植物源功能活性多糖的提取及其研究進展

譚婉碧 王琴飛 余厚美 何毅 張振文

（1.中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所/國家薯類加工技術研發分中心 海南?？?571101；2.武漢輕工大學 湖北武漢 430000）

自1902年，德國科學家Fischer首次開展多糖研究以來，至今已有一百多年的歷史；在1968年，日本學者千原昊郎首次驗證活性多糖具有抗腫瘤功能[1]，多糖的生理活性開始得到普遍關注，并在近20年來成為研究熱點，研究的內容包括活性多糖的分子量、結構和生物活性等[2-4]。

多糖(Polysaccharide)是指由10個以上的相同或不同的單糖組成，通過α-或β-糖苷鍵連接在一起形成的長鏈聚合物，普遍存在于自然界動植物中[5]。常見多糖按其組成可分為雜多糖和均多糖，雜多糖是由2種或2種以上單糖組成，如葡甘露聚糖、果膠等，均多糖是由同一種單糖聚合而成，如淀粉、纖維素等；按其功能可分為能源型多糖和活性多糖，能源型多糖如淀粉，是有機體能源物質，活性多糖是指一類參與機體生理代謝，具有抗氧化、免疫調節、抗腫瘤和護肝等生物活性的多糖[6-8]；按其在植物細胞的分布可分為胞內和胞外多糖，胞內多糖一般存在于液泡當中，如果聚糖和甘露聚糖，胞外多糖如樹脂和果膠，木聚糖和甘露聚糖等[9]。

文章分析國內外植物源活性多糖的研究報道，概述植物源活性多糖提取工藝，總結植物源活性多糖的種類、組成結構和生理活性，提出植物源活性多糖的應用研究前景與發展趨勢。

1 多糖提取

1.1 熱水浸提法

熱水浸提法是當前植物源活性多糖提取應用最為廣泛的方法，具有提取設備簡單、工藝方便、成本較低、適合工業化生產應用等優點；其工藝流程包括預處理、粉碎、熱水浸提、離心、醇析和冷凍干燥等。研究表明，采用熱水浸提法，按料液比1:40（g/mL）、提取時間3.1 h、提取溫度75℃提取香椿葉活性多糖，其多糖含量達到58.5%[10]；同樣的提取方法，在料液比 1:15（g/mL）、提取溫度70℃、提取時間2 h、提取次數 2次、85%乙醇醇沉條件下紫心甘薯活性多糖的提取率可達到最高[11]；唐建波等[12]研究發現，刺梨在料液比1:20（g/mL），浸提時間2.6 h，浸提溫度90℃，浸提3次的提取條件下，活性多糖得率最高?？梢?，熱水浸提法普遍耗時超過2 h，溫度高達70℃以上，存在提取時間長、能耗大的問題，因此需要結合其他提取方法進行優化。

1.2 酸堿提取法

酸堿提取法是通過一定濃度的酸堿溶液破壞植物細胞的細胞壁、細胞膜，細胞破裂有助于多糖的釋放。其提取工藝流程包括預處理、粉碎、酸或堿浸提、離心、醇析和冷凍干燥等。在酸堿提取法中，對多糖提取率產生影響的因素主要包括酸和堿濃度、提取時間、溫度、料液比等。黃越等[13]同等條件下堿液提取、超聲提取、熱水浸提3種方法對猴頭菇多糖得率及其抗氧化性能影響的研究結果顯示，在料液比1:20(g/mL)、NaOH濃度0.3 mol/L、50℃條件下水浴加熱2 h，提取的多糖得率最高，其多糖抗氧化活性效果最佳；于美匯等[14]在探索黑木耳多糖的降血脂功能時發現，堿提的黑木耳多糖，隨著質量濃度的增加，多糖結合膽酸鹽的能力增強，在結合達到穩定后，結合率高達 34.7%。任初杰等[15]研究了酸濃度、溫度、時間、料液比和提取次數5個因素對酸提花生粕中多糖得率的影響，結果表明，在最佳工藝條件下酸濃度0.17 mol/L，提取時間74 min，料液比1:25，提取溫度87℃，提取次數1次，花生粕中多糖得率為 9.39%。據報道，酸堿浸提法與熱水浸提法相比，不僅在工藝上有所改進，效率、得率更高，還能夠將不易溶出的多糖釋放出來，從而提升多糖得率。但酸堿提取過程對酸堿濃度的控制是重難點，過酸過堿都容易引起多糖水解、破壞多糖的結構，而多糖的結構與功效聯系緊密；其次酸堿法對提取容器的選擇更為苛刻，不利于工業化應用[16]。

