藥食同源植物土茯苓不同年齡品質(zhì)研究

鄧麗麗，梁 惠，2，高 薇，3，胡真真，3，韋 霄，熊忠臣，史艷財*

（1.廣西壯族自治區(qū)中國科學(xué)院廣西植物研究所，廣西 桂林 541006；2.廣西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541006；3.桂林理工大學(xué) 旅游與風(fēng)景園林學(xué)院，廣西 桂林 541006）

土茯苓是百合科(Liliaceae)菝葜屬(Smilax)植物光葉菝葜(Smilax glabraRoxb.)的干燥根狀莖，可入藥，性味甘、淡、平，具有解毒除濕、強健脾胃、通利關(guān)節(jié)等功效，常用于治療濕熱淋濁、帶下、筋骨疼痛等癥［1-2］。現(xiàn)代藥理學(xué)研究表明，土茯苓具有保護肝免受損傷、抗糖尿病、保護心血管系統(tǒng)、抗炎、抑菌抗菌、抗動脈粥狀硬化、抗血栓等功效［3-4］，且對重金屬汞、砷和鉛具有解毒作用［5-7］。國外對土茯苓多作為藥物進行了研究［8］，日本、泰國等將土茯苓作為茶和糖的替代品用于防治壞血?。?］。在我國，土茯苓作為藥食兩用植物，既可以直接作為中藥以利用其藥用價值［10］，也可以通過藥膳發(fā)揮其保健作用，如龜苓膏、茯苓糕、土茯苓靚湯、土茯苓糖水和飲品等。因其根狀莖富含淀粉，也可用于釀酒和制作糕點［11-12］。根據(jù)《國家衛(wèi)生健康委員會關(guān)于進一步規(guī)范保健食品原料管理的通知》(國家衛(wèi)生健康委員會2002年第51號文件)做出的規(guī)定，土茯苓已加入保健食品原料中。與此同時，在民間存在土茯苓越粗壯，其藥效越好、越滋補的觀念，在此觀念的引導(dǎo)下，大量的大株土茯苓被采挖，土茯苓野生種群繁殖受到了嚴重影響。為闡明不同年齡土茯苓化學(xué)成分的差異，實現(xiàn)土茯苓資源的可持續(xù)開發(fā)利用，本研究擬對5種不同徑級(代表不同年齡)土茯苓樣品的品質(zhì)進行系統(tǒng)的比較分析。

1 材料與方法

1.1 供試材料和檢測方法

供試的土茯苓塊莖于2021年5月采集于廣西桂林市恭城縣，將樣品清洗干凈后，置于60 ℃的烘箱中烘干至恒重備用。將樣品分成5個不同的徑級：徑級1～5的直徑分別為10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 mm。

將分好徑級的土茯苓樣品送至廣西桂林銳德檢測認證技術(shù)有限公司，并測定其29種化學(xué)成分，各化學(xué)成分指標的具體檢測方法為：淀粉總量按GB 5009.9—2016標準檢測，可溶性糖按NY/T 1278—2007標準檢測，落新婦苷按GLCX-(SOP/YJE)090標準檢測，直鏈淀粉含量按GB/T 15683—2008標準檢測，脂肪按GB 5009.6—2016標準檢測，磷按GB 5009.87—2016標準檢測，氮按NY/T 2017—2011標準檢測，鉀、鈣、鎂、鐵、鋅、銅、錳按GB 5009.268—2016標準檢測，氨基酸按GB 5009.124—2016標準檢測。

1.2 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007軟件建立數(shù)據(jù)庫，采用SPSS 23.0軟件進行描述統(tǒng)計、方差分析、相關(guān)性分析及主成分分析等，數(shù)據(jù)用平均值±標準差表示。使用Origin 8.5軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 營養(yǎng)成分的比較分析

