粉葛主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、異黃酮成分的積累規(guī)律及其相關(guān)性分析

曹 升, 馬崇堅(jiān), 尚小紅, 吳芳芳, 施平麗, 陳會(huì)鮮, 譚梔恩, 嚴(yán)華兵, 吳正丹, 王 穎*, 韓 偉, 于白音

(1. 廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 南寧 530007; 2. 廣西壯族自治區(qū)藥用植物園, 南寧 530010; 3. 韶關(guān)學(xué)院 英東生物與農(nóng)業(yè)學(xué)院, 廣東 韶關(guān) 512005; 4. 廣東省粵北食藥資源利用與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 韶關(guān) 512005 )

粉葛為豆科葛屬植物,素有“亞洲人參”“南葛北參”之美譽(yù)(楊旭東等,2014),2014年被我國(guó)國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)認(rèn)定為藥食兩用植物。廣西是粉葛的傳統(tǒng)種植區(qū)域,種植歷史可追溯至清代,每年的種植面積均達(dá)2 667 hm2。粉葛塊根富含淀粉、脂肪、氨基酸、纖維素、鐵、鈣、銅、硒等人體所需的營(yíng)養(yǎng)及礦質(zhì)元素(李臻等,2011),常被加工成葛粉、葛面、葛酒、葛根飲品、葛根餅干等系列產(chǎn)品(尚小紅等,2021),食品開發(fā)前景廣闊。粉葛塊根還含有葛根素、大豆苷、大豆苷元、染料木素等異黃酮物質(zhì),具有清熱、解毒、解肌、生津、透疹、升陽(yáng)和止瀉等作用,《中國(guó)藥典第一部》(國(guó)家藥典委員會(huì),2015)規(guī)定,葛根素含量達(dá)到0.3%以上的粉葛塊根可用于藥用。可見,粉葛具有很高的食用和藥用價(jià)值。粉葛開發(fā)利用的部位主要是塊根,葛根的葉、藤、根頭等部位大多直接丟棄,少量用作飼料,其綜合利用率較低。此外,采收時(shí)間是影響中藥材質(zhì)量的關(guān)鍵因子(胡少偉等,2018; 嚴(yán)華等,2019; 周賽男,2019),確定藥食兩用植物粉葛的適宜采收時(shí)期,對(duì)其開發(fā)利用至關(guān)重要。因此,掌握不同部位和不同時(shí)期粉葛的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及異黃酮成分的積累規(guī)律,對(duì)粉葛的綜合開發(fā)利用及最佳采收期的確定具有重要指導(dǎo)意義。

異黃酮類物質(zhì)和葛根素是葛根的主要藥用成分,其含量是評(píng)價(jià)葛根藥用價(jià)值的主要指標(biāo)。王德立(2008)發(fā)現(xiàn)野葛的葛根素和異黃酮含量在6月份最高,11月份次之,綜合考慮單株塊根中葛根素和異黃酮總量,認(rèn)為5年生野葛在11月采收具有最高的利用價(jià)值。潘玲玲等(2011)發(fā)現(xiàn)4年至5年生野葛的塊根葛根素含量最高,每年的11—12月野葛塊根的葛根素含量達(dá)到全年最高值。段海燕(2016)認(rèn)為野葛的異黃酮類成分主要分布在韌皮部和木質(zhì)部中,周皮的含量最低,而韌皮部的含量高于木質(zhì)部。Son等(2019)發(fā)現(xiàn)野葛的塊根提取物中主要的異黃酮物質(zhì)為葛根素,而葛葉提取物中主要的異黃酮物質(zhì)是染料木素。曾慧婷等(2022)發(fā)現(xiàn)粉葛的總異黃酮含量在不同部位中的分布規(guī)律為根>莖>葉,粉葛根中異黃酮類成分含量在10月達(dá)到最大,葛莖中異黃酮類成分的積累量在7月和12月達(dá)到最大,葛葉中異黃酮類成分的積累量在10月達(dá)到最大。不同區(qū)域、不同部位收獲期葛的葛根素、大豆苷元等存在差異(劉逢芹等2006;馬樹運(yùn)等,2015;李琳,2015;劉玉等,2022)。當(dāng)前,葛根的異黃酮物質(zhì)的積累規(guī)律研究主要集中在野葛上,對(duì)粉葛的異黃酮成分積累規(guī)律的研究還處于初級(jí)階段,還需大量深入細(xì)致的系統(tǒng)性研究來(lái)全面揭示粉葛的異黃酮物質(zhì)的分布規(guī)律,以達(dá)到粉葛利用的最大化。淀粉、多糖、蛋白質(zhì)、可溶性膳食纖維是葛根重要的食用品質(zhì)指標(biāo)。譚小燕等(2014)發(fā)現(xiàn)多年生野葛在11月至次年2月的淀粉含量最高;紀(jì)寶玉等(2013)發(fā)現(xiàn)野葛在每年8月和9月的多糖含量最高;郭麗君等(2018)發(fā)現(xiàn)桂粉葛1號(hào)的淀粉含量在6—12月之間呈逐漸增大的趨勢(shì),在11—12月達(dá)到最大。

