辣木多糖提取工藝及生物活性的研究進(jìn)展

彭瑤，申迎賓，朱敘丞，楊新泉

廣州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院（廣州 510000）

辣木（Moringa oleiferaLam.），又稱為“奇跡樹”和“生命之樹”，廣泛種植于熱帶或亞熱帶干旱地區(qū)。據(jù)報道[1]，辣木含多種植物成分，如糖類、蛋白質(zhì)、維生素、黃酮和礦物質(zhì)等。近年來，辣木作為食品和藥物補充品食用，用于治療心血管疾病、糖尿病、癌癥和肝腎等疾病[2]。自1998年以來，世界衛(wèi)生組織一直在推廣辣木，用來解決營養(yǎng)不良人群的食物問題。2012年，中國綠色食品開發(fā)中心將辣木葉認(rèn)定為“食品國宴”，同年，被我國衛(wèi)健委（原衛(wèi)生部）認(rèn)定為一種新的食物資源。

多糖被稱為是生物的免疫調(diào)節(jié)劑（BRM），在食品和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。多糖作為辣木中重要活性成分之一，具有降血糖、降血脂、抗氧化、抗炎等多種功效[3]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者報道了關(guān)于辣木多糖活性的研究進(jìn)展，根據(jù)Web of Science數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，自2001年起，研究人員開始發(fā)表有關(guān)辣木多糖的研究論文，被引頻率達(dá)1 337次。辣木多糖在功能性食品、醫(yī)藥領(lǐng)域等具有良好發(fā)展前景。因此，簡要闡述國內(nèi)外辣木多糖提取工藝和生物活性等方面的研究進(jìn)展，為辣木多糖的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)提供參考，促進(jìn)我國辣木資源的開發(fā)利用。

1 辣木多糖提取技術(shù)

辣木的營養(yǎng)器官有辣木葉、辣木籽、辣木根等。提取辣木多糖前，需要通過洗凈、干燥、粉碎、過篩等步驟進(jìn)行預(yù)處理。由表1可知，對辣木葉多糖的研究較多。有關(guān)辣木多糖提取方法常用的有熱水浸提法、超聲輔助浸提法、微波輔助提取法和超高壓提取法。不同提取工藝提取的辣木多糖，或是用同一種工藝提取不同部位的辣木多糖，在提取率方面均有所差異。通常情況下，時間、料液比和溫度是影響提取率的重要因素。

表1 辣木多糖的提取方法

1.1 辣木葉多糖提取工藝

辣木葉富含多糖、類胡蘿卜素、蛋白質(zhì)、氨基酸、不飽和脂肪酸和維生素，在所有可食用的蔬菜中，其營養(yǎng)價值最高。有研究表明[12]，通過苯酚-硫酸分光光度法測得辣木中的多糖含量達(dá)15.36%。有關(guān)辣木葉多糖提取方法較常用的有熱水浸提法、超聲輔助浸提法、微波輔助提取法和超高壓提取法。研究采用傳統(tǒng)的熱水浸提法，通過不斷優(yōu)化提取工藝，分別考察提取時間和提取溫度對多糖提取的影響，從而提高多糖的提取率。崔璨等[4]采用該方法在提取時間4 h、提取次數(shù)3次、料液比1∶20（g/mL）條件下，辣木葉粗多糖提取率可達(dá)11.24%。在此基礎(chǔ)上，縮短提取時間提高多糖得率[13-14]。熱水浸提法操作簡單、提取成本較低，但由于其提取溫度較高、提取時間長等問題，限制了工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。采用超聲波提取多糖時，對于提取時間和超聲功率都需要控制，時間過長或功率過高會造成多糖的降解。辛明慧等[7]利用響應(yīng)面法優(yōu)化超聲波輔助提取辣木葉多糖工藝，在提取次數(shù)2次、料液比1∶35（g/mL）、提取時間30 min的最佳提取工藝條件下，多糖提取率達(dá)到13.30%。由于微波處理可能使多糖受熱不均勻，不易釋放，導(dǎo)致提取率過低。Chen等[9]通過響應(yīng)曲面法對微波輔助提取辣木葉多糖的工藝進(jìn)行優(yōu)化，在提取時間70 min、微波功率700 W、提取溫度70 ℃，固液比1∶35（g/mL）條件下，辣木葉多糖提取率為2.96%±0.11%。靳學(xué)遠(yuǎn)等[10]利用正交試驗，采用超高壓提取辣木葉多糖，在提取壓力400 MPa、提取時間5.5 min、料液比1∶15（g/mL）條件下，采用此法提取辣木葉多糖，其得率達(dá)16.28%。酶輔助提取法是通過結(jié)合傳統(tǒng)的熱水浸提法或現(xiàn)代化手段，用來提取天然植物中的多糖。王振西[11]研究熱水回流法、超聲法、超聲協(xié)同復(fù)合酶分步和超聲協(xié)同纖維素酶同步提取4種方法對辣木葉多糖提取率的效果。經(jīng)比較，在料液比1∶50（g/mL）、超聲功率210 W、超聲頻率20 kHz、pH 5.17、提取時間35 min、提取溫度75 ℃的條件下，加入1 800 U/mg纖維素酶，多糖提取率為33.11%。因此，超聲協(xié)同纖維素酶同步提取是提取辣木多糖的最佳選擇。試驗結(jié)果表明，在超聲提取辣木多糖的過程中加入纖維素酶，脫蛋白效果更佳，顯著提高了多糖的得率。