由表1可知，在5種徑級的土茯苓中，各營養(yǎng)成分的含量呈現(xiàn)波浪形變化，其中，直徑20～30 mm的土茯苓塊莖的直鏈淀粉、可溶性糖、脂肪和氮含量最高，而淀粉總量則以40～50 mm的土茯苓塊莖達到最高。變異系數(shù)以淀粉總量的最小，為3.43%；脂肪的變異系數(shù)最大，為43.54%。

表1 不同徑級土茯苓的營養(yǎng)成分的比較分析

對各營養(yǎng)成分的方差分析可知，5個徑級土茯苓塊莖之間的淀粉總量、可溶性糖含量的差異達到極顯著水平，脂肪、直鏈淀粉含量的差異達到顯著或極顯著水平。5個樣品的淀粉總量為61.6%～68.1%。徑級4的淀粉總量為68.1%，極顯著高于其他徑級樣品，其直鏈淀粉含量為0.20～0.49 g/100 g；徑級2的直鏈淀粉含量為0.49 g/100 g，極顯著高于其他徑級樣品；徑級1與徑級4的直鏈淀粉含量不存在顯著差異，但均極顯著低于徑級2、3、5樣品。徑級4的可溶性糖含量為11.94%，極顯著高于其他徑級樣品。各徑級的脂肪含量為0.20～0.60 g/100 g，其中徑級2的脂肪含量為0.60 g/100 g，極顯著高于其他徑級樣品，徑級1和徑級3的脂肪含量極顯著低于其他3個徑級樣品。

2.2 營養(yǎng)元素含量的比較分析

由表2可知，土茯苓塊莖中富含營養(yǎng)元素，其中鉀和鈣元素含量較高。各營養(yǎng)元素在不同徑級土茯苓樣品中的富集程度存在極顯著差異，在5種徑級的土茯苓中，鉀、鈣含量在直徑50～60 mm的塊莖中較高，鎂、鐵和鋅含量在30～40 mm的塊莖中最高，而銅和錳則在20～30 mm的塊莖中最高?？傮w來看，在5種徑級中，10～20 mm的塊莖中營養(yǎng)元素含量偏低。5種徑級土茯苓樣品之間的8種營養(yǎng)元素含量均存在極顯著差異。

表2 不同徑級土茯苓的營養(yǎng)元素含量的比較分析

比較各元素含量的變異系數(shù)發(fā)現(xiàn)，鋅和鐵含量在不同徑級土茯苓樣品之間的變異系數(shù)較大，變異系數(shù)分別為110.79%和110.06%；變異系數(shù)最小的是鉀含量，為13.56%，鉀含量在不同徑級之間的土茯苓樣品中相對穩(wěn)定。

2.3 氨基酸含量的比較分析

表3為土茯苓塊莖中測定出的氨基酸組成及各組成的含量。由表3可知，土茯苓含有14種氨基酸，其中必需氨基酸5種、半必需氨基酸2種、鮮味氨基酸4種、非必需氨基酸6種。在14種氨基酸中，各氨基酸在不同徑級塊莖中的含量不同，纈氨酸和賴氨酸在不同徑級之間的含量存在顯著差異，其他12種氨基酸含量在不同徑級之間存在極顯著的差異。土茯苓的氨基酸總量、必需氨基酸總量、半必需氨基酸總量、鮮味氨基酸總量、非必需氨基酸總量在不同徑級之間均存在極顯著差異，徑級5的氨基酸總量為2.330 g/100 g，極顯著高于其他4個徑級，徑級3的土茯苓塊莖氨基酸總量最低，但其必需氨基酸總量、鮮味氨基酸總量、非必需氨基酸總量均最高。徑級3的∑DAA/∑TAA和∑EAA/∑TAA均極顯著高于其他徑級，∑EAA/∑NEAA在各徑級之間存在顯著差異，支/芳比值在各徑級之間不存在顯著差異。

