姬松茸多糖組成結構及提取技術研究進展

崔國梅 劉麗娜 田廣瑞 李順峰 許方方 王安建

(河南省農業科學院農副產品加工研究中心,河南 鄭州 450002)(河南省農業科學院農副產品加工研究中心,河南 鄭州 450002)

姬松茸(Agaricusblazei)又稱巴西蘑菇、小松菇等,原產于巴西南部圣保羅的皮埃達德,屬于擔子菌門傘菌目蘑菇科蘑菇屬,滋味鮮美濃郁,富含多糖、脂質、多肽、甾醇、人體必需氨基酸、礦物質、微量元素、纖維素和維生素等多種成分[1-3]。其多糖、多肽、多酚化合物、甾醇類等活性物質具有免疫調節、抗腫瘤、降血壓、降血糖、抗氧化、抗菌消炎、改善骨質增生等功能特性[4-7]。姬松茸的活性成分及其功能特性如表1所示。

表1 姬松茸功能特性及有效成分

研究擬綜述姬松茸多糖的分子結構相應功能,且著重說明姬松茸多糖化學修飾與對應的功效及其功能活性的作用機理;列舉幾種多糖提取方法及工藝,比較姬松茸多糖提取方法的優缺點;詳細概述姬松茸多糖在研究應用方面存在的問題,并從多角度對其未來研究方向進行展望,旨在深入闡述姬松茸的營養價值及保健功效,并為拓寬姬松茸的發展空間及加快姬松茸多糖的應用提供依據。

1 姬松茸多糖的組成結構

姬松茸多糖的化學結構是指其相對分子量、主鏈構成、多糖的一級結構、高級結構及結構修飾等。姬松茸多糖主要為β-葡聚糖,還有α-葡聚糖起能量儲存的作用,另有雜多糖包括葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖、半乳糖醛酸、巖藻糖、鼠李糖、甘露糖等,而其功能活性成分主要為β-D-葡聚糖、β-(1,3)-D-葡聚糖、β-(1,4)-D-葡聚糖及β-(1,6)-D-葡聚糖等[25]。

孫培龍[8]利用醇分級沉淀法得到兩種相對分子質量的姬松茸多糖,其中一種是由1,4糖苷鍵連接的吡喃型葡萄糖主鏈,且帶少量蛋白的非淀粉α-葡聚糖,另一種可能為帶有吡喃型葡萄糖基的蛋白聚糖,這些多糖具有一定的抗腫瘤作用。Gonzaga等[26]在姬松茸子實體多糖中分離到β-葡聚糖,結構為β-1,6-葡聚糖。魏紅福等[27]采取分級醇沉和凝膠過濾法從熱水浸提的姬松茸多糖中分離出3種級分的多糖,其相對分子質量分別為>2.0×106,1.4×106,3.8×105,其中一種級分的多糖主鏈為α-(1→6)-D-吡喃型葡聚糖,并含少量結合蛋白。王夏梅[11]利用柱層析法得到7個級分的姬松茸多糖:從結構上看,既有柔順鏈高級構象,也有剛性鏈高級構象,還存在卷曲成球狀高級構象;從成分上看,有4種為葡聚糖,2種含有少量糖醛酸的葡聚糖,還有一種雜多糖(摩爾分數:葡萄糖62.83%、半乳糖28.43%、巖藻糖5.54%、甘露糖1.46%);從糖苷鍵上看:既有α-(1→4)和β-(1→6)相連,也有α-(1→4)和α-(1→6)連接,還有以1∶1的β-(1→6)和β-(1→3)相連,此外還有1種多糖含有β和α兩種構型,且單糖成分存在的巖藻糖由(1→2)和(1→6)相連,這些結構及構象體外檢測具有促進脾細胞和巨細胞增殖的效果,呈現一定的免疫活性。Liu等[28]采用堿提法分離純化出的姬松茸水溶性多糖,由(1→6)-β-D-吡喃半乳糖基、(1→6)-β-D-吡喃葡萄糖基和(1→3,6)-β-D-吡喃葡萄糖組成主鏈,在(1→3,6)-β-L-吡喃葡萄糖基的O-3之上,由(1→)-β-L-阿拉伯呋喃糖苷和(1→)-β-D-吡喃葡萄糖組成側鏈。李曉等[15]利用水提醇沉法提取姬松茸粗多糖,并采用DEAE-纖維素離子交換法對姬松茸多糖進行層析分級,得到姬松茸酸性多糖級分(質量分數:葡萄糖88.6%、半乳糖2.4%、甘露糖1.9%、鼠李糖1.0%、半乳糖醛酸0.5%、木糖1.9%、阿拉伯糖2.1%、巖藻糖1.6%),這些酸性多糖對大鼠具有一定的降血脂作用。姬松茸多糖的提取制備工藝對其相對分子質量、單糖組成、單糖比例、糖苷鍵類型等影響顯著,因此姬松茸多糖的組成結構與原料來源、提取工藝、純化手段等密切相關。

