馬鈴薯抗營養(yǎng)因子與人體健康

王穎 李先平 白建明 楊瓊芬 潘哲超 隋啟君

摘 要：綜述馬鈴薯抗營養(yǎng)因子的營養(yǎng)價值及對新育種體系的需求。通過利用現(xiàn)存的種質資源，結合二倍育種和基因編輯等新技術手段可以進一步改善未來的品種并提供其他選擇，以幫助滿足不斷變化的市場需求。

關鍵詞：馬鈴薯;抗營養(yǎng)因子;健康;新育種體系

馬鈴薯是世界第三大糧食作物^[1]，全球約10億人將馬鈴薯作為主糧食用^[2]。中國馬鈴薯產量占世界總產量的1/4 左右，為緩解中國食物安全壓力和消除地區(qū)性貧困起到了重要作用^[3-4]。如今，塊根和塊莖類作物已成為世界上第三大碳水化合物食品來源，而馬鈴薯的消費占所有塊根、塊莖類作物的一半^[5]。馬鈴薯在飲食中貢獻的關鍵營養(yǎng)素，包括維生素C、鉀和膳食纖維^[6]。實際上，馬鈴薯的總營養(yǎng)素可以與許多蔬菜比肩^[7]。以往馬鈴薯中的抗營養(yǎng)因子，如抗性淀粉、龍葵素、蛋白酶抑制劑等成分對人類健康的影響存在爭議，但是隨著社會的發(fā)展，科學技術的進步，抗營養(yǎng)因子的功效被逐漸重視。試驗表明，馬鈴薯成分可能會對心臟代謝健康產生積極影響^[6]，馬鈴薯中的抗性淀粉可以促進飽腹感^[8-10]。相反，只有有限的證據(jù)觀察性研究表明，食用馬鈴薯與增加的體重增加風險和2型糖尿病有關，這將歸因于其高血糖指數(shù)（GI）^[11-12]。本文綜述馬鈴薯抗營養(yǎng)因子的營養(yǎng)價值，并對抗營養(yǎng)因子人體健康和疾病中的作用進行評估。

1 抗性淀粉

目前，抗性淀粉主要被分為4類：RS1、RS2、RS3、RS4^[13-14]。RS1又稱物理性包埋淀粉，存在于全谷物和豆類中，并且包裹在不可消化的基質中;未糊化的淀粉顆粒存在于生馬鈴薯和高直鏈淀粉玉米淀粉的食物中，屬于RS2，又稱抗性淀粉顆粒;RS3又稱回生淀粉，包括經過再降解的食物，這種過程是將含有淀粉的食物煮熟后然后冷卻后發(fā)生的，這類淀粉通常具有抗消化性;RS4稱為化學改性淀粉，主要存在于面包和蛋糕中。鮮薯中淀粉含量約占18%，直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例和淀粉的磷酸化影響淀粉的消化率，支鏈淀粉比直鏈淀粉更易于消化^[15]。直鏈淀粉約占馬鈴薯總淀粉的31%^[16]，使馬鈴薯成為抗性淀粉的良好來源。馬鈴薯中主要包含RS2和RS3，不同加工方式會影響馬鈴薯中抗性淀粉的含量?？抉R鈴薯（RS≈3.6 g/100 g）比煮馬鈴薯（RS≈2.4 g/100 g）含有更多的抗性淀粉^[17]。

1.1 抗性淀粉對改善腸道健康方面的潛在作用

馬鈴薯抗性淀粉在小腸中不被消化，而是進入結腸進行發(fā)酵，從而增加了益生菌的含量^[18]。生馬鈴薯中的抗性淀粉增加了協(xié)球菌、胃瘤球菌屬和Turicibacter屬的含量，同時減少了豬盲腸和結腸菌群中的梭狀桿菌、Dorea和八疊球菌屬^[18]。研究表明，補充含70%馬鈴薯抗性淀粉的提取物12周，減少了諸如大腸桿菌和志賀氏菌等變形桿菌，同時增加了老年人腸道中的雙歧桿菌^[19]。此外，彩色馬鈴薯片狀飲食可增加大鼠盲腸乳桿菌和雙歧桿菌的營養(yǎng)^[20]。補充來自馬鈴薯淀粉的糊精可增加細菌桿菌中的普雷沃氏菌和擬桿菌的數(shù)量，以及放線菌中雙歧桿菌的含量，同時減少小鼠腸道菌群中梭狀芽胞桿菌的含量。這些發(fā)現(xiàn)表明馬鈴薯作為抗性淀粉的天然來源，可增強有益的腸道菌群和微生物衍生的代謝產物，從而進一步促進腸道健康。

