D-甘露糖生產工藝及生理功能研究進展

倪娓娓，胡超群，白福來，季文娜，張 茜,

（1.濟南圣泉集團股份有限公司，山東濟南 250000；2.濟南圣泉唐和唐生物科技有限公司，山東濟南 250000）

D-甘露糖化學式為C6H12O6（結構式見圖1），常溫常壓下呈白色結晶粉末狀態，味甜而略帶后苦，熱量較低。D-甘露糖在自然界中分布廣泛：是體液和組織中糖類化合物的重要組成成分，如血清球蛋白、卵類粘蛋白及細胞表面受體中含有D-甘露糖的聚糖等[1]；棕樹籽、椰子外殼等植物的細胞壁中含有由D-甘露糖組成的多糖，同時在一些水果中也含有游離的D-甘露糖，如柑橘、桃、蘋果等[2]。目前主要通過植物提取法、化學合成法、生物轉化法等工藝生產D-甘露糖，隨著對D-甘露糖研究的深入以及應用領域的增加，市場需求量在不斷擴大。

圖1 D-葡萄糖和D-甘露糖的結構式Fig.1 Structural formulas of D-glucose and D-mannose

人體內的D-甘露糖參與維持正常的細胞通訊機能，包括細胞溝通、黏著、訊息傳導與接收等，在人體免疫防御系統中發揮著重要作用，缺乏或過度表達可能會增加許多疾病的易感性和嚴重程度[3-5]。近年來，D-甘露糖的生理功能已成為研究熱點，D-甘露糖干預已被發現在預防和緩解泌尿系統感染、抗腫瘤等方面發揮重要作用[6-7]，或可作為一種重要的功能性原料和生物反應修飾劑，在功能性食品以及生物醫學領域發揮重要作用。本篇綜述就D-甘露糖的生產工藝、代謝途徑以及生理功能等方面的研究進展進行綜述。

1 D-甘露糖的生產工藝

目前，D-甘露糖的生產方法主要包括植物提取法、化學合成法和生物轉化法三種，過去商品化的D-甘露糖是從植物中提取，或以D-葡萄糖為原料通過化學方法生產。然而，上述兩種方法受到原料供應、能耗、副產物或下游復雜純化步驟的限制。因此近年來生物法生產D-甘露糖受到越來越多的關注。不同生產工藝研究進展見表1。

1.1 植物提取法

植物提取法是通過水解（酸水解、酶水解等）、過濾、分離、純化、濃縮等步驟對植物和水果中多糖和寡糖進行水解分離提取D-甘露糖的過程，其中，棕櫚仁、咖啡渣、巴西莓種子、紅棗粉等是生產D-甘露糖較好的原料[8-9]。研究文獻中植物提取法的溫度一般在50～121 ℃之間，時間控制在30 min～4 h 之間[10-12]，具體D-甘露糖提取條件與得率見表1。此外，許多微生物的細胞壁中也含有D-甘露糖聚糖，如釀酒酵母、畢赤酵母等，也可以用于D-甘露糖的提取[13]。這種方法的優勢是純植物來源、成本低、得率高，適合工業化生產，缺點是生產過程需要高溫和高濃度的酸/堿等溶劑，容易造成環境污染，且生產制備受地域、季節影響較大。

1.2 化學合成法

化學合成法主要是使用鉬酸鹽催化D-葡萄糖異構化反應合成D-甘露糖，利用化學合成法生產需要嚴格控制反應條件，根據表1 中可知溫度范圍為100～150 ℃，pH 為3.0 左右，反應時間在1～2 h 之間，D-葡萄糖轉化D-甘露糖得率為29.2%～44.8%。化學法的優勢是原料來源穩定，劣勢是原料價格較高，另外由于無機催化劑對底物的特異性較差，往往伴隨許多副產物的產生，分離困難，成本較高。因此，化學合成法仍有許多生產工藝方面的挑戰需要克服，目前不適合D-甘露糖的工業化生產。

表1 不同工藝生產D-甘露糖研究進展Table 1 Research progress in the production of D-mannose by different processes

