甘薯在疾病防治中的作用及机制

陈 燕，靳艳玲，赵 海

（1.中国科学院 成都生物研究所，四川 成都 610041；2.中国科学院大学，北京 100049）

甘薯，属旋花科甘薯属草本植物，又称红薯、番薯、地瓜等。甘薯是在16世纪末从南洋引入的，在我国四川、重庆、山东、安徽等地种植面积较广，因品种、种植环境条件的不同，其形状、大小、块根颜色有所差异，块根颜色主要有白色、黄色、橙色及紫色。甘薯含有多种营养成分，还含有多种功能活性成分，因此不仅有很高的营养价值，还具有保健功能及药用价值，可以预防多种疾病。

1 主要营养及功能活性成分

甘薯作为世界第七大粮食作物，含有淀粉、蛋白质、必需脂肪酸、维生素、膳食纤维、矿物质等成分，具有很高的营养价值。Guo K等人[1]研究了白色、黄色及紫色3种甘薯的成分特点，白色甘薯品种淀粉含量最高，占干块根质量的61.5%～67.5%；黄色甘薯品种可溶性糖含量最高，占干块根质量的28.9%～31.5%。Ji H等人[2]测定了紫色（Jizi 01）、红色（Xinong 431）、黄色（Beijing 553）及白色（Shangshu 19）4种不同颜色肉质的甘薯营养成分，含量最多的是淀粉，占干质量的60.1%～71.4%，其次是蛋白质占4.86%～6.53%，膳食纤维占1.85%～2.35%，花青素占1.32%～6.23%，总酚含量占9.6%～54.3%，且后3种物质含量和抗氧化能力数紫甘薯高。Arrieyana C等人[3]的研究表明，紫甘薯的总酚类和总类黄酮含量比其他品种高，分别达到了11.5～12.3 mg GAE（没食子酸当量）/g干样与76.2～84.4 mg CE（儿茶素当量）/g干样，而酚类和总类黄酮含量均与DPPH自由基清除能力呈正相关，因此总体看来紫甘薯的抗氧化能力强于其他颜色薯肉的甘薯。

Rie K等人[4]对Koganesengan品种甘薯叶片的营养成分进行了测定，每100 g鲜质量含有89.0 g水、3.9 g蛋白质、0.8 g脂肪、1.0 g碳水化合物、1.2 g矿物质和4.1 g膳食纤维。Ayimbire A等人[5]测定了Agric white（AW），Agric orange flesh（AO），Red sk-in（RS），Orange flesh（OF），Red local（RL）5种甘薯叶的营养成分与矿物质含量，AW品种的蛋白质和碳水化合物含量最高，分别为6.17%及8.61%，而OF品种的粗纤维含量最高为2.42%，RL品种的脂肪含量最高为2.25%，5种品种甘薯中的矿物质含量差异较大，其中铁含量为33.73～2 020.41 mg/kg、镁含量 为747.55～11 241.20 mg/kg，钙 含 量 为271.34～488.03 mg/kg，钾含量为201.96～1 019.17 mg/kg，锌含量为15.10～88.52 mg/kg。黄雨等人[6]测定了10个菜用型甘薯叶片、叶柄、茎与茎尖中黄酮的含量，平均黄酮质量分数分别为6.18，1.06，1.38，3.45 g/kg。

这些研究表明，甘薯含有多种营养成分及功能活性成分，而使得甘薯具有高营养价值及疾病防控功能。

2 疾病防控作用

2.1 抗氧化

甘薯中花青素、黄酮、多酚及绿原酸等活性成分是天然抗氧化剂，具有突出的抗氧化功能，这些生物活性成分可以保护人体免受氧化应激，而氧化应激可能导致机体衰老、患癌等，因此甘薯可用于疾病治疗和预防[7]。

