植物多糖的研究进展

植物多糖的研究进展【摘要】多糖又称多聚糖，是由单糖缩合成的多聚物，广泛分布于自然界中，是一类重要的活性物质。从20世纪50年代对真菌多糖抗癌效果的发现以来，人们开始了对多糖的化学、物理、生物学系列的研究。目前已有报道的天然多糖化合物约有300多种，广泛存在于植物、动物和微生物组织中。近年来，由于植物多糖具有免疫调节、抗肿瘤、抗衰老、降血糖等多种生物活性、毒副作用小和不易造成残留等优点[1-2]，对植物多糖的研究呈现逐渐增多的趋势。中国幅员辽阔，自然条件复杂，孕育着丰富的植物资源，为开发利用植物多糖奠定了深厚的物质基础。目前，对植物多糖的研究多集中在药理作用等方面，而对植物多糖进一步的分离纯化、结构测定、结构和功能关系及在食品、农业、工业方面的开发应用等研究工作较少。笔者参阅了部分资料，对植物多糖的结构、提取方法、药理作用及在保健品、食品、农业等领域的应用作一简要综述，旨在为今后中国植物多糖的综合利用和开发奠定技术和理论基础。【关键词】多糖；功能；提取纯化1植物多糖的组成和结构多糖是由超过10个以上、通常由几百甚至几千个单糖分子聚合而成的一类化合物。由醛糖或酮糖通过糖苷键连接而成，糖苷键分为α型和β型2种。植物多糖的糖链结合以β-1,3或β-1,6键为主，有的多糖还带有分支，带有分支链的多糖具有抗肿瘤活性。而α型连接的多糖生理活性较弱。但有研究表明[3]，α型连接的多糖也具有较强的抗肿瘤活性。多糖与蛋白质一样具有一、二、三、四级结构。一级结构是指糖基的组成，糖基排列顺序，相邻糖基的连接方式，异头碳构型以及糖链有无分支，分支的位置与长短等。二级结构是指多糖主链间以氢键为主要次级键而形成的有规则的构象。三级和四级结构是指以二级结构为基础，由于糖单位之间的非共价相互作用，导致二级结构在有序的空间里产生的有规则的构象。研究表明，同是β-1,3连接的多糖即使其一级结构完全相同，但由于二级和三级结构不同，其生理活性差异也很大[4-5]。因此，多糖的活性与其高级结构密切相关。2多糖提取纯化方法的研究进展2.1植物多糖的提取方法2.1.1水煎煮法水煎煮法是多糖提取的传统方法,是用水作为溶剂煎煮提取多糖。因为多糖在冷水中溶解度较低,一般要在70-90热水中回流提取2~3h,将提取液真空浓缩后加入乙醇将多糖析出。目前多数国内文献采用水煎煮法提取多糖,如盛家荣等[6]采用此法从板蓝根中提取多糖,李志洲等[7]采用该法提取大枣多糖。该法具有设备简单、操作方便、适用面广等优点。但是这种方法也存在操作时间长,收率低,并需多次反复操作,能耗较高等缺点。黄琳娟等人研究枸杞多糖时,采用水提法先浸泡24h,过滤后残渣再用水浸泡6h,操作周期过长[8]。2.1.2酶法提取酶技术近年来广泛应用到有效成份提取中的一项生物技术,使用酶可降低提取条件,在比较温和的条件下分解植物组织,加速有效成分的释放或提取。此外,使用酶还可分解提取液中淀粉、果胶、蛋白质等非目的产物。此法可使后续的浓缩和脱蛋白工艺更简易、省时,粗多糖的纯度更高。但会提高生产成本,对提取条件要求较高。杨云[9]等人采用的单酶法和复合酶法提取大枣多糖,单酶法提取多糖含量最高可达44.69%,而复合酶法多糖最高含量可达68.13%。2.1.3超声法提取超声法利用超声波对细胞组织的破碎作用来提高多糖浸出率的,具有快速、安全、简便、成本低、多糖提取率高,成分又不被破坏等优点,但对提取设备要求较高。杨云[10]、李小平[11]等采用超声提取大枣多糖,李夏兰[12]等采用超声法提取芥菜多糖。研究表明,超声法与传统的热水浸提法相比,多糖提取率高,并有效地缩短了提取周期,提高了产品质量。2.1.4超临界萃取法根据某些气体在超临界状态下具有特殊的液相性质,对一些组分有较好的溶解性,用来提取目的产物。一般采用CO2超临界萃取多糖组分。廖周坤等人采用超临界CO2萃取技术对藏药雪灵芝中多糖进行提取。结果表明,采用不同极性夹带剂的超临界CO2萃取与传统溶剂萃取工艺相比,多糖收率可提高至1.62倍[13]。