辽东楤木(
Aralia elata)为五加科(Araliaceae)植物,又名龙牙楤木,别名刺老鸦、刺嫩芽等,广泛分布于中国东北地区
[1]。自20世纪50年代以来,人们对辽东楤木的化学和药理等方面进行了广泛研究。辽东楤木营养丰富,包括蛋白质、脂肪、糖、维生素和必需的微量元素镁、锰和锌等,被称为野菜之王。辽东楤木叶经常被用作生物活性添加剂的原料,其制剂具有促进适应性、促性腺激素分泌、辐射防护和抗应激作用
[2]。已有研究
[3]表明,辽东楤木的叶可用于治疗糖尿病、肾炎、水肿、胃痛、腹泻、神经衰弱和类风湿关节炎。辽东楤木叶既是食品材料又是民间药物,探究其最佳采收期是非常重要的。
迄今为止,已从辽东楤木中分离到三萜皂苷、萜类、有机酸及其酯类、黄酮类、聚乙炔、苯丙素等290多种化合物,其中三萜皂苷和萜类在提取的化合物中所占比例最大,被认为是具有生物活性的关键成分。早期的苏联学者报道较多,并批准使用各种辽东楤木制剂治疗过度的精神和身体疲劳。在过去20年中,日本和中国的研究人员也对该属植物所含的总皂苷和一些单体化合物的药理活性进行了广泛和详细的研究,主要集中在辽东楤木、楤木、太白楤木及黄毛楤木等
[4]。辽东楤木叶中含有皂苷,包括常春藤皂苷元、齐墩果酸等
[5]。王志才等
[6]利用HPLC法测出了辽东楤木叶中楤木皂苷X的含量。据钮旭升等
[7]报道,从辽东楤木叶中分离得到的20多个单体化合物已经陆续发表。但至今鲜有研究报道不同采收期辽东楤木皂苷单体的含量差异,目前对此方面的了解还不够深入。
糖尿病、癌症和心血管疾病作为死亡率最高的三大疾病,已经逐步引起了公众的高度关注。科学研究揭示,导致这三种疾病的核心因素是氧化应激。在有害刺激的作用下,自由基在人体内累积,进而破坏了氧化和抗氧化机制,从而使人类遭受重大疾病的困扰
[8]。因此,越来越多的人开始关注抗氧化剂和抗氧化食品。相较于合成抗氧化剂,天然抗氧化剂在成分安全性、抗氧化性能以及获取等方面具有明显优势
[9]。国内外研究人员通过大量研究,发现辽东楤木具有很强的抗氧化功能,Lee等
[10]发现辽东楤木总皂苷能有效减少小鼠体内的脂褐素和过氧化脂质含量,同时增强小鼠体内超氧化物歧化酶和内源性谷胱甘肽过氧化酶的活性。这不仅提升了小鼠的抗氧化能力,还加快了体内自由基清除的速度,抑制了脂质过氧化产物的生成,从而实现了延缓衰老的目的。
市场对辽东楤木的需求逐年增加,有限的野生资源已无法满足国内和国际市场的巨大需求。为了解决这一供需矛盾,人工栽培已成为大势所趋。然而,辽东楤木标准化种植技术缺乏科学研究,尤其是采收时间对有效成分积累的影响方面。为此,本研究以辽东楤木叶片为研究对象,比较不同采收期辽东楤木叶的生物量、光合色素含量、总酚和总黄酮含量及抗氧化能力。同时,利用高效液相色谱法,测定辽东楤木在不同采收期中辽东楤木皂苷A、辽东楤木皂苷V和辽东楤木皂苷X的含量。基于高效液相色谱-质谱代谢组学技术,对比分析不同采收期辽东楤木在次生代谢产物上的差异。本研究可为确定该区域辽东楤木叶的最佳采收期提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
植物材料为采于中国科学院东北地理与农业生态研究所的辽东楤木叶,种源来自伊春市友好林业局朝阳林场。植株的生长环境为中温带大陆性季风气候,四季较分明,全年日照时间2 600~ 2 900 h;年平均降水量为350~650 mm。根据植物叶片伸展形态、叶轴着生短刺状态等,设置4个采收期,分别为2023年4月10日(3~20 ℃)、2023年4月30日(4~9 ℃)、2023年5月20日(9~20 ℃)、2023年6月9日(13~24 ℃),依次记为采收期Ⅰ(S1)、采收期Ⅱ(S2)、采收期Ⅲ(S3)、采收期Ⅳ(S4)。
