甘薯多糖的提取工藝、生理功能及應用研究進展

喬漢楨,宋 爽,邵會敏,劉佳文,鄭曉婧,劉佳琪,黃 進,王金榮,*,管武太

(1.河南工業大學生物工程學院,河南鄭州 450000;2.華南農業大學動物科學學院,廣東廣州 530642)

甘薯,又名紅薯、白薯、地瓜或番薯,富含膳食纖維、維生素、氨基酸、礦物質、酚酸、花青素和β-胡蘿卜素等[1]。甘薯廣泛種植于世界各地的熱帶,亞熱帶和溫帶地區,中國甘薯資源非常豐富,種植面積和產量均位居世界第一。

多糖又稱多聚糖,是由10個以上單糖分子以糖苷鍵連接而成的大分子聚合物,分子量通常數萬甚至高達百萬[2]。多糖廣泛存在于自然界植物體中,是機體生命活動所必須的活性物質并維持著機體的正常生理機能,常見的植物多糖包括多聚糖、果膠、半纖維素等,目前自然界中已發現300余種天然多糖[3]。甘薯多糖是從甘薯中分離提取的具有生物活性的高分子碳水化合物,為甘薯的有效活性成分之一,在抗氧化、抗疲勞、抗腫瘤、抗炎、抗細菌感染、降血糖血脂、免疫調節和腸道微生態調節等方面具有顯著功效[4-6]。目前甘薯多糖的研究主要集中在物化特性以及食品加工等方面,其在人與動物營養保健領域的應用受到越來越多的關注。

本文將重點從甘薯多糖的提取工藝、生理功能及其應用進行綜述,為甘薯多糖的深入研究和開發應用提供參考。

1 甘薯多糖的提取工藝

不同提取工藝制備的多糖,其化學組成、結構形貌和生物活性等均會有所差異,進而會導致其物化特性、生理功能及其應用上的差異。目前,多糖的提取方法主要包括水浸提法、酶法和微波提取法等傳統方法,以及超聲波輔助熱水浸提法[7-9]、緩凍協同微波結合熱水浸提法[10-11]等新型聯合提取方法。

1.1 水浸提法

水浸提法是利用對植物組織具有較強穿透能力的水作溶劑提取多糖的方法,此法比較溫和,能夠保持多糖原有的結構特征[12],并加速多糖的擴散速率,提高多糖的提取率,具有操作簡單和安全經濟的特點。但熱水浸提法多采用乙醇沉淀多糖,且乙醇使用量較大,成本較高,因此不適合工業化生產。此外,浸提溫度、提取時間、提取次數、pH等諸多因素均可影響熱水浸提法的多糖得率。陳慶華等[12]采用水浸提法制備甘薯根莖多糖,當浸提溫度為80 ℃,料液比為1∶30,提取三次,每次45 min時,甘薯多糖的得率最高為4.75%。全桂靜等[13]通過正交試驗優化熱水浸提法提取甘薯多糖工藝,并確定最佳提取條件為料液比1∶20,反應溫度65 ℃,浸提時間2.5 h,此時甘薯粗多糖得率為31.34%。林娟等[14]通過水提醇沉法提取甘薯多糖也得到了類似的結果,經正交試驗優化提取工藝后多糖得率最高可達26.71%,較原始提升71.73%。通常水浸提法的提取溫度控制在60～90 ℃,提取時間控制在2～6 h,以保證多糖的提取率和結構的完整性。

1.2 酶法

酶法是在溫和的條件下,利用多種酶去除原料中的淀粉、蛋白質、脂肪等非多糖物質來制備多糖的方法,具有產物純度高、高效節能、環境友好的特點[2],通常與熱水浸提法協同使用[15]。吳遠耀等[16]利用酶法提取紫薯多糖,當木聚糖酶添加量為0.25%,反應溫度為55 ℃下,酶解時間為60 min時多糖得率最高,且在體外具有清除·OH能力和抗氧化作用。付宏媛等[17]利用纖維素酶水解甘薯細胞壁來提高多糖提取率,在溫度為30 ℃,酶添加量為0.04%,水解1.5 h時,多糖提取率最高為5.55%。然而,酶成本較高,易受反應溫度、pH等因素影響,酶解制備多糖過程中需要精準控制反應條件。若大規模生產,需控制酶的添加量,并在酶解終止時將酶徹底滅活。

