枸杞屬植物中甜菜堿類物質(zhì)功能價(jià)值研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化展望△

鄭慧麗，郭盛，朱悅，康宏杰，宿樹蘭，郭蘭萍，段金廒*

1.南京中醫(yī)藥大學(xué) 中藥資源產(chǎn)業(yè)化與方劑創(chuàng)新藥物國家地方聯(lián)合工程中心/江蘇省中藥資源產(chǎn)業(yè)化過程協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省方劑高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023；2.寧夏枸杞創(chuàng)新中心，寧夏 銀川 750002；3.中國中醫(yī)科學(xué)院 中藥資源中心，北京 100700

茄科枸杞屬（LyciumL.）植物種質(zhì)資源豐富，全世界有80余種，記載有藥用或食用價(jià)值的有31種[1]。載入《中華人民共和國藥典》（以下簡(jiǎn)稱《中國藥典》）2020 年版的品種僅有寧夏枸杞LyciumbarbarumL.和枸杞L.chinenseMill.，分別以果實(shí)和根皮入藥，除果實(shí)和根皮外，枸杞葉、枸杞花也均有藥用記載。寧夏枸杞為落葉灌木，是我國西北地區(qū)的大宗藥食同源植物資源，其干燥成熟的果實(shí)枸杞子，不僅是寧夏珍貴的中藥材，也是世界上許多國家的保健食品?，F(xiàn)代藥理學(xué)研究表明，枸杞子具有多種生物學(xué)活性，如調(diào)節(jié)免疫、延緩衰老、抗氧化、抗炎、降血糖、調(diào)血脂、神經(jīng)保護(hù)等作用。甜菜堿（betaine）類物質(zhì)是枸杞屬植物資源中的一種重要的生物堿成分，在枸杞果實(shí)、根、莖、葉中均有分布，具有調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、降血糖、抗炎、神經(jīng)保護(hù)等多種生物學(xué)活性[2]，是枸杞屬藥用植物資源發(fā)揮保健功效的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一。

本文圍繞甜菜堿類化合物在自然界及枸杞屬中的資源分布、功能價(jià)值發(fā)現(xiàn)與利用，結(jié)合國內(nèi)外專利分析，探討甜菜堿類資源性物質(zhì)在枸杞產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中的應(yīng)用價(jià)值，以期為寧夏枸杞產(chǎn)業(yè)資源潛力的開發(fā)和枸杞經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈的延伸提供參考。

1 甜菜堿類化合物在自然界及枸杞屬中的分布

1.1 甜菜堿類資源物質(zhì)在自然界的分布

甜菜堿因最初是從甜菜中發(fā)現(xiàn)的生物堿類化合物，故得此名，又稱N，N，N-三甲基甘氨酸、甘氨酸甜菜堿，解離常數(shù)值為2.23，在機(jī)體中以兩性離子形式存在。甜菜堿作為一種常見的滲透壓調(diào)節(jié)劑，廣泛存在于動(dòng)物、植物和微生物中，其含量通常與生長(zhǎng)過程中滲透壓脅迫情況相關(guān)[3]。甜菜堿是許多食物的重要成分，包括小麥、貝類、菠菜、甜菜、莧菜、藜麥等[4]，現(xiàn)已在28 個(gè)科、178 種植物中檢測(cè)到[5]，一些常見的中藥材中也積累有較高水平的甜菜堿，如枸杞子、牛膝、肉蓯蓉、鎖陽等。

與甜菜堿有化學(xué)聯(lián)系的其他天然產(chǎn)品統(tǒng)稱為“甜菜堿類”，這些高極性兩性離子化合物的共有特征是其陽離子官能團(tuán)不能去質(zhì)子化，并在高pH下保持電荷。植物中存在很多甘氨酸甜菜堿類似物，如脯氨酸甜菜堿（proline betaine）、胡蘆巴堿（trigonelline）、丙氨酸甜菜堿（β-alanine betaine）、纈氨酸甜菜堿（valine betaine）、哌可酸甜菜堿（pipecolic acid betaine）、氨基戊甜菜堿（δ-valerobetaine）、N-三甲基賴氨酸（N-trimethyllysine）、砷甜菜堿（arsenobetaine）、γ-丁酰甜菜堿（γbutyrobetaine）和麥角硫因（ergothionine）。De Zwart等[6]對(duì)一般食物中的甜菜堿及其類似物的研究結(jié)果顯示，甘氨酸甜菜堿、脯氨酸甜菜堿、胡蘆巴堿是食物中僅有的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞150 μg·g-1的甜菜堿類化合物。自然界中藜科、禾本科、錦葵科及茄科中甜菜堿的含量較高[7-8]。此外，甜菜堿還可以從貝類、谷物和蔬菜中攝入；柑橘類水果和紫花苜蓿芽中含有脯氨酸甜菜堿和哌可酸甜菜堿[9]；而咖啡豆、鷹豆、扁豆和燕麥片中含有葫蘆巴堿；海藻中含有較多的氨基戊甜菜堿和N-三甲基賴氨酸[10]。甜菜堿類似物及其在自然界中的分布見表1，結(jié)構(gòu)式見圖1。

