碎米荠属植物营养成分和功能因子的研究进展

李冬琴 ,杨萌 ,文笑雨 ,耿敬章, ,杨水云 ,陈杰

(1.陕西理工大学 生物科学与工程学院,中国谢村北派黄酒研究院,陕西 汉中,723000;2.西安交通大学生命科学与技术学院,陕西 西安,710049;3.陕西孙思邈高新制药有限公司,陕西 咸阳,712021)

碎米荠(Cardamine)为十字花科1～2 年生草本植物,全球约有160 种,我国大约有40 种之多,碎米荠是一种硒超富集植物,主产温带地区,我国品种多分布于湖北省西南部典型的硒化地区恩施市[1]。碎米荠全草可作野菜食用,有些种类可供药用[2]。碎米荠食用最早见于明代王磐编写的《野菜谱》[3];其药用功效在《中国植物志》、《湖北中草药志》、《中华本草》中都有记载。硒(Se)元素是一种人体所需的必须微量元素之一,也是谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-P)的组成成分,发挥抗氧化作用。根据世界卫生组织公布的资料表明,缺硒是世界范围内的一种普遍现状,补硒已经成为了必要之事。而碎米荠是迄今为止发现的世界第3大聚硒植物,含硒量可达几百至几千毫克每千克,能通过生物转化将自然界的无机硒转化为有机硒,是一种较好的补硒原料[4-5]。

1 碎米荠的分类

碎米荠在植物学分类上并无系统的研究,《湖北恩施药用植物志》所收载的碎米荠有6 种[6];《中华本草》所收录的碎米荠有8 种,种类不一,其性味功效也有所差异[7]。《中国植物志》搜集较为齐全,介绍也较为详细,将十字花科碎米荠属植物除心叶碎米荠外,分为矮小碎米荠组、石芥花组、圆块茎组、裸茎组、大叶组、耳叶组和碎米荠组,见表1。

表1 《中国植物志》所搜集的碎米荠

除了上表中所示,还有一些文献报道碎米荠新种,见表2。对于恩施渔塘坝生长的碎米荠,发表的文献先后有“恩施堇叶碎米荠”、“恩施碎米荠”、“壶瓶碎米荠”等多种提法,因此对于一些文献研究所选的实验材料有必要进行进一步的核实[5,8]。可见,碎米荠属植物在名称及分类上比较混乱,为了碎米荠属植物更好的开发利用,还需要对其进行系统完善的分类。

2 环境条件对碎米荠生理特征的影响

碎米荠主产于温带地区,生于平原或高山、砂地、细石地或岩生,少有生于石灰质土,多数生于阴湿处。在自然条件下,十字花科碎米荠属植物,受季节和气候条件制约很大。研究表明外部环境因素对该植物的营养成分,酶含量等都有不同程度的影响。只有在最适的海拔区内大叶碎米荠中的内源激素,水溶性维生素含量才会达到最佳状态[13-14]。

同时不同温度对碎米荠的生理特征也会有一定的影响。彭诚[15]研究发现,随温度变化堇叶碎米荠中的POD 活性和MDA 含量的变化大致呈V 型,20 ℃时最低;可溶性蛋白含量变化呈M 型,20 ℃时含量最高;可溶性糖含量变化呈W 型。

研究发现碎米荠是一种生物产量高、富集能力强的超积累植物,能大量富集土壤中的硒及重金属镉,是一种潜在的富硒原料及重金属污染修复植物。低质量分数的硒使堇叶碎米荠体内可溶性蛋白的含量随硒的质量分数的不断升高而增加,对可溶性糖含量、游离氨基酸的含量有促进作用。且在适当的水平上,硒还可以延缓植物衰老的某些影响,并可以提高植物对短波长光的利用。适当的镉浓度能促进弯曲碎米荠地上部分单株鲜重量增加,且在一定浓度范围内,弯曲碎米荠内一些抗氧化酶活性随着镉和硒浓度的升高而增加[16-18]。

3 碎米荠的成分分析

碎米荠具有较高的食用价值,其植株内含有丰富的人体所需营养物质,包括糖类,蛋白质,氨基酸,以及人体所需的矿物质及维生素等,另外还含有多种的化学成分。

3.1 糖类物质

糖类物质广泛存在于动植物和微生物体内,尤其是多糖具有多种生物学功能,研究发现,多糖可以起到抗肿瘤,抗氧化剂,抗病毒剂以及免疫调节剂等的作用[19-20]。不同种类碎米荠糖类含量见表3。

表3 不同种类碎米荠糖类含量

赵利霞[22]对华中碎米荠多糖研究发现,不同部位多糖含量及多糖中硒含量都有所不同,结果见表4 所示。其中硒多糖的单糖组成一般分为2 类:单一聚糖或由几种单糖组成的杂聚糖;这些单糖一般以D-构型存在,主链一般是由1→3 糖苷键键合而成,支链形式多样,多数硒多糖为β-构型。