綜上所述，不同提取方法對辣木葉的提取率影響較大，得率在2.96%～33.11%之間。在提取辣木葉多糖工藝中，采取超聲輔助協(xié)同酶法提取多糖得率最高，該方法可以有效利用超聲和酶的催化性，提高多糖得率。但由于其工藝成本相對較高，對工藝溫度的要求較高，該提取工藝只適用于實驗室研究。隨著科研人員進(jìn)一步研究，多糖的提取技術(shù)不斷成熟，在今后研究辣木葉多糖的提取工藝中，聯(lián)合提取工藝會是多糖提取的一大趨勢。

1.2 辣木根多糖提取工藝

辣木根作為一種傳統(tǒng)的藥用植物，是辣木的主要營養(yǎng)器官之一，在傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)用途中具有抗炎，抗癌、抗氧化和抗微生物活性。關(guān)于辣木根多糖的研究較少，Cui等[6]以熱水浸提法制備辣木根多糖，在料液比1∶30（g/mL）、提取時間3 h、提取3次的條件下，進(jìn)一步通過Savag法脫蛋白，辣木根多糖提取率為4.67%。與熱水浸提法提取的辣木葉多糖相比，經(jīng)脫蛋白后造成多糖損失，使其最終得率較低。同時，原料不同部位及來源也導(dǎo)致多糖提取率不同。

1.3 辣木籽多糖提取工藝

國內(nèi)研究人員對辣木籽營養(yǎng)成分進(jìn)行分析，采用直接滴定法測定引種試驗點的辣木籽總糖，測得總糖含量為6.9%～9.5%[15]。熱水浸提法在多糖的提取過程中應(yīng)用最為廣泛，但是通過熱水浸提法制得的多糖得率及純度較低，且耗時長。董成國[5]采用三因素三水平的響應(yīng)面法優(yōu)化辣木籽多糖的提取工藝，研究表明，在料液比1∶55.5（g/mL）、提取時間1 h、提取溫度79 ℃的最佳提取工藝條件下，辣木籽多糖的提取率為14.11%±0.27%。

