昆明产的铁皮石斛全草中的黄酮含量进行测定,发现铁皮石斛叶中的黄酮含量最高,花中黄酮含量次之,与李芳等[29]测定结果有所差异。这可能与产地的气候条件、种植条件和栽培技术等不同有关。周桂芬等[31]对铁皮石斛不同部位的黄酮碳苷类成分进行比较分析,研究表明铁皮石斛茎、叶和花中均含有种类相同的黄酮二糖碳苷类成分；茎中含有柚皮素,而叶和花均不含该成分。

黄彪等[9]采用超高效液相色谱-串联质谱法对铁皮石斛茎、叶、花中的酚类物质进行测定,结果表明铁皮石斛不同部分的多酚含量有显著差异,组分含量大小排序为：花>叶>茎。铁皮石斛茎部主要酚类物质为阿魏酸、对羟基苯甲酸、芦丁和香草酸,而叶中芦丁和阿魏酸的含量较多,铁皮石斛花中主要含有阿魏酸、芦丁、咖啡酸和对羟基苯甲酸,铁皮石斛叶和花中阿魏酸和芦丁的含量均高于茎。芦丁具有抗炎和抗过敏等功效,从抗氧化活性组分考虑,将铁皮石斛花和叶作为茎的补充材料加以利用具有一定的实际意义,对铁皮石斛多样性产品的开发利用也有一定的价值。

1.3 生物碱

生物碱是铁皮石斛的重要活性成分,也是最早从石斛属植物中分离得到的化合物。研究发现,生物碱除具有治疗细胞损伤、抗氧化、保肝、抗炎、抗神经变形等作用[32-33],还具有镇痛、促进胃液分泌、助消化[34]等功能。诸燕等[35]将人工栽培的铁皮石斛与市场购买的铁皮枫斗药材的总生物碱含量进行比较分析,发现其生物碱含量在0.019 0%～0.043 0%。经HPLC-MS分析测定,铁皮石斛中生物碱类成分数量和含量都低于金钗石斛。尚喜雨[36]对铁皮石斛不同部位、不同采收阶段的生物碱含量进行比较分析。铁皮石斛生物碱含量大小排序为：茎上段>叶>茎中段,1年生≥2年生≥野生型。唐丽等[37]对不同生长龄铁皮石斛茎与叶中的石斛碱含量进行研究,结果表明各阶段的铁皮石斛叶的总生物碱含量均高于茎；生长龄为1年时铁皮石斛茎、叶总生物碱含量最高；铁皮石斛叶和茎的总生物碱含量都随生长龄的增加而逐渐减少。

1.4 氨基酸

铁皮石斛茎、叶、花的氨基酸组成及含量如表3所示。铁皮石斛叶和茎均含有17种氨基酸,铁皮石斛花中含有15种氨基酸。铁皮石斛茎、叶、花的必需氨基酸占比分别为32.0%、41.8%、22.6%。铁皮石斛茎主要以谷氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸和精氨酸为主,铁皮石斛之所以味甘淡、微咸,与天冬酰胺和谷氨酸的组成有关；铁皮石斛叶中谷氨酸和亮氨酸的含量较高；铁皮石斛花主要含有精氨酸和亮氨酸。铁皮石斛茎和花中的精氨酸占总氨基酸的比例均最高,分别占20.6%、49.5%。精氨酸是人体所需的限制性氨基酸,可改善人体的免疫功能,还在维护肠道黏膜完整性中发挥重要作用[38]。铁皮石斛中氨基酸含量受药材品种的影响较大,可通过品种选育来提高铁皮石斛药材中氨基酸的含量,且氨基酸的含量会随着生理年龄的增长而增加,适当的延长采收期可使氨基酸含量有所提升。

表3 铁皮石斛茎、叶、花的氨基酸组成 单位：mg/g

2 铁皮石斛叶、茎、花加工制品研究现状

2.1 铁皮石斛茎、叶、花在化妆品方面的应用

随着人们对生活品质和身心健康的追求日益增加,植物来源的功效型化妆品逐渐成为国内外化妆品市场的主导。铁皮石斛提取物及其有效成分已被广泛应用于美容护肤产品中,铁皮石斛提取物作为化妆品原料可起到抗衰老、抗皱、抗氧化和保湿等功效[42]。近年来,铁皮石斛面膜已深受人们喜爱,但仍有较多不足,如面膜的主料过于单一,所提供的功效较为片面,对皮肤的保养、修复效果不明显。专利CN109758408A公开了一种铁皮石斛面膜及其制备方法,将铁皮石斛、洋甘菊、芦荟等不同提取物作为主料,发现面膜功效大为增强,这也说明多种提取物相互复配具有良好的应用价值和开发前景,可作为研发功效产品的一种新思路。此外,铁皮石斛提取物也已经广泛应用在面霜、洗面奶、润肤水、沐浴露、润唇膏中。

