甘草多糖結構特征、生物活性、化學修飾、產品開發的研究進展

張銘儒， 黃嘉歡， 羅露香， 姜曉琳， 楊 全， 程軒軒

(廣東藥科大學中藥學院，國家中醫藥管理局嶺南藥材生產與開發重點研究室，國家中藥材產業技術體系廣州綜合試驗站，廣東省南藥規范化種植與綜合開發工程技術研究中心，廣東 廣州 510006)

植物多糖作為一種天然活性物質，具有抗腫瘤[1]、降血糖[2]、抗氧化[3]、免疫調節[4]等生物活性，而且不良反應小，正引起研究人員廣泛關注。目前，該成分已被應用于醫藥、食品、農業等領域中[5]。

甘草為豆科植物甘草GlycyrrhizauralensisFisch.、脹果甘草G.inflataBat.或光果甘草G.glabraL.的干燥根及根莖[6]，是臨床常用中藥之一，被譽為藥中“國老”，素有“十方九(甘)草”之說，本品味甘，性平，歸心、肺、脾、胃經，具有補脾益氣、清熱解毒、祛痰止咳、緩急止痛、調和諸藥之效，主要含有皂苷、黃酮、多糖等成分[7-9]，其中甘草多糖具有免疫調節、抗腫瘤、保肝等生物活性[10]，在藥品、保健品等領域有良好的開發前景。本文對近年來國內外關于甘草多糖結構特征、生物活性、化學修飾、產品開發的研究進展進行總結，以期為該成分深入開發利用提供參考。

1 結構特征

多糖是一種天然的高分子聚合物，通常由十幾個單糖通過直鏈或支鏈的糖苷鍵組成，分子量可達數萬甚至數百萬[11]。解析多糖結構大多以化學分析和儀器分析方法為主[12]，主要包括高效凝膠滲透色譜法測定純度及相對分子質量；甲基化后氣相色譜-質譜聯用法(gas chromatography-mass spectrum，GC-MS)分析糖殘基(糖苷鍵類型)連接方式，完全酸水解結合GC-MS法測定單糖組成及摩爾比，紅外光譜、核磁共振法得到多糖的官能團和糖苷鍵連接方式等信息[13]。

甘草多糖是一種雜多糖，單糖組分包括鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、巖藻糖、核糖、葡萄糖、半乳糖、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸，不同來源該成分的單糖組成雖有一定差異性，但均以甘露糖、鼠李糖、葡萄糖、半乳糖和阿拉伯糖為主。目前，從甘草中已分離出四十多種多糖，分子量范圍在1.06～2 892 kDa不等。由于多糖結構的復雜性與技術的局限性，目前對甘草多糖的結構分析大多局限于一級結構，即確定單糖組成及摩爾比、糖苷鍵構型、糖苷鍵連接位置等，見表1。何培新等[14]比較栽培、野生甘草中多糖組成的差異，發現兩者均為酸性多糖，各含2個組分，其中栽培甘草多糖中組分的相對分子量為212、25.1 kDa，單糖組成包括甘露糖、葡萄糖、阿拉伯糖、核糖、木糖、半乳糖、半乳糖醛酸，所占比例分別為23.91%、16.56%、11.3%、11.71%、9.51%、13.55%、13.47%；野生甘草多糖中組分的相對分子量為34.1、0.1 kDa，單糖組成包括阿拉伯糖、核糖、木糖、半乳糖、葡萄糖、甘露糖、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸，所占比例分別為7.93%、9.13%、2.12%、12.83%、27.28%、15.10%、2.33%、23.28%。

多糖由于鏈接方式、取代基、支化結構、支化程度、分子作用力的差異，導致其表現出不同的鏈構象，如無規線團、單螺旋、雙螺旋、蠕蟲狀、三螺旋、聚集體、球狀構象等。其中，三螺旋多糖引起廣泛關注[15]，它具有多種生物活性、優良的安全性和生物降解性，被認為是潛在的健康產品或天然藥物[16]。Mutaillifu等[17]從光果甘草分離出水溶性多糖GPN，經剛果紅實驗證實三螺旋結構的存在，并顯示出抗氧化活性；Rozi等[18]分別從甘草、脹果甘草、光果甘草的種子中分離得到多糖GUP、GIP、GGP，并證實3種多糖組分均具有三螺旋結構，同時抗氧化能力明顯；郭敏[19]從甘草中分離純化得到具有三螺旋結構的多糖組分GUP-1，并發現其它有一定的降尿酸作用。GiP-3、GPN結構見圖1～2。

表1 甘草多糖結構特征

圖1 GiP-3結構式

圖2 GPN結構式

2 生物活性

2.1 免疫調節 許多植物多糖因療效高、毒性低，被選擇成為新一代免疫調節劑[26]。研究表明，甘草多糖可激活巨噬細胞、淋巴細胞、自然殺傷(NK)細胞，調節細胞因子的釋放，介導細胞信號通路，發揮免疫調節作用。

