美國豆芋的營養成分和生理功能

楊蕓蕓 楚 強 閻芙潔 鄭子桓 鄭曉冬

(浙江大學生物系統工程與食品科學學院，杭州 310058)

美國豆芋(ApiosAmericanaMedikus)是一種無性繁殖的多年生豆科土圞兒屬作物，其地下塊莖中一小部分作無性繁殖用，另外絕大部分作為一種新型的土豆替代食用物，是一種天然的高蛋白、高鈣食品。美國豆芋又名美洲土圞兒、大越豆芋、美國豆芋，菜用土圞兒來自羅漢參的同屬植物，是一種原產于北美地區藥食兩用的傳統作物[1]。美國豆芋主要集中生長在加拿大安大略至美國佛羅里達州，目前在歐美及日本已廣泛種植與應用，其中日本的青森縣種植和食用豆芋已有超過100年的歷史[2-3]。美國豆芋對高血壓、糖尿病和高脂血癥等具有明顯的改善效果[2, 4]。日本在20世紀80年底成功將美國豆芋開發成為家喻戶曉的保健食品，每667 m2產值達25萬元人民幣。Kiyochika Hoshikawa教授詳述了美國豆芋的營養作用，促進了其在日本的種植利用[2, 4-5]。美國豆芋一般作為滋補藥物、兒童成長食物，具有很高的食用性和藥用價值，是一個具有巨大潛在開發價值的豆科植物，它目前正受到日美學者的密切關注和重視。2009年，安家煒等[6]將美國豆芋成功引種至中國。目前，美國豆芋在浙江省杭州、寧波、溫州和金華地區均有栽培和食用。美國豆芋花、葉、塊莖分別如圖1所示。

圖1 美國豆芋花、葉、塊莖

20世紀80年代，美國對美國豆芋開展了作為一種潛在的新作物的育種工作。美國豆芋主要生長在溪邊、河邊或湖邊等較潮濕處，地下部分是念珠狀的根狀莖，橢圓形或卵球形的肉質膨大部分間隔分布在根狀莖上，橢圓至扁圓形；花生于較明顯的結節上，花冠呈不同的紅棕色，為圓錐花序，花瓣從上端至下端顏色由深到淺而至白色，旗瓣為扁圓形。土圞兒屬植物具有很高的食用和藥用價值[8-11]。我國明代《農政全書》和《本草綱目》記載其葉及塊莖均可入藥，主治百日咳、咽喉腫痛及外用治毒蛇咬傷等[12]。美國豆芋塊莖在北美從印第安土著食用開始已經有幾千年的食用史了，也在饑荒期發揮了重要的食用價值[13-15]。

1 美國豆芋的營養成分

美國豆芋是一種食藥兼用的健康作物，營養價值很高。成分分析表明，美國豆芋有著豐富的營養成分包括蛋白質、皂苷、多糖、黃酮、鈣、鐵、維生素C、亞油酸、天門冬氨酸和谷氨酸。美洲豆芋塊莖營養價值很高，含有豐富的蛋白質、淀粉、粗纖維、還原糖、多種氨基酸和微量元素[16]。在日本和東南亞，美國豆芋花被制成保健茶。研究發現美國豆芋塊莖中的低聚糖主要是葡萄糖和蔗糖，Wilson等[17]研究發現豆芋干粉在脫脂的情況下，豆芋種子和塊莖中粗蛋白的質量分數分別為大約25%～30%和11%～14%，其中占主導地位的都是天冬氨酸和谷氨酸，脂肪酸中主要的是亞油酸。美國豆芋金雀異黃酮含量比浙江天目山的土圞兒高[18]。值得注意的是，美國豆芋生食有毒，必須加熱破壞熱不穩定植物堿。

對新引進栽培的美國豆芋全植株進行了不同部位生化特征成分的研究，為綜合利用美國豆芋花、莖、葉和塊莖，開發功能性食品和醫藥中間體提供理論依據。美國豆芋塊莖、花、葉、藤中的成分測試結果見表1[19]。

表1 美國豆芋塊莖成分/g/100 g[19]

通過對不同部位生化特征成分的檢測和分析，美國豆芋不同部位均含有豐富的游離氨基酸、可溶性蛋白、多糖、皂苷、黃酮、異黃酮、VC、VE和礦物質等營養成分。其中，豆芋葉中游離氨基酸、礦物質、VE、總皂苷、總黃酮和異黃酮含量最高；豆芋藤中各種有效成分的含量相對較低；豆芋花中VC含量最高，同時還有含量較高的VE、總皂苷和異黃酮；作為可食部分的豆芋塊莖中可溶性蛋白和總糖含量最高，同時還含有較高量的VC、總皂苷和異黃酮。

