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神奇的大蒜 高骞生物科学基地班2009113051神奇的大蒜一种对人类有特殊贡献的植物高骞（西北大学生命科学学院，西安 710069）摘要：大蒜为百合科葱属植物蒜的鳞茎，因其独特的风味和特殊的药用保健价值而备受人们喜爱。大蒜因具有多种化学成分如大蒜素、皂苷类化合物、多糖和阿霍烯等，从而具有抗菌谱广、抗肿瘤、降胆固醇、抗血小板聚集、护肝、预防心血管疾病和降血压等生理学作用。本文对大蒜的形态、生物活性成分、药理学作用、开发应用等方面做一比较全面的综述，以促进人们对大蒜独特而丰富的价值有一更加深入的理解。关键词：大蒜；形态；生物活性成分；药理作用；开发应用 The magical garlica plant with great contribution to humans摘要：Garlic is a bulbous root of Allium sativum that has a Unique flavor and special medicinal and health-care value and much loved by people. The main chemical comstituents are composed of allcin, steroid saponins, polysaccharide and ajoene, which make garlic has a variety of functions, a broad spectrum anti-bacterial, anti-tumor, cholesterol-lowering, anti-platelet aggregation, liver protection, to prevent heart vascular disease and lower blood pressure and other physiological functions. The paper summarized the shape, biological components, functions and pharmacologic effects of garlic in a bid to promote people have a deeper understanding of garlics unique value.大蒜，也曾经像“披头士”一样，令世界为之疯狂。上世纪80年代末到90年代初，掀起了一股席卷世界的“大蒜热”。1989年2月，在西德召开了“大蒜的化学、药理和应用专题研讨会”，1980年8月在美国召开了“大蒜的保健意义及其成分”国际会议，1991年7月在美国举行了一次“大蒜功能研讨会”。整个世界为“蒜”疯狂。大蒜原产欧洲南部和中亚,最早在古埃及、古罗马和古希腊等地中海沿岸国家作药用栽培。公元前116年张骞通西域时引入我国栽培，称“胡蒜”，以其来自于“胡地”而名。大蒜营养丰富，是日常生活中常用的香辛蔬菜和调味佳品，而且具有很强的防病治病保健功能。现代医学研究表明，大蒜有降血脂、预防动脉硬化、防治冠心病、脑血栓、消炎杀菌、抗肿瘤、提高机体免疫力、保护肝脏、延缓衰老等作用，被视为药食兼用佳品。因此，了解大蒜的特点，认识大蒜独特的应用价值，对提升人们的生活水平和生活质量具有重要的现实意义。1.大蒜的生物学特性1.1大蒜的分类和形态特征 蒜（Allium sativum）又称胡蒜或麝香草，属百合科葱属，为多年生草本植物。一株完整的大蒜植株(图1)包括:根、鳞茎、叶鞘、叶身、花茎、总苞及气生鳞茎。平时食用的是蒜的鳞茎，即俗称的大蒜（garlic）或蒜瓣, 花茎、总苞构成蒜薹。