酸漿屬植物多糖化學與生物活性研究進展

楊成鵬，張國壯，屈熙晨，馮宇涵，李莉婭

（東北大學生命科學與健康學院，遼寧沈陽110169）

植物多糖是一種由10個以上單糖通過糖苷鍵連接而成的大分子碳水化合物，具有免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、抗衰老、抗病毒、降血糖、降血脂等作用。近年來，植物多糖的結(jié)構(gòu)及其生物學功能成為食品及生物醫(yī)藥領(lǐng)域研究的熱點[1-2]。酸漿屬（Physalis）為茄科（Solanaceae）一年或多年生草本植物，主要分布在溫帶以及美洲熱帶地區(qū)[3]。國內(nèi)酸漿屬植物包括酸漿（P.alkekengi）、苦蘵（P.angulata）、小酸漿（P.minima）、燈籠果（P.peruxiana）和毛酸漿（P.pubescens）在內(nèi)的5個物種以及2 個變種錦 燈籠 P.alkekengi var.franchetii（Mast.）Makino和毛苦蘵P.angulata var.illosa Bonati[4]。酸漿屬植物果實富含絕大多數(shù)人體必需維生素以及微量元素，具有良好的營養(yǎng)價值。同時研究發(fā)現(xiàn)該屬植物具有抗菌、抗腫瘤、抗炎、降血糖等多種活性[5]。植物化學研究結(jié)果表明，該屬植物含有醉茄內(nèi)酯類、黃酮類、苯丙素類、多糖類等成分[3]。目前，國內(nèi)外對酸漿屬植物的化學及生物活性研究主要集中于其醉茄內(nèi)酯類成分。然而隨著植物多糖藥理活性研究的不斷深入，酸漿屬植物多糖的結(jié)構(gòu)以及其生物活性引起了越來越多科研人員的關(guān)注[6-7]。本文對已有的酸漿屬植物多糖化學與生物活性研究結(jié)果進行梳理，旨在為該屬植物尤其是其多糖類成分的進一步開發(fā)利用提供參考和借鑒。

1 酸漿屬植物多糖化學研究進展

1.1 酸漿屬植物多糖提取工藝

植物多糖常用提取方法主要包括熱水浸提法、酸堿提取法、酶提取法、超聲波輔助法和微波輔助法等[8]。目前已對酸漿屬植物不同部位包括果實、宿萼、根莖以及籽中多糖類成分的提取工藝進行了探索。絕大多數(shù)研究采用熱水浸提法，通過L9（34）正交試驗以及響應(yīng)面法進行提取方法優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)料液比、提取時間和提取溫度為多糖提取率的主要影響因素[9-11]。而在熱水提取果實或宿萼多糖之前，通過石油醚、乙醚以及乙醇回流脫脂可減少低級性小分子物質(zhì)對多糖提取及品質(zhì)的影響，被大量研究所采用[10，12-17]。與傳統(tǒng)熱水浸提法相比，酶解法提取植物多糖特異性強、效率高。但由于酶本身的特異性以及對pH值、溫度等較為敏感，所以需嚴格篩選酶的種類以及酶解法的工藝參數(shù)[8]。葛玉等[13]通過比較堿性蛋白酶、木瓜蛋白酶、中性蛋白酶以及果膠蛋白酶對錦燈籠果實多糖提取率的影響，發(fā)現(xiàn)木瓜蛋白酶輔助提取率最高，多糖提取率是熱水浸提法的近4倍，且提取時間也從6 h縮短至2 h。超聲和微波輔助提取作為兩種物理輔助提取方法，在提高多糖提取率、縮短提取時間方面優(yōu)勢明顯。研究發(fā)現(xiàn)，在相同物料比的情況下，利用超聲300 W、提取25 min對酸漿宿萼多糖的提取率高于熱水浸提法6h的提取率[14]，而微波輔助法提取毛酸漿果實多糖，僅需微波加熱時間120 s，后90℃浸提30 min，即可達到與熱水浸提相同的多糖提取率[10，18]。近年來不斷有研究利用多種復合手段提取酸漿屬植物多糖，如利用超聲波聯(lián)合纖維素酶法或超聲波協(xié)同復合酶法提取錦燈籠果實和宿萼多糖[19-20]。除此之外，也有研究通過酸水專屬性提取該屬植物毛酸漿果實或P.ixocarpa Brot.果渣中的果膠[21-22]；或采用復合酶酶解50 min后，再利用微波輔助法提取錦燈籠果皮果膠[23]。有研究表明，酸的類別可影響果膠的物理性質(zhì)。利用0.1 mol/L HCl從P.ixocarpa Brot.提取的果膠彈性及強度優(yōu)于1%檸檬酸提取法[24]。