目前,對(duì)粉葛的多糖、蛋白質(zhì)、膳食纖維素的積累規(guī)律及主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與異黃酮成分積累之間的關(guān)系研究均未見報(bào)道。不同品種、不同地點(diǎn)粉葛收獲期的可溶性糖、淀粉、總膳食纖維、蛋白質(zhì)、脂肪等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)存在差異(張應(yīng)等,2013; 李杏元,2016; 朱盼和謝娟平,2019)。成熟期,粉葛農(nóng)藝性狀、碳水化合物與異黃酮具有一定的相關(guān)關(guān)系(顧彩霞,2019; 黃秋連等,2021)。本試驗(yàn)在前人的研究基礎(chǔ)上,分析粉葛成熟期的葉、上藤、中藤、下藤、根頭、塊根各部位的異黃酮含量,探索不同時(shí)期粉葛的淀粉、多糖、可溶性蛋白、粗蛋白、可溶性膳食纖維素、不溶性膳食纖維積累量的動(dòng)態(tài)變化,并分析各營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與異黃酮成分積累的相關(guān)性,進(jìn)一步豐富和細(xì)化了粉葛的淀粉、多糖、葛根素、黃酮等物質(zhì)的積累規(guī)律,并首次研究了粉葛的蛋白質(zhì)、纖維素的積累規(guī)律及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與異黃酮成分之間的相關(guān)性。旨為闡明粉葛主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、異黃酮成分的積累規(guī)律及其相關(guān)性,明確粉葛的最佳采收時(shí)期、各部位的應(yīng)用價(jià)值及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與異黃酮成分積累的相關(guān)性,為粉葛的綜合開發(fā)利用以及采收時(shí)期的確定提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料種植和取樣處理

試驗(yàn)于2020—2021年在廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院里建科研基地進(jìn)行。該試驗(yàn)基地年平均氣溫為22.2 ℃,年均降雨量為1 386.9 mm;土壤背景平均pH為6.6,土壤堿解氮的平均含量為92.2 mg·kg-1,有效磷的平均含量為42.8 mg·kg-1,速效鉀的平均含量為50.21 mg·kg-1,有機(jī)質(zhì)的平均含量為26.22 g·kg-1。以健壯、無(wú)病蟲害、長(zhǎng)勢(shì)一致的廣西藤縣粉葛苗為試驗(yàn)材料,于2020年和2021年的3月中旬種植,2021年和2022年的1月收獲,采用單行單壟種植,壟間距為150 cm,壟高50 cm,株間距為50 cm,行間距為150 cm,種植300株,設(shè)置3次重復(fù);基肥每畝施用商用生物有機(jī)肥400 kg,植后90 d每畝追施復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)50 kg,植后120 d每畝追施復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=12∶11∶18)50 kg;搭架引蔓,每株留一個(gè)薯;其他按照粉葛的常規(guī)高產(chǎn)栽培方式進(jìn)行栽培管理。