表3 不同徑級土茯苓的氨基酸組成及含量

2.4 活性成分的比較分析

土茯苓中主要活性成分為落新婦苷，對不同徑級土茯苓樣品的落新婦苷含量進行分析。由圖1可知，落新婦苷含量隨著徑級的增加而呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，20～30 mm塊莖中的落新婦苷含量最高，為0.32%。方差分析結(jié)果顯示，直徑20～30 mm與30～40 mm塊莖的落新婦苷含量不存在顯著差異，但均極顯著高于其他3個徑級樣品。

圖1 不同徑級土茯苓的落新婦苷含量比較

2.5 相關(guān)性分析

由表4可知，淀粉總量與磷含量呈極顯著正相關(guān)，與直鏈淀粉、脂肪、氮、鈣、銅、錳含量呈顯著或極顯著負相關(guān)；可溶性糖與直鏈淀粉、脂肪和鉀含量呈顯著或極顯著正相關(guān)；落新婦苷與直鏈淀粉、氮、鐵、鋅、銅和錳含量呈顯著或極顯著正相關(guān)；直鏈淀粉與氮、鎂、鐵、鋅、銅、錳含量呈現(xiàn)顯著或極顯著正相關(guān)，但與淀粉總量呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)；脂肪與鉀含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；磷與氮、鈣、銅、錳含量呈極顯著負相關(guān)；氮與鈣、鎂含量呈顯著正相關(guān)，與銅、錳含量呈極顯著正相關(guān)；鉀與鈣含量呈極顯著正相關(guān)；鎂與鐵、鋅含量呈極顯著正相關(guān)；鐵與鋅含量極顯著正相關(guān)；銅與錳含量呈極顯著正相關(guān)；氨基酸總量與落新婦苷、磷、鎂、鐵、鋅含量呈顯著或極顯著負相關(guān)，與鉀、鈣含量呈顯著或極顯著正相關(guān)。

表4 土茯苓15個營養(yǎng)成分間的相關(guān)系數(shù)

2.6 主成分分析

由表5可知，前4個主成分的特征值均大于1，分別為16.78、5.78、3.87、2.57，其中第1、2、3、4主成分的方差貢獻率分別為57.85%、19.94%、13.36%、8.85%，累積方差貢獻為100%，這4個主成分反映了原始變量的全部信息，因此，提取前4個主成分代替原29個營養(yǎng)成分評價土茯苓品質(zhì)能達到降維目的。

表5 主成分載荷矩陣

氮和各類氨基酸對第1主成分產(chǎn)生了較大的正向影響，可作為第1主成分代表；在第2主成分中，鎂產(chǎn)生了較大的正向影響，可作為第2主成分代表；第3主成分代表是落新婦苷和銅；可溶性糖對第4主成分產(chǎn)生了較大的正向影響，可作為第4主成分代表。由于4個主成分的累積貢獻量已達到100%，因此可選擇各氨基酸含量、氮、鐵、銅、落新婦苷、可溶性糖作為評價土茯苓塊莖品質(zhì)的重要指標。

2.7 綜合評價

為消除29種營養(yǎng)成分不同量綱和數(shù)量級對分析結(jié)果的影響，可對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，使用標準化處理后的數(shù)據(jù)見表6。使用各指標的主成分載荷除以主成分對應(yīng)的特征值開平方，得到4個主成分中每個指標所對應(yīng)的系數(shù)(即特征量)，將特征量作為權(quán)重可構(gòu)建4個主成分的函數(shù)表達式：

表6 各營養(yǎng)成分的數(shù)據(jù)標準化值

式(1)～式(4)中，A、B、C、D分別為4個主成分中每個指標的系數(shù)，X1～X29分別為29個營養(yǎng)成分的標準化值。

按照F=∑ri×Zi計算土茯苓綜合得分，即以各主成分對應(yīng)的方差貢獻率為權(quán)重，由主成分得分和對應(yīng)的權(quán)重線性加權(quán)求和得到綜合得分，其綜合得分函數(shù)為：

根據(jù)式(5)的函數(shù)計算結(jié)果可知(表7)，5種徑級土茯苓樣品的綜合得分順序依次為：徑級3＞徑級2＞徑級5＞徑級1＞徑級4，其品質(zhì)隨著徑級的增大而呈現(xiàn)出波浪形，質(zhì)量最佳的徑級為徑級3。

