多糖的生物活性及其在蔬菜中的應(yīng)用

吳林娜，劉 梅，李興紅

（北京市農(nóng)林科學(xué)院植物保護(hù)環(huán)境保護(hù)研究所，北京 100097)

多糖是自然界中含量豐富的物質(zhì)類群之一，不僅來源廣泛、毒性低，而且具有抑菌、抗氧化和促進(jìn)生物體生長等多種良好的生物活性，作為植物誘抗劑、生長調(diào)節(jié)劑等被廣泛用于防治多種植物病害和調(diào)控作物的生長。1943年，多糖首先作為藥物展開研究，到了20世紀(jì)50年代，隨著化學(xué)、生物研究技術(shù)的提高，多糖的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能逐漸得到人們的認(rèn)可和研究。到目前為止，已有300多種多糖物質(zhì)被從自然界中分離和提純出來[1]。隨后，人們對多糖的認(rèn)識，不僅僅局限于其是細(xì)胞結(jié)構(gòu)的支撐者、儲能物質(zhì)，還認(rèn)識到其與生物體代謝、細(xì)胞間的識別和調(diào)節(jié)、細(xì)胞生物學(xué)信息的攜帶和傳遞、免疫反應(yīng)和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移等過程密切關(guān)聯(lián)[2]。研究發(fā)現(xiàn)，多糖具有抗氧化、抗炎、抗菌、抗紫外線等重要生物活性，這些活性逐漸地被研究、開發(fā)，并應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、食品、護(hù)膚和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。本文將主要從多糖種類、生物活性和在蔬菜中的應(yīng)用3個(gè)方面進(jìn)行綜述，以期為未來多糖在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用研究提供參考。

1 多糖的定義及種類

1.1 定義

多糖，即多聚糖（Polysaccharide），由超過10個(gè)單糖分子經(jīng)脫水縮合以糖苷鍵而結(jié)合的高分子聚合化合物。從廣義來說，凡符合高分子化合物概念的碳水化合物及其衍生物均可稱為多糖，其結(jié)構(gòu)通式可用（C6H12O5）n表示，相對分子質(zhì)量在數(shù)萬到數(shù)十萬不等[3]。單糖是糖類的基本組成單元，單糖之間經(jīng)脫水縮合、以糖苷鍵線性或分枝連接構(gòu)成多糖[4]。

1.2 種類

根據(jù)構(gòu)成多糖的單元種類可將多糖分為2類，一類是由一種單糖縮合而成的同多糖，如淀粉、纖維素和糖原等，另一類是由2種及以上的單糖構(gòu)成的雜多糖，如透明質(zhì)酸是D-葡萄糖醛酸和N-乙酰葡糖胺組成的雙糖單位構(gòu)成的糖胺聚糖，阿拉伯膠是由戊糖和半乳糖等組成的雜多糖[5]。

另外，根據(jù)多糖的來源種類，又可將其分為動(dòng)物多糖、植物多糖和微生物多糖。

1.2.1 動(dòng)物多糖

動(dòng)物多糖主要來源于海洋動(dòng)物和昆蟲，如蝦蟹、昆蟲等的外殼，動(dòng)物的肝臟、腎臟和軟骨組織等，主要包括糖原、甲殼素、肝素、硫酸軟骨素、透明質(zhì)酸、硫酸角質(zhì)素，其中肝素、硫酸軟骨素、透明質(zhì)酸、硫酸角質(zhì)素都屬于糖胺聚糖，在體內(nèi)常以共價(jià)鍵與蛋白質(zhì)結(jié)合的狀態(tài)存在，所以又被稱為蛋白聚糖[6]。因動(dòng)物多糖中有糖胺聚糖和殼聚糖具有抗氧化、抗炎、抗菌和抗紫外線等活性，多用于藥物開發(fā)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[7-8]。

1.2.2 植物多糖

植物中的多糖通常占其干質(zhì)量的80%～90%[9]，是機(jī)體重要的儲能物質(zhì)，同時(shí)具有一定的生物學(xué)功能：有效調(diào)節(jié)機(jī)體的免疫系統(tǒng)、降低血糖和血脂、抗氧化和抗腫瘤等[10]。常見的植物多糖主要有馬鈴薯和豆類的淀粉，棉花中的纖維素，甜菜渣、蘋果渣和橘類果皮中的果膠質(zhì)以及很多植物根、莖和種子中的果聚糖等，因其葡萄糖殘基組成方式和構(gòu)成形式不同，所以性質(zhì)有明顯的差異[11]。植物多糖來源廣、提取成本低，具有可降解性、可持續(xù)性和對機(jī)體低毒性等特點(diǎn)，對人、動(dòng)物、植物能產(chǎn)生積極的生理影響而逐漸被重視和研究[12]。