1.3 生物轉化法

生物轉化法是以D-果糖或D-葡萄糖為原料，通過酶促反應轉化得到D-甘露糖。可以從微生物中發掘相關酶基因，通過構建重組表達質粒載體，得到可以高產相關酶的重組工程菌，用以酶促反應生產D-甘露糖[14]。研究最多的酶是D-甘露糖異構酶，另外D-來蘇糖異構酶也可以用來生產D-甘露糖，其是一種醛糖-酮糖異構酶，具有廣泛的底物特異性，可以催化D-木酮糖和D-來蘇糖以及D-果糖和D-甘露糖之間的異構化反應[15]。目前已經被證明可以從假單胞菌、鏈霉菌、大腸桿菌等菌屬中分離出來相關酶基因，多以大腸桿菌為載體合成工程菌[14,16]。

酶法生產D-甘露糖相關研究相對較多，其他文獻生產條件與得率可見表1。在生產過程中，酶活性受溫度和pH 的影響較大，由表1 可知溫度在45～60 ℃間，pH 在6.5～9.0 范圍內，反應時間1～8 h，轉化率為22.1%～39.3%。酶法生產D-甘露糖的優點是原料來源穩定、反應條件溫和、成本低。但是目前報道中使用的異構酶催化效率不高，易受反應條件的影響。

2 D-甘露糖的代謝途徑

攝入的D-甘露糖通過腸道被吸收、代謝，代謝過程的第一步是利用己糖激酶（HK）和三磷酸腺苷作為輔助因子通過磷酸化轉化成甘露糖-6-磷酸（M-6-P）。第二步可分為三個代謝途徑：一是M-6-P 通過磷酸甘露糖異構酶（PMI）轉化為D-果糖-6-磷酸（F-6-P），隨后進入糖酵解途徑；二是通過2-酮基-3-脫氧-D-甘油-D-半乳壬酮糖-9-磷酸合成酶（KPS）生成2-酮基-3-脫氧-D-甘油-D-半乳壬酮糖-9-磷酸（KDN-9-P），進一步合成KDN；三是M-6-P 可以通過磷酸甘露糖變位酶（PMM）轉化為甘露糖-1-磷酸（M-1-P），M-1-P 與三磷酸鳥苷（GTP）反應通過鳥苷二磷酸甘露糖焦磷酸化酶（GMPP）生成鳥苷二磷酸甘露糖（GDP-M）和焦磷酸鹽，GDP-M 是一種D-甘露糖供體，可通過甘露糖磷酸多萜醇合成酶（DPM）生物合成甘露糖磷酸多萜醇（Dol-P-M），隨后這些中間產物參與糖基化反應，將D-甘露糖結合到糖蛋白和糖脂中，包括N-糖基化、O-甘露糖基化、C-甘露糖基化和糖基化磷脂酰肌醇-錨定蛋白合成。除了外源攝入的D-甘露糖外，葡萄糖和糖原可以轉化為葡萄糖-6-磷酸（G-6-P），G-6-P 通過磷酸葡萄糖異構酶（PGI）轉化成F-6-P、F-6-P 與M-6-P 之間可以通過PMI 轉化。D-甘露糖的代謝途徑簡圖如圖2 所示[26-27]。

圖2 D-甘露糖的代謝途徑[26-27]Fig.2 D-Mannose metabolic pathway[26-27]

通過研究發現D-甘露糖的分解代謝幾乎與葡萄糖相同。在哺乳動物細胞中，95%～98%的D-甘露糖進入細胞，通過PMI 分解代謝，大約2%用于糖基化，M-6-P 的利用在很大程度上取決于細胞內PMI和磷酸甘露糖變位酶的比值，比值越高分解代謝越強，比值越低有利于糖基化途徑[28-29]。另外，葡萄糖來源的F-6-P 也可以通過PMI 生成D-甘露糖，隨后進行下一步代謝。

3 D-甘露糖的生理功能與應用

近年來，隨著人們對D-甘露糖研究的深入，其多種生理功能被發現，包括預防和緩解尿道感染、抗腫瘤、免疫系統調節等，一是D-甘露糖可以阻止尿道致病性大腸桿菌與甘露糖基糖蛋白黏附，起到泌尿系統保護作用；二是攝入的D-甘露糖可以通過在腫瘤細胞內以M-6-P 的形式積累，抑制與葡萄糖代謝相關酶，或者通過降低葡萄糖轉運載體蛋白表達，干擾腫瘤細胞葡萄糖攝取，進而發揮抗腫瘤作用；三是發現D-甘露糖可通過增強初始T 細胞向調節性T 細胞（Treg 細胞）轉化起到免疫系統調節作用。另外也發現D-甘露糖具有一定的皮膚護理作用。因此，預測D-甘露糖在健康食品和生物醫學領域的應用將越來越廣泛，具有很大的市場潛力。