1.3 微波提取法

微波提取法具有穿透力強,提取效率高,能耗低等特點[18],通過微波的快速熱效應可加速細胞壁破裂,提高多糖得率。袁菊麗等[19]采用微波提取法提取紅芪總多糖,在料液比為1∶15 g/mL,微波功率231 W下提取15 min,多糖提取率最高為3.52%。Ren等[18]在微波功率為547 W,溫度為80 ℃,料液比為1∶27 g/mL的最佳條件下提取23 min,此時鼠尾藻多糖得率為2.84%,且表現出強烈的抗氧化性和葡糖苷酶抑制活性。然而,微波提取法對物料的吸水性要求較高,設備可操作性差,產品純度相對較低,通常與酶法、水提法等協同使用。

由于傳統提取方法形式單一,多糖提取效果有限,不適于工業化生產,目前生產上多采用聯合提取工藝制備多糖,以提高多糖的提取率,降低生產成本。

1.4 超聲波輔助熱水浸提法

超聲波處理是提取天然產物活性物質的常用技術,通過超聲波的高頻振動與細胞振動不協調而造成細胞周圍壓力的極大變化,致使植物細胞破裂,從而提高多糖的提取率[15]。李利華[8]采用正交試驗對超聲波輔助熱水提取甘薯多糖的工藝進行了優化,當料液比為1∶25 g/mL、提取時間為60 min、超聲功率為350 W時,多糖提取率最高,為32.22%,相比傳統提取法時間縮短1～5 h,且多糖得率高于傳統提取方法(4.75%～31.34%)。林茹等[9]采用超聲波輔助熱水提取甘薯多糖也得到類似結果,當料液比為1∶6 g/mL,提取溫度為70 ℃,提取時間為45 min,提取3次后多糖得率最高為23.68%。李翔等[7]利用超聲輔助水提法提取紫薯多糖,研究表明在料液比1∶8 g/mL、超聲功率240 W,提取60 min的條件下多糖得率為5.52%,且純化后兩種多糖組分純度分別為83.9%和92.45%。超聲輔助提取具有省時、高效、耗能小和萃取得率高等優點[8],通過輔助熱水浸提法能有效提高多糖的得率。

1.5 緩凍協同微波輔助提取

緩凍是細胞中的水在低溫(-4～-20 ℃)下緩慢凍結并形成少量凍核,之后產生較粗大的冰晶,從而破壞細胞組織的方法,常協同微波、熱水浸提法同等方法提取多糖[10]。李超柱等[10]采用緩凍協同微波聯合熱水浸提甘薯多糖,研究表明在-20 ℃緩凍20 h、80 ℃浸提2 h、微波處理4 min、料水比1∶15、微波功率400 W的最佳工藝下多糖提取率最高為26.6%。張琰等[11]用此法提取玉米須多糖,在-20 ℃緩凍25 h,料液比1∶8,90 ℃下微波2 h,提取率最高為1.02%。目前,緩凍通常作為原料的預處理手段,輔以微波或水浸提法來制備多糖,具有安全、便于操作等優點,但不同來源原料其多糖提取率差異較大。

2 甘薯多糖的生理功能

2.1 抗氧化作用

2.1.1 清除·OH的能力 ·OH是活性氧中反應速度快、對機體危害最大的自由基,可導致細胞損傷或死亡[20]。李利華[8]通過檢測甘薯多糖對·OH的清除作用研究其抗氧化活性,結果表明甘薯多糖對·OH清除率為51.12%,具有較好的抗氧化活性。全桂靜等[13]也得到類似的研究結果,發現甘薯多糖具有·OH清除能力,當甘薯多糖的質量濃度為300 mg/L時,對·OH的清除率最高,為62.3%。甘薯多糖可有效清除·OH自由基,且其清除能力與多糖濃度(30～300 mg/L)存在正相關量效關系。

