大豆皂苷結(jié)構(gòu)及生理活性研究進展

朱力杰, 潘月影, 李英燕, 周英杰, 白昕雯,劉秀英, 劉 賀

(1.渤海大學 食品科學與工程學院/生鮮農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工及安全控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,遼寧 錦州 121013;2.武漢輕工大學 食品科學與工程學院, 湖北 武漢 430023)

我國是大豆生產(chǎn)大國,目前大豆總產(chǎn)量居世界第4。大豆富含蛋白質(zhì)、油脂等人體必需的營養(yǎng)物質(zhì),可以生產(chǎn)豐富多樣的加工產(chǎn)品,如豆腐、腐竹、豆豉、醬油、豆粉、豆奶等。近年來,大豆中皂苷類化合物豐富多樣的結(jié)構(gòu)與活性越來越受到研究者的關(guān)注[1]。已有研究表明,不同品種大豆的皂苷組成和含量均不同[2]。對比中國、日本和美國等主要種植區(qū)大豆中皂苷的含量后發(fā)現(xiàn),中國產(chǎn)大豆中皂苷含量最高[3],大豆中皂苷的含量為0.17%～6.16%[4]。

大豆皂苷屬于兩親性齊墩果烷型三萜糖苷,其極性糖鏈與非極性五環(huán)共軛[5],是大豆及其制品中的一類富含生物活性的小分子組分[6]。大豆皂苷具有廣泛且有益的生物活性,包括抗腫瘤[7]、抗氧化[8]、抗菌[9]、降血糖[10]、降膽固醇[11]、保肝[12]、免疫調(diào)節(jié)[13]等。雖然已有關(guān)于大豆皂苷結(jié)構(gòu)及生理活性的綜述文章,但大多發(fā)表時間較早,且生理活性研究多為大豆粗皂苷,對結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系沒有深入分析與總結(jié)。本研究通過對大豆皂苷研究現(xiàn)狀進行分析,重點介紹大豆皂苷化學結(jié)構(gòu)和生理活性及兩者間的關(guān)系,總結(jié)大豆皂苷基于生理活性的應(yīng)用,剖析大豆皂苷在未來應(yīng)用中存在的問題,以期為大豆皂苷進一步研究和開發(fā)利用提供參考。

1 大豆皂苷的結(jié)構(gòu)

1.1 大豆皂苷的分類與結(jié)構(gòu)

大豆皂苷一般由五環(huán)三萜類同系物的羥基和糖分子環(huán)狀半縮醛羥基失水縮合而成,因其水溶液能形成像肥皂一樣的持久性泡沫,故而得名。大豆皂苷具有1個或2個糖鏈[14],常見的有β-D-葡萄糖(β-D-Glc)、β-D-半乳糖(β-D-Gal)、α-L-鼠李糖(α-L-Rha)、β-D-木糖(β-D-Xyl)、α-L-阿拉伯糖(α-L-Ara)、β-D-葡萄糖醛酸(β-D-GlcUA)等,有時糖鏈還會伴有酰基化的情況[15]。目前已知大豆皂苷的種類超過百種[2],根據(jù)其苷元不同,可以分為7種類型,即A、B、E、DDMP、H、I和J型,這7種類型的大豆皂苷按照C-3、C-22及C-29連接官能團的不同,可以歸納為A、B和Sg-6三大類(表1[16])。

表1 大豆皂苷的化學結(jié)構(gòu)

1.1.1A類大豆皂苷的結(jié)構(gòu)

大豆皂苷在C-3、C-22及C-29連接官能團的差異見表2[16-17]。A類大豆皂苷以大豆皂醇A(3β,21β,22β,24-四羥基-齊墩果烷-12-烯)為母核結(jié)構(gòu),有兩條糖鏈,分別連接在苷元的C-3和 C-22 上。不同A類大豆皂苷的區(qū)別在于R1、R2兩個取代基的不同。A類大豆皂苷C-22上連接的第一個糖基(R1)都是α-L-Ara,大多數(shù)A類大豆皂苷會連接第二個糖基,此糖基為酰基化糖基,acetylXyl-或acetylGlc-[18]。

表2 大豆皂苷C-3、C-22、C-29結(jié)構(gòu)差異

1.1.2B類大豆皂苷的結(jié)構(gòu)

