黃精主要生物活性物質(zhì)的初提取與益生元作用研究現(xiàn)狀

黃 鐳，文俊仁，文 靜

（1. 武漢設(shè)計(jì)工程學(xué)院食品與生物科技學(xué)院，湖北武漢 430205；2. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖北武漢 430070；3. 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所，湖北 武漢 430070；4. 石河子大學(xué)食品學(xué)院，新疆石河子 832000）

0 引言

黃精（Polygonatum sibiricum，PS） 俗稱雞頭參、老虎姜，是一類多年生百合科黃精屬中藥材的統(tǒng)稱[1]。黃精的藥用價(jià)值首次在中國晉代由陶弘景記載于《名醫(yī)別錄》[2]中，具有調(diào)節(jié)脾胃功能、治療風(fēng)濕等作用；《道藏·神仙芝草經(jīng)》首次提出黃精具有抗衰老能力；現(xiàn)代醫(yī)學(xué)認(rèn)為，黃精具有強(qiáng)化免疫、穩(wěn)定血糖血脂、抗氧化、抗炎等效果。甚至可作為應(yīng)急口糧[3]（辟谷黃精）。在2020 年出版的《中華人民共和國藥典》 （簡稱藥典） 中刊發(fā)了3 種目前證明具備療效的黃精屬植物，分別為黃精（Polygonatum sibiricumRed）、多花黃精（Polygonatum cyrtonemaHua）、滇黃精（Polygonatum kingianumColl.et Hemsl）[4]，其中又以安徽九華山黃精最為著名，在國內(nèi)各地均有其即食制品的銷售，甚至在民間有著“北人參，南黃精”的說法。但黃精對口腔、食道等黏膜結(jié)構(gòu)的組織具有刺激性，并不適合生食[5]。為了有效利用這一植物資源，學(xué)術(shù)界目前對此方向開展了廣泛研究并取得了豐碩的成果。以黃精中兩大主要生物活性成分——黃精多糖（PSP）、多酚（PSO） 的提取及PSP 的益生元作用進(jìn)行闡述，并對其未來的發(fā)展方向進(jìn)行展望，以期為黃精的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用提供新的切入點(diǎn)和思路。

1 黃精中主要有效成分的提取

黃精主要生物活性物質(zhì)的提取方案與結(jié)果比較見表1。

表1 黃精主要生物活性物質(zhì)的提取方案與結(jié)果比較

由表1 可知，目前對于黃精中生物活性物質(zhì)提取已綜合了各學(xué)科的成果。按其原理可分為化學(xué)萃取法（常規(guī)固液萃取法[16]、低共熔溶劑提取法[16]）、物理破碎法（超高壓破碎法、減壓抽提法、閃式提取法、超聲-微波輔助法）、生物法（酶法提取、微生物發(fā)酵法），其中超聲與微波通常聯(lián)合使用，也有部分研究將其與酶法進(jìn)行協(xié)同以提高得率。此外，上述大多提取方法（除微生物發(fā)酵法外） 制備的粗提液為黃精多糖、多酚等混合物。因此若需要得到較純的提取物，目前多利用多糖與多酚在溶解性上的差距進(jìn)行分離純化，即利用有機(jī)溶劑提取多酚并沉淀多糖，分相萃取后有機(jī)相凍干后得多酚；無機(jī)相用Sevege 試劑除蛋白后離心，取上清液凍干后得多糖[17]。此類純化法在國內(nèi)文獻(xiàn)中已有具體介紹[18]，故不在此詳細(xì)講述。

1.1 化學(xué)萃取法

此類工藝是目前最為普遍的植物中活性物質(zhì)提取法，即利用提取對象溶解性的差異而使其溶出，常見的有水提法[7]和醇沉法[19]。其中，水提法雖較為安全，但因水的高沸點(diǎn)導(dǎo)致提取溫度偏高，易對多糖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。王毅等人[6]以溫度80 ℃，料液比1∶20，提取時(shí)間2 h，重復(fù)提取3 次，粗黃精多糖的提取率為19.87%；與周東月等人[20]通過正交試驗(yàn)優(yōu)化醇沉法后的粗多糖得率相差7.7%，且抗氧化活性顯著增強(qiáng)。此外，由于多糖與多酚在極性上的不同，一次醇提可同時(shí)浸出兩類物質(zhì)，利于工業(yè)生產(chǎn)。綜上可見，化學(xué)萃取法無需特殊設(shè)備即可獲得較高的提取量，但都具備提取溫度高、處理時(shí)間長、溶劑消耗量大等缺點(diǎn)。

