学术报告厅
| Research, development and application of bioactive substances in soybean |
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崔洪斌 哈尔滨医科大学公共卫生学院 大豆，俗称黄豆，是中国、亚洲乃至世界各国人民自古以来就广泛种植、食用的豆类作物。大豆中具有丰富的油脂、蛋白质。历来人们应用其榨豆、制作豆腐，同时还可以直接食用。近些年来，人们发现大豆除其具有丰富的油脂、蛋白质等营养素之外，还含有许多鲜为人知的具有特殊生物学作用的活性物质。例如低聚糖、大豆皂甙、大豆异黄酮、大豆磷脂、维生素Ｅ等。本文将讨论大豆中具有生物活性的这几类物质。 一、大豆低聚糖 ㈠大豆低聚糖的组成、结构、理化性质 大豆低聚糖是大豆中含有低分子可溶性糖类，在大豆种子中约占10%左右。主要成份是水苏糖、棉子糖和蔗糖，还有一些葡萄糖、果糖，右旋肌醇甲醚（pinitole）、半乳糖肌醇甲醚（galactopinitole）等。 低聚糖的结构都是分子量较低的糖类。棉子糖是三糖，是半乳糖以α（1-6）键与蔗糖的葡萄糖基相连接。水苏糖是四糖，是棉子糖的半乳糖以α（1,6）键与半乳糖连接。棉子糖与水苏糖也是半乳糖类的低聚糖。 大豆中低聚糖含量因品种、栽培条件、气候、土壤等不同略有差异。其中主要的几种低聚糖，在大豆种子中含量约为：水苏糖4%、棉子糖1%、蔗糖5%。大豆加工成制品后低聚糖损失很大，含量也有些变化，下表为大豆制品中低聚糖的含量。 大豆低聚糖有如下理化性质： ⒈ 甜度：甜味纯正，近于蔗糖，甜度约为蔗糖的70～75%。 ⒉ 粘度：高于蔗糖和果葡糖浆，而低于麦芽糖浆。 ⒊ 渗透压：略高于蔗糖。 ⒋ 冰点下降：浓度为10～40%的大豆低聚糖冰点下降与蔗糖相同。 ⒌ 热稳定糖：对温度比较稳定，水苏糖和棉子糖在140℃（pH5～6）下仍很稳定，但pH为3，加热到120℃可残存70%。水苏糖在可分解为蜜三糖，棉子可分为二糖，仍然是双岐杆菌的生长促进因子。 ㈡大豆低聚糖的生物学活性 众所周知，人类的肠道内约有100兆个细菌，由100多种细菌构成肠道菌群。其中双岐杆菌是对人体有益的细菌，因此人们都在研究如何能使用肠道由双岐杆菌繁茂生长逐渐形成优势菌株，其分泌产物是人体生长极为有利。低聚糖是双岐杆菌生长必须营养物质，双岐杆菌应用低聚糖产生醋酸、乳酸等代谢产物，可抑制产气荚膜杆菌和大肠菌等有害菌的生长繁殖，从而抑制氨、吲哚、胺类腐败物质的生成，促进肠道的蠕动，防止便秘。双岐杆菌还能合成Ｂ族维生素、分解某些致癌物，提高人体免疫力。低聚糖有许多种，如大豆低聚糖、异芽低聚糖、半乳糖低聚糖、木糖醇聚糖等，有人称之为双岐杆菌生长促进因子。 大豆低聚糖许多低聚糖的一种，其特有的结构和理化性质，使之具有特殊的生物学活性。 ⒈ 不易消化性：大豆低聚糖中所含有的水苏糖和棉子糖不能被人体消化酶分解。有试验证明，水苏糖与棉子糖不会在小肠内被吸收，而在双岐杆菌较多的消化道下部才会被肠内细菌利用，这对双岐杆菌的生长极为有利。 ⒉ 促进双岐杆菌生长繁殖：有试验表明精制的大豆低聚糖可绝大部分被双岐杆菌利用，利用率超过果糖低聚糖、而产气荚膜杆菌和大肠杆菌等肠道有害细菌几乎不能利用大豆低聚糖。 ⒊ 改善肠内细菌群结构：经过人群试食大豆低聚糖试验，双岐杆菌在肠内含量可高达2～3倍以上，产气荚膜杆菌和其他有害菌明显减少，腐败细菌受到抑制。 ⒋ 试食大豆低聚糖试验可使食用者改善粪便，达到通便效果。 ⒌ 低热值：对糖尿病人的糖代谢、脂质代谢都无影响。 二、大豆皂甙 皂甙(Saponins)是存在于植物界的一类比较复杂的甙类化合物，具有特殊的生理活性。如人参皂甙、绞股蓝皂甙和柴胡皂甙等的生理功能及药用价值等方面已有深入的研究。而大豆中含有的大豆皂甙(Soysaponins)在我国尚未引起人们的足够重视。国外的许多研究已表明，大豆皂甙是一种具有广泛应用价值的天然生物活性物质，并且已将其应用于药品、食品、化妆品等。我国是世界上著名的大豆生产国，因此研究其生理活性，进行产品开发有重要意义。 ㈠大豆皂甙的来源、分布和化学结构 大豆皂甙是从豆科植物中提取出来的一类化学物质。其分子由低聚糖与齐墩果稀三萜连接而成，属五环三萜类皂甙。大豆皂甙在大豆中的分布主要集中于胚轴，其含量受大豆的品种、部位、生长期等条件的影响。大豆皂甙在大豆种子各部位的含量不完全相同。Shimoyomada的实验表明乙酰大豆皂甙A１ 和A４ 只存在于大豆种子胚轴中，大豆皂甙Ⅰ存在于植株的所有器官，大豆胚轴中皂甙含量较高，是子叶皂甙含量的8～15倍。大豆皂甙的含量随种子发育是不断变化的，大豆开花50天后，皂甙的含量达到最高。 大豆皂甙经酸水解后，其水溶性组分主要为葡萄糖、葡萄糖醛、半乳糖、阿拉伯糖和木糖。皂甙元与不同的糖结合以及结合部位的不一致就构成了多种皂甙。目前已知的大豆皂甙主要有5种，分别为大豆皂甙A１ 、A2 和大豆皂甙Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。北川等人最早发现了大豆皂甙的上述几种结构，后来由于提取过程中皂化反应步骤使用不当，又重新进行了大豆皂甙的分离鉴定，结果发现了６种A组皂甙和５种B组皂甙，这些皂甙大多是上述几种皂甙的乙酰化产物，且以乙酰化大豆皂甙A１ 和乙酰化大豆皂甙A４ 的存在最为普遍。 ㈡大豆皂甙的生理活性 大豆皂甙具有较强的生理功能。很早以前人们就知道大豆皂甙具有溶血作用，对人体健康不利，人们视其为抗营养因子。同时大豆皂甙具有苦味，这是导致大豆制品具有苦涩味的主要原因。所以在加工大豆制品时，人们总是寻求一些方法将其除去。但近几年来，越来越多的研究表明大豆皂甙还具有较多有益的生理功能。 １、降低血中胆固醇和甘油三酯含量 Kitagawa等发现大豆皂甙可以抑制血清中脂类的氧化，抑制过氧化脂质的生成，并降低血中胆固醇和甘油三酯的含量。Ohminami认为，脂肪细胞中由肾上腺素诱导的脂质化过程可由于大豆皂甙Ⅰ和Ⅲ的存在而受到抑制。大豆皂甙Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ可抑制 ACTH诱导的脂质化过程。