1.2.3 微生物多糖

與動(dòng)物多糖、植物多糖相比，微生物多糖可通過發(fā)酵獲得，生長周期短、生產(chǎn)成本低，安全無毒，理化性質(zhì)優(yōu)越，易于操作，季節(jié)和地域條件不會限制微生物的生長等，這是微生物多糖具有較強(qiáng)市場競爭力和廣闊應(yīng)用前景的重要原因[5]。微生物多糖根據(jù)分布情況可分為3種類型：胞壁、胞內(nèi)和胞外多糖，其中胞壁多糖是位于細(xì)胞壁層的多糖，即依附于莢膜的多糖，亦可稱為莢膜多糖；胞內(nèi)多糖是位于原生質(zhì)層或組成原生質(zhì)膜的組分，而胞外多糖是指微生物利用營養(yǎng)物質(zhì)合成并分泌于介質(zhì)中的茹性多糖物質(zhì)。在微生物的實(shí)際培養(yǎng)過程中，很難區(qū)分粘連在一起的胞壁多糖和胞外多糖，因此有人將二者統(tǒng)稱為胞外多糖[13]。

2 多糖的生物活性及機(jī)理

2.1 促生作用

有研究表明，多糖可有效調(diào)節(jié)機(jī)體的免疫系統(tǒng)，促進(jìn)生物體的生長。寧玉波[14]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)靈芝多糖溶液浸泡的番茄種子，其發(fā)芽率顯著提高，還促進(jìn)幼苗的生長，其中200 mg/mL溶液浸泡后發(fā)芽率比對照組的提高10.0%，幼苗株高和地上部分鮮質(zhì)量分別較對照增加12.9%和33.3%。李磊等[15]研究指出，葛根多糖具有益生元特性，可以加快乳酸菌的增殖和產(chǎn)酸，當(dāng)葛根多糖添加量為0.08%時(shí)，促生作用最佳。李鵬鵬[16]研究結(jié)果顯示，不同濃度的香菇多糖對黃瓜種子發(fā)芽率、幼苗根長和芽長、植株鮮質(zhì)量均表現(xiàn)顯著的促進(jìn)作用，與對照組相比，多糖濃度為250 mg/L時(shí)，幼苗根長和芽長分別增長了1.95 cm和0.83 cm；濃度為500 mg/L時(shí)，幼苗鮮質(zhì)量變化最大，提高了78.52%。

2.2 植物抗性誘導(dǎo)性

有研究表明，天然功能性多糖能夠刺激植物免疫系統(tǒng)反應(yīng)，進(jìn)而提高植物抗病性和調(diào)節(jié)植物的生長。孫斐[17]試驗(yàn)結(jié)果表明，牛蒡寡糖（BFO）能夠激活葡萄對灰霉病、蘋果對青霉病、香蕉對炭疽病、獼猴桃對灰霉病、桔子對青霉病的抗病性，同時(shí)BFO處理后水果內(nèi)總酚和H2O2的含量發(fā)生顯著變化，表明BFO通過激活水楊酸依賴的信號通路來誘導(dǎo)葡萄采摘后的抗病性。殼寡糖不僅能誘導(dǎo)柑橘果實(shí)內(nèi)H2O2合成，延緩還原型抗壞血酸和還原型谷胱甘肽含量的下降，使果實(shí)對炭疽病抗性的提高從而降低果實(shí)的發(fā)病率[18]，也能作為一種誘導(dǎo)因子，增強(qiáng)黃瓜對黑星病的抗性，提高植物的免疫力[19]；同時(shí)，其還能誘導(dǎo)水稻植株體內(nèi)具有清除自由基功能的多種酶活性提高，促使水稻提高對紋枯病的抗性[20]。王美玲[21]篩選了1株可誘導(dǎo)油菜產(chǎn)生系統(tǒng)抗病性的蘇云金芽孢桿菌，其中誘導(dǎo)油菜產(chǎn)生對菌核病抗性的活性物質(zhì)是胞外多糖。

