作者：高坤
出版社：江苏凤凰科学技术出版社
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牧草次生代谢物试读：
前言
牧草是具有一定饲用价值、以草本为主的野生或栽培植物，包括半灌木和灌木。牧草除用作家畜的主要饲料外，对改良土壤理化性质、维持土壤肥力、防风固沙、保持水土、绿化环境和调节气候都有重要作用。
对于牧草品质的评价，一般是以消化率、适口性以及主要营养成分蛋白质、糖类、脂类等植物体生命活动所必需的初生代谢产物的含量为主要评价指标。然而，随着对牧草研究的深入及细化，人们越来越意识到次生代谢产物对牧草品质有着不可忽视的影响。牧草或植物的次生代谢过程是极其复杂的，产生的次生代谢物的化学结构类型也是多样性的，通常分为苯丙素类、醌类、黄酮类、单宁类、萜类、甾体及苷和生物碱等七大类。
本书针对常见的豆科、菊科、禾本科和其他科中重要的并具有代表性的牧草，按类型列举了其中所含的次生代谢物的结构和活性等相关信息，并分别就它们的饲用价值、药用价值、食用价值和其他经济价值进行阐述，以期能够对牧草进行品质改良和保证家畜健康、提高家畜生产性能等方面提供物质基础的支撑与参考依据。
本书以大量的文献调研并结合笔者近年来完成的与牧草次生代谢物相关的研究论文精心整理编写而成。可作为从事牧草品质评价的相关农学和化学研究人员、教师、研究生和本科生的参考书。
本书由高坤和祝英教授策划编写，高坤教授进行了最终的统稿和定稿。参加编写的还有袁呈山副教授（第2.2、2.3、2.4、2.9节），刘珍伶副教授（第2.5、2.6、2.7、2.8节），祝英教授（第3.2、3.3、3.4、3.5、3.6节），李亚副教授（第3.7、3.8、3.9、3.10节），武全香副教授（第4章）和陈建军副教授（第5章）。
研究生何小凤和巫洪儒参与了第3.2、3.3、3.4、3.5、3.6节的部分工作，在此表示感谢。编者2015年元月
使用说明
在本书中，某些结构片段用如下所示的缩写字母来表示：例如，iAc为乙酰基（acetyl）；Val为异戊酰基（isovaleryl），Ang为当归酰基（angeloyl），MeSen为甲基千里光酰基（methysenecioyl），HMB为2-羟基-3-甲基丁酰基（2-hydroxy-3-methylbutyryl），PPA为对羟基苯乙酰基（ρ-hydroxyphenylacetyl），PMP为对甲氧基苯乙酰基（ρ-methoxyphenylacetic），HPL为对羟基苯基乳酸酰基（ρ-hydroxyphenyllactyl），THPE为3，4，5-三羟基苯甲酰基（3，4，5-trihydroxybenzoyl），DHPE为3，4-二羟基苯甲酰基（3，4-dihydroxybenzoly），Fer为阿魏酰基（ferulyl），Sin为芥子酰基（sinapoyl），HPLHMB为对羟基苯基乳酸基-α-羟基-β-甲基丁酰基（p-hydroxyphenyllac-tyl-α-hydroxymethylbutyryl），（S）-HMG为（S）-3-羟基-3-甲基戊二酸单酰基（3-hydrxy-3-methylglutaryl），Mal为丙二酸单酰基（malonyl），Pa为棕榈酰基（palmitoyl），Rib为β-D-呋喃核糖基（ribofuranosyl），Api为呋喃芹菜糖基（apiofuranosyl），Api-5Ac为5-乙酰基呋喃芹菜糖基（5-acetylapiofuranosyl），Ara1为β-L-呋喃阿2拉伯糖基（arabinofuranosyl），Ara为α-L-呋喃阿拉伯糖基（arabinofuranosyl），AraPa为2-O-棕榈酰基阿拉伯糖基（arabinosylpalmitoyl），Ara为α-L-吡喃阿拉伯糖基（arabinopyranosyl），Rha为α-L-吡喃鼠李糖基（rhamnopyranosyl），Rha1为β-L-呋喃鼠李糖基（rhamnofuranosyl），Rha2为α-L-呋喃鼠李糖基（rhamnofuranose），Dig为digitoxosyl，Boi为boiviosyl，Glu为β-D-吡喃葡萄糖基（glucopyranosyl），GluA为β-D-吡喃葡萄糖酸基（gluconicacid），GluA（Me）为β-D-吡喃葡萄糖酸甲酯基（gluconate methyl），Glu-6Ac为6-乙酰基-β-D-吡喃葡萄糖基（6-acetyl-glucopyranosyl），Rha-2Ac为2-乙酰基-α-L-吡喃鼠李糖基（2-acetyl-rhamnopyranosyl），Gal为β-D-吡喃半乳糖基（galactopyranosyl），Man1为β-D-吡喃甘露糖基（mannopyranosyl），Xyl为β-D-吡喃木糖基（xylopyranosyl），Glu-Pa为6-O-棕榈酰基-β-D-吡喃葡萄糖基（6-O-palmitoylglucopyranosyl）；Glu-PPA为6-O-对羟基苯乙酰基-β-D-吡喃葡萄糖基（6-O-p-hydroxyphenylacetylglucopyranosyl）；Glu-PMP为6-O-对甲氧基苯乙酰基-β-D-吡喃葡萄糖基（6-O-p-methoxyphenylacetylglucopyranosyl）；Glu-Mal为6-O-丙二酸单酰基-3β-D-吡喃葡萄糖基（6-O-malonylglucopyranosyl）；Glu-Mal（CH）为6-O-丙二酸单甲酯单酰基-β-D-吡喃葡萄糖基（6-O-methylmalonylglucopyranosyl）；GluApi为β-D-呋喃芹菜糖基-（1→2）-β-D-吡喃葡萄糖基［apiofuranosyl（1→2）glucopyranosyl］；PPA-Glu为4-O-β-D-吡喃葡萄糖基对羟基苯乙酰基（4-O-β-D-glucopyranosyl-p-hydroxyphenylacetyl）。第1章绪论