许多研究表明，甘薯花青素的抗氧化机制主要表现在减少活性氧（ROS）积累和清除自由基等方面。Ji H等人[2]和Tomoyuki O K I等人[8]的试验结果都表明，紫甘薯的花青素含量高于其他颜色甘薯，其抗氧化活性高可能是因为花青素等酚类物质的含量高[2]。甘薯的抗氧化性常用ABTS+和DPPH自由基清除能力估算[9-11]，石婕等人[9]对菜用型甘薯和块根利用型甘薯进行试验，发现代表抗氧化性指标的ABTS+和DPPH自由基与总黄酮和花青素含量呈极显著正相关。靳艳玲等人[12]对18个甘薯品种的叶、藤、皮及肉4个部位抗氧化活性进行了分析，发现甘薯叶的抗氧化活性、多酚含量、黄酮类化合物含量较高。Shahidul I[13]发现，甘薯叶片的总酚类、花青素、类胡萝卜素和类黄酮含量较高。但Maria D等人[14]研究发现，Pumpkin和Chestnut 2个品种的甘薯叶柄比叶片的总多酚含量高、抗氧化能力强。郑丽[15]研究了紫甘薯茎叶总黄酮的抗氧化活性，随着紫甘薯茎叶总黄酮与维C质量浓度的增加，对DPPH自由基、超氧阴离子和羟自由基的清除率也随之增强，在总黄酮与维C质量浓度都为0.5 mg/mL时，总黄酮对DPPH自由基清除率是68.13%，而维C小于60%，但维C对超氧阴离子和羟自由基的清除率强于相同浓度的紫甘薯茎叶总黄酮。另外，Yuan B等人[16]从甘薯茎中提取的精油也具有抗氧化活性，且在清除NO自由基上的活性高于维C，因此甘薯是一种潜在的、天然的抗氧化剂来源。此外，绿原酸属于酚类化合物，含有一定量的R-OH基，能形成具有抗氧化作用的氢自由基，可消除羟基自由基和超氧阴离子等自由基的活性，从而具有抗氧化功能。蒋益花等人[17]提取了绿原酸，发现绿原酸粗提液清除DPPH·的能力比维C更强，且甘薯叶粗提液的抗氧化活性与绿原酸的含量密切相关。

因此总体来看，甘薯尤其是叶片中的花青素、黄酮、多酚及绿原酸等活性成分使得其具有较强的抗氧化能力。

2.2 抗肿瘤

肿瘤是指机体在各种致瘤因子作用下，局部组织细胞增生所形成的新生物。良性肿瘤可通过手术治疗与饮食调理共同发挥作用，而恶性肿瘤包括肺癌、肝癌、胃癌、结直肠癌、乳腺癌等，这些发病率与死亡率都很高的癌症对人类的生命健康带来了严重的威胁，而发病原因与日常环境和饮食习惯等有着密不可分的关系。

许多研究发现，甘薯中的黄酮、花青素、蛋白、多糖等成分有抗氧化、清除自由基的作用，一定程度上可阻止癌细胞扩散，起到抗肿瘤的作用。Sugata M等人[18]将紫甘薯用pH值3.5的酸化乙醇提取后，获得含有大量花青素、酚类及黄酮等成分的提取物，研究发现用此提取物处理MCF-7（乳腺癌）细胞和SNU-1（胃癌）细胞，可有效抑制其迁移扩散。提取物中花青素通过激活FAS受体（外部途径）和释放细胞色素C（线粒体途径）而诱导癌细胞MCF-7凋亡，其对MCF-7细胞50%抑制质量浓度为3～7 mg/mL，SNU-1癌细胞凋亡发生仅通过激活caspase-3来诱导，其他途径还有待进一步研究。Li W L等人[19]将膀胱癌细胞经800 μg/mL质量浓度的紫甘薯花青素（Purple sweet potato anthocyanidin，PSPA）处理，发现PSPA能抑制膀胱癌细胞增殖，抑制率大于60%，PSPA通过抑制细胞活力、促进细胞凋亡等方式起作用，这与PI3K/Akt信号通路有关。

