生姜多糖提取及其功能活性研究現狀

趙二勞，劉樂，徐未芳，楊潔，范建鳳，趙三虎

(忻州師范學院 化學系，山西 忻州 034000)

生姜(ZingiberofficinaleRoscoe)為姜科植物姜的根莖，又名姜、百辣云等，藥食同源，在我國資源豐富[1-2]。作為常用中藥，其味辛，性微溫，歸肺、脾、胃經，具有解表散寒、溫中止嘔、化痰止咳之功效[3]，常用于脾胃虛寒、食欲減退、惡心嘔吐、感冒風寒、惡風發熱等癥。 作為常用調味佳品，可去腥除膩，增加鮮味，提高菜肴風味[4]。科學研究表明[5-7]，生姜中含有多種功能活性成分，多糖是生姜中主要功能活性成分之一，在醫藥、衛生、食品、調味品和化妝品等領域具有廣泛的開發價值和應用前景。研究生姜中多糖的提取及其功能活性，有助于生姜由粗放型應用走向精細化應用，由低質化應用向高值化綜合開發應用發展。目前，有關生姜多糖提取及其功能活性的研究我國已有一些報道，但尚未有研究總結。為此，本文梳理概述了我國生姜多糖提取及其功能活性研究現狀，并展望了其研究方向，為生姜多糖進一步研究開發利用提供了參考與借鑒。

1 生姜多糖提取工藝研究現狀

提取技術直接影響多糖的提取效率、純度及其活性，研究生姜多糖的提取對生姜多糖開發利用有重要的實際意義。從植物中提取多糖的方法有多種[8-9]，但目前國內有關生姜多糖的提取方法主要有熱水浸提、酶輔助提取、微波輔助提取、超聲輔助提取和協同輔助提取等。

1.1 生姜多糖熱水浸提工藝

熱水浸提是最常用、最基本的多糖提取方法，它是依據多糖不溶于高濃度乙醇而易溶于熱水的性質，使原料細胞在熱水中熱力作用下，發生質壁分離，利于細胞內和細胞間多糖擴散溶出，再通過乙醇沉淀獲得多糖[10]。影響多糖熱水浸提的因素一般有水溫、料液比、提取時間等。目前，國內對熱水浸提生姜中多糖研究相對較多。侯英梅等[11]以脫脂和色素的生姜粉為原料，由正交試驗優化的最佳工藝條件為：料液比(g/mL) 1∶10，提取溫度90 ℃，提取時間2.5 h，生姜多糖提取率為7.63%。王曉梅等[12]也以脫脂和色素的生姜粉為原料，確定的最佳工藝條件為：料液比(g/mL) 1∶15，浸提溫度90 ℃，浸提時間2.5 h，生姜多糖提取率為7.58%。鄧勝國等[13]以生姜粉為原料，得到的最佳工藝條件為：料液比(g/mL) 1∶20，浸提溫度90 ℃，浸提時間2.5 h，該工藝下，生姜多糖提取率為5.82%。廖登未等[14]確定的生姜多糖熱水浸提最佳工藝條件為：浸提溫度100 ℃，料液比(g/mL) 1∶20，浸提時間4.0 h，生姜多糖提取率為(11.74±0.23)%。孔得福等[15]由響應面法優化的最佳工藝條件為：料液比(g/mL) 1∶15，浸提溫度89 ℃，浸提時間118 min，該工藝條件下，生姜多糖提取率為4.62%。趙文竹等[16]采用響應面法優化的生姜多糖熱水浸提最佳工藝條件為：料液比(g/mL) 1∶41，浸提溫度71.6 ℃，浸提時間104 min，生姜多糖提取率為3.13%。趙叢叢等[17]則以羅平小黃姜為原料，采用正交試驗優化的最佳工藝條件為：料液比(g/mL) 1∶20，浸提溫度90 ℃，浸提時間160 min，該工藝條件下，羅平小黃姜多糖提取率為6.16%。另外，夏宇[18]研究了生姜加工副產品生姜皮中多糖的熱水浸提，最佳工藝條件為：料液比(g/mL) 1∶35，浸提溫度85 ℃，浸提時間2.5 h，該工藝條件下，多糖提取率為1.92%。綜上可知，生姜多糖的熱水浸提具有設備簡單、工藝容易操作、提取成本較低、提取率較高等優勢，但也存在提取溫度較高、提取時間長、能耗較大、產品純度差、經濟效率不高等問題，限制了其的生產應用。