铁皮石斛多糖不仅可以口服通过肠道吸收,还可以通过皮肤吸收,且具有较好的保湿性能[43]。多糖的生物活性和理化性质为其良好的保湿性能提供了依据。多糖具有良好的成膜性能,可在皮肤表面形成均匀的薄膜,减少皮肤表面水分的蒸发[44]。专利CN10500-2016A公开了一种铁皮石斛多糖手工皂的制作方法,以铁皮石斛多糖为原料,研发了一款具有清洁、滋润、抗肌肤老化功效的手工皂,并采用皮肤测试仪对志愿者进行胶原纤维和皮肤水分测试,结果显示该产品具有良好的保湿和滋润效果。张珍林等[45]以铁皮石斛花多糖原液为主要原料,制备了具有保湿护肤功效的铁皮石斛花柔肤水。有研究者发现,若用微生物发酵法提取铁皮石斛多糖,可促进活性物质的溶出,显著提高肌肤水分,保湿能力更强[46]。铁皮石斛多糖除了具有保湿性能以外,还可通过增强抗氧化系统、降低自由基、抑制NF-κB和下调炎症反应等多种机制发挥较强的抗氧化作用,可用于研发具有抗衰老功效的化妆品。

黄酮类物质具有抗氧化、抗炎和抗凋亡的功能特性。研究表明大豆异黄酮和铁皮石斛水提物单独使用时均有抗氧化功效,当二者合用时可起到协同增效作用,所以将大豆异黄酮和铁皮石斛提取物作为化妆品原料可使产品的抗氧化和抗皱效果更佳[47]。此外,黄酮类物质还能有效抑制酪氨酸酶活性,抑制黑色素的产生,起到美白的效果。因此,研发含有铁皮石斛黄酮的化妆品具有广阔的应用前景,而铁皮石斛叶和花中黄酮化合物的含量均高于茎,也可多采用铁皮石斛叶和花为原料研发产品。

氨基酸是皮肤代谢中重要营养成分,具有良好保湿功效,已成为化妆品重要原料之一。铁皮石斛花和茎均含有较多的精氨酸,若添加L-精氨酸到化妆品中,可提高皮肤的保湿效果。铁皮石斛叶中的亮氨酸含量较高,亮氨酸可加速皮肤细胞新陈代谢,促进组织再生和愈合[38]。

铁皮石斛花中还含有花青素,花青素是一种天然的水溶性色素。专利CN110812303A公开了一种以铁皮石斛花与富含花青素植物为原料制作胭脂的方法,铁皮石斛花天然胭脂具有补充水分、保湿、抗氧化、增加肌肤弹性和减少皱纹的作用。经不同植物花青素的组合,可以制备出各种颜色的腮红、口红和眼影,具有良好应用前景。总之,铁皮石斛不同部分都有自己的特点,挖掘铁皮石斛茎、叶、花的优势,可更好的利用其药效。

2.2 铁皮石斛茎、叶、花在保健品方面的应用

铁皮石斛作为特色中药,在滋阴清热、益胃生津等方面具有独特优势,可有效改善现代人群普遍“阴虚火旺”的体质,可用于开发适合现代人群使用的保健产品。表4为食品药品监督管理总局(CFDA)保健食品数据库中，自2001年起至2020年10月22日止，以“铁皮石斛”为主要原料的相关产品信息。由表4可得,具有增强免疫力功效的产品最多,占70.4%；缓解体力疲劳功效的相关产品较多,占22.4%；辅助降血压产品仅有1个,在2019年获批；辅助降血脂、辅助降血糖、改善肠胃功能等产品未开发。目前已开发的功能占主要审批的18种功能的44.4%,仍有较大的开发空间。

表4 铁皮石斛保健食品申请保健功能分布Table 4 Health food of D.officinale registered in CFDA declaring health functions

铁皮石斛虽是以茎入药,但花和叶等副产物也具有保健功效。相关研究表明,铁皮石斛茎[48-49]、叶[50]、花[51]均能显著降低自发性高血压大鼠(spontaneously hypertensive rats,SHR)的血压,且铁皮石斛花对SHR大鼠可起到平稳降压作用。陈思思等[50]将铁皮石斛叶和黄精配伍研究对SHR大鼠的降压效果,结果表明,铁皮石斛叶和黄精复配能对SHR大鼠降压起到协同增效作用,降压效果更好。在今后产品研发中,以中医药理论为依据,可多使用配伍疗效较好的药材,增加产品的疗效,减少副作用和毒性,使铁皮石斛功效与其他中草药配伍得到更好的发挥。

除了已获批的保健功能,铁皮石斛潜在功效如辅助降血脂、辅助降血糖和改善肠胃功能等的保健产品尚未开发。动物实验研究表明,铁皮石斛水提取物对高脂血症模型小鼠具有降血脂作用[52],复方铁皮石斛叶超微粉能显著降低高脂血症小鼠血清总胆固醇、低密度脂蛋白水平[53],这都为铁皮石斛辅助降血脂保健食品的研发提供理论基础。

铁皮石斛水提物可有效改善糖尿病小鼠体内的肠道菌群,使小鼠体内脂质代谢恢复平衡,减少动脉粥样硬化[54]。铁皮石斛多糖可通过促进糖原合成和调节糖代谢酶的活性来降低血糖水平,从而改善糖代谢紊乱[55]。莫建梅等[56]以多糖含量为45.34%的“龙头凤尾”型铁皮石斛为主要原料,配伍五味子、葛根、黄芪等中药,开发具有降血糖疗效的复方制剂胶囊,可起到增加胰岛素分泌、降低血清胆固醇的作用。

