植物多糖的結(jié)構(gòu)與活性研究進(jìn)展

何余堂，潘孝明

(渤海大學(xué)生物與食品科學(xué)學(xué)院，遼寧省食品質(zhì)量安全與功能食品研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 錦州 121000)

植物多糖的結(jié)構(gòu)與活性研究進(jìn)展

何余堂，潘孝明

(渤海大學(xué)生物與食品科學(xué)學(xué)院，遼寧省食品質(zhì)量安全與功能食品研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 錦州 121000)

植物多糖是一類具有重要生理功能并在食品中有廣泛應(yīng)用的生物大分子。本文綜述植物多糖的組成、結(jié)構(gòu)和生理活性，對于植物多糖的開發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義。

植物多糖；種類；結(jié)構(gòu)；生物活性；研發(fā)

Abstract：Plant polysaccharides are a variety of biomacromolecules with important physiological functions and broad applications in foods. Composition, structure and physiological activity of plant polysaccharides are reviewed in this article,which will offer practical guidance for their exploitation.

Key words：plant polysaccharides；variety；structure；biological activity；exploitation

植物中的碳水化合物包括單糖、雙糖、寡糖和多糖，糖類占植物干質(zhì)量的80%以上。植物多糖是植物細(xì)胞代謝產(chǎn)生的由10個(gè)以上單糖組成的多聚糖。一般植物多糖由成百上千個(gè)單糖組成，已不具甜味，其性質(zhì)與單糖有很大不同。植物多糖具有特殊的生物活性，如協(xié)助消化、抗疲勞、抗病毒、抗菌消炎、抗衰老、抗輻射、抗腫瘤、降血糖、降血脂及免疫調(diào)節(jié)等。植物多糖廣泛地應(yīng)用于保健食品、醫(yī)藥和臨床上，成為食品科學(xué)、天然藥物、生物化學(xué)與生命科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前從天然產(chǎn)物中分離出的多糖類化合物有300多種，其中從植物中尤其是從中草藥中提取的水溶性多糖最為重要，近百種植物多糖已廣泛地應(yīng)用于保健食品與醫(yī)藥中[1-2]。植物來源的多糖很多，研究較深入的有黃芪多糖、人參多糖、枸杞多糖、甘草多糖、當(dāng)歸多糖、五味子多糖、黃精多糖、龍眼多糖、花粉多糖、蘋果多糖、南瓜多糖、棗多糖、茶多糖、蘆薈多糖、苜蓿多糖、大米草多糖、竹多糖、牛蒡菊糖、桑葉多糖、石斛多糖、魔芋多糖、山藥多糖等。我國從植物中提取活性多糖的純度已達(dá)98%以上，在活性多糖的分離純化、結(jié)構(gòu)鑒定與生物活性研究等方面取得很大進(jìn)展。

1 植物多糖的種類

植物多糖的種類很多。按在植物體內(nèi)的功能分為兩類：一類是形成植物體的支持組織，如纖維素；一類為植物的貯存養(yǎng)料，可溶于熱水成為膠體溶液，經(jīng)酶水解后生成單糖以提供能量，如淀粉等。根據(jù)植物器官的不同，植物多糖可分為植物花果實(shí)類多糖如花粉多糖、玉米須多糖、棗多糖、無花果多糖；植物莖葉類多糖如茶多糖、蘆薈多糖、桑葉多糖、龍眼多糖；植物塊根莖類多糖如魔芋多糖、山藥多糖、麥冬多糖等。

根據(jù)其在植物細(xì)胞的存在部位，植物多糖可分為細(xì)胞內(nèi)多糖、細(xì)胞壁多糖和細(xì)胞外多糖[3]。細(xì)胞內(nèi)多糖以溶液或高度水和狀態(tài)存在于液泡中(淀粉除外)，主要為果聚糖和甘露聚糖；細(xì)胞壁多糖主要指纖維素、半纖維素、果膠類等；細(xì)胞外多糖主要指樹脂和其他膠，如半乳聚糖、葡聚糖醛酸、甘露聚糖、木聚糖和其他多糖等。