1.2 生姜多糖酶輔助提取工藝

酶輔助提取是利用酶高度專一性的特點，降解原料細胞組織，強化多糖傳質過程，加速多糖溶出，提高多糖提取率[19]。根據生姜細胞壁的組成，為有效破壞其細胞壁，提高多糖提取率，多采用纖維素酶、果膠酶及蛋白酶等的復合酶。目前，國內對酶輔助提取生姜中多糖的研究較少。馬利華等[20]以新鮮生姜為原料，研究了復合酶(纖維素酶、果膠酶和木瓜蛋白酶)輔助提取生姜多糖的工藝條件，優化的工藝條件：以 pH 4.5的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液為提取劑，料液比(g/mL) 1∶20，纖維素酶、果膠酶和木瓜蛋白酶用量分別為1.0%、0.5%和2.0%，提取溫度50 ℃，提取時間60 min，該工藝下，生姜多糖提取量為272.69 mg/g，多糖純度為69.8%。廖登未等確定的生姜多糖復合酶(纖維素酶、果膠酶和木瓜蛋白酶)最佳工藝為：在纖維素酶用量63000 U/g底物，果膠酶用量20000 U/g底物，木瓜蛋白酶用量62.5 U/g底物的條件下，料液比(g/mL) 1∶25，pH 7.0，提取溫度40 ℃，提取時間2.0 h，多糖提取率為(20.93±0.20)%。 王蕓等[21]研究了復合酶(纖維素酶、果膠酶、木瓜蛋白酶和α-淀粉酶)提取生姜多糖，確定的復合酶配比為纖維素酶、果膠酶、木瓜蛋白酶和α-淀粉酶用量分別為1.5%、1.0%、2.0%和2.5%，pH 5.2，料液比(g/mL) 1∶25，提取溫度55 ℃，提取時間60 min，多糖提取率可達22.18%。可見，采用酶輔助提取生姜多糖，提取條件溫和，可明顯提高多糖提取率，但需嚴格控制工藝溫度和pH，提取成本相對較高，經濟效益差，且會增加粗多糖中蛋白質含量。因此，現僅限于實驗室研究，不太適用于工業化生產應用。

1.3 生姜多糖微波輔助提取工藝

微波輔助提取是在微波場中，利用不同極性物質吸收微波能的差異，物質被選擇性加熱，物質細胞吸收微波能后，胞內瞬間產生高溫高壓，導致細胞壁破碎，減少傳質阻力，促使多糖快速溶出[22]。目前，國內有關生姜多糖微波輔助提取研究相對較少。王穎等[23]研究了生姜多糖微波輔助提取，通過響應面法優化的最佳工藝條件為：料液比(g/mL) 1∶22.21，浸泡時間120.06 min，微波功率247.02 W，微波時間86.43 s，該工藝下，生姜多糖提取率為18.93%。楊曉杰等[24]對去皮生姜和留皮生姜多糖微波輔助提取進行了研究，確定的留皮生姜多糖最佳工藝條件為：料液比(g/mL) 1∶15，微波功率640 W，微波時間90 s，該工藝下，生姜多糖提取率為7.68%；去皮生姜多糖最佳工藝條件為：料液比(g/mL) 1∶20，微波功率240 W，微波時間60 s，該工藝下，生姜多糖提取率為5.65%。綜上，微波輔助提取生姜多糖選擇性好、操作工藝簡便、較熱水浸提法可大大縮短提取時間，提高生姜多糖提取率，不失為一種生姜多糖提取的先進技術，值得深入研究，在工業化生產中推廣應用。