大蒜为多年生草本，具强烈蒜臭气。鳞茎大形，具610瓣，外包灰白色或淡紫色于膜质鳞被。叶基生，实心，扁平，线状披针形，宽约2.5厘米左右，基部呈鞘状。花茎直立，高约60厘米；佛焰苞有长喙，长710厘米；伞形花序，小而稠密，具苞片13枚，片长810厘米，膜质，浅绿色；花小形，花间多杂以淡红色珠芽，长4毫米，或完全无珠芽；花柄细，长于花；花被6，粉红色，椭圆状披针形；雄蕊6，白色，花药突出；雌蕊1，花柱突出，白色，子房上位，长椭圆状卵形，先端凹入，3室。蒴果，1室开裂。种子黑色。花期夏季。图1 大蒜的形态特征1.2大蒜的主要生物活性成分1.2.1大蒜素 大蒜味辛辣，食用时有大蒜特有的异味，这种异味来源于大蒜素（allicin）。大蒜的有效成分有大蒜辣素、大蒜新素及多种烯丙基硫醚化合物1，总称为大蒜素或大蒜精油。纯品大蒜素为无色油状物，具有大蒜异味，比重1.112（20），折射率1.561，无旋光性，稍溶于水，溶于乙醇、苯、乙醚等有机溶剂，对热和碱不稳定，对酸较稳定。将大蒜粉碎、压榨时，蒜氨酸（alliin）与大蒜中所含蒜酶（alliinase）相遇，在蒜酶的催化下，蒜氨酸生成蒜辣素（allicin）。蒜辣素不稳定，遇热或有机溶媒降解生成原来不存在于大蒜中的30余种含硫化合物。大蒜素对皮肤有刺激性，对许多革兰氏阳性和阴性细菌及真菌具有很强的抑制作用。 图2 大蒜素的化学结构 图3 大蒜素的产生过程：大蒜粉碎后它所含的不稳定的蒜氨酸 (1)经蒜氨酶分解为烯丙次磺酸 (2)和脱氢丙氨酸(3)，然后不稳定的脱氢丙氨酸 (3)立即分解为丙酮酸和氨，而烯丙次磺酸 (2)则两分子歧化为烯丙亚磺酸 (4)与烯丙硫醇(5)，它们继续失水生成大蒜素 (6) 1.2.2皂苷类化合物 皂苷（saponin）又称碱皂体、皂素、皂甙、皂角苷、或皂草苷，由皂苷元与糖构成，根据其糖苷配基苷或皂草苷，由皂苷元与糖构成。1982年Smoczkiewicz MA 等在大蒜提取物中用薄层层析法检测到甾体皂苷；1988 年Matsuura H等第一次从冻干的大蒜乙醇提取物的天然糖苷中分离出proto-eruboside-B，进一步发现和分离了sativoside-B1和proto-desgalactotigonin。研究表明，大蒜皂苷在抗病原微生物、抗氧化、抗血小板聚集和提高纤溶活性、降低胆固醇等方面发挥着重要作用。图4 甾体皂苷的化学结构1.2.3多糖 大蒜富含蛋白质、碳水化含物、矿物质、维生素等营养元素，其中，碳水化合物的含量为2226%，占其总干物质含量的80%以上2。不同的研究者依据不同的材料和研究方法，获得的有关大蒜多糖成分的研究结果有很大差异。但一般认为，大蒜多糖为果聚杂多糖。大蒜多糖对人体也多有裨益，在保护肝脏、增强免疫力、抗氧化和抗病毒等方面有着独到的保健和治疗功效。1.2.4阿霍烯 阿霍烯（ajoene）又名大蒜烯3，它是一种抗血小板聚集作用的氧化物，抗凝血活性较高。阿霍烯有极高的抗真菌活性，阿霍烯阻断霉菌生长的机理为它能阻断霉菌脂质的合成；阿霍烯可影响球孢子菌真菌细胞质膜而抑制其生长。阿霍烯的二硫键对其杀菌活性是必需的，它的抑菌活性可以被与二硫键结合的半胱氨酸所抑制。图5 大蒜精油提取物中自然生成的阿霍烯2.大蒜的种植、栽培情况 根据FAO（联合国粮农组织）2008年统计数据显示4，目前种植大蒜的国家已达93个，全球大蒜种植收获面积达122.58万hm2、总产量达1642万吨、单产13395kg/hm2。其中大蒜种植收获面积前10位国家依次为：中国、印度、孟加拉国、韩国、俄联邦、缅甸、乌克兰、土耳其、西班牙、阿根廷；大蒜总产量前10位国家依次为:中国、印度、韩国、埃及、俄联邦、美国、缅甸、孟加拉国、西班牙、阿根廷。