国鸽等人[20]用1,2-二甲肼（DMH）/右旋葡聚糖苷钠（DSS）处理肥胖ICR小鼠，在其体内诱发炎性相关性结肠癌，给予DMH后第3天开始给小鼠灌胃不同剂量（0.02，0.20，1.00 g/kg·bw）的甘薯蛋白（Sweet potato protein，SPP）至21周，结果显示，给予DMH/DSS但未给予SPP时，成瘤率为85.71%，肿瘤个数平均为7.83个，而在DMH/DSS处理后添加0.02，0.20，1.00 g/kg·bw的SPP时，成瘤率分别为57.15%，50.00%，80.00%；肿瘤个数平均为3.43，3.50，3.00个。因此，甘薯蛋白能够在一定程度上抑制结直肠癌，其作用机制与IGF-1及Wnt/β-catenin信号通路，以及血管内皮生长因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）蛋白的表达有关。Ji C F等人[21]从紫甘薯的块茎中分离出一种新的葡聚糖PSPP-1，当用质量浓度为125 μg/mL的PSPP-1处理人肝HepG2、结肠LOVO和乳腺MCF-7细胞系时，对其增殖抑制率分别为24%，30%，25%，但其机制尚不清楚。此外，Yuan B等人[22]发现，进行了硒化处理的甘薯多糖（Sweet potato polysaccharide，SWP）有着抗肿瘤的作用，在100 mg/kg的SWP处理下，肿瘤质量为0.74 g，对小鼠H22肝癌细胞的抑制率为19.57%，而同等浓度的硒化SWP处理下，肿瘤质量为0.32 g，对肿瘤的抑制率达到了57.89%。且硒化SWP可以提高小鼠血清IL-2和TNF-α水平，降低VEGF水平。

2.3 降血糖

糖尿病是以高血糖为特征的代谢性疾病，Ⅰ型糖尿病的发病年龄轻，血糖水平高，血清胰岛素和C肽水平低下；Ⅱ型糖尿病常见于中老年人，常可伴有高血压、高血脂、动脉粥样硬化等疾病。因此，预防糖尿病，维持正常的血糖水平非常重要。花青素、酚类物质等成分使得甘薯具有降血糖、降血脂等功效。

多酚类物质能有效抑制α-葡萄糖苷酶活性，从而能够达到降血糖的功效。α-葡萄糖苷酶主要催化低聚糖水解生成葡萄糖，若小肠中α-葡萄糖苷酶的活性受到抑制，肠道对葡萄糖的吸收降低，就可以达到降血糖的目的。Yang Y等人[23]指出了二酰化花色苷能很好地抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶。Luo D等人[24]给患糖尿病的小鼠分别喂养低剂量（80 mg/kg体重）与高剂量（150 mg/kg体重）的甘薯叶多酚（SPLP），降低了小鼠的空腹血糖值，正常组小鼠血糖水平为7.71 mmol/L，4周后，低剂量组血糖水平从24.25 mmol/L降至14.03 mmol/L，高剂量组小鼠从26.25 mmol/L降至10.13 mmol/L，其机制是SPLP可上调磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/糖原合成酶激酶-3β信号通路来改善糖代谢。姜慧芳等人[25]将紫甘薯用70%乙醇在60℃下超声提取，然后用此紫甘薯黄酮提取物（PSPF）对患糖尿病的大鼠进行灌胃，测定了4周内大鼠血糖、血脂等值，结果表明改善了大鼠糖尿病的症状。在第0周时低剂量（240 mg/kg），中（120 mg/kg），低（60 mg/kg）PSPF组血糖水平分别为20.21，20.79，20.25 mmol/L；第4周时分别降低至17.58，17.48，14.04 mmol/L。其作用机制是紫甘薯有抗氧化作用，能清除体内的自由基，进而使得胰岛β细胞修复，胰岛素分泌增多，改善了血糖水平，且大鼠的体内的脂质代谢也能随之改善。这些研究表明了甘薯是一种良好的降血糖、降血脂的食物，有着广阔的应用前景。