2 植物多糖的組成與結(jié)構(gòu)

2.1 植物多糖的組成

對許多植物多糖的組成成分進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，植物多糖的相對分子質(zhì)量從幾萬到百萬以上，主要成分為葡萄糖、果糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖、鼠李糖、巖藻糖、甘露糖、糖醛酸等。不同植物多糖的主要組成存在差異，分別由幾種不同種類的單糖，以一定的比例聚合而成，如黃芪多糖由葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、鼠李糖組成，物質(zhì)的量比為20.52:11.41:4.34:3.92:1.95:1[4]。人參多糖的主要成分有葡萄糖、半乳糖醛酸、半乳糖、阿拉伯糖、鼠李糖和甘露糖，物質(zhì)的量比為77.9:8.7:6.8:4.6:1.1:1.0[5]。不同茶葉多糖的單糖組成也有差異。綠茶多糖相對分子質(zhì)量為91000，由半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖、葡萄糖、巖藻糖組成，物質(zhì)的量比為2.43:1.04:1.00:0.62:0.23；烏龍茶多糖相對分子質(zhì)量為107000，由葡萄糖、半乳糖、巖藻糖、阿拉伯糖、木糖組成，其單糖組成比為44.20:41.99:6.08:5.52:2.21；而苦丁茶多糖由阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、甘露糖、木糖等5種單糖組成，各單糖物質(zhì)的量比為10.2:8.0:5.4:1.2:1.0[6-7]。仙人掌多糖相對分子質(zhì)量為364000，由半乳糖、阿拉伯糖、鼠李糖、阿拉伯糖醛酸、木糖組成，其物質(zhì)的量比為2.82:2.67:1.13:1.02:1.00[8]。龍眼多糖的相對分子質(zhì)量為420000，主要由阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖、半乳糖醛酸組成，比例為2:1:2:1[9]。

2.2 植物多糖的結(jié)構(gòu)

植物多糖的結(jié)構(gòu)單位是單糖，以糖苷鍵相連接，常見的糖苷鍵有α-1,4-、β-1,3-、β-1,4-和α-1,6-苷鍵。結(jié)構(gòu)單位可以連成直鏈，也可以形成支鏈，直鏈一般以α-1,4-苷鍵和β-1,4-苷鍵連成，支鏈中鏈與鏈的連接點(diǎn)常是α-1,6-苷鍵[9-10]。多糖的生物活性與其一級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。

多糖的一級結(jié)構(gòu)是指糖基的組成、排列順序、相鄰糖基的連接方式、糖鏈有無分支、分支的位置與長短等。多糖的一級結(jié)構(gòu)復(fù)雜，糖基上可連接一些功能團(tuán)如磷酸基團(tuán)、硫酸基團(tuán)、甲基化基團(tuán)等。多糖的高級結(jié)構(gòu)是在一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上各側(cè)鏈通過非共價(jià)鍵相互作用結(jié)合而形成復(fù)雜的高級結(jié)構(gòu)。多糖二級結(jié)構(gòu)是指多糖骨架鏈間以氫鍵結(jié)合的各種聚合體。多糖的三級結(jié)構(gòu)是在二級結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步盤曲，折疊而形成具有一定形狀和大小的空間構(gòu)象。多糖的四級結(jié)構(gòu)是指多聚鏈間非共價(jià)鍵結(jié)合形成的聚集體。

3 植物多糖結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系

植物多糖的生物活性主要是利用其相似結(jié)構(gòu)，通過免疫調(diào)節(jié)機(jī)制產(chǎn)生免疫活性。多糖的一級結(jié)構(gòu)及高級結(jié)構(gòu)與其生物活性具有密切的關(guān)系，這也是當(dāng)前多糖研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