2.1.1 對巨噬細胞的影響 巨噬細胞由單核細胞移行至組織分化成熟而來，是一種非特異性免疫細胞，在機體的正常生理及病理過程中發揮著重要功能。叢媛媛等[27]發現，脹果甘草多糖組分GiP-B1在一定濃度下能促進RAW264.7巨噬細胞增殖，增強其吞噬能力，促進其分泌炎性細胞因子和釋放一氧化氮(nitric oxide，NO)及誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)，并能上調iNOS、TNF-α、IL-1βmRNA表達，有成為固有免疫應答調節藥物的潛力。王悅等[28]研究證實，脹果甘草多糖能激活小鼠腹腔巨噬細胞活性，對小鼠的特異性免疫、非特異性免疫有正向調節作用，并呈現量效關系。廖成水等[29]報道，甘草多糖能顯著降低鼠傷寒沙門菌損傷下小鼠腹腔巨噬細胞丙二醛(malondialdehyde，MDA)、活性氧(Reactive oxygen species, ROS)水平，促進NO、iNOS釋放，并可顯著提高谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性和總抗氧化能力，表明該成分能調節傷寒沙門菌引起的巨噬細胞氧化損傷，維持細胞氧化-抗氧化平衡。

2.1.2 對免疫細胞的影響 陳橙[30]發現，一定濃度范圍內甘草多糖GiP及其純化組分GiP-B1均能促進小鼠骨髓源樹突狀細胞(DC)表型及功能成熟，提高DC抗原提呈能力，促進DC免疫功能，其作用機制可能與激活TLRs/NF-κB信號通路有關。

2.2 抗腫瘤 Ayeka等[31]發現，甘草多糖的低分子量組分(<10 kDa)在體外能明顯抑制結腸癌CT-26細胞的增殖，并呈現量效關系，還可顯著抑制CT-26荷瘤小鼠腫瘤生長，提高脾臟和胸腺指數，增加外周血管CD4+和CD8+分布，提高血清IL-2、IL-6、IL-7水平，降低TNF-α水平，表明該成分低分子量組分可作為潛在抗癌藥，其機理可能與免疫調節有關[32]。王麗等[33]證實，甘草多糖可顯著抑制CT-26荷瘤小鼠的腫瘤生長，提高荷瘤小鼠小腸黏膜上皮細胞IL-7 mRNA表達和血清IL-7水平，推測甘草多糖可能通過作用于小腸黏膜上皮細胞，促進其分泌 IL-7，進而提高免疫功能，發揮抗腫瘤作用。陳永順等[34]報道，一定劑量甘草多糖能顯著抑制S180移植瘤小鼠的腫瘤生長，增強體液免疫功能，誘導B淋巴細胞增殖，表明該成分可通過提高免疫功能而發揮抗腫瘤作用。李菀等[35]分別采用纖維素酶和果膠酶提取甘草渣多糖，發現前者對肝癌HepG2細胞增殖的抑制作用更強。

2.3 抗氧化 正常的代謝過程中產生的自由基會不可避免地在病理條件下積聚，導致組織和器官損傷以及癌癥和肝病，適當補充外源抗氧化劑有助于減少由自由基引起的氧化損傷[36]。Zhang等[20]從甘草中分離得到3個多糖組分，相對分子量依次為GUPs-1

2.4 保肝 吳瓊[39]發現，甘草粗多糖CGP可降低高脂飲食誘導的非酒精性脂肪肝大鼠血清中ALT、AST、TG、TC等水平，提高肝組織中SOD、CAT、GSH活性，降低血清中TNF-α、IL-6水平，下調肝臟CYP2E1表達，表明該成分可通過降低血脂、減輕氧化應激損傷，從而發揮保肝作用。陳冬雪等[40]研究表明，甘草多糖能降低四氯化碳誘導的急性肝損傷小鼠血清中AST、ALT水平，降低肝組織中NOS、NO、MDA水平，提高肝組織中SOD、GSH-Px活性，提示該成分保肝作用可能與抗氧化作用相關。Du等[41]報道，甘草多糖能顯著降低急性肝損傷建鯉血清中GOT、GPT、LDH、AKP活性及TP、Alb水平，增加肝組織中SOD、GPx、CAT、T-AOC活性，上調CYP1A、AHR2和ARNT2 mRNA表達，從而發揮保肝作用。

2.5 抗菌 田艷花等[42]發現，甘草多糖組分GCP2對金黃色葡萄球菌、地衣芽孢桿菌、乳鏈球菌、大腸桿菌、綠膿桿菌、肺炎克雷伯菌均有一定的抑制活性，尤其對大腸桿菌、肺炎克雷伯菌的效果更顯著。廖成水等[43]報道，低濃度甘草多糖在體外對單核細胞增生性李斯特菌(listeriamonocytogenes，Lm)的生長有促進作用，但隨著其濃度升高該作用逐漸降低，并且該成分可提高小鼠對Lm的抗感染能力。楊裕等[44]證實，一定濃度范圍內甘草多糖在體外對副豬嗜血桿菌的生長具有促進作用，在高濃度則時表現為抑制作用；體內給藥時，該成分可提高小鼠對副豬嗜血桿菌的抗感染能力。