2 辣木多糖的構(gòu)效關(guān)系

對辣木多糖的結(jié)構(gòu)分析如表2所示。不同提取工藝及分析方式的辣木多糖的單糖組成和摩爾比存在差異。Chen等[9]用離子色譜分析超聲波輔助浸提法制備的辣木葉多糖，MLP-1多糖骨架結(jié)構(gòu)主要由39.60%木糖、38.67%甘露糖和13.66%葡萄糖構(gòu)成，MLP-2和MLP-3骨架結(jié)構(gòu)主要由木糖和葡萄糖構(gòu)成[9]；李巧林[16]采用高效液相色譜系對酶輔助浸提法制備的辣木葉多糖MLP-1、MLP-2、MLP-3和MLP-4組分進(jìn)行分析，構(gòu)成4種組分的單糖種類相同，但相對摩爾比不同。除了單糖組成不同以外，相同的提取方法也有可能導(dǎo)致辣木不同部位多糖的單糖組成不同。董成國[5]和Cui等[6]采用熱水浸提法分別提取辣木籽多糖MOPD-a和辣木根多糖MRP-1，研究表明，MOP-D-a由阿拉伯糖、鼠李糖、木糖、半乳糖、甘露糖、葡萄糖組成，其摩爾比為0.48∶3.33∶0.47∶1.53∶0.39∶0.7；MRP-1由阿拉伯糖、鼠李糖、木糖、果糖、半乳糖、甘露糖組成，其摩爾比為2.0∶1.5∶6.0∶3.1∶1.1∶5.3。

表2 辣木多糖的單糖組成比例和分子量

多糖的生物活性與其單糖的組成有關(guān)。在植物多糖的研究中，糖醛酸含量較高的多糖組分具有更好的抗氧化活性。董成國[5]研究發(fā)現(xiàn)，糖醛酸含量較高的MOP-D體外清除羥基自由基能力較強。多糖分子量和糖苷鍵連接方式也影響多糖生物活性，如多糖中通常含有（1→3）-β糖苷鍵，其可增強免疫調(diào)節(jié)活性。Li等[17]用色譜分析辣木葉多糖組分MOP-3主鏈糖苷鏈類型，它們?yōu)椋?→3,6）-β-D-Galp和（1→6）-β-DGalp，分子量較高，具有較強的免疫活性。此外，通過對多糖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)修飾后，不僅其理化性質(zhì)會發(fā)生變化，還提高天然植物多糖的生物活性。有研究發(fā)現(xiàn)[18]，相較于沒有修飾的辣木多糖，經(jīng)乙酰化修飾后的辣木多糖的抗氧化活性顯著提高，清除羥基自由基和超氧陰離子自由基的能力分別達(dá)到99.7%和87.4%。

3 辣木多糖的生物活性及其機制

近年來，從辣木中提取分離出的多糖具有多種有益的生物功能活性，對辣木多糖的功能活性研究主要集中在降血糖、降血脂、抗氧化、抗炎、抗腫瘤、增強腸道免疫等方面，但是對于其生物活性的作用機制有待于進(jìn)一步深入研究。

3.1 抗氧化

植物多糖是一種天然的抗氧化劑，通過含有多電子的羥基部分清除生物體內(nèi)超氧離子自由基。研究發(fā)現(xiàn)[21]，辣木多糖具有較好的抗氧化功能，可以顯著增強清除羥基自由基和超氧陰離子的能力，其清除作用隨著濃度的增加而增強。當(dāng)多糖達(dá)到一定濃度后，抗氧化作用逐漸穩(wěn)定。He等[19]發(fā)現(xiàn)提取的辣木葉多糖（MOP-1）對DPPH自由基、ABTS自由基的清除能力及鐵還原抗氧化能力（FRAP）表現(xiàn)出與多糖濃度呈正相關(guān)。多糖質(zhì)量濃度4.0 mg/mL時，ABTS清除率為89.9%，F(xiàn)RAP為8.04±0.8 mmol/L，這可能是與MOP-1與雙原子鐵形成絡(luò)合物有關(guān)系。Otu等[8]分離純化出2種辣木葉多糖ML-CP 80和ML-ILP 80，研究發(fā)現(xiàn)，2種辣木葉多糖均具有清除羥基自由基和ABTS自由基能力，其中以ML-ILP 80的體外抗氧化活性最強，這可能是由于純化方法不同造成的。ML-ILP 80質(zhì)量濃度20 mg/mL時，ABTS自由基清除率達(dá)到100%，效果可與抗壞血酸媲美。