3.1 多糖一級結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系

植物多糖的一級結(jié)構(gòu)與生物活性具有密切的關(guān)系。多數(shù)具有突出生物活性的多糖都以(1→3)糖苷鍵連接，具有β(1→3)-D-葡聚糖的主鏈結(jié)構(gòu)[11-12]，同時(shí)帶有一些側(cè)鏈，具有一定的分支度，而且，糖基上還連接有一些特殊的功能團(tuán)?；覙浠ǘ嗵堑幕窘Y(jié)構(gòu)為β(1→3)-D-葡聚糖，并帶有β-1,6側(cè)鏈，分支度為33%，有較高的抗腫瘤活性[13]。實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，大多數(shù)通過硫酸酯化的多糖具有明顯的抗病毒、抗腫瘤和抗凝血等生物活性，如硫酸葡聚糖、硫酸戊聚糖等。多糖的烷基化對多糖活性也有影響。對寡糖進(jìn)行分子修飾，引入烷基和硫酸根，發(fā)現(xiàn)其修飾產(chǎn)物具有抑制HIV-1的能力[14-15]。然而，茯苓聚糖和昆布糖同樣具有β-(1→3)-D-葡聚糖主鏈結(jié)構(gòu)，卻幾乎沒有抗腫瘤活性，說明僅有相同或相似的主鏈結(jié)構(gòu)并不足以使多糖具有較高的生物活性[16]。

3.2 多糖高級結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系

多糖的高級結(jié)構(gòu)對其生物活性也有很大的影響。多糖的特定空間構(gòu)象是生物活性必需的，如具有抗腫瘤活性的一些多糖呈三股螺旋結(jié)構(gòu)，裂褶多糖具有對稱螺旋結(jié)構(gòu)。研究表明，如果多糖的構(gòu)象由有序變?yōu)闊o序，其活性立即消失。在多糖中加入尿素或二甲基亞砜，可能引起多糖立體構(gòu)型發(fā)生改變，導(dǎo)致其活性喪失[17]。多糖的活性可能與其有序構(gòu)象直接相關(guān)，但目前還無法明確這種有序構(gòu)象。

3.3 多糖取代度與活性的關(guān)系

多糖取代度是指多糖中的單糖上的活性羥基被其他功能團(tuán)取代的數(shù)量平均值。當(dāng)多糖達(dá)到一定的取代度時(shí)，才具有生物活性，但并不是取代度越高，活性就越強(qiáng)。從紫膠樹的樹膠中提取出來的漆多糖，當(dāng)取代度大于0.8時(shí)，隨著取代度的提高，抗凝血活性增大；而真菌多糖是一種高度分支化的葡聚糖，取代度高達(dá)2.8，活性卻很低[18]。

3.4 多糖分子質(zhì)量與活性的關(guān)系

活性多糖具有一定的分子質(zhì)量范圍，分子質(zhì)量過大的多糖一般沒有活性。多糖分子質(zhì)量太大，不利于其跨越細(xì)胞膜進(jìn)入生物體內(nèi)發(fā)揮生物學(xué)活性，而分子質(zhì)量過低，也沒有活性[19-20]。具有生物活性的灰樹花多糖分子質(zhì)量一般大于45kD，若小于10kD則其生物活性很弱或沒有生物活性[21]。分子質(zhì)量大于100kD的裂褶菌多糖具有較強(qiáng)的抗腫瘤活性，而分子質(zhì)量小于50kD的裂褶菌多糖無生物活性。

3.5 多糖其他結(jié)構(gòu)特性與活性的關(guān)系

植物多糖理化性質(zhì)對生物活性也有影響，如多糖的溶解度對生物活性有一定影響。一些植物多糖中有不溶于水的組分，溶解度較低，沒有生物學(xué)活性，而一些直鏈的、無過長支鏈、溶解度大的多糖具有生物活性。

