蒜氨酸生物活性的研究現(xiàn)狀

蔣茂婷，黃雪松

(暨南大學(xué) 食品科學(xué)與工程系，廣東 廣州，510632)

蒜氨酸(S-烯丙基半胱氨酸亞砜，C6H11NO3S，分子質(zhì)量177.22)是鮮蒜中含量最高的非蛋白類含硫氨基酸(6～14 mg/g鮮重[1])，占大蒜含硫化合物的90%以上，也存在于加工的蒜片、熟蒜，黑蒜、大蒜提取物等產(chǎn)品中。在加工品中，因加工措施不同蒜氨酸含量各異。

蒜氨酸易溶于水、無臭、無揮發(fā)性，具有以碳和硫原子為中心的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)，是在組織受損時產(chǎn)生的藥用和風(fēng)味化合物的主要來源。其產(chǎn)生的大蒜素，藥用與保健價值極高；但大蒜素具有極強(qiáng)的刺激性氣味，很難為公眾所接受，且穩(wěn)定性差、生物和化學(xué)半衰期短，這些性質(zhì)使大蒜素的研究和應(yīng)用均受到很大限制。因此研究蒜氨酸，具有重要的理論和應(yīng)用價值。

近年來，國內(nèi)外對蒜氨酸的生物合成、吸收代謝、生物活性等方面報道較多，但缺乏對其進(jìn)行系統(tǒng)綜述。本文旨在綜述蒜氨酸上述方面的研究報道，分析其在食品、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，以期提高蒜氨酸的有效利用率，開發(fā)大蒜潛在的保健、調(diào)味等價值。

1 蒜氨酸在鮮蒜中的生物合成

1.1 蒜氨酸的生物合成途徑

1.1.1 谷胱甘肽/半胱氨酸-烯丙基途徑[2-3](途徑A)

該途徑是由半胱氨酸的衍生物谷胱甘肽與經(jīng)由纈氨酸產(chǎn)生的烯丙基源氨基酸結(jié)合生成S-(2-羧丙基)谷胱甘肽，依次失去甘氨酸、谷氨酸后生成S-烯丙基半胱氨酸；或直接由半胱氨酸與經(jīng)由纈氨酸產(chǎn)生的烯丙基源氨基酸結(jié)合生成S-(2-羧丙基)半胱氨酸，經(jīng)脫羧和氧化后生成S-烯丙基半胱氨酸，最后氧化S-烯丙基半胱氨酸形成蒜氨酸。γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶可催化谷胱甘肽-烯丙基途徑中間產(chǎn)物γ-谷氨酰-S-烯丙基半胱氨酸(γ- glutamyl-S-allylcysteine, GSAC)去除γ-谷氨?；?，含黃素的S-加氧酶可催化S-烯丙基半胱氨酸氧化為S-烯丙基半胱氨酸亞砜，通過施肥、灌溉等措施調(diào)節(jié)這些酶的活性，有益于蒜氨酸的合成和積累。

1.1.2 絲氨酸-硫醇途徑[4](途徑B)

該途徑是由絲氨酸與乙酰輔酶A結(jié)合生成O-乙酰絲氨酸后與未知的烯丙基硫醇源結(jié)合生成S-烯丙基半胱氨酸，再氧化S-烯丙基半胱氨酸形成蒜氨酸。絲氨酸乙?；D(zhuǎn)移酶可催化絲氨酸與乙酰輔酶A結(jié)合，半胱氨酸合酶可催化O-乙酰絲氨酸和烯丙基硫醇形成S-烯丙基半胱氨酸。

目前尚不清楚大蒜所有組織中以及整個生命史中這2種途徑的相對強(qiáng)弱和相互關(guān)系。雖然2種途徑都可能發(fā)生，且似乎并不局限于大蒜特定的組織或細(xì)胞類型，但途徑A得到更多學(xué)者的認(rèn)可和研究。