1.2 生长指标及光合色素的测定
将采摘好的辽东楤木叶进行清洗,擦干表面水分后称量质量(鲜质量),于110 ℃杀青10 min后60 ℃烘干至恒质量并称量质量(干质量),测定基本理化性质;称取0.1 g新鲜叶片,用95%乙醇在黑暗中提取24 h之后,用紫外分光光度法在450、645、663 nm波长下测定辽东楤木叶片中叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素的含量。
1.3 辽东楤木叶HPLC色谱分析
1.3.1 原料预处理
将辽东楤木叶放置于阴凉处自然阴干,待干燥后,利用粉碎机粉碎。用分析天平称取0.2 g辽东楤木叶粉末,与10 mL 80%乙醇溶液混合置于10 mL离心管中,在功率为225 W的超声清洗仪中提取,提取温度为55 ℃,提取时间为50 min,共提取2次,合并提取液,采用旋转蒸发仪浓缩后用80%乙醇溶液复溶,置于高速离心机中12 000 r·min-1离心10 min,经0.22 μm微孔滤膜过滤后,粗提液密封4 ℃保存备用。
1.3.2 标准品溶液的配制
分别精确称取2 mg辽东楤木皂苷A、辽东楤木皂苷V、辽东楤木皂苷X标准品,用质谱级甲醇稀释至1 mL,配制成质量浓度为2 g·L-1的标准储备液,之后用质谱级甲醇将标准储备液稀释成一系列不同浓度的标准溶液,经0.22 μm微孔滤膜过滤,避光4 ℃保存。
1.3.3 辽东楤木3种皂苷HPLC分析方法的建立
采用HPLC法分析辽东楤木皂苷A、辽东楤木皂苷V、辽东楤木皂苷X含量,并进行精密度、稳定性、重复性、加样回收率等方法学考察。液相色谱柱为Eclipse XDB-C18(250 mm×4.6 mm,5 μm),流动相:乙腈(A)-0.2%磷酸水溶液(B),梯度洗脱(0~10 min,35%A;10~15 min,46%~53%A),检测波长210 nm,柱温30 ℃,进样量10 μL,流速1.0 mL·min-1。
1.4 总酚和总黄酮含量测定
总酚含量采用张野
[11]的方法测定,采用福林酚方法,称取新鲜植物叶片0.4 g,加入10 mL 70%甲醇,在水浴70 ℃下放置10 min,冷却后8 000 r·min
-1离心10 min。吸取上清液加入70%甲醇定容到100 mL。吸取10 mL待测液,加入5 mL 10%福林酚,摇匀静置8 min。再加入4 mL 7.5%无水碳酸钠,加水定容到25 mL之后摇匀,放置30 min。在765 nm波长下测定吸光度。
总黄酮含量按照聂静苑等
[12]的方法测定。准确称取0.4 g植物样品,加入100 mL 60%乙醇,80 ℃下恒温水浴1 h,趁热以8 000 r·min
-1离心 10 min。取上清液加入60%乙醇定容到100 mL。取2 mL提取液,加入0.3 mL 5%亚硝酸钠,摇匀静置约8 min。再加入0.3 mL 10%硝酸铝,摇匀静置约8 min,加入4 mL 4%NaOH,最后充分摇匀静置8 min后,立即在510 nm波长下测定吸光度。
1.5 抗氧化活性测定
DPPH自由基清除能力测定参考贾凯等
[13]的方法,并作适当修改。准确称取8.0 mg DPPH,在棕色容量瓶中用无水乙醇溶解并定容至200 mL,得到0.004% DPPH溶液,避光条件下放置。分别取1.0 mL不同质量浓度的各样品溶液(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7、1.0、2.0、5.0 g·L