B類大豆皂苷以大豆皂醇B(3β,22β,24-三羥基-齊墩果烷-12-烯)為母核結(jié)構(gòu),具有與C-3連接的單糖鏈。根據(jù)C-22上官能團的不同主要分為B型、E型和DDMP型,其C-22上分別結(jié)合羥基、羰基和DDMP環(huán)(2,3-二氫-2,5-二羥基-6-甲基-4-氫-吡喃-4-酮)。

1.1.3Sg-6類大豆皂苷的結(jié)構(gòu)

Sg-6類大豆皂苷主要有H、I、J三種類型,由日本學者Krishnamurthy團隊首次從野生大豆中分離得到,這些皂苷由一個顯性等位基因共同遺傳,并且與Sg-6基因表達有關(guān)[19]。Sg-6類大豆皂苷的特點是C-22位是羰基,并且C-29位雙甲基中的一個可以被羥甲基(—CH2OH)、甲酸(—COOH)、亞甲基丙二酸(—CH2OOCCH2COOH)取代形成H、I、J型大豆皂苷[20]。并非所有的野生大豆都含有Sg-6類皂苷,含有Sg-6類皂苷的野生大豆可用于大豆育種計劃以及大豆皂苷生物合成研究[16]。

1.2 大豆皂苷的結(jié)構(gòu)與生物合成

1.2.1大豆皂苷的生物合成途徑

大豆等豆科植物在異戊二烯代謝途徑中會通過生物合成產(chǎn)生大豆皂苷(圖1)[21-22]。在大豆皂苷的生物合成過程中,首先通過細胞質(zhì)中的甲羥戊酸代謝途徑,將乙酰輔酶A轉(zhuǎn)化為大豆皂苷的底物異戊烯二磷酸。該途徑是合成大豆皂苷前體底物的主要途徑,3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶是該途徑的第一個限速酶[23],在大豆皂苷生物合成中起重要作用。之后,異戊烯二磷酸和二甲基烯丙基焦磷酸相互轉(zhuǎn)化,經(jīng)過一系列酶的催化,最終轉(zhuǎn)變?yōu)?,3-氧化鯊烯[24]。2,3-氧化鯊烯會在氧化鯊烯環(huán)化酶的催化下環(huán)化生成不同的三萜類化合物骨架。目前,已在大豆中發(fā)現(xiàn)參與大豆皂苷合成的氧化鯊烯環(huán)化酶基因。在氧化鯊烯環(huán)化酶和β-香樹脂醇合成酶的共同催化下,2,3-氧化鯊烯環(huán)化生成五環(huán)三萜骨架β-香樹脂醇。β-香樹脂醇是通過椅式-椅式-椅式構(gòu)象衍生出來的,其經(jīng)過羥基化、糖基化等修飾后可形成種類多樣的大豆皂苷[25]。

圖1 大豆皂苷生物合成途徑Fig.1 Biosynthetic pathways of soyasaponins

1.2.2細胞色素與糖基轉(zhuǎn)移酶在大豆皂苷合成中發(fā)揮的作用

在大豆皂苷的生物合成過程中,細胞色素(CYP93E1、CYP72A61、CYP72A69)和以尿苷二磷酸(uridine diphosphate glycoside,UDP)為糖基供體的糖基轉(zhuǎn)移酶(UGT73P2、UGT73K1、UGT73F2、UGT73F4、UGT91H4)介導不同的反應(yīng),產(chǎn)生不同的分支途徑和中間體[26]。具體表現(xiàn)在:

1)細胞色素主要介導羧基化反應(yīng),在大豆皂苷生物合成中產(chǎn)生不同的中間體。例如,大豆中CYP93E1屬于C24-羥化酶[27],其與CYP72A61可將β-香樹脂醇轉(zhuǎn)化為大豆皂醇B,大豆皂醇B可被CYP72A69羥基化修飾形成大豆皂醇A[22]。

2)UDP糖基轉(zhuǎn)移酶主要介導糖基化反應(yīng),能夠在大豆皂苷生物合成過程中添加不同的糖基。大豆皂苷的糖基化反應(yīng)主要發(fā)生在苷元的C-3、C-22和C-23位。例如,UGT73K1可催化大豆皂苷C-3、C-22和C-23位的葡萄糖糖基化[28];UGT73F4和UGT73F2可依次轉(zhuǎn)移UDP-木糖基和UDP-葡萄糖基到大豆皂苷A0-αg C-22位的阿拉伯糖基上,生成22-O-木糖-葡萄糖-大豆皂苷A[29];UGT73P2可轉(zhuǎn)移UDP-半乳糖基到大豆皂醇B單葡糖醛酸苷上形成大豆皂醇Ⅲ,UGT91H4可轉(zhuǎn)移UDP-鼠李糖基到大豆皂醇Ⅲ的C3-3位生成大豆皂醇Ⅰ[30]。

