姬松茸多糖組成結(jié)構(gòu)及提取技術(shù)研究進(jìn)展

崔國(guó)梅 劉麗娜 田廣瑞 李順?lè)?許方方 王安建

(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究中心,河南 鄭州 450002)(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究中心,河南 鄭州 450002)

姬松茸(Agaricusblazei)又稱巴西蘑菇、小松菇等,原產(chǎn)于巴西南部圣保羅的皮埃達(dá)德,屬于擔(dān)子菌門傘菌目蘑菇科蘑菇屬,滋味鮮美濃郁,富含多糖、脂質(zhì)、多肽、甾醇、人體必需氨基酸、礦物質(zhì)、微量元素、纖維素和維生素等多種成分[1-3]。其多糖、多肽、多酚化合物、甾醇類等活性物質(zhì)具有免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、降血壓、降血糖、抗氧化、抗菌消炎、改善骨質(zhì)增生等功能特性[4-7]。姬松茸的活性成分及其功能特性如表1所示。

表1 姬松茸功能特性及有效成分

研究擬綜述姬松茸多糖的分子結(jié)構(gòu)相應(yīng)功能,且著重說(shuō)明姬松茸多糖化學(xué)修飾與對(duì)應(yīng)的功效及其功能活性的作用機(jī)理;列舉幾種多糖提取方法及工藝,比較姬松茸多糖提取方法的優(yōu)缺點(diǎn);詳細(xì)概述姬松茸多糖在研究應(yīng)用方面存在的問(wèn)題,并從多角度對(duì)其未來(lái)研究方向進(jìn)行展望,旨在深入闡述姬松茸的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及保健功效,并為拓寬姬松茸的發(fā)展空間及加快姬松茸多糖的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 姬松茸多糖的組成結(jié)構(gòu)

姬松茸多糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)是指其相對(duì)分子量、主鏈構(gòu)成、多糖的一級(jí)結(jié)構(gòu)、高級(jí)結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)修飾等。姬松茸多糖主要為β-葡聚糖,還有α-葡聚糖起能量?jī)?chǔ)存的作用,另有雜多糖包括葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖、半乳糖醛酸、巖藻糖、鼠李糖、甘露糖等,而其功能活性成分主要為β-D-葡聚糖、β-(1,3)-D-葡聚糖、β-(1,4)-D-葡聚糖及β-(1,6)-D-葡聚糖等[25]。

孫培龍[8]利用醇分級(jí)沉淀法得到兩種相對(duì)分子質(zhì)量的姬松茸多糖,其中一種是由1,4糖苷鍵連接的吡喃型葡萄糖主鏈,且?guī)倭康鞍椎姆堑矸郐?葡聚糖,另一種可能為帶有吡喃型葡萄糖基的蛋白聚糖,這些多糖具有一定的抗腫瘤作用。Gonzaga等[26]在姬松茸子實(shí)體多糖中分離到β-葡聚糖,結(jié)構(gòu)為β-1,6-葡聚糖。魏紅福等[27]采取分級(jí)醇沉和凝膠過(guò)濾法從熱水浸提的姬松茸多糖中分離出3種級(jí)分的多糖,其相對(duì)分子質(zhì)量分別為>2.0×106,1.4×106,3.8×105,其中一種級(jí)分的多糖主鏈為α-(1→6)-D-吡喃型葡聚糖,并含少量結(jié)合蛋白。王夏梅[11]利用柱層析法得到7個(gè)級(jí)分的姬松茸多糖:從結(jié)構(gòu)上看,既有柔順鏈高級(jí)構(gòu)象,也有剛性鏈高級(jí)構(gòu)象,還存在卷曲成球狀高級(jí)構(gòu)象;從成分上看,有4種為葡聚糖,2種含有少量糖醛酸的葡聚糖,還有一種雜多糖(摩爾分?jǐn)?shù):葡萄糖62.83%、半乳糖28.43%、巖藻糖5.54%、甘露糖1.46%);從糖苷鍵上看:既有α-(1→4)和β-(1→6)相連,也有α-(1→4)和α-(1→6)連接,還有以1∶1的β-(1→6)和β-(1→3)相連,此外還有1種多糖含有β和α兩種構(gòu)型,且單糖成分存在的巖藻糖由(1→2)和(1→6)相連,這些結(jié)構(gòu)及構(gòu)象體外檢測(cè)具有促進(jìn)脾細(xì)胞和巨細(xì)胞增殖的效果,呈現(xiàn)一定的免疫活性。Liu等[28]采用堿提法分離純化出的姬松茸水溶性多糖,由(1→6)-β-D-吡喃半乳糖基、(1→6)-β-D-吡喃葡萄糖基和(1→3,6)-β-D-吡喃葡萄糖組成主鏈,在(1→3,6)-β-L-吡喃葡萄糖基的O-3之上,由(1→)-β-L-阿拉伯呋喃糖苷和(1→)-β-D-吡喃葡萄糖組成側(cè)鏈。李曉等[15]利用水提醇沉法提取姬松茸粗多糖,并采用DEAE-纖維素離子交換法對(duì)姬松茸多糖進(jìn)行層析分級(jí),得到姬松茸酸性多糖級(jí)分(質(zhì)量分?jǐn)?shù):葡萄糖88.6%、半乳糖2.4%、甘露糖1.9%、鼠李糖1.0%、半乳糖醛酸0.5%、木糖1.9%、阿拉伯糖2.1%、巖藻糖1.6%),這些酸性多糖對(duì)大鼠具有一定的降血脂作用。姬松茸多糖的提取制備工藝對(duì)其相對(duì)分子質(zhì)量、單糖組成、單糖比例、糖苷鍵類型等影響顯著,因此姬松茸多糖的組成結(jié)構(gòu)與原料來(lái)源、提取工藝、純化手段等密切相關(guān)。

