山藥多糖的純化、結構及生物活性研究進展

黃少杰，黎攀，杜冰

（華南農業大學食品學院，廣東 廣州 510642）

山藥，又稱淮山藥、薯蕷等，為薯蕷屬的地下干燥塊莖[1]，因其具有獨特的營養價值，且煮熟后糯香可口，因此在我國得到廣泛種植與食用。山藥的品種繁多，且生長方式各異，在不同的生長條件下，其結構和生物活性也會存在差異，如太谷山藥、鐵棍山藥、惠樓山藥、河北麻山藥等不同的山藥品種的抗氧化活性存在差異。研究發現，山藥具有很高的食用價值與藥用價值，其自古以來一直是養胃益肺的良藥，也是人們日常食用的保健食品[2]。大量研究表明，山藥含有豐富的營養物質，如淀粉、氨基酸、非淀粉多糖、皂素、酚類、維生素、膽甾醇等[3]。其中多糖是山藥的主要功能活性成分，具有延緩衰老、調節免疫、降血糖、降血脂、抗腫瘤等作用[4]。

多糖在食品、醫藥、生物可降解包裝材料等新產品的開發中發揮著重要作用，開發用于功能性食品或藥物的新型生物活性多糖已成為近年來化學研究的熱點之一。基于山藥多糖在藥理上的作用，山藥多糖可制備成降血糖輔佐劑、降血脂輔佐劑、抗衰老劑、護肝劑、免疫增強劑、免疫輔佐劑、靶向微生態調節劑、補鐵劑和抗氧化劑等[5]。目前已有大量研究考察山藥多糖的多種提取方式，但不同的提取方法對多糖結構的影響卻鮮有研究。因此，本文對山藥多糖的提取純化方法、結構特性、活性機制以及結構與其生物活性之間的關系進行系統綜述，以期為山藥多糖的精深加工及商業化應用提供一定的參考。

1 提取、純化方法

山藥多糖不溶于乙醇，能溶于水，故傳統的山藥多糖提取方法為水提醇沉提取法，而該傳統提取方法的多糖提取率普遍偏低，因而在水提醇沉的技術基礎上采用其它輔助技術，以此提高山藥多糖的提取率，其中主要以超聲波輔助提取法、微波輔助提取法、酶解提取法、超濾濃縮輔助提取法為主（見表1）。

表1 山藥多糖的提取方法Table 1 Extraction methods of Chinese yam polysaccharide

為了分析植物多糖的分子質量、組成、化學結構和生物活性，需要進一步純化，目前大多采用Savage試劑去除去多糖中的蛋白質，采用大孔樹脂去除苯酚和脫色，通過離子交換層析和凝膠過濾等深一步純化[11-12]，如圖1所示。李研等[13]通過加入3種不同的大孔樹脂對山藥粗多糖進行純化，最終得出最佳的純化條件為吸附溫度29.29℃、吸附時間19.67 h、D-101樹脂加入量為2.50 g，其靜態吸附率為67.39% 。

圖1 山藥多糖的提取、純化和生物活性示意圖Fig.1 Schematic diagram of extraction,purification，and bioactivity of Chinese yam polysaccharide

而目前山藥多糖主要的純化方法是柱層析法，其利用不同的吸附劑和洗脫劑，收集含有山藥多糖的餾分，通過透析、濃縮和凍干以產生高純度多糖。柱色譜法是植物多糖純化和分類最常用的方法，又分為陽離子交換、陰離子交換和凝膠過濾色譜。王遠輝等[14]利用DEAE-52纖維素層析柱和Sephadex G-100層析柱對粗品進行分離純化，得到3種鐵棍山藥多糖組分 DOTP1、DOTP2和 DOTP3，得率分別為0.34% 、0.42% 和0.36% ，純度分別為93.11% 、91.22% 和92.75% 。