細胞色素和UDP糖基轉(zhuǎn)移酶在大豆皂苷生物合成中的協(xié)同作用共同構(gòu)成了生物合成的復雜網(wǎng)絡(luò),它們介導的化學反應(yīng)不僅能增加大豆皂苷的多樣性,也能改變大豆皂苷的極性和穩(wěn)定性,從而影響其生理活性。

1.3 加工方式對大豆皂苷結(jié)構(gòu)的影響

大豆皂苷的生理活性取決于其化學結(jié)構(gòu),而化學結(jié)構(gòu)可以通過食品加工改變或修飾。不同加工方式可使乙?；疉型大豆皂苷發(fā)生不同程度的降解,其降解程度可用全乙?；c去乙酰化(包括部分去乙?；屯耆ヒ阴；?A型大豆皂苷的比值來表示。研究發(fā)現(xiàn),生大豆食品、熱加工大豆食品和發(fā)酵大豆食品中全乙酰化與去乙?；疉型大豆皂苷的比值分別為10.61、2.28和0.34[31],其中發(fā)酵大豆食品顯示出最高的去乙?；鵄型大豆皂苷比例,這可能是由于發(fā)酵過程中熱處理和酶反應(yīng)等產(chǎn)生的影響。對于熱加工大豆食品中,煮沸的幼大豆和未改性的豆?jié){中全乙?；疉型大豆皂苷含量較高,但改性豆?jié){中的全乙酰化A型大豆皂苷含量非常低,去乙?；疉型大豆皂苷含量較高,這與改性過程中酸化和均質(zhì)處理導致水解反應(yīng)的發(fā)生有關(guān)[31]。因此,從全乙酰化A型大豆皂苷到去乙?；疉型大豆皂苷的脫乙酰作用可能在發(fā)酵過程中通過水解激活。

B型和E型大豆皂苷是DDMP型的衍生物,DDMP型不穩(wěn)定,容易脫去DDMP基團降解為B型和E型大豆皂苷[32]。降解條件決定了產(chǎn)物類型,如蒸煮和烹飪等熱降解過程將DDMP型降解為B型,而酶降解則表達為B型或E型。DDMP型大豆皂苷主要在生豆食品中檢出,加工大豆食品中DDMP型大豆皂苷含量均低于生豆食品,說明前者中的皂苷多發(fā)生了降解。B型大豆皂苷是加工大豆食品中的主要皂苷成分,尤其是發(fā)酵大豆食品。生大豆食品、熱加工大豆食品和發(fā)酵大豆食品中B型與DDMP型大豆皂苷的比值分別為0.1、0.7和1.0[31]。熱加工和發(fā)酵等加工方式可使DDMP型大豆皂苷降解為B型和E型大豆皂苷,主要為B型。因此,熱處理、發(fā)酵和酶反應(yīng)等加工方式可以將完全乙?；腁型大豆皂苷降解為去乙?；腁型大豆皂苷,并將DDMP型大豆皂苷降解為B型和E型大豆皂苷。

2 大豆皂苷生理活性及構(gòu)效關(guān)系

2.1 抗腫瘤作用與機制

作為一種具有兩親性結(jié)構(gòu)的次級代謝產(chǎn)物[33],大豆皂苷在與癌癥發(fā)展相關(guān)的各種過程中具有多方面作用,它可以抑制腫瘤細胞的增殖和誘導細胞凋亡,降低其侵襲活性,它還可以通過調(diào)節(jié)與氧化應(yīng)激和炎癥相關(guān)的細胞內(nèi)信號通路來影響癌細胞[34]。

大豆皂苷抗腫瘤作用機理主要為對腫瘤細胞的直接毒作用和生長抑制作用。尹學哲等[35]分別研究了單糖鏈大豆皂苷和雙糖鏈大豆皂苷對結(jié)腸癌HT-29細胞增殖的影響,發(fā)現(xiàn)兩者均可抑制癌細胞的增殖,誘導癌細胞的凋亡,但極性較差的單糖鏈大豆皂苷誘導癌細胞凋亡作用更強,故大豆皂苷的抗腫瘤活性與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。Gurfinkel等[36]通過研究8種不同結(jié)構(gòu)的大豆皂苷和苷元對結(jié)腸癌 HT-29 細胞的影響,發(fā)現(xiàn)疏水性大豆皂苷苷元(即皂苷脫去糖鏈后余下的部分)A和B及苷元B連接1個GlcUA后形成的糖苷都能抑制癌細胞的生長,而親水性糖鏈對癌細胞的生長沒有影響,故大豆皂苷疏水性苷元在抗腫瘤活性中發(fā)揮重要作用,大豆皂苷抗腫瘤活性隨著親脂性的增加而增加。

