摘要：薯蓣科（Dioscoreaceae）是一类单子叶开花植物，包含约650个物种，分布于四个属中，主要分布在热带地区，在全球南方地区的饮食中扮演着重要角色。其可食用的块茎被称为山药，既是营养主食，也广泛用于传统医学。本文综合了121项研究的结果，探讨了薯蓣科植物的传统用途、生物活性、植物化学成分、营养价值和技术应用。其中最常用的两种物种——Dioscorea alata和D. bulbifera——在亚洲、非洲和南美洲被用于治疗胃肠道疾病、糖尿病、风湿病和感染。在非洲，D. dregeana和D. smilacifolia等物种主要用于治疗炎症和呼吸系统疾病；而在亚洲，特别是中国和印度，D. cirrhosa、D. japonica和D. polystachya则与消化系统、代谢系统和内分泌系统疾病相关。植物化学研究表明，这些植物中含有甾体皂苷、孕烷苷和菲苷，显示出其在药物发现方面的潜力。这些物种还表现出多种生物活性，包括抗炎、抗癌和抗糖尿病作用，这支持了它们的一些传统用途。全球山药产量达7500万吨，富含碳水化合物、蛋白质和必需矿物质，为食物不安全的人群提供了重要营养来源。此外，薯蓣科植物中的多糖还具有技术应用价值，可用于生物塑料、水凝胶和功能性食品的制备。总体而言，本文强调了薯蓣科在营养、医药和技术方面的意义，将传统知识与现代应用相结合，突显了其文化和创新潜力。
1 引言
自古以来，植物在人类营养和医学中发挥了重要作用[1]，提供了对健康有益的必需营养素和生物活性化合物[2, 3]。山药属于薯蓣科（Dioscoreaceae），正是这一重要性的典范[4]。
薯蓣科是单子叶植物中的开花植物，属于薯蓣目（Dioscoreales），主要分布在世界热带地区[5, 6]。该科包含约650个物种，分为四个属：Dioscorea、Tacca、Stenomeris和Trichopus，其中Dioscorea是最具代表性的属[7]。这些物种大多是攀缘植物，其地下部分（块茎和根茎）专门用于储存能量[8]。这些地下部分是许多国家，尤其是全球南方国家饮食文化的重要组成部分[8,9,10,11,12]。它们在食品安全方面具有重要意义，因为它们是宏量营养素（碳水化合物、蛋白质和脂质）和微量营养素（维生素和矿物质）的丰富来源，对人类营养至关重要[4]。
此外，这些植物在各种文化中的传统医学应用也有广泛记录，作为治疗疾病的方法[11, 12]。这些植物的植物成分具有多种生物活性，包括抗炎和抗癌特性[13,14,15]。药理学研究表明，它们在2型糖尿病治疗的新方法研究中具有潜力，并取得了有希望的结果[16]。薯蓣科中的甾体皂苷diosgenin因其在该科物种中的特异性分布而被视为分类标志物[17]。此外，这种化合物在制药工业中起着关键作用，是合成类固醇激素和避孕药的前体[18]。
另一种重要的物质是从这些植物中提取的多糖，它们被广泛用于制药和食品工业的技术产品开发。这些多糖的特性使其可用于制备强化功能性食品和开发新的药物辅料，推动了这些领域的创新[19, 20]。
因此，薯蓣科在食品安全和工业新原料开发方面具有多样性和相关性。其广泛的分布和化学多样性使其成为科学研究的宝贵资源，有潜力显著提高生活质量和技术进步。
2 方法设计
本研究采用了调整后的PICo策略[21]，其中P代表问题/研究对象：薯蓣科植物；I代表感兴趣的现象：关于药用用途、食品应用、化学组成、药理学和技术应用的信息；Co代表背景，基于以下指导性问题：数据库中有关薯蓣科植物药用用途、食品应用、化学组成、药理学和技术应用的信息有哪些？
研究中使用的描述符是“Dioscoreaceae”，后跟布尔运算符“AND”，以及括号中的术语“Medicinal Uses”、“Food”、“Phytochemistry”、“Pharmacology”和“Technology”，并在Elsevier（Science Direct）、PubMed和Springer数据库中穿插使用布尔运算符“OR”。
纳入标准是开放获取的英文文章。选择限制在开放获取的出版物上，以确保合成知识对全球读者完全可访问和可复制，符合开放科学的原则。排除标准是综述文章，以便专注于原始和第一手数据。文献搜索不受出版日期限制。
以下调整后的PRISMA流程图（图1）[22]展示了文章搜索和选择过程，描述了使用的数量和标准：
