生姜營養(yǎng)品質評價指標體系構建

郭孝萱，張蕓丹，邱靜，錢永忠*

(1.中國農業(yè)科學院農業(yè)質量標準與檢測技術研究所，北京 100081；2.中國農業(yè)大學 食品學院，北京 100083)

生姜(ZingiberofficinaleRoscoe)是一種藥食兩用植物，具有抗炎、抑菌、抗氧化、抗癌等多種生理功效，在醫(yī)藥領域有廣泛應用。近年來，隨著現(xiàn)代食品技術的發(fā)展和人們對食品營養(yǎng)保健意識的增強，人們對生姜的主要活性物質及其生理功能進行了深入研究，證明生姜的生理活性和這些生物活性物質有很大關系。然而目前國家標準或行業(yè)標準對于生姜品質的評價和等級劃分往往依據其外觀品質，已無法滿足如今大眾對高品質、高營養(yǎng)的追求，因此在發(fā)展全民營養(yǎng)的時代背景下，建立依據營養(yǎng)品質的生姜品質評價體系成為大勢所趨，并將有力推動以營養(yǎng)為導向的農業(yè)發(fā)展體系。因此，本文針對生姜營養(yǎng)品質評價指標體系構建展開討論，篩選出能夠代表生姜營養(yǎng)品質的指標并對其生物活性進行綜述，希望能夠對生姜營養(yǎng)品質等級劃分提供依據。

1 姜精油

姜精油是生姜中的揮發(fā)油，它賦予了生姜的香氣和部分風味，是評判生姜風味的主要化學指標之一。生姜中揮發(fā)油總含量在1%～3%，其成分復雜，主要分為倍半萜烯類(占50%～66%)、氧化倍半萜烯(占17%)、單萜烯類和氧化單萜烯類[1]。研究表明，生姜的健胃、抗?jié)儭⒆o肝、消炎等功能與姜精油密切相關[2]，除此之外，姜精油在食物加工過程中能起到去腥、添香等作用，能促進消化液分泌，增進食欲，因此從生姜食用品質和營養(yǎng)品質的角度來看，姜精油適合作為品質評價的指標之一。

1.1 保護消化系統(tǒng)

姜精油可以通過促進胃黏膜合成和減少內源性前列腺素釋放來發(fā)揮保護胃黏膜的作用[3]。姜精油還通過刺激胃蛋白酶原來防止有害物質對胃黏膜的損傷，因此姜精油是生姜健胃藥的有效成分，也有研究表明姜酚可以和揮發(fā)油協(xié)同作用發(fā)揮健胃的生理功效[4]。姜精油對腸道具有雙向調節(jié)的作用，一方面可以松弛腸道，減少蠕動，另一方面可使腸道蠕動增加，用于因脹氣或其他原因引起的腸絞痛。

1.2 抗氧化活性

研究表明，姜精油具有良好的抗氧化活性。Gurdip Singh等[5]研究了姜精油的體外抗氧化能力，證明姜精油清除DPPH自由基的能力明顯高于合成抗氧化劑丁基羥基茴香醚(BHA)。秦艷等[6]的研究也表明姜精油具有較好的抗氧化活性，其總抗氧化活性明顯優(yōu)于0.50 mg/mL的VC，姜精油還具有良好的清除DPPH和ABTS自由基的能力，且存在明顯劑量效應。在細胞水平上，姜精油可以通過調節(jié)細胞氧化還原系統(tǒng)、提高抗氧化能力、清除自由基發(fā)揮對Raw 264.6細胞過氧化氫損傷模型的保護作用[7]。

1.3 抗癌活性

大量體外試驗和動物試驗證明，姜精油可以抑制腫瘤生長，在癌癥的預防及治療中有廣闊的運用前景。Santos等[8]研究了姜精油對宮頸癌細胞的毒性，發(fā)現(xiàn)給藥后細胞膜完整性喪失、細胞內容物泄漏、染色質縮合，這些結果說明姜精油對宮頸癌細胞具有強烈的細胞毒性；姜精油還可以抑制子宮內膜癌細胞的增殖，通過激活p53基因導致其凋亡，這些結果揭示了姜精油的潛在抗癌活性。

