豆科大豆属植物大豆（Glycine max (Linn.) Merr）是重要的粮食和油料作物之一，富含蛋白质、脂类、碳水化合物等多种营养成分，还具有人体所需的18 种氨基酸。大豆代谢可产生多种次生代谢产物，如黄酮类、皂苷和甾体等化合物。次生代谢产物不仅能防御植物病原体（包括真菌、病毒、细菌、昆虫和蠕虫）的侵害，如在马铃薯和茄属植物中发现的龙葵碱和查康碱，还具有多种药理作用，如抗炎、抗癌和预防骨质疏松、心血管疾病以及缓解更年期相关症状等功效。
为更好地挖掘大豆的作用，河南大学国家食用菌加工技术研发专业中心的孟新静、杨旭、刘振花*等对大豆次生代谢产物结构进行归类总结以及针对其预防和治疗的疾病进行综述，以期为开发大豆次级代谢产物的保健食品提供依据。
01大豆次生代谢产物的结构与分类
大豆次生代谢产物按结构分为黄酮类、皂苷和甾体等，其中大豆异黄酮类成分和大豆皂苷类成分研究比较活跃。大豆异黄酮在大豆中含量较高，是大豆活性成分研究的热点，目前已有抗氧化、补钙、改善更年期症状的保健食品上市。大豆皂苷是一类三萜皂苷类成分，具有一定的两亲性，表现出抗炎、抗氧化、调节免疫力等多种生理活性，近年来对其活性验证、作用机制研究成为热点之一。
1.1 大豆异黄酮
异黄酮主要存在于豆科植物中，其化学结构与雌激素类似（图1），特别是雌二醇（17-β-雌二醇，E2），并且可以与雌激素受体相互作用，因此大豆异黄酮常被称为植物雌激素。迄今为止，已发现的天然大豆异黄酮类化合物有12 种（表1），根据其化学结构分为苷元及其糖苷两类，苷元包括大豆苷元、染料木素、黄豆黄素3 种，占总量的2%～3%；糖苷中的糖主要以葡萄糖苷、乙酰基葡萄糖苷、丙二酰基葡萄糖为主，约占总量的97%～98%。
1.2 大豆皂苷
大豆皂苷是豆科植物中的一类萜类化合物，在苜蓿中也有分布。大豆皂苷属于三萜类齐墩果酸型皂苷，由三萜类同系物的羟基和糖分子环状半缩醛上的羟基失水缩合而成，大豆皂苷按其苷元结构分为A族皂苷（表2）、B族皂苷（表3）、E族皂苷（表4）和2,3-二氢-2,5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮（DDMP）族皂苷（表5）。大豆皂苷的糖包括β-D-半乳糖、β-D-木糖、α-L-鼠李糖、α-L-阿拉伯糖、β-D-葡萄糖醛酸。A族皂苷是由大豆皂苷元A在C-3和C-22位结合2 个糖链所形成，并在C-22位连接有乙酰化糖链基团；DDMP族皂苷是由B族大豆皂苷在C-3和C-22位分别结合1 个糖链和DDMP基团所形成；B族皂苷是单糖链皂苷，是由DDMP组皂苷C-22位失去DDMP基团所形成；E族皂苷是B族皂苷C-22位氧化形成的。
1.3 其他
其他次生代谢产物主要包括大豆甾醇、低聚糖、植酸、蛋白酶抑制剂和胺。大豆甾醇主要由β-谷甾醇、菜油甾醇和豆甾醇组成。低聚糖又分为水苏糖、棉子糖和蔗糖。胺又分为亚精胺、精胺、腐胺和尸胺。大豆蛋白酶抑制剂主要有胰蛋白酶抑制剂和血管紧张素转化酶抑制剂。
02主要化合物的活性机制
本文综述了10 种大豆中的次级代谢产物，包括大豆异黄酮、大豆皂苷和植物甾醇等。其药理作用主要包括抗氧化、抗炎、抗癌、降血糖、神经保护、抗骨质疏松、保肝等。其中，抗氧化、抗炎、抗癌、降血糖、预防心血管疾病是大豆次生代谢产物的主要生物活性（图2a）。此外，还建立了大豆次生代谢产物与生物活性之间的关系网络。大豆苷元、染料木素、大豆皂苷具有多种生物活性（图2b）。大豆主要次生代谢产物的化学结构和生物活性见图3和表6。
2.1 抗炎
大豆次生代谢产物的抗炎活性筛选主要采用细胞模型和动物模型，细胞模型通常为脂多糖（LPS）诱导的RAW264.7、人骨关节炎（OA）软骨细胞、A549肺泡上皮细胞、中性粒细胞等，动物模型为NAFLD、非酒精性脂肪性肝炎（NASH）大鼠以及香烟烟雾诱导的小鼠炎症模型。