大豆皂苷抑制腫瘤細胞生長和促進腫瘤細胞凋亡的機制與PI3K/PTEN/Akt和NF-κB信號通路有關(guān)(圖2)。大豆皂苷Bb可通過降低人食管癌Eca-9706細胞中的c-met和VEGF惡性標志的過高表達,并通過抑制HDAC1和NF-κB,激活抑癌基因PTEN和Caspase3信號傳導途徑來誘導食管癌細胞凋亡[37]。也有研究表明[38],大豆皂苷Bb可以通過上調(diào)抑癌基因PTEN的表達和下調(diào)細胞周期蛋白D1的表達,阻抑PI3K/Akt的促細胞增殖信號途徑,從而抑制細胞的增殖。此外,大豆皂苷抑制結(jié)腸癌細胞的生長作用與其激活Caspase9,裂解的Caspase9進一步處理Caspase3和Caspase7,啟動caspase級聯(lián)反應(yīng),誘導細胞凋亡的作用有關(guān)[39]。因此,大豆皂苷可通過抑制PI3K/PTEN/Akt和NF-κB等促細胞增殖信號途徑、啟動誘導腫瘤細胞凋亡的Caspase級聯(lián)反應(yīng)發(fā)揮抗腫瘤活性。

圖2 大豆皂苷抗腫瘤機制Fig.2 Anti-tumor mechanism of soyasaponins

2.2 抗炎作用與機制

近年來,大量的體外細胞實驗或動物研究證實了大豆皂苷在巨噬細胞介導的炎癥反應(yīng)中具有抗炎活性[40-41]。大豆皂苷可抑制脂多糖(LPS)刺激的巨噬細胞中炎癥細胞因子(TNF-α和IL-1β)、炎癥介質(zhì)(NO、PGE2和MCP-1)、炎癥酶(COX-2和iNOS)的分泌,也可抑制核轉(zhuǎn)錄因子NF-κB的抑制劑IκB-α的降解。IκB-α的磷酸化和降解使NF-κB易位至細胞核,與特定的啟動子序列結(jié)合,誘導炎癥基因的表達[42-43],因此,大豆皂苷可通過抑制NF-κB的活性發(fā)揮抗炎作用。研究表明[44],大豆皂苷A1、A2和I可以通過減弱NF-κB介導的iNOS表達來抑制LPS刺激的巨噬細胞中NO的產(chǎn)生,從而表現(xiàn)出抗炎特性,而不含糖鏈的皂苷苷元A和B沒有此活性。

大豆皂苷A1、A2、Ⅰ和Ⅱ已被證實有抗炎活性[45]。Lee等[42]證明,大豆皂苷Ⅰ可顯著抑制3,4,5-三硝基苯磺酸(TNBS)誘導的小鼠結(jié)腸炎癥標志物、促炎癥細胞因子的分泌和NF-κB的活化,發(fā)揮抗炎作用。Wang等[46]發(fā)現(xiàn),大豆皂苷Ⅱ可以通過減少巨噬細胞中YB-1磷酸化和核轉(zhuǎn)位,抑制Nlrp3炎癥小體啟動,發(fā)揮抗炎作用,預(yù)防脂多糖/D-半乳糖胺(LPS/GalN)刺激的小鼠急性肝衰竭。

在與炎癥相關(guān)的諸多受體中,TLR4是巨噬細胞上的一種受體,能夠通過IL-1受體相關(guān)激酶(IRAKs)與NF-κB通路相連,并識別LPS等與病原體相關(guān)的分子。大豆皂苷A1、A2和I可以通過下調(diào)MyD88的表達,抑制TLR4和MyD88進入脂筏,減輕炎癥[47]。研究發(fā)現(xiàn),大豆皂苷可能通過3種機制調(diào)控TLR4信號傳導:1)抑制TLR4與其配體(如LPS)的結(jié)合[41,48];2)抑制分子(TLR4、MyD88和TRIF)進入脂筏[49];3)降低信號分子的表達[41](圖3)。

