紫背天葵的功能活性成分及產(chǎn)品開發(fā)研究

張文展，肖 和，劉定榮，邱小林，李 萍

(南昌理工學(xué)院，江西 南昌 330044)

“天問一號”火星探測器順利抵達(dá)火星和 “祝融號”火星車成功登陸火星是中國航天事業(yè)發(fā)展的一大進(jìn)步。下一步中國航天的重要任務(wù)便是正在建設(shè)的有航天員長期駐守的中國空間站。而航天食品是航天員在空間站特殊環(huán)境下長期生存的基本保障。開發(fā)出能夠?yàn)楹教靻T提供良好營養(yǎng)和保健功能，且便于太空攜帶、長期保存和抗輻照的航天食品是中國航天事業(yè)發(fā)展面臨的一項(xiàng)重要課題。且隨著飛行時間的延長，其重要性越發(fā)凸顯。航天食品是一種供航天員在執(zhí)行空間飛行任務(wù)過程中食用的，具有保健功能的食品，是結(jié)合航天員在太空中的口味和消化吸收能力，以及特殊進(jìn)食方式而研制生產(chǎn)的。它要保證航天員在失重、輻照、生存空間狹窄和其他環(huán)境突變情況下身體機(jī)能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時確保航天項(xiàng)目的順利開展[1-2]。

紫背天葵是井岡山和樟樹等地區(qū)著名的野菜和經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物，具有良好的食用和藥用價值[3]。相關(guān)藥學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，紫背天葵中含有豐富的營養(yǎng)素和生物活性物質(zhì)[4]，具有清熱解毒、活血止血、降血壓、抗病毒等功效[5-6]。將紫背天葵制作成蔬菜粉或提取液應(yīng)用到航天食品中，利用人體協(xié)同吸收紫背天葵中維生素K和鈣元素，對解決航天員和老年人的鈣流失等關(guān)鍵問題具有重要意義[7]。本文以井岡山等地區(qū)特有的紫背天葵為研究對象，對紫背天葵中所含的元素、化學(xué)成分，蛋白質(zhì)、維生素和重金屬離子等進(jìn)行了檢測與分析；探討了紫背天葵中維生素K和Ca元素之間的協(xié)同吸收作用。優(yōu)化了紫背天葵乙醇提取物提取條件，對其化學(xué)成分和抗氧化活性進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上研制了紫背天葵航天食品，為開發(fā)出以紫背天葵為原料的綠色航天食品提供技術(shù)支持和依據(jù)。

1 紫背天葵資源及營養(yǎng)價值研究

紫背天葵是秋海棠科的多年生無莖草本植物[8]。在江西、廣東、海南、福建、四川和東南亞等地均有分布，其中生長在井岡山地區(qū)的紫背天葵被當(dāng)?shù)厝朔Q為紅軍菜。目前紫背天葵藥材品種來源一共有5個品種，分別是：紫背天葵、觀音莧、紫背天葵草、天葵和野海棠[3]。

井岡山地區(qū)野生紫背天葵屬于典型的陰生酸性土植物，周圍環(huán)境會嚴(yán)重影響其生存狀況。近些年，由于人類活動及氣候變化等原因?qū)е乱吧媳程炜麨l臨滅絕，因此人們開始采取遷地保育和人工仿野生栽培等措施來緩解紫背天葵野生資源的減少。為了更好的種植和培育紫背天葵，在溫控大棚里利用無土栽培技術(shù)培育了紫背天葵，以便比較室內(nèi)和室外種植紫背天葵的效果。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，室外種植基地和智能溫控大棚中培育的紫背天葵均長勢良好。

紫背天葵屬于藥食同源植物，含有非常豐富的微量元素和其它營養(yǎng)成分，具有很高的營養(yǎng)保健價值。研究表明，其中總氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)13.03 %，必需氨基酸占總氨基酸的44.13 %，且含有人體所必需的12種無機(jī)元素和7種微量元素[9]，還有含有豐富的黃酮類物質(zhì)、皂苷、有機(jī)酸、B族維生素和其他多種化學(xué)成分及微量元素等[10-12]。此外，紫背天葵水浸出液中含有較豐富的鐵、錳、鈉、鎂、鋁、鉀等金屬元素[13]。