大豆异黄酮对炎症的作用主要是通过抑制促炎因子（IL-1、TNFα、IL-6、IL-12、IL-8等）的释放，涉及的信号通路主要包括MAPK、NF-κB、Nrf2和Toll样受体（TLR）（图4）。如大豆异黄酮通过抑制巨噬细胞中iNOS、COX-2、TNF-α、IL-1β、IL-6和单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）的表达和NF-κB活化，从而抑制了巨噬细胞的活化产生抗炎作用。
大豆异黄酮通过抑制IL-6、IL-12、IL-1β和TNF-α的产生，并抑制NF-κB和单磷酸腺苷活化的蛋白激酶水平，缓解戊酸雌二醇诱导的多囊卵巢综合征。大豆苷元和大豆苷通过部分抑制MAPK信号通路，减少p38和ERK的磷酸化从而发挥抗炎作用。大豆异黄酮以剂量依赖性的方式显著抑制ERα的表达，研究表明阻断ERα可改善DSS诱导的肠道炎症反应。
大豆皂苷通过抑制MAPK/NF-κB信号通路、NLRP3炎症小体活化和炎症因子合成从而发挥抗炎作用。大豆皂苷A2不仅能促进结肠内胆汁酸的排泄，还能调节肠道微生物群的组成缓解蛋氨酸和胆碱缺乏饮食诱导的非酒精性肝炎。豆甾醇以剂量依赖性方式发挥抗炎和抗氧化应激作用，并在人正常肺上皮细胞模型中抑制IL-13诱导的神经激肽-1受体（NK-1R）表达。同时，体内实验也表明豆甾醇在OVA刺激后通过抑制炎症浸润、黏液分泌过多以及NK-1R的表达发挥抗炎和抗氧化应激的作用。β-谷甾醇和豆甾醇通过抑制NF-κB的活化显著减轻DSS诱导的小鼠结肠炎。菜油甾醇酯衍生物通过降低促炎标志物的mRNA表达水平，发挥抗炎作用。相反，某些抗炎标志物如IL-4上调，表明对免疫反应有积极影响。
大豆异黄酮类和大豆皂苷类化合物的抗炎构效关系表明，羟基在黄酮骨架上的数量和位置极大地影响了它们的抗炎活性。羟基的数量多活性强，C-5和C-4’位的羟基增强，而C-6、C-7、C-8和C-3’位的—OH减弱其活性。染料木素的羟基较其他两种异黄酮多且C-4’位有羟基，故染料木素抗炎活性较好。大多数黄酮类通过NF-κB、MAPK和JNK-STAT途径发挥作用。大豆皂苷的苷元结构，特别是三萜类苷元，与其抗炎活性密切相关。苷元的疏水性有助于增强与炎症细胞膜的相互作用。
大豆异黄酮的抗炎活性主要与其酚羟基的数量和位置有关，而大豆皂苷的抗炎活性则与其苷元的疏水性和糖链的组成有关。大豆异黄酮通过干预特定的信号传导途径发挥抗炎作用，而大豆皂苷则可能通过直接抑制炎症介质的产生和调节免疫反应实现抗炎效果。
2.2 抗氧化
总氧自由基清除能力法、还原能力测定法、铁离子还原/抗氧化能力法和ABTS阳离子自由基、DPPH自由基、羟自由基清除能力法、超氧自由基清除能力法和脂质过氧化法等是体外抗氧化活性研究的常用方法。研究表明，大豆提取物具有很高的还原DPPH自由基和ABTS阳离子自由基的能力。一项研究定量测定了12 种大豆异黄酮（3 个苷元和9个糖苷）的抗氧化能力，发现在体外条件下大豆的抗氧化能力按递增顺序如下：丙二酰基葡萄糖苷＜乙酰基葡萄糖苷＜葡萄糖苷＜苷元，促进糖苷转化为苷元有助于增强大豆的抗氧化能力。大豆异黄酮具有较好的抗氧化活性，对H2O2诱导的人内皮细胞氧化损伤具有良好的保护作用。染料木素是通过激活PI3K-Akt和ERK1/2-MAPK通路对颏舌母细胞发挥抗凋亡作用，同时使总抗氧化能力、GPX和SOD活性显著升高，有助于治疗多囊卵巢综合征。
通过ABTS阳离子自由基、DPPH自由基和半乳氧基自由基清除能力评价DDMP衍生物的抗氧化能力，研究发现DDMP烯烃位置的羟基中引入保护基团会显著降低其还原能力，表明DDMP中的烯醇结构对其抗氧化活性至关重要。大豆皂苷Ab呈浓度依赖性的方式清除DPPH自由基，表现出良好的抑制脂质过氧化作用，还可通过激活ERK1/2信号通路、调节Nrf2的易位和II期酶（如HO-1和NQO1）的蛋白质表达，保护HepG2细胞免受氧化应激损伤。β-谷甾醇能够抑制LPS诱导的小鼠乳腺上皮细胞氧化损伤，并能促进氧化应激状态下HC11细胞乳脂的合成。
