馬鈴薯活性成分的提取及其生理功能的研究進(jìn)展

于京華，孫雅慧，賀紅軍，岳喜典

（煙臺大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 煙臺 264005）

馬鈴薯又名土豆、地蛋、洋芋等，是茄科茄屬的一年生植物。我國馬鈴薯產(chǎn)量和種植面積居世界第一[1]，除普通黃色馬鈴薯外，還有紫色、紅色的馬鈴薯。2015年國家提出馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，但因生活習(xí)慣差距，馬鈴薯消費(fèi)量遠(yuǎn)不如發(fā)達(dá)國家。馬鈴薯營養(yǎng)豐富，其廢棄料中也含有多種活性物質(zhì)，在醫(yī)學(xué)預(yù)防和治療疾病方面起到了重要作用[2-3]，這也為馬鈴薯在健康食品新資源的進(jìn)一步研究和開發(fā)提供了依據(jù)。本文從馬鈴薯的活性成分提取及其生理活性角度進(jìn)行綜述，旨在為馬鈴薯的深度開發(fā)提供參考。

1 馬鈴薯活性成分的提取

1.1 馬鈴薯中多糖的提取

馬鈴薯中多糖主要包括構(gòu)成植物細(xì)胞壁的果膠和纖維素成分，還包含了大量的淀粉物質(zhì)，這些物質(zhì)影響著馬鈴薯的質(zhì)地[4]，是馬鈴薯中含量最多的成分。對馬鈴薯多糖提取的研究較多，大多集中在果膠和纖維素成分的提取。

1.1.1 馬鈴薯多糖的水提法

果膠作為馬鈴薯主要的多糖成分，其提取工藝的研究較多，傳統(tǒng)的提取方法是用熱水提取，但是熱水提取的時間較長，而且需要的提取液濃度較大，可能導(dǎo)致果膠與提取液發(fā)生反應(yīng)，所以現(xiàn)在很少采用。酸提取是果膠多糖的主要提取方法，果膠的產(chǎn)量隨酸性增強(qiáng)而升高，但是酸提取會導(dǎo)致果膠中性側(cè)鏈的水解。堿提取的果膠能很好地保留中性側(cè)鏈，且提取時間短，但堿會使果膠多糖的半乳糖醛酸側(cè)鏈和阿拉伯糖側(cè)鏈脫支化[5]。

1.1.2 馬鈴薯多糖的發(fā)酵與酶提取法

微生物發(fā)酵過程會產(chǎn)生不同的酶。劉嫻[6]利用響應(yīng)面分析法，探究發(fā)酵法提取果膠的可行性，用發(fā)酵法提取馬鈴薯渣的最佳條件為接種誘變酵母菌量10%、發(fā)酵時間36 h、發(fā)酵溫度35℃、發(fā)酵pH5.0，此時果膠得率最高。高雪麗等[7]用α-淀粉酶和堿液處理馬鈴薯渣，超聲輔助提取，以膳食纖維素得率為指標(biāo)，優(yōu)化后纖維素含量達(dá)到22.95%。Meyer等[8]利用曲霉對無淀粉的馬鈴薯漿進(jìn)行處理，通過曲霉產(chǎn)生的果膠酶對其進(jìn)行酶解，并對釋放的纖維分子的大小和單體組成進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯漿中高分子量果膠類膳食纖維多糖的提取。張建利等[9]考察了酸提法、堿提法以及復(fù)合酶提取法對馬鈴薯膳食纖維提取量的影響，并對不同提取方法得到的膳食纖維化學(xué)組成、持水力、陽離子交換能力等性能進(jìn)行測定，證明了不同提取方式對其影響較大。

1.1.3 馬鈴薯多糖的超聲、微波輔助提取法

超聲波具有空化效應(yīng)，不僅能夠破壞植物的細(xì)胞壁，使內(nèi)容物溶出，還可以減小提取物的顆粒度；微波是一種電磁波，能直達(dá)馬鈴薯細(xì)胞內(nèi)部，使內(nèi)部升溫，產(chǎn)生壓力，利于細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)擴(kuò)散出來。

