天然活性多糖研究進(jìn)展

張淑杰,康玉凡

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,北京 100193)

天然活性多糖研究進(jìn)展

張淑杰,康玉凡*

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,北京 100193)

天然多糖是由許多相同或不同的單糖以糖苷鍵連接而成的多聚物,具有促進(jìn)免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤及降血糖等功能。由于活性多糖安全、無(wú)毒,在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品等方面具有廣闊的開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值與前景,現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)科領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本文對(duì)近5年國(guó)內(nèi)外天然活性多糖的提取、純化及生物活性等的研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)地綜述。

活性多糖,提取,純化,生物活性

多糖(polysaccharide)亦稱(chēng)多聚糖,是由二十多個(gè)到上萬(wàn)個(gè)單糖組成的天然高分子化合物[1],廣泛存在于動(dòng)植物、真菌和微生物體中。天然多糖根據(jù)其來(lái)源,可以被劃分為微生物多糖(真菌與細(xì)菌多糖),中低等植物多糖(藻類(lèi)為主)和高等植物多糖(如果膠、淀粉、纖維素、半纖維素等),動(dòng)物中的甲殼質(zhì)、粘性物質(zhì)、糖原、硫酸軟骨素等[2]。根據(jù)組成單糖的類(lèi)別,可以將多糖劃分為均聚多糖、雜多糖、糖綴合物三大類(lèi)[3]。

糖類(lèi)不僅可以作為一種能量物質(zhì)和結(jié)構(gòu)成分,還有一部分多糖可以參與細(xì)胞的代謝及生理調(diào)節(jié)。近年來(lái),關(guān)于活性多糖的生物功能的報(bào)道主要包括多糖的抗腫瘤、降血脂、抗病毒、提高免疫功能等[4]。目前,多糖作為一種天然活性成分因其具有多種生物活性,且無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)殘留、無(wú)抗藥性作用,備受?chē)?guó)內(nèi)外研究者青睞,是醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品等研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本文從提取、分離純化、生物活性等方面將天然活性多糖近幾年的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)綜述,為今后開(kāi)展天然活性多糖的深入研究及應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供理論參考價(jià)值。

1 天然活性多糖的提取

目前多糖的提取方法主要有溶劑提取法[5]、酸提法、堿提法、酶解法、超聲法、微波法[6]、超高壓提取法、超臨界流體萃取法等。

1.1 溶劑提取法

多糖分子屬于極性大分子,呈弱酸性。因此在利用溶劑法提取多糖時(shí),常常選擇水、醇等極性較強(qiáng)的溶劑作為提取劑。溶劑的極性越強(qiáng),多糖的得率越高[7]。首先要根據(jù)多糖的存在形式及提取部位不同,決定在提取之前是否做預(yù)處理。用水做溶劑提取多糖時(shí),提取液的溫度對(duì)多糖的得率影響較大且復(fù)雜。高溫往往會(huì)造成蛋白質(zhì)變性失活、糖鏈降解等,而提取液溫度太低時(shí),多糖的溶出較為困難,從而導(dǎo)致多糖得率降低。

表1 天然活性多糖的提取方法比較Table 1 Comparison on the methods of bioactive polysaccharides

1.2 酸堿提取法

酸堿提取法主要是利用細(xì)胞在酸液或堿液中會(huì)吸水溶脹以致破裂,使細(xì)胞中的活性物質(zhì)釋放出來(lái)。該法對(duì)提取條件要求較高,需要控制好提取酸堿度、時(shí)間、溫度,避免引起多糖水解,改變多糖結(jié)構(gòu),影響得率[8]。Oliveira[9]對(duì)酸解法制備香蕉皮多糖工藝進(jìn)行優(yōu)化,得到最佳工藝條件下多糖得率高達(dá)40%;Siu等人[10]利用堿法提取蜜環(huán)菌多糖,得到最高多糖得率3.30%。

1.3 酶解法

酶工程技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型破壁提取方法,酶法提多糖具有專(zhuān)一性強(qiáng)、作用條件溫、高效快速、多糖得率高且有效保持多糖的活性等優(yōu)點(diǎn),已廣泛用于植物有效成分的提取[11]。何傳波等人[12]采用纖維素酶法輔助提取枇杷葉多糖,得到提取最佳條件為時(shí)間2.95 h、提取溫度41 ℃、酶用量15.6 mg/g,多糖提取率高達(dá)8.03%。