大豆异黄酮类和大豆皂苷类化合物的抗氧化构效关系表明，异黄酮分子中的酚羟基（—OH）是其抗氧化活性的关键结构，酚羟基的位置和数量直接影响其抗氧化能力。A型大豆皂苷的双糖链结构赋予其更多活性基团，具有较好的抗氧化活性；DDMP型大豆皂苷DDMP基团的C-6位是其介导抗氧化、抗自由基活性的关键部位。
综上，大豆异黄酮的抗氧化活性主要与其酚羟基的数量和位置、酚羟基位置电子转移和脱氢能力有关，特别是B环上的酚羟基对抗氧化活性至关重要。大豆皂苷的抗氧化活性则与其羟基和羰基的数量和苷元结构密切相关。大豆异黄酮和大豆皂苷都能通过清除ROS和ABTS阳离子自由基、DPPH自由基发挥抗氧化作用。
2.3 预防心血管疾病
大豆次生代谢产物对多种心血管疾病均有预防作用。研究表明大豆异黄酮高摄入量与患心血管疾病低风险有关。食用大豆异黄酮可显著降低血清TC和LDL-C的水平。内皮细胞产生的NO是影响血管张力的关键因子，染料木素可以通过增强内皮型一氧化氮合酶（eNOS）的基因转录和蛋白质合成，促进NO的生成。研究人员利用人主动脉细胞和自发性高血压大鼠模型进行实验，得出饮食中添加染料木素可以刺激eNOS的表达，改善血管壁增厚，并降低血压。此外，经过染料木素的治疗能够逆转已经形成的晚期肺动脉高压（PH）并显著改善PH诱导的心肺功能障碍。
大豆皂苷通过抑制TLR4/MyD88/NF-κB信号通路，降低TG、TC、LDL-C和TNF-α水平，发挥抗动脉粥样硬化作用。β-谷甾醇通过有效降低三甲胺（TMA）、含黄素单氧化酶3（FMO3）和三甲胺N-氧化物（TMAO）水平，改善小鼠的动脉粥样硬化。大豆中的植物甾醇可显著抑制胆固醇吸收，并将LDL-C水平降低8%～14%。
大豆异黄酮类和大豆皂苷类化合物预防心脑血管疾病的构效关系表明，大豆皂苷通过调节脂质代谢，降低血液中的胆固醇和TG水平，对动脉粥样硬化有预防作用。大豆异黄酮类化合物的A、B环上邻位羟基取代使化合物活性明显增强；糖基化基团取代会大大降低扩血管活性。大豆皂苷侧重于调节脂质代谢和抗氧化，而大豆异黄酮类化合物具有扩张血管的作用，还具有抗血小板聚集及调节血脂作用，从而影响血栓形成、血管硬化的发生。
2.4 降血糖及改善糖尿病症状
大豆次生代谢产物的降血糖活性筛选主要采用细胞模型和动物模型，细胞模型通常为LPS诱导的腹膜巨噬细胞、3T3脂肪细胞、L6肌细胞，动物模型为T2DM、KK-Ay小鼠以及STZ诱导的大鼠糖尿病模型，大豆活性成分发挥降血糖活性机制主要包括调节MAPK、p-Akt/GLUT4等信号通路。大豆苷元和染料木素通过抑制糖异生的同时促进糖向脂肪的转化从而发挥降血糖的作用。在一项关于大豆摄入量与II型糖尿病风险前瞻性研究中，分析得出大豆摄入量与女性患II型糖尿病的风险呈负相关。用不同浓度的异黄酮孵育的胰岛均能增加胰岛素的分泌，因此长期用大豆异黄酮治疗能够改善胰岛素抵抗。而在正常和炎症条件下，染料木素对脂肪组织中的胰岛素受体底物1（IRS1）/Akt信号具有相反的作用，其AMPK活性上调有助于抑制与胰岛素抵抗有关的炎症。
大豆皂苷A2和I可降低空腹时的血糖水平并改善胰岛素抵抗，从而改善葡萄糖稳态。β-谷甾醇通过抑制高脂饮食诱导的大鼠脂肪组织中IRS1丝氨酸磷酸化、激活胰岛素下游信号分子减弱胰岛素抵抗。大豆甾醇通过增强GLUT 4在体内外的表达和转运，改善胰岛素抵抗。
大豆皂苷的降血糖作用与其苷元类型、糖链长度和构象密切相关。大豆异黄酮的降血糖作用可能与其酚羟基的位置和数量有关，特别是B环上的3′-羟基和4′-羟基，这些结构特点可能增强其与自由基的反应性，提高抗氧化活性，发挥降血糖作用。
2.5 抗癌