試驗(yàn)分別在8月中旬(植后150 d)、9月中旬(植后180 d)、10月中旬(植后210 d)、11月中旬(植后240 d)、12月中旬(植后270 d)、次年1月中旬(植后300 d)共6個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期采集塊根樣品,并采集成熟期(12月份)粉葛的葉片、上藤、中藤、下藤、根頭、塊根樣品。每個(gè)時(shí)期采集9株長(zhǎng)勢(shì)一致的粉葛植株進(jìn)行測(cè)定。上藤、中藤、下藤的取樣方法是把粉葛的主藤平均分成3段,由頂端至基部分別為上藤、中藤、下藤;根頭的取樣方法是粉葛主藤與塊根連接的膨大部位;塊根取整薯。材料經(jīng)切片烘干后,105 ℃殺青30 min左右,75 ℃烘干至恒重,然后粉碎,保存于干燥陰涼處,用于各指標(biāo)的測(cè)定。

1.2 測(cè)定指標(biāo)和方法

樣品送至廣西桂林銳德檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)有限公司進(jìn)行淀粉、可溶性蛋白、多糖、粗蛋白、粗脂肪、氨基酸、可溶性膳食纖維、不溶性膳食纖維、葛根素、大豆苷、大豆苷元、染料木素等物質(zhì)含量的測(cè)定。淀粉、可溶性蛋白、多糖、氨基酸分別使用蘇州夢(mèng)犀生物醫(yī)藥科技有限公司淀粉含量測(cè)試盒(M1101A)、可溶性蛋白含量測(cè)試盒(M1806A)、總多糖含量測(cè)試盒(M1505A)、氨基酸含量測(cè)試盒(M0501A)進(jìn)行檢測(cè);粗蛋白采用微量凱氏定氮法測(cè)定(GB5009.5-2016);可溶性膳食纖維、不溶性膳食纖維采用酶重量法測(cè)定(GB5009.88-2014);粗脂肪采用索氏抽提法測(cè)定(GB5009.6-2016);葛根素、大豆苷、大豆苷元、染料木素采用高效液相色譜檢測(cè)(徐桂新等,2020);總異黃酮采用紫外分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定(譚梔恩等,2021)。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉葛成熟期不同部位異黃酮成分的分布情況

由表1可知,在成熟期,粉葛不同部位的染料木素含量的變化不顯著,而粉葛不同部位的總異黃酮、葛根素、大豆苷的含量變化較大?？偖慄S酮含量在粉葛各部位的大小順序?yàn)楦^>下藤>上藤>中藤>葉片>塊根,葛根素含量在粉葛各部位的大小順序?yàn)楦^>下藤>中藤>上藤>塊根>葉片,大豆苷含量在粉葛各部位的大小順序?yàn)樯咸?中藤>下藤>根頭>葉片>塊根,其中根頭和藤蔓的總黃酮、葛根素含量均大于1.00%。通過(guò)方差分析,發(fā)現(xiàn)根頭和藤蔓(下藤、中藤、上藤)的總異黃酮、葛根素、大豆苷的含量顯著大于葉片和塊根的含量。綜合而言,根頭、藤蔓有很高的藥用價(jià)值,葉片的總異黃酮較高。

表1 粉葛成熟期不同部位的異黃酮物質(zhì)含量Table 1 Contents of isoflavone substance in different parts of Pueraria lobata var. thomsonii

2.2 粉葛不同生長(zhǎng)時(shí)期塊根主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累變化

由表2可知,粉葛的淀粉、多糖、可溶性蛋白均呈先增大后減小的變化趨勢(shì),其中淀粉在11月和12月達(dá)到最大值且顯著大于其他4個(gè)時(shí)期,多糖、可溶性蛋白在11月達(dá)到最大且顯著大于其他5個(gè)時(shí)期。粗蛋白的含量呈先減小后增大再減小的趨勢(shì),在11月達(dá)到最大值;不溶性膳食纖維含量呈先增大后減小再增大的趨勢(shì),可溶性膳食纖維含量呈先減小后增大再減小的趨勢(shì),兩者呈此消彼長(zhǎng)的變化規(guī)律,不溶性膳食纖維含量在9月和10月達(dá)到最大且顯著大于其他時(shí)期,可溶性膳食纖維含量在8月和12月顯著大于其他時(shí)期。整體看來(lái),淀粉、多糖、粗蛋白、可溶性蛋白、可溶性膳食纖維在11月和12月達(dá)到最大值,在10—11月均有一個(gè)快速上升的階段。因此,粉葛在11月和12月采收的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值最佳,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累的關(guān)鍵時(shí)期是10月和11月。