2.4 预防心脑血管疾病

心脑血管疾病泛指由于高脂血症、血液黏稠、动脉粥样硬化、高血压等所导致的缺血性或出血性疾病，是一种严重威胁着人类，特别是老年人的疾病。据调查，全世界因心脑血管疾病导致的死亡居各种死因的首位，2020年心脑血管疾病仍是我国发病率与死亡率最高的一种疾病类型，因此预防心脑血管疾病尤为重要。

紫甘薯花青素通过控制脂代谢来有效降低血脂水平，花青素能够通过激活AMP蛋白激酶减少脂质在体内的蓄积，达到预防动脉硬化、肥胖等疾病的效果。Tomoyuki O K I等人[8]让血压和肝功能标志物水平升高的白人饮用紫甘薯饮料，持续4周后，血管舒张压从90 mmHg降至80 mmHg，分析这是紫甘薯中被酰化的花青素的作用。Sun C H等人[26]给高脂饮食处理的小鼠服用紫甘薯色素（Purple sweet potato color，PSPC），发现PSPC能抑制糖尿病前期小鼠动脉粥样硬化的恶化，高脂饮食组的小鼠血管约有35%的区域发生了病变，高脂饮食处理且服用PSPC的小鼠有11%～12%发生病变，而只经PSPC处理的小鼠血管病变区域低于10%，其机制为PSPC抑制活性氧水平和NLRP3炎症小体来抑制内皮细胞的过早衰老和动脉粥样硬化的发生。

Garner T等人[27]以低脂饮食（Low fat，LF）、高脂饮食（High fat，HF）、低脂甘薯（Low-fat sweet potato，LFSP）、高脂甘薯（High-fat sweet potato，HFSP）喂养小鼠，16周后发现HF组小鼠的收缩压和平均动脉压升高，但HFSP喂养的小鼠未出现升高，（LF组为105，92 mmHg，HF组为122，110 mmHg，LFSP组为113，101 mmHg，HFSP组为108，96 mm Hg)，食用甘薯的小鼠减轻了主动脉硬化程度，其机制与减少动脉氧化应激，调节体内ROS的产生，改善弹性蛋白功能等有关。此外，甘薯中含有的黏液蛋白可以保持血管壁弹性，从而预防动脉粥样硬化发生。因此饮食中添加甘薯可以减少主动脉硬化和预防心血管疾病。

2.5 保护肝脏及预防肠道疾病

近年来，肝脏疾病与肠道疾病的发病率越来越高，肝脏与肠道这两者间的关系非常密切，因此保护肝脏与预防肠道疾病也不可忽视。甘薯中含有能够保护肝脏、预防肠道疾病的成分主要是维E、酚类物质、花青素、膳食纤维等。

