植物多糖消化酵解特性的研究進展

陳培琳，游卿翔，常 青，陳 政，張 怡，2，3，鄭寶東，2，3，胡曉珂，曾紅亮，2，3，*

(1.福建農(nóng)林大學食品科學學院，福建福州350002;2.福建農(nóng)林大學，福建省特種淀粉品質(zhì)科學與加工技術(shù)重點實驗室，福建福州350002;3.福建農(nóng)林大學，中愛國際合作食品物質(zhì)學與結(jié)構(gòu)設(shè)計研究中心，福建福州350002)

多糖是由多個單糖基以糖苷鍵連接而成的高聚物，是多羥基醛或多羥基酮及其縮聚物和衍生物的總稱［1］。植物多糖是植物中重要的組成物質(zhì)，是植物生命體的四大基本物質(zhì)之一，主要有果膠、淀粉、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)植物多糖具有抗氧化［2］、抗腫瘤［3］、抗病毒［4］、抗肝損傷［5］、抗凝血［6］、降血糖［7］、降血脂［8］、促進腸道健康［9］等生物活性。植物多糖的生物活性受到其單糖組成［8］、相對分子質(zhì)量［10］、分子形狀［7］、主鏈組成［11］、分子支鏈分支度［12］和鏈構(gòu)象［13］等的影響，目前體內(nèi)外生物活性研究較多，但其體外生物活性的機制研究較少，特別是其與消化、酵解和吸收的關(guān)系。機體是一個復(fù)雜的體系，植物多糖又是大分子物質(zhì)，在體內(nèi)是直接作用發(fā)揮生物活性還是經(jīng)過攝取、消化、發(fā)酵后才發(fā)揮其生物活性有待進一步的探索。因此研究植物多糖的消化特性尤為重要，其消化特性能為多糖的體內(nèi)作用機制提供一定的解釋，并探索其可能存在的功效。

本文以植物多糖分類、結(jié)構(gòu)、消化酵解吸收為主線，對近年來國內(nèi)外植物多糖的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系以及植物多糖消化酵解特性的研究進行綜述，為植物多糖進一步的研究和開發(fā)提供一定的科學指導。

1 植物多糖的分類及結(jié)構(gòu)

植物多糖是由超過10個不同或相同的單糖以糖苷鍵鏈接而成的多聚糖，廣泛存在自然界植物體內(nèi)，是一種相對分子質(zhì)量能達到數(shù)百萬的生物大分子。多糖可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)、化學成分、溶解性、來源和應(yīng)用等進行分類。按化學成分可分為雜多糖和均多糖，雜多糖即由兩種或兩種以上的單糖組成，均多糖即由單一類型的單糖組成，例如淀粉由葡萄糖組成［14］。根據(jù)共價鍵結(jié)合的非糖物質(zhì)的類型可分為蛋白聚糖、糖蛋白、糖脂和糖復(fù)合物。按溶解性可分為水溶性多糖和水不溶性多糖。根據(jù)多糖在植物細胞內(nèi)的存在部位，可分為胞內(nèi)多糖、胞壁多糖和胞外多糖［15］。多糖在植物體內(nèi)的分布如圖1所示。胞內(nèi)多糖一般存在于液泡中，主要有果聚糖和甘露聚糖，細胞壁多糖主要有纖維素、半纖維素和果膠等，它們與木質(zhì)素、芳香族雜聚物一起，為植物提供了堅固的結(jié)構(gòu)，并能保護細胞免受微生物攻擊。植物細胞壁由胞間層、初生壁和次生壁三部分構(gòu)成，每一層都具有獨特的結(jié)構(gòu)和化學組成，胞間層的主要成分為果膠，初生壁主要由纖維素和半纖維素組成，次生壁主要由纖維素和木質(zhì)素組成。胞外多糖主要有樹脂和果膠，如木聚糖、甘露聚糖和其它多糖等［16］。

