俄罗斯黄花草木樨次生代谢产物开发利用研究

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摘要：为达到对斯列金1号黄花草木樨（Melilotus officinalis）综合开发利用的目的，对其进行了较系统研究。研究结果表明，在黄花草木樨的根、茎、叶、子各部位含有不等量的黄酮、皂苷、多糖、多酚、生物碱及香豆素等次生代谢产物，它们具有阻抗性、调节性和防治疾病等生理功能，可作为生产医药保健、食品、化工等产品的贵重原料，还可制作畜禽饲料的营养保健添加剂。因此，黄花草木樨中的次生代谢产物颇具开发利用前景。

关键词：黄花草木樨（Melilotus officinalis）；次生代谢产物；开发利用

中图分类号：Q946.8；S816 文献标识码：A 文章编号：0439—8114（2012）19—4308—05

1 概述

1.1 斯列金1号黄花草木樨的引进

斯列金1号黄花草木樨（Melilotus officinalis）是我们自俄罗斯西伯利亚地区引进的豆科牧草优良品种。它由阿穆尔州的野生黄花草木樨经赤塔州育种站自然授粉培育而成。据俄罗斯布里亚特联邦共和国农业部种子公司介绍，其特点是生命力强，繁殖率高，适合于在较恶劣的气候、土壤环境中生长，具有抗严寒、抗风沙、抗盐碱、抗干旱、固氮、肥田等多种功能。通过它改良的土壤，不施或少施肥料种庄稼可获得较好的收成。可以生产富含蛋白质的牧草饲料，发展畜牧业。此外，还可以从中提取蛋白质作为食品添加剂。

自1999年从俄罗斯引进斯列金1号黄花草木樨后，在松嫩平原西南部曾开展过多批次试验均获得成功，其各项指标均优于在西伯利亚地区的种植结果[1]。目前，本研究组正在开展黄花草木樨的综合利用研究，其重点内容之一是对牧草次生代谢产物的生理活性物质进行开发利用，这是一项新的探索。

1.2 植物次生代谢产物的概念

经本研究组试验研究发现，在黄花草木樨的根、茎、叶、子中都含有不同量的蛋白质、氨基酸及不饱和脂肪酸，在叶片和种子中其含量较大，颇具开发利用价值。而且还发现在黄花草木樨株体中含有多种次生代谢产物，如黄酮、皂苷、多酚、多糖、生物碱与香豆素等。

植物次生代谢产物（Secondary metabolites）是指植物体在生命过程中，在一系列相关酶的作用下，以初生代谢产物糖、脂及蛋白质类物质为底物，产生的并非生长发育所必需的小分子有机化合物，其生产和分布通常有种类、器官、组织和生长发育期的特异性。这是1891年Kossel给出的定义[2]。尽管关于植物次生代谢产物概念的提出已有百余年的历史，但是对于它们的研发仍处于初步阶段。鉴于植物次生代谢产物具有多方面的生物活性，有重要的研发和利用价值，它们已成为植物化学、中草药学和食品科学领域的一个研究热点。近年来，研究者们还开展了微生物次级代谢产物的研究，它们已成为新农药、新医药的主要来源[3，4]。

2 牧草次生代谢产物的种类及检测

2.1 次生代谢产物的种类与特征

本研究涉及皂苷、生物碱、多酚、多糖、黄酮和香豆素等主要次生代谢产物，其结构、特征分述如下。

2.1.1 皂苷的结构与特征 皂苷是苷类的一种，为分子较大的一种有机化合物。皂苷又称配糖体，是由糖或醛的衍生物的半缩醛羟基以缩醛键（苷键）脱水缩合而成的环状缩醛衍生物。因其水溶液振摇后成胶体溶液，并具有持久的、类似肥皂溶液的泡沫，故称皂苷。根据其化学结构可分为三萜皂苷和甾体皂苷两大类。由于化学结构不同，其生物活性表现出差异。