圖1 甜菜堿及其類似物的化學(xué)結(jié)構(gòu)

表1 甜菜堿及其類似物在自然界中的分布

1.2 甜菜堿類資源物質(zhì)在枸杞屬中的分布及含量

茄科枸杞屬植物廣泛分布于北美、南美、非洲和歐亞大陸的干旱至半干旱地區(qū)，我國共有7種3個(gè)變種。其中，寧夏枸杞和枸杞被收錄入《中國藥典》2020年版，分別以果實(shí)和根皮入藥，稱枸杞子和地骨皮。Qian 等[20]對(duì)我國分布的寧夏枸杞、枸杞、黑果枸杞L.ruthenicumMurr.、新疆枸杞L.dasystemumPojark.、截萼枸杞L.truncatumY.C.Wang 和柱筒枸杞L.cylindricumKuang et A.M.6 種枸杞果實(shí)成熟過程中甜菜堿含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示，甜菜堿在果實(shí)成熟過程中逐漸增加，并在紅果期達(dá)到最大。在測(cè)定的6 個(gè)枸杞紅果期果實(shí)中甜菜堿含量差異不大，為0.001%～0.018%。

研究發(fā)現(xiàn)，寧夏枸杞的果實(shí)、花、葉和根中均含有甜菜堿，其中葉片中甜菜堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.92%～6.55%，花中為1.87%～2.16%，果實(shí)中為1%～2.8%，根皮中為0.5%～1%[23-25]。本課題組前期對(duì)全國不同產(chǎn)區(qū)7—8月份采收的94份枸杞子中的甜菜堿含量測(cè)定發(fā)現(xiàn)，不同產(chǎn)區(qū)枸杞子中甜菜堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低依次為寧夏（1.3%）＞甘肅酒泉（1.28%）＞內(nèi)蒙古（1.18%）＞甘肅白銀（1.09%）=青海（1.09%）＞新疆（1.04%）。張磊等[26]在2011 年對(duì)全國不同產(chǎn)區(qū)6 月下旬至8 月上旬采收的38 份枸杞子中甜菜堿測(cè)定結(jié)果顯示，河北（1.39%）＞青海（1.19%）＞內(nèi)蒙古（1.15%）＞新疆（1.11%）＞甘肅（1.10%）＞寧夏（0.53%）。王歡等[27]對(duì)不同產(chǎn)區(qū)產(chǎn)枸杞子中甜菜堿含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明寧夏中寧＞新疆精河＞寧夏同心＞河北巨鹿＞甘肅靖遠(yuǎn)＞寧夏銀川＞甘肅景泰。不同研究人員測(cè)定結(jié)果之間存在差異，造成以上差異的原因可能與采集的地點(diǎn)及時(shí)間不同有關(guān)。研究顯示，寧夏枸杞中甜菜堿含量隨白天平均溫度和平均溫差的增大而降低[28]，與土壤中鹽濃度和肥力因子中的速效磷和速效鉀含量呈顯著正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)無顯著相關(guān)性[29]。對(duì)青海柴達(dá)木地區(qū)的寧夏枸杞子及黑果枸杞中甜菜堿含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示，寧夏枸杞子中甜菜堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.98%～2.19%，高于黑果枸杞中甜菜堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)（為0.82%～1.84%）[30]。劉偉等[31]對(duì)不同產(chǎn)地栽培與野生地骨皮中甜菜堿含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示，寧夏中衛(wèi)栽培地骨皮中甜菜堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為0.904%，河南舞鋼野生地骨皮中甜菜堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，為0.138%，整體而言，栽培品種中甜菜堿含量高于野生品。Liu 等[32]首次從枸杞子中鑒定出胡蘆巴堿，并對(duì)我國不同產(chǎn)區(qū)23 批枸杞子樣品進(jìn)行測(cè)定，胡蘆巴堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%～0.08%。