活性氧（ROS）是由氧組成的化學(xué)反應(yīng)性分子，包括過氧化物、超氧物、羥基自由基和單線態(tài)氧。馬廣明等[22]研究辣木葉多糖（MLP）在BEMCS氧化損傷細(xì)胞模型的保護作用，MLP可抑制細(xì)胞內(nèi)ROS的生成，降低細(xì)胞的凋亡率，同時提高過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性，降低丙二醛（MDA）含量，保持細(xì)胞膜及其結(jié)構(gòu)的完整。試驗結(jié)果表明，辣木葉多糖可以作為一種天然的抗氧化劑，具有潛在應(yīng)用價值。另外，辣木籽多糖對清除ABTS自由基和羥基自由基也具有明顯的清除作用[5]，MOP-D是其主要的抗氧化活性成分。從MOP-D分離出2個亞級多糖MOP-D-a-1和MOP-D-a-2，也具有清除ABTS自由基和羥基自由基的能力，其中MOP-D的作用效果強于MOP-D-a-1和MOP-D-a-2，分析可能是與MOP-D中糖醛酸含量更高有關(guān)。辣木多糖的抗氧化機制可能是通過提高體內(nèi)抗氧化酶活性，發(fā)揮抗氧化作用。除此之外，不同產(chǎn)地的辣木葉多糖抗氧化活性存在差異，其中普洱市辣木葉多糖體外抗氧化活性最好[13]。因此，依據(jù)地區(qū)優(yōu)勢開發(fā)辣木多糖產(chǎn)品，可充分利用資源。

3.2 降血糖

辣木可以治療糖尿病，改善糖尿病患者碳水化合物和脂質(zhì)代謝異常，同時還可以緩解代謝綜合征。同時，在糖尿病患者的日常飲食添加一定量的辣木，可以顯著降低其血糖、血脂和糖化血紅蛋白水平[23]。針對鏈脲佐菌素（STZ）誘導(dǎo)的糖尿病大鼠中，辣木葉可以作為一種有效的抗糖尿病藥物[24]。此外，辣木籽粉可以改善糖尿病造成的腎臟和胰臟組織的損傷[25]。Chen等[9]通過體外試驗測定辣木葉多糖（MLP）的降血糖活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)MLP-1，MLP-2和MLP-3質(zhì)量濃度從0.01增加到0.1 mg/mL，α-淀粉酶抑制作用也隨之增強。在0.1 mg/mL質(zhì)量濃度下，MLP-1，MLP-2和MLP-3的α-葡萄糖苷酶抑制率分別為58.8%，72.2%和89.7%；另外，在0.1 mg/mL時，MLP-3抑制α-淀粉酶的作用最強，為88.3%，推測可能是由于單糖組成和結(jié)構(gòu)不同造成的。在此研究基礎(chǔ)上，李巧琳[16]以2型糖尿病的大鼠為研究對象，向STZ誘導(dǎo)的糖尿病大鼠分別腹腔注射500 mg/kg二甲雙胍、500 mg/kg辣木葉提取物組、500 mg/kg辣木葉多糖組分組、500 mg/kg辣木葉小分子組分，研究辣木葉多糖對糖尿病大鼠血糖改善情況，其中辣木葉多糖組分降血糖效果最為顯著。辣木葉多糖通過調(diào)控2型糖尿病大鼠臟器系數(shù)，顯著降低大鼠血清MDA含量、甘油三酯（TG）、總膽固醇（TC）和低密度脂蛋白（LDL）含量。同時，顯著提高GSH-Px活性、高密度脂蛋白膽固醇（HDL-C）水平而達(dá)到降血糖效果。研究結(jié)果表明，辣木多糖的降血糖機制可能是通過提高對葡萄糖的耐受量和抗氧化酶活性，改善機體脂質(zhì)代謝異常，防止心血管疾病等并發(fā)癥的發(fā)生。綜上，辣木葉多糖可作為降血糖藥物進(jìn)行開發(fā)。