有關香菇多糖的化學修飾研究相對較多,主要有羧甲基化、硫酸化、硫酸酯化、磷酸化、硒(Se)修飾等,修飾后的香菇多糖具有抗病毒、抗炎、抗氧化、抑制腫瘤、增強免疫力等功效[29],但有關姬松茸多糖的化學修飾研究較少。磷酸化修飾姬松茸多糖對大腸桿菌和沙門氏菌具有一定的抑菌作用,且具有提升免疫力的作用[30]。硫酸酯修飾的多糖可抑制單純皰疹病毒和牛皰疹病毒,還可預防皰疹2型病毒感染生殖道,能抑制HSV-1和HSV-2的吸附、滲透和傳播,提高抗腫瘤活性[31-34]。為提高姬松茸多糖的活性功能,多從提取工藝及化學修飾兩方面著手研究。其中,特定的理化修飾會出現抗腫瘤、抗病毒性能減弱的現象,因此,并不是所有的結構修飾都能增強其功效。

姬松茸多糖的主鏈構成、相對分子量、多糖的一級結構(單糖組成、糖苷鍵類型、連接方式及分支程度等)、高級結構(空間構象)及多糖的結構修飾(理化修飾及生物修飾)是影響其功能特性的基礎因素。姬松茸多糖的化學結構與其功能特性存在一定的構效關系,不同組成成分、結構、連接方式及結構修飾,其活性功能也不相同。姬松茸多糖的諸多組成結構造就了其具有多種優異的生物活性功能,比如抗腫瘤、免疫調節、降血糖、降血脂、抗炎、保肝等,且相應的作用機理也被廣泛研究(見表2)。這些組成結構及功能特性在開發保健品和新藥方面具有重要的科學價值和臨床潛力。

表2 姬松茸多糖功能活性的作用機理

2 姬松茸多糖的提取

姬松茸多糖的提取工藝有熱水、稀酸、稀堿、酶法、有機溶劑法等,且普遍采用超聲、微波等作為輔助方式來提高多糖得率,但目前酶法提取姬松茸多糖得率相對較高,活性較好,也更高效。不同姬松茸多糖提取方法比較見表3。

表3 不同姬松茸多糖提取方法比較[44-51]