1.3 自然界及枸杞屬中甜菜堿的生物合成途徑

在高等植物中甜菜堿由膽堿經(jīng)兩步氧化形成，第一步由鐵氧化還原蛋白依賴的膽堿單加氧酶（choline monooxygenase，CMO）催化合成甜菜堿醛（betaine aldehyde，BAL），BAL 在煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）依賴的甜菜堿醛脫氫酶（betaine aldehyde dehydrogenase，BADH）的催化下轉(zhuǎn)化為甜菜堿[33]（圖2A）。在世界鹽生植物中記載了茄科的23 種植物，其中12 種為枸杞屬[34]，可以合成甜菜堿，在茄科經(jīng)濟(jì)作物中，如番茄、馬鈴薯、茄子、辣椒和煙草都是非鹽生植物，對(duì)土壤鹽分敏感，天然不積累甜菜堿。氨基醛脫氫酶（aminoaldehyde dehydrogenase，AMADH）催化甜菜堿合成的最后一步，Liu 等[35]通過比較枸杞屬植物和茄科作物中AMADH 的BADH 功能殘基，發(fā)現(xiàn)AMADH1具有較低的BADH 活性，而來自枸杞屬中的LbAMADH2具有較高的BADH 活性。在動(dòng)物中，BAL 由膽堿脫氫酶（choline dehydrogenase，CHDH）催化而來，后經(jīng)BADH 催化形成甜菜堿[36]（圖2B）。許多微生物能夠利用膽堿脫氫酶經(jīng)兩步反應(yīng)催化膽堿生成甜菜堿，在某些細(xì)菌及真菌中只能使用膽堿氧化酶（choline oxidase，COD）在氧氣存在下直接催化膽堿的4 個(gè)電子，氧化生成甜菜堿和過氧化氫，伴有甜菜堿醛中間體產(chǎn)生[37]（圖2C）。此外，嗜鹽古細(xì)菌產(chǎn)甲烷菌、耐鹽嗜鹽藍(lán)藻和耐鹽嗜鹽厭氧光合細(xì)菌已經(jīng)被證明可以從簡(jiǎn)單的碳源，如乙酸鹽合成甜菜堿[38]。對(duì)嗜鹽古細(xì)菌產(chǎn)甲烷菌的核磁共振研究表明，甜菜堿可能是由甘氨酸通過一系列甲基化反應(yīng)合成的，涉及甘氨酸肌醇甲基轉(zhuǎn)移酶（glycine sarcosineN-methyltransferase，GSMT）和肌氨酸二甲基甘氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（sarcosine dimethylglycineN-methyltransferase，SDMT）經(jīng)3 次N-甲基化生成甜菜堿[39]（圖2D）。

圖2 甜菜堿及其衍生物的生物合成途徑

2 甜菜堿類資源性物質(zhì)的功能價(jià)值發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用

2.1 甜菜堿類資源性物質(zhì)在醫(yī)藥行業(yè)中的開發(fā)與應(yīng)用

甜菜堿主要積累于肝臟和腎臟等組織和器官中，在肝臟中充當(dāng)甲基供體參與將同型半胱氨酸轉(zhuǎn)化為蛋氨酸；在腎臟中作為有機(jī)溶質(zhì)參與機(jī)體滲透壓調(diào)節(jié)，控制細(xì)胞體積，穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，防止細(xì)胞過早凋亡。近年來研究表明，甜菜堿具有調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、改善胰島素抵抗、抗炎、改善線粒體功能等作用，在脂肪肝、冠狀動(dòng)脈粥樣硬化、癌癥、腎功能不全、糖尿病等多種病理中起保護(hù)作用[2]。

1966 年甜菜堿被美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)為孤兒藥（即罕見病藥物），用于治療同型半胱氨酸尿癥，正常劑量為6 g·d-1，最高劑量可達(dá)20 g·d-1[40]。6 g·d-1或更高劑量甜菜堿單獨(dú)或與B 族維生素聯(lián)合使用可以降低血漿同型半胱氨酸水平，部分糾正其他生化異常，從而改善臨床狀況[41]。甜菜堿鹽酸鹽能夠有效改善胃酸分泌過少患者胃液pH[42]。

研究表明，甜菜堿能夠緩解酒精性脂肪肝和非酒精性脂肪肝損傷[43]，可能與逆轉(zhuǎn)胰島素抵抗和肝臟脂肪變性、延緩內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、恢復(fù)線粒體功能有關(guān)，但根據(jù)現(xiàn)有的臨床試驗(yàn)評(píng)估結(jié)果尚無法判斷甜菜堿在治療非酒精性肝病中的有益作用，有待進(jìn)一步開展甜菜堿治療酒精性脂肪肝和非酒精性脂肪肝的大型隨機(jī)調(diào)查研究。