2.1.3 清除DPPH·的能力 DPPH·(1,1-二苯基-2-苦基苯肼)是一種很穩定的自由基,常用于體外抗氧化能力評價[22]。李翔等[7]發現純化的紫薯多糖具有較好的抗氧化性和清除自由基的能力,當多糖濃度為0.3 mg/mL時,紫薯多糖Ⅰ、Ⅱ組分對DPPH·的清除率分別達到47.9%和0.6%。Wu等[24]從紫薯中分離出三種多糖PSPP 1、PSPP 2和PSPP 3,通過對三種多糖的抗氧化活性進行研究,發現紫薯多糖具有清除DPPH·,螯合亞鐵離子和還原能力,其中PSPP 2表現出最強的抗氧化性,說明多糖是一種體外抗氧化劑。甘薯多糖可有效清除DPPH·,且其清除能力與多糖濃度呈一定的量效關系,濃度越大(50～600 mg/L),抗氧化性越強。

2.2 抗疲勞作用

疲勞是指機體因過量活動使得體能消耗加大而導致身體機能暫時性降低的現象,往往伴隨頭昏頭疼、記憶力減退、內分泌紊亂等多種癥狀,已經成為危害人類身心健康的主要因素之一[28]。趙婧等[26]通過將紫心甘薯多糖PPSP(Polysaccharide of purple sweet potato,PPSP)和白肉普通甘薯多糖(Polysaccharide from general sweet potato,PGSP)飼喂ICR雄性小鼠來探討甘薯多糖的抗疲勞活性及其機制,結果表明紫心甘薯多糖能使運動后肝糖原、肌糖原含量分別提高30.9%和40.7%(P<0.05),肝組織SOD酶活力提高14.8%(P<0.05),丙二醛(MDA)生成量降低20.2%(P<0.05),表明甘薯多糖具有抗疲勞功效,且紫心甘薯多糖抗疲勞活性明顯優于普通甘薯多糖。李靖文等[27]的研究也有類似結果,發現連續灌胃小鼠30 d紫薯水提液后,其負重游泳時間、耐寒能力和肝糖原貯量分別提升了29.5%、46.8%和34.8%(P<0.05),血清中尿素氮和乳酸含量分別降低約4.0%和44.4%(P<0.05),表明甘薯多糖具有較好的抗疲勞功效。人體高強度訓練后同樣會有疲勞產生,人體攝取甘薯多糖能否緩解疲勞尚有待進一步在體研究。

2.3 抗腫瘤作用

大多天然來源的多糖具有抗腫瘤活性,且與合成化合物相比無顯著副作用,因此研發具有抗腫瘤特性和低毒性的多糖已成為當前抗癌策略之一[28]。趙國華等[29]將B16黑色素瘤細胞或Lewis肺癌細胞瘤塊稀釋制成細胞懸液接種C57BL/6小鼠后,每天給予三種不同劑量(低、中、高劑量組分別為50、150和250 mg/kg)的甘薯多糖SPPS-Ⅰ-Fr-Ⅱ,通過檢測腫瘤抑制率評價甘薯多糖的抗腫瘤活性,結果表明SPPS-Ⅰ-Fr-Ⅱ可以強烈抑制移植性黑色素B16和Lewis肺癌的病發率。趙婧等[26]分離得到4種紫心甘薯多糖組分(PPSP Ⅰ、PPSP Ⅱ、PPSP Ⅲ和PPSP Ⅳ)并通過MTT法檢測各多糖組分對腫瘤細胞的體外抑制活性,結果表明PPSP Ⅱ、PPSP Ⅲ組分對Hela和HepG2腫瘤細胞具有一定的體外抑制作用。Wu等[24]從紫甘薯中分離出PPSP 1-1、PPSP 2-1和PPSP 3-1三種多糖,發現三種多糖均具有針對SGC7901和SW620細胞的抗腫瘤活性,且PPSP 1-1可誘導SGC7901和SW620細胞凋亡,表明紫薯多糖是潛在的抗腫瘤劑。