為了消除水提法的上述缺陷，目前可采取低共熔溶劑法提取黃精多糖。唐蘭芳等人[16]使用尿素給出氫鍵，氯化膽堿作為氫鍵受體，以摩爾比2∶1 混合于水中制備低共熔溶劑。該類物質(zhì)相較于水具備更低的沸點(diǎn)與較高的溶解性，而粗多糖得率提高了70.6%，其純化多糖的ORAC，F(xiàn)RAP 值，ABTS 自由基清除率都有著顯著增強(qiáng)。但此法因其溶劑極佳的溶解性，導(dǎo)致體系中雜質(zhì)溶出而使純化多糖的得率略低于水提法。

1.2 物理破碎法

該方法雖作用方式各異，但主要原理均為利用各類物理效應(yīng)破壞植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)或降低溶液沸點(diǎn)以溶出活性物質(zhì)，處理過程無需加熱，因此極其適合多糖、多酚這一類熱敏成分的提取。王敏[15]采用超高壓技術(shù)制備黃精多糖，將原料粉碎后過60 目篩，以料液比1∶21，在壓力315 MPa 下保壓9.5 min，其粗多糖得率為20.03%±0.31%。楊軍宣等人[21]優(yōu)化了減壓工藝提取多糖，相較于水提法得率增加了20%，且處理時(shí)間大幅縮短。閃式提取法的原理是依靠刀片旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生機(jī)械剪切力在短時(shí)間內(nèi)將樣品粉碎至微粒，顯著提高了活性物質(zhì)的溶出率。崔婧等人[9]以料液比1∶20，提取電壓100 V 重復(fù)提取3 次（40 s/c）后其黃精皂苷提取量為38.92±0.67 mg/mL，相較醇沉法提高150.26%，此法同樣適用于多酚的提取。此外，超高壓微射流技術(shù)（DHPM）[11]因其與閃式提取法相似的原理也可用于多糖提取。目前，超聲-微波輔助法多與酶法協(xié)同使用以提高得率，后續(xù)會進(jìn)行詳細(xì)介紹，此處只分析超聲與微波的處理效果。董琪等人[10]采用超聲法提取黃精多糖，經(jīng)過正交試驗(yàn)優(yōu)化后提取率10.48%；胡芳等人[22]利用微波輔助法制備粗多糖，最終得率為11.82%。此外，超聲-微波雙輔助法近年來也運(yùn)用于多種植物活性物質(zhì)的提取，效果顯著[13]，但目前未見應(yīng)用于黃精多糖的提取，因此可進(jìn)行深入研究。

綜上所述，此類方法均具有提取率高、處理速度快、提取物活性高等特點(diǎn)。但除超聲、微波輔助法外，上述工藝體系大都需要耐壓容器或其他特種設(shè)備，造成加工成本偏高，因而目前仍處于在實(shí)驗(yàn)室階段而待進(jìn)一步優(yōu)化。

1.3 生物法提取

1.3.1 酶法提取

酶解法提取是目前黃精多糖、多酚類物質(zhì)提取中常用的工藝體系，其特點(diǎn)在于酶的專一性可防止提取物分解而導(dǎo)致活性下降。苑璐等人[23]采用正交法優(yōu)化纖維素酶和蛋白酶復(fù)合體提取黃精多糖工藝，在pH 值5.0，酶解溫度50 ℃，料液比1∶20 的條件下以纖維素酶∶木瓜蛋白酶= 3∶7（g∶dL） 構(gòu)成復(fù)合酶系，酶解2 h 后沸水浴浸提。最終得率可達(dá)21.55%，高于單酶法提取率12.06%，也是溶劑提取法的2.75 倍。