图1
2 薯蓣科的传统用途
从121篇选定的文章中，有47篇被纳入了关于薯蓣科传统用途的综述（表1）。自2018年以来，相关出版物数量显著增加，反映了人们对这些植物营养和药用价值的日益认可。
尽管该科具有分类多样性，但所有研究都集中在Dioscorea属上，这证实了它们在研究中的主导地位及其在传统实践中的重要作用。Dioscorea bulbifera、Dioscorea alata和Dioscorea praehensilis是最常被报道的物种。
地下器官，尤其是块茎和根茎，始终被报道为主要使用部分，突显了它们作为主食的作用。在记录中，尤其是在非洲和拉丁美洲，食品用途更为普遍；而在亚洲，则更强调其药用价值。
非洲和拉丁美洲对食品用途的重视凸显了薯蓣科在食物不安全地区的重要性[23]。根据联合国粮农组织（FAO）[24]的数据，全球山药年产量超过7500万吨，尼日利亚是最大的生产国。
图2显示了该科物种引用的百分比分布，非洲大陆被引用最多：
图2
薯蓣科物种的地理分布概况
薯蓣科植物的药用应用具有很强的地域性，反映了不同地区的文化和治疗实践。在亚洲，特别是在中国、印度和韩国，D. alata[25, 29]、D. bulbifera[12, 29, 30]、D. cirrhosa[37, 41, 46]、D. japonica[51, 56]和D. polystachya[13, 46, 60]等物种被广泛用于治疗胃肠道疾病，如消化不良、胃炎、溃疡、腹泻和腹痛，以及代谢性疾病如糖尿病和虚弱。在中国传统医学中，还经常报道与内分泌系统相关的应用，例如甲状腺功能障碍和甲状腺功能亢进的治疗，例如D. esquirolii[41]、D. bulbifera[43]和D. communis[48]。
在非洲国家，包括南非、莫桑比克、喀麦隆和埃塞俄比亚，薯蓣科物种主要用于治疗炎症性疾病（如风湿病和关节炎）以及呼吸系统疾病（如咳嗽、感冒和发烧），D. dregeana[40, 54]、D. smilacifolia[45, 65]和D. quartiniana[40]是典型的例子。此外，一些物种如D. bulbifera[39, 40]在非洲和亚洲传统上也被用于对抗疟疾和肠道寄生虫。
在拉丁美洲，特别是巴西、哥伦比亚和厄瓜多尔，D. alata[26, 28]和D. trifida[68]等物种用于消化问题和中枢健康促进。
总体而言，药用用途和地理分布的结合表明，亚洲传统侧重于胃肠道、代谢和内分泌系统疾病；非洲实践则强调炎症、感染和呼吸系统疾病；而美洲的用途主要与消化健康相关。
传统知识表明，山药不仅是确保营养安全的重要碳水化合物来源，还是融入当地卫生系统的药用资源。不同大陆之间的用途共性，特别是在营养和消化健康方面，以及文化特定的应用，体现了这些植物的共同需求和文化多样性。
在这种情况下，促进其种植和价值化不仅是一种农业策略，也是一种基于文化的途径，有助于减少食物不安全的影响，并利用传统植物作为药物。
2.1 薯蓣科根茎的化学成分
本节选择了12项研究（表2），所有研究都集中在Dioscorea属，特别是分析物种的根茎上。一半的研究确定了甾体皂苷和diosgenin（1）是这些物种的化学成分。其他研究报道了菲苷（2）和孕烷苷（3）的存在，图3展示了这些化合物的化学结构。其余研究指出还存在其他化合物，如dioscin、生物碱、酚类化合物、单宁、维生素和宏量营养素，提供了这些植物地下部分的详细化学谱型。
表2 薯蓣科根茎的植物化学成分
图3
薯蓣科植物中发现的化合物
薯蓣科植物中的皂苷主要为甾体来源，其中diosgenin尤为值得注意。Cheng等人[69]提到，diosgenin是薯蓣科植物中常见的成分，是合成类固醇药物（包括性激素、类固醇和避孕药）的重要前体[70,71,72]。在本研究中，diosgenin在Dioscorea villosa、Dioscorea zingiberensis、Dioscorea septemloba、Dioscorea collettii和Dioscorea deltoidea等物种中被报道。Nazir等人[73]的研究调查了从Dioscorea deltoidea中提取diosgenin的效率。作者得出结论，块茎是含有最高diosgenin含量的部分，含量为干重的1.15%。这显著高于叶片（干重0.22%）和茎（干重0.32%）。研究还表明，溶剂和提取方法对最终产量有显著影响。使用50%乙醇的微波辅助提取方法获得了最佳效果，产量为干重的0.99%；而用水浸提的方法效果最差，仅得到干重的0.46%。此外，研究还发现块茎中的diosgenin含量会随季节变化而变化。