空間飛行對生物體的顯著危害之一是空間輻射。水果和蔬菜中的天然抗氧化劑、Ω-3脂肪酸、多酚類物質(zhì)，甚至是植物的膳食纖維都可以預(yù)防或改善空間輻射造成的傷害。前蘇聯(lián)曾應(yīng)用沙棘和葡萄籽提取物開發(fā)出具有抗輻射功能的航天食品[14-15]。多酚類物質(zhì)是植物重要的次生代謝產(chǎn)物，具有抗氧化、抗輻射、抗病毒、降血糖和降血脂等多種生物活性[16-17]。紫背天葵乙醇提取物中含有豐富的多酚類物質(zhì)，可以發(fā)揮出較好的抗輻射和抗病毒作用。

2 紫背天葵元素及成分分析

根據(jù)食品相關(guān)國標(biāo)測定方法，測定了紫背天葵中核黃素成分、維生素K1、元素、水分、灰分、脂肪、蛋白質(zhì)、硫胺素和維生素C等含量；此外還根據(jù)進(jìn)出口食品中砷、汞、鉛、鎘的檢測方法(電感耦合等離子體質(zhì)譜法ICP-MS，SN/T 0448-2011)測定了紫背天葵中砷、汞、鉛、鎘四種有毒重金屬離子的含量。對紫背天葵的元素和成分測定主要采用紫外-可見分光光度比色法及原子吸收分光光度儀法。其檢測結(jié)果如表1和表2所示。

表1 紫背天葵的營養(yǎng)成分

表2 紫背天葵中重金屬含量

研究結(jié)果表明：長期的航天飛行會導(dǎo)致航天員出現(xiàn)骨鈣丟失、肌肉萎縮和紅細(xì)胞減少等現(xiàn)象。那么，航天食品就要提供充足的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)和鈣，以及適宜的鈣磷比例和維生素D、K等；且飛行初期航天食品的脂肪量不宜太高，以免加重空間運(yùn)動病的癥狀；同時，為防止心血管系統(tǒng)功能失調(diào)，就要求限制航天食品中鈉的供給，保證鉀的供給[18]。通過表1可知，相較于其他一些常見蔬菜的K元素和Ca元素的含量，紫背天葵中含有豐富的K、Ca等元素(其中每1kg紫背天葵中含有K元素：86302.61 mg，含有Ca元素：17108.08 mg)，還含有較多的蛋白質(zhì)和維生素K(每100g紫背天葵中含維生素K：437.14 ug)，但紫背天葵中含有較少的Na元素和脂肪(每1kg紫背天葵中含有Na元素：231.11 mg，每100 g紫背天葵中含脂肪：0.2 g)，這與航天食品對營養(yǎng)的特殊要求相吻合。同時，通過表2可知，紫背天葵中重金屬離子含量遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)，這說明利用紫背天葵制備航天食品具有良好的適應(yīng)性。

3 紫背天葵中維生素K與Ca元素協(xié)同吸收作用

航天醫(yī)學(xué)研究結(jié)果表明，長期的太空活動會影響航天員一些生理系統(tǒng)的正常運(yùn)行，導(dǎo)致其機(jī)體營養(yǎng)吸收和物質(zhì)代謝發(fā)生變化[19]。特別是在微重力環(huán)境下，航天員極易出現(xiàn)骨鈣流失現(xiàn)象。這主要是在飛行期間其血清中的維生素K的濃度下降所導(dǎo)致的，且維生素K水平與航天員的骨健康狀態(tài)呈正關(guān)系[20]。