張燕等[10]在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上確定了微波加熱時間、液料比、飽和硫酸鋁用量3個自變量，通過響應(yīng)面試驗(yàn)，建立微波輔助提取馬鈴薯渣中果膠提取率與影響因素之間的模型關(guān)系，并最終確立微波輔助提取果膠的最佳工藝條件：微波加熱時間1.5 min，液料比24∶1（mL/g），飽和硫酸鋁用量 405 μL，此條件下的果膠提取率可達(dá)到13.79%。Yang等[11]采用響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波-微波輔助鹽酸提取馬鈴薯渣中果膠的工藝，考察了提取溫度、酸堿度和時間對提取率的影響，確定了在溫度93℃、pH2.0、時間50 min的最佳條件下，產(chǎn)率為（22.86±1.29）%。

1.1.4 馬鈴薯多糖的其他提取法

在提取馬鈴薯膳食纖維中，Yang等[12]采用超微粉碎的預(yù)處理方式，提高了馬鈴薯皮渣總膳食纖維的提取量。

馬鈴薯多糖多為淀粉、纖維和果膠等成分，其中膳食纖維和果膠是研究者關(guān)注的重點(diǎn)，所以對這兩種成分提取方式的研究較多。水提法是最傳統(tǒng)的提取方式，在此基礎(chǔ)上添加微生物或酶的方式進(jìn)行提取，大大提高了提取效率和目標(biāo)產(chǎn)物的得率，超聲波、微波輔助提取是近幾年新興的提取方法，在多糖的提取中應(yīng)用較多。

1.2 馬鈴薯中黃酮的提取

馬鈴薯黃酮屬于多酚類化合物，在馬鈴薯皮部位含量比較多。傳統(tǒng)的提取方法主要是溶劑提取法，包括浸提、索氏提取和熱回流提取，但是提取時間較長，且溶劑耗費(fèi)量大，所以現(xiàn)在多采用超聲輔助和微波輔助提取的方法。這兩種方法具有效率高、污染小、節(jié)約溶劑等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于生物活性物質(zhì)的提取。

1.2.1 馬鈴薯黃酮的超聲與微波輔助提取法

張薇等[13]以乙醇作為溶劑進(jìn)行超聲輔助提取，優(yōu)化提取的溫度、pH值、料液濃度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對馬鈴薯皮中黃酮的有效提取和分離。王慧芳等[14]采用超聲輔助提取法提取黃酮，確定最佳提取工藝為超聲功率400 W、乙醇濃度80%、料液比 1∶25（g/mL）、超聲時間4 min，此時黃酮提取率可達(dá)2.92%。

江震宇等[15]采用微波輔助提取工藝對馬鈴薯皮中黃酮進(jìn)行提取并研究其抗氧化活性，以菜籽油為抗氧化介質(zhì)將馬鈴薯皮黃酮與維生素C的抗氧化性作對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)馬鈴薯皮黃酮質(zhì)量達(dá)到菜籽油質(zhì)量2%時，其抗氧化性與同一濃度維生素C相當(dāng)，當(dāng)馬鈴薯皮中黃酮的質(zhì)量超過菜籽油質(zhì)量4%時，其抗氧化效果比同一濃度的維生素C效果更好，馬鈴薯抗氧化中黃酮的提取對進(jìn)一步研制黃酮類天然抗氧化劑起到了促進(jìn)作用。

1.2.2 馬鈴薯中黃酮的其他提取方法

馬鈴薯中黃酮的提取方式較為傳統(tǒng)，在其他原料提取黃酮中還用到了超臨界萃取法，但是該法維護(hù)費(fèi)用較高、殘留量大，因此不建議使用[16]。此外，超高壓技術(shù)也是提取化合物的一種好方式，超高壓處理[17]能夠增加細(xì)胞壁、細(xì)胞膜等組織的通透性，在常溫下即可進(jìn)行，可避免高溫對化合物的損壞。王雪竹等[18]在試驗(yàn)中也證明了超高壓處理的金花葵總黃酮提取量高達(dá)145.32 mg/g，且超高壓提取的黃酮比超聲輔助提取的黃酮表現(xiàn)出更好的自由基清除能力，這些研究結(jié)果說明超高壓處理也可以用于馬鈴薯黃酮的提取。

馬鈴薯中黃酮類化合物的提取主要受淀粉影響，因此在黃酮提取過程中應(yīng)盡量除去多糖，所以一般選用醇沉的方法。

超高壓處理原料，黃酮得率高，提取時間短，不需要高溫處理，對黃酮破壞小，聯(lián)合微波或超聲波輔助處理會進(jìn)一步提高黃酮提取率，相對于傳統(tǒng)的溶劑提取法，這些提取方式的優(yōu)勢十分明顯，應(yīng)用也越來越廣泛。