表2 不同生長(zhǎng)時(shí)期粉葛營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累量Table 2 Nutrient accumulation of Pueraria lobata var. thomsonii in different growth periods

2.3 粉葛不同生長(zhǎng)期塊根主要異黃酮成分的積累變化

通過(guò)測(cè)定不同生長(zhǎng)時(shí)期粉葛塊根的異黃酮成分的含量,由表3可知,發(fā)現(xiàn)粉葛不同生長(zhǎng)時(shí)期的總異黃酮、大豆苷、大豆苷元、染料木素的含量呈逐漸減小的變化趨勢(shì),其中8月和9月的含量最大且顯著大于其他5個(gè)時(shí)期;葛根素含量變化呈先增大后減小的變化趨勢(shì),其中9月的葛根素含量達(dá)到最大且顯著大于其他5個(gè)時(shí)期。總體來(lái)看,粉葛的異黃酮成分在8月和9月的含量最大,此時(shí)粉葛的藥用價(jià)值最高。

表3 不同生長(zhǎng)時(shí)期粉葛異黃酮物質(zhì)的積累量Table 3 Isoflavone substance accumulation of Pueraria lobata var. thomsonii in different growth periods

2.4 粉葛總異黃酮、葛根素的積累與主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累之間的相關(guān)性

通過(guò)相關(guān)性分析,由表4可知,總異黃酮與葛根素之間呈極顯著正相關(guān),與淀粉和多糖呈極顯著負(fù)相關(guān),與不溶性膳食纖維成顯著正相關(guān);葛根素與不溶性膳食纖維呈極顯著正相關(guān),與淀粉及多糖呈顯著負(fù)相關(guān)。因此,總異黃酮和葛根素的積累與淀粉、多糖、不溶性膳食纖維密切相關(guān)。

表4 粉葛總異黃酮、葛根素的積累與主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累之間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient between accumulation of total isoflavone, puerarin and main nutrients in Pueraria lobata var. thomsonii

3 討論

3.1 粉葛不同部位異黃酮物質(zhì)的積累差異

段海燕(2016)通過(guò)解剖葛根塊根結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)葛根素主要分布在韌皮部和木質(zhì)部;石旭等(2009)對(duì)葛根進(jìn)行化學(xué)定位,結(jié)果表明葛根的異黃酮類物質(zhì)主要貯藏在周皮的栓內(nèi)層細(xì)胞、韌皮薄壁細(xì)胞、次生木質(zhì)部、初生木質(zhì)部等基本組織中,暗示著葛根素等異黃酮類物質(zhì)可能主要集中在木質(zhì)部中。藤蔓和根頭是粉葛的營(yíng)養(yǎng)和水分的運(yùn)輸通道,起到支撐的作用,含有豐富的木質(zhì)部結(jié)構(gòu), 這就不難解釋本研究中粉葛根頭和藤蔓的總異黃酮、葛根素、大豆苷的含量高于塊根和葉片的含量。然而,潘玲玲等(2011)發(fā)現(xiàn)一年生野葛的塊根與藤蔓的葛根素相當(dāng),并且大于葉片的葛根素含量;曾慧婷等(2022)發(fā)現(xiàn)“贛葛2號(hào)”粉葛品種不同部位的葛根素、大豆苷含量排序?yàn)楦?莖>葉。兩者研究結(jié)果與本研究結(jié)果存在明顯差異,造成這種差異的原因可能是品種和地域不同。因此,有必要研究不同區(qū)域和不同品種各部位積累異黃酮物質(zhì)的規(guī)律,以找到共性規(guī)律,這也是本試驗(yàn)的下一步研究計(jì)劃。