牧草是具有一定饲用价值、以草本为主的野生或栽培植物，包括半灌木和灌木。牧草除用作家畜的主要饲料外，对改良土壤理化性质、维持土壤肥力、防风固沙、保持水土、绿化环境和调节气候有重要作用。由于牧草具有高效率利用光能的特点，因此，发展牧草生产有利于建立稳产、高产的农牧业生产体系。
一般来说，优良的牧草产区都是著名家畜品种的产地。对于牧草品质的评价，一般是以消化率、适口性以及主要营养成分蛋白质、糖类、脂类等植物体生命活动所必需的初生代谢产物的含量为主要评价指标。然而，随着对牧草研究的深入及细化，人们越来越意识到次生代谢物对牧草品质有着不可忽视的影响。越来越多的研究表明，牧草中所含的次生代谢物直接影响牧草的品质以及家畜的健康和生产性能。
次生代谢物（secondary metabolites）是指植物体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，其产生和分布通常有种属、器官、组织和生长发育期的特异性。与初生代谢物不同，次生代谢物在已知的光合作用、呼吸、同化物运输以及生长分化等生理过程中没有明显或直接的作用，是植物体产生的、与植物自身生长发育无直接关系，但是对植物适应不良环境或抵御病原物侵害，以及植物的代谢调控等有重要作用的一类有机物。植物次生代谢物是植物对环境的一种适应和在长期进化过程中植物与生物和非生物因素相互作用的结果，是植物自身用于减少昆虫或病原菌危害的物质基础，这也是植物次生产物最原始、最主要的功能；同时，很多次生代谢物有着丰富的生物学功能，与人类及家畜的健康有着密切的关系。
牧草中次生代谢物的存在形式以及含量的高低，对家畜的健康和[1]生产性能既有有利的一面，也有不利的一面。近年来的研究结果表明，适量的牧草次生代谢产物不但能抗病，而且还能促进动物生长，另外，牧草次生代谢产物是绿色纯天然、毒副作用低的物质，可添加到饲料中；然而，次生代谢物的毒副作用也不可忽视，例如，饲草中黄酮含量过高或饲料中添加黄酮过多，会引起反刍动物瘤胃膨胀或家畜不孕不育等症。目前，对牧草次生代谢产物的研究尚属初级阶段，且产品多为粗制品，效果不稳定，在牧草中的含量或饲草中的添加量难以精确控制。随着牧草次生代谢产物研究的深入和认识的不断加深，其必将在控制动物疾病和促进动物生长方面发挥巨大作用。
牧草或植物的次生代谢过程是极其复杂的，产生的次生代谢物的化学结构也是多样性的，从类型来看，通常分为苯丙素类、醌类、黄酮类、单宁类、萜类、甾体及苷和生物碱等七大类。
苯丙素类（phenylpropanoids）代谢产物中，木质素（lignins）是重要的一类化合物，是由肉桂醇等单体聚合而成的酚类多聚体，是具有重要生物功能的大分子有机物，在植物中其含量及重要性仅次于纤维素。木质素是植物从水生进化到陆生的物质基础，使它们能在陆地上支持其自身巨大的重量，并把水分从根部转运至叶片。木质素填充在纤维素构成的骨架中，增加了特化细胞壁的硬度，有利于植物体的疏导组织运输水分，同时也增强了植物对生物与非生物胁迫的防御[2]，[3]和抵抗能力。然而，木质素也一直被认为会产生一些负面影响，如木质素含量高的牧草会影响草食动物的消化和营养吸收。但是，2008年的一篇综述指出，纯化的木质素对单胃或反刍动物消化不构成障碍，经过纯化的木质素一般是低分子量单酚片段，具有不同于那些多聚酚机体木质素的生物特征。因此，纯化的木质素对单胃动物的[4]健康是有益的，并可能被视为是一种天然饲料添加剂。
香豆素（coumarins）也是重要的苯丙素类代谢产物，由于其具有特殊的味道和气味而保护植物不被动物取食，同时由于其具有抗菌作用而保护植物不受细菌和真菌侵染，并且能够在一定程度上抑制种子的发芽。香豆素在成为结合状态后气味变弱，例如，草木犀中一般含有大量结合状态香豆素，以花中最多，叶子和种子次之，茎和根中最少。家畜采食草木犀，经咀嚼后即释放出游离态的香豆素，使其口味不佳，降低牧草品质。发热或腐败的干草或青贮饲料所含香豆素可转变为一种毒性很强的双香豆素（或称出血素），家畜食后可引起“草木犀中毒症”。这种有毒物质抗维生素K阻止凝血素的形成，可作为抗凝血类杀鼠剂的主要化学成分，其药物作用是抑制凝血因子在肝脏内合成。香豆素可以结合维生素K环氧化还原酶，抑制维生素K由环氧化物向氢醌型转化。植物在衰老或受伤时，会降低体内的香豆素[5]葡萄糖苷结合物含量，释放出挥发性的香豆素。
黄酮类化合物（flavonoids）构成了次生代谢产物的一个巨大家族，它们是一个高度分化的类群，还可以分为黄酮、异黄酮、查耳酮、花青素和原花青素类化合物等亚类，在作为植物色素、阻食剂、木材保护剂、叶表皮细胞防止紫外损伤的保护剂或者作为信号分子等方面发挥重要作用。黄酮类物质不但在植物体中具有广泛的生理功能，而且还因其具有抗氧化活性和雌激素样作用等药理活性而对人体和家畜有重要作用。