1.3 馬鈴薯中生物堿的提取

生物堿是存在于生物體內(nèi)含有氮堿基的化合物，是一種類似堿的物質(zhì)，也稱贗堿。生物堿活性功能豐富，具有殺菌、消炎、抗癌等作用，從植物中提取的生物堿一直備受關(guān)注[19]。一般生物堿的提取多采用水提或酸水提取的方法。

薄麗麗等[20]對比了乙酸提取-氨水沉淀、超聲波輔助酸水提取-氨水沉淀、甲醇提取-氨水沉淀、雙溶劑法提取、多溶劑混合提取、酸醇提取-氨水沉淀及乙酸和亞硫酸鈉提取-氨水沉淀7種提取馬鈴薯糖苷生物堿的方式，通過單因素試驗(yàn)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)以超聲波輔助酸水提取-氨水沉淀法的提取效果最好，最佳提取條件為溫度30℃、超聲時間20 min、酸度25%。7種方法的對比也進(jìn)一步表明直接用超聲輔助酸水提取的時間更短，效果更好。

李志文等[21]研究馬鈴薯α-茄堿的最優(yōu)提取方式，確定最優(yōu)提取方式為采用體積比8∶2的乙醇-乙酸，在超聲功率152 W和溫度49℃下，提取61 min，回收率達(dá)到了98%以上，且相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD）較低，該方法雖然用時較長，但是提取率和精密度高，穩(wěn)定性好。

馬鈴薯中生物堿的提取方法較為復(fù)雜，可能是馬鈴薯中含有的生物堿含量少或是與其他物質(zhì)結(jié)合而影響分離。

1.4 馬鈴薯中蛋白質(zhì)的提取

馬鈴薯中蛋白質(zhì)含量僅次于淀粉，約為4.6%，蛋白質(zhì)中含有19種氨基酸[22]，其蛋白效價可與雞蛋、酪蛋白相媲美。馬鈴薯中的多糖蛋白混合物含量較高，對心血管起到保護(hù)作用[23]。馬鈴薯中蛋白質(zhì)的常用提取方法有超濾法[24]、堿溶酸沉法[25]、絮凝法[26]等。

張莉等[22]采用單因素試驗(yàn)結(jié)合響應(yīng)面法，分析變量因素，以粗蛋白含量作為考察指標(biāo)，確定馬鈴薯粗蛋白的最佳提取工藝為粒度80目、提取時間4 h、料液比1∶25（g/mL），此時得到馬鈴薯粗蛋白的含量為0.27 mg/g，與預(yù)測值0.28 mg/g接近，相對誤差為2.56%。金虹[27]對馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢液進(jìn)行蛋白提取，最佳提取工藝條件為NaCl濃度0.025 mmol/L、pH4.0、浸提時間1.0 h，溫度25℃，該條件下馬鈴薯蛋白質(zhì)的提取率最高為66.90%。

在蛋白質(zhì)提取過程中也可以采用一些酶進(jìn)行處理，如纖維素酶、果膠酶等，能夠減少多糖的干擾，提高提取蛋白的純度和得率。

1.5 馬鈴薯中萜類物質(zhì)的提取

馬鈴薯中萜類物質(zhì)經(jīng)常與甾醇生物堿以及黃酮等物質(zhì)共存，這些物質(zhì)也會影響到萜類物質(zhì)的提取分離，所以有效消除甾醇類生物堿以及黃酮的干擾是分離萜類物質(zhì)的一個關(guān)鍵。然而，對于馬鈴薯中萜類物質(zhì)的研究較少，Szafranek等[28]采用色譜柱進(jìn)行分離，分別用氣相色譜、質(zhì)譜、核磁共振波譜儀以及化學(xué)計量分析法進(jìn)行定性定量分析，從不同品種的馬鈴薯中分離得到了2個倍半萜醇以及17個倍半萜化合物，但并未對其活性進(jìn)行研究。

萜類物質(zhì)在抗炎、抑菌、抑癌方面有良好的效果[29-30]，馬鈴薯作為茄科茄屬植物，應(yīng)與其他茄科茄屬植物一樣含有萜類物質(zhì)，因此從馬鈴薯中分離純化萜類物質(zhì)也是馬鈴薯應(yīng)用的全新開發(fā)方向。