圖1 植物體內(nèi)多糖的分布情況Fig.1 Distribution of polysaccharides in plants

植物多糖的結(jié)構(gòu)分為一級結(jié)構(gòu)、二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)［17］。多糖的一級結(jié)構(gòu)又稱為初級結(jié)構(gòu)，從一級結(jié)構(gòu)中可以得知多糖的糖苷鍵類型、單糖組成、單糖之間的鏈接次序、異頭碳原子的組成方式、糖分支、分支位點與每個分支的長度等(圖2A);多糖的二級結(jié)構(gòu)主要是指多糖骨架的鏈的結(jié)合方式，主要通過氫鍵連接，從二級結(jié)構(gòu)中可以看出多糖的鏈構(gòu)象(圖2B);多糖的三級結(jié)構(gòu)是指在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)在空間上發(fā)生了改變，形成一定的空間構(gòu)象(圖2C);多糖的四級結(jié)構(gòu)是多糖鏈通過非共價鍵結(jié)合，從而形成聚合體［18］。

圖2 植物多糖的結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of plant polysaccharides

2 植物多糖的生物活性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系

隨著糖生物學的不斷發(fā)展，研究者對植物多糖的研究不斷深入，研究者發(fā)現(xiàn)植物多糖具有抗氧化［2］、抗腫瘤［3］、抗病毒［4］、抗肝損傷［5］、抗凝血［6］、降血糖［7］、降血脂［8］、促進腸道健康［9］等生物活性。植物多糖的活性研究已成為當前研究的熱點，植物多糖在醫(yī)藥和食品方面具有廣闊的發(fā)展前景。金柑多糖的體內(nèi)外抗氧化活性研究表明，金柑多糖在體內(nèi)外均具有抗超氧化物歧化酶氧化的作用［19－20］。植物多糖發(fā)揮其生物活性通常與多糖的抗氧化作用有關(guān)，滕楊等［5］研究甘草硒多糖對CCl4誘導的小鼠急性肝損傷的作用，結(jié)果表明甘草硒多糖可能通過清除自由基而達到防治肝細胞損害，相比于模型組，中、高劑量甘草硒多糖能顯著降低急性肝損傷小鼠血清中的谷草轉(zhuǎn)氨酶(AST)、堿性磷酸酶(ALP)及肝組織中的丙二醛(MDA)和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH－Px)水平，高劑量組還可明顯降低谷丙轉(zhuǎn)氨酶(ALT)含量。五味子酸性多糖分級產(chǎn)物SCAP－2能顯著降低酒精誘導肝損傷模型小鼠血清的MDA、AST和ALT水平，增加超氧化物歧化酶(SOD)活性，其護肝作用機制可能與其抗氧化作用有關(guān)［21］?？娫虑锏龋?］研究胡蘆巴中性多糖不同分子量水解產(chǎn)物對腸道菌群體外生長的影響，結(jié)果表明經(jīng)酸解和酶解后形成的產(chǎn)物均明顯促進雙歧桿菌、乳酸桿菌的生長，抑制大腸桿菌的生長。李梅林等［3］利用MTT法研究枸杞硒多糖對人體肝癌Hep G2細胞增殖的體外抑制作用，結(jié)果表明，枸杞硒多糖抑制Hep G2增殖能力與其硒的含量呈正相關(guān)，枸杞硒多糖對Hep G2細胞的抑制作用優(yōu)于枸杞多糖對Hep G2細胞的抑制作用。