報道的美國豆芋塊莖的成分、活性物質和氨基酸組成見表2所示[20-21]。成分分析結果表明：美國豆芋塊莖中脂肪酸以亞油酸為主，氨基酸主要以天冬氨酸、亮氨酸、組氨酸、脯氨酸和精氨酸為主[17]，有效成分主要有皂苷、多糖、黃酮和異黃酮。

表2 美國豆芋塊莖中的成分、活性物質和氨基酸組成(100 g)[17]

1.1 皂苷

大豆皂甙被報道有許多生理功能，如提高免疫功能，預防心血管疾病、抗病毒、保護肝臟等作用。美國豆芋葉子中皂苷含量是大豆的16倍，美國豆芋花中皂苷含量是大豆中的10倍。美國豆芋皂甙的報道有弱的血管緊張素轉換酶抑制劑的抑制活性，可以降低血壓[22]。

1.2 多糖

美國豆芋花中的可溶性多糖質量分數為3.95%，塊莖中含13.23%。據報道，多糖有改善免疫功能，抗衰老，降血糖效果[22]。美國豆芋塊莖中單聚糖和多聚糖中86%～90%是葡萄糖和蔗糖，美國豆芋花中大部分是葡萄糖和果糖。除此之外，10%～14%是低聚糖，如棉子糖和水蘇糖。掃描電鏡發現美國豆芋塊莖中多糖是雞蛋形狀，大小約10.6 m。

1.3 黃酮

黃酮類化合物是植物的次生代謝產物，有提高免疫功能、抗癌、抗炎、抗氧化等生理功能[23]。美國豆芋葉子中類黃酮含量有5.35%，是大豆中黃酮類化合物的8.6倍。染料木素結構說明：美國豆芋的多酚類物質的主要類型是類黃酮和異黃酮，如圖4所示。美國豆芋葉子的類黃酮含量為5.35%，8.6倍大豆黃酮類化合物。黃酮類化合物的植物次生代謝物,據報道有許多生理功能，如免疫功能改善、抗癌、抗炎、抗氧化活性。美國豆芋花的異黃酮含量為59.44 mg/g，大約10倍的大豆。此外，美國豆芋葉子的異黃酮含量大約是20倍的大豆。一般來說，有12種異黃酮，包括3種苷配基(大豆苷、染料木素和黃豆黃素)及其相應的配糖體[24]。

1.4 異黃酮

內源性和外源性異黃酮有多種藥理作用，如抗增殖[25-27]、抗氧化[28]、降血壓[29-31]、抗炎[32]等作用。美國豆芋花中異黃酮的含量是59.44 mg/g，是大豆中的10倍，葉子黃酮的含量是大豆的20倍左右。美國豆芋中含有豐富的異黃酮，能降低前列腺癌和乳腺癌的發病率[25]。美國豆芋塊莖中發現了一種新型異黃酮，染料木黃酮7-O-龍膽二堿，可以由β-葡糖苷酶降解產生染料木素，這類似于大豆異黃酮[34]。所以美國豆芋是食物源異黃酮的一種來源[25]。

2 美國豆芋的生理功能

美國豆芋是一種多年生豆科植物，被印第安人用作滋補以及淀粉類食物。19世紀中葉因為土豆短缺，由美洲傳入歐洲作為替代土豆的緊急食品[26]。美國豆芋原產于美國東部如科羅拉多、魁北克等在加拿大安大略省。在1943年，它在北美是栽培作物如佛羅里達、得克薩斯和日本東北部和南部北海道作為抗疲勞和兒童成長食物[3]。美國豆芋的生理功能主要有降血壓、抗癌、降血糖、降血脂、抗氧化等功能。