2 活性成分功能

2.1 馬鈴薯中生物堿的生物活性

馬鈴薯中的生物堿主要為糖苷生物堿（total glycoalkaloids，TGA），主要包括 α-茄堿和 α-查茄堿，占馬鈴薯中糖苷生物堿的90%以上，是馬鈴薯塊莖在發(fā)芽過程中產(chǎn)生的天然毒素，主要分布在馬鈴薯皮中。有研究表明，馬鈴薯糖苷生物堿具有抗病原微生物、抗腫瘤、降低血漿低密度脂蛋白膽固醇、抗瘧疾、抗炎、強(qiáng)心、消腫、止痛等功效[31]。李盛鈺[32]采用MTT法證明了α-茄堿和α-查茄堿對HCT-8腫瘤細(xì)胞增殖有很好的抑制作用，而且糖苷生物堿糖鏈的6-OH對其發(fā)揮抗腫瘤作用至關(guān)重要。Yang等[33]研究發(fā)現(xiàn)α-查茄堿可殺死人類結(jié)腸癌細(xì)胞（HT-29），其機(jī)理是通過抑制細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶，激活天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶來實(shí)現(xiàn)的。蘇韞等[34]針對腫瘤藥物治療時產(chǎn)生的靜脈炎，采用馬鈴薯糖苷生物堿進(jìn)行涂抹治療，結(jié)果顯示馬鈴薯糖苷生物堿具有良好的消炎作用。

此外，馬鈴薯中還含有多羥基莨菪烷類生物堿，包括打碗花精A3、打碗花精B1、打碗花精B2、打碗花精B3、打碗花精B4，其中打碗花精A3和打碗花精B2是糖苷酶選擇性抑制劑，能在腸道內(nèi)與酶的活性位點(diǎn)結(jié)合，用來控制糖尿病患者病情，也有助于預(yù)防由于攝入過多能量導(dǎo)致的肥胖及有關(guān)疾病[35]。

2.2 馬鈴薯中萜類物質(zhì)的生物活性

馬鈴薯中的萜類物質(zhì)尤其是倍半萜有良好的細(xì)胞毒活性，對于抗腫瘤細(xì)胞有良好的作用。宋高鵬等[36]基于萜類物質(zhì)可以抑制血凝素（hemagglutinin，HA）蛋白與宿主細(xì)胞表面的唾液酸受體識別結(jié)合的特點(diǎn)，對馬鈴薯中的三糖五環(huán)三萜類化合物進(jìn)行了體外抗H5N1流感病毒的活性評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)烏蘇烷型的五環(huán)三萜苷元的抗病毒活性最強(qiáng)。目前對于馬鈴薯中的萜類物質(zhì)并沒有一個系統(tǒng)的研究，未來也是馬鈴薯活性物質(zhì)研究的一個方向。

2.3 馬鈴薯中多糖的生物活性

多糖是由10個或10個以上單糖組成的聚合糖高分子化合物，廣泛存在于動植物體內(nèi)，具有抗氧化[37]、增強(qiáng)免疫力、調(diào)節(jié)腸道的作用[38]。研究表明，馬鈴薯果膠的1，1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基清除率、羥自由基清除率和超氧陰離子自由基清除率均高于市售果膠，鹽法提取的果膠比酶法和酸法提取果膠的羥基自由基和超氧陰離子自由基清除率要高[39]。新鮮馬鈴薯中含粗纖維含量達(dá)到0.6%～0.8%[2]，粗纖維能有效改善人體腸道功能，降低腸癌的發(fā)生幾率。