3.1 預防和緩解泌尿系統感染

泌尿感染是由細菌直接侵入尿路而引起的炎癥，最常見尿路病原體是大腸桿菌[30]。大腸桿菌具有特異的毒力因子，常見的是Ⅰ型菌毛粘附蛋白FimH，能夠幫助細菌與位于尿路上皮細胞的D-甘露糖基糖蛋白黏附，產生炎癥反應，這種相互作用被認為是一種信號級聯[31-32]，具體機制見圖3。

圖3 尿道致病性大腸桿菌侵襲尿路上皮機制示意圖[32]Fig.3 Schematic diagram of uropathogenic Escherichia coli invading the urothelium[32]

D-甘露糖通過尿道排出體外時，可以與Ⅰ型菌毛尖端的黏附蛋白FimH 結合，使其飽和，阻止信號級聯的誘導，進而阻止細菌粘附在尿路上皮。研究已經證明D-甘露糖對尿路感染具有很好的抑制效果。LENGE 等[33]進行一項系統回顧和薈萃分析發現D-甘露糖在劑量為420 mg～2 g 之間時，以每日1 至3 次，每月1 周等不同頻率進行干預時，耐受性良好，副作用極小，只有一小部分人出現腹瀉現象，對復發性尿路感染具有保護作用（與安慰劑相比），其效果與抗生素類似。KYRIAKIDES 等[34]對8 項關于D-甘露糖的研究進行分析，發現以500 mg～2 g 劑量的D-甘露糖干預不同時間（3 d～6 個月），可以降低復發性尿路感染的發生率，延長復發感染的時間間隔，提高患者的生活質量。與天然D-甘露糖相比，經過化學修飾的D-甘露糖對FimH 具有更高的親和力，這種D-甘露糖苷分子能夠通過菌毛更緊密地與細菌結合[35-37]。

另外有研究發現D-甘露糖和蔓越莓可以提高抗生素的治療效果。RDULESCU 等[38]在一項初步隨機研究中對平均年齡為39.77±10.36，無并發癥尿路感染的93 名健康非孕婦進行單獨使用抗生素或與蔓越莓提取物和D-甘露糖聯合使用，結果發現在抗生素中添加蔓越莓提取物和D-甘露糖后，在第7 d的治愈率較高（84.4% vs 91.6%），另外對于耐藥菌株治愈率顯著提高（37.5% vs 88.8%）。該結果說明蔓越莓提取物和D-甘露糖與抗生素聯合治療對尿路感染具有更高的治愈率，可增強尿病原體對急性尿路感染抗菌治療的敏感性。

以上研究數據表明D-甘露糖預防和緩解泌尿感染功能相對明確，耐受性好，安全性高，并且也發現了與其他具有泌尿系統保護作用的物質聯用能發揮更好的效果。國外已經有D-甘露糖或D-甘露糖與蔓越莓精華、維生素C 共同添加的產品，主打維護泌尿系統健康功效，如美國NOW Foods 諾奧的D-Mannose甘露糖膠囊、科立純（Clinicians）甘露糖&蔓越莓尿道輔助沖劑、美國健安喜GNC 蔓越莓+甘露糖精華。但我國還沒有批準D-甘露糖可以作為食品原料或食品添加劑，所以D-甘露糖還不能在食品中應用。