1.4 抗菌活性

生姜的抗菌活性很大程度上得益于其中的姜精油[9,10]。研究表明，姜精油具有廣譜的抑菌效果，對真菌、細菌都有一定的抑制作用，尤其對真菌的抑制效果強于常見的食品防腐劑山梨酸鉀[11]。姜精油可以抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的生長，在發(fā)揮抗菌活性過程中具有熱穩(wěn)定性、抗酸和抗堿的特點[12]。姜精油可以抑制革蘭氏陽性細菌銅綠假單胞菌的活性，同時也對革蘭氏陰性菌鼠傷寒沙門氏菌表現(xiàn)出輕微抑制[13]。另外，生姜揮發(fā)油對30多種鮑曼不動桿菌多重耐藥菌都有強烈的抗菌作用，提示其可作為治療人類病原體和多重耐藥菌感染的天然抑菌劑[14]。

2 姜酚

姜酚是生姜中的主要活性物質，也是姜辣素的重要組分之一，姜辣素沒有揮發(fā)性，它給生姜帶來特征性的辛辣口味。姜酚主要包括6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚、12-姜酚，其中6-姜酚含量最高，因此6-姜酚常被作為評價生姜品質的指標。姜酚含量和種類因生姜的產地差異很大，每100 g干姜中的總姜酚量在0.96～2.96 g之間[15]。研究表明，姜酚具有抗炎、抗氧化、抗腫瘤、抗凝血等多種生物活性。

2.1 抗炎作用

姜酚是生姜中的主要辛辣成分，研究表明6-姜酚可以上調蛋白激酶磷酸酶5(MKP5)的水平，進而降低TNF-α、IL-1β、NF-κβ、IL-6、COX-2等的表達，降低炎癥因子引起的促炎反應[16]。Tripathi等[17]證明6-姜酚可以抑制細菌脂多糖(LPS)刺激 C57B1小鼠的腹膜巨噬細胞促炎因子TNF-α、IL-12和IL-1β的分泌，降低NFκB水平，6-姜酚這種抗炎活性是其具有抗癌功能的重要機制之一。Li等[18]在IL-1β誘導的HuH7肝細胞炎癥模型上研究6-姜酚抗炎機理，發(fā)現(xiàn)6-姜酚可以降低炎癥因子IL-6、IL-8和SAA1的mRNA表達，改善炎癥和氧化應激，也可以降低IL-1β刺激下的COX-2表達上調以及NFκB活性升高。Dugasani等[19]研究了6-姜酚、8-姜酚、10-姜酚的抗炎活性，發(fā)現(xiàn)姜酚可以通過抑制炎癥介質NO和PGE2的釋放來發(fā)揮抗炎活性。

2.2 抗氧化作用

姜酚的分子結構中具有酚類結構和β-羥基酮結構，因此具有很強的抗氧化活性。一方面，姜酚可以加強抗氧化物質與底物的親和性；另一方面，姜酚能夠提供電子清除自由基。在Kuhad等[20]的研究中，6-姜酚能夠減輕順鉑對大鼠腎臟造成的氧化性損傷，降低脂質過氧化，增加谷胱甘肽水平、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)活性。在體外抗氧化實驗中，6-姜酚能夠增強豬油的抗氧化能力，在相同劑量下姜酚的抗氧化能力優(yōu)于VC、VE以及PG、BHA和BHT等合成抗氧化劑[21]。在亞砷酸鈉誘導的小鼠胰島素抵抗和氧化應激模型上，6-姜酚可以改善血糖的升高和氧化應激，增加SOD、CAT、谷胱甘肽過氧化物酶和谷胱甘肽水平[22]。6-姜酚還可以通過降低活性氧族和/或氮族和恢復抗氧化系統(tǒng)來阻止β-淀粉樣肽(Aβ)引起的細胞毒性和細胞凋亡[23]。

2.3 抗腫瘤作用

姜酚誘導腫瘤細胞凋亡是其抗腫瘤作用的主要機制之一。在胃癌細胞中，6-姜酚可以通過增加腫瘤壞死因子相關凋亡誘導配體(TRAIL)誘導的caspase-3/7活化來誘導細胞凋亡[24]。另外，6-姜酚可能通過組織蛋白酶D增加細胞色素C的釋放，進而引起HepG2細胞凋亡[25]。細胞周期蛋白 D1(cyclin D1)是在很多腫瘤發(fā)生過程中過表達的一種原癌基因，而非甾體類消炎藥活化基因1(NAG1)被證實具有較強的抗腫瘤活性，研究發(fā)現(xiàn) 6-姜酚可以抑制人結直腸癌細胞cyclin D1的表達，同時上調NAG1的表達水平，起到抗癌的作用[26]。