表7 土茯苓樣品的主成分因子綜合得分及排序

2.8 聚類分析

根據(jù)29種營養(yǎng)成分對5個徑級的土茯苓樣品進行聚類分析，結(jié)果如圖2所示，在歐氏距離為1000時，可將5個徑級的土茯苓樣品分為3類，直徑30～40 mm的土茯苓樣品歸為一類，20～30 mm和50～60 mm的土茯苓樣品歸為一類，10～20 mm和40～50 mm的土茯苓樣品歸為一類，此結(jié)果與主成分分析中的綜合排序結(jié)果一致，且在營養(yǎng)成分含量的分析中，直徑30～40 mm塊莖的絕大多數(shù)營養(yǎng)成分均表現(xiàn)為優(yōu)異，直徑20～30 mm和50～60 mm塊莖的大多數(shù)營養(yǎng)成分含量較接近，而直徑10～20 mm和40～50 mm塊莖的大部分指標含量較其他3個徑級樣品稍低?？梢姡淋蜍郀I養(yǎng)成分分析、主成分分析與聚類分析結(jié)果趨勢表現(xiàn)一致，多種分析相結(jié)合，可信度較高。

圖2 不同徑級土茯苓的聚類分析圖

3 小結(jié)與討論

土茯苓是百合科一種藥食兩用植物，不僅作為中藥發(fā)揮其藥用價值，也可作為食材發(fā)揮其食療保健作用。本研究首次對不同徑級的土茯苓營養(yǎng)和活性成分進行分析，為土茯苓的合理開發(fā)與利用提供了科學(xué)依據(jù)。

土茯苓富含淀粉、糖類等營養(yǎng)物質(zhì)，民間常有提取土茯苓粉制作果凍食用的習(xí)慣。5個徑級土茯苓的淀粉總量為61.6%～68.1%，可溶性糖含量為6.51%～11.94%，直鏈淀粉含量為0.20～0.49 g/100 g，脂肪最高含量為0.6 g/100 g。綜合來看，土茯苓的淀粉含量較高，與常見作物大米(62%～86%)、麥子(57%～75%)、玉米(65%～72%)的含量相近，與其他藥食兩用植物相比，淀粉含量高于三七(32.88%)［13］、百合(10.43%～15.97%)［14］、甘薯(22.66%)［15］等，低于山藥(77.3%～81.0%)［16］，故土茯苓在淀粉物質(zhì)利用方面具有很大的開發(fā)利用前景。與此同時，淀粉含量隨著徑級的增大而呈現(xiàn)先降低再升高，隨之又下降的趨勢，直徑40～50 mm的淀粉含量最高，該等級的土茯苓是制作土茯苓粉的最佳原料。

土茯苓的主要活性成分為落新婦苷，它具有抗炎、選擇性免疫抑制、抗抑郁、抗氧化等活性，2020年版的《中國藥典》中土茯苓以落新婦苷作為質(zhì)量控制指標［1］。國內(nèi)不同產(chǎn)地土茯苓的落新婦苷含量在0.1%～0.6%之間，越南產(chǎn)的土茯苓的落新婦苷含量在1.04%～5.50%之間［17］。本研究測定的樣品為國內(nèi)的白色斷面土茯苓，落新婦苷含量與前人的研究結(jié)果相似，在0.01%～0.32%之間，變異系數(shù)為64.22%，具有較強的變異度。落新婦苷含量隨著徑級的增大而呈現(xiàn)單峰走勢，說明落新婦苷含量并不是隨著徑級的增大而升高的。因此，在土茯苓的生產(chǎn)中應(yīng)及時采收，以保證較高的落新婦苷含量。與此同時，落新婦苷含量與鐵、鋅、銅和錳等微量元素含量呈顯著或極顯著正相關(guān)，為提高土茯苓的品質(zhì)，在土茯苓的人工栽培過程中可適量施加富含微量元素的肥料。