2008年，中国大蒜种植收获面积达69.4万hm2, 占全球56.6%；大蒜总产为1258万吨，占全球76. 6%。 目前我国具有一定规模的大蒜产区有70多个4，以江苏徐州为中心，半径500km区域，是我国大蒜种植最为集中的地区，占全国种植总面积的80%以上。山东省是我国最大的大蒜生产区，种植面积在13.3万hm2以上。以济宁市金乡县为中心，辐射成武、巨野、定陶、单县、嘉祥、鱼台、微山等周边地区，形成我国最大的大蒜产区。河南省是我国第二大大蒜生产区, 种植面积在12万hm2以上，主要集中在开封市的杞县和郑州市的中牟县。江苏省大蒜种植面积超过10万hm2，其中丰县、邳州、铜山等县(市)种植面积达7.2万hm2。此外，安徽亳州、怀远、来安,河北永年、陕西武功、兴平、耀县、洋县, 广西全州，云南大理，四川温江，湖北枝江、当阳，上海嘉定，甘肃天水、民乐，黑龙江阿城等地也已形成规模化种植。3.大蒜的药理学功能3.1抗病原微生物 实验表明5，DAS，DADS，和DATS对铜绿假单胞菌和肺炎克雷白菌均有明显的抑菌作用，其 MIC分别为88，64，12mg/L和 96，72，20mg/L且均与头孢他啶、庆大霉素、亚胺培南和美罗培南有协同或相加作用。蒜烯（5-160mg/L）对G+菌如蜡样芽孢杆菌和G-菌如大肠埃希菌均有较强的抑菌或杀菌作用，其抗菌活性与化学结构中的二硫键有关。大蒜中螺甾烷醇皂苷具有明显的抗真菌活性，Eroboside-B对白色念珠菌的平均抑制浓度为25mg/L，其抗真菌作用可与蒜烯（20mg/L）相媲美。此外，大蒜还具有较强的抗病毒活性。在体外，蒜烯、蒜辣素对疱疹单纯病毒、水泡性口炎病毒、人鼻病毒、副流感病毒等具有灭活作用；大蒜提取物对人巨细胞病毒表现出强大的抗病毒活性。3.2抗肿瘤细胞增生 大蒜的多种水溶性成分和脂溶性成分均具有一定抗肿瘤细胞增生的效应6。脂溶性成分主要包括蒜烯，DAS，DADS，DATS等；水溶性成分主要为SAC，SAMC等。DAS，DADS 和DATS在100mol/ml浓度时能明显抑制肿瘤细胞的增生，并诱导肿瘤细胞凋亡，对正常细胞则无此作用。而SAMC200mol/ml才能起到DADS100mol/ml相同的效应，而SAC500mol/ml作用仍然不明显。其作用机制可能是抑制P34cdc激酶的活性，阻滞细胞G2/M期进程而产生抗肿瘤作用。Bose等证明，大蒜中的含硫有机化合物的抗增生作用依赖于烯丙基和硫基团，硫原子数目增加，其抗肿瘤增生作用增强。3.3诱导细胞凋亡 Dirsch发现，大蒜素通过第二信使cAMP的作用，引起细胞凋亡始动基因fas及凋亡促进基因Bax表达增加，并使凋亡抑制基因Bcl-2的表达减少，从而提高细胞凋亡率，诱导细胞凋亡。蒜烯能诱导人白血病细胞呈现过氧化状态，且能活化细胞核因子kappa B的核移位，而且N-乙酰基半胱氨酸（一种抗氧化剂）可部分抑制蒜烯诱发的肿瘤细胞过氧化状态和kappa B核移位，且使蒜烯诱发细胞凋亡减少50%，因此认为蒜烯通过激活细胞内过氧化和活化细胞核因子kappa B而诱导细胞的凋亡6。蒜烯还能激活天冬氨酸特异的半胱氨酸蛋白酶-8酶原（pro-caspase-8），由此引发瀑布式级联反应，进而激活天冬氨酸特异的半胱氨酸蛋白酶-3（caspase-3）诱导细胞凋亡；该反应可被非选择性的caspase抑制剂zVAD-fmk所阻断；此外蒜烯可诱导线粒体释放细胞色素C，产生细胞凋亡的作用，且此过程先于酶激活，并不被zVAD-fmk所阻断。SAC和SAMC均能增加前列腺癌细胞中还原型谷胱甘肽（GSH，为一种鸟氨酸脱羧酶抑制剂）的浓度，可抑制鸟氨酸脱羧酶的活性，阻止多胺形成，从而诱导细胞凋亡。DADS可增加细胞过氧化氢含量或上调Bax蛋白活性，下调Bcl-XL活性，激活caspase-3，导致DNA的降解，引起细胞的凋亡；该反应可被抗氧化剂或caspase-3阻断剂所阻断，但不被阻断剂caspase-1所阻断。