豆科牧草中富含黄酮或异黄酮成分，例如，苜蓿中的苜蓿素就是黄酮化合物，它的最大作用在于能有效清除人体或动物体内的自由基，具有抗氧化、降血脂、预防心脑血管疾病等作用。异黄酮类化合物具有类雌激素作用，例如，大豆、苜蓿、三叶草中含有大豆异黄酮，尤其在成熟的大豆种子中含量相当丰富。大豆异黄酮是一种同时具有雌激素样和抗雌激素样作用的天然活性物质，根据体内雌激素浓度高低、受体数目、结合程度等，而对机体雌激素活性呈现促进或拮抗作用。一般说来，异黄酮在内源性雌激素水平较低时表现为雌激素激动剂的作用，具有促进动物生长、增强动物机体免疫力、诱发发情或促进乳腺发育、提高动物泌乳量和繁殖力、增加家禽产蛋量和蛋品质等生理功能；不仅如此，大豆异黄酮对雄性动物的生殖性能也有较大影响，能使血清中的睾酮含量显著提高，鸡冠、睾丸重显著增加。而当体内雌激素水平偏高时，大豆异黄酮与雌激素受体结合后就表现出抗雌激素的作用，例如，高剂量大豆黄酮明显抑制大鼠的胚泡着床，导致性周期紊乱，间情期显著延长。牛、羊如长期采食富含大豆异黄酮或香豆雌酚等异黄酮丰富的豆科牧草，有可能患“三叶草病”，即繁殖障碍病，患病牛羊不孕不育或子宫无力、流产、难产和死产的发生[6]-[9]率增加。
萜类（terpenoids）和甾体（steroids）及其苷（glycosides）在牧草中广泛存在，特别是三萜苷和甾体苷，它们被称为皂苷（saponins），由于其水溶液振荡时能产生大量持久性蜂窝状泡沫，与肥皂相似，故称为皂苷。苷又称配糖体，是由糖或醛的衍生物半缩醛羟基与另一非糖物质（苷元）中的羟基以缩醛键（苷键）脱水缩合而成的环状缩醛衍生物。皂苷中的苷元通常为三萜和甾体，因此，皂苷根据其化学结构可分成两大类：三萜皂苷和甾体皂苷。一般来说，甾体皂苷是作为合成甾体激素及其有关药物的原料，而三萜类皂苷常作为药理活性成分。皂苷的溶解度随其分子中连接糖的数目而有所不同，一般可溶于水，易溶于热水、热甲醇及热乙醇，不溶于乙醚等极性小的有机溶剂。皂苷也是牧草中的主要次生代谢产物，同时是重要的生物及药理活性物质，与人类及畜禽的健康有着密切的关系。
皂苷在优良牧草苜蓿中的含量较高，它有3个方面的作用。首先，在对苜蓿自身生长及对环境的适应力方面，苜蓿皂苷具有抗草食性昆虫、抗真菌及自毒作用。第二，在对人及动物的健康方面，苜蓿皂苷具有降血脂、减轻动脉硬化、降低血清低密度脂蛋白（LDL，“坏”胆固醇）含量、提高血清高密度脂蛋白（HDL）含量、促进胆固醇排泄（皂苷能与胆固醇形成复合物，与胆汁酸形成混合胶束，从而降低胆固醇在肠道中的吸收，并能减少胆固醇在动物肝脏中的积累），以及镇痛、抗炎和抗癌等作用。苜蓿皂苷还对蛋雏鸡免疫系统功能的提高具有积极作用，也能提高猪的免疫力。第三，苜蓿皂苷对动物生产方面的研究结果也不尽相同，一方面发现皂苷对动物生产性能不利，因为苜蓿皂苷降低了适口性，影响了相关酶的活性等；另一方面发现苜蓿皂苷对动物生产性能没有不良影响或有促进作用。在鸡饲料中添加苜蓿皂苷可以适当地提高鸡蛋的蛋重及蛋黄比例。这可能由于苜蓿皂苷促进蛋鸡采食量的增加，促进蛋白质的吸收，鸡体消耗能量较少，而营养供给均衡，对鸡蛋中蛋白质的沉积有促进作用，从而增加蛋重。苜蓿皂苷对猪生产性能的影响与猪品种、饲粮水平和环境条件等有关，其作用机理可能是由于苜蓿皂苷作为生长调节因子影响动物体内生长激素、胰岛素样生长因子等的活性所致。饲粮中添加苜蓿皂苷，提高了仔猪的日增重，降低了饲料增重比，提高了其生产性能，并在一定[10]程度上降低了仔猪的腹泻。
然而，也有报道表明苜蓿皂苷具有溶血活性和毒鱼作用，并对心脏有刺激作用，还可引起反刍动物瘤胃膨胀、呼吸障碍以及抗营养作用等对动物生长不利的方面。皂苷对反刍动物的影响与单胃动物有所差异，主要表现在对瘤胃的影响。苜蓿皂苷对羊胀气的研究报道很多，不同水平苜蓿皂苷对绵羊氮平衡及生产性能有影响，皂苷也导致减少瘤胃原虫种群，增加十二指肠氮流量，减少瘤胃和总消化道表观消化[11]率。
植物单宁（vegetable tannins）又称植物多酚（plant polyphenols），广泛存在于植物包括农作物和牧草中，是一类多元酚且高度聚合的化合物。该类化合物在植物受到昆虫、真菌、细菌的侵袭时起保护作用。不同物种其单宁的含量不同，且随其生长环境的不同而改变。在自然界中，单宁主要分布在双子叶植物细胞壁或茎秆、树皮、花和种子的胞液内。单宁在热带、亚热带乔木及灌木中含量非常高；豆科植物（如红豆草、百脉根、小冠花和大多数热带豆科植物）、油菜籽及高粱中含量较高；小麦、苏丹草中含量较低。
单宁类物质具有抗氧化作用，其酚羟基，尤其是邻位酚羟基（邻苯二酚、邻苯三酚）容易被氧化，在有酶、空气、水分的条件及在碱性条件下氧化加快，其表现为颜色加深。单宁的抗氧化性体现在两个方面，一方面通过还原反应降低环境中的氧含量，另一方面则通过作为氢供体释放出氢，氢再与环境中的自由基结合以清除自由基。单宁也有抑制寄生虫的作用，据报道，采食含缩合单宁的豆科饲草的绵羊比采食不含缩合单宁牧草的绵羊对体内寄生虫的感染有更好的耐受力。饲料中的单宁可降低肠道中线虫类及其幼虫对宿主的不良影响。单宁也能提高羊毛产量和繁殖性能。但是，单宁能与蛋白质和消化酶[12]-[14]形成难溶于水的复合物，影响动物体内对食物的吸收消化。