1.4 微波提取法

微波法利用高頻電磁波進(jìn)入活性物質(zhì)原料,快速轉(zhuǎn)化為熱能使細(xì)胞內(nèi)溫度極速升高,細(xì)胞內(nèi)外壓力差過(guò)高,導(dǎo)致細(xì)胞壁破裂,細(xì)胞內(nèi)容物流出,在外部低溫下溶解于萃取的媒質(zhì),之后進(jìn)一步分離純化,獲得提取物[13]。任花[14]利用微波輔助法從豆渣中提取水溶性多糖,通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)確立最佳提取工藝參數(shù)下得率為6.64%。Yin等人[15]采用超聲-微波輔助法優(yōu)化提取多糖工藝,得到最佳工藝條件下多糖得率高達(dá)11.38%。

1.5 超聲提取法

超聲波輔助提取技術(shù),作為一種新型高效分離提取技術(shù)在多糖提取等方面得到廣泛應(yīng)用[16-18]。黎英[11]采用超聲輔助提取法對(duì)紅腰豆多糖提取工藝進(jìn)行優(yōu)化,得到最佳工藝超聲功率400 W,超聲時(shí)間34.0 min條件下紅腰豆多糖得率14.15%,此工藝對(duì)應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn),推廣價(jià)值高,具有很好的應(yīng)用前景。

1.6 超高壓提取法

在一定程度上細(xì)胞壁阻礙胞內(nèi)多糖的提取，提取天然植物細(xì)胞內(nèi)多糖時(shí),利用超高壓力使細(xì)胞壁破裂，內(nèi)部有效成分釋放和溶出,容易分離純化[19]。陳三娜[20]采用超高壓處理杏鮑菇,在壓力450 MPa,時(shí)間10 min條件下,杏鮑菇片總糖含量為0.5%。王新新[21]采用超高壓方法對(duì)瓜蔞多糖最佳提取工藝進(jìn)行優(yōu)化,得到最佳條件,瓜蔞多糖的提取率達(dá)19.11%。

1.7 超臨界萃取法

相比于傳統(tǒng)多糖提取方法,還有超臨界流體萃取法等新興提取方法。張艷榮[22]采用超臨界輔助熱水浸提法提取人參多糖,正交實(shí)驗(yàn)確定提取人參多糖的最佳工藝條件,優(yōu)化條件下人參多糖提取率為38.03%±1.43%,多糖純度為54.71%±2.16%,兩者得到顯著提高。近年來(lái),隨著科技進(jìn)步,聯(lián)合提取方法將多種方法結(jié)合提取多糖,能大大加速多糖的溶出,通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化工藝達(dá)到最優(yōu)的提取效果[23,24]

2 多糖的分離純化

2.1 多糖的初級(jí)純化

2.1.1 脫蛋白處理 目前,脫除蛋白質(zhì)的方法主要有:Savag 法、TCA法、酶法等。

表2 天然活性多糖常見(jiàn)脫蛋白方法比較Table 2 The comparison in common deproteinization method of bioactive polysaccharides

2.1.1.1 Savag法 Savag法是一種比較廣泛使用的脫蛋白方法。Savag 試劑為氯仿與正丁醇按4/1～5/1的體積比配制的,蛋白質(zhì)在Savag試劑中變性為白色凝膠物析出。張賀[25]利用Savag 法脫蛋白確定最佳實(shí)驗(yàn)條件下蛋白脫除率為46.31%,多糖損失量為8.16%?？追睎|[26]通過(guò)酶-Savag結(jié)合法,得到玉竹多糖保留率為91.9932%,蛋白清除率達(dá)到90.4334%。

2.1.1.2 TCA法 TCA法是一種用三氯乙酸溶液調(diào)節(jié)多糖粗提液,使蛋白變性沉淀的一種有效脫蛋白方法,該法對(duì)酸度及沉淀時(shí)間要求比較高,否則容易使糖苷鍵斷裂使多糖失活,影響蛋白脫除率及多糖得率[27]。張海燕[28]利用 TCA 法對(duì)山藥多糖脫蛋白后,多糖保留率為24.19%,蛋白脫除率為95.03%,脫蛋白率較高。

