生姜多糖的提純工藝、結構及其功能活性研究進展

付 琳，王一紅，藺子晗，王思瓔，王 漫，龍丹鳳

（蘭州大學公共衛生學院，甘肅蘭州 730030）

生姜（Zingiber officinaleRoscoe）為姜科、姜屬多年生草本宿根植物[1]，是具有悠久歷史的香辛調味料，并兼具廣泛的藥理作用，屬于藥食同源資源。我國是世界生姜種植面積最大、出口量最多的國家，年產量高達1000 萬噸以上[2]。生姜中含有多種生物活性物質，例如生姜油、精油樹脂、姜辣素、生姜多糖、膳食纖維等[3]，其中生姜多糖是重要的功能成分之一。研究發現，其具有抗氧化[4]、抗疲勞[5]、調節免疫[6]、抗腫瘤[7]等作用。近年來，生姜多糖在食品、藥品、化妝品等方面的應用已逐漸成為研究熱點。因此，對于生姜多糖的深入開發及應用將有助于促進生姜產業的提質增效。而提取和純化工藝是影響生姜多糖提取率、產品純度及結構以及功能活性的重要因素，所以方法與工藝的選擇尤為關鍵。目前生姜多糖的提取方法主要包括熱水浸提法、堿溶液提取法、微波/超聲輔助提取法等，但提取率和難易程度有所差異，導致最終得率也不同，影響產品利用率。

綜上，本文主要回顧了目前生姜多糖常用的提取與純化方法，并對其優缺點進行了比較，以期為生姜多糖精深加工的工藝優化提供參考。同時，總結了現有生姜多糖的結構表征分析結果，對生姜多糖已有的功能活性及影響因素進行了歸納，旨在為后續功能產品的開發及應用提供依據。

1 生姜多糖的提取

近十年來，提取生姜多糖最常用的方法為熱水浸提（Hot water extraction，HWE），也是較為傳統的提取方法，主要以水作為溶劑，通過熱力作用使細胞發生質壁分離，并將溶于水后的細胞內或細胞間物質通過擴散作用滲出[8]，其優點在于設備簡單、操作容易、成本低等。而不同的計算方式對于提取率的結果可產生一定影響，如依據干重比計算，HWE 法獲得的生姜多糖提取率可達到20.43%[9]，若使用苯酚-硫酸法計算，測生姜多糖的提取率一般在10%以內（見表1）。干重比法較苯酚-硫酸法的缺點在于無法排除干物質中除多糖成分以外的其他物質干擾，雖然提取率較高，但純度偏低。另外，HWE 提取過程中的溫度對生姜多糖的提取率也有顯著影響，秦衛東等[9]研究表明60 ℃為生姜多糖最佳提取溫度，而另有研究發現90 ℃左右更有利于生姜多糖的浸提[10-11]。同時，料液比也可影響生姜多糖的提取率，正交研究發現，料液比越大，提取率越高，當比值為1:15 時，提取率最高[9-11]，與孔得福等[12]、趙文竹等[13]通過響應面分析得到的結果一致。

表1 生姜多糖不同提取方法的優缺點比較Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of different extraction methods of ginger polysaccharides

隨著研究的不斷深入，生姜多糖的提取方法也在持續優化與更新。如使用堿溶液提取（Alkali solution extraction，ASE）、微波輔助提取（Microwave assisted extraction，MAE）、超聲輔助提取（Ultrasonic assisted extraction，UAE）等。ASE 能夠在堿液的作用下使細胞壁充分吸水膨脹而破裂，從而使多糖游離出來，增加提取率[14]，其優點在于節省時間、操作簡單等。Chen 等[15]發現ASE 法最適用于提取生姜高纖維植物體的多糖物質，能夠在保證較高提取率的同時，使其功能活性也表現良好。MAE 是生姜及溶劑中的偶極分子在高頻微波能的作用下，產生偶極渦流、離子傳導和高頻率摩擦，從而在短時間內產生大量的熱量[16]。偶極分子旋轉導致的弱氫鍵破裂、離子遷移等加速了溶劑分子對生姜的滲透，生姜多糖溶劑化，使微波萃取時間顯著縮短，提取率增加[17]，其優點在于能夠節省時間、更好地保持多糖生物活性等。而微波功率對生姜多糖提取率也能夠產生一定的影響，研究表明，功率為550 W 時提取率最高[18-19]。UAE 法利用超聲波振動的空化作用、機械作用、熱效應等破壞細胞壁，從而快速將生姜多糖溶出[20]，具有提高原料與溶劑混合均勻度、降低提取溫度等優點。另外，通過該方法獲得的生姜粗多糖冷凍干燥后的成品色澤、質地、水溶性均表現良好[18]。