2.4 免疫調節作用

免疫系統可以抵御外來細菌、病毒等的侵入,維持機體內環境的穩態。多糖可通過促進白細胞介素、干擾素和抗體的生成,激活巨噬細胞、T和B淋巴細胞,進而促進淋巴細胞的增殖,增強機體特異性和非特異性免疫力,改善宿主對病原體的防御[30-31]。Tang等[4]研究甘薯多糖對脂多糖(LPS)處理的RAW264.7巨噬細胞的免疫調節作用,發現從紫薯中提取的三種PSPPs[紫甘薯水溶性多糖(WSP)、稀堿溶性多糖(DASP)和濃堿溶性多糖(CASP)]均有免疫調節功能,三種PSPPs可以抑制異常的吞噬作用以及TNF-α和IL-6的過量產生。此外,三種PSPPs對RAW264.7巨噬細胞均無細胞毒性,并可恢復由LPS引起的異常形態,降低LPS處理細胞的凋亡率,激活巨噬細胞,增強吞噬活性;WSP可以促進正常和免疫抑制小鼠中IgA、IgG、IgM和sIgA的分泌,CASP也可改善正常和免疫抑制小鼠中IgM的產生。此外,三種PSPPs均可刺激巨噬細胞的免疫反應,并通過增強小鼠免疫球蛋白的產生正調節適應性免疫[32]。

2.5 抗炎作用

炎癥是身體的一種生理反應,可以保護宿主免受細菌感染,傷害性刺激等非生物和生物因素引發的傷害,可增加癌癥、心血管等多種疾病的發病率,國內外已有研究證明天然多糖具有抗炎作用[33]。Chen等[33]對紫甘薯中提取的稀堿溶性多糖(ASPP)的抗炎作用進行研究,結果顯示ASPP可抑制LPS處理的RAW264.7巨噬細胞中NO、促炎因子如白細胞介素(IL-6)和TNF-α的水平,提升了抗炎因子IL-10的表達,可能是由于多糖可通過促進細胞因子生成,抑制趨化因子表達,活化T細胞和降低毛細血管通透性等方式來實現抗炎作用[39]。此外ASPP可以減少LPS處理的小鼠中IL-6、IL-1β和TNF-α的分泌,進一步表明ASPP具有較好的抗炎作用,可以作為一種新型抗炎劑開發應用。

2.6 降血糖作用

血糖含量的調節是通過胰島素以及糖原的分解和合成實現的。人體血糖、血脂含量在正常情況下保持動態平衡,一旦平衡失調將會誘發糖尿病等多種心血管疾病,因此維持血糖血脂含量在正常的范圍內對于預防此類疾病具有重大意義[35]。

高秋萍[36]通過將低、中、高劑量(100、200和400 mg/kg)的紫心甘薯多糖PPSP分別給藥糖尿病大鼠,研究不同劑量PPSP對糖尿病大鼠體重、飲水量、甘油三酯(TG)和MDA等指標的影響,結果表明中劑量PPSP(200 mg/kg)給藥三周，降血糖、抗氧化效果最好,可能與多糖參與調節肝糖原代謝及其抗氧化作用有關,并在一定范圍內具有劑量效應。此外,PPSP還可降低大鼠高水平的TG,表明PPSP具有一定的降血糖、調血脂作用,可輔助治療糖尿病。

2.7 抗菌作用

多糖可通過直接抑菌或提高機體免疫力,發揮抗菌作用[42]。有研究表明甘薯葉多糖在偏酸性條件下具有較強穩定的抗菌作用,能顯著增加食品的營養價值且不易受強熱的影響[38]。徐龍權等[39]通過測定抑菌圈直徑和最低抑菌濃度來評定多糖的抑菌活性,結果表明從不同來源甘薯莖葉中提取的多糖均有抑菌活性,且多糖抑制細菌的能力強于霉菌,復合多糖的抑菌效果以及抗氧化性優于單一多糖。

2.8 腸道菌群調節作用

機體腸道內寄居著種類繁多、數量巨大的腸道菌群,各菌群之間相互依存和制約,形成微生態平衡系統。膳食纖維和植物多糖可以塑造腸道菌群,增加腸道微生物菌群的多樣性,改善動物體內有益微生物的生存環境,調節并維護腸道健康[40]。Tang[41]從紫薯中提取了WSP、DASP和CASP三種多糖,通過研究三種多糖對環磷酰胺(CTX)處理小鼠的免疫功能及腸道菌群結構的影響,發現PSPPs可以提升血清中免疫細胞因子(IL-2和IL-6)的濃度,增強CTX誘導的免疫抑制小鼠血清中IL-2和TNF-α的水平。然而,補充單一類型的多糖可能會引起腸道微生物群的劇烈變化,添加低聚糖和膳食纖維的組合則有助于維持腸道微生態系統的穩定性[47]。