經(jīng)以上方法提取的植物粗多糖需通過脫蛋白和脫色處理以提高其品質(zhì)。目前已報道的酸漿屬植物多糖脫蛋白常采用Sevag法或酶-Sevag法；而脫色方法包括大孔樹脂法、活性炭法、有機溶劑洗滌法以及H2O2法。與單純的Sevag法相比，利用木瓜蛋白酶對酸漿果實進行酶解后，再進行Sevag法除蛋白，可達到更高的蛋白去除率以及理想的粗多糖保留率[25]；葛玉等[13]研究發(fā)現(xiàn)利用大孔吸附樹脂LSA-8脫色的同時還能去除蛋白質(zhì)。徐丹鴻等[26]利用活性炭對酸漿果多糖脫色，最佳脫色條件為脫色溫度60℃、pH 4.0、活性炭添加量1.5%、脫色時間30 min，多糖脫色率為87.26%，保留率為84.03%；此外也有研究利用H2O2法除去酸漿果多糖的色素[9，27]；或利用乙醇、乙醚、丙酮洗滌以達到除色素目的[12，28]。該屬植物多糖類成分提取、脫蛋白及脫色方法的研究見表1。

表1 酸漿屬植物多糖提取工藝Table 1 Extraction method of polysaccharides from Physalis genus

續(xù)表1 酸漿屬植物多糖提取工藝Continue table 1 Extraction method of polysaccharides from Physalis genus

1.2 酸漿屬植物多糖的結(jié)構(gòu)表征

多糖生物活性與分子量大小、單糖組成、糖苷鍵類型以及空間結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)[31]。目前主要采用高效凝膠滲透色譜法（high-performance gel permeation chromatography，HPGPC），通過與不同分子量的標準葡聚糖比較，確定多糖分子量，進而通過酸水解以及柱前衍生化的方法，經(jīng)高效液相色譜或氣相色譜分析確定單糖的組成。而多糖中糖鏈的一級結(jié)構(gòu)，包括糖連接順序、糖苷鍵類型、糖鏈分支點以及末端糖的確定，需通過化學方法（如Smith降解法、高碘酸氧化法、甲基化法等）結(jié)合紅外光譜、核磁共振譜分析等完成[32-33]。

目前從酸漿屬植物中分離純化的多糖約20個[34-41]，主要來源于該屬植物的果實、宿萼，少數(shù)來源于根莖、籽，其分子量從7.5 kDa～500 kDa。酸漿屬植物多糖均為雜多糖，單糖組成主要包括鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、半乳糖和葡萄糖，部分含有半乳糖醛酸，為酸性多糖。此外，該屬植物已報道的多糖其單糖組成、糖苷鍵類型以及連接順序差異較大，推測與植物來源以及多糖的提取純化方法有關(guān)。例如從酸漿莖中分離出的水溶性酸性雜多糖（WSPA），骨架結(jié)構(gòu)主要由1→3連接的葡萄糖、1→3連接的半乳糖、1→2連接的木糖、1→2連接的阿拉伯糖以及1→2連接的鼠李糖等組成，而支鏈位于1→6連接的半乳糖的2位，且均以葡萄糖為末端糖[34]。從酸漿根中分離純化的水溶性多糖PPS-1，主鏈由1→3連接的阿拉伯糖、1→4連接的甘露糖、1→3連接的半乳糖以及1→4連接的葡萄糖組成，支鏈連接在葡萄糖的6位，葡萄糖和巖藻糖為支鏈的末端糖[35]。從酸漿果實中分離得到的酸性多糖，主鏈由1→5連接的阿拉伯糖以及1→6連接的半乳糖構(gòu)成，該多糖含有3個支鏈，均連接在半乳糖的3位上，所有的葡萄糖分布在支鏈結(jié)構(gòu)中[36]。而對P.ixocarpa Brot.var.Rendidora果實中果膠的結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，其分子量在542 kDa～699 kDa，所含有的中性糖為鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖、葡萄糖和木糖，具有高度分支的結(jié)構(gòu)特點[21]。從酸漿屬植物分離純化的多糖其來源、分子量、單糖組成、生物活性等見表2。