陈彤等人[28]和Ye S Y等人[29]研究了紫甘薯叶对CCl4诱导的急性肝损伤小鼠的影响，将紫甘薯叶超声波提取物喂养给小鼠，10 d后测定小鼠的总超氧化物歧化酶（T-SOD）水平与谷胱甘肽（GSH）含量，急性肝损伤小鼠的T-SOD为99.369 U/mg prot，GSH水平为1.299 mg GSH/g prot，而以低剂量（0.1 g/kg）、高剂量（0.3 g/kg）紫甘薯叶提取物处理的小鼠T-SOD分 别 为118.368，133.378 U/mg prot，GSH分 别 为2.321，2.905 mg GSH/g prot，紫甘薯叶超声波提取物可显著提高T-SOD活性及GSH的水平，对肝具有保护作用，这可能与花青素抑制脂质过氧化和减少氧自由基有关。Lee S L等人[30]研究了紫甘薯叶提取物对脂肪细胞的影响，发现经1，2，4 mg/mL的紫甘薯叶提取物处理后，3T3-L1分化的脂肪细胞数量分别减少了17%，25%，33%。Cai Z等人[31]连续6周分别每天给小鼠喂食含52%乙醇的酒精饮料及添加了高（100 mg/kg体重）、中（100 mg/kg体重）、低（50 mg/kg体重）花青素的酒精饮料，结果表明，低、中、高剂量组花青素小鼠的肝脏指数分别是4.5，3.6，4.3，丙氨酸转氨酶（ALT）水平分别是70，50，80 U/L，中剂量的紫甘薯花青素通过减少肝细胞对ALT的释放，逆转氧化还原稳态失衡，对酒精诱导的小鼠肝损伤具有显著的保护作用，而高剂量花青素组却促进了酒精诱导的肝损伤，因此使用紫甘薯花青素缓解酒精性肝损伤时要注意剂量。Kim H J等人[32]利用5%甲酸甲醇提取甘薯花青素和丙酮提取甘薯类胡萝卜素，分别用青素和类胡萝卜素提取物处理体外培养的3T3-L1细胞和高脂肪饮食诱导肥胖小鼠，结果表明，高脂饮食处理组小鼠肝脏脂肪增多，脂肪细胞增大、数量增多，而给予花青素提取物和类胡萝卜素提取物处理组的小鼠脂肪积累减少了63.1%与83.5%，且肝脏的组织学分析显示提取物可保护肝组织免受脂肪形成的影响。有研究表明连续20周用紫甘薯喂食经过高脂饮食（High-fat diet，HFD）处理的小鼠，结果显著降低了小鼠的肝脏指数与ALT水平、恢复了NAD+水平等，HFD组、HFD+PSPC（700 mg/kg）组与PSPC（700 mg/kg）组小鼠的肝脏指数分别约为8，6，4，ALT分别为75，30，15 U/L，NAD+为100，190，220 pmol/mg，证明了紫甘薯能够减轻高脂饮食喂养小鼠的肝损伤，其机制是HFD通过促进内质网应激介导的IRE1信号通路、NF-κBp65核易位和NOD1/2信号通路来诱导NLRP3炎症小体的激活，而PSPC通过恢复小鼠肝脏中的NAD+水平来减轻HFD诱导的内质网应激。

对维持肠道正常功能有着重要作用的优势菌有双歧杆菌、乳酸杆菌、肠球菌等。Zhang X等人[33]指出紫甘薯花青素可以与肠道微生物群相互作用，还能对肠道微生态产生重要影响，在对照组（不含花青素）与花青素组的厌氧发酵乳液中，开始时双歧杆菌的数量都为8.02 log 10 cell/mL，乳酸杆菌数量为7.88 log 10 cell/mL，而发酵24 h时，对照组双歧杆菌与乳酸杆菌数量分别为8.21，8.12 log 10 cell/mL，花青素组双歧杆菌与乳酸杆菌数量分别为8.44，8.30 log 10 cell/mL，而紫甘薯花青素产生的部分酚酸使得双歧杆菌与乳酸菌增殖，从而对肠道微生态有调节作用。

Sun H J等人[34]研究发现与低聚果糖相比，低浓度（0.5～1.5 mg/mL）紫甘薯花青素对益生菌，如嗜酸乳杆菌和双歧杆菌菌株（如双歧杆菌、婴儿双歧杆菌、青春双歧杆菌）的增殖作用明显，但随着花青素浓度增加，其增殖受到抑制，紫甘薯花青素还能抑制金黄色葡萄球菌和鼠伤寒沙门氏菌肠道病原体生长，最低抑制质量浓度为0.5 mg/mL。可能是益生菌分泌的β-葡萄糖苷酶等物质使得紫甘薯花青素降解产生葡萄糖与酚酸等，这些产物又可被细菌利用。Asadi K等人[35]试验发现，喂养了添加紫甘薯花青素的饲料的小鼠肠道息肉的数量有所减少，高脂肪饮食喂养的小鼠平均有小肠息肉与结肠息肉35.0个，而饮食中添加甘薯SL 222的薯肉、薯皮与花青素提取物的小鼠分别有息肉11.6，12.2，8.8个，表明紫甘薯花青素能够预防肠道息肉的形成，其机制是富含的花青素能诱导细胞周期阻滞、抗增殖和凋亡。甘薯中富含膳食纤维，能够刺激肠壁、加快肠道蠕动并吸收水分，促进排便。高美玲[36]测定了24 h内发酵液的pH值变化，在24 h时，添加量为2.5 g/L和5 g/L的甘薯可溶性膳食纤维（SDF）青春双歧杆菌CICC 6178发酵液pH值分别达到4.930和4.935，而不添加SDF的发酵液pH值为5.320，益生菌利用SDF产生酸性代谢物而使得pH值降低，更低的pH值对益生菌的生长与增值有利，且可以抑制其他有害微生物的生长。添加SDF还能促进双歧杆菌增值，添加2.5 g/L和5 g/L的SDF时，青春双歧杆菌最大比生长速率分别为0.013/h与0.008/h，因此添加适量的甘薯可溶性膳食纤维有助于维持良好的肠道环境。Bie N N等人[37]用乙醇除去蛋白质与色素再经透析纯化等步骤得到紫甘薯多糖（PSPP0，给小鼠食用不同浓度（0.1，0.2，0.4 g/kg）的PSPP，发现PSPP可改善盲肠肿胀，还可逆转抗生素相关性腹泻的不良反应，缓解小鼠的肠道腹泻症状，此外还发现其可平衡小鼠的脂肪酸代谢，调节小鼠的肠道菌群组成，这可能是由于PSPP降低了促炎细胞因子（IL-1β，IL-6，TNF-α）的产生，提高了抗炎细胞因子（IL-10）水平，进而缓解了小鼠肠道炎症。