2.6 對腸道微生態的影響 腸道菌群是以共生方式寄居在生物體內的復雜微生物群落，近年來其作用機制逐漸成為研究熱點。Zhang等[45]從腸道菌群的角度探討甘草多糖GCP的抗腫瘤機制，發現該成分可抑制CT-26荷瘤小鼠的腫瘤生長和轉移，調節腸道菌群結構，其中腸桿菌屬(Enterorhabdus)、Ruminococcaceae_UCG_010 及Ruminococcaceae_UCG_014(瘤胃菌屬)、Odoribacter菌屬、Ruminiclostridium_5(瘤胃梭菌屬)、Lachnospiraceae_UCG_001(毛螺菌科)可能是其潛在腸道微生物靶標。董永軍等[46]發現，在飼料中添加甘草多糖能促進艾維茵肉仔雞腸道有益菌(雙歧桿菌和乳酸桿菌)的增殖，抑制大腸桿菌和沙門氏菌的增殖，改變腸道微生態環境，從而提高機體免疫力和降低雞群的發病率。

2.7 其他 甘草多糖還具有抑制α-葡萄糖苷酶[47]、降尿酸和抗胃潰瘍作用。郭敏[19]證實，甘草多糖組分GUP-1、GUP-2可通過抑制 XOD 活性阻礙尿酸合成，從而減少急性高尿酸血癥大鼠體內尿酸濃度。趙云生等[48]發現，甘草多糖對小鼠腹腔毛細血管炎性滲透、乙醇型與利血平型胃潰瘍均有抑制作用，并呈現量效關系。

3 化學修飾

研究證實，對多糖的化學修飾可改善其固有生物活性或產生新功能，常見方法包括硫酸化、羧甲基化、乙酰化、磷酸化、硒化等[49]，目前甘草多糖(GUP)主要采用硒化。Lian等[50]采用HNO3-Na2SeO3法制備硒化甘草多糖SeGUP，分子量5.8 kDa，硒含量1.339 mg/g，發現GUP 與SeGUP在體外對DPPH、超氧陰離子及羥基自由基均具有清除能力，在體內可降低肝組織中MDA水平，提高SOD、GSH-Px活性，但SeGUP抗氧化作用更強。連科迅[51]報道，同等劑量下SeGUP抗氧化、抗炎、免疫調節活性均優于GUP。滕楊等[52]研究表明，甘草硒多糖對CCl4誘導的小鼠急性肝損傷有保護作用，并呈現量效關系，其機制可能與清除體內自由基相關。

4 產品開發

在包含96 592個處方的中國方劑數據庫(http://cintmed.cintcm.com/cintmed/main.html)中，有26 185個存在甘草。甘草在許多中藥配方中具有調和功能，即增強組合藥的功效或減少毒性反應，被尊稱為“眾藥之王”，具有良好的開發前景[53]。李英博等[54]發現，在面粉中添加適量的甘草多糖時可提高產品韌性、黏度、色澤。馬彥花等[55]以甘草多糖為主要原料，制備出具有護胃功能、風味獨特的新型飲料。Wu、李恩濤等[56-57]研究證實，甘草多糖脂質體能促進淋巴細胞增殖、增強抗體效價、提高細胞免疫和體液免疫，有望開發成為免疫增強劑。Cai等[58]將水溶性甘草多糖(GPs)用于光誘導合成Ag納米顆粒，所得納米復合薄膜具明顯的抗菌性能。鮑慧[59]制備了殼聚糖/甘草多糖和海藻酸鈉/甘草多糖水凝膠，發現兩者在治療慢性皮膚潰瘍方面有較大的應用潛力。此外，甘草多糖還對鹽脅迫導致的小麥幼苗葉片脂膜損傷具有保護作用，可為合成、改造膜質保護劑提供理論依據[60]。

5 小結與展望

甘草多糖是主要由甘露糖、鼠李糖、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖構成的雜多糖，分子量范圍廣，部分具有三螺旋結構，有著免疫調節、抗腫瘤、抗氧化、抑菌、保肝等多種作用及較低的毒性，硒化修飾后可提升其藥理活性，使其在醫藥、食品、保健品等領域中具有良好的開發前景。盡管對甘草多糖的研究日益深入，但仍存在許多不足，包括(1)甘草多糖分子量較大，結構復雜，目前對其結構解析主要集中在單糖組成及摩爾比、糖苷鍵類型、糖殘基片段，具體分子結構還有待深入探究；(2)化學修飾能提高多糖活性、降低副作用，是甘草多糖改性研究的重要方向之一，硒化是常用方法，而硫酸化、乙酰化、磷酸化、羧甲基化等其他化學、物理、生物修飾方法還有待繼續探索，以期為該成分構效關系研究奠定基礎。