1.2 馬鈴薯抗性淀粉在防治結腸癌的潛在作用

食用水果和蔬菜可以使結腸癌風險降低40%，水果和蔬菜具有此功效的原因可能要歸功于其含有的生物活性成分，如抗性淀粉、多酚類物質。鑒于接下來的兩個10年中，癌癥的發(fā)病率預計會上升約70%，因此需要發(fā)展對抗結腸癌的主食。同時含有抗性淀粉和多酚的彩色馬鈴薯可以作為一種潛在的對抗結腸癌的主食作物，以應對全球日益流行的癌癥^[21]。大量證據(jù)表明，馬鈴薯中的抗性淀粉和纖維素可以提高嚙齒動物腸道中短鏈脂肪酸（SCFA）的含量，如丁酸^[22]。因此，飲食可以直接影響SCFA水平^[23]。

1.3 維持血糖指數(shù)方面

研究證明，低血糖生成指數(shù)的抗性淀粉納入日常飲食中，可被用于預防和治療2型糖尿病^[24]。大量研究證實，抗性淀粉作為一種新興的食品原材料，可以有效升高糖尿病病人的HOMA-S%，對空腹血糖、空腹胰島素、糖化血紅蛋白（HbA1c）、HOMA-B%、HOMA-IR均具有降低作用^[24-26]。但是，煮熟的馬鈴薯淀粉會很容易被人體消化吸收，導致較高的血糖生成指數(shù)。如果選育出高抗性淀粉含量的馬鈴薯新品種可改善這一問題。

2 龍葵素

大量食用龍葵素會產生毒性，影響人體健康，但小劑量的龍葵素被證明在動物和細胞中具有抗癌活性?？拱┗钚赃€與品種、種植環(huán)境和儲藏環(huán)境息息相關^[27-28]。研究表明，龍葵素可以誘導肝癌細胞活性氧產生，胞內ROS誘導凋亡信號調節(jié)激酶（ASK1）、硫氧還蛋白結合蛋白（TBP-2）等凋亡信號蛋白表達，促使HepG2肝癌細胞凋亡，從而抑制肝癌的發(fā)生^[29]。Wang等^[30]研究表明，龍葵素有抑制食管癌的作用，原因是龍葵素可以促進癌細胞E型鈣黏素的表達，同時抑制食管癌細胞EC9706和ECa109細胞的增殖與生長，從而提高食道癌細胞凋亡率。另有研究稱，龍葵素可以通過調節(jié)癌細胞DU145 中細胞周期蛋白和細胞周期蛋白依賴激酶表達，來抑制前列腺癌細胞生長。因此，龍葵素在治療肝癌、食管癌、胰腺癌等癌癥方面具有廣闊的前景^[31-32]。

3 馬鈴薯胰蛋白酶抑制劑的功效

研究表明，從馬鈴薯中提取的蛋白酶抑制劑有減輕體重、預防蛋白酶引起的肛周皮炎的功效。在Ruseler van Embden的局部馬鈴薯蛋白混合物蛋白水解活性的開放對照研究中^[33]，10個志愿者，采用馬鈴薯泥加入60%馬鈴薯蛋白質和無菌回腸造口術中流出物（不含蛋白酶）做治療，結果顯示，馬鈴薯蛋白酶抑制劑的局部用藥可能是預防由于蛋白酶引起的肛周皮炎的一種新方法。Hill AJ等^[34]在口服馬鈴薯蛋白酶抑制劑II能量攝入后的雙盲研究中發(fā)現(xiàn)，攝入220 mL的高蛋白湯（1.5 g蛋白酶抑制劑II）后，與不攝入蛋白酶抑制劑II相比，食物攝入量減少20%，從馬鈴薯中分離的馬鈴薯蛋白酶抑制劑II可以減少食物的攝入，可能是通過釋放膽囊收縮素導致的。