1.4 生姜多糖超聲輔助提取工藝

超聲輔助提取是利用超聲波的空化、機械、熱效應等，對生姜組織細胞壁和細胞膜進行破碎，促進傳質，加速生姜多糖溶出[25]。目前，國內對超聲輔助提取生姜多糖的研究相對較多。夏樹林等[26]以生姜粉為原料，研究了超聲輔助提取生姜多糖，采用正交試驗法優化的最佳提取工藝為：超聲功率480 W，料液比(g/mL) 1∶35，提取溫度60 ℃，超聲時間60 min，該工藝下，生姜多糖提取率為11.32%。林敏等[27]采用響應面法優化的生姜多糖超聲輔助提取工藝為：料液比(g/mL) 1∶18，超聲功率130 W，提取溫度65 ℃，超聲時間70 min，該工藝下，生姜多糖提取率為1.809%。廖登未等研究了超聲波冰浴提取生姜多糖，確定的最佳工藝為：料液比(g/mL) 1∶25，超聲功率500 W，提取時間30 min，多糖提取率為(7.00±0.04)%。馮鑫[28]研究了生姜加工副產品生姜渣的超聲輔助提取，采用響應面法優化的工藝條件為：料液比(g/mL) 1∶40，提取溫度74 ℃，超聲功率400 W，提取時間17 min，此工藝條件下，生姜渣粗多糖得率為4.81%。另外，韓冬屏等[29]比較研究了傳統熱水浸提、超聲波和微波輔助3種不同方法對生姜多糖提取的影響，得到提取方法對生姜多糖的提取影響顯著，超聲輔助提取是較好的方法，優于傳統熱水浸提和微波輔助提取。綜上可知，超聲輔助提取生姜多糖較熱水浸提法可減少溶劑用量，不需專門加熱，明顯縮短提取時間，提取效率高，為生姜多糖一種有效的提取方法。但因超聲波對環境污染以及超聲設備工業放大等問題尚未解決，目前也僅限于實驗室研究。

1.5 生姜多糖協同輔助提取工藝

為了利用提取技術的優勢互補，提高生姜多糖的提取率，可采用兩種或多種提取技術協同輔助提取。目前，國內這方面研究應用不少，效果不錯，但有關生姜多糖協同輔助提取研究應用很少，僅有文獻1篇。劉全德等[30]以遠紅外干燥的生姜粉為原料，采用超聲波-微波協同提取生姜多糖，由響應面法優化的最佳工藝條件為：生姜粉粒度≤40目，微波功率258 W，超聲功率50 W，料液比(g/mL) 1∶25，超聲波-微波協同提取時間85 s，此工藝條件下，生姜多糖提取率為23.65%，比熱水回流浸提6.0 h所得多糖提取率(19.53%)高21.10%。可見，超聲波-微波協同提取是一種生姜多糖的高效提取方法，值得就生姜多糖協同輔助提取進行深入研究，以創新生姜多糖提取工藝。

2 生姜多糖的純化工藝

由于生姜成分的復雜性，從其中提取的多糖不可避免含有蛋白、色素等多種雜質，難以滿足進一步研究與實際應用要求，因此必須對所提多糖進行純化以分離去除雜質，制備純度較高的多糖。秦衛東等[31]以多糖保留率和蛋白脫除率為指標，比較了三氯乙酸法、鞣酸法和Sevage法脫除蛋白純化生姜多糖的效果，發現鞣酸法脫除生姜多糖蛋白效果較好，脫除蛋白后生姜多糖純度為73%左右。王紅萍等[32]研究了文山生姜葉多糖的純化，確定的最佳純化條件為：Sevage法去蛋白，活性炭脫色，95%乙醇沉淀后，選用AB-8樹脂為吸附劑進一步純化，樣品上樣量30 mL，稀釋倍數20倍，濕樹脂用量10 g，此工藝下，生姜葉多糖含量可達4.5%。王曉梅等通過多次Sevage法除蛋白后，多糖沉淀物再加入乙醇、丙酮反復洗滌，真空干燥后的精制多糖，產率為5.97%，多糖中總糖含量為18.67%。分析鑒定該精制生姜多糖中不含蛋白、淀粉、多酚等雜質，產率高。馮鑫等[33]研究了生姜皮多糖的純化，先后經DEAE-纖維素-52陰離子交換樹脂、Sephadex G-100凝膠柱層析純化后，得到3種GE-1、GE-2和GE-3水溶性多糖，純度分別可達(98.06±0.15)%、(97.41±0.42)%和(97.89±0.22)%。而馮鑫則研究了DEAE-纖維素-52陰離子交換樹脂結合Sephadex G-100凝膠柱層析純化生姜渣多糖，試驗發現，該工藝對熱水浸提與超聲輔助提取的生姜渣多糖純化效果均較好，純化后多糖含量均較高，且對超聲輔助提取的生姜渣多糖純化效果好于熱水浸提多糖。顯見，目前國內有關生姜多糖純化的研究還較少，純化的方法主要是幾種常規的方法，生姜多糖純化效果一般，純化技術沒有新突破，缺乏創新性。

3 生姜多糖功能活性研究現狀

只有明析生姜多糖的功能活性，才能恰當開發應用。目前，國內對生姜多糖功能活性的研究不多，很不充分，僅有抗氧化活性、抗疲勞和保護腦缺血損傷作用的研究，難以對生姜多糖的應用提供理論支撐。