多糖的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系是指多糖的化學結(jié)構(gòu)與生物活性之間的關(guān)系，植物多糖的生物活性受到其化學結(jié)構(gòu)的影響，其結(jié)構(gòu)的改變往往伴隨著其活性的改變，因此研究者通過了解多糖的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，為新的功能性食品的開發(fā)打下基礎(chǔ)。目前植物多糖結(jié)構(gòu)與生物活性關(guān)系的研究主要集中在體外結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究，體內(nèi)的研究相對較少，部分植物多糖的結(jié)構(gòu)與其生物活性的關(guān)系如表1所示。多糖中的單糖組成、相對分子質(zhì)量、糖苷鍵類型、分子形狀、主鏈組成、分子支鏈分支度、鏈構(gòu)象與多糖的生物活性存在一定的關(guān)系［22］。李明智等［23］研究鐵皮石斛多糖的免疫活性，結(jié)果表明鐵皮石斛多糖能增強RAW264.7巨噬細胞的增殖能力、NO的釋放以及TNF－α和IL－1β的分泌，其中分子量較小的多糖免疫調(diào)節(jié)活性較強。Zeng等［8］從金柑中分離出四種多糖 FMPS1、FMPS2、FMPS3 和 FPMS4，F(xiàn)MPS1 的分子量大于FMPS2、FMPS3和FMPS4的分子量，其表觀粘度大于 FMPS2、FMPS3和FMPS4的粘度，實驗結(jié)果表明FMPS1對胰脂肪酶的抑制效果更好，結(jié)合膽酸鈉、甘氨膽酸鈉和?；悄懰徕c作用更強。Kweon等［24］研究分離純化后的三種竹筍多糖的免疫活性，結(jié)果表明，竹筍多糖的免疫活性受到多糖分子大小、酯化度和乙?；〈鹊挠绊懀渲兄麈溄Y(jié)構(gòu)為β－(1→3)葡聚糖和側(cè)鏈結(jié)構(gòu)為β－(1→4)糖苷鍵的多糖免疫活性最強。Bohn等［25］研究表明多糖的分支度在0.2～0.3時多糖具有較好的抗腫瘤活性。

表1 植物多糖的活性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系Table 1 Structure－activity relationship of plant polysaccharides

3 植物多糖的消化

植物多糖的體外消化是指模擬動物消化道的消化環(huán)境，一般是指模擬人體的口腔、胃、腸道環(huán)境，通過測定消化前后植物多糖的相對分子質(zhì)量分布、分散度、溶液鏈構(gòu)象、還原糖、游離單糖組成和其他理化性質(zhì)來預(yù)測植物多糖的消化特性。植物多糖的消化特性如表2所示，大量實驗表明，在體外模擬口腔、胃和腸道對植物多糖的消化中，植物非淀粉類多糖不會被唾液降解，部分的植物多糖在胃液和腸液中會被消化。Hu等［33］采用體外模擬唾液、胃液和腸液消化車前子多糖，結(jié)果表明唾液對多糖的分子量沒有影響，而胃液和腸液都使多糖的分子量下降。閔芳芳等［34］對青錢柳多糖體外模擬人體胃腸道消化發(fā)現(xiàn)胃液和腸液均不能消化青錢柳多糖，但會改變多青錢柳多糖的穩(wěn)定性和構(gòu)象;茶多糖在體外模擬人工胃液的消化中，人工胃液能使茶多糖發(fā)生降解，生成還原糖和寡糖［35］。任貝貝［36］研究鼠尾藻多糖的消化特性，發(fā)現(xiàn)鼠尾藻多糖經(jīng)胃液消化后分子量無顯著變化，而經(jīng)腸液消化后多糖分子量降低，消化過程中無游離單糖產(chǎn)生，多糖結(jié)構(gòu)也未發(fā)生變化。Carnachan等［37］研究獼猴桃多糖體外模擬胃腸消化，結(jié)果表明，胃液和腸液不能降解獼猴桃多糖。Sandberg等［38］通過體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)柑橘果膠在胃和腸中均不會被消化;肖霄［39］研究大豆和燕麥非淀粉類多糖在大鼠體內(nèi)的消化，結(jié)果表明，燕麥非淀粉類多糖能在大鼠盲腸以上的消化道內(nèi)被消化，而大豆非淀粉類多糖不能在大鼠體內(nèi)被消化;陳萍［35］研究茶葉非淀粉類多糖的小鼠體內(nèi)消化發(fā)現(xiàn)茶葉非淀粉類多糖能在小鼠胃腸內(nèi)被消化;李凡［40］研究霍山石斛多糖在小鼠體內(nèi)的穩(wěn)定性，結(jié)果表明霍山石斛多糖能在小鼠胃腸道內(nèi)被消化。邱霞［41］通過檢測小鼠血清D－木糖的含量研究小鼠對麒麟菜海藻多糖的消化情況，結(jié)果表明麒麟菜海藻多糖比卡拉膠更易消化，研究海藻多糖對大鼠膳食消化的影響，發(fā)現(xiàn)海藻多糖能夠抑制高脂食物的消化吸收和利用。