2.1 降血壓

美國豆芋塊莖的降血壓效果如圖2所示，通過美國豆芋塊莖消化產生的富含脯氨酸的多肽來抑制血管緊張素轉換酶(ACE)，達到降低血壓的目的[35]。

圖2 美國豆芋塊莖消化肽的降血壓效果機理圖

美國豆芋塊莖動物研究中有溫和的降壓效果。用含有5%美國豆芋粉飲食喂養自發性高血壓大鼠3周，能降低10%的血壓?？诜缓彼岬拿绹褂笏崛∥?00 mg/kg 1 h之后，可以降低10%的血壓[30]。YRLPNL(Tyr-Arg-Leu-Pro-Asn-Leu)和YQLP(Tyr-Gln-Leu-Pro)是美國豆芋由胃蛋白酶消化的兩種多肽，有血管緊張素轉化酶抑制作用，其中YRLPNL血管緊張素轉換酶抑制活性較強，等于賴諾普利和卡托普利的IC50值7.7 nM[36 ]。研究結果表明美國豆芋是一個潛在的降血壓的食物。

2.2 抑制癌細胞增殖

純化的Bowman-Birk抑制劑(BBI)在體外和動物腫瘤模型研究中對致癌過程有抑制作用。與大豆的Bowman-Birk抑制劑(SBBI)相比,美國豆芋塊莖胰蛋白酶抑制劑(AATI),在四個細胞系的增殖率測試中顯示出相同或更強的抑制作用[36]。有學者對美國豆芋胰蛋白酶抑制劑抑制癌細胞擴散的效果也進行了體外研究[37]。美國豆芋抑制細胞增殖的機理如圖3所示，通過升高細胞膜磷脂酰絲氨酸和修飾精氨酸和賴氨酸來實現。

圖3 美國豆芋的抑制細胞增殖的機理

2.3 降血脂

美國豆芋塊莖可以改善脂質代謝，是一種預防高血脂的健康食品[29]。美國豆芋塊莖含有染料木黃素和皂苷，能聯合異黃酮參與脂代謝，降低脂質濃度。用含5%美國豆芋粉的飲食喂養自發性高血壓鼠3周，能降低血漿三酰甘油和肝臟總膽固醇。此外，即使飲食中額外增加1%的膽固醇，也能降低血漿總膽固醇[30]。

2.4 降血糖

美國豆芋的花朵是豐富的皂苷，可以抑制β葡萄糖苷酶的活性。因此，淀粉和蔗糖的利用途徑被抑制，能降低血糖。在日本也有喝美國豆芋花茶降血糖的報道[38]，這些都說明美國豆芋是一個潛在降血糖的食物。美國豆芋降血糖的機理如圖4所示，通過皂苷抑制β-葡萄糖苷酶的活性，從而達到降低血糖生成量減少的目的。

圖4 美國豆芋降血糖的機理

美國豆芋葉提取物在細胞實驗中研究發現：能促進HepG2細胞吸收葡萄糖，可以抑制糖異生相關酶(磷酸烯醇丙酮酸羧基激酶，葡萄糖-6-磷酸酯酶)活性，促進糖原合成酶的活性，促進肝糖原合成，促進葡萄糖的吸收[39]。

2.5 抗氧化

美國豆芋的葉子含有豐富的異黃酮，可以產生自由基清除活性[40]。美國豆芋提取物中主要成分是一種新型的異黃酮，染料木黃素-7-O-龍膽二糖甙。但是它并不直接發揮抗氧化功能，而是通過激活抗氧化系統，抑制自由基來實現。用美國豆芋提取物處理人乳腺癌細胞24 h后，能提高抗氧化應激主要的酶血紅素加氧酶的基因表達[41]。

3 美國豆芋的應用

美國豆芋塊莖是一種高蛋白質、高鈣、高能量的食物，含有許多活性成分如皂甙，多糖、類黃酮、異黃酮等?？梢宰鳛槭澄锱腼?，或者將塊莖作為功能食品的主要原料，它可以消除自由基，降低血糖/脂質，保障人類的健康。在歐洲和日本，美國豆芋鮮花已經制成花茶，用來預防和治療高血糖，高血脂和其他慢性疾病的病人[42]。研究表明美國豆芋有降血壓、降血脂，降血糖、抗氧化和抗癌等效果，因此，美國豆芋是一種潛在的藥品和功能食品的來源。美國豆芋的提取物添加到美國豆芋塊莖或中藥內，可開發成新藥物或功能食品，或制成礦物質和維生素的補充劑，應用前景廣泛。

4 總結

美國豆芋是一種重要的功能性高營養豆科作物。美國豆芋的營養成分包括蛋白質、皂苷、多糖、黃酮、異黃酮、鈣、鐵、維生素C、亞油酸、天門冬氨酸和谷氨酸等，有許多有效的生理活性，包括降血壓、降血脂、降血糖、抗氧化劑和抗癌等效果。因此，美國豆芋是潛在的藥品和功能食品來源。