2 山藥多糖結構

山藥的品種、環境、種植技術等多種因素會使得山藥中多糖的含量、化學結構、平均分子量、單糖組成存在一定的差異。目前山藥多糖的結構分析研究主要集中在單糖組成、分子量、糖苷鍵類型和主鏈結構[15-16]等方面。對植物多糖進行表征的分析方法主要有核磁共振 波 譜 （nuclear magnetic resonance spectroscopy，NMR）、紅外光譜（infrared spectroscopy，IR）、氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）、氣相色譜、甲基化分析、高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）、 高碘酸氧化、史密斯降解分析和超高效液相色譜-電噴霧質譜（ultra high performance liquid chromatography-electrospray ionisation mass spectrometry，UHPLC-ESI-MS）[17-18]等。

山藥多糖（Chinese yam polysaccharides，CYP）的主要結構特征（單糖組成、分子量、化學結構、機理和生物活性）見表2。

表2 山藥多糖的分子量、單糖組成、結構特征、生物活性及機理Table 2 Molecular weight，monosaccharide composition，structural characteristics，bioactivity，and mechanism of Chinese yam polysaccharide

2.1 多糖分子量及單糖組成

目前通常采用HPLC、高效凝膠滲透色譜（high performance gel permeation chromatography，HPGPC）和高效液相色譜-蒸發光散射檢測器（high performance liquid chromatography evaporative light scattering detector，HPLC-ELSD）等技術測定南瓜多糖的平均分子量[22]。根據表2可知，由于山藥的品種和提取純化工藝的不同，使得多糖的分子量與單糖組成會存在很大差異。趙國華等[16]從山藥中提取純化得到多糖RDPSⅠ，用HPLC測定其分子量為4.1 kDa，而Li等[21]提取純化得到的山藥多糖的分子量僅為2 860 Da；大多的山藥多糖是主要由葡萄糖、半乳糖等以不同的摩爾比組成，于海芬[19]研究了山藥多糖的單糖組成，發現其是由鼠李糖、阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖和半乳糖醛酸以不同的摩爾比組成；Ju等[20]研究發現山藥多糖則是以甘露糖、葡萄糖、半乳糖和葡萄糖醛酸組成，其摩爾比為 0.5∶1.2∶0.3∶0.3。

2.2 多糖的化學結構

目前除了分子量和單糖成分外，對山藥多糖結構或構象有關的研究也較多。Li等[21]經研究發現山藥多糖（CYP-1）是一種甘露聚糖，其主鏈主要由1,4-α葡萄糖苷鍵組成，該主鏈在O-2、O-3、O-6位置存在T-α甘露糖糖苷鍵支鏈；趙國華等[16]利用DEAE cellulose及SephadexG 100色譜柱純化得山藥多糖（RDPS I），采用酸水解、甲基化反應、乙酰化后進行GC-MS分析，數據顯示該山藥多糖的主鏈是（1→3）連接的葡聚糖，側鏈由甘露糖和半乳糖構成，其連接方式為（1→2）連接。

2.3 多糖的結構修飾

多糖的適當修飾可提高其生物活性，目前接合和降解是多糖改性的兩種主要方法。多糖的結合是一種化學改性，包括硫酸化、羧甲基化、乙酰化、磷酸化等，這些改性方法可以開發和生產更多具有生物活性的山藥多糖種類，用于制藥、保健品等。目前山藥多糖的改性主要是硫酸化修飾和羧甲基化。許春平等[23]對山藥多糖進行硫酸酯化修飾，修飾后的山藥多糖對比未修飾的多糖具有更強的抗氧化活性。

3 功能活性

大量研究證明山藥多糖具有抗氧化、抗炎、調節免疫功能、抑菌的多種生物活性，隨著科研條件及技術的發展，對于山藥多糖功能活性作用機理的研究已取得一定進展。

3.1 免疫調節活性

大量研究表明，植物多糖間接對宿主免疫系統產生各種生物活性作用，幾乎沒有不良影響[24-25]。Kong等[26]經研究發現，與未添加組相比，山藥多糖能顯著提高血清中IL-2、腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）含量及外周血淋巴細胞增殖活性，降低血清中低密度脂蛋白、總膽固醇和甘油三酯含量，且可提高斷奶大鼠的細胞免疫能力，在非特異性防御感染方面具有重要的保護作用；Huang等[27]以非淀粉山藥多糖為原料，制備出硫酸山藥多糖，結果表明小鼠血清中脾臟淋巴細胞因子白細胞介素（IL）-1β、腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor-α，TNF-α） 水平及免疫球蛋白（IgG、IgM）分泌水平均顯著升高，表明CYP和硫酸化山藥多糖（sulfated Chinese yam polysaccharide，S-CYP）是一種很有前景的免疫調節劑。