有關(guān)香菇多糖的化學(xué)修飾研究相對(duì)較多,主要有羧甲基化、硫酸化、硫酸酯化、磷酸化、硒(Se)修飾等,修飾后的香菇多糖具有抗病毒、抗炎、抗氧化、抑制腫瘤、增強(qiáng)免疫力等功效[29],但有關(guān)姬松茸多糖的化學(xué)修飾研究較少。磷酸化修飾姬松茸多糖對(duì)大腸桿菌和沙門氏菌具有一定的抑菌作用,且具有提升免疫力的作用[30]。硫酸酯修飾的多糖可抑制單純皰疹病毒和牛皰疹病毒,還可預(yù)防皰疹2型病毒感染生殖道,能抑制HSV-1和HSV-2的吸附、滲透和傳播,提高抗腫瘤活性[31-34]。為提高姬松茸多糖的活性功能,多從提取工藝及化學(xué)修飾兩方面著手研究。其中,特定的理化修飾會(huì)出現(xiàn)抗腫瘤、抗病毒性能減弱的現(xiàn)象,因此,并不是所有的結(jié)構(gòu)修飾都能增強(qiáng)其功效。

姬松茸多糖的主鏈構(gòu)成、相對(duì)分子量、多糖的一級(jí)結(jié)構(gòu)(單糖組成、糖苷鍵類型、連接方式及分支程度等)、高級(jí)結(jié)構(gòu)(空間構(gòu)象)及多糖的結(jié)構(gòu)修飾(理化修飾及生物修飾)是影響其功能特性的基礎(chǔ)因素。姬松茸多糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)與其功能特性存在一定的構(gòu)效關(guān)系,不同組成成分、結(jié)構(gòu)、連接方式及結(jié)構(gòu)修飾,其活性功能也不相同。姬松茸多糖的諸多組成結(jié)構(gòu)造就了其具有多種優(yōu)異的生物活性功能,比如抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)、降血糖、降血脂、抗炎、保肝等,且相應(yīng)的作用機(jī)理也被廣泛研究(見(jiàn)表2)。這些組成結(jié)構(gòu)及功能特性在開(kāi)發(fā)保健品和新藥方面具有重要的科學(xué)價(jià)值和臨床潛力。