1.2 蒜氨酸的生物合成部位

雖然蒜氨酸的生物合成部位的細(xì)胞定位信息有限，但關(guān)于其合成的組織特異性定位研究已較清晰。即：大蒜根部吸收土壤中的硫酸鹽，運輸?shù)饺~片后在葉綠體內(nèi)合成谷胱甘肽。因此，大蒜鱗莖形成初期，主要是在綠葉組織中由谷胱甘肽生物合成蒜氨酸，再通過維管系統(tǒng)轉(zhuǎn)運至發(fā)育中的鱗莖；成熟的大蒜鱗莖會積累大量的蒜氨酸并且在它們的貯藏葉片中積累GSAC作為貯藏肽[3]。在發(fā)芽過程中，貯藏葉片中的GSAC通過途徑A谷胱甘肽-烯丙基途徑轉(zhuǎn)化為蒜氨酸，在貯藏葉片中形成的蒜氨酸可能被轉(zhuǎn)運到新興的葉片[2]，從而保護(hù)了芽苗免受微生物和食草動物的攻擊。

1.3 蒜氨酸的含量

在整個新鮮大蒜綠色植物中，蒜氨酸存在于鱗莖、花、根、葉、莖中[3]；而在干燥大蒜中，蒜氨酸僅存在于鱗莖中；在貯藏過程中，隨著貯藏條件的不同，蒜氨酸會發(fā)生不同的生化變化。在-3、4或23 ℃下貯藏期間，由于發(fā)芽的影響GSAC在貯藏過程中轉(zhuǎn)化為蒜氨酸，使蒜氨酸含量增加[5]；在大于35 ℃下貯藏期間，蒜氨酸含量降低[6]，降低原因暫不明確。在大蒜蒜氨酸含量較高時，適合進(jìn)行原料加工，在加工過程中，由于大蒜中亞砜類物質(zhì)不穩(wěn)定使蒜氨酸含量減少，水溶性含硫化合物S-烯丙基半胱氨酸含量增加[7]。

另外，受基因型因素和生態(tài)型因素的影響，不同品種和地區(qū)大蒜的蒜氨酸含量不同。我國不同產(chǎn)地大蒜中蒜氨酸的含量見表1。

由于檢測方法[8]和大蒜自身含水量等的差異，同一產(chǎn)地大蒜中蒜氨酸的含量在一定的取值范圍內(nèi)變化。由表1可以看出，新疆大蒜的蒜氨酸含量高于其他產(chǎn)地大蒜中蒜氨酸含量，主要是由于新疆具的有適合大蒜生長的土壤、充足的光照、涼爽的溫度等生態(tài)環(huán)境[9]；廣東等地大蒜的蒜氨酸含量較低，可能是由大蒜自身含水量高、生長季節(jié)短等因素所致[10]；同一產(chǎn)地大蒜的鱗莖、蒜莖、蒜葉中蒜氨酸含量不同，鱗莖中蒜氨酸含量最高，是因為大蒜合成的蒜氨酸主要轉(zhuǎn)運至大蒜鱗莖并在鱗莖中積累；同一產(chǎn)地不同品種大蒜中蒜氨酸含量不同，獨頭蒜中蒜氨酸含量略高于多瓣蒜，可能是由于獨頭蒜無分瓣、蒜頭為一整體等自身基因型因素造成。

表1 我國不同產(chǎn)地大蒜中蒜氨酸的含量

1.4 蒜氨酸的精制

高純度的蒜氨酸在蒜氨酸的研究與應(yīng)用方面尤為重要。對大蒜中的蒜氨酸進(jìn)行提取分離后，大蒜蒜氨酸中除了含有主成分蒜氨酸外，還含有丙氨酸、精氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、酪氨酸、纈氨酸、谷氨酰胺等氨基酸[18]。由于這些氨基酸和其他雜質(zhì)的存在，要得到高純度的蒜氨酸，除了使用離子交換樹脂法等純化方法外還需要對蒜氨酸進(jìn)行精制，最常用的是重結(jié)晶。蒜氨酸的結(jié)晶受溶質(zhì)純度、溶劑種類、溶液溫度、溶液pH等因素的影響，不適宜的結(jié)晶條件可能會使蒜氨酸發(fā)生熱分解、結(jié)晶速度過慢、結(jié)晶中包裹雜質(zhì)等，從而導(dǎo)致產(chǎn)品純度偏低，因此可通過調(diào)節(jié)重結(jié)晶的條件及重結(jié)晶次數(shù)，將蒜氨酸的純度提升至90%以上甚至更高。近年來，詹盛文[19]以60%的乙醇溶液對蒜氨酸溶解使其恰好達(dá)到飽和狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)蒜氨酸等電點(pI=4.86)，并將溫度維持在40 ℃對蒜氨酸進(jìn)行結(jié)晶，重復(fù)結(jié)晶3次，蒜氨酸的純度由64.3%提升到了92%以上。