此前有研究表明，機(jī)體維生素K參與人體蛋白質(zhì)中羧基谷氨酸(GLA)的合成，如骨鈣素(OC)和GLA蛋白質(zhì)。且通過對不同健康人群進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，維生素K對人體骨鈣流失具有顯著的抑制作用，膳食維生素K低攝入與低骨質(zhì)或骨質(zhì)流失增加有關(guān)[21-22]。維生素K是谷氨酸γ-羧化酶的輔酶，能夠?qū)C中谷氨酸殘基羧化成γ-羧化骨鈣素，該結(jié)構(gòu)對Ca2+具有獨(dú)特的親和力及絡(luò)合性，能促進(jìn)鈣鹽沉積，提高骨礦化速率[23]。因此，充足的維生素K是確保人體血液中Ca2+在骨骼上有效沉積與礦化的根本。所以航天員在飛行期間要保證充足的維生素K攝入量。從表1可以看出，紫背天葵中含有大量的Ca元素、維生素K和其他人體所必須的各種礦物質(zhì)和微量元素，而維生素K又可以參與骨骼代謝，促進(jìn)人體對Ca元素的吸收和礦化，防止骨髓鈣流失，這是其他蔬菜不可比擬的。因此利用紫背天葵中維生素K和Ca元素之間的這種協(xié)同吸收作用，將其開發(fā)成航天食品可以緩解太空中宇航員骨骼流失問題和骨折風(fēng)險。經(jīng)常攝入含有豐富維生素K和Ca元素的紫背天葵的老年人、兒童和婦女也能夠有效降低缺鈣風(fēng)險，這為紫背天葵開發(fā)應(yīng)用成更加民用化的航天食品提供了一個良好思路。

4 紫背天葵酚類物質(zhì)抗氧化活性研究

長期的載人航天飛行，會對宇航員和航天食品造成比較嚴(yán)重的空間輻射。而酚類物質(zhì)是紫背天葵重要的次生代謝產(chǎn)物，具有多種顯著的生物活性，包括抗氧化，抗輻射和抗病毒等功效[5]。在此前的研究中[24]，課題組通過單因素實(shí)驗(yàn)考察了乙醇體積分?jǐn)?shù)、提取溫度、料液比與提取時間對紫背天葵多酚提取效果的影響，并采用正交實(shí)驗(yàn)對紫背天葵多酚的提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，紫背天葵多酚最佳提取條件為：乙醇體積分?jǐn)?shù)40 %，料液比1：50(g/mL)，提取溫度50。C，提取時間50 min，在此最優(yōu)條件下，紫背天葵多酚提取量可達(dá) 10.88 mg/g。優(yōu)化所得工藝多酚提取率較高，為進(jìn)一步綜合利用井岡山地區(qū)的紫背天葵資源提供技術(shù)支持和理論依據(jù)，也為其更好的開發(fā)成航天食品提供了有力證據(jù)。

為了更深入研究紫背天葵提取物的化學(xué)性質(zhì)和抗氧化活性，通過HPLC-Q-TOF-MS方法分析鑒定了乙醇提取物中的二十三種化合物。發(fā)現(xiàn)其中含有14種酚類化合物，其中包括9種多酚和5種類黃酮[25]。并采用DPPH、ABTS自由基清除和還原能力實(shí)驗(yàn)來評估紫背天葵乙醇提取物的抗氧化活性，將維生素C作為陽性對照組進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。盡管數(shù)據(jù)結(jié)果很難將其應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)的生物系統(tǒng)，但是該數(shù)據(jù)還是可以指示紫背天葵具有一定的抗氧化活性。如圖1(a)所示，隨著總酚含量的增加，紫背天葵提取物的DPPH自由基清除能力穩(wěn)定增加，濃度為140 μg/mL時清除率達(dá)到90 %。在140 μg/mL條件下，ABTS自由基清除測試發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果。紫背天葵提取物的抗氧化活性比陽性對照組維生素C弱。但是，它們在相同數(shù)量級上具有一定的可比性。如表3所示，紫背天葵提取物對DPPH和ABTS自由基清除的EC50值(清除率達(dá)到50 %的濃度)分別為44.35 μg/mL和36.36 μg/mL，而維生素C的EC50值分別為15.51 μg/ mL和5.83 μg/ mL。