表4 华中碎米荠不同部位硒及多糖含量

3.2 蛋白质

蛋白质是人类生命得以延续的主要物质基础,是构成细胞的基本有机物,是生命活动的主要承担者,是人体所需的主要营养素之一。董玮玮[25]对大叶碎米荠的营养成分进行了详细的分析,发现大叶碎米荠中蛋白质含量高于蔬菜和粮食类,甚至超过蛋类中蛋白质含量,而不同种类碎米荠蛋白质含量也存在有一定差异,结果见表5 所示。

表5 不同种类碎米荠蛋白质含量

曹斌[28]通过测定碎米荠中的茎、叶、种子、种荚中的蛋白质含量,发现不同部位的蛋白质含量有所不同,叶子和种子中的蛋白质含量要高于茎和种荚,见表6。

表6 恩施碎米荠不同部位蛋白质含量

恩施碎米荠中叶子蛋白质含量最高,为178 mg/g,比堇叶碎米荠高出165.83 mg/g[29]。恩施碎米荠中最主要的蛋白组分为水溶蛋白质,占总蛋白质的37.57%,其次是碱溶蛋白质,占总蛋白质的35.75%。其中发现碱溶蛋白质有最强的总抗氧化能力、羟自由基清除能力和还原力,水溶蛋白质超氧阴离子清除能力最强[27]。

3.3 氨基酸

氨基酸在人体内起到重要的作用,最主要表现在氨基酸在各种营养素中起到不同的作用,从而维持机体内在环境的相对恒定,并完成内外环境的统一与平衡。大叶碎米荠氨基酸总含量达到粮食类的两倍,所含的人体必需氨基酸,占总氨基酸的37.19%[25]。曹斌[28]通过恩施碎米荠中氨基酸的种类及含量研究,发现恩施碎米荠中共含有17中氨基酸,种类齐全,其中种子中天门冬氨酸和丝氨酸含量最高,种荚中谷氨酸含量最高,结果见表7 所示。

表7 恩施碎米荠中氨基酸种类及不同部位含量 /(g·100g-1)

石爱华等[30]研究恩施堇叶碎米荠氨基酸含量发现,不同生长期,以及野生和栽培的植株中氨基酸含量都存在一定的差异。野生植株的脯氨酸含量要明显高于栽培植株。见表8。

表8 堇叶碎米荠不同时期及生长方式氨基酸含量

3.4 矿物质

碎米荠属植物中还含有大量的矿物质,尤其是富含硒,硒是一种人体必须的微量元素,也是人体谷胱甘肽过氧化物酶的组成成分[31-32]。适量的硒对人体的营养产生积极影响。在植物中硒的存在方式主要包括有机硒和无机硒两种。有机硒主要包括硒多糖,硒蛋白等,尤其是富含硒的氨基酸,通常具有比无机硒产品更好的毒理学安全性,生理活性和生物利用度[33-34]。碎米荠中天然含硒物质,尽管尚未开发为用于临床试验的新药,但先前的研究结果已经显示出它们在未来的治疗潜力[35]。不同碎米荠硒含量如表9 所示。

表9 不同碎米荠种类硒含量

不同生长环境,会导致碎米荠植物中硒含量有所不同。恩施所产的壶瓶碎米荠聚硒量平均在239～380 μg/g 干重;但是,生长在硒矿渣聚集区的壶瓶碎米荠茎中聚硒量可达1 787 μg/g 干重,叶片与根中聚硒量达到1 965 μg/g 干重和4 414 μg/g 干重,说明壶瓶碎米荠具有超高的硒耐受能力和聚硒能力,且聚硒能力比目前所发现的其他聚硒植物更强[23]。在壶瓶碎米荠中累积的总硒中有70%以上是以SeCys的形式而不是以MeSeCys 形式出现的,这可能是碎米荠植物硒耐受的一部分原因[38-40]。

曹斌[28]发现恩施碎米荠总硒高达1 189.49 mg/kg,但是各部位的硒含量有所差异,其中叶片和种子中硒含量较高,具体见表10。与其他富硒产品相比,恩施碎米荠中的茎、叶、种子、种荚各个部分硒的含量都较高,种子中的硒含量大约是富硒油菜籽的127 倍,是富硒大豆的30 倍,硒含量最低种荚中硒含量都是富硒油菜籽和富硒大豆的31 倍和7 倍[41-42]。

表10 恩施碎米荠不同部位硒含量

3.5 其他化学物质

碎米荠属植物中不仅含有维持人体健康的各类营养物质,还具有丰富的化学成分,包括一些吲哚类、香豆素类、黄酮类、异硫代氰酸盐类等。不同原料的化学成分存在一定差异,同种原料不同提取方法对结果也会有一定的影响。主要化学成分见下表11。其中大叶碎米荠及华中碎米荠中提取出的异硫氰酸盐是普遍存在于十字花科植物中的一种具有抗突变、防癌抗癌等作用的有机硫化合物[43]。