熱水浸提法是最常見的提取方法,其原理是通過熱作用使細胞質壁分離,使水更容易進入細胞促使多糖溶出,而稀酸稀堿雖然能夠快速提取多糖,但因容易引起糖苷鍵斷裂,多糖降解,提取率及活性低而應用較少。劉瑋等[18]利用熱水浸提sevage法洗脫蛋白,再用85%醇沉、凍干后,得到姬松茸粗多糖中的總糖為83.47%,該工藝下的多糖具有一定的抗炎活性,與李曉等[15]的結果對比,不同工藝水提醇沉法得到的姬松茸多糖其功能特性并不一定相同。微波產生的熱效應和高頻電磁波不影響多糖的官能團但可以提高多糖提取率[49],當姬松茸細胞吸收微波能量,胞內溫度、壓力上升超過其承受負荷時,細胞壁破裂從而釋放出多糖。超聲波的空化效應、擊碎及熱效應可以破壞細胞結構,增強傳質及擴散能力,從而提高多糖提取率。付志英等[50]在80 W超聲波功率下提取得到的姬松茸粗多糖,其得率高達19.70%。王宏雨等[47]確定了超聲波循環萃取法的最佳工藝為提取溫度40 ℃,超聲功率600 W,投料比8%,提取時間20 min。李健等[48]研究發現,微波協同堿法的最佳工藝條件為氫氧化鈉質量分數7%、微波功率640 W、提取時間25 s、料液比1∶23 (g/mL),此條件下多糖提取率為13.20%。梁婷等[51]將粉碎的姬松茸子實體過篩,在640 W微波功率下提取8 min,對過濾后的提取液進行濃縮干燥,其粗多糖得率達9.04%。但也有研究[52]表明,超聲引起的空化作用通過一定的溫度和剪切力來增加提取率,但同時也會改變多糖的結構及其理化特性。王艷等[53]利用復合酶水解法(m果膠酶∶m纖維素酶∶m木瓜蛋白酶=140∶3∶400),在130 W的超聲功率下輔助提取20 min,獲得姬松茸粗多糖得率為14.51%。楊丹妮等[46]研究發現,超聲波協同酶法的最佳工藝條件為料液比1∶35 (g/mL)、加酶量3.3%、pH 6.0、酶解—超聲溫度52 ℃、酶解—超聲時間50 min,此條件下姬松茸基質多糖得率為30.76%,與預測得率接近。目前,姬松茸多糖主要是從姬松茸中提取,未有工業化合成,為保證成本低、提取率高、節能省時高效,需將超聲提取法、微波提取法和復合酶提取法等多種方法協同使用。

姬松茸多糖結構極為復雜,其化學成分、相對分子質量、結構及構象對其生物功能及活性均有影響。姬松茸多糖的提取率與提取方式、提取工藝條件等息息相關,為了提高姬松茸多糖得率,其提取研究也由單一的處理方式向復合的處理方式轉變,由單一酶處理向復合酶處理轉變,一方面彌補了單一提取方式提取時間長、提取率低的不足,另一方面對姬松茸多糖活性也有一定的影響。目前,由于姬松茸多糖結構復雜,提取純化方面相對研究較少,能用于工業化生產的高效提取多糖的方法更是少之又少,提高姬松茸多糖的提取率、藥用活性成分純化與結構鑒定成為阻礙多糖產品開發的關鍵短板。因此選擇適宜的提取技術及工藝,研究新的提取手段,在不破壞多糖結構的同時提高提取率和純度的方法還需進一步探索。

3 存在的問題及展望

3.1 存在的問題

姬松茸不僅味美,而且藥用價值較高,尤其是姬松茸多糖在抗癌防癌、增強免疫力及抗疲勞等方面效果顯著,且無毒副作用,因此以姬松茸為原材料,開發醫用產品、保健品和功能性食品配料等具有良好的前景。但目前在姬松茸多糖功能特性及提取應用方面還存在一定的問題。

(1) 相關基礎理論研究不成熟不系統。一方面,姬松茸多糖受相對分子質量、立體結構等多種因素的影響而呈現多樣化的生理活性,而立體結構、構效關系、有效序列等理論方面的研究極為困難復雜,系統的理論研究及鑒定并不充實也不成熟。另一方面,姬松茸多糖作用機理不夠深入系統,且多集中在體外或小白鼠試驗階段,體內吸收及作用機制研究不夠深入,大多還處于“可能是”的推斷階段。此外,缺乏相關的抑制特性及系統熱動力學研究,不同條件下(溫度、濃度、pH、鹽、光等)姬松茸多糖的化學特性不明了,與典型食物成分(蛋白質、脂肪、糖類等)的相互作用特性不清楚。