高贵清有实验表明，大豆皂甙明明显降低高脂饲料家兔血清中胆固醇和甘油三酯含量，但对其基础饲料家兔的降血脂作用不明显。说明大豆皂甙能预防高脂肪膳食所造成的高脂血症，而对血清胆固醇和甘油三酯仍可其保持正常状态。 ２、抗氧化、抗自由基、降低过氧化脂质 Ohminami等已证实大豆皂甙具有抗脂质氧化和降低过氧化脂质的作用，且抑制过氧化脂质对肝细胞的损伤。王银萍发现大豆皂甙能通过自身调节增加SOD（超氧化物歧化酶）的含量，降低LPO（过氧化脂质），清除自由基，减轻自由基的损伤作用。陈静的研究表明大豆皂甙在达到一定剂量时可以明显降低电离辐射诱导的小鼠骨髓细胞染色体畸变与微核的构成。自由基可造成DNA的损伤，根据大豆皂甙的化学结构，它不可能减轻辐射对DNA的直接损伤作用。大豆皂甙降低X射线诱发遗传物质损伤的机制可能是通过减少辐射水解产物─自由基或加速自由基的代谢而间接起作用。LPO是自由基的代谢产物，大豆皂甙可降低老龄大鼠LPO在肝脏及血浆中的含量，并可防护四氯化碳对肝脏的损伤作用。这些都证明了大豆皂甙有淬灭自由基的作用，从而促进DNA的损伤修复。 ３、抑制肿瘤细胞生长 郁利平发现大豆皂甙对S180细胞和YAC-1细胞的DNA合成有明显抑制作用，并且对K562细胞和YAC-1细胞亦有明显的细胞毒作用。国外也有学者报导了大豆皂甙的抑瘤作用，认为大豆皂甙的抑癌机制可能为：直接的细胞毒作用、免疫调节作用、胆汁酸结合作用和促使致癌物引起的细胞扩增转为正常。浓度为150～600mg?L-1 的大豆皂甙可抑制人类癌细胞（HCT-15），并呈剂量反应关系。大豆皂甙分子量约1000左右，属中等分子，溶于水，可经简单扩散或主动转运等方式进入瘤细胞，以发挥抑瘤作用。所以，大豆皂甙抑瘤作用的机理之一可能是大豆皂甙直接破坏肿瘤细胞膜的结构或抑制DNA的合成。这只能证明大豆皂对肿瘤细胞的直接作用。对肿瘤的间接作用可能与免疫有关。 ４、抑制血小板凝聚 Kubo以Wister大鼠为对象进行研究发现，大豆皂甙可抑制血小板和血纤维蛋白原的减少，可抑制内毒素引起的纤维蛋白的聚集，也可抑制凝血酶引起的血栓纤维蛋白形成，表明大豆皂甙具有抗血栓作用。Kubo等的研究还发现各大豆皂甙单体及总皂甙都可以抑制纤维蛋白原向纤维蛋白的转化，而且大豆皂甙Ⅰ、Ⅱ还可以激活血纤维蛋白溶酶系统。王银萍发现肌注大豆皂甙能降低糖尿病大鼠血糖、血小板聚集率及TXA2 、PGI2 值，提高胰岛素水平。 ５、抗病毒 大豆皂甙的抗病素作用是最近几年来关于大豆皂甙研究的一个新领域。国外一些学者已做了一些这方面的工作．Nakajima报道大豆皂甙对人类艾滋病病毒的感染和细胞生物学活性都具有一定的抑制作用，并且认为大豆皂甙无论对AIDS的治疗还是预防都是非常有用的。国内学者的研究表明大豆皂甙对单纯疱疹病毒Ⅰ型(HSV－Ⅰ)，柯萨奇B3 (CoxB3 )病毒的复制有明显的抑制作用，同时大豆皂甙还体现出对病毒感染细胞很强的保护作用。临床应用研究表明，大豆皂甙对疱疹性口唇炎和口腔溃疡效果显著，有效率达88.8%和76.9%。大豆皂甙具有广谱抗病毒的能力，无论是对DNA病毒还是RNA病毒都有明显作用，具有广泛应用前景。 ６、免疫调节作用 大豆皂甙的抑瘤机理之一可能与其免疫调节作用有关。郁利平的研究表明，大豆皂甙经口给予小鼠后，能明显促进ConA和Lps对小鼠脾细胞的增殖反应，能明显增强脾细胞对IL－2的反应性，增加小鼠脾细胞对IL-2的分泌，并明显地提高NK细胞，LAK细胞毒活性，从而表现出明显的免疫调节作用。 对于大豆皂甙生物学功能的研究报导还有很多，如大豆皂甙可加强中枢交感神经的活动，通过外周交感神经节后纤维释放去甲肾上腺素和肾上腺髓质分泌的肾上腺素作用于血管平滑肌的α受体，使血管收缩；作用于心脏的β受体，加快心率和增强心肌的收缩力而引起血压升高。此外还有大豆皂甙防止动脉粥样硬化，抗石棉尘毒性等的报道。大豆皂甙对治疗肥胖也有一定疗效。 ㈢大豆皂甙的应用前景 据前所述，大豆皂甙在以下几方面的应用较有前途。 １、应用于食品添加剂及保健食品 大豆皂甙具有发泡性和乳化性，可在食品、药品、化妆品中作添加剂广泛应用。王章存向酒中添加大豆皂甙可增加泡沫的体积，保持泡沫的稳定性，同时有利于改善啤酒的风味。日本的一些学者在此领域研究的较为深入，开发研制了含大豆皂甙的保健食品、减肥食品及皂甙汁、皂甙饮料等并申请了专利。 ２、应用于药品 大豆皂甙在药品领域中的应用是最为广泛的。大豆皂甙的多种生理功能如降血脂、抗氧化、抗动脉粥样硬化、免疫调节等决定了它在药物方面应用的广泛前景。国外已有大豆皂甙作药用的报道。大豆皂甙最有可能被开发为治疗心血管疾病的药物，通过降低血浆中胆固醇含量、抑制血栓形成，从而降低心血管疾病的发生。同时根据大豆皂甙可降低血中胆固醇和甘油三脂含量这一特性，将其用作减肥药品并取得一定的效果。大豆皂甙还具有抑瘤效应、抗病毒作用。 ３、应用于化妆品 大豆皂甙在化妆品中的应用，国外学者早有报道，日本学者早已研究包含大豆皂甙的化妆品，并申请专利。其实用效果在临床已得到证实。大豆皂甙可阻止由脂质过氧化引起的皮肤疾患，减少皮肤病的发生。 大豆是世界上最主要的经济作物之一。我国是农业大国，粮豆产量丰富，每年加工豆制品，榨油所消耗的大豆数量非常巨大。倘若能充分利用豆粕、种皮及胚轴分离提取大豆皂甙，综合利用、开发天然食品、药品化妆品等将具有十分现实的意义。 三、大豆异黄酮 近年来，西方膳食结构引起的肿瘤、心脑血管等疾病越来越受到关注，研究表明，膳食大豆异黄酮与癌症和冠心病的发病率密切相关，染料木素（Genistein,G）和大豆甙元（Daidziein,D），作为大豆异黄酮甙元订 成分，具有多种生理作用，应用价值很高。 ㈠大豆异黄酮的来源、分布、组成及其影响因素 大豆异黄酮主要分布于大豆种子的子叶和胚轴中，种皮含量极少。80%～90%异黄酮存在于子叶中，浓度约为0.1～0.3。胚轴中所含异黄酮种类较多且浓度较高，约为１%～２%，但由于胚只占种子总重量的２%，因此尽管浓度很高，所占比例却很少（10%～20%）。 目前发现的大豆异黄酮（isoflavone）共有12种，分为游离型的甙元和结合型的糖甙（Glucoside）两类。甙元约占总量的２%～３%，包括染料木素(Ｇ)、大豆甙元(Ｄ)和Glycitein(Gly)。