3.2 抗腫瘤

3.2.1 D-甘露糖干擾腫瘤細胞的葡萄糖轉運和代謝人體正常細胞和組織主要以有氧氧化供能，而腫瘤細胞糖代謝發生變化，在氧氣充足下，惡性腫瘤細胞糖酵解異常活躍，主要以糖酵解供能，表現為葡萄糖攝取率高，代謝產物乳酸含量高[39]。GONZALEZ 等[40]發現與半乳糖、果糖、葡萄糖相比，D-甘露糖更能有效抑制腫瘤細胞的增殖。可能的機制是D-甘露糖通過HK 進行磷酸化生成M-6-P，在腫瘤細胞內以M-6-P 的形式積累，M-6-P 可以抑制介導葡萄糖代謝的三種酶：己糖激酶、磷酸葡萄糖異構酶和葡萄糖-6-磷酸脫氫酶，干擾了糖的進一步代謝，抑制腫瘤細胞的增殖，D-甘露糖和葡萄糖之間代謝關聯示意圖見圖4。

圖4 D-甘露糖與D-葡萄糖代謝關聯示意圖[40]Fig.4 Diagram of the relationship between D-mannose and Dglucose metabolism[40]

此外，王浩等[41]利用結直腸癌細胞系HCT116及HT29 體外和原發結直腸腫瘤小鼠模型，發現D-甘露糖可能通過降低葡萄糖轉運載體蛋白GLUT1表達干擾結直腸癌細胞葡萄糖攝取及細胞增殖，降低原發結直腸腫瘤小鼠模型的腫瘤發生率及發展程度。表明D-甘露糖可能通過干擾葡萄糖轉運和代謝等途徑抑制腫瘤細胞生長、增殖，從而達到抗腫瘤的效果。

目前研究文獻證明，D-甘露糖對肺癌、肝癌、結直腸癌、胰腺腫瘤等疾病均發揮一定的作用。葛紅等[42]發現11.1 mmol/L D-甘露糖可以抑制非小細胞肺癌細胞系A549、H460，可明顯增加H460 細胞系放射敏感性和細胞凋亡率，并且隨著D-甘露糖濃度增加，對H460 細胞系具有更加顯著的抑制作用。單婷婷[43]研究發現在D-甘露糖干預可以抑制人肝癌細胞株HepG2 的增殖和遷移。GONZALEZ 等[40]進一步試驗發現與單獨使用抗腫瘤藥物相比，D-甘露糖聯合順鉑或阿霉素（抗瘤藥物）可增加腫瘤細胞的凋亡，并且在小鼠模型中也發現了相似效果，可減小小鼠腫瘤組織，提高腫瘤小鼠存活率，并且他們發現不同腫瘤細胞對D-甘露糖的敏感性取決于磷酸D-甘露糖異構酶（PMI）的水平，并且當PMI 水平較低時，腫瘤細胞對D-甘露糖更敏感。與這項研究結果一致，衣俊羽等[7]也發現D-甘露糖不僅能抑制乳癌細胞增殖，還可以增加乳癌細胞對表柔比星的（一種治療癌癥的藥物）敏感性，并且PMI 表達較低的乳癌細胞對D-甘露糖更敏感。

3.2.2 D-甘露糖修飾抗腫瘤藥物載體 D-甘露糖還可以通過修飾抗癌藥物起到抗腫瘤功能。與正常細胞相比，惡性腫瘤過度表達D-甘露糖受體，D-甘露糖可以被用于選擇性靶向和遞送藥物[44]。使用D-甘露糖修飾納米遞送系統，通過將細胞毒性藥物特異性遞送到腫瘤細胞中，可以直接誘導癌細胞凋亡，從而降低對正常細胞的毒性。