表2 酸漿屬植物多糖結(jié)構(gòu)表征及其生物活性Table 2 Structure characterization and biological activities of polysaccharides from Physalis genus

2 酸漿屬植物多糖的生物活性

2.1 降血糖與降血脂活性

最近的研究結(jié)果顯示，毛酸漿多糖體外具有α-葡萄糖苷酶抑制活性，在3.0 μg/mL劑量下，對α-葡萄糖苷酶活性抑制率達到34%，并呈劑量依賴性；體內(nèi)實驗結(jié)果顯示，毛酸漿多糖干預 8 周（200、400、800mg/kg）可改善鏈脲佐菌素（streptozotocin，STZ）誘導的糖尿病小鼠口服耐藥量，緩解肝腎氧化應(yīng)激壓力，降低糖尿病小鼠血清甘油三酯和尿素氮水平，增加高密度脂蛋白和肝糖原水平，研究表明毛酸漿多糖具有改善糖尿病小鼠糖脂代謝紊亂的功效[41]。在四氧嘧啶誘導的糖尿病小鼠模型中，酸漿果實多糖干預7 d，可明顯降低糖尿病小鼠血糖，緩解模型小鼠體重降低、飲水增加的病理狀態(tài)，其活性與陽性藥消渴丸功效相當[36]。錦燈籠宿萼粗多糖干預5周可降低模型小鼠空腹血糖以及糖化血清蛋白水平、提升小鼠空腹胰島素水平、改善四氧嘧啶引起的小鼠胰島細胞功能受損、促進模型小鼠胰島素分泌；并且錦燈籠宿萼多糖的作用效果呈劑量依賴性（200、400、800 mg/kg）。逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈式反應(yīng)（reverse transcription-polymerase chain reaction，RTPCR）結(jié)果顯示，錦燈籠宿萼粗多糖PPSC可上調(diào)骨骼肌和脂肪組織磷脂酰肌醇-3激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3k）、蛋白激酶 B（protein kinase B，Akt）和葡萄糖轉(zhuǎn)運體 4（glucose transporter 4，Glut4）mRNA 表達，顯示其具有降血糖潛力[46]。

2.2 抗氧化活性

研究表明，錦燈籠不同部位中純化出的多糖表現(xiàn)出良好的羥基自由基、DPPH自由基以及超氧陰離子自由基清除活性[27，40，47]，在抗氧化功能食品和藥物研發(fā)中有潛在應(yīng)用價值。動物體內(nèi)實驗研究表明，錦燈籠果實粗多糖在10、20、50 mg/kg劑量下均可以提升D-半乳糖處理小鼠血清和腦組織中超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px） 以及過氧化氫酶（catalase，CAT）活力，降低模型小鼠肝臟和血清中丙二醛（malondialdehyde，MDA）水平，具備潛在的抗衰老以及防止器官損傷的功能[45]?？嗖囟嗵强汕宄杂苫种拼笫蟾蝿驖{脂質(zhì)過氧化，且呈現(xiàn)出劑量依賴性[30]；而P.ixocarpa Brot.var.Rendidora果實中的果膠具有DPPH自由基清除能力[21]。此外，多糖的抗氧化性與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。酸漿果實兩種酸性多糖PAPSB-c和PAPSB-d抗氧化活性優(yōu)于PAPSA-a和PAPSA-b[38]。