礦質(zhì)元素是維持機體生理功能正常運行的必要營養(yǎng)元素，土茯苓各礦質(zhì)元素在不同徑級中的含量存在一定的差異。10～20 mm塊莖中營養(yǎng)元素含量偏低，可能是由于植物中的礦質(zhì)元素需要從土壤中獲取，或許徑級較小的土茯苓吸收礦質(zhì)元素的時間較短，所以徑級較小的塊莖中積累的礦質(zhì)元素含量要低于徑級較大的塊莖。鐵和鋅含量的變異系數(shù)分別高達110.06%和110.79%，說明了這2個礦質(zhì)元素在各徑級中的含量不穩(wěn)定。鉀是人體生長必需的營養(yǎng)元素之一，對保持健全的神經(jīng)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)心臟節(jié)律有重要作用，能夠維持細胞的新陳代謝，調(diào)節(jié)滲透壓與酸堿平衡，保持神經(jīng)肌肉的應(yīng)激性和心肌的正常功能，本研究結(jié)果表明，鉀含量為3924～5455 mg/kg，變異系數(shù)較小，為13.56%，含量高且較為穩(wěn)定，可作為補鉀的藥膳植物。與常見的淀粉性藥食兩用作物馬鈴薯相比［18］，土茯苓中鈣、鎂、鉀、鐵、鋅、銅、錳的最高含量分別是馬鈴薯中最高含量的15.5、2.8、7.8、109.4、46.3、2.5、42.1倍，土茯苓中各礦質(zhì)元素含量較高，在開發(fā)與利用上具有廣闊前景。

土茯苓含有14種氨基酸，其中必需氨基酸5種，半必需氨基酸2種，鮮味氨基酸4種，非必需氨基酸6種，供試土茯苓的支/芳比值為3.693～4.500。肝臟受到損傷或者功能衰退時提供高支、低芳的氨基酸則可有效保護肝臟，本研究中土茯苓的支/芳比值稍高于人體內(nèi)的支/芳比值(3.0～3.5)，說明高支/芳比值的土茯苓具有很好的護肝作用。

土茯苓塊莖的各營養(yǎng)成分間存在復(fù)雜的相關(guān)性關(guān)系，通過部分營養(yǎng)含量可預(yù)測與之相關(guān)的營養(yǎng)含量趨勢，再使用主成分分析法將多個具有相關(guān)關(guān)系的指標轉(zhuǎn)化為幾個能反映原來多個性狀指標重要信息的新綜合指標，簡化數(shù)據(jù)，準確綜合評價土茯苓性狀的表現(xiàn)［19-20］。本研究將29個營養(yǎng)指標降維成4個主成分，分別反映了57.85%、19.94%、13.36%、8.85%的信息，其中，可溶性糖、落新婦苷、氮、鐵、銅以及各類氨基酸對土茯苓品質(zhì)產(chǎn)生了較大的影響。根據(jù)主成分分析所計算的綜合得分對土茯苓品質(zhì)進行評價，結(jié)果顯示：徑級3(30～40 mm)的營養(yǎng)品質(zhì)最高，說明在土茯苓的生產(chǎn)中，并非徑級越大越好，而是在徑級達到30～40 mm時的品質(zhì)最高。同時，聚類分析結(jié)果將直徑30～40 mm的土茯苓塊莖單獨歸為一類，2種分析方法的結(jié)果相互佐證，可信度高。

綜上所述，作為一種營養(yǎng)成分豐富的藥食兩用植物，不同徑級土茯苓中化學(xué)成分含量存在差異，從單一的活性成分含量及多指標綜合來看，直徑30～40 mm的土茯苓塊莖的品質(zhì)最佳，此時應(yīng)及時采收。該研究也表明土茯苓的品質(zhì)并非如民間所認為的塊莖越大越好，適時采收既可節(jié)約生產(chǎn)成本，又能收獲高品質(zhì)的土茯苓。