生物碱（alkaloids）是在植物中由氨基酸代谢而来的一大类代谢产物，其代谢物结构中至少含1个氮原子。这类化合物中很多是有毒的，或是很苦，可以保护植物逃避食草动物的注意。多数生物碱是通过脂肪族氨基酸如鸟氨酸、赖氨酸，芳香族氨基酸如苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的代谢衍生的。
由鸟氨酸和赖氨酸代谢衍生的生物碱包括吡咯烷类、吡咯里西啶类和哌啶类生物碱等。曼陀罗、颠茄和天仙子的提取物均含吡咯烷类生物碱，被用作毒药和包括巫术在内的宗教仪式的重要辅助物；吡咯里西啶类生物碱一般是与千里光次酸形成酯而存在，对肝有剧毒，一种珠红蛾子的幼虫以千里光的叶子为食料，在它们的体内积累这种生物碱，使捕食它们的动物厌恶它们；来自石松的石松碱和毒性很大的毒芹碱也属哌啶类生物碱。由苯丙氨酸和酪氨酸代谢产生的生物碱主要分为简单的单环类、异喹啉类和石蒜科生物碱。在大麦中，由苯丙氨酸转化的大麦碱即为简单的单环类生物碱，是类似于麻黄碱的兴奋剂，和麻黄碱一样，都是制造冰毒的主要成分；罂粟碱、番荔枝碱、小檗碱（黄连素）等均属于苄基异喹啉类生物碱；石蒜科生物碱主要存在于石蒜科植物，例如，秋水仙碱来自于秋藏红花，用作治疗和诊断痛风的药物或辅助剂。由色氨酸产生的生物碱具有致幻性，例如，骆驼蓬碱具有“魔术般”的作用，是鼻烟中对神经起显著作用的有效成分；毒扁豆碱和其他同时存在的类似结构的生物碱都很毒。还有一些生物碱是通过混合生物合成产生的代谢物，例如，由色氨酸和甲羟戊酸产生的代谢产物，长春花生物碱、麦角生物碱、奎宁、士的宁[15]（又名番木鳖碱）等属于此类代谢物，具有抗癌作用，毒性大。
牧草中的生物碱以苦马豆素对家畜的健康影响最大。苦马豆素属于多羟基吲哚兹啶类生物碱，是疯草（主要指黄芪属和棘豆属中的某些毒草）的主要毒性成分，是由内生真菌产生的。苦马豆素基本上对所有采食的家畜都有影响，会引起慢性中毒、吞咽困难、意识不清、不孕不育等疯草病，其中马是最容易受到影响的家畜。疯草中小花棘豆的影响最为突出，因为其在沙漠干旱、半干旱地区分布最广，繁殖[16]最快，因此，最易被家畜采食中毒。
醉马草（Achnatherum inebrians）感染甘肃内生真菌（Neotyphodium gansuense）后会产生麦角碱，麦角碱中麦角新碱和麦角酰胺是醉马草中最主要的毒素，家畜在进食了1％家畜重量的醉[16]马草30～60min后会出现中毒现象。
大量实验证明，被内生真菌侵染的牧草中含有生物碱，而未感染内生真菌的牧草植株体内不产生生物碱。因此，可以通过去除内生真菌来控制有毒生物碱的产生，从而提高家畜生长量，减少损失，当然，造成的副作用是会丧失植物的抗非生物胁迫和遏制昆虫取食的能力。
后面的章节将分别阐述常见的豆科、菊科、禾本科和其他科中重要的并具有代表性的牧草的饲用、食用、药用价值和其他经济价值，并列举其中所含的次生代谢物的结构和活性等信息，以期能够在对牧草进行品质改良和保证家畜健康、提高家畜生产性能方面提供物质基础的支撑与参考依据。参考文献[1] Tiffanny L J，Frederick D P，Juan J V．Influence of diet sequence on intake of foods containing ergotamine D，tartrate，tannins and saponins by sheep［J］．Applied Animal Behaviour Science，2013，144：57-62．[2] Arias-Álvarez M，Garcia-Garcia R M，Rebollar P G，et al．Effects of a lignin－rich fibre diet on productive，reproductive and endocrine parameters in nulliparous rabbit does［J］．Livestock Science，2009，123：107-115．[3] Lewis N G，Yamamoto E．Lignin occurrence，biogenesis and biodegradation［J］．Annu Rev Plant Physiol and Plant Mol Biol，1990，41：455-496．[4] Baurhoo B，Ruiz-Feria C A，Zhao X．Purified lignin：Nutritional and health impacts on farm animals-A review［J］．Animal Feed Science and Technology，2008，144：175-184．[5] 任继周．草业大辞典［M］．北京：中国农业出版社，2008：6．[6] 李晓翠，刘太宇．大豆黄酮在反刍动物生产中的应用［J］．中国畜牧兽医，2011，38（4）：42-46．[7] 郭晓红，阎芳．大豆黄酮对肉仔鸡生长相关激素水平与免疫机能的影响［J］．中国兽医学报，2005，4：394-396．[8] 程蕾，王定发，刘晓华等．大豆黄酮对奶牛产奶量及乳成分的影响［J］．饲料博览，2009，4：5-7．[9] Hodgson J M，Croft K D，Puddey I B，et al．