2.1.2 生物碱的结构与特征 生物碱的化学结构比较简单，为氨基酸类化合物的衍生物，已分离出的碱有N—丙二酸单酰基色氨酸、高水苏碱和水苏碱[5]。

2.1.3 多酚的结构与特征 多酚又称单宁，是一类多元酚化合物。多酚广泛存在于农作物中，如高粱、油菜子和棉子等，它们是植物进化过程中所形成的次生代谢产物，具有抗虫、抗真菌、抗细菌的功效，对植物有保护作用。

2.1.4 多糖的结构与特征 多糖是一种具有广泛生物活性的大分子化合物，它不仅是生物的营养成分，而且还参与机体生命过程中细胞的各种活动。根据相对分子质量和分子间氢键的不同，多糖可形成I—IV级结构。在自然界中多糖可分为离子型多糖和非离子型多糖，根据其组成单糖的种类，又可分为聚多糖和杂多糖两大类。多糖的结构特征与生物活性有关。

2.1.5 黄酮的结构与特征 黄酮类化合物是以黄酮（2—苯基色原酮）为母核而衍生的一类黄素，是以C6—C3—C6为基本碳架的一系列化合物，即二氢黄酮、异黄酮、二氢异黄酮，黄酮多以双糖普、三糖普及双糖链苷等形式存在于植物体内。黄酮具有许多重要的生物活性，可广为利用。

2.1.6 香豆素（conmaum） 又称作邻羟基桂皮酸内酯，具有芳香味。它是一类含有1个或几个C6—C3单位的植物成分，可分为香豆素和苯丙酸两类。香豆素对生物具有独特的生理活性。对植物而言则有双重活性，低浓度时是一种生物激素，高浓度时却能抑制生物生长。

2.2 次生代谢产物的检测

我们对黄花草木樨的根、茎、叶、子中的皂苷、生物碱、多酚、多糖、黄酮和香豆素等次生代谢产物进行了系列、平行检测。皂苷及生物碱检测采用重量法，香豆素采用高效液相色谱仪（HPLC）进行检测，多酚检测采用福林试剂比色法，多糖检测采用蒽铜—硫酸比色法，黄酮检测采用亚硝酸钠—硝酸铝—氢氧化钠比色法。

2.3 检测结果分析

由表1可见，黄花草木樨株体的各部分都含有不等量的次生代谢产物，与紫花苜蓿类似，就在全株所占的比例而言，皂苷、生物碱所占比例较高，分别达到5.190 9%和3.170 0%；而多糖和黄酮所占比例较低，分别为0.833 6%和0.051 28%。就植株部位而言，多糖在叶中含量较低，而其他的次生代谢产物均在叶片中含量最多。但有的代谢产物在株体中分布相对均一，使得各部位都有利用价值。如皂苷除在种子中含量相对偏低外，其在叶、根、茎中均有利用价值；生物碱除在根部含量偏低外，在其他部位也均有利用价值；多酚在根、茎、叶中的含量较高；多糖在根、子中的含量较高，有开发利用价值；对于香豆素而言，其在叶、子中的含量较高，可以作为单体化合物提取利用。

2.4 斯列金1号黄花草木樨营养成分的检测与分析

首次将斯列金1号黄花草木樨和紫花苜蓿叶、茎、根的营养成分、矿物元素含量进行对比检测（表2），结果发现2种牧草营养成分的含量大体相似，相互间有些波动。某些成分如B、Se、T—N、T—P、粗蛋白等呈现出前者高于后者的趋势。表2中数据可供综合利用黄花草木樨时参考。

3 次生代谢产物的生理活性

3.1 次生代谢产物的生理活性

3.1.1 黄酮的生理活性 黄酮具有许多重要的生理活性，它可以促进冠状动脉扩张，降血脂、降血糖、降胆固醇，增加心脑血管的血流量，促进血液循环，降低心血管病发病率，还具有提高免疫力等功能[5]。黄酮具有很强的氧化能力，是一种强氧化剂，它的抗氧化作用是维生素E的10倍[6]。它可提高血液中的超氧化物歧化酶（SOD）的活性，因而还具有较强的清除氧自由基的能力[7]。在黄酮中含有一种抗凝因子，它可以改善血液循环，具有抗心血管病和动脉粥样硬化的作用。黄酮还具有调节免疫、抗炎止痛、抗菌抗癌、抗衰老等功能。黄酮有较大的医疗、保健价值，对于防治心血管疾病有较好的效果。黄酮对于治疗气管炎也有很好的作用，市场上出售的治疗气管炎的药物中，半数主要成分为黄酮[8—10]。