综上所述，大蒜中不同的活性成分均可通过不同途径而致细胞凋亡，同一种活性成分也可通过不同的途径产生凋亡作用，但一般而言，多是依赖caspase途径而产生凋亡作用。3.4抗氧化、清除自由基 体外试验表明，大蒜中含硫有机化合物抗氧化应激的作用方式各不相同，DADS，DAS，AM均能捕获三氯甲基自由基和三氯甲基过氧化自由基，而DADS还可抑制CCl4诱发的肝微粒体脂质过氧化7。DAS能与由紫外线激活而产生的氧自由基发生反应，AM能阻滞脂质的过氧化进程。SAC能抑制在脂多糖（LPS）和干扰素（IFN）刺激的RAW246.7细胞中的核因子kappa B和诱生型NO合酶（iNOS）启动子的活性，从而抑制iNOS mRNA的转录和蛋白质的表达而阻滞NO的产生，SAC与此相反，SAC却能显著增加cGMP产量，起着选择性调节作用。其最终结果是阻止羟自由基的产生而发挥抗氧化的作用，进而产生抗炎和防治动脉粥样硬化的效应。3.5降低胆固醇 在体外培养大鼠肝细胞中加入大蒜成分（0.05-4.0mmol/L），观测其对胆固醇合成的影响。结果显示7：大蒜水溶性成分烷（烯）基半胱氨酸类如SAC，SEC（乙基半胱氨酸）和SPC（丙基半胱氨酸）对胆固醇合成的最大抑制率为40%-50%；烷基半胱氨酸谷氨酸盐衍生物如GSAC（谷氨酰氨烯丙基半胱氨酸），GSMC（谷氨酰氨甲基半胱氨酸）和GSPC（谷氨酰氨丙基半胱氨酸）抑制率为20%-35%；蒜氨酸、SAAC（烯丙基乙酰半胱氨酸）和SASA（烯丙基硫酰丙氨酸）则无作用。脂溶性成分DAS，DADS，DATS，DPS和DPDS对胆固醇合成的抑制率为10%-15%。大蒜中皂苷类成分能抑制胆固醇在小肠的吸收，降低胆固醇的血浆水平，而且螺甾烷醇皂苷的活性明显优于呋甾烷醇皂苷；有报道称它们能显著降低高胆固醇血症动物模型血中低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）含量（40%-57%），而一般对高密度脂蛋白胆固醇（HDL-C）则无影响（极少数能增高HDL-C）。3.6抗LDL的氧化 Ide等采用CuSO4孵化LDL24h，硫代巴比妥酸反应物（TBARS）的含量显著增高，表明LDL被氧化；大蒜中的4种水溶性成分均能显著抑制TBARS的形成，而发挥抗LDL氧化作用。 SAAC（SAC的一种代谢产物）在10mmol/L时能抑制LDL的氧化，SAC和蒜氨酸分别在10mmol/L和1mmol/L 能抑制LDL的氧化，SAMC在0.1mmol/L和1mmol/L浓度能显著抑制LDL的氧化。大蒜中的脂溶性成分爱力欣（allixin）则呈浓度依赖性抑制LDL的氧化，而蒜辣素能增加Cu2+浓度，诱导LDL的氧化，因此认为蒜辣素是一种氧化剂而不是一种抗氧化剂5。3.7抗血栓形成 花生四烯酸（AA）在前列腺素H（PGH）合酶的作用下能代谢为前列腺素G2（PGG2），继而生成前列腺素H2（PGH2），甲基烯丙基三硫化物（AMTS）对PGH2的生成反应有抑制作用，从而表现出抗血小板聚集的活性6。蒜烯能抑制由AA，ADP和肾上腺素、胶原、腺苷、钙离子导入剂A23187诱导的血小板聚集，并认为其抗血小板聚集的机制可能与改变AA代谢有关。此外，MacDonald等报道7，烯丙基三硫化物、杂苯类也有良好的抗血栓形成的作用，CH3SO2CH2SSPh是其抗血小板聚集的活性结构单位。4.大蒜的开发与应用 大蒜因其多样的生物活性成分而在临床、养殖、食品加工等方面具有广泛的应用价值。大蒜素作为研究得最为深入的大蒜化合物，具有易得、易合成、结构简单、生物活性明显、治疗范围广泛、不良反应小等特点，大蒜素的药用和保健作用已被广泛认可。