从传统功效来看,历代中医古籍中有铁皮石斛“平胃气”、“厚肠胃”、“健脾开胃”、“清胃热”等论述记载。先前的研究表明,铁皮石斛水提物在活性炭诱导的便秘中具有抗便秘作用[57],有研究者进一步推测多糖是铁皮石斛起泻药作用的有效成分[58]。相关动物实验也表明,铁皮石斛多糖可调控脾虚便秘模型小鼠肠道酶活性和肠道微生态的平衡,优化肠道环境,改善便秘[59-60],为开发具有改善消化功能的保健品提供研究基础。

2.3 铁皮石斛茎、叶、花在普通食品方面的应用

2.3.1 铁皮石斛花

目前有较多用铁皮石斛花来制作复配型花茶、风味型花茶等。除了花茶以外,还有加工成凉茶饮料、养颜面条、饮片、面包等。然而,对铁皮石斛花的开发仍处在初加工阶段,没有得到深度的资源开发。为进一步开发铁皮石斛花,王琪等[61]采用喷雾干燥法研发出铁皮石斛花速溶粉,喷雾干燥是速溶粉加工的重要工艺,而富含多糖的植物提取物在喷雾过程中常常会遇到粘壁的问题,几乎无法得到粉末。为解决此问题,将铁皮石斛花和喷雾干燥收率较高的茶叶如绿茶、乌龙茶等进行拼配,解决了铁皮石花难喷雾干燥、口感不佳的问题,开发出方便、可口的固体饮料。

2.3.2 铁皮石斛叶

为充分利用铁皮石斛叶资源,已开发出一系列以铁皮石斛叶为原料的食品,如月饼、面条、曲奇、蛋糕和饼干。专利CN110897068A公开了铁皮石斛叶植物饮料和制法,将铁皮石斛干叶经酶解后制得酶解液,进一步发酵制得发酵液,发酵液与铁皮石斛干叶经浸提所得浸提液二者混配可获得能直接饮用的铁皮石斛饮料,可最大效能地发挥铁皮石斛生物学功效。

本课题组也对以铁皮石斛叶为原料的食品进行了研发,专利CN108251252A公开了一种铁皮石斛叶调味酱的制备方法,以铁皮石斛叶为原料,用乳酸芽孢杆菌、植物乳杆菌和鼠李糖乳杆菌发酵制得方便且易储藏的铁皮石斛叶发酵调味酱；专利CN110214-929A公开了一种铁皮石斛叶发酵酒的制备方法,利用铁皮石斛叶、橄榄果、白砂糖、菌粉等原料以一定配比制成酒味醇香、口感顺滑的铁皮石斛叶发酵酒。

2.3.3 铁皮石斛茎

传统上,铁皮石斛茎通常被加工成枫斗,但加工成枫斗后其黏液成分被固化,使有效成分不易分解,营养成分不能完全释放,造成了极大的浪费,且枫斗的服用很不方便[62]。因此,有很多研究者将铁皮石斛茎加入到普通食品中,开发各式各样的新型产品。陆倩倩等[63]以铁皮石斛茎为主要原料,配以玫瑰茄、青钱柳等多种中草药,开发了一种口感清爽、气味清新的液体口香糖。张蕊等[64]为提高饼干的保健功能,将铁皮石斛茎加入到人们常食用的饼干中,获得口感酥脆、组织细腻的铁皮石斛饼干,为铁皮石斛的精加工提供参考。

3 结论与展望

铁皮石斛是我国珍贵的中草药之一,而其副产物铁皮石斛叶和花也具有很高的营养价值和药用价值,市场前景广阔。为加快铁皮石斛茎、叶、花的综合利用,在以下方面还需进一步研究与改善：(1)近年来,对铁皮石斛茎、叶、花的化学成分研究取得了较多进展,但是其化学成分和药理活性之间的关系缺乏深入研究。因此,应对铁皮石斛茎、叶、花进行更深层次研究,有效分析其成分的结构、合成机制和作用机制,并研究新的药理作用,为今后铁皮石斛资源的深入研究和新产品开发提供依据。(2)从总体上看,以铁皮石斛为原料生产的产品品种较为单一,目前开发的保健品和申请的专利剂型大多较为简单,产品精加工有待加强。针对以上问题,应首先确定铁皮石斛来源的准确性,及时建立有效的质量控制体系,优化生产工艺,增加产品研发,不断创新，亦可尝试利用微生物对铁皮石斛的有效成分进行提取和改造,进行深加工研究,研发出更加高效的产品。(3)相当多的研究表明铁皮石斛与其他中草药配伍,可起到药效增强的作用,故在中药材配伍应用方面可多加研究。但现在的铁皮石斛产品组分大多以补阴药为主,易导致“滋阴太过而补阳不足”。为适应不同的人群,应选择适合的中药材进行配伍,充分发挥功效。