3.1.2 皂苷的生理活性 皂苷具有祛咳止痰、强心镇静、抗炎、抗菌等功效，由于皂苷类化合物的成分和结构的差异，其功能明显不同。甾类皂苷具有抗心律失常，增强心肌收缩，抗心血管病的作用，除了具有调节免疫功能外，还可以治疗咽喉肿痛、跌打伤痛、止血、降糖，还有抗炎和抗疲劳的作用，可提高猪的免疫力，预防猪瘟。

皂苷在胃中产生酯化反应，可阻断机体对脂类及胆固醇的吸收，调节胆固醇的含量，对于治疗动脉粥样硬化有较好的效果。皂苷可镇咳祛痰，防治支气管炎，抑制皮肤真菌，还具有抗虫活性。黄花草木樨皂苷可抑制小鼠白细胞生成[11—14]。

3.1.3 多酚的生理活性 在多种植物和牧草中都含有多酚，多酚具有抗真菌、抗细菌的功能，对植物起保护作用，还具有抗氧化和清除自由基的功能。在畜禽的直肠中通过微生物的作用，降低蛋白质的降解，从而减少粪毒素的合成。多酚可抑制绵羊身上的寄生虫，保护其健康。

3.1.4 多糖的生理活性 多糖独特的生物活性是抗肿瘤、抗心血管病和抗衰老。多糖具有较强的抗氧化和清除自由基的功能，其作用较维生素C强。多糖可提高血清中超氧化物歧化酶（SOD）的活性，降低血液中脂质过氧化物（MDE）的含量，促进自由基的清除。黄花草木樨多糖有抗炎、抗菌、增强免疫力和抗贫血的功能[15—17]。黄芪多糖可显著增强免疫活性，提高机体的免疫能力。多糖可以提高鸡的抗病能力，抵御禽流感（AI）。

3.1.5 生物碱的生理活性 生物碱具有明显的降脂、减肥作用，有抑制胆固醇和降低血压的功能。生物碱还有抗炎、抗菌、抗病毒、抑制痉挛的作用。可以治疗病毒性肝炎，预防子宫感染，镇咳祛痰，防治支气管炎。

3.1.6 香豆素的生理活性 香豆素具有多种独特的生理活性。对植物而言其生理活性具有双重性，即低浓度时它是植物的一种激素，促进植物生长，高浓度时却能抑制植物生长。香豆素对人体生理活性的作用非常广泛，具有抗高血压、抗凝血、抗菌、抗炎、抗癌、抗病毒等多种药理功能。香豆素可提高血管通透性，改善血液循环，治疗淋巴血管静脉炎和结石，抗炎，对预防风湿性关节炎、支气管炎等有较好的效果。近年来还发现香豆素有预防艾滋病（AIDS）的作用。

3.2 次生代谢产物阻抗性生理活性

阻抗性生理活性体现在它们会对机体所产生的各种不利因子、有害因子进行阻抗或阻截，从而起到缓解或消除的作用。例如抗氧化、清除自由基、抗炎、抗菌、抗凝血、抗衰老等。不同的次生代谢产物其阻抗性生理活性存在着差异。相对而言，皂苷、多酚、多糖、黄酮较全面，而生物碱侧重于消炎、抑菌、抗氧化，香豆素则侧重于抗炎、消炎、抗凝血和抗艾滋病（表3）。

3.3 次生代谢产物某些调节性生理活性

机体内某些生化指标、组织的功能状态等在失调的状况下，通过某种次生代谢产物的调节作用可使其达到平衡状态。调节内容包括血糖、血脂、胆固醇、血管和支气管的弹性以及机体的免疫力等。由表4可见，黄酮的调节功能较全面，而生物碱与多酚基本上无调节作用。