3.3 降血脂

近年來，隨著人們的生活水平不斷提高，飲食結(jié)構(gòu)也隨之改變，由于攝入大量的高油脂食物，增加高血脂的發(fā)病率。辣木葉水提物通過顯著降低大鼠血清中的TC、TG、LDL水平，顯著降低大鼠的脂肪含量、肥胖指數(shù)及血脂水平，進(jìn)而達(dá)到降血脂作用[26]。此外，通過生化指標(biāo)檢測發(fā)現(xiàn)，辣木籽可以顯著降低血糖值，改善認(rèn)知障礙，其治療機制可能是緩解STZ所導(dǎo)致的大腦瞬間血糖濃度升高和神經(jīng)元的損傷[27]。Yang等[28]通過8種不同方法提取辣木葉多糖，其中超聲波輔助纖維素酶提取的多糖（MOLPFs）半乳糖含量較高，有助于促進(jìn)線性大分子釋放，同時結(jié)合膽汁酸能力較強，起到潛在的降血脂作用。該研究指出，半乳糖與膽汁酸結(jié)合率呈正相關(guān)，推測半乳糖與MOLPFs的活性結(jié)合位點有關(guān)。

3.4 抗炎

炎癥是機體的生理反應(yīng)，可保護宿主免受非生物和生物因素（如細(xì)菌感染和有害刺激等）引發(fā)的傷害。研究表明[29]，辣木葉水提物發(fā)酵液通過抑制IL-1β、IL-6、IL-8、腫瘤壞死因子（TNF）-α水平，促進(jìn)炎癥因子IL-10、轉(zhuǎn)化生長因子-β（TGF-β）mRNA的表達(dá)，發(fā)揮抗炎作用。崔璨等[4]為研究辣木葉多糖抗炎作用，建立小鼠巨噬細(xì)胞RAW264.7細(xì)胞作為體外炎癥細(xì)胞模型。結(jié)果表明，辣木葉多糖可顯著抑制一氧化氮合酶（iNOS）活性、環(huán)氧化酶2（COX-2）和TNF-α的表達(dá)，分子水平研究分析揭示辣木葉多糖通過抑制NF-κB信號傳導(dǎo)通路，發(fā)揮抗炎作用；繼續(xù)采用該細(xì)胞模型探究辣木根多糖（MRP-1）的抗炎活性，也得到了類似的試驗結(jié)果[6]。研究發(fā)現(xiàn)，MRP-1通過抑制炎癥相關(guān)的NO和TNF-α，顯著降低iNOS的mRNA表達(dá)水平，從而發(fā)揮抗炎作用，推測MRP-1所含的半乳聚糖可能參與抗炎作用。Dong等[20]通過試驗證實辣木葉多糖（MOP-2）對巨噬細(xì)胞RAW 264.7發(fā)揮抗炎免疫活性，推測其抗炎機制可能與PI3K/AKT/mTOR信號通路有關(guān)。同時，從辣木葉中分離出另一種新型多糖MOP-3，研究表明，MOP-3通過刺激細(xì)胞中iNOS、IL-6和TNF-α的分泌，發(fā)揮抗炎作用。綜合研究結(jié)果，辣木多糖具有抗炎作用，主要通過激活巨噬細(xì)胞、增強巨噬細(xì)胞的增殖能力和吞噬能力、調(diào)節(jié)體內(nèi)的炎癥因子激活細(xì)胞內(nèi)各種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，同時提高抗氧化酶的活性，促進(jìn)NO釋放，從而實現(xiàn)抗炎作用。因此，辣木多糖可以作為一種新型抗炎劑開發(fā)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.5 抗腫瘤

腫瘤疾病一直是全球醫(yī)療面臨的棘手問題之一，根據(jù)Globocan統(tǒng)計[30]，2018年全球腫瘤新發(fā)病例的人數(shù)高達(dá)約有1 810萬，死亡人數(shù)約有960萬。辣木葉水提物通過增加氧化應(yīng)激和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡對肺癌細(xì)胞A549、食道癌細(xì)胞SNO和前列腺癌細(xì)胞DU145有較好的抗增殖效果。植物的天然活性多糖具有抗腫瘤生物活性，且對生物體無顯著副作用。馬莉等[31]檢測辣木葉多糖對腫瘤細(xì)胞的體外抑制活性，試驗結(jié)果表明，辣木葉多糖抑制結(jié)腸癌細(xì)胞HCT116和人宮頸癌細(xì)胞Hela生長，通過MTT法測量出辣木葉多糖對細(xì)胞HCT116的生長抑制率，結(jié)果為2.28%～59.3%，IC50值為7.30 mg/mL；對Hela細(xì)胞生長抑制率為1.21%～ 47.6%，IC50值為7.83 mg/mL。可見，在抗腫瘤方面，辣木多糖具有開發(fā)潛力，但其抗癌機制有待進(jìn)一步研究。