總的來說，具有生物活性的植物多糖一般具有如下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：一級結(jié)構(gòu)具有β(1→3)-D-葡聚糖的主鏈結(jié)構(gòu)，有側(cè)鏈，分支度適中，糖基上連接一些功能團(tuán)，多糖的取代度適中；具有一定的分子質(zhì)量范圍，溶解性好；高級結(jié)構(gòu)具有特定的有序空間構(gòu)象。植物多糖的結(jié)構(gòu)與立體構(gòu)象非常復(fù)雜，多糖在體內(nèi)的作用機(jī)制還不十分清楚。多糖結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系還有待于深入研究。

4 植物多糖的活性功能

多糖有多種多樣的活性功能。對多糖的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的深入研究，有利于植物多糖更多地應(yīng)用于生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上。

4.1 增強(qiáng)細(xì)胞免疫、抑制腫瘤

植物多糖是良好的免疫調(diào)節(jié)劑，可提高機(jī)體淋巴細(xì)胞及巨噬細(xì)胞的數(shù)量和功能，提高人體血清免疫球蛋白IgG水平，促進(jìn)各種細(xì)飽因子如干擾素、IL-1、IL-6、TNF等的生成，具增強(qiáng)機(jī)體免疫力的作用[22-23]，如黃芪多糖可促進(jìn)巨噬細(xì)胞產(chǎn)生IL-l，抑制PCE3合成，增強(qiáng)T 淋巴細(xì)胞的增殖；石斛多糖能使小鼠抗體細(xì)胞明顯增多，T細(xì)胞和B細(xì)胞顯著增殖，具有免疫增強(qiáng)作用。

植物多糖還具有抗腫瘤活性，主要是通過提高機(jī)體免疫力、抑制腫瘤DNA或RNA的合成來實(shí)現(xiàn)的，對腫瘤細(xì)胞有抑制或殺傷作用。如蘆薈多糖可改善小鼠機(jī)體免疫狀態(tài)，通過紅細(xì)胞免疫調(diào)控作用來抑制腫瘤；人參多糖能阻止腫瘤細(xì)胞進(jìn)入增殖周期，激活機(jī)體免疫系統(tǒng)等途徑發(fā)揮抗腫瘤作用；玉米須多糖能抑制大鼠C-6瘤細(xì)胞的形成、增殖與擴(kuò)散，具有抑制腫瘤及抗誘變的作用[24-25]。

4.2 降血糖、降血脂

植物多糖可有效保護(hù)和修復(fù)胰島細(xì)胞，調(diào)節(jié)糖代謝酶活性、降低血糖水平，對糖尿病有顯著的預(yù)防和治療作用；還可降低血液中膽固醇、甘油三酯含量，具有抗動(dòng)脈硬化的作用。南瓜多糖可直接參與降血糖、調(diào)血脂等活動(dòng)，人參多糖能使小鼠體內(nèi)血糖和肝糖原含量降低，可用作抗糖尿病藥物，百合多糖能修復(fù)β-胰島細(xì)胞、增強(qiáng)分泌胰島素功能，從而降低血糖水平[26]。植物多糖可降低血清中低密度脂蛋白膽固醇含量，降低血脂，減少患心血管疾病的發(fā)生概率，如南瓜多糖水溶液可有效改善脂代謝，降低血脂水平[27]。

4.3 抗凝血、抗血栓

植物多糖有顯著的抗凝血、抗血栓作用。茶多糖灌胃給藥50mg/kg，小鼠凝血時(shí)間延長319%，并減少血小板數(shù)[28]。大蒜多糖可延長人體血漿APTT值，通過影響內(nèi)源凝血系統(tǒng)發(fā)揮抗凝血作用[29]。

4.4 抗氧化、抗衰老、抗疲勞

植物多糖可抑制體內(nèi)自由基的產(chǎn)生，也可以直接清除自由基；可促進(jìn)超氧物岐化酶SOD的釋放，提高抗氧化酶的活性，以增強(qiáng)機(jī)體對自由基的清除能力和抗氧化能力，從而保護(hù)機(jī)體膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)體力，抗疲勞，延緩衰老。蘆薈多糖能明顯提高大鼠血清超氧化物歧化酶活性，改善自由基代謝；枸杞多糖能提高小鼠肌糖原、肝糖原儲(chǔ)備，增加乳糖脫氫酶的總活力，延長小鼠游泳時(shí)間，故能增強(qiáng)機(jī)體體力，消除疲勞[30]；沙棘和無花果多糖具有明顯的抗氧化作用[31-32]。