1.3 酶提法

酶提法是最近幾年發展起來的植物源多糖提取工藝，利用酶的專一性和高效性。一方面，通過酶快速降解植物細胞壁和細胞膜中纖維素、果膠、淀粉等成分，加快多糖的溶出；另一方面，酶可以把多糖中大分子量的多糖降解為更小的片段，從而幫助多糖溶解出來[17]。提取工藝流程包括預處理、粉碎、酶提、滅酶、離心、醇析和冷凍干燥等。酶提取法可分為單酶法和復合酶法 2種。薛燕等[18]在探討復合酶法中性蛋白酶和纖維素酶提取鐵皮石斛多糖的最佳工藝時發現，在酶濃度為10%（二者比例為2∶1）、料液比1∶120（g/mL）、酶解溫度為55℃、pH 6.0、酶解時間3 h的條件下提取，多糖得率為（43.85±1.8）%。傅晶依等[19]利用纖維素酶與酸性蛋白酶提取豆渣多糖，多糖得率為 7.72%。酶提取法具有操作條件溫和、提取周期短、綠色環保等優點，但與酶解時間、溶液 pH和環境溫度關系密切，提取成本高，是限制其工業化生產的主要因素。

1.4 超聲波提取法

超聲波提取法是利用超聲波帶動提取液機械振動，使液體中產生的空化泡在瞬間膨脹、破裂，并伴隨有強大的沖擊波和微波，以破壞提取液中植物細胞的細胞壁和細胞膜，從而提高提取率[20]，提取工藝流程包括預處理、粉碎、超聲、離心、醇析和冷凍干燥等。吳雙雙等[21]、葛星星等[22]研究薯類多糖提取工藝時發現，在超聲功率 400 W、超聲時間 45 min、料液比 1∶25、超聲溫度50℃時，紫薯多糖的得率最大，為 2.79%；超聲時間20.33 min、料液比1∶20.96（g/mL）、超聲功率395.9 W、提取溫度67.56℃時，豆薯多糖的提取率為 8.28%。安金雙等[23]對比響應面優化超聲波提取法和水提法提取多糖的效果發現，超聲波提取法顯著縮短時間，而且多糖得率顯著提升。

相對于傳統熱水提取和酶法提取，超聲提取法具有提取率高、提取時間短等優點（表1），但超聲波會產生強大的剪切力，會使部分多糖結構遭到破壞，對提取率有影響[24]。從總體看，熱水提取和超聲波提取是當前產業化提取多糖的傳統工藝，具有普適性。但隨著科技的進步，酶提取法具有多糖活性高和對環境友好等優點，是今后提取活性多糖的主要工藝。

表1 多糖的不同提取工藝比較

2 多糖種類及活性

植物源多糖廣泛存在于植物的根、莖、葉、花和果實等器官中，具有不同種類和活性功能，文章按照多糖的來源，將其分為五類進行介紹。

2.1 多糖種類

2.1.1 薯類多糖薯類作物包括甘薯、山藥、葛根和木薯等，含有豐富淀粉。甘薯，又稱番薯、地瓜，屬旋花科作物。據報道，甘薯含有豐富的甘薯多糖(sweet potato polysaccharide, SPP)，主要由β-葡萄糖、葡萄糖、半乳糖、木糖、甘露糖、半乳糖和鼠李糖等多種單糖組成[25]，具有消炎[26]、抗腫瘤[27-29]、抗氧化[30]和調節血糖[31]等生物活性。

山藥，屬薯蕷科作物，是傳統的藥食同源植物，在我國河南、安徽、江蘇、浙江、江西、福建、湖南、廣東和四川等地有栽培。據報道，山藥塊莖富含淀粉，還含有山藥多糖等活性成分，其中山藥多糖主要由葡萄糖、甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖、果糖和鼠李糖等單糖組成。研究表明，山藥多糖可通過提高肝細胞自由基的清除能力來降低脂質過氧化，穩定細胞膜結構，以及降低血清中丙氨酸轉氨酶活性和抑制NO合酶的活性，減少NO和腫瘤壞死因子含量，對CCI4肝損傷起保護作用[32]。