近年来，关于大蒜多糖的研究也越来越受到重视。大蒜多糖具有特殊的保健作用，是生产保健食品的良好材料，有很高的开发价值。大蒜的其它化学成分也具有极高的价值，相关的开发应用研究正在进行之中。4.1临床医疗方面 大蒜素对于真菌感染、细菌感染和病毒感染病都有很好的疗效。研究证明6，大蒜素各种制剂对白色念球菌、隐球菌和烟曲霉菌等有一定的抑菌效果。大蒜素对于治疗慢性胃病、消化性溃疡、慢性结肠炎和脂肪肝等都取得了良好的效果。大蒜素还具有氧自由基消除作用和氧化作用，对细胞膜有保护作用。大蒜素对T细胞激活有促进作用，从而调节机体自身免疫调节能力。据报道，大蒜素还具有降低亚硝酸盐含量和抑制硝酸盐还原菌的作用，对治疗慢性胃病，如胃区不适、饱胀隐痛、返酸、暖气、烧灼及食欲不振等，服用大蒜素症状明显好转。4.2养殖业方面 大蒜素具有独特的抗菌、抗病毒效果，可显著提高养殖动物尤其是幼体的成活率，因此添加大蒜素的复合饲料被广泛应用于猪、鸡、鸭、水产养殖等方面8。大蒜素作为天然的饲料添加剂，不仅能诱食助消化、提高机体免疫力、抑菌杀菌及防霉驱虫，而且还具有改善畜产品品质和风味的作用。 4.3食品加工方面 大蒜因其独特的风味而备受人们喜爱。无论是凉拌菜还是炒菜、烧菜，大蒜都是重要的佐餐调料。经常吃大蒜既可佐餐调味，增加营养，又能防治多种疾病。但是食用大蒜后残留在口腔中的异味限制了大蒜在日常生活中的食用频率，所以人们提取了大蒜的活性成分和营养成分，将其与其它食品材料混合加工成复合型食品的调味剂，如大蒜粉、大蒜精。这些产品不仅保留了大蒜特殊的风味及营养保健价值，还有效地降低了大蒜异味带来的负面效果。5.对大蒜脱臭的一些想法 尽管大蒜食品味道鲜美，营养丰富，具有治疗保健的作用，但大蒜具有特殊的臭味，尤其是生食后口臭残留时间长，使大蒜的消费受到限制。相关调查表明，因害怕食用大蒜后残留的口腔异味而打消食用大蒜想法的人比例颇高，达到65%。故如果能对大蒜的某些性状做出改造，则应该能够提高大蒜在人们餐桌上的出现频率。5.1大蒜臭味的机理 蒜氨酸在蒜氨酸酶（allieinase）与磷酸毗哆醛（Pyridoxiaphoshate）辅酶参与下，生成一种复合物，再分解成具有强烈辛辣味的挥发性物质大蒜素6。在新鲜的大蒜中，没有游离存在的大蒜素，只含有它的前体物质蒜氨酸。无臭的蒜氨酸和蒜氨酸酶分布在大蒜的不同部位，二者不发生反应。当大蒜被切割或破碎，其细胞壁破坏，蒜氨酸酶被空气中的氧活化，与大蒜氨酸与蒜氨酸酶生成带有强烈刺激味的大蒜素。大蒜素是一种极不稳定的物质，在室温下由蒜素直接生成带有强烈臭味的二烯丙基二硫化合物和二烯丙基三硫化合物等脂肪族含硫化合物。5.2利用基因工程手段将编码酯类物质合成酶的基因导入到大蒜中 通过引入酯类物质合成酶，利用大蒜细胞的代谢原料、代谢中间物或代谢产物合成酯类物质。因为酯类物质是天然的香味物质，故能在一定程度上掩盖大蒜的异味。目前，这只是作者一个初步的、不成熟的臆想，至于具体导入何种酯类合成酶基因，导入量多少，如何导入，导入后大蒜的风味变化如何等问题还有赖于科学工作者进一步深入的探索。5.3钝化或抑制蒜酶的活性 大蒜中含有多种活性酶，主要有蒜氨酸酶在它的作用下蒜氨酸很容易转变为大蒜辣素，蒜酶催化的最适PH值是6.5，最适温度是379。通过加热（温度在60以上），或用盐酸、醋酸、柠檬酸等酸性溶液浸泡大蒜，大蒜在500MPa以上，加压10min等，改变蒜酶活性的最适条件以上方法脱臭机理使蒜氨酸酶失去活性或钝化，阻碍蒜氨酸转化为蒜素。5.4吸附或溶解小分子含硫臭气成分 利用各种物质吸附、加成或掩蔽臭味。朱虹10用蜂蜜对大蒜进行脱臭处理，将大蒜置于95水中烫漂，再将大蒜质量1.5倍的蜂蜜加入后，脱臭，并打浆、罐装等，制得有浓郁蒜蜜香味并保存大蒜有效的营养成分（蒜素