研究發(fā)現(xiàn)，心血管疾病患者尿液中甜菜堿排泄量與隨訪期間新發(fā)糖尿病風(fēng)險(xiǎn)之間存在顯著的獨(dú)立線性關(guān)系，可以作為評(píng)估心血管疾病患者未來發(fā)生糖尿病的標(biāo)志物[44]。此外，甜菜堿干預(yù)能夠降低阿爾茨海默?。ˋD）患者中同型半胱氨酸水平，改善AD患者認(rèn)知障礙[45]。

除了甘氨酸甜菜堿外，Liu 等[32]還從寧夏枸杞子鑒定出了胡蘆巴堿。研究表明，葫蘆巴堿具有多種藥理學(xué)活性，包括改善糖尿病、抑制肝癌腫瘤生長(zhǎng)、預(yù)防非酒精性脂肪肝、緩解中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病[46]。此外，葫蘆巴堿還具有擬雌激素樣作用，能夠提高地塞米松誘導(dǎo)的大鼠血清鈣磷含量、雌二醇水平、骨密度，改善骨結(jié)構(gòu)，防治骨質(zhì)疏松的進(jìn)展[47]。胡蘆巴堿能夠促進(jìn)棕色脂肪和米色脂肪標(biāo)志性蛋白和基因的表達(dá)，誘導(dǎo)小鼠脂肪前體細(xì)胞3T3-L1 白色脂肪褐色化，減少脂肪生成，促進(jìn)脂肪分解和脂肪酸氧化，具有較好抗肥胖的潛力[48]。

2.2 甜菜堿類資源性物質(zhì)在食品添加劑中的開發(fā)與應(yīng)用

研究表明，甜菜堿的攝入與體脂、體質(zhì)量指數(shù)和腰圍呈負(fù)相關(guān)[49]；流行病學(xué)研究結(jié)果顯示，我國中老年人血清中甜菜堿質(zhì)量濃度越高，體質(zhì)量輕的比例越大[50]；此外，甜菜堿還被認(rèn)為能夠提高運(yùn)動(dòng)員肌肉耐力及爆發(fā)力，改善促炎細(xì)胞因子及白細(xì)胞計(jì)數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)[51]。提示甜菜堿具有一定的改善體態(tài)和抗疲勞作用。

2019年，歐盟批準(zhǔn)甜菜堿作為新資源投放市場(chǎng)，可以應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)員專用飲料粉和能量飲料，專用于蛋白、谷物及代餐中；用于控制體質(zhì)量的總膳食替代品及成人的特殊醫(yī)療用途食品中。海外專利檢索發(fā)現(xiàn)，甜菜堿已經(jīng)被用于新型食品及烘焙食品中。

2.3 甜菜堿類資源性物質(zhì)在畜禽及水產(chǎn)養(yǎng)殖中的開發(fā)與應(yīng)用

甜菜堿在畜牧業(yè)、家禽及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中應(yīng)用廣泛，其有提高飼料轉(zhuǎn)化率及胴體質(zhì)量、改善肉質(zhì)、緩和應(yīng)激、提高生產(chǎn)性能等作用。日糧中添加甜菜堿能夠提高櫻桃谷鴨胸肌質(zhì)量、減少皮下及腹部脂肪含量、提高肌肉中氨基酸含量及抗氧化酶活性、改善肉質(zhì)[52]；甜菜堿還能夠改善雞球蟲病對(duì)腸道的損傷，提高飼料轉(zhuǎn)化率及營養(yǎng)成分的吸收[53]。與正常飲食相比，日糧中補(bǔ)充甜菜堿能使蛋雞的產(chǎn)蛋率提高4.3%，該作用機(jī)制與甜菜堿改變肝臟脂質(zhì)合成及轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因的表達(dá)及甲基化、促進(jìn)肝臟中蛋黃前體物質(zhì)合成與釋放有關(guān)[54]；此外，甜菜堿還能夠改變肌肉無氧糖酵解和抗氧化能力，下調(diào)血清皮質(zhì)酮和皮質(zhì)醇含量，降低肉雞運(yùn)輸過程中造成的體質(zhì)量下降及肉質(zhì)劣變[55]。