2.3 抑菌作用

許多國內(nèi)外科研人員就多糖的抑菌作用開展了廣泛而深入的研究。趙成萍等[22]研究發(fā)現(xiàn)，靈芝多糖在試驗(yàn)作用12 h或24 h時(shí)，對枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌抑制效果可達(dá)到100%，且酸性環(huán)境和作用時(shí)間均能影響多糖抑菌活性，當(dāng)pH值為5和作用時(shí)間為12 h或24 h時(shí)，靈芝多糖對金黃色葡萄球菌抑制效果均達(dá)到最大。白丹等[23]抑菌試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，靈芝粗多糖對胡蘿卜歐氏菌、枯草芽孢桿菌和蠟狀芽孢桿菌表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制作用，對指狀青霉菌、大腸桿菌和黑曲霉的抑制作用相對較弱，對灰葡萄孢菌、黑根霉幾乎沒有抑制效果，這表明多糖具有選擇性抑制不同菌種的特點(diǎn)。單宏英等[24]的室內(nèi)測定結(jié)果顯示，香菇多糖對7種常見植物病原真菌均有較好的抑制效果，其中1%香菇多糖對煙草灰霉病菌的抑制活性最強(qiáng)，抑菌圈直徑達(dá)39.45 mm，并發(fā)現(xiàn)多糖會導(dǎo)致孢子畸形、頂端分支膨大變形，進(jìn)而抑制病原菌菌絲生長和孢子萌發(fā)。范飛等[25]從大蒜內(nèi)生真菌中篩選到1株白地霉菌株，其對大蒜無致病性，所產(chǎn)胞外粗多糖含量高，對大蒜白腐小核菌和西瓜殼二孢具有很好的抑制效果。

另外，多糖的結(jié)構(gòu)及溶劑種類和濃度會影響到抑菌的效果。Zhang等[26]提取杏鮑菇多糖（PEPS）和嗜熱鏈球菌胞外多糖（EPS）后進(jìn)行硫酸化，并發(fā)現(xiàn)修飾多糖對大腸桿菌、李斯特菌和金黃色葡萄球菌具有更強(qiáng)的抑制活性。而Zhao等[27]報(bào)道黨參脫硫多糖的抗菌活性遠(yuǎn)高于含硫多糖，其最小抑菌濃度（MIC）值分別為35 mg/mL和70 mg/mL。陳波等[28]發(fā)現(xiàn)用50%乙醇沉淀的小葉黃楊、煙葉和小葉女貞子提取液能抑制白粉病菌分生孢子萌發(fā)，還初步認(rèn)為多糖是主要的抑菌活性物質(zhì)。王萍等[29]報(bào)道，30%羅勒多糖顯示了對藤黃微球菌、糞腸球菌、葡萄球菌等的抑菌作用均強(qiáng)于其他濃度的羅勒多糖，而50%羅勒多糖的抑菌活性又高于80%羅勒多糖。

2.4 抗氧化作用

已有眾多研究表明，大部分多糖物質(zhì)具有抗氧化活性，多糖溶液處理小麥、煙草和水稻等多種植物后，會誘導(dǎo)生物體內(nèi)過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、多酚氧化酶（PPO）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）和超氧化物歧化酶（SOD）等防御酶活性的提高[30]。李落葉[31]指出，低聚糖可誘導(dǎo)小麥產(chǎn)生對白粉病、赤霉病和條銹病的抗性，且誘導(dǎo)抗病具有上行傳導(dǎo)性，并發(fā)現(xiàn)低聚糖不是直接殺菌或抑菌，而是通過影響小麥葉片中POD、PPO、PAL、SOD和CAT等相關(guān)酶的活性變化，進(jìn)而誘發(fā)植物的抗病潛能。王杰等[32]研究結(jié)果顯示，海帶多糖能夠系統(tǒng)地誘導(dǎo)煙草體內(nèi)PAL、POD和SOD活性，控制感染煙草花葉病毒（TMV）后煙草葉綠素含量的下降，抑制率可達(dá)42.42%。李鵬鵬等[33]研究發(fā)現(xiàn)，具有抗氧化活性的多糖還有香菇多糖、藜麥多糖、靈芝多糖、紅豆多糖、地木耳多糖、木瓜多糖等。