这种方法对物质的生物活性保存较好,但成本较高,大多用于价值较高的多糖的提取。新型高效的提取分离方法,不仅可以极大地缩短操作周期,而且可提高收率,应用前景广泛;对新技术的作用机理及模型应当作进一步的研究,从而为工业化放大提供依据。在应用新技术的同时,其负效应也不容忽视,如酶法降解副产物对提取的影响;超声波的凝聚作用以及热点作用下多糖的降解问题等。2.2植物多糖的纯化方法活性多糖的分离纯化是指获得粗的活性多糖后,除去共存杂质,得到纯度较高多糖产品。分离纯化的方法很多,一般随多糖组成的不同而有所区别。2.2.1透析法透析法是利用一定孔目的膜,使无机盐或小分子糖透过,而将大分子的多糖截留下来从而达到纯化多糖的目的。此法的关键是要选择孔目合适的透析膜。纤维膜孔径为2~3nm,可使单糖分子通过,分离效果较好,透析时常需要多次换水,溶液的pH值维持在6.0~6.5范围内。2.2.2分级沉淀法一般的单糖和小分子糖是溶于乙醇的,而分子较大的多糖在乙醇中的溶解度较低,因此,根据多糖聚合度和分子量的不同,在低级醇或低级酮中的溶解度不同,一般随着聚合度和分子量增大在醇中的溶解度逐步降低。根据这一性质,在浓缩后的多糖溶液中,分批按比例由小到大加入这些醇,使溶液中含醇量渐增,进行分级沉淀。分取各次析出的沉淀,可以粗略得到分子量不同的多糖。采用此法纯化多糖时,一般应将溶液的pH值调到7.0附近,此时多糖的性质较稳定。这种方法适于分离溶解度相差较大的多糖。除了改变溶剂的组成外,也可利用热的糖溶液逐步冷却,或逐步添加无机盐,如硫酸铵等进行盐析。由于多糖的分子量范围广,有共沉淀现象,此法只能作为多糖的粗略分离方法,实际应用时还需结合其他纯化方法。凝胶柱层析法凝胶柱层析法主要是根据多糖分子的大小和形状不同而达到分离目的。但溶液流经多孔性凝胶柱时,小分子已扩散入孔中,各溶质依分子量大小顺序依次流出。此方法快速、简单、条件温和。常用的凝胶有葡聚糖凝胶(Sephadex)和琼脂糖凝胶(Sepharose),以不同浓度的盐溶液和缓冲溶液作为洗脱剂。此法还可进行多糖相对分子量的测定。2.2.3纤维素柱层析法纤维素阴离子交换剂柱层析对多糖的分离是利用pH6时,酸性多糖能吸附于交换剂上,中性多糖不吸附,用pH相同离子强度不同的缓冲液将酸性强弱不同的酸性多糖分别洗脱出来。常用的阴离子交换纤维素有DEAE-纤维素和ECTEOLA纤维素。张兰杰等就采用DEAE-纤维素柱分离北五味子多糖,分别得到了白色结晶和黄色粉末两种多糖产物。2.2.4离子交换树脂法将阴离子交换树脂用碱进行预处理,其可以选择性的吸附还原糖,部分吸附蔗糖,用NaCl溶液进行洗脱,常用的强碱性阴离子交换树脂是Dowex-1。而阳离子交换树脂可对酸性和中性多糖进行较好的分离。尚红伟[14]采用弱碱性离子交换树脂纯化大枣多糖,其产品含量达39.4%。此法具有产物纯度高,污染小的优点,但此法具有洗脱体积大,后处理麻烦等缺点。2.2.5季铵盐沉淀法采用阳离子型清洁剂,例如在十六烷基三甲铵溴化物中依次加入不同pH的多糖水溶液,就可以在酸性、中性、碱性的溶液中分步沉淀出多糖。根据沉淀物的性质,可分别采用下述三类方法将多糖从沉淀物中游离出来:(1)沉淀溶于无机盐溶液。将沉淀物放入NaCl溶液中溶解,向溶液中加入乙醇使多糖再次沉淀析出;(2)沉淀溶于有机溶剂。将沉淀溶于乙醇,向溶液中加入无机盐,此时多糖生成盐沉淀下来,再加入强酸使多糖变为游离态;(3)沉淀不溶于盐和有机溶剂。将沉淀放入无机盐的醇饱和溶液,振荡,用乙醇洗涤沉淀,再加酸将糖游离出来。李红艳等就采用此法对大枣多糖的粗品进行纯化,得到酸性多糖纯度为53.76%,中性多糖纯度为57.4%。3药理作用3.1免疫调节的作用研究发现，植物多糖最重要的药理作用为免疫促进作用。黄芪多糖可从多层面发挥免疫增强作用[15-17]：（1）可直接影响细胞内的物质代谢，诱导机体细胞产生相关的体液因子；（2）不仅能增强机体的特异性免疫，而且还能增强机体的非特异性免疫；（3）既可增强正常机体的免疫功能，又可调节异常机体的免疫功能。