紅色T形虛線表示大豆皂苷調(diào)節(jié)TLR4信號的可能靶點。CD14: 分化簇14; COX-2: 環(huán)氧酶2; IL-1β: 白細胞介素1; IL-6: 白細胞介素6; IRAK1&4: 白細胞介素-1受體相關(guān)激酶1&4; IκBα: 核因子κB抑制因子α; MD-2: 髓樣分化蛋白2; MES: 2-嗎啉乙磺酸; MyD88: 骨髓分化因子88; PGE2: 前列腺素E2; TIRAP: 白細胞介素1受體銜接蛋白抗體; TLR4: 類酊樣受體4; TRAF6: TNF受體相關(guān)因子6; TRAM: 易位相關(guān)膜蛋白; TRIF: β干擾素TIR結(jié)構(gòu)域銜接蛋白; Ubc13: 泛素偶聯(lián)酶13; Uev1A: 泛素偶聯(lián)酶E2變體1異構(gòu)體A。

此外,細胞間黏附分子-1(ICAM-1)作為黏附分子免疫球蛋白超家族的成員,可能導致急性和慢性炎癥性疾病。大豆皂苷苷元B可以強抑制TNF-α誘導的THP-1(人單核細胞白血病)細胞ICAM-1的表達,而大豆皂苷苷元A輕度激活I(lǐng)CAM-1的表達,表明C-21上的羥基影響對ICAM-1的抑制作用。與大豆皂苷苷元A相比,大豆皂苷A3對ICAM-1有輕微的抑制活性,這可能與C-3上的糖基有關(guān)[50]。

總的來說,大豆皂苷的親水性糖鏈結(jié)構(gòu)在抗炎活性中能夠發(fā)揮重要作用,其抗炎活性與多種信號分子相關(guān)。

2.3 抗氧化、抗自由基作用與機制

活性氧(ROS)的過度存在會破壞細胞防御,導致氧化應(yīng)激,進而誘發(fā)衰老、癌癥及心臟病等各種疾病。磷脂是構(gòu)成生物膜的重要成分,富含不飽和脂肪酸,這些不飽和脂肪酸在一系列ROS作用下會酸敗變性,即生成過氧化脂質(zhì)(LPO)。大豆皂苷的抗氧化機理是抑制LPO的生成和促進LPO的分解,抗氧化能力與其所含糖基緊密相關(guān),雙糖鏈大豆皂苷的抗氧化能力優(yōu)于單糖鏈大豆皂苷[51]。

大豆皂苷可以清除ROS和DPPH自由基,抑制LPO的生成。Zhu等[52]通過研究4種大豆皂苷(Aa、Ab、Ba和Bb)在HepG2細胞中的體外抗氧化活性、細胞毒性及對過氧化氫的保護作用,發(fā)現(xiàn)大豆皂苷可緩解H2O2導致HepG2細胞產(chǎn)生的氧化應(yīng)激,且B型大豆皂苷對ROS的去除效果更好;進一步研究表明,A型大豆皂苷具有較好的細胞抗氧化活性和抗氧化酶活性,這歸因于化學結(jié)構(gòu)的差異。A型和B型大豆皂苷在三萜骨架中的C-3位置均含有糖鏈,而A型皂苷具有額外的乙酰糖鏈,在C-22上具有更多活性基團;另外,兩組大豆皂苷羥基和羰基的數(shù)量差異也可能是造成其抗氧化性能不同的原因。大豆皂苷的抗氧化能力不僅與清除自由基有關(guān),也與其激活抗氧化酶的活性緊密相關(guān)。Zhu等[53]研究表明,大豆皂苷Bb可以保護大鼠肝細胞免受酒精誘導的氧化應(yīng)激,其抗氧化能力不僅僅是通過去除ROS來實現(xiàn)的,還與其激活血紅素加氧酶-1(HO-1)的表達密切相關(guān)。并且,Liu等[54]表明,大豆皂苷Ab不僅可濃度依賴性地清除DPPH自由基,表現(xiàn)出良好的脂質(zhì)過氧化抑制作用,還可通過激活ERK1/2信號通路,使Nrf2從細胞質(zhì)轉(zhuǎn)運到細胞核,促進與Nrf2相關(guān)的抗氧化酶HO-1和NQO1的表達,保護HepG2細胞免受氧化應(yīng)激。此外,大豆皂苷還可通過分解LPO發(fā)揮抗氧化作用,Ishii等[55]發(fā)現(xiàn),大豆皂苷可提高甲狀腺素水平,促進LPO的分解,從而減少組織中LPO,減輕脂質(zhì)過氧化程度。目前,有關(guān)A型和B型大豆皂苷抗氧化、抗自由基的研究較多,缺乏對DDMP型皂苷的研究,但DDMP型皂苷DDMP基團獨特的反應(yīng)性結(jié)構(gòu)賦予其消除ROS的能力。DDMP皂苷具有脫氫作用,與氫供體共存時,消除ROS的能力更強,顯示出協(xié)同抗氧化作用。用分子軌道法分析DDMP大豆皂苷的電子存在概率,發(fā)現(xiàn)DDMP基團的C-6部位參與了ROS的消除反應(yīng),是該反應(yīng)的活性部位[56]。因此,A型、B型和DDMP型大豆皂苷均具有抗氧化、抗自由基活性,各型間活性的差異主要歸因于化學結(jié)構(gòu)的不同,如羥基和羰基的數(shù)量。A型大豆皂苷的雙糖鏈結(jié)構(gòu)賦予其更多活性基團,具有較好的抗氧化活性;DDMP型大豆皂苷DDMP基團的C-6部位是其介導抗氧化、抗自由基活性的關(guān)鍵部位。