2.4 馬鈴薯中蛋白類物質(zhì)的生物活性

蛋白粉保健品具有抗疲勞、增強(qiáng)免疫力、補(bǔ)充人體氨基酸、促進(jìn)人體新陳代謝的作用。肥胖會引起代謝紊亂、肝臟細(xì)胞凋零，也會導(dǎo)致非酒精性脂肪肝。植物蛋白肽毒性較小、活性高，在抗血壓、降血脂方面都有良好的效果，也是治療非酒精性脂肪肝的替代療法[40]。Lai等[41]利用堿性蛋白酶水解馬鈴薯蛋白質(zhì)的水解產(chǎn)物二肽，對高脂肪飲食誘導(dǎo)的易損傷肝臟的小鼠模型給喂馬鈴薯蛋白分解產(chǎn)物，并結(jié)合游泳運(yùn)動對小鼠進(jìn)行復(fù)健，結(jié)果證明，馬鈴薯蛋白二肽產(chǎn)物和運(yùn)動結(jié)合對肝臟的恢復(fù)起到了更好的作用。馬鈴薯蛋白酶分解衍生物具有刺激脂肪分解的功能，Marthandam等[42]證實(shí)了馬鈴薯蛋白水解物的短肽和二肽通過改善細(xì)胞凋亡和肥大效應(yīng)，對汞誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞損傷具有保護(hù)作用。

2.5 馬鈴薯中多酚類物質(zhì)的生物活性

多酚類物質(zhì)是廣泛存在于植物中的次級代謝產(chǎn)物，其含量較高，具有抗氧化作用。多酚除抗氧化作用外，在抗癌、消炎、防衰老、防粥狀動脈硬化方面也有重要作用[43]。

王全逸[44]證實(shí)了馬鈴薯多酚具有抑制人體結(jié)腸癌Caco-2細(xì)胞和肝癌HepG2細(xì)胞體外增殖的作用，其中綠原酸和花青素在人體癌細(xì)胞增殖抑制過程中發(fā)揮了重要作用。黃酮化合物也是多酚類化合物的一種，主要包括槲皮苷、山奈酚、兒茶素、槲皮素、花色苷類等[45]。王亞云[46]提取紫色馬鈴薯花色苷，作用于高脂飲食聯(lián)合鏈脲佐菌素（streptozocin，STZ）誘導(dǎo)的2型糖尿病小鼠，驗(yàn)證了紫色馬鈴薯花色苷具有降血脂、降血糖的功效。槲皮苷作為黃酮類化合物中的一種主要物質(zhì)，它通過減少對耳蝸的外毛細(xì)胞的氧化應(yīng)激和自噬作用降低噪聲誘導(dǎo)對神經(jīng)性耳聾小鼠的傷害[47]，還能通過抑制Nrf2/HO-1通路和降低氧化應(yīng)激炎癥反應(yīng)提高H2O2處理的人肝細(xì)胞L-02的存活率，并抑制其凋亡[48]。

3 總結(jié)

馬鈴薯營養(yǎng)豐富，含有多種活性成分，是人類飲食中多種活性物質(zhì)的重要來源，如果能夠把馬鈴薯中的多種有效成分提取分離出來并加以利用，可以發(fā)揮更高的保健功能，對預(yù)防和治療癌癥、高血壓、糖尿病、肥胖等多種疾病都具有非常重要的作用。

目前對馬鈴薯中活性物質(zhì)的提取研究主要集中在多糖，蛋白質(zhì)和多酚類，因?yàn)檫@些物質(zhì)相對含量較高，提取方法也比較成熟，而對含量較低的萜類研究不足，提取分離比較困難，因其他茄屬植物中的萜類物質(zhì)具有良好的抗腫瘤活性[49-50]，所以在以后的馬鈴薯活性成分的研究中應(yīng)多傾向于萜類物質(zhì)的研究。

有關(guān)馬鈴薯的功能研究主要有抗氧化性、殺菌、消炎、防癌等，這些功能活性物質(zhì)主要是多糖、多酚、膳食纖維、蛋白質(zhì)等，對于物質(zhì)的衍生化有待進(jìn)一步研究開發(fā)。據(jù)近年來國內(nèi)外文獻(xiàn)報道，馬鈴薯作為一種推廣的新型主食，對于便秘、腸道不適的患者表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢；將馬鈴薯提取物開發(fā)為新食品添加劑也具有一定意義。

馬鈴薯對世界糧食安全的貢獻(xiàn)越來越大，在發(fā)展中國家發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在大米、小麥或玉米供應(yīng)量減少或價格波動較大的情況下，馬鈴薯可以補(bǔ)充或替代以谷物為基礎(chǔ)的飲食。馬鈴薯活性成分的研究依賴于更好的提取分離方法，未來科技的發(fā)展也會不斷優(yōu)化提取工藝，增進(jìn)馬鈴薯功能成分的研究和開發(fā)，研究成果將對馬鈴薯在保健食品行業(yè)的應(yīng)用提供更多參考。