表2 植物多糖的消化特性Table 2 The digestibility of plant polysaccharides

4 植物多糖的酵解

從植物多糖消化的研究可以發(fā)現(xiàn)，許多植物非淀粉類多糖在胃液和腸液中不能被消化或完全消化，隨著腸道的蠕動，進入到大腸，被大腸中的微生物利用［50］。而這類不被消化的多糖，在大腸中通常優(yōu)先被益生菌(如乳桿菌和雙歧桿菌)利用，產(chǎn)生酸性代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸(SCFAs)，從而降低糞便pH和抑制腐敗菌的生長［51］。Huang 等［52］通過測定糞便細菌酶的活性、盲腸菌群的數(shù)量和在盲腸中SCFAs的含量，研究菠蘿多糖對倉鼠腸道功能的影響，結(jié)果表明菠蘿多糖能夠增強倉鼠的腸道功能。Aida等［53］通過體外發(fā)酵法研究竹筍多糖對動物雙歧桿菌、長雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌的益生效果，結(jié)果表明竹筍多糖的益生效果比低聚果糖好。劉麗莎等［54］研究白術(shù)多糖對雙歧桿菌和乳酸菌的增殖效果，結(jié)果表明白術(shù)多糖具有良好的促生長效果，其中對嬰兒雙歧桿菌、青春雙歧桿菌、動物雙歧桿菌、植物乳桿菌的促生長效果最佳。Bao等［55］研究薏苡仁抗性淀粉體外的益生作用，結(jié)果表明薏苡仁抗性淀粉能夠促進青春雙歧桿菌增殖。Zhang等［56］研究蓮子抗性淀粉對雙歧桿菌的增殖作用，結(jié)果表明蓮子抗性淀粉是一種潛在的益生元，其益生效果好于高直鏈玉米淀粉。Zeng等［57］采用乙醇分級純化后的蓮子抗性淀粉研究其體內(nèi)外對青春雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌的增殖作用，研究表明，分級純化后的蓮子抗性淀粉在體內(nèi)外對其都具有增殖作用。

5 植物多糖的吸收

消化和酵解是吸收的前提，植物多糖在體內(nèi)的吸收主要有三種方式:a.植物多糖直接被吸收，由于多糖是大分子，一般不能直接被機體吸收，要在促吸收劑的作用才能直接被吸收。陳地靈等［58］研究巴戟多糖在大鼠體內(nèi)小腸的吸收情況，研究結(jié)果表明巴戟多糖在大鼠小腸吸收為被動擴散，吸收促進劑十二烷基磺酸鈉和吐溫－80均能促進巴戟多糖在大鼠小腸內(nèi)的吸收;王彥榮［59］采用大鼠外翻腸囊法研究黃芪多糖的小腸吸收機制，結(jié)果表明黃芪多糖通過小腸上皮細胞轉(zhuǎn)運進而被小腸吸收，牛黃膽酸鈉、十二烷基酸鈉和吐溫－80對黃芪多糖均有較為明顯的吸收促進作用。b.植物多糖在胃腸中被消化后以小分子物質(zhì)的方式吸收，例如淀粉經(jīng)胃液腸液的作用被降解成葡萄糖［60］，進而被機體吸收;c.植物多糖在胃腸中不被消化，直接進入到大腸，被大腸中的微生物酵解后以其它物質(zhì)的形式被吸收，例如蓮子抗性淀粉不被胃腸液中消化吸收，但能被青春雙歧桿菌酵解［61］。