2.4 抗菌作用與機制

在目前所發(fā)現(xiàn)的抗生素中,很多抗生素的抑菌機制為抑制細菌細胞壁的合成,如β-內(nèi)酰胺類抗生素可與細菌競爭轉(zhuǎn)肽酶,抑制細菌細胞壁黏肽的合成,造成細胞壁缺損,使菌體膨脹變形、破裂死亡,產(chǎn)生殺菌作用[57];或者通過使細菌細胞膜喪失選擇透過性,導致大量物質(zhì)進入細胞,使細胞破裂死亡。目前抗生素的使用越來越多,采取措施使其從自然環(huán)境中去除尤為重要。天然表面活性劑支持生物降解,提高了微生物降解雜質(zhì)的生物利用度,這引發(fā)了其對細菌細胞影響的問題[58]。

大豆皂苷屬于兩親性齊墩果烷型三萜糖苷,由極性糖鏈與非極性苷元組成,是一種天然表面活性劑,能在一定程度上降低細胞膜的表面張力,改變細胞膜的選擇通透性,理論上應(yīng)具有一定的抗菌作用。Rojewska等[58]通過分析呋喃妥因和皂苷在細菌膜和模擬它的模型磷脂膜上的相互作用,發(fā)現(xiàn)抗菌藥呋喃妥因降低了膜滲透性。當皂苷濃度高于臨界膠束濃度時,皂苷分子嵌入磷脂POPE單分子層,皂苷被結(jié)合到細菌膜中,但它們的親水性糖鏈保留在外面,這改變了細胞表面的吸附特性以及膜的滲透性。然而,并不是所有的表面活性劑都有抗菌活性,因此通過降低細胞膜的表面張力達到抗菌目的并不是大豆皂苷抗菌活性的主要因素。大豆皂苷也可通過抑制β-內(nèi)酰胺酶的活性,增強β-內(nèi)酰胺類抗生素的抗菌活性,從而達到抗菌目的,其中大豆皂苷V對β-內(nèi)酰胺酶具有最高的抑制活性,可用于開發(fā)新的治療劑,有作為抗生素替代品的潛質(zhì)[9,59]。皂苷的結(jié)構(gòu)對其抗菌活性具有很大影響,糖鏈是否存在,糖鏈的位置,糖基的數(shù)目,糖鏈或苷元上是否有其他官能團及其類型均會影響皂苷的抗菌活性。在研究齊墩果烷型皂苷抗菌活性的構(gòu)效關(guān)系時發(fā)現(xiàn),皂苷A環(huán)C-3位連接的糖鏈對其抗菌活性影響較大。當皂苷C-3位連接的糖基為葡萄糖時,其抗菌活性最強;若將皂苷C-3位連接的糖鏈去掉,將導致其抗菌活性降低甚至喪失;單糖鏈皂苷的抗菌活性優(yōu)于雙糖鏈皂苷,且糖鏈連接在C-3位置的皂苷抗菌活性更好[60]。并且,有學者認為C環(huán)C-12和C-13間的雙鍵對皂苷的抗菌活性至關(guān)重要[61]。