Soybean isoflavonoids and their metabolic products inhibit in vitro lipoprotein oxidation inserum［J］．Journal of Nutritional Biochemistry，1996，7：664-669．[10] 刘明美，吕宗友．牧草次生代谢产物的生物活性及其在畜禽业中的运用［J］．中国饲料添加剂，2010，9：6-11．[11] Klita P T，Mathison G W，Fenton T W，et al．Effects of Alfalfa Root Saponins on Digestive Function in Sheep［J］．Journal of Animal Science，1996，74：1144-1156．[12] Barry T N，Mcnabb W C．The implication of condensed tannins on the nutritive value of temperate forages fed to ruminants［J］．British Journal of Nutrition，1999，81（4）：263-272．[13] Mcnabb W C，Waghorn G C，Barry T N，et al．The effect of condensed tannins in Lotus pedunculatus on the digestion and metabolism of methionine，cysteine and inorganic sulphur in sheep［J］．British Journal of Nutrition，1993，70：647-661．[14] Min B R，Pomroy W E，Hart S P，et al．The effect of short-term consumption of a forage containing condensed tannins on gastro-intestinal nematode parasitic infections in grazing wether goats［J］．Small Ruminant Research，2004，51：279-283．[15] 吴立军．天然药物化学［M］．北京：人民卫生出版社，2007．[16] Zhao M，Gao X，Wang J，et al．A review of the most economically important poisonous plants to the livestock industry on temperate grasslands of China［J］．Journal of Applied Toxicology，2013，33：9-17．第2章豆科牧草2.1概述
豆科（Fabaceae或Leguminosae）为种子植物下被子植物门中仅次于菊科及兰科的3个最大的科之一。该科分布极为广泛，生长环境各式各样，平原、高山、荒漠、森林、草原直至水域，几乎都可以见到。豆科共500余属，12000种。我国目前大约有130属，1130种。豆科植物大多为草本，少数为半灌木、灌木或藤本。豆科植物可作为牧草的种类仅次于禾本科，但通常是分散的或成单本的生长着，不是草层的主要部分。豆科牧草主要有苜蓿、三叶草、草木犀、野豌豆、岩黄芪等属，其中紫花苜蓿和白三叶草是最优良的牧草。
可作牧草用的豆科植物种类虽然比禾本科少，但也是一类非常重要的牧草，对土壤结构的改良和土壤肥力的提高具有重要作用，是家畜饲料的重要组成部分，在栽培牧草中具有重要的地位。豆科牧草含有丰富的蛋白质及钙质，营养价值很高，同时，豆科牧草富含有结构多样、具有生理活性的次生代谢物成分。
以下就豆科中作为优良牧草的几个属的分布、特性、应用价值及次生代谢物的研究情况进行概述。2.2苜蓿属
苜蓿属（Medicago L．）植物属于豆科蝶形花亚科（Papilinatae Taub．），是一年生或多年生草本，少数为小灌木。茎多直立或稍铺散，叶为三出复叶；荚果弯呈肾形，长2～3mm。苜蓿的寿命一般是5～10年，在年降水量250～800mm、无霜期100天以上的地区均可种植，喜中性土壤，以pH 6.0～7.5为宜，pH 6.7～7.0最好。
本属约有70余种，我国出版文献中关于苜蓿属种记载不尽相同，《中国高等植物图鉴》（1972）记载我国的苜蓿属植物包括6个种[1][2]，《中国植物志》记载了13种，1变种。我国的苜蓿属植物现主要分布在长江以北的广大地区，西起新疆，东到江苏北部的14个省市[3]自治区，主要产在黄河流域的华北、西北地区。苜蓿属植物中常见的有紫花苜蓿（M．sativa L．）、黄花苜蓿（M．falcate L．）和天蓝苜蓿（M．lupulina L．）等。
长期以来，人们一直将苜蓿属植物作为畜禽的一种重要的饲料进行种植与加工，但是近几十年来，各国科学家开始认识到它们在药用以及保健方面的功能。随着对苜蓿属植物认识的不断深入，人们逐渐发现其中主要含有皂苷、黄酮、多糖、香豆素和有机酸等次生代谢物，而皂苷类、黄酮类和多糖类是它的主要活性成分。2.2.1 重要的苜蓿属植物
1．紫花苜蓿