超聲微波輔助法與酶法復(fù)合的工藝近年來也用于提取黃精粗多糖，可有效降低酶解時(shí)間。巫永華等人[24]采用正交試驗(yàn)對此法進(jìn)行優(yōu)化，得到纖維素酶添加量0.85%，酶解溫度60 ℃，處理時(shí)間20 min 的最佳工藝參數(shù)，最終多糖得率17.53%而優(yōu)于前文中所提及的單一酶法結(jié)果，且具備顯著的體外降脂性能。此外，將此法中的單一酶系替換為上述復(fù)合酶系后可能會進(jìn)一步提高得率，具備研究價(jià)值。

1.3.2 微生物發(fā)酵法

部分微生物在發(fā)酵過程中會釋放胞外酶，其在分解細(xì)胞組織的同時(shí)也會對多糖、多酚等活性物質(zhì)具有生物轉(zhuǎn)化作用[25]，增強(qiáng)益生功能。楊婧娟等人[5]利用凸圓靈芝固態(tài)發(fā)酵黃精制備粗多糖，最終多糖得率為140 mg/mL，且有效增強(qiáng)了其體外抗氧化能力；包智影等人[14]使用植物乳桿菌液態(tài)發(fā)酵黃精制備粗多糖，通過響應(yīng)面優(yōu)化后最佳工藝為原料添加量4%，發(fā)酵時(shí)間26 h，葡萄糖添加量0.4%，接種量7%，最終得率為33.11%?？梢?，發(fā)酵法在黃精多糖、多酚提取上的應(yīng)用擁有廣闊的發(fā)展前景。

2 黃精多糖的益生作用

2.1 免疫強(qiáng)化作用

黃精多糖通過多重途徑強(qiáng)化免疫。Liu N 等人[26]發(fā)現(xiàn)，黃精多糖在小鼠體內(nèi)與溶血素的形成有關(guān)，原因在于其可增強(qiáng)RAW264.7 巨噬細(xì)胞的清除活性，增強(qiáng)免疫作用；深入研究發(fā)現(xiàn)PSP 對環(huán)磷酰胺（CTX）的減毒作用，其機(jī)理為PSP 可以逆轉(zhuǎn)CTX 誘導(dǎo)小鼠中T，B 淋巴細(xì)胞產(chǎn)生的低免疫應(yīng)答能力與胸腺、脾臟異常指標(biāo)。華巖等人[27]研究了PSP 對小鼠力竭模型免疫強(qiáng)化作用，結(jié)果顯示其具有增強(qiáng)免疫淋巴細(xì)胞增殖、提高巨噬細(xì)胞吞噬活性、促進(jìn)CD3+，CD4+，CD8+細(xì)胞數(shù)量提高、恢復(fù)脾臟免疫功能等作用。此外，Shu G 等人[28]對PSP 在成雞免疫模型中的作用說明其可通過增進(jìn)白介素IL-2，IL-6，干擾素γ 表達(dá)。進(jìn)一步臨床研究發(fā)現(xiàn)，PSP 能夠通過提高紅細(xì)胞膜上C3b 受體對糖皮質(zhì)激素（GC） 的敏感性，進(jìn)而有效治療原發(fā)性兒童腎病綜合征（INS）[29]。綜上所述，黃精多糖在體內(nèi)調(diào)節(jié)細(xì)胞、淋巴、臟器等，以提高機(jī)體的免疫能力。

2.2 穩(wěn)定血糖血脂

楊明琛等人[30]通過模擬小鼠消化酵解過程發(fā)現(xiàn)PSP 可顯著改善其腸道菌群的多樣性與相對豐度，參考Ma Q T 等人[31]研究可認(rèn)為PSP 對于治療2 型糖尿病具有輔助作用。通過建立小鼠1 型糖尿病模型，王秋麗等人[12]觀測到多花黃精多糖可增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄IRS-1的mRNA 表達(dá)?？紫镜热薣32]對鼠中PSP 的降脂作用進(jìn)行了深入研究，認(rèn)為其可能通過增強(qiáng)肝臟中部分遺傳因子的表達(dá)與蛋白質(zhì)活性，例如調(diào)控PPAR-α和PPAR-β 的敏感性、PPAR-γ 和SREBP-1c 的表達(dá)，或抑制TNF-α，IL-6 等炎癥因子的合成以達(dá)到降脂的作用。