2.1.1.3 酶法 酶法由于專(zhuān)屬性強(qiáng),普遍認(rèn)為是常用的脫蛋白方法之一,通常選用專(zhuān)一性低的蛋白酶酶解蛋白質(zhì),釋放多糖。酶法脫蛋白專(zhuān)一性強(qiáng),脫蛋白次數(shù)減少、有機(jī)溶劑耗費(fèi)少,除蛋白的效果更佳[3]。潘瑩[29]對(duì)冬棗多糖酶法脫蛋白的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定最佳脫蛋白方法為酶-TCA法,其蛋白質(zhì)脫除率為91.19%,多糖保留率為89.99%。

2.1.2 脫色 粗多糖中常含有一些色素,脫色可以改善多糖的外觀,并有利于多糖的純化,根據(jù)其性質(zhì)不同采取不同的除色素方法。常見(jiàn)的脫色方法有離子交換法、氧化法、金屬絡(luò)合物法、吸附法。活性炭吸附法一般去除鞣質(zhì)色素。DEAE纖維素吸附法是目前最常用的脫色方法,通過(guò)離子交換柱不僅達(dá)到脫色的目的,而且可以進(jìn)行多糖的分離。雙氧水脫色方法是直接氧化提取液中的色素,并未脫除,宜在低溫下進(jìn)行,否則會(huì)引起多糖的降解。

2.2 多糖進(jìn)一步分離純化

多糖進(jìn)一步純化方法主要有:分級(jí)沉淀法、柱層析法、膜分離法、透析法、親和層析、電泳、大孔吸附樹(shù)脂純化等。

2.2.1 分級(jí)沉淀法 分級(jí)沉淀法可以分為有機(jī)溶劑法、鹽析法和季銨鹽沉淀法。有機(jī)溶劑分級(jí)沉淀法根據(jù)多糖在不同濃度的低級(jí)醇或酮中具有不同的溶解度的性質(zhì),逐次分步沉淀。這種方法適宜于分離各種溶解度相差較大的多糖。鹽析法根據(jù)不同多糖在不同鹽濃度中具有不同溶解度的性質(zhì),加入不同鹽析劑使之逐步析出。季銨鹽沉淀法根據(jù)長(zhǎng)鏈季銨鹽能與酸性多糖成鹽,形成水不溶性多糖化合物的特性,常用此法分離酸性及中性多糖。

2.2.2 柱層析法 粗多糖是混合物,一般用柱層析法進(jìn)行純化,柱層析法可分為兩類(lèi)。離子交換柱層析法按電荷性質(zhì)的不同,常用交換劑為 DEAE-纖維素、DEAE-Sephadex、CM-Sephadex、SE-Sephadex等,此法適合于分離各種酸性、中性及黏性多糖。凝膠過(guò)濾柱層析法是根據(jù)多糖分子的大小和形狀不同而達(dá)到分離目的。常用的凝膠介質(zhì)有交聯(lián)葡聚糖凝膠、瓊脂糖凝膠及聚丙烯酰胺凝膠等。白也明[30]應(yīng)用DEAE-纖維素離子交換柱層析、凝膠過(guò)濾層析依次對(duì)刺五加多糖進(jìn)行分級(jí),獲得目標(biāo)純多糖組分。Siriluck[31]、Li[32]、Shen[33]、Pu[34]等人利用離子柱層析法、葡聚糖凝膠柱層析對(duì)多糖進(jìn)行純化,純化后多糖純度顯著提高。

2.2.3 膜分離法 膜分離是一種新興的分離技術(shù),在多糖領(lǐng)域中使用較多的是超濾技術(shù)。超濾膜能截留相對(duì)分子量從幾千到幾十萬(wàn)的多糖,選用不同截留量的超濾膜處理樣品可以快速地得到分子量不同的多糖組分,在超濾的過(guò)程中還能同時(shí)起到濃縮和除鹽的效果。醋酸纖維素膜是分離多糖最常用的一種膜?？v偉[35]通過(guò)超濾法對(duì)紅棗多糖提取液進(jìn)行純化,得到最佳超濾條件為操作壓力0.12 MPa、操作溫度32 ℃、pH6.5,最佳條件下膜通量達(dá)到16.4 mL/(m2·s),該超濾工藝方法純化紅棗多糖簡(jiǎn)單可行,效率高。