表11 各类碎米荠中化合物提取方法及种类

4 碎米荠功效作用

碎米荠中含有丰富的人类所需的糖类,蛋白质,维生素,矿物质等多种营养成分,化学物质的含量也较为丰富,具有很高的食用价值。同时碎米荠也是民间的一种常用药物,具有较高的医疗保健作用。

4.1 碎米荠传统药理作用

我国民间以野菜当药防治疾病的历史悠久。在唐代孟冼《食疗本草》、陈士良的《食性本草》中都有用野菜治病保健的记载。碎米荠全草药用利小便,止痛,治黄水疮;花治筋骨疼痛;民间妇女补虚药;全草止咳平喘,利水;清热祛湿,健胃止泻等[3]。碎米荠药性与功效见表12。

表12 《中华本草》所搜集碎米荠药性与功效

4.2 碎米荠功能作用研究

结合碎米荠属植物的传统药理作用,对其进行现代药理研究发现,碎米荠中发挥药理作用的物质主要是有机硒物质及一些化学物质。目前研究较多的碎米荠药理功能主要包括抗氧化,抗疲劳,增强免疫力及抗炎镇痛等。

4.2.1 抗氧化

有研究发现,碎米荠起抗氧化作用的主要是一些含硒物质,包括硒多糖,硒蛋白,硒黄酮,富硒肽等。硒作为体内抗氧化蛋白的重要组成部分,在清除活性氧、抑制自由基对细胞的损害等方面起着重要的作用[48]。研究发现,碎米荠中适当的硒浓度,可以有效提高谷胱甘肽过氧化物酶的活性,从而可以有效地发挥抗氧化活力。且在相同硒含量下,富含有机硒的物质抗氧化能力更强[49-50]。如富硒肽的有机硒含量与其抗氧化能力呈正相关[51]。

4.2.2 抗疲劳

多数实验证明,碎米荠中发挥抗疲劳作用的物质主要是硒蛋白。刘坤媛[52]发现16.6µg/(kg·d)剂量的壶瓶碎米荠含硒蛋白能通过显著延长小鼠负重游泳时间、提高运动后肝糖原含量、降低血尿素氮水平、减缓乳酸产生或增强乳酸清除能力,从而发挥出有效的缓解运动性疲劳作用。吕昊[53]以硒蛋白为主要原料设计制备一种运动补剂,选取20 名游泳运动员参与实验。结果发现碎米荠中硒蛋白作为主要原料配制的运动补剂具有明显的缓解运动性疲劳功能。通过安全性分析,运动员在实验过程中均为出现任何不良反应时间,表明该补剂具有一定的安全性。

4.2.3 增强免疫

杨大伟[54]发现碎米荠硒多糖能激活巨噬细胞,刺激T 淋巴细胞增殖,增强机体的免疫能力。且碎米荠硒多糖碎米荠硒多糖能增加免疫活性细胞内的GSH-PX 含量,并且优于同剂量的无机硒、碎米荠多糖组,发挥硒和多糖的彼此协同作用,对小鼠的非特异性免疫、细胞免疫和体液免疫都有着显著的影响,可作为一种新型的免疫调节剂应用[26]。

4.2.4 抗炎镇痛

周凯[55]等人通过对大叶碎米荠胶囊治疗腰肌劳损案例的观察发现,大叶碎米荠胶囊治疗腰肌劳损的总有效率为93.42%,具有明显的镇痛抗炎作用,这可能是临床治疗腰肌劳损的主要药理学依据之一。并且大叶碎米荠水提取液具有较好的镇痛作用,其水提取液能显著提高小鼠对热反应的痛阈值,且给药60 min 作用仍很明显[56]。但是碎米荠抗炎镇痛的主要作用机理及成分尚不明确,还需深入探索。

5 碎米荠资源研究前景展望

碎米荠是一种硒超聚集植物,高浓度的硒在植物组织中积累,但并没有表现出植物毒性症状,仍需要更多的研究来阐明其可能的机制。目前碎米荠大多是野生,人工驯化栽培技术尚不成熟,如何更好的实现碎米荠属植物低海拔及异地栽培,克服地理条件对该植物的生理特征的影响,有待近一步优化,以期扩大碎米荠资源的种植,有望早日实现碎米荠属资源的商品化、规模化。作为聚硒特色植物,碎米荠可作为一种新资源食品进行研究开发,近年来对碎米荠属植物的研究主要集中在食用、药用价值以及其富硒能力的等方面,但具体发挥药理作用的成分,及其作用机理都尚不明确,因此有必要对其药理作用及药理成分进一步的研究,期待将其加工成集食用、营养、保健和医疗为一体的高附加值产品。碎米荠作为一种超积累植物,不仅能聚集大量硒元素,还能聚集镉,且有较高的耐受性,或许可在金属污染地区进行培育种植,以达到土地修复的目的。