4.5 抗輻射功能

植物多糖具有保護(hù)細(xì)胞、增強(qiáng)肌體抗輻射損傷的功能，如茶多糖可提高60Co照射后的小鼠成活率；人參多糖可降低60Co照射后的小鼠染色體和精子畸變率[33]；黃芪多糖可修復(fù)由微波輻射導(dǎo)致的染色體損傷；柴胡多糖可降低60Co對小鼠的輻射損傷。

4.6 抗菌、消炎、抗病毒

植物多糖對細(xì)菌、真菌和病毒具有抑制作用。如紫萁多糖可抑制革蘭氏陽性菌，對革蘭氏陰性菌亦有抑制作用；花粉多糖、玉米須多糖具有對細(xì)菌和真菌的抑制活性，尤其對沙門氏菌、金黃葡萄球菌的抑制作用較強(qiáng)[34]。甘草多糖對牛艾滋病毒、腺病毒、柯薩病毒均有較明顯的抑制作用，對AdV Ⅱ和CBV3有明顯的滅活作用；硫酸酯化的箬葉多糖具有抑制HIV引起的細(xì)胞病變[35-36]。

4.7 其他生物活性

植物多糖的生物活性很多，除上述功能外，還有助消化、抗?jié)?、抗過敏、調(diào)節(jié)內(nèi)分泌、抑制腺體增生、利尿、平喘等活性功能。

5 展 望

我國植物資源豐富，植物多糖種類繁多。植物多糖的原料成本比較低，容易產(chǎn)業(yè)化，研發(fā)前景非常廣闊。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年我國保健品市場銷售額將超過1000億元，植物多糖是重要的資源之一[3]。植物多糖可加工成飲料、口服液，或作為營養(yǎng)強(qiáng)化劑直接加入食品中作為特殊人群的保健食品，是防病健身，抗衰老增強(qiáng)免疫力的佳品。植物多糖經(jīng)純化、干燥后可作為藥物的緩沖劑、穩(wěn)定劑、懸浮劑；也可利用其生物活性制備疫苗，作為抗腫瘤、抗病毒和延緩衰老的藥物。植物多糖可用于食品貯藏保鮮，作為水果、蔬菜和食品包裝材料內(nèi)表面的涂膜劑，以延長保質(zhì)期。植物多糖還可作為乳化劑、穩(wěn)定劑、潤滑劑、保濕劑、其他結(jié)劑，廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、石油、化工、環(huán)保等領(lǐng)域。植物多糖還可作為生物農(nóng)藥用于防治水果、蔬菜及農(nóng)作物的真菌、細(xì)菌和病毒疾病，具有易降解、無毒、無害、無殘留等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有很好的應(yīng)用前景。

植物多糖的分子結(jié)構(gòu)與構(gòu)型復(fù)雜，我國的多糖研究近年來取得了長足進(jìn)展，但對多糖的分析鑒定與結(jié)構(gòu)研究還需要改進(jìn)，有關(guān)立體構(gòu)型方面的研究還比較落后。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，分析檢測方法的完善，植物多糖的研究會(huì)不斷深入，必然會(huì)在人類生活中發(fā)揮更大作用。

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Biological Activity and Structure of Plant Polysaccharides

HE Yu-tang，PAN Xiao-ming
(College of Biology and Food Science, Bohai University, Liaoning Provincial Key Laboratory of Food Quality Safety and Functional Food, Jinzhou 121000, China)

TS201.4

A

1002-6630(2010)17-0493-04

2010-06-29

遼寧省教育廳高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃項(xiàng)目(2008S003)

何余堂(1967—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)與功能性食品。E-mail：heyutang@163.com