2 蒜氨酸在人體中的吸收代謝

2.1 蒜氨酸在人體中的吸收

蒜氨酸親脂性較弱，不易與細(xì)胞膜結(jié)合，主要通過依靠某種特殊的蛋白質(zhì)作為載體在體內(nèi)吸收，吸收率在20%～70%，推斷其吸收機(jī)制為易化擴(kuò)散[20]。灌胃給藥表明，蒜氨酸主要在小腸中吸收且吸收速率具有濃度和時間依賴性，空腸與回腸段的吸收率優(yōu)于十二指腸，在小腸各部位的吸收能力順序是回腸>空腸>十二指腸[21]。注射給藥表明，蒜氨酸吸收入血后，與血漿蛋白結(jié)合率在50%左右，為中度結(jié)合[20]。蒜氨酸峰值時小鼠各組織中蒜氨酸含量順序依次為腎>心>肺>脾>腦>肝[22]。

2.2 蒜氨酸在人體中的代謝

動物實驗表明，蒜氨酸進(jìn)入機(jī)體后，在體內(nèi)某些未知代謝酶或小腸中存在的某些未知細(xì)菌[23]的作用下，可部分轉(zhuǎn)化為大蒜素、丙酮酸和氨，發(fā)揮蒜氨酸和大蒜素2種活性成分的藥理作用。并通過大蒜素產(chǎn)生二烯丙基一硫醚和二烯丙基二硫醚，最終轉(zhuǎn)化為H2S，通過H2S介導(dǎo)在體內(nèi)發(fā)揮作用[24]，H2S峰值時小鼠各組織中H2S增加量順序依次為腎>肝>腦>脾>心>肺>血液[22]，產(chǎn)生H2S需要的3個轉(zhuǎn)硫化作用關(guān)鍵酶為巰基丙酮酸轉(zhuǎn)硫酶(mercaptopyruvate sulfurtransferase, MPST)、胱硫醚-β-合成酶(cystathionine-β-synthase, CBS)和胱硫醚-γ-裂解酶(cystathionine-γ-lyase, CSE)，其中紅細(xì)胞以MPST為主，心腦血管和肝臟以CBS和CSE為主，由于MPST主要以β-巰基丙酮酸為底物產(chǎn)生H2S，因此蒜氨酸在血液中H2S的增加量少于在其他各組織中H2S的增加量[25]。

蒜氨酸幾乎沒有肝臟首過效應(yīng)，在體內(nèi)無蒜氨酸累積和殘留。經(jīng)大鼠頸靜脈注射后，可在5 min內(nèi)達(dá)到蒜氨酸濃度峰值，平均半衰期為(34.62±10.02) min，小于1 h，屬于超速處置類藥物，120 min 后基本從血漿消除，說明蒜氨酸在體內(nèi)代謝較快，不易蓄積[24]。