-1)置于10 mL离心管中,加入1.0 mL的DPPH溶液后,在室温避光条件下反应30 min,同时以无水乙醇为空白,用Vc做阳性对照,在517 nm波长下测量吸光度,并计算得到IC
50值。
ABTS自由基清除能力测定参考黄尚荣等
[14]的方法并做适当修改,精密称定0.384 g ABTS(相对分子质量为548.68),使用100 mL蒸馏水超声溶解,制成100 mL浓度为7 mmol·L
-1的溶液。取0.009 9 g K
2S
2O
8和15 mL超纯水混合。按照1∶1的体积比将这两种溶液混合,得到ABTS母液,置于冰箱4 ℃保存12~16 h,备用。将此母液与无水乙醇按照体积比1∶20的比例混合,在734 nm下调吸光度为0.80±0.02,得到ABTS工作液。吸取不同浓度的样品0.2 mL于5 mL试管中,添加4 mL ABTS工作液均匀混合,在室温避光反应10 min。以等体积无水乙醇和不加反应液的样品溶液重复以上操作,并用Vc做阳性对照,在734 nm下测定吸光值,并计算得到IC
50值。
1.6 酚类代谢物的提取与检测
根据刘洋
[15]的方法进行样品制备:取0.5 g 辽东楤木叶干燥粉末放入25 mL离心管中,加入10 mL 70%甲醇,在室温条件下使用超声辅助提取50 min,再以8 000 r·min
-1离心10 min,吸取上清液;再次加入10 mL 70%甲醇,超声提取后离心,合并2次上清液,放入真空离心浓缩仪内蒸发,再用1 mL 70%甲醇溶解,放入冰箱内-20℃保存。采用超高效液相色谱(UPLC)系统和四极杆飞行时间(Q-TOF)串联质谱仪(Xevo G2-XS Qtof,Waters Corp,美国)检测酚类代谢物。参数设置:质荷比(m/z)为50~1 200,毛细管电压3 000 V,源温度500 ℃,在ESI+模式检测。通过ACQUITY C18色谱柱(1.7 µm,2.1 mm×50 mm;Waters,中国)进行样品梯度洗脱分离。
1.7 数据分析处理
试验均平行测定3次,数据以平均值±标准差表示,并使用Origin 2022软件绘制液相色谱图、柱状图和折线图。使用MassLynx 4.1分析LC-MS数据,并根据标准曲线计算得到每种酚类化合物的含量,使用Chiplot网站进行聚类分析。
2 结果与分析
2.1 不同采收期对辽东楤木叶生长指标及生物量的影响
由
图1可知不同采收期下辽东楤木叶的植物形态。S1时期嫩叶拳曲未伸展,S2时期开始伸展且从S3时期开始总叶轴和羽片轴短刺愈发坚硬。辽东楤木叶不同采收期的鲜质量依次为0.74、1.24、3.55、4.80 g,干质量依次为0.15、0.23、0.52、0.78 g(见
表1)。从嫩叶拳曲到全展叶,水分对辽东楤木叶片的生长发育影响较大,充足的水分有利于生长发育,提高产量,鲜质量和干质量也呈逐渐升高趋势,这可能是由于在后期,生长达到了旺盛阶段,干物质积累很多。
2.2 不同采收期对辽东楤木叶光合色素的影响
不同采收期对辽东楤木中光合色素含量产生了显著的影响(见
图2)。由
图2可知,在相同采收期,叶光合色素含量由高到低依次为叶绿素a、 类胡萝卜素、叶绿素b。在不同采收期,4种光合色素含量呈增加趋势,S4时期含量最高,分别为 2 119.38、299.40、657.49、2 759.53 mg·kg
-1,S3时期含量次之,但显著高于S1和S2时期,S1与S2时期相比,叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量无显著差异。
2.3 HPLC测定不同采收期辽东楤木叶中3种皂苷的含量