葛根，屬豆科作物，亦是藥食同源植物，我國南方地區是葛根主要栽培地區。葛根塊根含有一定量葛根多糖，具有抗氧化、調節免疫、護肝、降血糖、抗菌、抗腫瘤等功能[33-34]。據報道，目前從葛根中分離鑒定出26種多糖，其分子量差異較大，生物學活性的最佳相對分子質量的范圍也不同[33,35]。研究表明，葛根多糖的單糖均含有鼠李糖、半乳糖、巖藻糖和葡萄糖等，其中葡萄糖含量最高[36]；此外，葛根多糖多呈鏈狀結構，其支鏈類型和位置等是多糖具活性的重要因素[36]。

芋頭，屬天南星科作物，在我國珠江流域和長江流域地區廣泛種植。芋頭塊莖富含淀粉、礦物質元素和多糖，其中雜聚多糖具有抗衰老、抗腫瘤、降血糖、降血脂和免疫調節等功能[37-39]，組成單糖主要是阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖和半乳糖[37]。據報道，芋頭多糖可促進小鼠脾淋巴細胞增殖能力和小鼠腹腔巨噬細胞吞噬能力的提高，表現出較強的免疫調節能力[40]。

木薯，屬大戟科木薯屬作物，其塊根富含淀粉，是世界三大薯類作物之一，在我國華南地區有栽培，以廣西為主。據報道，木薯多糖是一種由蔗糖、果糖、葡萄糖、半乳糖和阿拉伯糖等組成的粘多糖，平均分子量為3.6×105，具有抗氧化、抗菌、護肝和調節血糖等功能[41-43]。用木薯粘多糖和小麥粉混合制成的面條能明顯改善面條性能和口感，具有護色、使面條韌性更好等效果[41]。

2.1.2 水果多糖水果是日常飲食重要食材，不僅營養豐富，還含有活性多糖等生理活性物質。

菠蘿蜜，屬?？谱魑?，是典型熱帶水果，亦是重要木本糧食作物之一，我國廣東、海南、廣西、福建和云南南部有栽培，其果實含有豐富淀粉和功能性多糖。據報道，菠蘿蜜多糖主要由葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖、鼠李糖、木糖和半乳糖醛酸組成，具有顯著的抗氧化、免疫力調節、抗腫瘤等活性[44-45]；菠蘿蜜籽粒含有豐富碳水化合物（73.87%）和膳食纖維（31.0%），是開發新型功能產品的優質原料[46]。

龍眼，屬無患子科作物，我國東南部和西南部地區有栽培，尤以福建、廣東和海南等地為多，其果實多汁，營養豐富。據報道，龍眼果肉多糖由巖藻糖、半乳糖、阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖醛酸和葡萄糖醛酸組成，具有促進巨噬細胞增殖和增強其吞噬能力的作用[47]。龍眼肉多糖是乙酰膽堿酯酶抑制劑，能有效改善記憶障礙[48-49]。

仙人掌，屬仙人掌科植物，叢生肉質灌木，我國的云南、海南、四川等地均有栽培。仙人掌多糖是從仙人掌莖的黏液質中提取的蛋白多糖。據報道，仙人掌多糖主要由鼠李糖、果糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖及糖醛酸等聚合而成，具有抗癌、抗氧化及抗衰老、降血糖、增強免疫等生理活性[50-53]。

2.1.3 谷類多糖燕麥，又稱莜麥，屬禾本科燕麥屬植物，我國的河北、山西、貴州和內蒙古等11個省（自治區）均有栽培。據報道，燕麥多糖由葡萄糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖組成[54]，主要活性成分是β-葡聚糖，具有降血糖、降血脂、抗腫瘤、增強免疫力和保護胃黏膜等多種生理活性[55]。

青稞，屬禾本科大麥屬草本植物，適宜生長在高原清涼氣候，主要分布在西藏、青海、四川和云南等地。據報道，青稞多糖主要生理活性成分有β-葡聚糖、戊聚糖和膳食纖維等多糖[56]，還含有果膠、樹膠、果糖聚糖、葡聚糖和半纖維素等可溶多糖，具有免疫調節、降血糖、調節血脂、抗氧化、抗衰老和心腦血管疾病等生理活性[56-57]。