3.4 次生代谢产物的防治性生理活性

我国应用中草药进行疾病治疗和保健已有几千年的历史，从现代的观点来看，主要原因是中草药中含有某种生理活性成分，这正是中草药药理研究的重要内容之一。防治性生理活性主要体现它们对疾病的预防治疗作用，甚至可作为某些药物的主要成分。例如，生物碱主治哮喘，祛咳止痰；香豆素治疗慢性支气管炎、消脂减肥；多酚可治疗结石和慢性肾炎等（表5）。

4 次生代谢产物的开发与应用

4.1 次生代谢产物生理活性物的开发

近年来，研究人员对苜蓿、黄花草木樨和一些中草药中的次生代谢产物进行了成分、结构、生理活性等方面的研究，发现它们的许多生理功能有重要的开发利用价值。例如：抗氧化、清除自由基、调节免疫、抗炎、抗癌、抗衰老；降血糖、降血脂、降胆固醇；抗心血管病；防治呼吸系统疾病、镇咳祛痰、抗支气管炎；甚至发现香豆素具有抗艾滋病（AIDS）的作用；皂苷对皮肤具有抗皱、抑菌和保洁的功能，还可为饮料业、食品业制作发泡剂和乳化剂；对畜禽类具有预防猪瘟、禽流感（AI）、提高肉类产品的质量与风味的作用及提高雏鸡日增量、提高产蛋率和蛋黄重量等功能，可见其用途广泛。但是，到目前为止对其的研究多处于学术研讨和专利申请层面上，开发利用者甚少。这可能与研究经费、技术攻关和市场开拓等方面的因素有关。关于这方面的研究在我国已有一定的基础，只要有政府相关部门的支持及企业界、科技界的积极参与，次生代谢产物的开发利用必将有广阔的前景。

4.2 次生代谢产物生理功能的原生态应用

在实现技术开发推广利用前对次生代谢产物开展原生态利用也是非常重要的，然而这一新概念尚未被认识。在苜蓿、草木樨等豆科牧草叶片中大约含有28%～35%的蛋白质，还分别含有0.01%～2.00%的皂苷、黄酮、多糖、多酚、生物碱及香豆素等次生代谢产物，它们在牧草中构成天然的含量配比，从而使其成为一类优质的天然“营养—保健”饲料，这是对天然资源合理利用的一种最佳方式，因为它不需要复杂的提取、纯化技术和过程。

4.3 先期开发的可行选项

关于次生代谢产物研发的信息不少，但进行产品开发的目前还不多见，仅限于苜蓿饮料及保健产品等方面。可集中在研究基础较好的几个方面进行先期开发，如：提取皂苷原料产品，制作发泡剂、乳化剂等饮料添加剂、脱脂除毒保健品以及皮肤保洁抗皱霜等[18，19]；制备香豆素原料产品，制作抗凝霜，抗动脉硬化、抗血栓；制备生物碱原料产品，制作镇咳祛痰片、支气管消炎片；制备多糖原料产品，制作免疫保健剂；制备皂苷、多酚、多糖，配制畜禽保健合剂[20—22]。

5 结语

1999年，本研究组将黄花草木樨引进后，开展了试种、引种、种子扩繁、牧草生产、畜禽饲养等方面的试验，均获成功。但长期以来未能得到推广。2009年，本项目组有幸获得“公益性行业（农业）科研专项经费项目”的支持，开展了牧草、种子生产、土壤改良与生态修复、畜禽饲养和生物有效成分研发等系列试验。同时，还重点进行了次生代谢产物的开发利用研究。结果发现，该牧草不仅含有丰富的蛋白质和氨基酸，而且还含有天然匹配的、含量适中的多种、多功能的次生代谢产物，作为饲料时它们对畜禽的抗病保健和增产具有重要作用。而且更重要的是其可作为宝贵的天然资源开发利用，促进农牧业、医药业、食品化工产业的发展。因此，对斯列金1号黄花草木樨次生代谢产物进行开发利用，潜力巨大。

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