在“1.3.3”色谱条件下得到辽东楤木皂苷A、辽东楤木皂苷V和辽东楤木皂苷X的混合标准品与提取样品分析图谱(见
图3)。辽东楤木皂苷X、辽东楤木皂苷V、辽东楤木皂苷A保留时间分别为8.61、9.11、11.48 min,标准品溶液与样品溶液中目标峰保留时间一致,灵敏度较高、峰形较好。
根据峰面积对应的各皂苷标准品的质量浓度进行线性回归(见
表2),所测定的3种皂苷标准品的峰面积与质量浓度呈良好的线性关系,相关系数
R2在0.999 3~0.999 8。精密度表示测量的重复性和再现性,是HPLC方法保证准确度的先决条件。结果表明:辽东楤木皂苷A、辽东楤木皂苷V、辽东楤木皂苷X的相对标准偏差(RSD)分别为4.51%、3.05%、4.04%,显示仪器精密度良好。辽东楤木样品溶液室温放置48 h内不同时间进样,辽东楤木皂苷A、辽东楤木皂苷V、辽东楤木皂苷X峰面积的RSD分别为4.37%、3.57%、3.21%,表明供试品溶液中辽东楤木皂苷A、辽东楤木皂苷V、辽东楤木皂苷X在48 h内较为稳定。重复性试验显示,辽东楤木皂苷A、辽东楤木皂苷V、辽东楤木皂苷X峰面积的RSD分别为5.32%、3.82%、3.67%,表明本方法重复性良好。辽东楤木皂苷A、辽东楤木皂苷V、辽东楤木皂苷X的平均回收率分别为100.3%(RSD为2.60%)、102.7%(RSD为2.71%)和102.1%(RSD为2.51%),表明方法的精密度好。
本研究建立了利用高效液相色谱对辽东楤木皂苷A、辽东楤木皂苷V和辽东楤木皂苷X进行同步检测的分析方法。试验结果表明:该方法操作简单、快速、准确、灵敏度高,可用来检测辽东楤木药材各部位皂苷类成分,继而为楤木药材质量控制及药物疗效、药代动力学方面的有关研究提供新的参考依据。
4批采自不同时期辽东楤木叶皂苷含量的测定结果如
图4所示,各批次样品中的辽东楤木皂苷A含量都远高于辽东楤木皂苷V和辽东楤木皂苷X。从S1至S4时期,辽东楤木皂苷A的含量呈现递增的趋势,分别为4.68、5.42、7.49、12.90 mg·g
-1, S3至S4时期增幅较大,S1与S2时期含量无显著性差异。S2时期的辽东楤木皂苷V和辽东楤木皂苷X含量都显著高于其他时期,分别为1.53、3.30 mg·g
-1。
2.4 不同采收期辽东楤木叶的总酚和总黄酮含量
对不同采收期的辽东楤木叶总酚和总黄酮含量进行测定(见
表3),结果显示,总酚含量较稳定,S1时期的总酚含量略高于其他3个时期。总黄酮含量在S1时期达到峰值(29.38 mg·g
-1),显著高于S2、S3、S4时期(
P<0.05)。分析不同采收期辽东楤木叶总酚和总黄酮含量变化趋势可知,二者变化趋势基本一致。S1时期辽东楤木叶总酚和总黄酮含量相对较高,可能是因为早春温度较低,辽东楤木生长较慢,有较长时间积累较丰富的化学成分。
2.5 不同采收期对辽东楤木叶抗氧化活性的影响
不同采收期辽东楤木叶粗提液的抗氧化活性如
图5所示,4个时期粗提液和对照品Vc的清除能力均随着供试浓度的增大而增强。如
图5A所示,当质量浓度为0.7 g·L
-1时,S1和S2时期提取液的DPPH清除率分别为83.7%和79.1%,高出S3和S4时期较多。各时期提取液对DPPH自由基半抑制浓度IC
50分别为0.262、0.370、0.486、0.446 g·L
-1, S1时期的粗提液对DPPH自由基的清除能力最强,S2时期次之。如
图5B所示,当提取液质量浓度为8 g·L
-1时,S1时期和S2时期的ABTS清除率分别达到93.3%和95.3%,而S3时期和S4时期的ABTS清除率为85.9%和77.9%。各时期提取液对ABTS自由基半抑制浓度IC