2.1.4 蔬菜多糖在眾多蔬菜中，豆科蔬菜的多糖含量較為豐富。豇豆[Vigna unguiculata(Linn.)Walp.]含有一定量的非淀粉多糖（1.43%～5.37%），包括豇豆全豆多糖、子葉多糖和種皮多糖；研究表明，豇豆全豆多糖（Vigna unguiculata polysaccharide，VUP）與子葉多糖（V.unguiculata cotyledon polysaccharide，VUCP）結構特征較為相似，而種皮多糖（V.unguiculata hull polysaccharide，VUHP）主要以果膠為主，分子量分布更加均一，具有抗氧化、降血脂、輔助治療心血管疾病等功能[58]。研究發現，豇豆VUP平均分子量以78.4和1 336.1 kDa為主，VUCP分子量以 103.2和 490.6 kDa分為主，而 VUHP以59.8 kDa（88.1%）為主，三者均含有糖醛酸和β-吡喃糖環[58]。

鷹嘴豆（Cicer arietinumLinn.），是豆科鷹嘴豆屬一年生或多年生攀緣草本植物，在非洲、地中海沿岸、美洲以及中國青海、新疆、甘肅等地都有廣泛種植[59]。據報道，鷹嘴豆有6種粗多糖，即 CWP1-1，CWP1-2，CWP2-1，CWP2-2，CAP-1和 CAP-2，其平均分子量分別為：2.91×106、9.83×105、8.32×105、1.37×105、1.81×106和 3.94×105Da；多糖由葡萄糖、葡萄糖醛酸、鼠李糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖以及半乳糖醛酸組成，具有較好的抗氧化活性和提高免疫力的功效[59]。

此外，黑豆、黃秋葵、野胡蘿卜和大蒜等蔬菜同樣含有一定量的多糖，具有較好的抗氧化功能[60-63]。

2.1.5 其他多糖百合，屬百合科植物，我國南部、西南部、東部和陜西、甘肅、河南等地均有栽培。據報道，百合多糖由半乳糖、D-葡萄糖和D-甘露糖通過吡喃糖苷鍵結合組成，具有抗氧化、降血糖、抗腫瘤和調節免疫力等功效[64-65]。

黃精，屬百合科黃精屬植物，其膨大的結節含有多糖、皂苷、黃酮、醌類、生物堿、木質素等生理活性物質，在我國東北和中原地區有栽培。據報道，黃精多糖由甘露糖、半乳糖、葡萄糖、果糖、鼠李糖、阿拉伯糖和半乳糖醛酸等單糖組成[66]，具有抗衰老、降血糖、降血脂、改善記憶、抗腫瘤、調節免疫等生理功能[67-70]。

玉米須，是禾本科玉蜀黍屬植物玉米的花柱和柱頭，主要含有多糖類、黃酮類、皂苷類、甾醇類、生物堿類和氨基酸等生理活性成分，在我國廣泛種植。據報道，玉米須多糖主要由葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、半乳糖醛酸、鼠李糖、甘露糖和木糖所組成[71]，具有降血糖、抗菌和抗氧化等生理功能[72-73]。

茶，屬山茶科茶屬植物，其葉片含有茶葉多糖、兒茶素、咖啡堿和肌醇等生理活性物質，茶葉制成的茶飲料是世界三大飲料之一，在我國廣泛種植，品種和品類繁多。據報道，茶葉多糖（Tea Polysaccharides，TPS）是一類由中性單糖（葡萄糖、鼠李糖、阿拉伯糖、甘露糖、核糖、木糖、半乳糖和巖藻糖）、蛋白質和礦質元素等單元組成的具有生理活性的復合植物多糖，分子量為3.67～758 kDa[73-74]，具有抗氧化、降血糖和抗癌等多種生物活性[75-77]。

2.2 多糖活性

研究表明，多糖物質廣泛存在于動植物體內，普遍具有抗氧化、調節血糖和抗腫瘤等生理功能，不僅能為生物體提供所需能量、參與機體結構組成、促進機體健康，而且還參與細胞分化、細胞生長調節、細胞識別和免疫應答等生命活動。

2.2.1 抗氧化活性氧自由基普遍存在于人體的正常生理代謝過程，具有未配對電子的基團、分子或原子，如超氧陰離子、羥自由基和脂質過氧化物等。據報道，由活性氧自由基失衡導致的疾病有高血壓、糖尿病和腫瘤等。研究表明，具有抗氧化活性的植物源多糖包括中性多糖、酸性多糖和糖蛋白等，主要是通過提高機體抗氧化酶（超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽氧化酶）等活性，以提高清除體內自由基能力[78]，通常以DPPH的清除率作為抗氧化活性評價指標，與多糖中的醇羥基數量有關[79]。