甜菜堿可以提高羔羊平均日采食量和日增體質(zhì)量，降低屠宰后肌肉失水率，提高屠宰后24 h 肉質(zhì)pH，以及肌肉游離氨基酸和風(fēng)味氨基酸含量[56]；調(diào)節(jié)仔豬肌纖維類型和生肌調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，改善肉質(zhì)，提高仔豬的瘦肉率及胴體質(zhì)量[57]；在泌乳早期飼喂含有甜菜堿的液體補(bǔ)充劑能夠改善奶牛泌乳量[58]。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，甜菜堿作為誘食劑，對(duì)多種水產(chǎn)生物具有良好的味覺刺激和誘食效果，可以增加動(dòng)物食欲及采食率，減少飼料浪費(fèi)。在飼料中添加0.5%甜菜堿能夠提高黃顙魚體重率和攝食率[59]；促進(jìn)軍曹魚生長(zhǎng)，并有一定的降脂作用[60]。甜菜堿通過維持離子及滲透平衡，促進(jìn)鮭魚幼魚由淡水養(yǎng)殖向海水養(yǎng)殖轉(zhuǎn)移[61]。

2.4 甜菜堿類資源性物質(zhì)在農(nóng)作物生產(chǎn)中的開發(fā)與應(yīng)用

甜菜堿能夠提高植物對(duì)抗應(yīng)激引起的代謝功能障礙。許多高等植物，特別是藜科和禾本科植物，在受到水分或者鹽脅迫時(shí)積累大量的甜菜堿，以保護(hù)細(xì)胞抵抗外界的高鹽濃度和極端缺水，使細(xì)胞在逆境下仍能發(fā)揮正常功能。一些參與甜菜堿合成途徑的酶已經(jīng)被鑒定、分離和克隆，并應(yīng)用于轉(zhuǎn)基因植物中，以提高植物對(duì)鹽、干旱和極端溫度的耐受性，已經(jīng)成功應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)作物包括煙草、番茄、玉米、水稻、馬鈴薯和小麥中[2]。此外，甘氨酸甜菜堿能夠在光脅迫下穩(wěn)定番茄光合系統(tǒng)Ⅱ光合放氧復(fù)合體結(jié)構(gòu)，減輕高溫及光抑制損傷[62]；誘導(dǎo)氧化應(yīng)激基因的表達(dá)，減少鹽脅迫下煙草細(xì)胞活性氧積累和脂質(zhì)過氧化[63]；增加小麥葉片K+和Ca2+的積累，提高葉片水勢(shì)和抗氧化酶活性，減少光抑制，促進(jìn)生長(zhǎng)和提高產(chǎn)量[64]。此外，甜菜堿能夠改善重金屬脅迫下植物的生長(zhǎng)、光合作用、抗氧化物酶活性及養(yǎng)分吸收，減少植物對(duì)重金屬的吸收和氧化應(yīng)激，獲得更好的生長(zhǎng)和產(chǎn)量[65]。

甜菜堿可以降低水果儲(chǔ)存中冷凍傷害、褐變和芳香類氣味損失。甜菜堿處理能減輕南果梨貯藏期褐變指數(shù)，降低褐變發(fā)生率，可能與降低果實(shí)中脂質(zhì)過氧化物水平、調(diào)節(jié)脯氨酸代謝、提高細(xì)胞膜完整性有關(guān)[66]；甜菜堿可以提高參與酯類合成的脂氧合酶和醇?；D(zhuǎn)移酶活性，減少南果梨貯存過程中的香味損失[67]；甜菜堿可以降低番木瓜冷藏期間電解質(zhì)泄露和丙二醛含量，提高三磷酸腺苷水平和能量代謝相關(guān)酶活性，減少番木瓜的冷藏?fù)p傷[68]。

此外，甜菜堿還可用于緩解植物病害。甜菜堿處理可提高酵母對(duì)青霉菌和灰葡萄孢菌的生物防治，下調(diào)蘋果采摘后活性氧水平及脂蛋白氧化損傷，改善蘋果傷口生長(zhǎng)[69]。使用甘氨酸甜菜堿處理黃瓜花葉病毒感染的黃瓜植株后，葉綠素含量、植物激素、內(nèi)源性滲透保護(hù)劑、抗氧化能力等各項(xiàng)生理指標(biāo)均有顯著改善[70]。