2.2.4 其他 中國(guó)的天然資源豐富,活性多糖種類(lèi)繁多、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、分離純化難度較大等問(wèn)題,對(duì)天然活性多糖的研究與應(yīng)用帶來(lái)了的挑戰(zhàn)。在多糖純化研究的操作中,往往需要結(jié)合不同的方法才能進(jìn)行高效的分離純化。因此,運(yùn)用不同提取方法、分離純化技術(shù)對(duì)各種活性多糖進(jìn)行開(kāi)發(fā)應(yīng)用,是活性多糖研究工作的重點(diǎn)。

3 多糖的生物活性

多糖有重要的生物活性功能,在功能食品和臨床藥物上已得到廣泛開(kāi)發(fā)應(yīng)用,同時(shí)多糖的研究一直是近幾十年來(lái)的熱點(diǎn)。從原材料中提取多糖,經(jīng)分離純化、組分分析、功能性研究發(fā)現(xiàn),多糖具有抗氧化活性、免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、降血糖、降血脂、抗炎、抗疲勞、抗衰老等生物活性功能。

3.1 免疫調(diào)節(jié)活性

研究表明,植物多糖可通過(guò)與免疫細(xì)胞表面的多種受體結(jié)合、激活不同的信號(hào)通路來(lái)調(diào)控動(dòng)物機(jī)體的免疫系統(tǒng)[36]。植物多糖引起巨噬細(xì)胞活化是通過(guò)特異性受體來(lái)介導(dǎo),也可通過(guò)內(nèi)吞作用活化NF-κB,進(jìn)而介導(dǎo)巨噬細(xì)胞的激活,發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用[37]。如黑果枸杞葉多糖(LRLP3S)在蛋白和細(xì)胞水平上有降低細(xì)胞損傷的抗氧化活性,可顯著刺激B、T淋巴細(xì)胞增殖,LRLP3作為一種潛在的免疫活性成分,對(duì)小鼠的細(xì)胞免疫功能具有促進(jìn)作用[38]。

3.2 抗腫瘤活性

王寧[39]從杏鮑茹中提取分離純化得到多糖組分,并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的檢測(cè)與觀察,篩選得到組分PEP-2,PEP-2將人肝癌細(xì)胞HepG 2的生長(zhǎng)阻滯在s期,通過(guò)阻滯肝癌細(xì)胞的細(xì)胞周期及誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，發(fā)揮抗腫瘤活性;這一研究發(fā)現(xiàn)為多糖的抗腫瘤功能性食品因子或其藥物的開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù)。此外,還有當(dāng)歸多糖、人參多糖、茯苓多糖、黃芪多糖、香菇多糖、云芝多糖、五味子多糖、海洋真菌多糖、靈芝多糖、酵母多糖及地榆多糖等已經(jīng)被證明具有明顯的抗腫瘤作用。

3.3 降血糖活性

糖尿病(Introduction Diabetes Mellitus)是一種代謝紊亂和血糖水平異常升高的慢性病,主要由于胰島素分泌不足或胰島素作用器官效應(yīng)降低[40]。研究人員指出,植物多糖通過(guò)增加肝糖原、促進(jìn)外周組織器官對(duì)多糖的利用、促進(jìn)降糖激素和抑制升糖激素作用等途徑起到降血糖作用[41]。此外,茶葉、人參、靈芝、知母、薏苡仁、刺五加、米糠、枸杞等多糖提取物都有降血糖作用。

3.4 降血脂活性

張進(jìn)松[42]等人將建模成功的小鼠隨機(jī)均衡分為高脂模型組和海帶多糖治療組,結(jié)果表明海帶多糖可以通過(guò)提高下丘腦OBR的水平,改善瘦素抵抗,從而發(fā)揮降脂作用。黃昊樂(lè)[43]研究黃芪多糖對(duì)高血脂大鼠腎皮質(zhì)輔酯酶的影響,表明黃芪多糖具有明顯的降脂抗氧化作用,能減少脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物,對(duì)高血脂大鼠具有一定的腎臟保護(hù)作用。此外龍膽多糖、南瓜多糖、玉米多糖、桑葉多糖、枸杞多糖等都有有明顯的降血脂作用。