3.2 降血糖、降血脂

糖尿病是一種高度流行的慢性疾病，在世界各地都有很高的發病率和死亡率[28]。植物多糖具有降糖活性，可影響葡萄糖代謝酶活性，抑制糖異生，促進肝糖原合成，通過其降糖活性促進胰島素分泌，從而調節糖代謝紊亂和胰島素抵抗[29]。此外，山藥多糖可能通過不同的微生物發酵途徑被分解為短鏈脂肪酸（shortchain fatty acids，SCFA）和低聚糖，山藥多糖對不同類型糖尿病患者腸道微生物群的影響和緩解作用可通過腸道微生物群的改變來調節[30]。

楊宏莉等[31]通過注射小劑量鏈脲佐菌素配合高熱量飲食的方法，構建出2型糖尿病小鼠模型，用山藥多糖灌胃4周后，經檢查發現，山藥多糖治療組中胰島血糖素水平顯著升高，己糖激酶、琥珀酸脫氫酶和蘋果酸脫氫酶的活性顯著提高，結果表明山藥多糖具有明顯的降血糖作用。

3.3 抗氧化活性

許多植物多糖具有天然的抗氧化活性。目前，已有許多研究證明山藥多糖具有良好的抗氧化活性，是一種安全、優質的天然食品抗氧化劑。羥基自由基很容易在體內產生，因其容易與氨基酸、蛋白質、DNA等分子發生反應，導致細胞損傷，而被認為是生物組織中最具活性和毒性的自由基[20]，因此它被廣泛用作評價抗氧化劑有效性的自由基。Yang等[15]通過抗氧化試驗發現，山藥多糖表現出較強的抗氧化能力，其具有清除羥自由基和超氧陰離子自由基的能力，且該兩種自由基清除率都隨多糖濃度的增加而提高。

DPPH自由基是為數不多的自由基來源之一，是一種被普遍用來評價抗氧化物質清除自由基活性的自由基，已有研究證明山藥多糖對DPPH自由基的清除能力呈濃度依賴性，且當濃度超過100 mg/mL時，山藥多糖對DPPH自由基的清除率均大于50%[32]。

3.4 抗炎

有研究表明，山藥多糖可以抑制結腸炎小鼠中的促炎細胞因子（如TNF-α和IL-1β）的過度產生。口服山藥多糖（CYP-1）可以明顯減輕結腸炎病理損傷，抑制結腸炎癥信號通路（如NF-κB和NLRP3炎癥小體）的激活，恢復連接蛋白（如ZO-1、連接蛋白和連接蛋白-43）的mRNA表達，并通過減少Alistipes、幽門螺桿菌和未知腸桿菌科的豐度來調節腸道微生物群[21]，闡明了山藥多糖具有預防炎癥性腸病的治療潛力。

3.5 抗腫瘤活性

大量對植物多糖抗腫瘤活性的研究表明，這些分子可以抑制腫瘤血管生成，促進腫瘤抑制基因的表達，誘導腫瘤細胞凋亡，增強免疫調節[33-34]。許遠征等[35]通過用山藥多糖對腫瘤小鼠進行治療后，觀察發現山藥多糖能明顯抑制小鼠體內腫瘤的生長，且可顯著提高腫瘤小鼠IL-2和TNF-α水平。

3.6 胃腸道保護作用

多糖可影響腸道健康和腸道微生物群。于蓮等[36]采用聚合酶鏈式反應變性梯度凝膠電泳（polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis，PCR-DGGE）技術分離腸道細菌16S rRNA PCR產物，結果發現在腸道微生態失調模型大鼠中，山藥多糖治療的大鼠的DNA濃度高于自然恢復組，DGGE的多樣性指數分析表明治療組的條帶豐富度大于自然恢復組，從而證明納米山藥多糖對腸道微生態失調大鼠具有顯著的改善作用。