表2 姬松茸多糖功能活性的作用機(jī)理

2 姬松茸多糖的提取

姬松茸多糖的提取工藝有熱水、稀酸、稀堿、酶法、有機(jī)溶劑法等,且普遍采用超聲、微波等作為輔助方式來(lái)提高多糖得率,但目前酶法提取姬松茸多糖得率相對(duì)較高,活性較好,也更高效。不同姬松茸多糖提取方法比較見(jiàn)表3。

表3 不同姬松茸多糖提取方法比較[44-51]

熱水浸提法是最常見(jiàn)的提取方法,其原理是通過(guò)熱作用使細(xì)胞質(zhì)壁分離,使水更容易進(jìn)入細(xì)胞促使多糖溶出,而稀酸稀堿雖然能夠快速提取多糖,但因容易引起糖苷鍵斷裂,多糖降解,提取率及活性低而應(yīng)用較少。劉瑋等[18]利用熱水浸提sevage法洗脫蛋白,再用85%醇沉、凍干后,得到姬松茸粗多糖中的總糖為83.47%,該工藝下的多糖具有一定的抗炎活性,與李曉等[15]的結(jié)果對(duì)比,不同工藝水提醇沉法得到的姬松茸多糖其功能特性并不一定相同。微波產(chǎn)生的熱效應(yīng)和高頻電磁波不影響多糖的官能團(tuán)但可以提高多糖提取率[49],當(dāng)姬松茸細(xì)胞吸收微波能量,胞內(nèi)溫度、壓力上升超過(guò)其承受負(fù)荷時(shí),細(xì)胞壁破裂從而釋放出多糖。超聲波的空化效應(yīng)、擊碎及熱效應(yīng)可以破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu),增強(qiáng)傳質(zhì)及擴(kuò)散能力,從而提高多糖提取率。付志英等[50]在80 W超聲波功率下提取得到的姬松茸粗多糖,其得率高達(dá)19.70%。王宏雨等[47]確定了超聲波循環(huán)萃取法的最佳工藝為提取溫度40 ℃,超聲功率600 W,投料比8%,提取時(shí)間20 min。李健等[48]研究發(fā)現(xiàn),微波協(xié)同堿法的最佳工藝條件為氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%、微波功率640 W、提取時(shí)間25 s、料液比1∶23 (g/mL),此條件下多糖提取率為13.20%。梁婷等[51]將粉碎的姬松茸子實(shí)體過(guò)篩,在640 W微波功率下提取8 min,對(duì)過(guò)濾后的提取液進(jìn)行濃縮干燥,其粗多糖得率達(dá)9.04%。但也有研究[52]表明,超聲引起的空化作用通過(guò)一定的溫度和剪切力來(lái)增加提取率,但同時(shí)也會(huì)改變多糖的結(jié)構(gòu)及其理化特性。王艷等[53]利用復(fù)合酶水解法(m果膠酶∶m纖維素酶∶m木瓜蛋白酶=140∶3∶400),在130 W的超聲功率下輔助提取20 min,獲得姬松茸粗多糖得率為14.51%。楊丹妮等[46]研究發(fā)現(xiàn),超聲波協(xié)同酶法的最佳工藝條件為料液比1∶35 (g/mL)、加酶量3.3%、pH 6.0、酶解—超聲溫度52 ℃、酶解—超聲時(shí)間50 min,此條件下姬松茸基質(zhì)多糖得率為30.76%,與預(yù)測(cè)得率接近。目前,姬松茸多糖主要是從姬松茸中提取,未有工業(yè)化合成,為保證成本低、提取率高、節(jié)能省時(shí)高效,需將超聲提取法、微波提取法和復(fù)合酶提取法等多種方法協(xié)同使用。

姬松茸多糖結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜,其化學(xué)成分、相對(duì)分子質(zhì)量、結(jié)構(gòu)及構(gòu)象對(duì)其生物功能及活性均有影響。姬松茸多糖的提取率與提取方式、提取工藝條件等息息相關(guān),為了提高姬松茸多糖得率,其提取研究也由單一的處理方式向復(fù)合的處理方式轉(zhuǎn)變,由單一酶處理向復(fù)合酶處理轉(zhuǎn)變,一方面彌補(bǔ)了單一提取方式提取時(shí)間長(zhǎng)、提取率低的不足,另一方面對(duì)姬松茸多糖活性也有一定的影響。目前,由于姬松茸多糖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,提取純化方面相對(duì)研究較少,能用于工業(yè)化生產(chǎn)的高效提取多糖的方法更是少之又少,提高姬松茸多糖的提取率、藥用活性成分純化與結(jié)構(gòu)鑒定成為阻礙多糖產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵短板。因此選擇適宜的提取技術(shù)及工藝,研究新的提取手段,在不破壞多糖結(jié)構(gòu)的同時(shí)提高提取率和純度的方法還需進(jìn)一步探索。