2.5 調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、降血糖作用與機制

大量研究表明,大豆皂苷對脂質(zhì)代謝具有有益作用,可以改善膽固醇狀況。研究人員考察了大豆皂苷對高脂飲食喂養(yǎng)動物的影響[62- 65],認為大豆皂苷改善血脂的能力在很大程度上歸因于其與膽固醇形成不溶性復合物的功能,干擾膽汁酸在胃腸道的代謝,從而促進膽固醇在糞便中的排泄。大豆皂苷糖鏈的連接位置、苷元的極性基團或苷元的總化學結(jié)構(gòu)可能是與膽固醇相互作用有關(guān)的重要因素[66]。大豆皂苷的苷元結(jié)構(gòu)可以直接影響脂質(zhì)代謝酶的活性,抑制甘油三酯和膽固醇的合成,進而降低血脂和膽固醇水平,如皂苷分子C-28位的游離羧酸是成功抑制胰脂肪酶的必需基團[67]。Tsai等[68]研究表明,大豆皂苷將附睪脂肪組織中固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1c(SREBP-1c)mRNA水平降低32%,將肝臟中SREBP-1c和脂肪酸合酶mRNA水平降低52%和61%;Xiao等[69]研究表明,大豆皂苷可以降低高脂飲食誘導的小鼠脂蛋白脂肪酶(LPL)mRNA的表達水平。

在降血糖方面,大豆皂苷C-3位的葡萄糖醛酸可以抑制α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的活性[70],從而抑制寡糖和多糖的消化和吸收,減緩血糖的升高速度?？偞蠖乖碥誟71]和B、E、DDMP型大豆皂苷[72]均顯示出很強的α-葡萄糖苷酶抑制活性,IC50為10～40 μmol/L時,具有良好的改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)的生物活性。此外,皂苷可以保護胰腺β細胞譜系免受高糖損傷[73]。大豆皂苷降血糖、血脂、膽固醇生理活性與其苷元結(jié)構(gòu)和糖基構(gòu)象密切相關(guān),其中苷元結(jié)構(gòu)會影響膽固醇吸收和脂肪酸代謝的過程,而C-3位的糖基構(gòu)象則會影響葡萄糖轉(zhuǎn)運的過程。

2.6 其他功能

2.6.1腎素抑制作用

大豆皂苷Ⅰ可以使腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)失活,降低血壓,能夠與腎素活性位點和活性位點附近的區(qū)域結(jié)合,并通過與底物競爭對腎素產(chǎn)生抑制作用[74];除大豆皂苷Ⅰ外,在3β-羥基位置的第一個糖鏈中含有葡萄糖醛酸殘基的其他皂苷也對自發(fā)性高血壓大鼠的降壓有效,表明皂苷中的3-O-β-D-吡喃葡萄糖醛酸對皂苷的腎素抑制活性至關(guān)重要[75]。

2.6.2免疫促進作用

大豆皂苷具有免疫促進功能。Qiao等[76]表明,大豆皂苷Ab因具有高免疫活性和較低的或無溶血作用,可能是有效的疫苗佐劑候選物;de Groot等[77]通過脂質(zhì)膜法設(shè)計了含有脂質(zhì)成分[膽固醇、二棕櫚酰磷脂酰膽堿(DPPH)]的大豆皂苷(Ab/Bb)微結(jié)構(gòu),研究了大豆皂苷與膽固醇和DPPC組成的朗繆爾單分子層(模型膜)之間的相互作用,表明大豆皂苷和脂質(zhì)成分(DPPC、膽固醇)的新型膠體結(jié)合物可以作為疫苗的潛在佐劑。大豆皂苷的佐劑活性與其兩親性分子結(jié)構(gòu)有關(guān),Oda等[78]比較了8種純化大豆皂苷對雞卵清蛋白(OVA)的抗體反應(yīng)和大豆皂苷的親水親油平衡值(HLB),發(fā)現(xiàn)大豆皂苷苷元沒有佐劑活性,A型大豆皂苷中具有長糖側(cè)鏈的大豆皂苷A1的抗體反應(yīng)比A2強,B型大豆皂苷抗體反應(yīng)由強到弱順序為:大豆皂苷Ⅰ、大豆皂苷Ⅱ、大豆皂苷Ⅲ。大豆皂苷的佐劑活性隨著HLB值的增加而增加,而HLB值的大小受糖鏈的長度、數(shù)目和位置的影響。