2.5 甜菜堿類資源性物質(zhì)在微生物領(lǐng)域中的開發(fā)與應(yīng)用

甘氨酸作為有機(jī)滲透溶劑積累于許多沿海生物中，一些生活在高鹽環(huán)境中的微生物細(xì)胞中可以達(dá)到摩爾級(jí)濃度，經(jīng)厭氧微生物代謝后，釋放出甲烷[71]。甜菜堿可以顯著提高多種工業(yè)菌株的性能，如提高經(jīng)過脫水、儲(chǔ)存和再水化過程中的乳酸菌的存活率，以及雙歧桿菌的凍干后復(fù)蘇存活率[72-73]。甜菜堿能夠提高大腸桿菌磷酸戊糖途徑和L-蘇氨酸生物合成途徑的代謝通量，提高葡萄糖轉(zhuǎn)化率和L-蘇氨酸產(chǎn)量[74]；在高糖濃度或者低氮營養(yǎng)條件下，甜菜堿能夠提高混凝芽孢桿菌的乳酸產(chǎn)量[75]；上調(diào)假單胞菌維生素B12生物合成途徑相關(guān)蛋白的表達(dá)，促進(jìn)維生素B12的生物合成[76]。

以甜菜堿為陽離子，氨基酸為陰離子，制備的一種新型天然深層共晶溶劑，能夠有效去除木聚糖和木質(zhì)素，提高纖維素和玉米芯的酶解效率[77]。此外，甜菜堿還可應(yīng)用于廢水處理，能夠提高含鹽廢水中厭氧氨氧化細(xì)菌和氨氧化細(xì)菌活性，提高廢水中總氮和有機(jī)物的去除率[78]。

2.6 甜菜堿類資源性物質(zhì)在化工領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用

天然甜菜堿由于沒有長(zhǎng)的疏水基團(tuán)而沒有表面活性，通過在甜菜堿分子上結(jié)合疏水基團(tuán)，以產(chǎn)生表面活性?；谶@個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)產(chǎn)生了一系列甜菜堿類表面活性劑，包括烷基甜菜堿、烷基酰胺丙基甜菜堿、甜菜堿酯、硫代甜菜堿（磺基甜菜堿）和磷基甜菜堿[79]。與其他兩性表面活性劑相比，甜菜堿類表面活性劑在水中的溶解度更高，比陰離子表面活性劑性質(zhì)更溫和。酰胺丙基甜菜堿是最重要的兩性表面活性劑之一，特別是椰油酰胺丙基甜菜堿，主要用于化妝品和洗滌劑產(chǎn)品，如滾動(dòng)式除臭劑、隱形眼鏡液、牙膏、卸妝液、沐浴露、護(hù)膚品、清潔劑、去屑產(chǎn)品和去角質(zhì)產(chǎn)品及眼部彩妝和防腐劑[80]。

此外，甜菜堿表面活性劑由于其驅(qū)油性及酸化轉(zhuǎn)向作用，還被用于油田開采，具有降壓增注的作用[81]。除了表面活性外，表面活性劑還與蛋白質(zhì)相互作用，改變兩者的功能性，目前被廣泛應(yīng)用于制藥和食品行業(yè)[82]。例如，β-丙氨酸甜菜堿與蛋清溶菌酶復(fù)合可提高蛋白穩(wěn)定性和抗菌活性[83]；聚磺基甜菜堿甲基丙烯酸酯和聚羧基甜菜堿甲基丙烯酸酯由于具有優(yōu)良的抗非特異性蛋白吸附性能和生物相容性，被用于藥物載體及醫(yī)用植入體的開發(fā)中[84]。

3 甜菜堿類資源性物質(zhì)在相關(guān)領(lǐng)域的專利分析

甜菜堿及其衍生物作為機(jī)體重要的營養(yǎng)素，在生活中多個(gè)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，為了更深入了解甜菜堿相關(guān)功能的專利申請(qǐng)情況，筆者通過中國知網(wǎng)（CNKI）專利檢索系統(tǒng)，以專利名稱中含有“甜菜堿”為檢索條件，共獲得中文專利723 項(xiàng)，海外專利1573項(xiàng)，并對(duì)國內(nèi)外專利進(jìn)行了初步分析。