2.3 蒜氨酸的毒性

目前還沒有蒜氨酸致死劑量的報道，但經(jīng)小鼠尾靜脈注射蒜氨酸的最大給藥量達(dá)2 g/kg時，未見小鼠死亡，這說明蒜氨酸安全性較高[24]。

蒜氨酸對紅細(xì)胞穩(wěn)定性的影響實驗表明，蒜氨酸本身對機(jī)體紅細(xì)胞無毒性，并且由于體內(nèi)有大量的血漿蛋白成分與蒜氨酸結(jié)合，降低了游離蒜氨酸濃度，因此不會發(fā)生因大量蒜氨酸聚集于紅細(xì)胞膜表面后改變細(xì)胞膜通透性而導(dǎo)致的紅細(xì)胞溶解現(xiàn)象。但當(dāng)蒜氨酸以200 mg/kg體重劑量注入家兔體內(nèi)連續(xù)多次用藥后，紅細(xì)胞的穩(wěn)定性受到影響且紅細(xì)胞脆性增加，其原因可能是由于蒜氨酸在體內(nèi)代謝產(chǎn)生較高濃度產(chǎn)物大蒜素，大蒜素影響了紅細(xì)胞的穩(wěn)定性并增加了紅細(xì)胞的脆性[26]。

3 蒜氨酸的活性

3.1 抗炎作用

蒜氨酸有抗炎作用[27]。蒜氨酸通過調(diào)節(jié)不同的通路對不同的炎癥反應(yīng)表現(xiàn)出抗炎特性。在炎癥性急性化學(xué)性肝損傷方面：蒜氨酸通過抑制小鼠血清中炎癥因子腫瘤壞死因子-α和干擾素γ的分泌，改善刀豆蛋白 A誘導(dǎo)的小鼠急性化學(xué)性肝損傷[25]。在炎癥性腸病方面，蒜氨酸通過保留結(jié)腸上皮細(xì)胞中的23個基因的表達(dá)、減弱白細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的浸潤，對硫酸葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的結(jié)腸炎炎癥癥狀具有減輕作用[28]。并且，CHOI[29]提出蒜氨酸還可通過抑制核轉(zhuǎn)錄因子 (nuclear transcription factor-κB, NF-κB)信號傳導(dǎo)通路抑制人單核細(xì)胞U937細(xì)胞中環(huán)氧合酶-2的轉(zhuǎn)錄，對佛波醇12-肉豆蔻酸13-乙酸酯刺激的炎癥表現(xiàn)出抗炎特性。

3.2 抗氧化作用

體外實驗表明，蒜氨酸對鐵離子的螯合率較高，具有較強(qiáng)的鐵氰化鉀還原能力；并且，10 mg/mL的蒜氨酸對自由基的清除能力相當(dāng)于13.98 mmol/L的水溶性維生素E或14.63 mmol/L的FeSO4，能對氧化反應(yīng)的發(fā)生有效抑制，進(jìn)而達(dá)到對糖基化反應(yīng)的有效抑制[30]。體內(nèi)實驗表明，蒜氨酸通過促進(jìn)I型膠原的產(chǎn)生并抑制基質(zhì)金屬蛋白酶-1的產(chǎn)生，恢復(fù)由H2O2氧化應(yīng)激處理受損的真皮成纖維細(xì)胞活性，提高細(xì)胞的存活率，具有改善衰老皮膚的作用[31]；蒜氨酸還通過阻斷破骨細(xì)胞分化過程中轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子c-Fos-調(diào)控活化T細(xì)胞核因子1信號傳導(dǎo)，減少活性氧的生成，并下調(diào)NADPH氧化酶1的表達(dá)，以劑量依賴的方式對骨贅形成具有抑制作用[32]。

3.3 抗腫瘤作用

蒜氨酸的抗腫瘤作用主要是指對惡性腫瘤的抑制和殺死作用。研究顯示，蒜氨酸可以通過調(diào)節(jié)活性氧種類的產(chǎn)生和線粒體膜電位的降低來調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡，以此減輕胃腺癌細(xì)胞的增殖[33]；通過激活人唾液醛脫氫酶活性，降低口腔癌變等與醛有關(guān)的發(fā)病機(jī)制[34]。

3.4 免疫調(diào)節(jié)作用

蒜氨酸可與效應(yīng)細(xì)胞結(jié)合，參與免疫調(diào)節(jié)。對于蒜氨酸的免疫調(diào)節(jié)機(jī)制，ZHANG等[35]通過評估蒜氨酸對遠(yuǎn)端小腸細(xì)菌的影響，認(rèn)為蒜氨酸可能通過改變腸道菌群和上皮基因表達(dá)來影響健康個體的免疫系統(tǒng)。