6 植物多糖消化吸收與生物活性的關(guān)系

植物多糖的生物活性的體外研究表明，植物多糖在體外發(fā)揮的生物活性與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，植物多糖在體內(nèi)發(fā)揮的生物活性不但與其結(jié)構(gòu)有關(guān)還與其被消化、酵解和吸收的過程有關(guān)，許多植物多糖在經(jīng)過人體消化酵解被吸收后進入細胞內(nèi)發(fā)揮作用［48］。植物多糖消化酵解吸收與生物活性的關(guān)系如圖3所示。植物多糖可以結(jié)合膽汁酸隨糞便一起排出體外，而膽汁酸的生成與膽固醇有關(guān)，根據(jù)機體的反饋調(diào)節(jié)機制，機體需要消耗更多的膽固醇，從而降低血清膽固醇的水平，膽固醇是導致心血管疾病的重要因素，因此植物多糖能預(yù)防心血管疾病，植物多糖還能與腸道中的一些致癌物質(zhì)結(jié)合，隨糞便排出體外，從而發(fā)揮抗癌的生物活性［62］。植物多糖酵解的主要代謝產(chǎn)物為SCFAs，SCFAs在機體內(nèi)的濃度及比例與肥胖、糖尿病和代謝綜合征等疾病密切相關(guān)［63］，SCFAs是結(jié)腸黏膜尤其是末端結(jié)腸黏膜的主要能源物質(zhì)，對結(jié)腸黏膜具有營養(yǎng)作用;并且 SCFAs能夠降低腸道內(nèi)環(huán)境 p H，從而影響腸道菌群結(jié)構(gòu)，抑制病原菌的大量繁殖，促進人體健康［64－65］。植物多糖在胃和小腸中被消化后生成一些不能繼續(xù)消化的低聚糖，低聚糖進入到人體大腸，被大腸中的微生物利用，從而促進腸道健康［66］。

圖3 植物多糖消化酵解吸收與生物活性的關(guān)系Fig.3 The relationship between digestion，fermentation，abstorption and bio－activity

7 展望

隨著科技的進步，單糖分離技術(shù)、化學標記技術(shù)和分離檢測技術(shù)的不斷成熟，研究者對植物多糖的一級結(jié)構(gòu)越來越清晰，但對多糖的高級結(jié)構(gòu)的研究需進一步深入。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)植物多糖具有抗氧化、抗腫瘤、抗病毒、抗輻射、抗肝損傷、抗凝血、降血糖、降血脂、促進腸道健康等生物活性，植物多糖的生物活性與其單糖組成、相對分子質(zhì)量、糖苷鍵類型、分子形狀、主鏈組成、分子支鏈分支度和鏈構(gòu)象等有關(guān)，在模擬消化植物多糖的研究中發(fā)現(xiàn)，植物非淀粉類多糖不會被唾液降解，部分的植物多糖在胃液中會被消化，在腸液中不被消化。在未來的植物多糖的消化酵解研究中至少還需要做到以下幾點:利用現(xiàn)有的科學技術(shù)和現(xiàn)代化的儀器，加深對植物多糖結(jié)構(gòu)的研究，將植物多糖的一級結(jié)構(gòu)研究更透徹，不斷的加大對植物多糖高級結(jié)構(gòu)的研究，從而帶動植物多糖生物活性和消化酵解特性的研究;構(gòu)建植物多糖體內(nèi)體外生物活性之間的關(guān)系，降低植物多糖生物活性探究的難度，為植物多糖的開發(fā)打下基礎(chǔ);構(gòu)建植物多糖模擬消化動力學，通過擬合方程來預(yù)測植物多糖的消化性，探究清楚植物多糖消化和生物活性之間的關(guān)系，將植物多糖更好的應(yīng)用在功能食品和醫(yī)藥上;目前，植物多糖對腸道菌群的影響在單一菌群或動物中的研究較多，但單一菌群和動物中植物多糖被酵解的情況并不能完全代表在復(fù)雜的人體的酵解情況，而這些腸道菌群的研究也僅是大腸部分的腸道菌群，對于其他消化道如胃和小腸的腸道菌群的影響需做進一步的拓展研究。總的來說植物多糖的消化酵解特性還處于發(fā)展階段，研究手段不夠成熟，研究不夠深入，還需廣大的科研人員共同努力。