紫花苜蓿（英文名alfalfa）是多年生豆科蝶形花亚科车轴草族（Trib．Trifolieae Bronn）苜蓿属草本植物。紫花苜蓿主根发达，侧根多。茎直立或外倾，圆形或棱形，幼茎有疏毛，根状茎发达。叶为3小叶，倒卵形，先端较宽，有齿。花为总状花序，腋生8～25朵紫色蝶形花。紫花苜蓿原产于伊朗，是当今世界分布最广的栽培牧草，在我国已有2000多年的栽培历史，主要产区在西北、华北、东北、江淮流域。据不完全统计，目前，全世界紫花苜蓿种植面积约为1.233×72[4]10hm。紫花苜蓿具有饲用、药用、食用等多种功能，由于其具有适应性强、产量高、品质好等优点，紫花苜蓿素有“牧草之王”的美称。
2．黄花苜蓿
黄花苜蓿也是多年生草本植物，根粗壮，茎斜升或平卧，多分枝。三出复叶，小叶倒披针形、倒卵形或长圆状倒卵形，边缘上部有锯齿。总状花序密集成头状、腋生，花黄色、蝶形，荚果稍扁、镰刀形、接近于直立。黄花苜蓿主要分布于我国东北、华北和西北等地区，由于其富含蛋白质，所以黄花苜蓿也是一种优良的饲用植物。
3．天蓝苜蓿
天蓝苜蓿是一年生或两年生草本，茎细弱，通常多分枝。羽状复叶，具3小叶；托叶卵状披针形至狭披针形，下部与叶柄合生，先端长渐尖，基部边缘常有牙齿；小叶广倒卵形、倒卵形或倒卵状楔形。总状花序腋生，超出叶，花很小，花冠黄色。生于湿草地及稍湿草地，常见于河岸及路旁，微碱性地亦见有生长。天蓝苜蓿分布于我国黑龙江省、吉林省、华北、西北及西南地区，日本、蒙古、俄罗斯以及其他一些欧洲国家亦有分布。天蓝苜蓿为优良牧草，它还具有药用价值，具有清热利湿、凉血止血、舒筋活络等功效，其全草还可以治疗毒蛇咬伤或蜂蜇伤。2.2.2 饲用、食用、药用和其他价值
1．饲用价值
牧草的饲用价值主要是由其营养价值和适口性来决定的，而粗蛋白质含量的高低是反映牧草营养价值的重要指标。苜蓿属中紫花苜蓿的营养价值最高，含有丰富的蛋白质、维生素和各种矿物质，且产量高、草质优、适口性好，各种畜禽均喜食，是一种以“牧草之王”著62称的优良牧草。中国目前苜蓿属植物的种植面积约1.33×10hm，约占世界种植面积的十分之一。随着商品经济的发展，近年来苜蓿属植物产业化规模发展较快，苜蓿属植物的种植面积正在扩大。
紫花苜蓿可以加工成干草、干草块、干草粉、颗粒料等，便于贮存运输，作为各类规模化畜禽养殖场的重要饲草或配合饲料的原料，[5]其被广泛用于畜产品的生产中。
2．食用价值
苜蓿属植物中紫花苜蓿和黄花苜蓿可以作为蔬菜，上海人和江浙人所说的草头就是指紫花苜蓿。紫花苜蓿的每一根细茎上面有叶三齿，如倒心形，先端稍圆或凹入上部有锯齿，叶的表面呈浓绿色，茎梗极短，吃的时候，以叶为主，江浙两省生产极多，每逢上市季节，家家户户都把它当作家常蔬菜。炒着吃味道很好，也有人把紫花苜蓿幼嫩茎叶作为蔬菜或拌以面粉蒸熟食用，或将其茎叶和面粉做成绿色面条[6]。紫花苜蓿因其根部可往地下蔓延10m，故能充分吸收土壤中的营养，经常食用可以平衡人体的酸碱值，是不可多得的健康美食。
3．药用价值
陶弘景所著《名医别录》中将苜蓿列为菜部上品，“味苦，性平，[7][8]无毒，主安中，利人”；《本草衍义》中记载苜蓿“利大小肠”；《重修政和经史政类本草》谓“苜蓿茎叶平，根寒，捣取汁服一升令[9]人吐利即愈”；《本草纲目》谓“利五脏，轻身健人，洗去脾胃间[10]邪热之气，通小肠诸恶热毒之功效”。
随着人类保健意识的增强，紫花苜蓿以其特有的性质受到人们的喜爱，大量以紫花苜蓿为原料的保健食品和药品开始问市。自20世纪60年代以来，国内外学者对紫花苜蓿进行了广泛的研究，结果表明，紫花苜蓿有多种多样的生物活性，能降低胆固醇、防治动脉粥样硬化、防治冠心病、增强机体免疫力、抑制癌细胞生长以及改善记忆等作用。这可能与苜蓿中高活性的皂苷和膳食纤维的存在有关。皂苷对降低血脂、血浆胆固醇和抗动脉粥样硬化是有贡献的；膳食纤维虽属于非营养成分，但可以降低胆汁酸、减少小肠对胆汁酸的吸收，并能结合肠腔中的诱导癌物质，减少粪便停留时间，进而减少大肠黏膜[11]与诱导癌物质的接触，从而能够预防癌症的发生。另外，天蓝苜蓿可治疗毒蛇咬伤或蜂蜇伤，同时其还具有清热利湿、凉血止血、舒筋活络等功效。
4．其他作用
苜蓿属植物还是改土肥田的生物肥源。苜蓿属植物有强大的根系，能吸收土壤深层的水分和养分，种过3年苜蓿属植物的土壤，每公顷约有根系9t，其中约47％的根系分布于0～30cm的耕作层中，使耕作层的有机质提高0.1％～0.3％。苜蓿可通过根瘤菌固定空气中大量的[12]游离氮，能够有效增加土壤中的氮素。此外，由于苜蓿属植物花期较长，它也是优良的蜜源植物。2.2.3 次生代谢物
苜蓿属植物中主要含有皂苷、黄酮、多糖、香豆素和有机酸等次生代谢物成分，其中，皂苷类、黄酮类和多糖类是其主要活性成分。
1．皂苷类
皂苷是苜蓿属植物的重要生物活性成分之一。国外对苜蓿皂苷的生物学功能及药理活性进行了大量研究，在医药和动物生产中呈现出较好的应用前景。大量的研究报道表明，苜蓿皂苷具有多种生物活性。[13]例如，苜蓿皂苷能与细胞膜作用，使细胞发生去极化。苜蓿皂苷有显著降低血清胆固醇的作用，与其促进单核巨噬细胞系统功能有关。同时苜蓿皂苷阻断胆汁酸肠肝循环，使胆汁酸不能在体内重新转变为胆固醇，而只能从体内经肠道排出，从而促进了体内胆固醇的排[14]出。苜蓿皂苷还能抑制人体白血病细胞K562的生长。