2.6 增强免疫力

人体内各个免疫系统的稳态和肠道菌群的稳定使得人体免疫功能正常运作。Tang C等人[38]采用灌胃法将从紫甘薯中提取的水溶性多糖（WSP）、稀碱溶性多糖（DASP）及浓碱溶性多糖（CASP）喂养经过环磷酰胺（可改变肠道微生物群的组成，破坏黏膜屏障）处理的ICR小鼠，经环磷酰胺（CTX）处理的模型组小鼠TNF-α，IL-2和IL-6 3种因子分别为142.87，28.11，22.82 pg/mL。而经CTX处理再分别喂食WSP，DASP和CASP后，TNF-α因子分别达到218.92，229.54，196.59 pg/mL；IL-2因子分别达到41.11，38.65，43.58 pg/mL；IL-6因 子 分 别 达 到39.08，40.44，35.72 pg/mL；结果表明紫甘薯中的这3类多糖可恢复小鼠的免疫细胞因子水平，从而提高小鼠的免疫力，但其具体作用机制尚不清楚。I D Kumalasari等人[39]将甘薯块茎除去沉淀后再用80%乙醇处理后制备成甘薯纤维提取物（SFE）溶液，经121℃热处理，将人杂交瘤细胞系HB4C5细胞接种于含有不同浓度SFE的ITES-ERDF培养基中，结果发现与对照组（未添加SFE，添加蒸馏水）相比，热处理并透析制备的SFE和不透析制备的SFE溶液组IgM（免疫球蛋白M）产量分别提高了2.3倍和2.0倍，表明SFE可以促进HB4C5细胞产生IgM，对体外免疫刺激活性有积极作用。这些研究表明，甘薯在增强免疫力方面有着良好的效果。

3 结语

甘薯作为世界第七大粮食作物，在根茎叶中都有着丰富的营养成分与功能因子，不仅能够提供丰富的营养，还有预防与治疗疾病的潜力。但其开发及应用还存在一些局限，可以作为今后研发的重点：①虽然甘薯中含有的功能活性成分能够提高免疫力从而使得机体能抵抗各种疾病，但目前具有保健作用的产品开发还比较少，市面上能见到的产品主要是紫薯酒等。②有许多研究表明，甘薯茎叶及叶柄也富含多种营养物质与功能性成分，而目前甘薯茎叶多作为饲料，未得到充分的开发利用，因此要加大对茎叶的研究，开发出更多的新型产品，最大程度地减少资源浪费。③目前，在甘薯疾病防治方面的研究大多还只停留在体外细胞与动物试验水平，应用于人体效果如何还有待进一步考查。

随着国内外对甘薯研究的逐步深入，越来越多的药用功能被发掘，其在食用及药用等方面的应用将显示出更广阔的前景。