4 馬鈴薯的抗炎作用

研究認為，馬鈴薯是一種消炎性主食作物，因其中含有消炎成分抗性淀粉、纖維素和花青素^[35-36]。一項涉及103名腸炎成年患者的研究表明，疾病復發(fā)率與馬鈴薯和豆類的消費量成反比（P=0.023），適度發(fā)酵馬鈴薯纖維，作為補充劑用于小鼠模型，可以減輕由右旋糖苷硫酸鈉（DSS）誘發(fā)的小鼠結腸炎。該研究結論是，服用馬鈴薯纖維發(fā)酵液可以減輕由DSS誘發(fā)的結腸炎，原因是馬鈴薯纖維發(fā)酵液在腸道發(fā)酵產生SCFA所致^[37]。長期（14周）攝入馬鈴薯抗性淀粉可改善結腸粘膜的完整性并減少對結腸細胞的損害，從而降低豬的結腸系統(tǒng)免疫反應性。食用馬鈴薯抗性淀粉的豬的近端結腸消化中的丁酸鹽含量比不食用的高出2倍。與玉米淀粉相比，食用抗性淀粉的豬的粘膜對細菌感染的抵抗力比食用玉米淀粉的更高。馬鈴薯抗性淀粉減少了上皮內T細胞和血液白細胞的數(shù)量，表明結腸系統(tǒng)炎癥減少了^[22]。彩色馬鈴薯富含花青素，在預防慢性腸炎中起到重要作用。花青素的生物活性主要取決于花青素的組分。紫肉馬鈴薯的花青素含量為5.5～51 mg/100 g FW，紅肉馬鈴薯的花青素含量為6.9～35 mg/100 g FW。紅肉和紫肉馬鈴薯的抗氧化活性比白肉品種高10～20倍。盡管花青素的體循環(huán)水平較低，但由于馬鈴薯中花青素的濃度較高，仍然可以對結腸炎癥造成影響。紫色馬鈴薯花青素能夠穿過腸道細胞膜在體外完整的運輸，這表明花青素具有生物活性^[38]。鑒于抗性淀粉、花青素及纖維素含量在馬鈴薯種質資源中的廣泛變異，將馬鈴薯開發(fā)成有效的抗炎主糧具有巨大的潛力。

另外，馬鈴薯的蛋白質質量具有90～100的生物學價值，高于大多數(shù)其他非動物性甚至某些動物性的蛋白質來源^[6]。公認的是，高質量的蛋白質來源可以在各種形式的運動后幫助最大程度地提高訓練誘導的肌肉吸收和力量的增加^[39]。作為一種富含碳水化合物的食物，其中還含有高質量的蛋白質，馬鈴薯作為運動后的一餐不僅有可能補充枯竭的肌肉糖原儲備，而且還可以刺激肌肉蛋白質的合成。因此，馬鈴薯作為運動餐開發(fā)的重要原料，具有廣闊的市場前景。

5 新馬鈴薯育種體系的建立

馬鈴薯未來栽培品種可以在營養(yǎng)、含量、風味、外觀等方面得到進一步的改良。過去十幾年來，各學科均取得了顯著進步，這為作物改良創(chuàng)造了新的可能性。全世界的研究熱點——二倍體育種使選育高營養(yǎng)、風味好的馬鈴薯新品種成為可能。新興的基因組編輯技術也將進一步增加精確育種以增強作物的潛力^[40-42]。

綜上，馬鈴薯的價值已不僅局限于作為主食，提供飽腹感的糧食作物，馬鈴薯的抗性淀粉、龍葵素、纖維素、花青素等生物活性成分正在逐漸被發(fā)現(xiàn)并加以利用。因此，未來的馬鈴薯不僅作為糧食作物和蔬菜，還會被作為藥物（抗炎、抗癌等）、特定食品（如運動食品、糖尿病群體食物、肥胖癥群體食物等）在人們的生活中發(fā)揮巨大的作用?！?/p>

參考文獻

[1]徐建飛，金黎平.馬鈴薯遺傳育種研究：現(xiàn)狀與展望[J].中國農業(yè)科學，2017，50（6）：990-1015.

[2]Mullins E，Milbourne D，Petti C，et al.Potato in the age of biotechnology[J].Trends in Plant Science，2006，11（5）：254-260.