目前，已经从紫花苜蓿中分离鉴定出70余种皂苷类成分。研究表明，苜蓿属植物中含有的皂苷类分为齐墩果烷（oleanane）型五环三萜皂苷和甾体皂苷，C-3位均为β-构型的羟基或苷化，C-28位多连接羧基并常苷化，C-23位和C-24位常羟基化或羧基化，糖原部分主要为：葡萄糖、葡萄糖醛酸、阿拉伯糖、鼠李糖、木糖、芹菜糖、半乳糖等。例如，合欢酸（echinocystic acid）类皂苷3-O-α-D-Glu（1→2）-α-L-Ara-28-O-β-D-Glu（1→6）-β-D-Gluechinocystic acid（2.2-1），3-O-α-L-Ara-28-O-β-D-Glu（1→6）-β-D-Gluechinocystic acid（2.2-3），3-O-α-L-Ara-28-O-β-D-Gluechinocystic [15]acid（2.2-5），3-O-α-L-Araechinocystic acid（2.2-11）；常春藤（hederagenin）类皂苷3-O-（α-L-Ara）-28-O-β-D-Gluhederagenin（2.2-2），3-O-α-L-Ara（1→2）-O-β-D-Glu-（1→2）-α-L-Ara-28-O-β-D-Gluhederagenin（2.2-4），3-O-α-L-Arahederagenin（2.2-6），3-O-［α-L-Ara（1→2）-β-D-Glu-（1→2）-α-L-Ara］hederagenin（2.2-10），hederagenin-3-O-［β-D-Glu（1→2）-α-L-Ara］28-O-β-D-Gluhederagenin（2.2-12）；大豆皂醇（soyasapogenol A）（2.2-7），caulophyllogenin（2.2-8）；贝萼皂苷[16]（bayogeninV）（2.2-9）等，以及苜蓿皂苷母核结构（2.2-13）。[17]
从阿拉伯苜蓿（Medicago arabica）和蒺藜苜蓿（Medicago [18]truncatula）中分离得到三萜皂苷也是齐墩果烷型五环三萜类化合物3-O-［β-Glu-（1→3）-β-Glu］-28-O-{β-Xyl-（1→4）-［α-Ara-（1→3）］-α-Rha-（1→2）-α-Ara}zanhic acid（2.2-14），3-O-［β-Glu-（1→3）-β-Glu］-28-O-［4-O-Ac-α-Rha-（1→2）-α-Ara］zanhic acid（2.2-15），3-O-β-GluA-28-O-β-Glu medicagenic acid（2.2-16），3-O-β-GluA-28-O-［β-Xyl-（1→4）-α-Rha-（1→2）-α-Ara］medicagenic acid（2.2-17），3-O-［β-Glu-（1→3）-β-Glu］-28-O-［α-R-Rha-（1→2）-α-Rra］medicagenic acid（2.2-18），3-O-β-Glu（1→3）-β-D-Glu-28-O-［β-Xyl-（1→4）-α-Rha-（1→2）-α-Ara］medicagenic acid（2.2-19），3-O-（-α-L-Ara）-28-O-（β-D-Glu）bayogenin（2.2-20），3-O-β-Glu-28-O-［β-Xyl-（1→4）-α-Rha-（1→2）-α-Ara］medicagenic acid（2.2-21）。
2．黄酮类
国内外报道苜蓿属植物的黄酮类成分主要有以下几种结构类型：黄酮及其苷类、异黄酮类、异黄烷、查耳酮、二氢黄酮、二氢异黄酮和紫檀烷类等。其中，黄酮苷的糖原部分绝大多数为葡萄糖或葡萄糖[19]醛酸，只有少数为半乳糖和鼠李糖，糖部分阿魏酰化或咖啡酰化的黄酮类成分有70余种，来源于紫花苜蓿的就有30余种。苜蓿中最具代表性的黄酮是苜蓿素（5，7，4′-三羟基3′，5′-二甲氧基黄酮）[20]（2.2-22），另外，黄酮类成分的母核还有芹菜素（apigenin，[21]2.2-23），大黄素（2.2-24）以及大黄苷（2.2-25）、美迪紫檀素（medicarpin）、山柰酚（kaempferol）、槲皮素（quercetin）、杨梅[22]素（myricetin）、芦丁（rutin）、染料木黄酮（genistein），刺芒[20]柄花黄素（formononetin）和大豆素（daidzein），7，4′-二羟基黄[17]酮（2.2-26）等，以芹菜素和苜蓿素最为常见。[23]
从紫花苜蓿中分离得到黄酮苷类化合物的代表性结构（2.2-27～2.2-35）如下：
3．香豆素类
该属含有双香豆素类以及香豆素3，4-骈呋喃衍生物，如，紫苜蓿酚（dicoumarol）、苜蓿内酯（medicagol，2.2-36）和拟雌内酯[24]（coumestrol，2.2-37）等。
4．生物碱
苜蓿属植物中含生物碱较少，可以从紫花苜蓿中分离出小檗碱[25]（2.2-38）。
5．羧酸及脂肪酸
从紫花苜蓿种子中共分离鉴定出11种羧酸类成分，主要包括反式对羟基肉桂酸（2.2-40）、顺式对羟基肉桂酸（2.2-41）、邻羟基苯甲酸（2.2-42）、9，12，15-十八碳三烯酸、亚油酸、8-十四烯酸、棕榈酸等。紫花苜蓿种子的脂肪酸主要含有油酸、亚油酸、亚麻酸、[26]硬脂酸、棕榈酸，以硬脂酸含量为最高。
6．挥发油