3.1 國內(nèi)專利分析

從2011 年，我國甜菜堿相關(guān)專利申請(qǐng)進(jìn)入持續(xù)活躍期，專利申請(qǐng)數(shù)量逐年增加，現(xiàn)在依然在持續(xù)增長(zhǎng)中（圖3）。分析我國甜菜堿相關(guān)專利可知，其主要集中于山東、江蘇、北京和廣東（圖4）。723項(xiàng)專利中，發(fā)明專利580 項(xiàng)，占比93.77%，授權(quán)發(fā)明專利共計(jì)98 項(xiàng)，占比13.5%，授權(quán)專利較少；從專利分布領(lǐng)域看（圖5），甜菜堿相關(guān)專利主要集中于化學(xué)及材料科學(xué)領(lǐng)域；從主題詞分布（圖6）看，該部分專利主要集中于甜菜堿型表面活性劑的合成及應(yīng)用，如磺基甜菜堿、烷基甜菜堿等。在材料科學(xué)領(lǐng)域，甜菜堿被用于抗菌保鮮凝膠、兩性高分子抗菌涂料中。此外，甜菜堿聚合物還被應(yīng)用于水凝膠、納濾膜及反滲透膜、蛋白納米微囊的制備。分析甜菜堿在醫(yī)學(xué)及生物學(xué)中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其主要用于治療肺動(dòng)脈高壓[85]、多發(fā)性硬化癥[86]、白癜風(fēng)[87]，預(yù)防及治療飲食性肥胖的藥物[88]開發(fā)中，以及用于治療肌肉萎縮[89]的營養(yǎng)補(bǔ)充劑中。由此可見，隨著研究的不斷深入，甜菜堿的醫(yī)療應(yīng)用范圍有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)，在皮膚病及呼吸系統(tǒng)疾病中都有一定的應(yīng)用。

圖3 甜菜堿類物質(zhì)的中國專利申請(qǐng)趨勢(shì)

圖4 甜菜堿類物質(zhì)的中國專利申請(qǐng)地區(qū)分布

圖5 甜菜堿類物質(zhì)的中國專利申請(qǐng)領(lǐng)域分布

圖6 甜菜堿類物質(zhì)的中國專利主題詞分布

3.2 海外專利分析

海外甜菜堿相關(guān)專利申請(qǐng)從1990 年左右進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，并于2006 年達(dá)到年申請(qǐng)最大值后開始下跌（圖7）。對(duì)甜菜堿的海外相關(guān)專利主題詞分析結(jié)果顯示（圖8），與國內(nèi)甜菜堿相關(guān)專利申請(qǐng)領(lǐng)域相似，海外市場(chǎng)甜菜堿相關(guān)專利也集中于甜菜堿型表面活性劑的開發(fā)及應(yīng)用上。不同之處在于，海外有相當(dāng)一部分專利是從甜菜提取蜜糖后的廢液中回收甜菜堿的制備工藝。此外，甜菜堿在海外市場(chǎng)中還被申請(qǐng)用于新型食品及烘焙食品中，而我國尚未批準(zhǔn)甜菜堿用于食品添加劑。我國甜菜堿相關(guān)專利在化妝品、生物農(nóng)藥等領(lǐng)域較海外專利少，但在高分子材料中的應(yīng)用較海外專利多，充分體現(xiàn)了我國甜菜堿相關(guān)的高分子材料處于國際較為領(lǐng)先的水平。

圖7 甜菜堿類物質(zhì)的海外專利申請(qǐng)趨勢(shì)

圖8 甜菜堿類物質(zhì)的海外專利主題詞分布

4 討論與展望

4.1 有效開發(fā)利用枸杞資源植物中的甜菜堿類物質(zhì)，有利于延伸枸杞產(chǎn)業(yè)鏈和拓展其資源價(jià)值

甜菜堿類物質(zhì)的醫(yī)用價(jià)值及飼用價(jià)值較高，通過研究其在枸杞屬中的分布可知，世界范圍內(nèi)大多數(shù)枸杞物種中的甜菜堿類化合物含量尚未明確，有待開發(fā)利用。寧夏枸杞作為我國大宗藥食同源資源性植物，是我國西北地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)植物，種植規(guī)模不斷增長(zhǎng)，在收獲枸杞子干果時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的枝條及莖葉資源，若不加以合理利用，將造成巨大的資源浪費(fèi)。寧夏枸杞葉片中甜菜堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)，為3.9%～6.5%，是獲取甜菜堿的優(yōu)質(zhì)天然植物來源。此外，枸杞葉中含有大量的粗蛋白、纖維及甜菜堿，具有較高的醫(yī)用及飼用價(jià)值，關(guān)于枸杞葉的藥用價(jià)值在歷代本草中多有記載，具有補(bǔ)益、明目、消渴、安神、清熱解毒等作用，現(xiàn)在在我國少數(shù)民族地區(qū)依然有臨床應(yīng)用。對(duì)于枸杞葉醫(yī)用價(jià)值的恢復(fù)及挖掘有助于更合理地利用這一傳統(tǒng)藥用資源。將枸杞葉用于雞、鴨、鵝、牛、羊、豬等禽畜的飼養(yǎng)，能夠減少動(dòng)物疾病的發(fā)生，降低肉料比，提高胴體質(zhì)量及產(chǎn)蛋量。由此可知，通過對(duì)世界范圍枸杞屬物種中甜菜堿的研究，發(fā)現(xiàn)優(yōu)良的甜菜堿來源植物，并對(duì)其品種進(jìn)行合理改良，或可得到優(yōu)質(zhì)牧草來源和飼料添加劑原料來源。