3 甘薯多糖的開發應用

近年來,多糖由于其高效和無毒副作用而在化妝品、藥品、食品和藥理學領域受到越來越多的關注。同時較多研究發現植物來源的多糖具有調節免疫系統功能的作用,并已作為免疫增強佐劑應用于人類或動物[43]。

3.1 飼料生產的應用

植物多糖具有促進動物生長、安全無毒副作用的特點,并且用量少、效果顯著,已逐步應用于動物生產中。黃蔑多糖[44]能夠顯著提高獺兔(實驗組分別添加黃蔑多糖0.5%、1%和1.5%,各實驗組平均日增重較對照組提高20%～40%)、仔豬(實驗組黃蔑多糖添加1%,相比對照組平均日增重高89 g/d)和肉仔雞(實驗組黃蔑多糖添加1%,相比對照組平均日增重高1.8 g/d)的日增重,效果優于抗生素。此外,植物多糖可以作為免疫增強劑和生長促進劑以增加水產動物的免疫力,加快生長[43]。Vidhya等[45]闡明海藻多糖作為促進水生動物生長和抗病性的膳食補充劑和生物控制劑,用于開發無病的健康水生動物。海藻多糖通過刺激腸道中存在的有益細菌發揮促進生長、抗氧化、免疫調節和抗病原體進入的活性,對宿主產生有效影響。對于推動綠色養殖業的發展有著極其重要的意義。目前甘薯多糖在動物生產中的應用研究相對較少,隨著研究的不斷深入,甘薯多糖作為飼料添加劑應用于動物營養與保健領域將會得到越來越多的認可。

3.2 醫療衛生領域

植物多糖具有來源廣泛,細胞毒性低,生物活性強的特點。植物多糖在醫藥領域可開發成多糖疫苗,用于制備人工血液、藥物緩釋劑、人工皮膚或醫用透析膜,增強疫苗效果[46],如肺炎球菌多糖疫苗(PPSV23)可以用來預防成人肺炎球菌疾病。多糖是潛在的天然抗氧化劑和抗腫瘤劑,能夠作為抗癌輔助藥,以溫和、非侵入性的治療形式預防轉移性腫瘤。此外,植物多糖還具有抗氧化、修復皮膚、吸濕保濕、抗紫外線、美白等功效[47]。Kanlayavattanakul等[48]評估了0.2%錦葵堅果多糖對人類志愿者皮膚水合作用的安全性和有效性,研究表明錦葵堅果多糖的皮膚保濕效果與藻類相當,這可能與天然衍生分子多糖在水性條件下可水合形成凝膠結構有關,富含多糖的植物提取物能賦予皮膚保濕效果。由此可見,多糖在化妝品工業中具有作為皮膚保濕產品關鍵成分的潛力,可用于皮膚水化產品的開發,甘薯多糖在醫療衛生領域的應用有待深入研究。

3.3 保健食品行業

目前市面可見的添加甘薯多糖的保健產品有甘薯保健酒、發酵甘薯飲料、甘薯葉保健茶、甘薯酸奶制品等[49],用于預防,支持或治愈多種疾病的食品補充劑。此外,灰樹花菌多糖已經開發成幾種專利保健產品和用于癌癥和糖尿病的藥物[50]。甘薯多糖的功能性產品還有待于進一步研究與開發。

4 展望

甘薯多糖具有抗氧化、抗衰老、抗菌、降血糖等多種生理活性,具有廣闊的市場前景和經濟價值。我國甘薯資源豐富,為甘薯多糖的工業化開發提供了堅實的物質基礎。甘薯多糖的高效提取是甘薯多糖產業化的基礎,目前已有多種工藝手段在甘薯多糖制備過程中發揮重要作用,推動了甘薯多糖產業化的發展。但甘薯多糖的產業化開發仍面臨著提純制備工藝不夠高效,生物活性及其作用機制不夠明確,復配應用缺乏動物試驗研究等問題,制約著甘薯多糖的應用與推廣。因此,建立穩定高效的純化工藝、闡明多糖的生物活性作用機制以及解析甘薯多糖的構效關系等對指導甘薯多糖的生產應用起到積極的推動作用。