2.5 其他生物活性

除了上述促生作用、抗性誘導(dǎo)、抗氧化、抑菌4個(gè)生物活性外，植物多糖還能通過激活免疫細(xì)胞來提高免疫能力，或者抑制腫瘤細(xì)胞的產(chǎn)生、誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡等而起到直接或間接抗腫瘤作用[34-36]。Goldman等[37]研究表明，多糖成分能與巨噬細(xì)胞的受體結(jié)合，活化巨噬細(xì)胞并促使機(jī)體分泌活性因子，從而增強(qiáng)淋巴細(xì)胞的免疫活性。余建國等[38]研究指出，茯苓多糖可以提高雛雞的淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化率和NK細(xì)胞殺傷活性，其中NK細(xì)胞具有直接殺死腫瘤細(xì)胞的活性，并釋放白介素、干擾素等細(xì)胞因子，參與免疫殺傷和清除腫瘤細(xì)胞的作用。同時(shí)多糖具有抗病毒、抗衰老作用，有研究表明，香菇多糖能與病毒體外結(jié)合，使病毒粒子聚集、病毒蛋白合成受阻或不能復(fù)制，進(jìn)而降低病毒對寄主的識別能力，從而達(dá)到抗病毒的效果[39]。枸杞多糖能清除小鼠皮膚中的丙二醛（MDA），并顯著提高SOD活性，延緩皮膚的衰老程度[40]；另外，植物多糖有利于優(yōu)化動(dòng)物腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)動(dòng)物生長和預(yù)防疾病的發(fā)生。牛華星等[41]研究指出，用含6%植物活性多糖的飼料飼喂小鼠，可使其盲腸內(nèi)pH值顯著降低，改善體內(nèi)有益微生物的生存環(huán)境。

3 多糖在蔬菜上的應(yīng)用

3.1 病害防治

從天然材料中提取和純化所獲得的多糖具有多樣的生物活性，逐漸引起了人們的廣泛關(guān)注，在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中成為了研究熱點(diǎn)，已有很多研究報(bào)道，多糖及其衍生產(chǎn)品可應(yīng)用于蔬菜病害的防治方面。馮燕青等[42]研究指出，5%氨基寡糖素水劑在辣椒緩苗期每隔7 d、連續(xù)施用3次可對病毒病起到良好的防治效果，防效達(dá)60%。楊鑫等[43]報(bào)道，在馬鈴薯塊莖形成期噴施香菇多糖800倍液，可增加植株主莖數(shù)，顯著提高產(chǎn)量和塊莖營養(yǎng)品質(zhì)，并對瘡痂病防治效果最佳，相對防效為79.98%。另外，多糖與其他防治藥劑相結(jié)合，也可以提高其防治效果，降低了化學(xué)藥劑施用量，避免了植物產(chǎn)生抗藥性，減少了化學(xué)藥劑污染環(huán)境。邱德文及其團(tuán)隊(duì)將氨基寡糖素與高活性蛋白相結(jié)合，制成世界上首個(gè)植物免疫蛋白生物農(nóng)藥——6%寡糖·鏈蛋白可濕性粉劑，其能促進(jìn)番茄等蔬菜增產(chǎn)5%～10%，并對番茄黃化曲葉病毒病具有顯著控制效果[44]。0.5%香菇多糖與碧護(hù)混合施用，能有效防治番茄病毒病，連續(xù)4次共35 d測定的相對防效依次為90.5%、88.5%、78.7%和68.4%，藥效時(shí)間長，減少農(nóng)藥對番茄果實(shí)的污染，并且比80%鹽酸嗎啉胍＋碧護(hù)的效果更佳，可替代傳統(tǒng)農(nóng)藥，作為現(xiàn)代無公害農(nóng)產(chǎn)品、綠色農(nóng)產(chǎn)品的理想藥劑[45]。

通過中國農(nóng)藥信息網(wǎng)（http://www.chinapesticide.org.cn/）可查詢到很多在農(nóng)業(yè)應(yīng)用上的相關(guān)多糖產(chǎn)品，截至2020年12月，已登記且在有效期限內(nèi)、有效成分為單一糖類或其混合物的產(chǎn)品共165種，種類多樣，包括氨基寡糖素、幾丁聚糖、低聚糖素、葡聚烯糖和香菇多糖，并且多糖大都以混合形式制成植物誘抗劑、殺菌劑和殺蟲劑來發(fā)揮效果，可用于番茄、黃瓜、馬鈴薯等蔬菜作物，以及其他作物的病害防治（表1）。