3.5 抗衰老

多糖抗衰老與其免疫調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能及增強(qiáng)機(jī)體對(duì)自由基的清除和抗氧化能力有關(guān)。黃賽金[44]等人經(jīng)Morris水迷宮和小鼠跳臺(tái)實(shí)驗(yàn)測(cè)試小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,衰老小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力增強(qiáng),淡竹葉多糖具有顯著的抗衰老作用。另外,當(dāng)歸、山茱萸等多糖也具有很好的抗衰老生物活性。

3.6 抗凝血

李德海[45]等人采用水、酸溶液及堿溶液提取黑木耳多糖,研究其抗凝血功能。結(jié)果表明,3 種黑木耳多糖均表現(xiàn)出顯著抗凝血活性,最后結(jié)論得出經(jīng)除蛋白處理的堿溶性黑木耳多糖可作為一種天然抗凝血活性成分進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。研究人員通過(guò)對(duì)紅棗、大蒜、龍膽等研究,其結(jié)果都證實(shí)了多糖的抗凝血作用。

3.7 抗炎癥

具有抗炎作用的多糖主要是通過(guò)調(diào)節(jié)炎癥細(xì)胞分泌的一種或多種炎癥介質(zhì),平衡炎癥部位的促炎因子與抗炎因子的水平,影響炎癥發(fā)展過(guò)程的各個(gè)階段[46]。相關(guān)研究表明,樟芝[47]、灰樹(shù)花β-葡聚糖、茯苓多糖、金耳多糖均有炎癥抑制作用。

多糖還具有抗疲勞、抗?jié)僛48]、抗血管增生[49]、抗病毒、抗輻射、抗突變、抑菌等作用,隨著研究的不斷深入,越來(lái)越多的多糖及其藥理活性將會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。

4 結(jié)論

近幾十年來(lái),關(guān)于多糖的研究一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。目前,人們已在天然多糖的提取純化、結(jié)構(gòu)分析以及生物活性的研究上取得了豐碩的成果,天然多糖已經(jīng)開(kāi)始在食品,藥物、功能性保健品以及化妝品等領(lǐng)域進(jìn)行開(kāi)發(fā)應(yīng)用。但就目前天然多糖研究的層次和水平來(lái)說(shuō),還存在構(gòu)效關(guān)系、功能機(jī)制、結(jié)構(gòu)分析測(cè)定、多糖的合成以及工業(yè)化生產(chǎn)等方面的難題需要攻克。所以說(shuō),多糖研究的空間非常大,應(yīng)用前景廣闊,隨著科研人員的不懈追求以及科學(xué)技術(shù)的逐步提高,相信多糖作為一類(lèi)新型大分子物質(zhì),將在人類(lèi)的生活、健康方面發(fā)揮更大的應(yīng)用價(jià)值。

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Advances in bio-active polysaccharides

ZHANG Shu-jie,KANG Yu-fan*

(The Agricultural College of China Agricultural University,Beijing 100193,China)

Bio-active polysaccharides,connected with numerous the same or different monosaccharides by glycosidic bonds,are glycopolymers. Many common bioactivities of polysaccharides have been demonstrated in recent decades,such as immunomodulatory,antitumor,reducing glycemia,etc. The features of safety and non-toxicity in bioactive polysaccharides contribute to the broad application values and development prospects in fields of medicine,agriculture and food industry. Bioactive polysaccharide has been a hot spot in each scientific field both at home and abroad. This paper mainly aims to introduce the methods of extraction,purification,and the bioactivities of bioactive polysaccharides at home and abroad in recent 5 years.

bioactive polysaccharides;extraction;purification;bioactivities

2016-07-20

張淑杰(1989- )，女，碩士，研究方向：多糖功能特性，E-mail:1254420352@qq.com。

*通訊作者:康玉凡(1963-)，女，教授，研究方向：食用豆產(chǎn)品加工工程，E-mail:yfkang@cau.edu.cn。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系-食用豆體系(CARS-09-06B)。

TS201.1

A

1002-0306(2017)02-0379-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.02.065