3.5 抗輻射作用

蒜氨酸對生殖器官、肝臟、血細(xì)胞具有輻射防護(hù)作用。TAE-JEONG證實了蒜氨酸對未分化細(xì)胞和細(xì)胞器在卵子發(fā)生過程中，由7Gy X射線輻射導(dǎo)致的損傷具有防護(hù)作用[36]；對7Gy X射線照射引起的肝細(xì)胞形態(tài)損傷具有防護(hù)作用[37]；對5Gy X射線照射后血小板損傷具有保護(hù)作用[38]。

3.6 用于合成其他風(fēng)味物質(zhì)

大蒜中含硫化合物的存在是大蒜具有特殊風(fēng)味的主要原因，蒜氨酸可通過發(fā)生酶解反應(yīng)和熱解反應(yīng)(圖1)合成這些風(fēng)味物質(zhì)。酶解反應(yīng)即蒜氨酸在蒜氨酸酶(C-S-裂解酶)作用下，分解成2-丙烯基次磺酸、丙酮酸和氨離子，2-丙烯基次磺酸不穩(wěn)定易發(fā)生二聚反應(yīng)產(chǎn)生具有強(qiáng)烈辛辣味的揮發(fā)性物質(zhì)的大蒜素，大蒜素是大蒜具有刺鼻氣味的主要原因，但其具有一系列生物活性并已被證明可用于多方面的治療應(yīng)用。熱解反應(yīng)即在高溫情況下蒜氨酸受熱分解產(chǎn)生含硫化合物S-烯丙基半胱氨酸、烯丙基丙氨酸硫化物、二丙氨酸硫化物和二烯丙基硫醚[39]。S-烯丙基半胱氨酸無色無味，具有抗氧化活性、降血脂活性、抗癌活性、神經(jīng)營養(yǎng)等活性[40]；烯丙基丙氨酸硫化物具有抗菌、抗結(jié)腸癌細(xì)胞增殖等活性[41]；二烯丙基一硫醚具有輕微的香味，二烯丙基二硫醚具有哈鼻味和刺激味，二烯丙基三硫醚具有哈鼻味、刺激味、燃燒味和硫磺味，二烯丙基多硫醚具有抗菌、抗癌、抗炎、抗氧化等作用[42-43]。

另外，YU等[44]還發(fā)現(xiàn)，在樣品瓶為封閉的條件下，于溫度為180 ℃、pH為7.5的水溶液中，蒜氨酸與肌苷酸反應(yīng)1 h后分離物具有輕微的油炸蒜味和烤肉味，與葡萄糖反應(yīng)1 h后分離物具有強(qiáng)烈的烘烤的肉質(zhì)特征。

a-酶解反應(yīng);b-熱解反應(yīng)圖1 蒜氨酸發(fā)生的反應(yīng)

3.7 其他作用

蒜氨酸除了具有上述活性外，還可以抑制血液中乙醇濃度的升高，避免酒精中毒。UTO-KONDO等[45]發(fā)現(xiàn)蒜氨酸通過增加乙醇脫氫酶(將乙醇轉(zhuǎn)化為乙醛)和乙醛脫氫酶(將乙醛轉(zhuǎn)化成乙酸)的活性，促進(jìn)肝臟中乙醇的代謝和抑制腸道中乙醇的吸收，從而抑制血液中乙醇濃度的升高。

4 蒜氨酸的應(yīng)用潛力

4.1 防腐保鮮劑

蒜氨酸具有較強(qiáng)的抑制細(xì)菌、真菌、霉菌的作用，且抑菌效果不會隨著放置時間的延長而減弱。其原理是蒜氨酸中的氧原子與微生物體內(nèi)的半胱氨酸結(jié)合，使得半胱氨酸失去巰基，而不能轉(zhuǎn)變?yōu)殡装彼?，從而影響了微生物體內(nèi)重要的氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行。因此將蒜氨酸制成天然植物防腐保鮮劑的抑菌效果顯著，能防止病蟲害對食物的入侵，延長食品的貯存期限和貨架期，且病原菌不易產(chǎn)生抗性，具有高效、低毒、環(huán)境友好、易降解等優(yōu)點。李旭光[46]開發(fā)出了純天然蒜氨酸-蘋果膠復(fù)合保鮮膜，其對大櫻桃、小蜜蜂葡萄、巨峰葡萄、李子等水果貯藏保鮮效果優(yōu)良，延長了水果的貯藏期和貨架期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 保健品