6-姜酚可以通過阻滯腫瘤細胞的增殖周期誘導凋亡。細胞增殖周期的紊亂是導致細胞癌變的重要原因之一。6-姜酚可降低癌細胞中cyclin 蛋白和CDKs的表達，阻滯了腫瘤細胞從G1期向S期的過渡[27]。另外，6-姜酚可以引起人體結腸癌細胞G2/M期阻滯，由此引起ROS增加，p53，p27Kip1和p21Cip1表達水平增加，引起細胞凋亡[28]。

6-姜酚對腫瘤細胞直接的毒性作用也是其抗腫瘤機制之一。6-姜酚已被證明對COR-L23、Hela、人肝癌細胞都有毒性作用[29]。另外，6-姜酚在人肺癌細胞H-1299、小鼠肺癌細胞CL-13、人結腸癌細胞HCT-116和HT-29中的代謝產物6-姜二醇對這些癌細胞均具有細胞毒性[30]。

2.4 抗凝血作用

姜酚被報道可以抑制血小板凝集，且在同樣的實驗條件下姜酚較阿司匹林的抗凝血效果更為突出[31]。Ammit等[32]研究了姜酚及其類似物對花生四烯酸誘導的血小板復合胺的釋放以及體外凝集效果，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的姜酚及其類似物都可以通過抑制血小板中環(huán)氧化酶活性而顯著抑制花生四烯酸誘導的人血小板凝集。

3 姜烯酚

6-姜烯酚(6-shogaol)是干姜中的主要活性成分。姜酚類物質存在β-羥基酮基結構，容易脫去一分子水形成相應的姜烯酚類物質，鮮姜中姜烯酚含量較少，在貯藏加工過程中含量會升高[33]。近年來，隨著6-姜烯酚藥理作用研究的不斷深入，其抗腫瘤、抗炎和抗氧化活性備受國內外學者的關注。雖然生姜中6-姜烯酚含量較低，然而研究顯示6-姜烯酚的抗氧化、抗炎等生物活性顯著高于6-姜酚[34]，因此筆者將6-姜烯酚作為評價生姜保健品質的指標之一。

3.1 抗腫瘤作用

6-姜烯酚可以通過多個信號通路使腫瘤細胞基因的異常表達得以降低或關閉，從而達到抗腫瘤的效果。研究發(fā)現(xiàn)，6-姜烯酚可以誘導癌細胞中ROS產生，降低線粒體膜電位，激活caspase途徑，降解DNA，促進腫瘤細胞凋亡，同時還發(fā)現(xiàn) N-乙酰半胱氨酸(谷胱甘肽的生物合成的前體)可以不同程度地抑制 6-姜烯酚對細胞的促凋亡作用[35]。6-姜烯酚通過下調人結腸癌細胞系HCT116細胞周期蛋白cyclin B、CDK1和CDC 25C以及紡錘體裝配蛋白CDC20、MaD2和Survivin的表達，造成不可逆的細胞G2/M期阻滯，從而發(fā)揮促凋亡作用[36]。Hung等[37]的研究表明6-姜烯酚通過抑制Akt/mTOR信號通路誘導非小肺癌細胞A549自噬最終導致死亡，當用自噬抑制劑3-甲基嘌呤(3-MA)預處理后，6-姜烯酚的抗增殖效果明顯被清除。Ishiguro等[38]研究發(fā)現(xiàn)姜辣素中的6-姜酚和6-姜烯酚可以以不同的作用機制誘導胃癌細胞死亡，此外，6-姜烯酚可以劑量依賴性地抑制環(huán)脂氧化酶活性，具有抗炎活性而且對變態(tài)反應也有效。

3.2 抗炎作用

6-姜烯酚被報道具有良好的抗炎作用，它不僅可以抑制環(huán)氧化酶和脂氧合酶代謝產物花生四烯酸和前列腺素E2的產生，還能夠抑制中性粒細胞激活，具有雙向免疫調節(jié)作用，使機體的炎癥反應與抗炎反應處于一種低水平的平衡狀態(tài)[39]。有研究報道6-姜烯酚能夠減輕LPS誘導的小鼠急性肺損傷，抑制中性粒細胞浸潤，降低肺泡毛細血管通透性，減輕肺水腫，并降低TNF-a、IL-1β、IL-6水平，其作用機制可能與抑制NFκB通路有關[40]。Moon等[41]的研究發(fā)現(xiàn)，6-姜烯酚可以降低Aβ寡聚物誘導的小鼠小膠質細胞和星形膠質細胞增生以及記憶缺陷，具有改善神經炎癥的作用。6-姜烯酚還可以抑制LPS誘導的小鼠巨噬細胞炎癥反應，且其效果顯著優(yōu)于6-姜酚，其可能是通過抑制ERK1/2和PI3K/Akt通路、iNOS和COX-2表達，并抑制P65向核內轉移來發(fā)揮抗炎作用。