大豆异黄酮通过调节Akt、NF-κB、MAPK、雄激素受体、肿瘤蛋白P53、Wnt通路和Notch通路等信号通路发挥抗癌作用。研究表明，适量摄入大豆异黄酮与乳腺癌风险无显著相关性，但大量摄入大豆异黄酮与乳腺癌风险降低之间存在显著相关性。染料木素通过促进细胞凋亡、细胞分裂周期修饰和抑制细胞增殖是目前抵抗乳腺癌发生的主要方式。染料木素与雌激素的结构相似，因此染料木素与ERα/β有较强的亲和力，然而不同的基因编码对乳腺组织具有不同的作用：ERα促进癌细胞的生长和增殖，ERβ则抑制增殖、分化并促进凋亡。染料木素对ERβ的亲和力是ERα的9～10 倍，这抵消了ERα的增殖活性。染料木素和大豆苷元都通过阻断细胞周期发挥抗癌作用。
大豆皂苷A靶向钙反应转录因子，可抑制野生型p53缺陷癌细胞的迁移和侵袭。Zhao Huangge等证明了大豆甾醇可以通过阻断胃癌细胞中的Akt/mTOR途径触发细胞凋亡和保护性自噬。豆甾醇官能团的分子修饰可以产生具有提高抗癌活性的结构类似物。大豆低聚糖可诱导部分BGC-823细胞凋亡并且对其有生长抑制作用。
大豆异黄酮类和大豆皂苷类化合物抗癌的构效关系分析结果表明，大豆异黄酮类化合物C-2,3位的双键对其抗肿瘤活性有显著影响。该双键有助于维持黄酮类化合物的共轭体系，从而增强其与自由基的反应性及抗肿瘤活性。糖基化通常降低黄酮类化合物的抗肿瘤活性，因为糖基团的引入可能增加活性位点的空间位阻，影响其与肿瘤细胞的相互作用。通过干预肿瘤细胞的信号传导途径，如PI3K/Akt、MAPK/ERK等，抑制肿瘤细胞的增殖并诱导凋亡。还能影响肿瘤细胞的细胞周期调控蛋白，如周期蛋白依赖性激酶和细胞周期蛋白，抑制肿瘤细胞的增殖。大豆皂苷的苷元结构对其生物活性有显著影响。
大豆异黄酮和大豆皂苷都通过干预肿瘤细胞的信号传导途径发挥抗肿瘤作用，但它们的活性结构和作用机制存在差异。大豆异黄酮的抗肿瘤活性与其分子中特定的双键和酚羟基有关，而大豆皂苷则与其苷元的疏水性和亲脂性密切相关。两者都能通过影响肿瘤细胞的信号传导和调控细胞周期抑制肿瘤细胞的增殖。
2.6 其他活性
大豆次生代谢产物的其他活性包括抗骨质疏松、保肝、抗肥胖、神经保护作用和肾脏保护作用。主要机制包括调节PI3K/Akt、mTOR、NF-κB、JNK信号通路。如大豆皂苷通过抑制脂肪细胞分化和脂肪生成而显示出抗肥胖作用，从而对肝脏TG积累具有预防作用。染料木素能够降低TLR4和TNF-α的基因表达水平，同时增强抗氧化系统（降低MDA水平和增加SOD、GPX和CAT的活性）从而改善肾损伤。二氢黄豆苷元和6-羟基黄豆苷元均通过发挥成骨和抗破骨细胞生成活性，有效地改善了双侧卵巢切除小鼠的骨质疏松性骨质流失。还可通过调节PTEN-Akt/mTOR信号减少肝脏脂质积聚。
03结 语
大豆中主要的活性次级代谢产物包括大豆异黄酮、大豆皂苷、大豆甾醇等，主要在抗炎、抗氧化、预防心血管疾病、糖尿病以及抗肿瘤等方面发挥有益作用。
近年来，随着提取方法和贮存条件的不断改进，越来越多的大豆次生代谢产物被发现，对它们的功能研究也成为天然产物的新热点。但是，目前对于大部分大豆次生代谢产物的研究还停留在对其结构的确定和对某些活性的分析上。对于其构效关系、生物活性等方面缺乏系统的研究。因此，通过对已知大豆次生代谢产物结构和功能的分析和对比研究，可以更好地推断出其主要活性作用基团和作用特点，也可为开发更优质的保健食品提供有效的数据支持。
本文《大豆次生代谢产物结构、生物活性及其作用机制研究进展》来源于《食品科学》2024年45卷20期35-47页。作者：孟新静，杨旭，孟德尚，王梦晗，王磊，刘振花。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20240409-077。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网