根据Business Research Insides[74]的分析，2024年diosgenin的市场价值为1.2亿美元，预计到2033年将增长到1.9亿美元，2025年至2033年的复合年增长率（CAGR）为6.1%。这项研究指出了一个重要的机会，即推进旨在识别含有最高浓度 Diosgenin 的物种的研究，从而提高提取效率并优化这种宝贵化合物的可用性。这些发现展示了该属和科的植物化学价值，表明它们作为制药工业化合物来源的巨大潜力。Diosgenin 的鉴定，以及多环芳烃化合物（特别是孕烷和菲类化合物）的发现，需要进一步的研究，不仅是为了阐明它们的全部药理潜力，也是为了探索它们通过半合成反应开发新药物的潜力。
2.2 茄科植物的生物活性
关于茄科植物的生物活性，共选择了56篇文献（表3）。出版物数量在2016年至2017年间达到峰值，随后在2020年至2021年间再次显著增加。这些研究主要集中在 Dioscorea 和 Tacca 两个属上，其中大部分研究集中在 Dioscorea 上，这可能是因为它在传统实践中被广泛使用。在研究的植物部位中，根茎和根等地下结构是最常被研究的，而球茎和地上部分则相对较少受到关注。
表3 茄科植物的生物活性
2.2.1 抗炎活性
Dioscorea 物种最常被引用的药用用途之一是其抗炎作用。多项研究调查了这一效果，并将其与植物中存在的特定生物活性化合物联系起来。例如，Mollica 等人 [130] 在由卵白蛋白诱导的食物过敏大鼠模型中评估了 Dioscorea trifida 的根茎提取物（100和300 mg/kg/天）。他们观察到抗-OVA IgE 水平降低，同时肠道水肿和肥大细胞增生也有所减少，这支持了提取物的抗炎潜力。Junchao 等人 [114] 在由卵白蛋白诱导的哮喘大鼠模型中研究了从 Dioscorea nipponica 中提取的 Diosgenin（100 mg/kg/天）的效果。该研究报道了促炎细胞因子的抑制作用，TNF-α、IL-1β 和 IL-6 显著降低，同时气道中的炎症细胞浸润也减少了。Cai 等人 [128] 专注于 Dioscorea polystachya 地上部分中的苯丙素类化合物，以评估其对 RAW264.7 细胞中一氧化氮（NO）的抑制作用。他们观察到 Diosbiben C 具有最强的活性，IC50 为 9.3 ± 1.03 µM。这种化合物还抑制了 LPS 诱导的 iNOS 表达，表明其抗炎作用可能是通过 NF-κB 信号通路介导的。类似地，Lim 等人研究了从 Dioscorea batatas 中分离出的一种化合物 2,7-二羟基-4,6-二甲氧基菲，它通过减少 NO 产生、抑制 LPS 诱导的 IL-1β 以及抑制 iNOS 和 COX-2 表达来发挥类似的作用。
2.2.2 抗癌和细胞毒性活性
该科植物另一个经常被报道的生物活性是细胞毒性和抗癌潜力。Jing 等人 [13] 评估了从 Dioscorea collettii 根茎中提取的二氢异香豆素和二氢异黄酮，发现二氢异香豆素对肺癌细胞（NCI-H460）表现出中等程度的细胞毒性，IC50 值分别为 33.37 和 32.06 µM，而二氢异黄酮则没有显著活性（IC50 > 50 µM）。Zhu 等人 [103] 研究了另一种肺癌细胞系（NSCLC），发现从 Dioscorea bulbifera 中分离出的 diosbulbin C 可以抑制细胞增殖并使细胞停留在 G0/G1 期。作者提出 diosbulbin C 通过下调 AKT、DHFR 和 TYMS 的表达/激活来发挥这种作用。