3.2 不同時(shí)期主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累規(guī)律

纖維素和淀粉均屬于多糖。前人研究結(jié)果表明不同作物的多糖合成均有一個(gè)適宜溫度,過(guò)高或過(guò)低的環(huán)境溫度均不利于植物中多糖的積累,甜瓜、鐵皮石斛、青錢松等植物的多糖積累的適宜溫度被證實(shí)在20～25 ℃之間(郝敬虹等,2009; 粟君等,2011; 張春柳,2015; 孟雨冉,2017)。廣西在10月之前會(huì)出現(xiàn)一個(gè)持續(xù)性的高溫天氣,到了11—12月時(shí),溫度會(huì)下降到20～25 ℃,這一溫度可能也是粉葛的多糖類物質(zhì)積累的最佳溫度,因此粉葛的淀粉、多糖、可溶性膳食纖維的含量在11—12月達(dá)到最大。研究者認(rèn)為適量的高溫會(huì)引起稻米蛋白含量增加(張桂蓮等,2013; Cao et al., 2017),但也有學(xué)者認(rèn)為高溫對(duì)蛋白質(zhì)的提高作用會(huì)因品種而異(孟亞利和周治國(guó),1997)。本研究中粗蛋白、可溶性蛋白在溫度較高的6—10月的積累量大于溫度較低的11—12月的積累量,這說(shuō)明適度的低溫可能更有利于粉葛的蛋白質(zhì)積累。此外,淀粉、多糖、蛋白質(zhì)等物質(zhì)均屬于粉葛的儲(chǔ)藏物質(zhì),在粉葛生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中不斷得到積累,在11—12月時(shí),粉葛的地上部分出現(xiàn)枯萎無(wú)法繼續(xù)合成這些儲(chǔ)藏物質(zhì),此時(shí)儲(chǔ)藏物質(zhì)的積累量達(dá)到最大,為了維持粉葛地下部分的存活,這些儲(chǔ)藏物質(zhì)又被轉(zhuǎn)化成其他能量物質(zhì),從而在1月份出現(xiàn)一個(gè)減小的趨勢(shì)。

3.3 不同時(shí)期粉葛的異黃酮物質(zhì)的積累規(guī)律

葛根素、異黃酮類物質(zhì)均屬于黃酮物質(zhì),由肉桂酰輔酶A側(cè)鏈延長(zhǎng)后環(huán)化形成以苯色酮環(huán)為基礎(chǔ)的酚類化合物,是次生代謝產(chǎn)物。一定程度上,植物對(duì)環(huán)境脅迫可做出相應(yīng)的抵御反應(yīng),而次生代謝及其產(chǎn)物是其生化反應(yīng)基礎(chǔ),因此植物次生代謝產(chǎn)物的合成與環(huán)境因子有著密切的聯(lián)系。擬南芥、茶樹、煙草、柑橘等作物,通過(guò)適度的干旱脅迫會(huì)大量提高黃酮物質(zhì)的積累量(Alininian et al., 2016;Wang et al., 2016;Song et al., 2016;Zandalinas et al., 2017)。在芹菜中,適度低溫脅迫可以提高黃酮物質(zhì)的積累(張萌,2017),而Wahid等(2007)則認(rèn)為高溫下植物中黃酮類物質(zhì)含量呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。由此可見,環(huán)境脅迫可以提高黃酮物質(zhì)的積累。廣西每年的8—9月的溫度和降雨量很高,這時(shí)的粉葛可能面臨著嚴(yán)峻的高溫、高濕的環(huán)境脅迫,從而產(chǎn)生更多的次生代謝產(chǎn)物葛根素和其他異黃酮物質(zhì)。

3.4 粉葛主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與異黃酮成分積累的相關(guān)性

葡萄糖、果糖屬于還原性糖,是合成淀粉、果膠、纖維素等多糖物質(zhì)的重要底物,而還原糖物質(zhì)可以參與到異黃酮類物質(zhì)的合成(Zhang et al., 2021)。因此,淀粉、多糖與異黃酮類物質(zhì)存在競(jìng)爭(zhēng)底物的關(guān)系,從而出現(xiàn)粉葛的總異黃酮、葛根素的積累與淀粉、多糖呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。然而,目前對(duì)總異黃酮物質(zhì)與膳食纖維之間相關(guān)關(guān)系的研究較少,其相互作用機(jī)制并不明確,有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

粉葛的根頭、藤蔓含有豐富的總異黃酮、葛根素、大豆苷,具有很好的開發(fā)利用價(jià)值;粉葛藥用的最佳采收期為8月和9月,粉葛食用的最佳采收期為11月和12月,粉葛的淀粉、多糖的積累可能不利于總異黃酮及葛根素的積累。