于海芬[19]以山藥多糖為研究對象，通過體外模擬消化液的方法及構建小鼠急性酒精胃黏膜損失模型，研究山藥多糖對胃腸道中相關消化指標的影響和胃腸功能調節的活性，結果表明山藥多糖能明顯降低葡萄糖的擴散速度、抑制α-淀粉酶和胰脂肪酶的活性，能結合膽汁酸、瓦解膽固醇膠體，并且對胃黏膜損傷具有較好的保護作用，改善損傷情況。

4 結構與生物活性的關系

植物多糖的生物活性與其結構密切相關。由于其種類、分布、生長條件、采收時間、提取純化工藝的不同，所得到的多糖的結構也不同，從而產生不同的藥理活性和可能的作用機制。

4.1 多糖生物活性與分子量的關系

山藥多糖的分子量對其生物活性具有顯著的影響，這可能有兩方面的原因：①分子量的減少導致多糖構象的改變，從而影響山藥多糖的生物活性；②分子量的多少可能會影響多糖的活性位點，從而改變多糖生物活性的強弱[37]。山藥多糖分子量的減小可能會增強其免疫調節能力。其中有研究發現，通過改變乙醇濃度來提取不同分子量段的山藥多糖，在80% 高濃度乙醇所得的低分子量段的山藥多糖表現出更好的抗豬細小病毒（porcine parvovirus，PPV）SD1株感染效果，并且其增強細胞活性的能力更強[38]。

4.2 多糖生物活性與單糖組成的關系

植物多糖的生物活性與其單糖組成存在密切關系，Yang等[15]所提取的山藥多糖由葡萄糖、半乳糖兩種單糖組成，該多糖具有一定的抗氧化能力，其在1 mg/mL濃度下，對羥基自由基的清除率約為43% ，而尚曉婭等[39]所提取的山藥多糖由由鼠李糖、阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖和半乳糖5種單糖組成，而該多糖在濃度為1mg/mL時，其對羥基自由基的清除率則接近50% 。

4.3 多糖生物活性與結構修飾的關系

目前，通過修飾植物多糖的結構來改變多糖生物活性的方法已被廣泛應用。許春平等[23]發現與山藥多糖相比，硫酸酯化后的山藥多糖的DPPH·和OH·清除率明顯更高；同時，最新研究發現，硫化改性后的山藥多糖可增加小鼠結腸中消化酶的活性，并且能有效調節腸道微生物的結構，通過調節免疫抑制小鼠腸道微生物群的組成來保持腸道健康[40]，因此推測山藥多糖中硫酸基含量越高，其抗氧化活性和腸道保護調節活性越高。

4.4 多糖生物活性與結構特征的關系

近期有研究發現[41]，不同的護色方式會影響山藥多糖的結構特征，在此基礎上，通過分離純化得到分子質量、糖醛酸含量、單糖組成上均有顯著差異的多種多糖成分，這些多糖在免疫試驗中均能促進RAW264.7 細胞分泌 TNF-α、IL-6、IL-1β、NO，但不同多糖組分的促進效果存在顯著差異。

5 結語

多糖是生物體內一種重要的生物活性大分子，其具有抗腫瘤、調節機體免疫活性等多種功能活性，而這些生物活性與多糖的分子結構息息相關。不同品種山藥的山藥多糖含量、單糖組成、相對分子量、糠醛酸含量也不同。同時，不同的提取、純化方法也會影響所得的山藥多糖的結構，進而影響山藥多糖的生物活性。目前，雖然對山藥多糖的研究取得很大進展，但關于山藥多糖的多種生物活性的作用機理還尚未明確，因此仍需進行大量的藥理及毒理學動物實驗，以進一步了解和明晰其功能活性，為山藥多糖的開發利用提供科學的理論依據，拓寬山藥多糖的應用領域。