从紫花苜蓿中提取的挥发油中鉴定出53种化合物，主要组成成分为6，10，14-三甲基-2-十五酮、叶绿醇、反-2-烯基-己醛、3-甲基[27]丁醛、香叶醇、和异香叶醇等。其中，醛类占挥发油总量的26.06％、酮类化合物占14.57％、醇类化合物占14.02％、芳烃类化合物占12.14％、杂环类占9.25％、不饱和烷烃占8.83％、酯类化合物占6.12％、烷烃类化合物占4.12％、酸类占3.63％、醚类占[28]0.88％。2.2.4 其他成分
该属植物富含维生素、β-胡萝卜素、叶酸和生物素，还含有丰富的叶蛋白、膳食纤维、氨基酸和微量元素等物质。英国于20世纪40年代就提出苜蓿叶蛋白包含18种氨基酸，且组成比较均衡，特别是[29]赖氨酸含量高达51.6％～71.4％。2.2.5 药理作用
研究表明，苜蓿属植物具有良好的药用价值，其提取物或次生代谢物的药理活性也有较多的研究报道，其中包括：降低胆固醇和血脂含量及抗动脉粥样硬化、抗癌和抗菌作用、杀虫作用、抗氧化作用、增强免疫和抗感染、改善记忆和协镇痛作用、保护消化系统作用等。
1．降低胆固醇和血脂含量及抗动脉粥样硬化
研究表明，苜蓿皂苷同胆固醇形成的复合物有助于降低动物血清胆固醇含量。例如，用苜蓿皂苷连续饲喂高胆固醇血症的家兔，结果使家兔血清总胆固醇明显下降，并降低主动脉壁中总胆固醇的沉积[30]；苜蓿皂苷能够明显降低高胆固醇血症大鼠的血清胆固醇，明显[31]促进非受体途径对低密度脂蛋白（LDL）经单核巨嗜细胞的降解；苜蓿皂苷可以使肝脏胆固醇大量转变为胆汁酸，阻断胆汁酸肠胆循环[32]的作用，从而促进胆固醇自体内排出；苜蓿皂苷可以降低动物和[33]人类器官血浆胆固醇水平；苜蓿种子中的苜蓿皂苷在临床上能够降低人血液中的胆固醇和甘油三酯，苜蓿皂苷还能通过改善冠状血管[34]的血液循环从而减轻冠心病人的心绞痛。
2．抗癌和抗菌作用
随着传染病逐渐被控制，恶性肿瘤（癌症）对人类的威胁日益增大。据报道，世界卫生组织根据世界各地区癌症发病率、死亡率和世界人口资料估计：全世界50多亿人口中平均每年死于恶性肿瘤者达690万人。近几年的研究结果表明，紫花苜蓿提取物具有良好的抗癌作用。
紫花苜蓿的抗癌作用主要与其含有的黄酮类成分有关。据文献报道，在1995～1998年对旧金山地区甲状腺癌病人的调查中发现，食用苜蓿芽的人甲状腺癌的发生率较低，推测其原因是苜蓿芽中含有的[35]刺芒柄花黄素具有预防甲状腺癌的作用。也有报道称，用染料木黄酮处理乳腺癌细胞后，使癌细胞中血管内皮生长因子的mR-NA和蛋白表达水平逐渐下降，这表明染料木黄酮能在转录和翻译水平下，[36]降低乳腺癌的发病率。体外实验研究显示，苜蓿属植物中大量存在的芹菜素对白血病细胞株（HL-60）具有抑制生长和诱导凋亡的作[37]用。
从苜蓿皂苷中分离出的苜蓿酸-3-O-葡萄糖苷具有很高的抗绿色[13]木霉（Trichodermaviride）活性。此外，有实验证明，苜蓿皂苷在极低的浓度（116mg/L）下即可100％抑制绿色木霉生长，在3～[38]15mg/L时也可高度抑制在医疗上十分重要的几种酵母病菌。
3．杀虫作用
苜蓿皂苷作为昆虫的驱散剂具有特殊的活性，通过对害虫的毒杀作用而保护植株不被破坏。研究表明，苷元对黏虫起到饲后干扰作用，[39]推迟蜕皮，降低卵孵化率等。研究还发现，豌豆蚜虫采食高含量[40]的苜蓿皂苷后，其繁殖能力下降，且数量增长受到抑制。
4．抗氧化作用
苜蓿属植物中的黄酮类成分具有抗氧化、松弛平滑肌及雌激素样等多种药理活性。1990年，Dornbos首先从苜蓿中所含的酚醛酸物质[41]内分离出苜蓿素和4-甲氧基苜蓿素。苜蓿素的最大作用在于有效清除人体内的自由基、抗氧化、降血脂等，可预防心脑血管疾病，防止肾上腺素的氧化，并有轻度雌激素样作用。
5．增强免疫和抗感染
苜蓿多糖有着很显著的保健作用，大量的试验研究证明，苜蓿属植物中的活性多糖有增强免疫功能和抗感染的作用，尤其因其免疫活性功能而更加受到重视，它能够提高机体淋巴细胞产生抗体的能力[42]。
6．改善记忆和协镇痛作用
苜蓿素不仅具有良好的抑制癌细胞生长和抗氧化作用，还具有改善记忆的功能。有人在研究苜蓿素对NIH系小鼠脑记忆障碍的药理作用时发现，与对照组相比，连续喂食苜蓿素30天后的小鼠在Y型迷宫、跳台实验、明暗箱实验中表现出较好的学习记忆能力，原因是苜蓿素[43]改善了小鼠的学习记忆。
苜蓿皂苷不仅可以保护心血管系统，而且还具有协镇痛的作用。例如，用蔽式法固定大鼠，用辐射热甩尾法测痛阈，实验证明单独应33用PrCl或苜蓿皂苷均不足以引起痛阈改变，但是将少量的PrCl与5mg/mL苜蓿皂苷混合液注入大鼠腹腔，可使大鼠痛阈明显升高，大[44]鼠对疼痛敏感度降低，表明二者共用出现了协同作用。
7．保护消化系统作用
苜蓿属植物具有高度碱性，其碱化程度超过莴苣、菠菜等高碱食物，常饮苜蓿茶可中和胃内过高的酸度，加强胃蛋白酶的消化作用[45]。据相关报道表明，用苜蓿喂养马，通过测量马胃液pH、胃液中易挥发脂肪酸浓度和乳酸盐浓度，同时用内窥镜检查马胃部的损害程度，发现马食用苜蓿后，胃中的pH升高，易挥发脂肪酸浓度增加，[46]马胃部的损害程度小，这说明苜蓿可以缓冲马胃中的酸度。
8．其他作用
有人曾用两种方法测定了苜蓿根皂苷的溶血活性，结果表明，单糖链皂苷的溶血活性比双糖链皂苷高；溶血活性最强的皂苷是单糖链[47]的苜蓿酸-3-O-葡萄糖苷，其次是单糖链的常春藤皂苷。
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