有趣的是，随后对 Dioscorea opposita 的研究显示了不同生物分子类别中更为一致的抗癌效果。Chan 和 Ng [15] 证明从其可食用块茎中分离出的一种凝集素对乳腺癌（MCF-7）、肝癌（HepG2）和鼻咽癌（CNE2）细胞具有细胞毒性，IC50 值分别为 3.71、7.12 和 19.79 µM。同时，Ma 等人 [124] 报告称，同一物种中的多糖也能以剂量依赖的方式抑制肝细胞癌细胞，SNU-739 细胞的存活率从 50 μg/mL 时的 89.77% 降低到 400 μg/mL 时的 63.76%，HepG2 细胞的存活率从 50 μg/mL 时的 83.32% 降低到 400 μg/mL 时的 43.12%。
因此，这些结果一致支持了该科植物对多种细胞系的抗癌潜力，并表明分离出的化合物可以作为开发新型癌症疗法的先导。
2.2.3 抗糖尿病和代谢增强活性
糖尿病仍然是一个重大的全球健康挑战，茄科植物的几个物种在缓解与该疾病相关的并发症方面显示出潜力。Go 等人 [90] 评估了 Dioscorea batatas 的效果，并发现了一致的结果。HbA1c 显著降低（100% 时为 24.4 ± 0.6 ng/mL，降至 78%、75% 和 77%），总胆固醇（100% 时为 122 ± 3 mg/dL，降至 70%、67% 和 69%），低密度脂蛋白（100% 时为 29 ± 1 mg/dL，降至 45%、48% 和 38%）。相反，胰岛素（100% 时为 0.22 ± 0.00 ng/mL，升高至 173%、209% 和 177%），GLP-1（100% 时为 18.4 ± 0.7 pmol/mL，升高至 160%、166% 和 162%），以及 C-肽（100% 时为 2.56 ± 0.10 ng/mL，升高至 129%、132% 和 130%）显著增加。此外，氧化应激也得到了缓解，表现为丙二醛（100% 时为 7.25 ± 0.11 nmol/mL，降至 87%、86% 和 85%）的减少，以及超氧化物歧化酶（100% 时为 167 ± 6 IU/mL，升高至 147%、159% 和 145%）和谷胱甘肽（100% 时为 167 ± 6 nmol/mL，升高至 123%、141% 和 140%）的增加。这些结果表明，山药和尿囊素通过调节抗氧化防御和脂质代谢，同时促进 GLP-1 的释放并增强 β 细胞功能，从而有助于维持正常的胰岛素和葡萄糖稳态。
除了这些发现外，Guo 等人 [109] 还研究了糖尿病肾病（糖尿病的常见长期并发症），使用从 Dioscorea hypoglaucae 中提取的总皂苷进行治疗。治疗显著降低了糖尿病大鼠的空腹血糖、糖化血红蛋白、尿蛋白、血清肌酐和血尿素氮水平。组织学检查进一步显示，皂苷改善了肾小球和肾小管的病理变化。此外，提取物有效减少了氧化应激，并降低了肾中的晚期糖基化终产物、转化生长因子-β1、结缔组织生长因子和肿瘤坏死因子-α 的水平，显示出对糖尿病引起的肾损伤的保护作用。
另一项由 Ghosh 等人 [16] 进行的研究集中在从 Dioscorea bulbifera 中提取的 Diosgenin 上，发现它是一种有前途的 α-淀粉酶和 α-葡萄糖苷酶抑制剂。在石油醚、乙酸乙酯、甲醇和 70% 乙醇（v/v）提取物中，乙酸乙酯组分显示出最高的抑制活性，分别对 α-淀粉酶和 α-葡萄糖苷酶的抑制率为 72.06 ± 0.51% 和 82.64 ± 2.32%。从这种提取物中成功分离出了 Diosgenin，其对 α-淀粉酶和 α-葡萄糖苷酶的抑制率分别为 70.94 ± 1.24% 和 81.71 ± 3.39%。
总体而言，这些证据加强了茄科植物物种的抗糖尿病潜力，表明它们的提取物和分离出的化合物可以调节关键的代谢途径和氧化应激，从而为糖尿病管理提供了有希望的候选物质。
2.3 茄科根茎的营养价值
有三篇文献讨论了茄科物种的营养特性，所有研究都集中在 Dioscorea 属上。最常被引用的物种是 Dioscorea opposita 和 Dioscorea alata，但也分析了 Dioscorea fordii、Dioscorea persimilis 和 Dioscorea hispida。在所有研究中，分析的植物部位都是根茎。
Wu 等人 [137] 的报告强调了高浓度的碳水化合物，干重占比从 60.7% 到 80.6%，蛋白质占比从 6.3% 到 12.2%。此外，这些物种含有钙、锰、锌、铁和铜等必需矿物质，特别是 Dioscorea alata、Dioscorea opposita、Dioscorea fordii 和 Dioscorea persimilis。