體內(nèi)體外試驗證實，蒜氨酸具有降血糖、降脂、抗氧化、免疫調(diào)節(jié)、抗輻射等生物活性，根據(jù)這些活性在保健品研制方面具有很大的應(yīng)用前景，蒜氨酸這種純天然的物質(zhì)的應(yīng)用也滿足人們對安全無毒保健品的需求。

目前，蒜氨酸在保健品應(yīng)用上主要有增強(qiáng)免疫力、輔助降血脂、降血糖、降血壓、抗氧化5種保健功能。在輔助降血脂方面，安徽“咱家田生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司”[47]通過添加蒜氨酸研制出一種輔助降血脂即食粥；在輔助降血壓方面，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)[48]通過降低蒜氨酸轉(zhuǎn)化為大蒜素，合理配方分解硫化物，有效地保留了蒜氨酸，并掩蓋和/或消除了大蒜的辛辣氣味，研發(fā)了一種具有輔助降血壓的保健效果的大蒜植物保健飲料；另外，江蘇“千藥堂國醫(yī)研究院有限公司”[49]通過將蒜氨酸與白藜蘆醇組合，充分發(fā)揮蒜氨酸與白藜蘆醇的活性成分功效，研制出具有防治心腦血管疾病、輔助降血脂、輔助降血糖、抗氧化、增強(qiáng)免疫力多種保健功能作用的保健品。

4.3 藥物開發(fā)

蒜氨酸的抗腫瘤、抗炎、抗氧化等生物活性可運用至藥物開發(fā)，用于腫瘤、鼻炎、抑郁癥等的治療。在腫瘤治療方面的研究顯示，將蒜氨酸添加至蒜氨酸酶與特異性腫瘤單克隆抗體的偶聯(lián)物結(jié)合的靶向腫瘤細(xì)胞中，腫瘤細(xì)胞定位的蒜氨酸酶可以產(chǎn)生大蒜素，能有效誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，體內(nèi)試驗也具有同樣的效果[50]。因此，運用這種方法可以為腫瘤治療提供了一種功能強(qiáng)大且毒性較小的新療法。在鼻炎治療方面，彭鳳鳳[51]發(fā)明了一種含有蒜氨酸和磷酸砒哆醛治療鼻炎的中藥，基于水和/或表面活性劑和/或甘油延長蒜氨酸在鼻腔中滯留時間，使滴入鼻腔中的藥物長期處于蒜氨酸與大蒜素的混合狀態(tài)，減少了蒜氨酸的揮發(fā)又提高了藥效，用該藥治療鼻炎，具有氣味輕，不會使人感到不適，且效果顯著。在抑郁癥治療方面，北京“冠瑞金生物科技有限公司”[53]研發(fā)了一種藥效成分為蒜氨酸或蒜氨酸相當(dāng)量的生大蒜、大蒜提取物和/或與蒜氨酸的鹽的藥物，此藥物在治療抑郁癥方面起效快、效果顯著、無毒副作用。

4.4 調(diào)味品

雖然蒜氨酸自身無味，但蒜氨酸作為風(fēng)味前體，在不同條件下可以和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生風(fēng)味物質(zhì)，增加食品的甜味、咸味和鮮味[54]，其在調(diào)味品方面具有極大的應(yīng)用潛力。

5 小結(jié)

蒜氨酸性質(zhì)穩(wěn)定、無刺激性氣味、生物活性高、在體內(nèi)安全無毒代謝快，目前對蒜氨酸的生物合成、活性及其機(jī)理研究較為全面，但對其應(yīng)用及產(chǎn)品開發(fā)研究較少，如防腐保鮮劑研制、保健品研制、調(diào)味品研制等方面。蒜氨酸的應(yīng)用潛力還有待開發(fā)，值得深入研究。