牛膝多糖具有明显的增强机体免疫功能作用，能升高血清溶血素和脾脏内抗体形成细胞束，提高血清免疫球蛋白IgG水平，激活网状内皮系统的吞噬功能，激活巨噬细胞促进TNF和IL-2的生长，促进淋巴细胞的增殖[18]。淫羊藿多糖能提高免疫系统组织细胞的活性，具有双向免疫调节功效，使机体紊乱的免疫状态恢复正常，促进抗体生成，提高小鼠淋巴细胞转化率和腹腔巨噬细胞吞噬率[19]。蕨麻多糖能提高正常小鼠和免疫抑制小鼠脾脏指数，表明该多糖体内注射能促进免疫抑制小鼠脾脏和胸腺淋巴细胞的增殖，可对抗环磷酰胺引起的免疫抑制[20]。3.2抗肿瘤多糖通过活化巨噬细胞，活化淋巴细胞，促进细胞因子分泌，活化补体而提高宿主抗肿瘤免疫功能，通过影响肿瘤细胞膜生化、抗自由基、诱导肿瘤细胞分化与凋亡，影响肿瘤细胞超微结构而发挥直接的抗肿瘤作用。香菇多糖能恢复或加强宿主对淋巴细胞、激素及其它生物活性因子的反应，通过刺激免疫活性细胞的成熟、分化和繁殖，使机体的淋巴细胞大量增加；它又能激活补体系统的经典途径或变更途径，增加巨噬细胞非特异性细胞毒，并增加中性粒细胞对肿瘤节的侵润，促使宿主因癌症及感染而引起的体内平衡失调的恢复[21]。芦荟多糖能激活巨噬细胞，增加一氧化氮（NO）的合成，刺激巨噬细胞表面分子的表达，具有抗肿瘤作用，而且与化疗药物合用时，均有不同程度的减毒增效作用，且可显著提高荷瘤鼠血清中IL-2、TNF含量[22]。枸杞多糖可提高荷H22瘤小鼠的T淋巴细胞转化能力和人体自然杀伤细胞（NK细胞）活性，提示其抗肿瘤作用可能是通过增强荷瘤小鼠免疫功能间接实现的[23]。3.3抗衰老现代研究认为，植物多糖的抗衰老作用主要涉及以下四个方面：加强DNA的复制与合成，提供必须的微量元素与营养来延长动物的生长期，提高动物对非特异性刺激的抵抗能力以达到强壮作用；调节蛋白质和核酸、糖和脂质代谢；抗脂质过氧化与抑制脂褐质作用；提高机体超氧化物歧化酶（SOD）活力，清除机体内脂质过氧化物（LPO）和丙二醛（MDA），抑制MAOB的作用，以抗衰老[24]。枸杞多糖可明显降低衰老大鼠羰基蛋白含量，增加谷胱甘肽含量和增强谷胱甘肽活性，通过降低蛋白质氧化损伤而发挥抗衰老的作用[25]。此外，芦荟多糖、野甘草多糖、南沙参多糖、牛膝多糖、螺旋藻多糖、山茱萸多糖、玉竹多糖、紫菜多糖、木耳多糖、天门冬多糖、沙棘多糖、板蓝根多糖都具有一定程度的清除自由基及延缓衰老的作用[26-27]。3.4其他作用此外，植物多糖还具有抗炎、抗菌、抗病毒、抗寄生虫、抗辐射、降血脂、降血糖、抗感染、抗消化性溃疡、抗凝血及清除体内外氧自由基等作用[28]。4植物多糖的应用4.1在保健食品方面的应用活性多糖小剂量可防病健身，是增强免疫力、延缓衰老的佳品。所以可将植物多糖作为重要的保健品进行开发。近年来已有灵芝多糖、香菇多糖、甘草多糖、枸杞多糖等被用来开发了多种保健品，取得了较好的效果[29]。在工业化生产中，可直接制成高浓度的多糖粗提液，然后进一步加工制成饮料、口服液，或作为营养强化剂直接加入食品中作为特殊人群的保健食品，使之由药品向功能性食品转化。4.2在畜牧生产中的应用植物多糖具有“prebiotic”益生元的特性，能促进动物体内有益菌生长，而对有害菌起抑制作用，能起到调节动物肠道菌群的效果，是一种有效的益生协同剂，例如黄芪多糖和益生菌组成合生元，能协同作用提高雏鸡机体免疫水平[30]。研究发现，在仔猪日粮中添加300mg/kg香菇多糖能够显著提高日增重和采食量，并且生产激素（GH）、三碘甲腺原氨酸（T3）水平显著提高，皮质醇水平显著下降，仔猪生产性能得到改善[31]。黄芪多糖既能促进哺乳仔猪、断奶仔猪免疫系统的免疫功能，增强机体的抗病力，又能降低哺乳仔猪“三痢”、断奶仔猪腹泻的发病率[32]。不同浓度淫羊藿多糖能显著提高雏鸡淋巴细胞转化率、中性粒细胞吞噬力、A