2.3 對腸道微生態(tài)的影響

腸道菌群作為人體重要微生態(tài)系統(tǒng)，與機體健康關(guān)系密切[48]。由于人體缺乏多種水解酶，多數(shù)多糖類成分進入消化道后不能被直接吸收，而進入大腸被腸道菌群代謝。近年來，天然多糖通過調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)進而影響宿主健康的研究成為熱點[49]。研究發(fā)現(xiàn)，錦燈籠宿萼中獲取的水溶性多糖在體外12.5mg/mL～25.0mg/mL劑量下，可促進乳桿菌（Lactobacillu delbrueckii）生長，而抑制大腸桿菌（Escherichia coli）生長；進一步體內(nèi)實驗研究顯示，該多糖灌胃干預 7 d（50、100 mg/kg），可改善左旋氧氟沙星造成的雌性BALB/c小鼠腸道菌群失調(diào)的病理狀態(tài)，增加Lactobacillus和Prevotella菌群相對豐度，降低Enterococcus菌群相對豐度，錦燈籠宿萼水溶性多糖具有益生元功效[28]。同時，該水溶性多糖干預5周可調(diào)節(jié)2型糖尿病小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)，劑量依 賴 性 增 加 Lactobacillus、Clostridium butyricum和Bacteroides菌群的豐度，降低Enterobacter菌群豐度，降低糖尿病小鼠基礎(chǔ)血糖以及血清丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶（alanine aminotransferase，ALT）和天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶（aspartate aminotransferase，AST）水平，下調(diào)轉(zhuǎn)化生長因子-β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）和腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor α，TNF-α）表達，從而起到緩解糖尿病小鼠肝損傷的作用[50]。對潰瘍性結(jié)腸炎小鼠模型的研究中，毛酸漿果實粗多糖POL（50、100、200 mg/kg）預處理3周，可有效緩解硫酸葡聚糖鈉鹽（dextran sulfate，DSS）誘導的潰瘍性結(jié)腸炎，保護結(jié)腸黏膜層、保持結(jié)腸屏障的完整性，降低TNF-α、誘導型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）、環(huán)氧化酶-2（cycloxygenase-2，COX-2）等炎性因子的表達；而16S rRNA測序結(jié)果表明，POL干預可降低 Helicobacter、Mucispirillum、Romboutsia 和 Erysipelato clostridium等有害菌的相對豐度，POL對腸道微生態(tài)的影響被認為在防治潰瘍性結(jié)腸炎方面發(fā)揮了重要作用[29]。

2.4 免疫調(diào)節(jié)活性

研究發(fā)現(xiàn)，錦燈籠果實中獲得的多糖可以調(diào)節(jié)機體的體液免疫和細胞免疫，且無毒副作用，具有作為疫苗佐劑的潛力[42]。而酸漿果實中分離純化的酸性雜多糖PPSB以及莖中獲得的水溶性多糖WSPA可提高小鼠體內(nèi)針對全身性白色念珠菌感染的核酸疫苗的抗體滴度[34，43]。進一步的分子機制研究結(jié)果表明，PPSB同時可以通過Toll-like Receptor 2（TLR2）和TLR4結(jié)合位點，激活RAW264.7細胞中核因子κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）和絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號通路，從而發(fā)揮免疫增強作用[44]。

2.5 其它活性

酸漿根中獲得的3種多糖可以抑制血小板選擇蛋白（P-selection）介導的白細胞黏附，其中高度支鏈化的多糖PPS-2能有效阻斷P-selection與其天然配體的相互作用，具有潛在的抗炎活性[35]。酸漿莖中分離純化的2個多糖SPAP-1和SPAP-2顯示出中等的乙酰膽堿酯酶抑制活性[37]。錦燈籠果實粗多糖具有保肝活性（100、200、400 mg/kg），可降低四氯化碳（CCl4）誘導的肝損傷小鼠血清中ALT、AST以及堿性磷酸酶（Alkaline phosphatase，ALP）水平，提升模型小鼠肝臟SOD水平，降低MDA水平[51]。此外研究發(fā)現(xiàn)錦燈籠中的多糖具有體外抑菌活性，可以抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的生長[52]。

3 展望

多糖是酸漿屬植物中含有的一類重要生物活性成分，具有安全性高、副作用小等優(yōu)勢。目前對該屬植物多糖的研究主要集中在酸漿及其變種錦燈籠以及毛酸漿3種植物，對該屬其它植物中的多糖成分有待進一步挖掘。不同提取及純化工藝獲得的該屬植物多糖分子量、單糖組成及連接順序差異明顯。鑒于多糖的空間結(jié)構(gòu)與其生物活性密切相關(guān)，對該屬植物多糖的高級結(jié)構(gòu)研究有待深入，酸漿屬植物多糖結(jié)構(gòu)與生物活性的構(gòu)效關(guān)系尚需揭示。而在生物活性研究方面，盡管酸漿屬植物多糖在體內(nèi)、體外活性研究模型中表現(xiàn)出抗氧化、降血糖、降血脂、免疫調(diào)節(jié)以及改善腸道微生態(tài)等多種生理功能，但其作用靶點尚不明確，而進一步的酸漿屬植物多糖與腸道菌群互作關(guān)系研究對于理解其健康促進作用具有重要意義。隨著酸漿屬植物多糖化學與生物活性研究的進一步開展，相信其在食品及生物醫(yī)藥領(lǐng)域?qū)⒂懈鼜V闊的開發(fā)應(yīng)用前景。