3.3 抗動脈粥樣硬化

內皮功能障礙和氧化低密度脂蛋白(oxLDL)是動脈粥樣硬化早期的重要病理過程。血管平滑肌增殖是導致內皮功能障礙的主要因素，陳磊等[42]利用血小板源性生長因子(PDGF)誘導野生型和Toll樣受體4(TLR4)敲除小鼠原代血管平滑肌細胞(VSMCs)增殖，并利用6-姜烯酚干預，結果表明6-姜烯酚可以通過下調VSMCs中TLR4表達和其下游蛋白NFκB的表達劑量依賴性地抑制VSMCs增殖。Wang等[43]研究了6-姜烯酚對oxLDL誘導的人臍靜脈內皮細胞(HUVECs)損傷的保護機制，發(fā)現(xiàn)6-姜烯酚可以降低oxLDL引起的細胞ROS升高和NFκB活化，并通過降低Bcl-2表達和caspase-3、caspase-8、caspase-9活性來減輕細胞的凋亡，這些結果說明6-姜烯酚可能是一個潛在的可用于治療動脈粥樣硬化的天然產物。

4 生姜黃酮

黃酮類化合物廣泛存在于各種植物中，是植物體內的次級代謝產物，具有多種生理功效。生姜中含有大量黃酮類化合物。劉步云等[44]對全國不同地區(qū)32種生姜的黃酮含量進行了研究，結果表明生姜醇提物中黃酮含量在18.69～130.22 mg/g之間，并且生姜提取物的抗氧化能力和黃酮含量呈極顯著相關。Ghasemzadeh等[45]鑒定了生姜葉片和根莖中總黃酮和類黃酮種類，包括槲皮素、蕓香苷、兒茶素、表兒茶素、山奈酚和柚苷配基。生姜黃酮具有多種生理活性，包括抗氧化、抑菌、抗癌、抗炎等[46]，因此本文將生姜黃酮作為生姜營養(yǎng)品質評價的指標。

4.1 抗氧化能力

莫開菊等[47]對生姜黃酮進行體外抗氧化研究，結果表明生姜黃酮的還原能力比合成抗氧化劑BHT和PG都高。李文智[48]研究發(fā)現(xiàn)，生姜提取液具有抗氧化活性，將粗姜汁離心后，其上清液比沉淀物的抗氧化活性更好，這與提取上清液中的黃酮類化合物有關。梅邢等[49]的研究發(fā)現(xiàn)，生姜黃酮可以有效清除超氧陰離子自由基、羥自由基、過氧化氫等，還對DNA損傷具有保護作用。Fuhrman等[50]發(fā)現(xiàn)，生姜黃酮會沉積在脂蛋白和動脈細胞上，通過螯合金屬離子，清除活性氧/氮自由基以及保護抗氧化劑等方式來降低低密度脂蛋白的過氧化。

4.2 抑菌功效

生姜黃酮具有抑菌功效，其可以抑制食品中常見的污染菌，包括大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌以及酵母菌。除此之外，研究發(fā)現(xiàn)生姜黃酮粗提液可以抑制家蠶病原細菌青頭敗血病菌和卒倒桿菌，添加生姜黃酮粗提液對卒倒桿菌感染的家蠶具有一定的治療作用，且其效果略好于0.1 mg/mL蠶用鹽酸諾氟沙星[51]。

在消費者追求高品質、高營養(yǎng)飲食的背景下，本文篩選出能夠代表生姜營養(yǎng)品質的指標并對其活性進行綜述，所選指標包括姜精油、姜酚、姜烯酚和生姜黃酮，這些評價指標的構建能夠對以營養(yǎng)品質為導向的生姜品質等級劃分提供思路和參考，也將為以營養(yǎng)為導向的育種、栽培等農業(yè)生產過程提供方向。然而對于各個指標的閾值以及等級劃分方法需要進一步研究與討論，仍任重而道遠。