3 存在的問(wèn)題及展望

3.1 存在的問(wèn)題

姬松茸不僅味美,而且藥用價(jià)值較高,尤其是姬松茸多糖在抗癌防癌、增強(qiáng)免疫力及抗疲勞等方面效果顯著,且無(wú)毒副作用,因此以姬松茸為原材料,開(kāi)發(fā)醫(yī)用產(chǎn)品、保健品和功能性食品配料等具有良好的前景。但目前在姬松茸多糖功能特性及提取應(yīng)用方面還存在一定的問(wèn)題。

(1) 相關(guān)基礎(chǔ)理論研究不成熟不系統(tǒng)。一方面,姬松茸多糖受相對(duì)分子質(zhì)量、立體結(jié)構(gòu)等多種因素的影響而呈現(xiàn)多樣化的生理活性,而立體結(jié)構(gòu)、構(gòu)效關(guān)系、有效序列等理論方面的研究極為困難復(fù)雜,系統(tǒng)的理論研究及鑒定并不充實(shí)也不成熟。另一方面,姬松茸多糖作用機(jī)理不夠深入系統(tǒng),且多集中在體外或小白鼠試驗(yàn)階段,體內(nèi)吸收及作用機(jī)制研究不夠深入,大多還處于“可能是”的推斷階段。此外,缺乏相關(guān)的抑制特性及系統(tǒng)熱動(dòng)力學(xué)研究,不同條件下(溫度、濃度、pH、鹽、光等)姬松茸多糖的化學(xué)特性不明了,與典型食物成分(蛋白質(zhì)、脂肪、糖類等)的相互作用特性不清楚。

(2) 姬松茸多糖提取純化工藝條件不成熟或設(shè)備設(shè)施不完善。一方面,大部分提取純化工藝僅限于理論及實(shí)驗(yàn)室研究,未能真正適應(yīng)生產(chǎn)并形成規(guī)模,或是尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化流程,操作復(fù)雜,成本偏高。另一方面,姬松茸多糖提取對(duì)設(shè)備參數(shù)要求較為精密,相應(yīng)的設(shè)備欠缺或精密度不夠,導(dǎo)致提取物純度不夠,活性不高,故大多數(shù)僅能應(yīng)用于小型科研試驗(yàn),理論或?qū)嶒?yàn)室研究所得數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)所得提取率有一定的差距,離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用存在一定距離。

(3) 姬松茸育種及專種專用的研究程度不夠。一方面,育種工作量大、野生姬松茸菌株較為罕見(jiàn)導(dǎo)致種質(zhì)資源少、多糖高產(chǎn)菌種的定向育種技術(shù)缺乏等問(wèn)題難題突出。另一方面,定向培育高產(chǎn)量高活性專用品種,充分挖掘基于多糖的特異資源方面,許多亟待解決的問(wèn)題仍有待深入。此外,改良后的姬松茸種質(zhì)資源缺乏共享機(jī)制,菌種僅與親本開(kāi)展了縱向?qū)Ρ?缺乏橫向?qū)Ρ妊芯俊?/p>

3.2 展望

對(duì)姬松茸多糖的研究及利用仍處于發(fā)展階段,深入研究其作用機(jī)理,挖掘特異資源定向培育專用品種,開(kāi)發(fā)高效低耗降本的提取技術(shù),研發(fā)配套的高精尖設(shè)備設(shè)施或?qū)⑹俏磥?lái)研究重點(diǎn)。