糖甙约占总量的97%～98%，主要以丙二酰染料木甙 (6"-O-malonylgenistin)，丙二酰大豆甙(6"-O-malonyldaidzin)、染料木甙(Genistin)和大豆甙（Daidzin）形式存在，约占总量的95。 不同的加工方法对大豆食品的异黄酮含量和成分影响较大。研究表明，加工工艺造成异黄酮显著损失（P<0.05）：浸泡损失为12%，热加工为49%，豆腐制作为44%，大豆蛋白分离碱提取为53%。浸泡和加热使丙二酰异黄酮甙减少而相应的乙酰异黄酮甙增加，游离甙元增加。发酵和碱提取也可以使游离甙元增加。用0.25NaHCO3 溶液煮沸豆粉30min可以显著减少游离甙元的产生 ㈡吸收和代谢 关于异黄酮吸收和代谢的详细途径目前还不清楚。动物实验表明食物中大部分以甙类形式存在的黄酮类化合物不能通过小肠壁，只有少量的甙元（约１%）从小肠直接吸收，但吸收机理不清楚。人体试验表明大豆异黄酮可在肠道吸收，吸收率约在10～40%。 Xu等(1995)研究发现，人体异黄酮生物利用率取决于肠道细菌对异黄酮化合物的相对降解能力。 G比D更容易被肠道细菌溶解而降低生物利用率。 膳食因素对异黄酮吸收存在一定影响。Tew发现小麦纤维膳食能显著减少血、尿中G浓度(P<0.05)，而对D浓度的影响不显著。 这可能是G的多羟基易与难溶纤维结合而阻碍吸收。纤维吸水膨胀使肠腔扩大从而降低细菌酶浓度，限制了胆汗分泌异黄酮的重吸收。 动物实验表明，黄酮类化合物在肝脏参与Ⅱ类反应，OH－基团与葡醛酸、硫酸结合，此外也可能发生去甲基化。结合型产物可能随胆汁分泌到肠腔中，在结肠微生物产生的脱结合物酶作用下，水解产生甙元再重吸收入血。与此同时，大部分黄酮类化合物被肠腔内微生物通过杂环裂解方式降解和代谢，产物可吸收入血后由尿液排出。Kelly等用GC－MS方法测定了12名志愿者摄入大豆膳食后尿中异黄酮代谢产物。实验结果证实尿中存在异黄酮G，D，Gly，及其代谢产物。不同个体吸收膳食异黄酮的能力以及吸收后在体内代谢程度存在个体差异。个体在异黄酮代谢途径上有一定选择性。 ㈢生理作用 １、抗癌作用 流行病学研究表明，大豆作为G的唯一膳食来源可能与中国、日本相对低发乳腺癌、结肠癌、前列腺癌有关，日本人血浆总异黄酮水平比西方人高７～100倍。居住在夏威夷的日本人有列腺癌死亡率较低，尸解发现其原位癌发病率与西方国家相似。 Barnes总结了G对体外和体内癌模型的作用效果，三分之二的结果报道癌风险（发生率，潜伏期，癌数量）显著减少。体外癌模型中，G抑制人癌细胞株增殖的IC50 值范围较大(2.6～79μmmol／L或１～30μg／ml)，仅少数例子IC50 低于13.2μmmol／L(5μg／ml)，这被认为是消费大豆膳食的血清浓度上限。D可抑制黑色素瘤B16细胞生长，降低体内生瘤能力，D对人早幼粒细胞HL-60有分化诱导作用，且与维甲类化合物有分化诱导协同作用。 尽管流行病和癌模型研究表明异黄酮对癌症有防治作用，但其作用于癌细胞的生化靶点和作用机理还不清楚，近年来的研究主要集中在以下几方面。 抑制酶和增长因子作用 G是酪激酶(TK)的特异性抑制剂，后者参与信号级联放大并最终引起细胞分裂。