一些研究結果表明，納米遞送系統表面經D-甘露糖修飾后可提高藥物對腫瘤細胞的靶向性，提高藥物抗腫瘤效果，目前常用的納米遞送系統有聚合物膠束、脂質體、納米顆粒等[45]。王世江[46]通過D-甘露糖與聚乳酸-羥基乙酸共聚物-聚乙二醇聚合物嵌段綴合并結合于吉非替尼納米混合膠束外表面，能夠促進藥物在肺癌A549 細胞組織聚積，誘導凋亡的效果，另外利用裸鼠肺癌異種移植瘤模型，發現可以起到減緩腫瘤生長速度和腫瘤組織增殖比例的作用。陳靜[47]以D-甘露糖化膽固醇配體修飾甘草次酸脂質體，制備具有肝靶向性的藥物，發現以HepG2 細胞作為細胞模型，可提高甘草次酸在HepG2 的攝取量，增強細胞增殖抑制效果及促進細胞凋亡，并且通過給予藥物干預（劑量5.25 mg/mL），在新西蘭兔的血藥濃度和昆明小鼠的組織分布試驗中發現藥物具有肝靶向性。另外有研究發現D-甘露糖與抗癌藥物納米顆粒結合同樣可以增強治療效果，將D-甘露糖與甲氨蝶呤無載體納米顆粒通過可水解的酯鍵結合，可通過溶酶體酸度和酯酶的雙重誘導實現藥物按需釋放，增強特異性識別，降低藥物劑量和對正常細胞和組織的毒性，通過體外（人乳腺癌細胞系MCF-7）和體內（MCF-7 人乳腺癌裸鼠（BALB/c）模型）試驗，結果表明D-甘露糖可增強藥物抗腫瘤活性，具有良好的治療效果和生物安全性[48]。然而，在臨床使用之前，還需要獲得大量的實驗數據，并驗證其在人體中的安全性[49]。

另外光動力療法是抗癌療法之一，為了減少光動力治療對正常細胞的損傷，可以利用D-甘露糖對光敏劑進行修飾，提高了光敏劑對癌細胞的選擇性，是一種新型安全高效的靶向光動力療法[50]。蔡穎等[51]通過β-環糊精和金剛烷超分子識別作用制備了D-甘露糖修飾的光敏劑納米粒子，其粒徑均一，在溶液中穩定性良好，能夠被D-甘露糖受體過度表達的乳腺癌細胞MDA-MB-231 特異性識別并大量攝取，并在665 nm LED 燈照射下表現出對MDAMB-231 細胞靶向光動力治療的效果。

綜上所述，D-甘露糖一方面可以在腫瘤細胞中通過M-6-P 的積累抑制葡萄糖代謝相關酶，進而干擾糖的進一步代謝，或通過降低葡萄糖轉運載體蛋白表達減少腫瘤細胞的葡萄糖攝取，發揮抗腫瘤作用。另一方面由于腫瘤細胞中過度表達D-甘露糖受體，可以利用D-甘露糖修飾抗腫瘤藥物提高靶向性，增強對腫瘤細胞的抑制效果，降低對正常細胞的毒性。因此，D-甘露糖在腫瘤治療方面具有很大的潛力。

3.3 免疫調節

3.3.1 D-甘露糖干預對Ⅰ型糖尿病和氣道炎癥的影響 一些研究發現D-甘露糖是通過增強初始T 細胞向調節性T 細胞（Treg 細胞）轉化起到免疫調節作用。Treg 細胞是必不可少的免疫調節細胞，在誘導和維持免疫耐受、預防和抑制自身免疫性疾病中起著重要作用[52]。ZHANG 等[53]以Treg 細胞缺陷的Ⅰ型糖尿病模型的非肥胖糖尿病小鼠為研究對象，發現D-甘露糖可以預防和抑制Ⅰ型自身免疫性糖尿病，也可以在卵蛋白誘導的哮喘性氣道炎癥小鼠模型中預防和抑制肺部氣道炎癥的發展，并增加小鼠Foxp3+調節性T 細胞的比例。進一步研究發現其機制是D-甘露糖通過促進TGF-β潛伏形式的激活，誘導初始CD4+T 細胞生成Treg 細胞，而TGF-β（TGF-β是最重要的免疫抑制細胞因子之一）的活化是通過上調整合素αvβ8 和增加活性氧來介導的。

3.3.2 D-甘露糖干預對紅斑狼瘡的影響 同樣的D-甘露糖也可以通過對Treg 細胞等免疫細胞的調節改善紅斑狼瘡癥狀，WANG 等[54]首先發現D-甘露糖可以抑制骨髓源性樹突狀細胞成熟（BMDCs）以及BMDCs 誘導的抗原特異性CD4+T 細胞增殖和活化，增加了正常C57BL/6 小鼠Foxp3+調節性T 細胞的循環頻率。隨后利用移植物抗宿主病（cGVHD）狼瘡樣小鼠模型和B6.lpr 自發性紅斑狼瘡小鼠模型，發現D-甘露糖處理降低了自身抗體的產生，同時降低了效應記憶和輔助T 細胞以及生發中心B 細胞和漿細胞的頻率。以上研究結果表明，D-甘露糖改善了狼瘡模型中的自身免疫激活，至少部分是由于能夠增加Treg 細胞，下調未成熟的樹突狀細胞誘導和效應T 細胞激活。