2.2.2 血糖調節血糖是指人體血液中的葡萄糖，是人體主要能量來源，由食物消化、吸收和糖元分解而得。隨著人們飲食的精細化，因血糖代謝紊亂而導致的糖尿病人越來越多。據國際糖尿病聯盟報道，我國糖尿病患者約有1.14億人，位居世界首位[80]。胰腺是人體血糖調節的主要器官，研究表明，多糖通過激活糖代謝通路中關鍵酶，促進糖的吸收和分解，有效抑制糖異生作用[80]，減少胰島B細胞凋亡，提高機體對胰島素的敏感性、耐受能力，從而發揮調節血糖的功能[81]。

2.2.3 抗腫瘤腫瘤，其實質是腫瘤細胞，由實質和間質兩部分構成。由于腫瘤細胞具非正常生理代謝的特點，容易導致機體生理失調甚至死亡。據世界衛生組織2020年數據，全世界有近1 700萬人罹患惡性腫瘤，我國每年有 233.8萬人死于惡性腫瘤（國家腫瘤中心）。研究表明，多糖能通過抑制ATM和DNA-PK的磷酸化，利用Akt信號通路介導改善細胞 DNA復制和修復能力[82]，還可通過調節 P-Akt1/P-ERK信號通路和 Bax/Bcl-2調節蛋白激酶信號通路，抑制ERK通路相關蛋白表達和磷酸化，從而誘導細胞凋亡[83-85]。

綜上所述，植物源多糖來源廣泛，普遍具有抗腫瘤、降血糖、降血脂等生理活性（表2）。

表2 不同植物源多糖及其生物活性

3 多糖組成

多糖屬于大分子化合物，其分子量大小和單糖組成決定其生理功效。許多研究表明，不同植物源多糖組成差異很大，不同單糖的組成決定著多糖的生理功能（表3），而具有生理功能的雜多糖多數由鼠李糖、木糖、甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖、半乳糖醛酸、葡萄糖、巖藻糖等單糖組成，其單糖分子式為C6H12O6和C5H10O5；其中阿拉伯糖（C5H10O5）普遍存在于多糖的組成中，而塊根類作物普遍存在葡萄糖（C6H12O6）和阿拉伯糖。從表3可知，雜多糖分子量在2.56～13 270 kDa，普遍大于2.56 kDa，由15個以上的單糖組成。

表3 不同植物多糖組成對比

從結構上看，具有生理活性的雜多糖組成多數為5碳糖，含有4-5羥基，并具有右旋、左旋等同分異構體結構，且在某特定條件下，這些多糖之間可以相互轉化，從而形成不同的生理功能。如鼠李糖脫水狀態是β型，吸水后轉為α型，即α-L-鼠李糖，其甲基被羥基取代后就形式了甘露糖，而甲基被H取代后又形成了木糖，并具有不同的生理功能，其中五碳糖的組成和相互轉化可能是其適應動植物生理功能的某種需要[86]。

4 展望

植物源多糖是非常復雜的多聚體，其生物活性與多糖結構密切相關，不同植物中多糖的分子量大小和單糖組成存在差異，此外，其構象或手性也是多糖生理活性的重要影響因素。然而，當前植物源多糖的提取方法研究中，缺乏多糖提取工藝對多糖活性和手性影響的相關研究，需要加強不同植物源多糖特性、工藝酸堿度和工藝設備對其生理活性影響的研究。此外，植物源多糖基本由阿拉伯糖、木糖、甘露糖、葡萄糖、鼠李糖、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸、半乳糖和巖藻糖等單糖組成，其組成和比例是決定多糖生理活性的關鍵，但具有功能活性的單糖如何發揮功效、作用機理如何尚未明確。

植物源多糖已經被廣泛應用于藥品和食品加工，如多糖鐵膠囊、菊粉等。隨著國內外對健康生活需求的日益增長，多糖產品勢必成為新的消費方向標。近幾年來，國內外將重點探索多糖高級結構的解析技術和高品質多糖的提取技術，特別是復合酶解提取多糖技術、靶向性多糖藥品研發和同分異構體多糖的生理功能分析將成為今后研究的熱點。