Shan 等人 [138] 的研究中，碳水化合物浓度在 20% 到 40% 之间变化，并且报告了 Dioscorea opposita 和 Dioscorea alata 中含有抗坏血酸。
最后，Kumoro 等人 [139] 的工作专门研究了 Dioscorea hispida 的根茎粉。这种面粉的成分包括大约 78.8% 的碳水化合物、13.6% 的蛋白质、1.18% 的脂质和 0.3% 的纤维。
Obidiegwu 等人 [4] 的综述也提供了关于 Dioscorea 营养价值的更广泛概述，强调了其高含量的碳水化合物和蛋白质，并讨论了这些物种对非洲国家粮食安全的重要性。
与其他广泛消费的根茎和块茎（如木薯（Manihot esculenta）和甘薯（Ipomoea batatas）相比，山药根茎（Dioscorea spp.）具有吸引人的特点。虽然木薯以其高淀粉含量而著称，但它含有需要适当处理的毒性化合物 [141]。相比之下，甘薯结合了更多的营养多样性，包括纤维、维生素和抗氧化剂，是一种重要的功能性食品，类似于山药 [142]。
在这种情况下，山药根茎因其高碳水化合物含量以及显著的蛋白质、矿物质和生物活性化合物含量而脱颖而出，使其不仅作为能量来源，而且作为营养密集型和生物活性化合物资源具有价值。
2.4 茄科多糖的技术应用
共找到了3篇关于茄科植物技术应用的文献。所有研究都使用了根茎来开发他们的产品。此外，从这些植物中提取的多糖是用于各自目的的主要物质。
Makthar 等人 [143] 使用 Tacca leontopetaloides 的淀粉生产了一种生物塑料。作者报告说，这种开发的产品由于其良好的生物降解性和有利的热性能，可以成为传统塑料的优良替代品。
Liu 等人 [19] 使用 Dioscorea opposita 的多糖开发了一种用于控制胰岛素释放的水凝胶。研究表明，这种水凝胶对葡萄糖浓度和 pH 值具有双重响应性，并且对活性氧具有抑制作用。在细胞毒性测试中，水凝胶被证明是生物相容的且对细胞无毒。作者认为该产品有望用于糖尿病治疗。
Zhang 等人 [20] 使用 Dioscorea opposita 的黏液改善了酸奶的物理化学性质、质地和稳定性。结果表明，黏液可以促进乳酸菌的生长，增强酸奶的凝胶化，并增加分散粘度，从而显著降低 pH 值和粘性，并提高坚固性和粘附性。此外，感官评估显示消费者对这种酸奶的整体接受度很高，表明该植物的黏液可以用于增强功能性食品。
其他研究还报告说，该科植物的碳水化合物特性使其在功能性食品和药用辅料方面具有有利的物理化学性质。Nattapulwat 等人 [144] 描述了 Dioscorea esculenta 的淀粉可以作为传统崩解剂的可行替代品。Okunlola 等人 [140] 使用 Dioscorea rotundata 和 Dioscorea dumetorum 的淀粉开发了双释放阿司匹林片。作者报告说，这些片剂的机械性能优于市场上可获得的产品。
此外，功能性食品产品开发的研究也备受关注。Rojas-Martins 等人 [145] 使用 Dioscorea rotundata 的淀粉作为脂肪替代品来生产蛋黄酱。Li 等人 [146] 用 Dioscorea opposita 的面粉制作了面包。他们报告说，烘焙产品的质量很高，并表现出抗氧化活性。
总之，研究表明，茄科植物的多糖具有多样的应用性，在制药和食品工业中可能具有重要意义，有助于从增强食品到药品产品的技术发展。
3 结论
这篇综述表明，茄科植物，特别是 Dioscorea 属的物种，在全球南方的粮食安全和传统医学方面非常重要。除了它们的营养和治疗价值外，它们的生物活性化合物在制药和食品工业应用中显示出巨大潜力，可以作为类固醇药物的前体和大分子，用于创新食品和技术产品。
因此，进一步的研究对于扩展关于安全性和毒理学的知识至关重要。此外，目前缺乏针对地上部分（如叶子和茎）的研究，以及关于食用地下器官的健康益处的研究，鉴于它们的生物活性成分。
综上所述，目前关于茄科植物药用和营养价值的知识为未来的研究和发展新型功能性及技术先进产品指明了有希望的方向。