2.6.3護肝作用

大豆皂苷能夠通過減少氧化損傷、抑制脂肪變性和炎癥的發(fā)生,來緩解小鼠急性酒精性肝損傷[79];大豆皂苷也可通過調(diào)節(jié)腸道菌群穩(wěn)態(tài)、膽汁酸分泌及其轉(zhuǎn)運受體的功能,發(fā)揮預(yù)防非酒精性脂肪肝炎的活性[80];此外,大豆皂苷的C-3糖鏈被認為在護肝功能中發(fā)揮重要作用[81]。

2.6.4抗突變作用

大豆皂苷可以降低電離輻射導致的小鼠細胞遺傳學損傷[82]。輻射對DNA的損傷可分為兩種,一種是直接使DNA斷裂,另一種是通過加快小鼠體內(nèi)產(chǎn)自由基的速度間接損傷DNA。大豆皂苷的結(jié)構(gòu)決定其不能阻礙輻射所致的DNA斷裂,因此大豆皂苷可能是通過抑制自由基的產(chǎn)生或清除多余的自由基來保護DNA免受輻射損傷。有資料顯示,大豆皂苷的抗突變作用也可能與其結(jié)構(gòu)“O←CH-OH-”能氧化-SH密切相關(guān)。

2.7 基于大豆皂苷生理活性的應(yīng)用

大豆皂苷具有防止體內(nèi)過氧化脂質(zhì)生成,降低血中膽固醇含量,抑制體內(nèi)脂肪吸收,促進中性脂肪分解等功效,還能提高機體抗氧化能力,增強免疫力,是開發(fā)抗衰老、抗肥胖、降血脂等功能食品的良好原料,也是有希望開發(fā)防治高血脂癥、肥胖癥、心血管疾病藥物的因子。學者們在大豆皂苷的生理活性方面已有了較為深入的研究,開發(fā)出多種含有大豆皂苷的保健食品、減肥食品以及健身酒飲料等[83],如具有調(diào)節(jié)血脂、延緩衰老作用的大豆皂苷膠囊和沖劑[84];含有醋制麥芽漿和大豆皂苷的保健食品,研究表明,該保健食品具有改善健康狀況、預(yù)防衰老、抗肥胖等功效[85-86]。

此外,利用大豆皂苷開發(fā)的藥物在治療皮膚炎癥、降血壓、抗腫瘤等方面也有較好的臨床效果[87-88]?？傊?大豆皂苷作為一種天然的植物提取物,具有良好的生物降解性和安全性,不會對人體和環(huán)境造成危害,且易于獲得,在食品、醫(yī)藥等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 語

本文介紹了大豆皂苷的分類、結(jié)構(gòu)與生物合成代謝途徑,分析了加工方式對大豆皂苷結(jié)構(gòu)的影響,重點闡述了大豆皂苷生理活性的產(chǎn)生機制與結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系,并總結(jié)了目前大豆皂苷基于生理活性的應(yīng)用。天然大豆皂苷結(jié)構(gòu)的多樣性,主要取決于糖基化和羧基化反應(yīng)形成的多種中間體與糖配基,而皂苷經(jīng)熱處理等常規(guī)食品加工方式作用后也會發(fā)生結(jié)構(gòu)改變。大豆皂苷具有抗腫瘤、抗炎、抗氧化、抗菌、降血糖、護肝等多種生理活性,這主要歸因于大豆皂苷的特殊化學結(jié)構(gòu)和特性,其兩親性結(jié)構(gòu)(親水性糖鏈和親脂性苷元)與類固醇的親脂性、結(jié)構(gòu)相似性與活性的表達密切相關(guān)。此外糖鏈的數(shù)量、大小、組成和位置,以及皂苷與其他分子的相互作用等都會影響大豆皂苷的生理活性。

大豆皂苷因具有多種對人體有益的生理活性而廣泛應(yīng)用于食品、藥品及化妝品等領(lǐng)域,但目前仍存在一些問題亟待解決:1)大豆皂苷具有一定的苦味,如何在不影響皂苷生理活性的前提下實現(xiàn)苦味調(diào)控,是影響含皂苷食品進一步推廣需要解決的關(guān)鍵問題。2)目前涉及大豆皂苷的研究以生理活性為主,實際投產(chǎn)的產(chǎn)品品種仍很有限,應(yīng)針對不同人群的需求,開發(fā)多種形態(tài)的皂苷功能食品,推動皂苷產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。3)大豆皂苷同傳統(tǒng)的鋁鹽佐劑相比,免疫活性較高且副作用較小,但目前關(guān)于大豆皂苷在人體作為免疫佐劑的適宜劑量尚未明確,其在該領(lǐng)域的應(yīng)用有待進一步探究。