2.3 抗氧化與抗炎作用

黃精多糖通常具有較強(qiáng)的清除自由基能力與劑量-效應(yīng)關(guān)系。Li X J 等人[33]通過NMR 分析后認(rèn)為，組成PSP 的低聚糖對同一自由基的清除能力并不相同，其原因可能是糖苷鍵、結(jié)構(gòu)的差異造成了性質(zhì)的改變。為了進(jìn)一步研究其特性，張玉琴等人[34]用H2O2為氧化劑構(gòu)建HT22 細(xì)胞體外損傷模型，發(fā)現(xiàn)PSP 介入后該細(xì)胞活性增強(qiáng)且完整度提高。深入分析認(rèn)為PSP 主要抑制凋亡基因的表達(dá)，在降低Bax 含量的同時(shí)提高Bcl-2 的合成與Nrf2 通路來部分實(shí)現(xiàn)對缺血性腦卒中的預(yù)防。此外，在PSP 對小鼠腸炎模型作用的研究中，薛學(xué)彬等人[35]認(rèn)為此類物質(zhì)可通過拮抗炎癥因子的合成（MDA、MPO） 并增加抗氧化劑的合成（SOD） 以降低結(jié)腸的氧化損傷、減輕癥狀，其作用強(qiáng)弱在于PSP 對NF-κB 通路的抑制強(qiáng)度。此外，PSP 對大鼠急性腎損傷模型具有較強(qiáng)保護(hù)作用[36]，這可能是通過下調(diào)p38 MAPK/ATF2 通路和對IL-6，IL-1β、TNF-α 合成的抑制作用實(shí)現(xiàn)。

2.4 黃精多糖的其他益生元作用

PSP 除上述生物活性外，還具有增強(qiáng)記憶、抗骨質(zhì)疏松、抗腫瘤、抗心肌損傷與抑菌作用。

黃精多糖的其他益生元作用見表2。

表2 黃精多糖的其他益生元作用

3 結(jié)語

如今，黃精中活性物質(zhì)提取方法的研究已取得較大進(jìn)展，但仍存在不足。例如，針對PSP 提取的研究不少，但PSO 的浸提方案研究只集中于超聲、微波輔助法與部分酶法；物理破碎法雖高效，卻因其需要特種設(shè)備而難以推廣；微生物發(fā)酵法制備PSP的生物轉(zhuǎn)化機(jī)制尚屬未知，這些問題均制約著黃精多糖、多酚高效提取法的開發(fā)。因此，可考慮從以下角度進(jìn)行研究：①利用現(xiàn)有提取方案制備PSO，并篩選與其適配的工藝；②對溶劑提取法進(jìn)行改良，比如選擇低共熔溶劑法或雙水相萃取法提取，以降低工藝設(shè)備的要求而便于工業(yè)生產(chǎn)；③將發(fā)酵法制備的PSP 通過柱層析與膜分離技術(shù)進(jìn)行純化，利用核磁共振光譜測定其結(jié)構(gòu)與組分，并與溶劑提取法制得的多糖進(jìn)行比對，分析其結(jié)構(gòu)變化造成活性改變的可能性。

黃精多糖目前已證明具有極其廣泛的益生元作用，其依靠較強(qiáng)的自由基清除能力、上調(diào)酶活與基因表達(dá)，控制細(xì)胞代謝與凋亡的機(jī)制，從而達(dá)到強(qiáng)化免疫、預(yù)防糖尿病、降脂、抗炎、抑菌等目的。雖然上述益生元特性在體外與小鼠模型中被證實(shí)，但仍缺乏對PSP 作用與代謝機(jī)制研究與臨床試驗(yàn)的結(jié)果。因此，在后續(xù)研究計(jì)劃中，可進(jìn)行PSP 制劑在抗衰老、抗腫瘤、抗疲勞、增強(qiáng)記憶力等保健食品中應(yīng)用的研究。也可考查將其作為糖尿病、骨質(zhì)疏松、高血脂等疾病治療過程中補(bǔ)劑的可行性。此外PSP 良好的清除自由基能力使其作為抗氧化添加劑于油脂中。還應(yīng)注意的是，多酚通常具有抑菌與抗氧化能力，但目前罕見此類特性的詳細(xì)報(bào)道，也可作為一研究方向。