[3]屈冬玉，謝開云，金黎平，等.中國馬鈴薯產業(yè)發(fā)展與食物安全[J].中國農業(yè)科學，2005，38（2）：358-362.

[4]金黎平，屈冬玉，謝開云，等.我國馬鈴薯種質資源和育種技術研究進展[J].種子，2003（5）：98-100.

[5]International Potato Center.2018.Potato facts and figures.http：//cipotato.org/potato/facts/.Accessed 559 April 20，2018.

[6]McGill C R，A C Kurilich，J Davignon.The role of potatoes and potato components in cardiometabolic health：A review[J].Annals of Medicine，2013（45）：467-473.

[7]Drewnowski A，C D Rehm.Vegetable cost metrics show that potatoes and beans provide most nutrients per penny[J].Plos One，2013，8（5）：e63277.

[8]Holt S H A，J C Brand-Miller，P Petroz，et al.Satiety index of common foods[J].European Journal of Clinical Nutrition，1995（49）：675-690.

[9]Geliebter A，M Lee，M Abdillahi，et al.Satiety following intake of potatoes and other carbohydrate test meals[J].Annals of Nutrition & Metabolism，2013（62）：37-43.

[10]Akilen R D，et al.The effects of potatoes and other carbohydrate side dishes consumed with meat on food intake，glycemia and satiety response in children[J].Nutr Diabetes，2016（6）：195.

[11]Halton T L，W C Willett，S Liu，et al.Potato and French fry consumption and risk of type 2 diabetes in women[J].The American Journal of Clinical Nutrition，2006（83）：284-290.

[12]Mozaffarian D，T Hao，E B Rimm，et al.Changes in diet and lifestyle and long-term weight gain in women and men[J].The New England Journal of Medicine，2011（364）：2392-2404.

[13]Lin A H.Structure and digestion of common complementary food starches[J].J Pediatr Gastroenterol Nutr，2018，66 （Suppl 3）：35-38.

[14]Tetlow I J.Starch biosynthesis in crop plants[J].Agronomy，2018，8（81）：1-4.

[15]Camire M E，S Kubow，D J Donnelly.Potatoes and human health[J].Critical Reviews in Food Science and Nutrition，2009（49）：823-840.

[16]Jansen G，W Flamme，K Schüler，et al.Tuber and starch quality of wild and cultivated potato species and cultivars[J].Potato Research，2001（44）：137-146.

[17]Raatz S K，L Idso，L K Johnson，et al.Resistant starch analysis of commonly consumed potatoes：content varies by cooking method and service temperature but not by variety[J].Food Chemistry，2016（208）：297-300.

[18]Sun Y，Y Su，W Zhu.Microbiome-metabolome responses in the cecum and colon of pig to a high resistant starch diet[J].Frontiers in Microbiology，2016（7）：779.

[19]Alfa M J，D Strang，P S Tappia，et al.A randomized trial to determine the impact of a digestion resistant starch composition on the gut microbiome in older and mid-age adults[J].Clinical Nutrition，2018（37）：797-807.

[20]Han K H，et al.Feeding potato flakes affects cecal short-chain fatty acids，microflora and fecal bile acids in rats[J].Annals of Nutrition & Metabolism，2008（52）：1-7.

[21]Jairam K P Vanamala.Potatoes for targeting colon cancer stem cells[J].American Journal of Potato Research，2019（2）：7-10.

[22]Nofrarías，Miquel，et al.Long-term intake of resistant starch improves colonic mucosal integrity and reduces gut apoptosis and blood immune cells[J].Nutrition （Burbank，Los Angeles County，Calif.），2007（23）：861-870.

[23]den Besten，Gijs，et al.The role of short-chain fatty acids in the interplay between diet，gut microbiota，and host energy metabolism[J].Journal of Lipid Research，2013（54）：2325-2340.

[24]李穎，張欣，楊佳杰，等.抗性淀粉改善腸道功能及糖脂代謝的研究進展[J].食品科學，2019（11）：1-17.

[25]Yuan H，Wang W，Chen D，et al.Characterization of resistant starch from Se-rich rice flour and its anti-diabetic effect in diabetic ICR mice [J].Starch-St?rke，2016，68（1-2）：106-111.