50分别为0.533、0.511、0.559、0.604 g·L
-1,S2时期提取液对ABTS自由基的清除能力最强,S1时期次之,S4时期最弱。
2.6 不同采收期对辽东楤木叶酚类物质含量的影响
本研究检测了24种酚类化合物,根据结构式判定芳香环上的碳被羟基取代情况、酚羟基数量和分布及取代基类型,将其分为C6C1骨架、C6C3C6骨架、C6C3骨架,以及酚类化合物的合成前体
L-苯丙氨酸,4个时期的酚类化合物总量分别为64.84、119.31、101.95、89.32 mg·g
-1(见网站电子附件)。对24种酚类化合物进行主成分分析(见
图6),结果可知,S2时期和S3时期的观测样品在同一区间,并且与S4时期的观测样品在第二个主成分方向分离,S1时期的观测样品与S4时期的观测样品在第一个主成分方向分离。S4时期的样品中含有较高的
L-苯丙氨酸和花旗松素,S1时期的样品富含阿魏酸和丁香酸。通过对目标代谢物的数据进行聚类分析,获得了辽东楤木叶片在4个采收期的酚类化合物热图,聚类分析结果与主成分分析的结果大体一致。如
图7所示,在S4时期显著积累的有
L-苯丙氨酸,C6C3C6骨架化合物(花旗松素、高良姜素、芹菜素、染料木素),C6C3骨架化合物(绿原酸);在S3时期显著积累的有C6C1骨架化合物(苯甲酸、香草酸),C6C3C6骨架化合物(甘草素、山奈酚、柚皮素、橙皮素、木犀草素),C6C3骨架化合物(对羟基肉桂酸、肉桂酸);在S2时期显著积累的有C6C1骨架化合物(原儿茶酸、龙胆酸),C6C3C6骨架化合物(芦丁、异槲皮苷),C6C3骨架化合物(咖啡酸);而C6C1骨架化合物(丁香酸),C6C3C6骨架化合物(槲皮素、白杨素)和C6C3骨架化合物(阿魏酸)在S1时期显著积累。
3 讨论与结论
表1表明,辽东楤木叶的产量呈明显升高趋势,说明生长发育过程中,在湿度、光照、水分、气候等诸多因素作用下,辽东楤木的生长发育呈增加趋势。一些研究表明
[16-17],功能性代谢物的合成与生物量积累存在显著相关。在陈露茜
[18]关于玄参(
Scrophularia ningpoensis)的研究发现,次生代谢物积累量与总生物量呈显著负相关。因此在药用植物生产中,建议可以采用一些方式,抑制或减少植株在生殖生长上的能量分配,可能会提高药用部位中活性成分的含量及产量。叶绿素是一种存在于蔬菜中的绿色色素,它的含量可以判断蔬菜的新鲜程度,它的变化也可以作为绿色植物老化的指标。在本研究中,辽东楤木叶片叶绿素a、b、(a+b)的含量均随着采收时期后移而增加,在S4时期达到最大值。根据国内外许多关于水稻(
Oryza sativa)、小麦(
Triticum aestivum)、棉花(
Gossypium hirsutum)的研究结果
[19],叶绿素a、b、(a+b)的含量与光合速率之间存在显著的正相关关系(
r=0.554~0.900),这说明光合作用的效率随着叶绿素含量的增加而提高,叶绿素(a+b)含量越高,光能利用率越高。
黄酮类化合物是一类已知具有清除自由基、抑制水解酶和氧化酶以及抗炎作用等特性的多酚类化合物
[20]。研究
[21]表明,许多植物具有抗氧化活性,对治疗疾病有益,并且植物的抗氧化潜力可能是取决于它们的酚类成分。众所周知,氧化应激和由此产生的组织损伤是一些慢性疾病和细胞死亡的标志。药用植物作为天然抗氧化剂,在减少自由基诱导的组织损伤、维持健康和预防一些与年龄有关的退行性疾病(如癌症和冠心病)方面的潜力已得到证实。本研究中S1时期辽东楤木叶的总酚和总黄酮含量高于后面3个时期,这表明刚刚萌芽的辽东楤木叶含有较多的黄酮类和酚酸类物质。Padda和Picha