表1 中國農(nóng)藥登記有效成分為多糖的農(nóng)藥信息

3.2 生長調(diào)節(jié)及增產(chǎn)作用

多糖能調(diào)節(jié)植物的生長，有利于提高蔬菜產(chǎn)量。史媛艷等[46]研究表明，2%氨基寡糖素可以使低溫寡照后的黃瓜盡快恢復(fù)正常生長，與沒有處理的黃瓜相比，提前6 d進(jìn)入正常生長，新長莖葉長勢顯著提高。王瑋等[47]研究結(jié)果顯示，噴施150 mg/L氨基多糖后，能顯著提高大白菜母株的定植存活率和根系活力，同時(shí)與對照相比，大白菜的單株種子產(chǎn)量和種子千粒質(zhì)量分別有效提高了31.82%和10.19%。陳亮等[48]研究發(fā)現(xiàn)，有效成分為3%氨基寡糖素AS與Dynamic F產(chǎn)品（有效成分為2%金龜子綠僵菌和3%枯草芽孢桿菌）混合施用于番茄，比單獨(dú)施用增產(chǎn)效果更好，增產(chǎn)29.84%，并促進(jìn)作物生長及根的發(fā)育。

3.3 貯藏保鮮

多糖可作為果蔬的涂漠劑及可食劑的包裝材料。黃嘉欣[49]試驗(yàn)結(jié)果顯示，0.10 g/mL北五味子、2.00%普魯蘭多糖混合，并以8.15∶1.00復(fù)配作為涂膜保鮮劑處理豇豆，保鮮效果最佳，貯藏12 d，與對照組相比，豇豆貯藏期間失重率、腐爛指數(shù)和呼吸強(qiáng)度顯著降低，分別下降了44.18%、63.16%和65.41%。唐皖悅等[50]指出，在梨果發(fā)育期施用低聚糖素，與對照組相比，果實(shí)產(chǎn)量增加10%～20%，腐爛率降低6%，提高了果實(shí)品質(zhì)和商品率，并且采摘果實(shí)后涂抹多糖，貯藏期間病害發(fā)生率平均降低50%、腐爛率降低9%，一定程度上避免了貯藏果實(shí)發(fā)生病害，增加果實(shí)貨架期，延緩梨果衰老和腐爛。Giovanna等[51]發(fā)現(xiàn)，添加果膠的復(fù)合膜能減緩馬鈴薯、胡蘿卜的質(zhì)量損失，維持胡蘿卜中酚類和胡蘿卜素含量的穩(wěn)定，并且果實(shí)硬度和咀嚼性基本不變。

4 展望

多糖具有多樣的生物活性和功能效果，同時(shí)又是從天然材料中提取和純化所獲得，對動(dòng)植物無毒害作用，易于吸收，無殘留，不污染環(huán)境，再加上多糖來源豐富且多樣，因此多糖顯示了作為一類天然活性成分藥劑而開發(fā)的巨大潛力和應(yīng)用前景，相關(guān)研究也逐漸增多，成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。

然而，多糖在開發(fā)和應(yīng)用過程中還存在諸多問題，如研究較多的大都是植物多糖和真菌多糖，開發(fā)條件和多糖來源受到技術(shù)的限制而難以大量推廣；高質(zhì)量多糖的獲取因植物種類和部位、采收時(shí)間、提取工藝等因素的不同而效果存在顯著差異；多糖抗菌抑菌、抗癌癥和抗氧化等機(jī)制尚不完全清晰；不同種類的多糖對不同的病原菌的抗菌效果不一，還受到溫度、濃度、溶劑、分子量等多種因素影響效果的發(fā)揮；結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致多糖的功能也有很大區(qū)別；因此，應(yīng)盡快解決上述相關(guān)問題，深入開發(fā)以多糖為原料的應(yīng)用技術(shù)，使其產(chǎn)業(yè)化并應(yīng)用于新領(lǐng)域，給人類、動(dòng)植物和環(huán)境帶來新的福祉。