[26]Schioldan A G，Gregersen S，Hald S.Effects of a diet rich in arabinoxylan and resistant starch compared with a diet rich in refined carbohydrates on postprandial metabolism and features of the metabolic syndrome [J].European Journal of Nutrition，2018，57（2）：795-807.

[27]Valkonen J P T P T，et al.Potato glycoalkaloids：A burden or a blessing？ [J].Critical Reviews in Plant Sciences，1996（15）：1-20.

[28]Friedman M.Potato glycoalkaloids and metabolites：roles in the plant and in the diet[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2006（54）：8655-8681.

[29]Meng X Q，Zhang W，Zhang F，et al.Solanine-induced reactive oxygen species inhibit the growth of human hepatocellular carcinoma HepG2 cells[J].Oncol Lett，2016，11（3）：2145-2151.

[30]Wang L，Sun Q Q，Zhang S J，et al.Inhibitory effect ofα-solanine on esophageal carcinoma in vitro[J].Exp Ther Med，2016，12（3）：1525-1530.

[31]Sun H，Lv C，Yang L，et al.Solanine induces mitochondria-mediated apoptosis in human pancreatic cancer cells[J].Biomed Res Int，2014（3）：805926.

[32]鄧孟勝，張杰，唐曉，等.馬鈴薯中龍葵素的研究進展[J].分子植物育種，2019，7（17）：2399-2407.

[33]Ruseler-van Embden JG，van Lieshout LM，Smits SA，et al. Potato tuber proteins efficiently inhibit human faecal proteolytic activity：implica-tions for treatment of peri-anal dermatitis[J].Eur J Clin Invest，2004（34）：303-311.

[34]Hill AJ，Peikin SR，Ryan CA，et al.Oral administration of proteinase inhibitor II from potatoes reduces energy intake in man[J].Physiol Behav，1990，48（2）：241-246.

[35]Camire Mary E.Potatoes and human health[M].In Advances in potato chemistryand technology：Secondedition，2016：685-704.

[36]Tasson，Laura，Cristina Canova，et al.Influence of diet on the course of inflammatory bowel disease[J].Digestive Diseases and Sciences，2017（62）：2087-2094.

[37]Panasevich M R，J M Allen，M A Wallig，et al.Moderately fermentable potato fiber attenuates signs and inflammation associated with experimental colitis in mice[J].The Journal of Nutrition，2015（145）：2781-2788.

[38]Zhang Hua，Yousef I Hassan，Justin Renaud，et al.Bioaccessibility，bioavailability，and anti-inflammatory effects of anthocyanins from purpleroot vegetables using mono- and co-culture cell models[J].Molecular Nutrition and Food Research，2017（61）：1-4.

[39]Phillips S M，L J Van Loon.Dietary protein for athletes：from requirements to optimum adaptation[J].Journal of Sports Sciences，2011，29 （Suppl 1）：S29-S38.

[40]Filler Hayut S，C MelamedBessudo，A A Levy.Targeted recombination between homologous chromosomes for precise breeding in tomato[J].Nature Communications，2017（8）：15605.

[41]Georges F，H Ray.Genome editing of crops：A renewed opportunity for food security[J].GM Crops & Food，2017（8）：1-12.

[42]van de Wiel C C M，et al.New traits in crops produced by genome editing techniques based on deletions[J].Plant Biotechnology Reports，2017（11）：1-8.

Anti-nutritional Factors of Potatoes and Human Health

WANG Ying^1，2，LI Xian-ping^1，2，BAI Jian-ming^1，2，YANG Qiong-fen^1，2，PAN Zhe-chao^1，2*，SUI Qi-jun^1，2*

（¹Industrial Crops Research Institute，Yunnan Academy of Agricultural Sciences/Yunnan Engineering and Research Center for Potato，Kunming 650205，China;²Scientific Observing and Experimental Station of Potato and Rapeseed in Yunnan-GuizhouPlateau，Ministry of Agriculture and Rural Affairs，Kunming 650200，China）

Abstract：This article reviewed the nutritional value of potato anti-nutritional factors and the demand for new breeding systems.By taking advantage of the available extensive germplasm resources，combining new technologies such as diploid breeding and gene editing can be further improved new varieties and provide additional options that help satisfy rapidly evolving consumer preferences and changing market demands.

Keywords：potato;antinutritional factor;health;new breeding system