3.1 生姜多糖抗氧化活性

多糖抗氧化活性是其重要的功能活性之一，目前，國內對生姜多糖抗氧化活性的研究相對較多。馬利華等[34]研究了生姜多糖對·OH和DPPH·的清除能力，發現生姜多糖清除·OH和DPPH·的IC50分別為0.50 mg/mL和0.0272 mg/mL。夏宇的體外抗氧化實驗研究表明，生姜皮多糖對H2O2、·OH、O2-·都有較強的清除作用，在實驗濃度范圍內，呈現一定的量效關系。孫靜等[35]通過對超微粉碎的生姜多糖的還原能力、清除·OH、O2-·及體外抗脂質過氧化能力的研究表明，生姜多糖具有一定的抗氧化能力，且與濃度具有依賴性。另外，王蕓等[36]、鄧勝國等、趙文竹等和方偉斐等[37]的研究得到類似的結果，都表明生姜多糖具有清除自由基抗氧化活性。馮鑫、韓冬屏等和楊曉杰等[38]研究表明生姜多糖不但具有抗氧化活性，且提取方法或溫度顯著影響其抗氧化活性。

3.2 生姜多糖抗疲勞作用

夏樹林等通過在體試驗，建立蟾蜍肌肉抗疲勞及產生自由基模型，以及離體測定給藥生姜多糖的蟾蜍腓腸肌中MDA、乳酸含量，分析研究生姜多糖抗疲勞作用。試驗發現生姜多糖可改善蟾蜍腓腸肌收縮性能，提高蟾蜍腓腸肌的最大收縮力，具有提高蟾蜍腓腸肌收縮性能，且生姜多糖可明顯降低蟾蜍離體腓腸肌中乳酸、MDA 含量，表明生姜多糖具有抗疲勞作用。

3.3 生姜多糖保護腦缺血損傷作用

宋琳琳等[39]采用線栓法建立大鼠大腦動脈腦缺血再灌注損傷模型，通過模型大鼠行為障礙評分、模型大鼠血清中SOD和MDA測定、模型大鼠腦組織中SOD、MDA及NO含量測定以及模型大鼠腦中含水量測定，研究了生姜多糖保護大鼠腦缺血再灌注損傷作用。試驗研究發現，對腦缺血再灌注損傷模型大鼠給藥生姜多糖，可明顯改善模型大鼠行為障礙，升高模型大鼠血清和腦組織中SOD活性，降低MDA含量；以及降低模型大鼠腦組織中NO含量和含水量。表明生姜多糖具有腦缺血損傷保護作用，分析認為其可能的作用機制與生姜多糖清除氧自由基抗脂質過氧化有關。

4 結語與展望

在大健康時代，隨著人們崇尚自然，自我保健意識不斷增強，多糖作為一種生物活性大分子物質，具有多種功能活性，在生命活動中起著重要的功能活性，在食品、醫藥、保健品等領域得到廣泛應用，這為生姜多糖的開發利用提供了廣闊市場，給生姜多糖的工業化生產帶來了機遇和挑戰，也為我國豐富的生姜資源精深開發提供了良機。就目前情況而言，我國對許多天然產物中多糖進行了較深入的研究，取得不少成果[40]，一些已應用于人們的日常生活。但有關生姜多糖的研究還相對較少，特別是有關生姜多糖功能活性的研究更少，生姜多糖的構效關系、作用機制極少涉及，這極不利于生姜多糖的開發利用，離生姜多糖產業化生產的需求還相距甚遠。因此，今后對生姜多糖的研究，首先應參考、借鑒其他天然產物中多糖提取純化的成熟經驗和技術，深入開展生姜多糖的提取純化工藝研究，簡化提取純化工藝，創新生姜多糖提取純化工藝，實現生姜多糖的高效提取純化。其次，應系統研究生姜多糖的功能活性，明晰生姜多糖的功能活性。最后，要積極開展生姜多糖構效關系、作用機制的研究，理清生姜多糖結構與功能活性的關系，為生姜多糖高值化應用奠定理論基礎。此外，也應研究利用一些現代新興技術如3D技術等，修飾生姜多糖結構，以增強其功能活性，提高其臨床應用價值。由此，實現生姜多糖的產業化生產，使生姜多糖在促進人們健康生活中發揮積極作用。