(1) 加強(qiáng)基礎(chǔ)理論方面的研究。一方面,構(gòu)建相對(duì)分子質(zhì)量、空間結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)修飾與生理活性參數(shù)及成效等的系統(tǒng)數(shù)據(jù),如基于多糖精細(xì)結(jié)構(gòu),研究不同成分的靶器官、細(xì)胞信號(hào)通路,闡明多糖發(fā)揮活性功效的分子機(jī)制,探究其結(jié)構(gòu)特性與免疫功能、抗癌等生物活性的構(gòu)效關(guān)系,為多糖的提取純化及檢測(cè)提供基礎(chǔ)理論支撐。另一方面,全面、深入、系統(tǒng)地研究姬松茸多糖及修飾物,明確其在抗腫瘤、抗炎、免疫調(diào)節(jié)、降糖降壓等方面的作用機(jī)制,探索菌種、部位、菌齡及種植條件對(duì)活性功效的影響,為姬松茸食品、保健品和藥品的開(kāi)發(fā)提供相應(yīng)指導(dǎo)。此外,綜合運(yùn)用生物工程、分子生物學(xué)、遺傳學(xué)和代謝組學(xué)等生物技術(shù)手段,研究活性物質(zhì)形成機(jī)制、抑制或激活作用機(jī)理、代謝通路及系統(tǒng)熱動(dòng)力學(xué)等,為活性物質(zhì)累積、調(diào)控與應(yīng)用提供理論支撐。

(2) 系統(tǒng)探究提取的工藝條件,開(kāi)發(fā)或改良配套設(shè)備設(shè)施。一方面,構(gòu)建姬松茸多糖的成套技術(shù)資料,完備工藝條件的同時(shí),完善其功能特性的測(cè)定方法和盡可能地降低成本簡(jiǎn)化操作。另一方面,引入微波、酶法、超聲波、超臨界流體、超高壓及高壓脈沖電場(chǎng)等綠色輔助萃取技術(shù),開(kāi)發(fā)或改良相關(guān)提取及純化設(shè)備,提高設(shè)備精密度、安全性及可操作性、降低提取成本,使研究成果能夠順利轉(zhuǎn)化。此外,還可與企業(yè)實(shí)際情況相結(jié)合,將技術(shù)成果應(yīng)用于企業(yè)規(guī)模化生產(chǎn),以免研究成果局限于實(shí)驗(yàn)室。

(3) 定向培養(yǎng)高產(chǎn)菌株,專種專用。一方面,深入發(fā)掘特異的種質(zhì)資源,繁育專用種質(zhì),成立核心種源基因庫(kù),構(gòu)建姬松茸多糖有效的遺傳轉(zhuǎn)化系統(tǒng),利用基因組定位編輯技術(shù)來(lái)改良育種,為其專用種質(zhì)的繁育與優(yōu)選創(chuàng)制奠定基礎(chǔ)。另一方面,強(qiáng)化現(xiàn)代分子技術(shù)、分子生物學(xué)、遺傳學(xué)等交叉融合,靈活結(jié)合誘變育種技術(shù)(物理誘變、化學(xué)誘變、復(fù)合誘變等)與雜交育種技術(shù)(甚至是遠(yuǎn)緣雜交),以滿足研究及生產(chǎn)所需。此外,多渠道建立姬松茸優(yōu)良種質(zhì)交流共享平臺(tái)及種質(zhì)資源庫(kù),建立科學(xué)的管理辦法,促進(jìn)姬松茸多糖在育種上有所突破。

(4) 強(qiáng)化姬松茸多糖功能產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)利用?；诩扇锥嗵堑臉?gòu)效關(guān)系,聚焦精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng),開(kāi)發(fā)具有靶向性功能的食品、保健品或藥品,改變姬松茸產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)狀況,提高附加值。

后續(xù)研究需將姬松茸多糖的提取、分離、純化、活性研究、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與臨床應(yīng)用融為一體,建立更加科學(xué)合理的功效評(píng)價(jià)體系,為姬松茸多糖效能的發(fā)揮和應(yīng)用提供條件。隨著科技進(jìn)步,相關(guān)問(wèn)題期望得到解決或者改善,姬松茸將得到更加充分的開(kāi)發(fā)利用,釋放該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的巨大潛力。