(2) 姬松茸多糖提取純化工藝條件不成熟或設備設施不完善。一方面,大部分提取純化工藝僅限于理論及實驗室研究,未能真正適應生產并形成規模,或是尚未形成標準化流程,操作復雜,成本偏高。另一方面,姬松茸多糖提取對設備參數要求較為精密,相應的設備欠缺或精密度不夠,導致提取物純度不夠,活性不高,故大多數僅能應用于小型科研試驗,理論或實驗室研究所得數據與實際生產所得提取率有一定的差距,離產業化應用存在一定距離。

(3) 姬松茸育種及專種專用的研究程度不夠。一方面,育種工作量大、野生姬松茸菌株較為罕見導致種質資源少、多糖高產菌種的定向育種技術缺乏等問題難題突出。另一方面,定向培育高產量高活性專用品種,充分挖掘基于多糖的特異資源方面,許多亟待解決的問題仍有待深入。此外,改良后的姬松茸種質資源缺乏共享機制,菌種僅與親本開展了縱向對比,缺乏橫向對比研究。

3.2 展望

對姬松茸多糖的研究及利用仍處于發展階段,深入研究其作用機理,挖掘特異資源定向培育專用品種,開發高效低耗降本的提取技術,研發配套的高精尖設備設施或將是未來研究重點。

(1) 加強基礎理論方面的研究。一方面,構建相對分子質量、空間結構、結構修飾與生理活性參數及成效等的系統數據,如基于多糖精細結構,研究不同成分的靶器官、細胞信號通路,闡明多糖發揮活性功效的分子機制,探究其結構特性與免疫功能、抗癌等生物活性的構效關系,為多糖的提取純化及檢測提供基礎理論支撐。另一方面,全面、深入、系統地研究姬松茸多糖及修飾物,明確其在抗腫瘤、抗炎、免疫調節、降糖降壓等方面的作用機制,探索菌種、部位、菌齡及種植條件對活性功效的影響,為姬松茸食品、保健品和藥品的開發提供相應指導。此外,綜合運用生物工程、分子生物學、遺傳學和代謝組學等生物技術手段,研究活性物質形成機制、抑制或激活作用機理、代謝通路及系統熱動力學等,為活性物質累積、調控與應用提供理論支撐。

(2) 系統探究提取的工藝條件,開發或改良配套設備設施。一方面,構建姬松茸多糖的成套技術資料,完備工藝條件的同時,完善其功能特性的測定方法和盡可能地降低成本簡化操作。另一方面,引入微波、酶法、超聲波、超臨界流體、超高壓及高壓脈沖電場等綠色輔助萃取技術,開發或改良相關提取及純化設備,提高設備精密度、安全性及可操作性、降低提取成本,使研究成果能夠順利轉化。此外,還可與企業實際情況相結合,將技術成果應用于企業規模化生產,以免研究成果局限于實驗室。

(3) 定向培養高產菌株,專種專用。一方面,深入發掘特異的種質資源,繁育專用種質,成立核心種源基因庫,構建姬松茸多糖有效的遺傳轉化系統,利用基因組定位編輯技術來改良育種,為其專用種質的繁育與優選創制奠定基礎。另一方面,強化現代分子技術、分子生物學、遺傳學等交叉融合,靈活結合誘變育種技術(物理誘變、化學誘變、復合誘變等)與雜交育種技術(甚至是遠緣雜交),以滿足研究及生產所需。此外,多渠道建立姬松茸優良種質交流共享平臺及種質資源庫,建立科學的管理辦法,促進姬松茸多糖在育種上有所突破。

(4) 強化姬松茸多糖功能產品的開發利用。基于姬松茸多糖的構效關系,聚焦精準營養,開發具有靶向性功能的食品、保健品或藥品,改變姬松茸產業的傳統狀況,提高附加值。

后續研究需將姬松茸多糖的提取、分離、純化、活性研究、產品開發與臨床應用融為一體,建立更加科學合理的功效評價體系,為姬松茸多糖效能的發揮和應用提供條件。隨著科技進步,相關問題期望得到解決或者改善,姬松茸將得到更加充分的開發利用,釋放該產業發展的巨大潛力。