4.2 甜菜堿類物質(zhì)相關(guān)專利分析與挖掘，有利于不斷提升枸杞資源植物開發(fā)利用的深度與廣度

甜菜堿類物質(zhì)可用于抗菌保鮮凝膠及水凝膠劑型中，且具有較好的保濕效果。隨著我國消費(fèi)水平的提高，化妝品行業(yè)日益繁榮，植物提取物的護(hù)膚品深受廣大消費(fèi)者的青睞，若將枸杞葉中甜菜堿提取物用來抗菌、保濕、平衡滲透壓的理念開發(fā)成相應(yīng)的化妝品，應(yīng)該有較好的市場(chǎng)前景。此外，基于甜菜堿調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝及糖代謝的作用，可以開發(fā)一種以枸杞葉為原材料的甜菜堿類化合物的減肥產(chǎn)品?；谔鸩藟A的專利分析發(fā)現(xiàn)，甜菜堿還被應(yīng)用于心血管疾病、肺動(dòng)脈高壓、白癜風(fēng)及肌肉萎縮中，可以考慮以枸杞葉為原材料開發(fā)相應(yīng)的藥物。

4.3 從甜菜堿類物質(zhì)的生物合成與生物學(xué)角度開展研究，有利于深入認(rèn)知其潛在資源價(jià)值

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，甜菜堿可以作為魚類的誘食劑，可能是由于甜菜堿自然存在于海底沉積層的細(xì)菌及微生物中，是魚類的天然捕食來源。將甜菜堿應(yīng)用于反芻動(dòng)物的飼養(yǎng)，可以提高其生產(chǎn)性能，推測(cè)可能與甜菜堿改善反芻動(dòng)物瘤胃及腸道微生物結(jié)構(gòu)及環(huán)境，提高瘤胃及腸道細(xì)菌抗逆性有關(guān)，此外，還可能與甜菜堿參與蛋氨酸循環(huán)、增加動(dòng)物體內(nèi)蛋氨酸有關(guān)。從甜菜堿的自然分布可知，在一些嗜鹽古菌門細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了較高含量的甜菜堿，用以適應(yīng)高鹽環(huán)境；在海洋藻類中，甜菜堿作為滲透壓及冷凍保護(hù)劑，可以提高藻類對(duì)低溫、干旱及光脅迫的耐受性。趙百鎖團(tuán)隊(duì)[90]在嗜熱鹽堿厭氧菌種發(fā)現(xiàn)了甜菜堿合成的基因，并認(rèn)為該基因表達(dá)的蛋白可能具有耐受多種極端環(huán)境的特性。由此可見，對(duì)甜菜堿在自然界中的多重生物學(xué)活性的挖掘，有利于更全面地認(rèn)識(shí)并應(yīng)用這一化學(xué)資源，充分釋放其資源價(jià)值。

4.4 從甜菜堿類物質(zhì)的生物合成角度開展研究，有助于構(gòu)建其生物工程生產(chǎn)體系

盡管在工業(yè)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以氯乙酸、氫氧化鈉和三甲胺為原料通過化學(xué)途徑合成無水甜菜堿，但是從副產(chǎn)物氯化鈉中提純甜菜堿技術(shù)難度較大，設(shè)備昂貴、能耗較高，且該反應(yīng)伴隨較高濃度的易揮發(fā)、有毒氣體三甲胺產(chǎn)生。由甜菜堿的自然資源分布及合成途徑可知，生活在海底沉積層中的嗜鹽厭氧光和細(xì)菌能夠利用簡(jiǎn)單的碳源，通過多步甲基化反應(yīng)合成甜菜堿，若能夠培育相關(guān)菌種，獲得催化該途徑的生物酶，利用基因工程技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)甜菜堿的微生物全合成，加之甜菜堿在日常生活中各行業(yè)的廣泛需求，利用微生物合成技術(shù)替代現(xiàn)有的工業(yè)合成，將是一件非常值得進(jìn)行深入研究的工作。