[22]的研究结果也发现植物幼嫩部位中黄酮含量通常很高。同时,S1时期和S2时期的抗氧化能力也较强,这表明总酚和总黄酮的含量与抗氧化活性之间是密切相关的,总酚及总黄酮含量高则抗氧化活性优,这与肖敏
[23]、赵鑫丹
[24]的研究结果一致,为后期研究辽东楤木单一化合物成分以及探讨其发挥抗氧化作用机制提供了依据。然而,幼叶并不总是比成熟叶含有更高浓度的酚类物质,特别是对单个化合物进行检测时发现
[25],在叶片发育过程中并非所有次生化合物都遵循相同的模式。虽然叶龄对其他物种的影响已经被描述过,但没有一个普遍的结论适用于所有植物物种。例如,Blum-Silva
[26]等揭示了1个月和6个月收获的巴拉圭冬青(
Ilex paraguariensis)叶片中酚类化合物的含量没有显著差异。目前,从辽东楤木的角度对这一问题的研究还不够充分和深入。
L-苯丙氨酸在莽草酸合成酚类化合物的过程中起着至关重要的作用,因此
L-苯丙氨酸的含量变动与其下游化合物的含量变化有着密切的联系。S4时期的
L-苯丙氨酸相对含量显著高于其他3个时期,这表明酚类化合物在辽东楤木的生长和发育中起到了积极作用。何兵等
[27]的研究发现,酚类化合物在辽东楤木的花、叶、嫩枝、根皮和茎皮中都有广泛分布,但它们的浓度是有差异的,例如,咖啡酸主要分布在辽东楤木的根皮和茎皮部分,而绿原酸则主要分布在叶和茎皮中。本研究发现辽东楤木叶中也含有较高的原儿茶酸、绿原酸和咖啡酸。有研究
[28]结果表明,抗黑瘢病洋葱(
Allium cepa)中富含原儿茶酸,这种成分有效阻止黑瘢病及其他真菌生长;绿原酸作为肉桂酸的衍生物,具有抗氧化、保护肝脏、降低血糖、抵抗病毒和抗炎功能,它在植物应对环境挑战中扮演关键角色
[29];广泛分布在咖啡、蔬菜和水果中的咖啡酸及其衍生物,显示出显著的抗炎特性。尽管有大量研究关注植物中的酚类化合物,但针对不同种类酚类化合物的综合分析却相对少见。本研究发现,酚类代谢物在植物叶片中的分布在不同时期变化很大,可能正是这种差异导致不同时期辽东楤木的抗肿瘤、抗氧化和抗炎活性不同。
辽东楤木含有许多营养物质,包括人体健康所需的蛋白质、碳水化合物、维生素和植物纤维,其口感好、风味独特,在中国菜肴中很受欢迎
[30]。辽东楤木皂苷可用于治疗类风湿关节炎、胃炎、神经衰弱、肝炎等疾病
[31],具有较高的开发利用价值。目前,辽东楤木采收完全凭经验,缺乏科学统一的指导标准,有关采收期对辽东楤木品质的影响尚缺乏研究。本试验对4个不同采收期辽东楤木叶的功能成分和抗氧化活性进行系统的分析比较,结果表明:辽东楤木叶鲜质量、干质量、光合色素含量在S4时期达到最大值;总酚和总黄酮含量在S1时期达最大值,分别为1.36、29.38 mg·g
-1;辽东楤木皂苷A的含量在S4时期达到最大值,辽东楤木皂苷V和辽东楤木皂苷X在S2时期的含量显著高于其他时期。在抗氧化活性方面,S1时期DPPH自由基清除能力最强(IC
50为0.262 g·L
-1),S2时期ABTS自由基清除能力最强(IC
50为0.511 g·L
-1);S2时期的24种酚类代谢物总量分别比S1、S3、S4时期高84%、17%和34%。由于S3时期的辽东楤木叶已有部分木质化且着生短刺,其食用性不佳,而S2时期相较于S1时期产量高、功能性成分含量高,综合考虑功能成分含量、抗氧化活性和食用性认为,S2时期可作为最适采收期。然而,辽东楤木的采收依据和理化特征还需要进一步研究。关于辽东楤木营养品质的综合评价,目前尚无统一的方法,有关不同营养成分的分级标准还有待进一步研究和完善。