3.3.3 D-甘露糖干預對骨質疏松的影響 研究發現炎癥的加劇會破壞骨代謝，T 細胞可以通過調節干擾素IFN-γ和腫瘤壞死因子TNF-α水平抑制骨髓間充質干細胞（BMMSCs）介導的骨形成，Treg 細胞可以抑制T 細胞，減少促炎細胞因子的分泌，從而改善基于BMMSCs 的顱骨缺損修復[55]。因此，D-甘露糖或可通過增加Treg 細胞增殖作用減少小鼠的骨質疏松，LIU 等[56]在飲水中添加D-甘露糖干預12 月齡老年C57BL6/J 小鼠和8 周齡去卵巢C57BL6/J 小鼠兩個月后，與未處理組相比，D-甘露糖干預組皮質骨體積和骨小梁顯微結構明顯增加，下調了小鼠骨髓中破骨形成相關細胞因子，同時增加了小鼠脾臟中Treg 細胞，表明D-甘露糖可能是通過誘導調節性T 細胞增殖來減輕小鼠由于衰老和雌激素缺乏而引起的骨質疏松。

以上結果表明，D-甘露糖作為一種對人體有益的單糖，將來或可在促進免疫耐受、治療/預防與自身免疫和過敏相關的人類疾病中廣泛應用。

3.4 皮膚護理

皮膚真皮網狀層內有豐富的膠原纖維、彈力纖維和網狀纖維，使皮膚具有較大的彈性和韌性。在皮膚老化過程中纖維細胞失去了合成膠原的能力，膠原降解增加，皮膚的生物力學性能下降。

研究發現D-甘露糖可能具有改善皮膚生物力學特性的功能。MEUNIER 等[57]發現由D-甘露糖、M-6-P、磷酸鈉、甘油和水組成的復合物，能夠通過重組真皮膠原蛋白網絡和改善皮膚生物力學性能來逆轉可見的衰老跡象。涂抹人類皮膚組織7 d，可以提高V 型膠原蛋白、衰老關鍵蛋白抗原、健抗原蛋白三種蛋白表達，網狀真皮密度增加；另外與安慰劑組相比，可以顯著提高面部膠原密度，減少魚尾紋數量和頸部皺紋的體積和深度。但關于D-甘露糖在皮膚護理功能方面的文獻研究相對較少，這一功能尚需大量研究進行進一步證實。

4 總結與展望

近年來，D-甘露糖受到食品、醫藥等行業越來越多的關注，對其生產工藝及生物學特性進行不斷的深入研究發現，與植物提取法和化學轉化法相比，生物法生產D-甘露糖具有較大優勢，且D-甘露糖是一種極具潛在功能和價值的“信號糖”，可以通過不同途徑發揮多種生理學功能：一是可以阻止細菌粘附在尿路上皮防治尿道感染；二是可以通過干擾葡萄糖的轉運和代謝，抑制癌細胞的增殖，也能夠通過修飾抗腫瘤藥物載體選擇性靶向和遞送抗腫瘤藥物；三是可以通過促進Treg 細胞增加在自身免疫性疾病中表現出免疫調節作用。

目前尚需更多關于D-甘露糖的研究數據支持以促進其在功能性食品和生物醫藥領域的應用。在生產工藝方面，為了提高D-甘露糖的得率、降低生產成本，需要更多針對生物轉化法的異構酶催化效率提高以及工藝條件優化方面的研究；在生理功能應用方面，D-甘露糖預防和緩解泌尿系統感染機制相對明確，已經被添加到主要針對女性泌尿系統保護的膳食補充劑中。但關于D-甘露糖的抗腫瘤、免疫調節、皮膚護理等功能的研究較新，關于作用機制的深入了解及其他作用途徑的探索、在不同類產品中的具體應用及優勢等，尚需更多研究數據進行支撐。另外，D-甘露糖的長期安全性有待進一步證實，D-甘露糖有望在功能性食品和臨床治療中發揮更積極和重要的作用。