圖1 紫背天葵總酚提取物的抗氧化活性：(a)DPPH自由基清除測定(b)；ABTS自由基清除測定；(c)還原能力測定

表3 紫背天葵提取物和維生素C在不同抗氧化測試中的EC50值(ug/mL)

紫背天葵提取物的還原能力取決于將三價鐵還原為二價鐵的能力。具有還原能力的化合物表明它們是電子給體，并且可以減少脂質(zhì)過氧化過程中與其抗氧化性能密切相關(guān)的氧化中間體。反應(yīng)混合物的吸光度增加表明其具有更大的還原能力。圖1(c)顯示，紫背天葵提取物具有一定的還原能力，并且還原能力隨著濃度的增加而穩(wěn)定地增加。紫背天葵提取物的EC50值(吸光度達(dá)到0.5時的濃度)為36.92μg/ mL，而維生素C小于3μg/ mL。與DPPH和ABTS自由基清除測試類似，紫背天葵提取物的還原能力比維生素C的還原能力弱。

5 紫背天葵在航天食品上的開發(fā)利用

航天食品要根據(jù)合乎膳食標(biāo)準(zhǔn)的航天食譜制成，其中必須含有足夠和完善的科學(xué)營養(yǎng)，如每天人體所需要的蛋白質(zhì)、脂肪、維生素和糖等，并保證含有鈣、磷、鎂、鉀等主要無機(jī)元素，還要含有鐵、鋅、硒、碘等微量元素，以及兩種脂溶性維生素(維生素A和E)和各種水溶性維生素(維生素B和C等)[3]。

近年來，我國航天事業(yè)迅速發(fā)展，航天食品也逐漸朝著生產(chǎn)規(guī)?；⑵贩N多樣化、食用民用化方向發(fā)展。通過前面的研究發(fā)現(xiàn)，紫背天葵具有開發(fā)成民用航天食品的巨大潛力，為了將紫背天葵能夠更好的應(yīng)用在航天食品上，根據(jù)圖2的技術(shù)路線，開發(fā)出了以紫背天葵為原料的綠色航天食品，在國內(nèi)推出了“紅軍菜營養(yǎng)面”。

圖2 紫背天葵航天食品開發(fā)路線

6 總結(jié)與展望

通過對紫背天葵的元素和營養(yǎng)成分進(jìn)行分析鑒定，發(fā)現(xiàn)紫背天葵中含有豐富的K元素、Ca元素、蛋白質(zhì)、維生素K，但含有較少的Na元素和脂肪，這與航天食品對營養(yǎng)的特殊要求相吻合；紫背天葵中維生素K和Ca元素的協(xié)同吸收作用，有利于防止航天員長期在太空飛行中存在的骨鈣流失現(xiàn)象；同時，紫背天葵中含有多種酚類物質(zhì)和類黃酮，具有良好的抗氧化性，將其開發(fā)成航天食品可減少空間輻射對航天員食品的影響；這些都表明，將紫背天葵開發(fā)成航天食品具有巨大的潛力。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種紫背天葵營養(yǎng)面航天食品，為紫背天葵在航天食品上的開發(fā)利用提供了一定的思路。

在當(dāng)前新冠病毒肆虐的背景下，紫背天葵可憑借其資源豐富、營養(yǎng)價值高，開發(fā)出各種式樣的保健食品和航天食品等。還可憑借其含有的多酚和類黃酮物質(zhì)的抗氧化、抗病毒能力，在醫(yī)藥領(lǐng)域方面顯示出它的藥用價值。

*基金項(xiàng)目：江西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目(S202012795005X)；江西省教育廳科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)項(xiàng)目(GJJ161153)。