3.6 增強腸道免疫

腸道菌群結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種群繁多，能幫助人體消化食物，吸收營養(yǎng)，預(yù)防炎癥性腸病，產(chǎn)生有益于人體的免疫反應(yīng)，還有助于防止病原體侵入，促進(jìn)人體的腸道發(fā)育。人體內(nèi)腸道菌群可以通過對多糖利用，改善其組成結(jié)構(gòu)，促進(jìn)有益菌群的繁殖生長，降低有害菌群的繁殖生長，同時產(chǎn)生短鏈脂肪酸（SCFAs）等有益代謝產(chǎn)物，發(fā)揮免疫作用。研究表明，通過模擬人體胃腸道逆環(huán)境和酵解試驗發(fā)現(xiàn)，辣木葉多糖可以有效促進(jìn)植物乳桿菌和保加利亞乳桿菌的繁殖和生長，顯著提高植物乳桿菌和保加利亞乳桿菌對膽汁酸鹽、酸性條件及胃腸液的耐受性[32]。在辣木葉多糖的干預(yù)過程中，通過體外模擬發(fā)酵試驗觀察到，添加辣木葉多糖可以增加腸道菌群的多樣性，改變腸道菌群的結(jié)構(gòu)（擬桿菌門和厚壁菌門），同時增加酵解液中的SCFAs的含量[33]。關(guān)于其對腸道免疫機制還不十分明確，但結(jié)果表明，辣木多糖可以通過影響腸道菌群的結(jié)構(gòu)，改善腸道穩(wěn)態(tài)平衡，從而增強腸道免疫。

4 結(jié)語

辣木是一種藥食同源植物，近年來，辣木的開發(fā)利用主要集中在功能性食品、廢水處理、植物蛋白飼料、生物柴油和化妝品等方面。我國辣木資源豐富，為辣木多糖的開發(fā)應(yīng)用提供物質(zhì)基礎(chǔ)。在國家大力支持粵港澳大灣區(qū)健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展下，由于辣木多糖具有降血糖血脂、抗炎、抗腫瘤等多種生理活性，未來可以作為功能食品或保健品添加劑。同時，由于其具有良好的抗氧化作用，可以作為抗氧化劑。除此之外，還可以用于飼料添加劑。因此，鑒于辣木具有潛在市場的發(fā)展前景，應(yīng)當(dāng)在多領(lǐng)域大力發(fā)展辣木產(chǎn)業(yè)。

綜上，目前對辣木多糖的提取工藝及生物活性等方面開展了一系列研究工作，取得一定進(jìn)展。然而，還存在一些亟待解決的問題，辣木多糖常與蛋白質(zhì)或酚類等物質(zhì)結(jié)合，如何在分離純化過程中減少多糖損失；如何聯(lián)合多糖的提取工藝，有效提高多糖得率，適用產(chǎn)業(yè)化開發(fā)；同時，對辣木多糖的結(jié)構(gòu)還處于單糖的組成、糖苷鍵連接方式等一些一級結(jié)構(gòu)研究，需要更深入研究辣木多糖的高級結(jié)構(gòu)，為辣木多糖構(gòu)效關(guān)系的研究奠定基礎(chǔ)；也需要進(jìn)一步通過動物實驗探究辣木多糖生物活性的作用機制及多糖添加量與生物活性的關(guān)系。因此，關(guān)于辣木多糖還有較大的研究空間。基于前期對辣木多糖的研究，今后需要不斷深入對辣木多糖生物學(xué)和糖組學(xué)的研究，拓寬辣木多糖在功能性食品和藥品等方面開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域，為辣木多糖的利用提供研究依據(jù)和理論價值。