然而研究发现G既能抑制表皮增长因子（EGF）激发的人前列腺细胞增长也能抑制血清因素激发的细胞增长，且对EGF 受体酪激酶自身磷酸化无作用。实体癌细胞株研究证实，在G存在情况下，EGF和其它增长因子受体能够传递有丝分裂信号。 G对拓扑异构酶Ⅱ（ToPoⅡ）抑制作用受到重视。G不仅在体外抑制纯化的ToPoⅡ的解链活性，也使完整细胞内蛋白质结合的DNA链断裂。此外Ｇ还抑制蛋白组氨酸激酶(PHK)，一些体内观察结果可能与PHK抑制有关。 弱雌激素和抗雌激素作用 异黄酮可作为雌激素拮抗剂竞争性结合雌激素受体（ER）抑制有丝分裂。D与雌二醇竞争性结合鼠子宫Ⅱ型雌激素结合位点(称为生物黄酮受体)抑制癌细胞生长。异黄酮还可刺激性激素结合球蛋白合成，减少性激素的的生物活性。 Peterson发现，G对乳癌细胞的抑制存在多种作用途径。 抗氧化作用 在微核测试系统中发现，G和D在相对较高浓度下抑制脂质过氧化。G能有效防止UVA-和UVB-或过氧化基团诱导的脂质氧化。G和D抑制佛波酯诱导的HL－60细胞过氧化氢形成。异黄酮没有抑制NADPH的酶促氧化作用，提示其抗氧化机制可能是自由基清除作用。 其它 Fortsis等研究发现G在体外抑制内皮细胞增生和血管发生作用较强，最大半数抑制浓度分别为5，150μmol／L。Ｇ抑制血管发生作用表明 ，异黄酮可作为多种慢性新生血管性疾病的治疗剂。 ２、心血管防护作用 大量消费大豆食品的人群心脏病发病率低，大豆蛋白能减少血总胆固醇和LDL胆固醇浓度。国内学者胡海峰等于1996年首次发现Ｄ在体外对HMG－CoA还原酶有抑制作用，推测Ｄ在体内存在相似作用，可减少体内胆固醇的合成，降低血胆固醇浓度。在体外，G是酪激酶活性抑制剂，能阻断增长因子如血小板源性增长因子（PDGF），基础纤维斑块增长因子和其它增长因子作用，这些因子通过酪激酶参与粥样斑块增长。PDGF在血栓形成过程中由激活的血小板释放出来，而G抑制凝血酶诱导的血小板激活和凝聚。通过干预血小板和凝血酶作用，Ｇ可以减少全身与动脉粥样硬化有关的血栓形成。 G抑制许多血管细胞增殖和血管发生。血管生成可以扩大损伤灶。G也能抑制平滑肌细胞增生，这也是动脉粥样硬化灶扩展的重要步骤。白细胞粘附分子（β2 －整合蛋白）激活表达可能在损伤形成初期有重要意义。G被证明能抑制细胞粘附。 ㈣大豆异黄酮的开发、应用 大豆异黄酮是非常有前途的保健食品、药品，主要应用于防治癌症（乳腺癌、前列腺癌等）如防护心血管系统。但因其在大豆中含量极低，提取成本太高很难有商品问世。精制、纯化的高纯度大豆异黄酮每mg竞达13.9美元。对其开发应用有以下几种途径。 １、培育高异黄酮大豆 据报道，美国通过大豆种子改良已培育出异黄酮高达1%的大豆，这使异黄酮含量增大五倍，可以应用提取、精制、纯化制取大豆异黄酮。 ２、进行大豆异黄酮的合成 大豆异黄酮结构清楚，可以应用黄酮为原料进行化学合成异黄酮。 ３、探讨新的、有效的提取方法，我们曾对大豆种子进行脱脂、醇提、树脂净化等方法进行提取，获得了纯度60%以上的异黄酮，此浓度可以作为保健食品或药品应用。 参考文献： |