近年來，在實際生產和實驗室多糖提取中發現，采用復合酶以及兩種或兩種以上方法聯合的形式對于多糖的提取效率高于單一方法的應用。其中，酶輔助提取（Enzyme assisted extraction，EAE）、超聲微波協同萃取（Ultrasonic-microwave synergistic extraction，UMSE）、超聲波輔助醇堿提取法（Ultrasonic assisted alkaloid extraction，UAAE）等方法應用較多，上述方法的優點在于節省時間、提取率高等，但成本也普遍偏高。EAE 法主要利用酶的高度專一性，降解細胞組織，提高生姜多糖提取率[21]。李守鵬[22]采用4 種酶復合法提取生姜多糖，使提取率升高3%～7%。在上述基礎上，采用兩種方法聯合的形式對生姜多糖進行提取的研究發現，將超聲波與微波有機結合的UMSE 法，能夠充分利用微波的高能作用和超聲波的空化作用，將超聲波的振動能和通過波導管引出的微波能直接或定向聚焦于樣品[23]。劉全得等[24]采用了UMSE 法提取生姜多糖，并利用響應曲面法獲得最優工藝參數，使提取率達到20%以上。另外，將超聲波與醇堿溶液結合的UAAE 提取法，通過雙重效應能夠加劇樣品析出，能夠使生姜多糖提取率達到33.06%[25]，但目前對于該方法的研究較少。

值得注意的是，每種方法的提取率計算方式有所不同，尚不能明確某一種方法的提取率最高，但根據實際研究需要或實際生產條件，仍可選擇最適的生姜多糖提取方式，并為其實用化提供更多的參考和研究思路。各種生姜多糖提取方法優缺點及提取率見表1。

2 生姜多糖純化工藝

采用上述不同方法提取的生姜粗多糖，其中還含有很多大分子和其他雜質，對其后續的研究和生產應用會產生一定影響，故在此基礎上，還需進一步分離純化。多糖除雜一般需要對粗多糖進行脫脂、脫蛋白、脫色素、乙醇沉淀等步驟[34]。生姜根莖中含有少量脂質，在多糖提取過程中會阻礙水溶液滲透到內部，使多糖提取率下降，因此在提取前有必要進行脫脂處理，進而降低脂質干擾[35]。目前應用較多的脫脂方法主要為石油醚脫脂法和乙醇脫脂法[35]，石油醚脫脂法效率最高，但其沸點及安全性較乙醇脫脂法低。生姜多糖溶液中若含蛋白質和核酸，也會對實驗結果造成干擾，因而需對提取液進行脫蛋白處理[9]。秦衛東等[9]以蛋白質含量為指標探究三氯乙酸法、鞣酸法、Sevag 法的脫蛋白效果，結果發現，Sevag 法蛋白去除率最高，但使用試劑為有毒物質，易殘留且影響生姜多糖活性，多糖損失率高，而鞣酸法多糖損失率最低且安全性最高。另外，生姜粗多糖提取后多為棕色，也可能影響研究工作，因此需進行脫色素處理。常用的脫色方法主要有離子交換法、吸附法、大孔樹脂法和氧化法等[36]。研究表明，大孔樹脂脫色效果顯著，多糖含量相對損失較少，但有成本較高，易帶入有機殘留物[37]。

生姜多糖除雜后，仍需對其進一步純化，得到更為純凈、均一性好的生姜多糖為后續研究其結構等做基礎，其中純化分離的方式主要有離子交換層析法、凝膠柱層析法和大孔樹脂柱層析等[38]。凝膠柱層析法根據被分離組分尺寸大小與凝膠的孔徑關系實現分離，類似于分子篩的作用；離子交換層析法中，研究者多用陰離子交換柱對多糖進行初步純化；大孔樹脂柱層析利用大孔樹脂的選擇性吸附作用和分子篩作用純化多糖[39]。一般先經過陰離子交換柱純化，再采用凝膠柱進一步純化。采用陰離子交換DEAE-52 纖維素柱層析和Sephadex G-200 分子篩層析法對生姜粗多糖進行純化，能夠得到3～5 種多糖組分[15,31]。Wang 等[7]采用S-8 大孔樹脂柱和陰離子交換DEAE-52 纖維素柱純化得到2 種生姜多糖組分。

生姜多糖的純度與其生物活性及其應用效果密切相關，高純度的生姜多糖具有更強的抗氧化、抗炎、抗腫瘤、降血糖等生物活性，對于藥物、保健品等的開發具有重要影響，因此，對于生姜多糖純化尤為重要。

3 生姜及其副產品多糖類型與結構的研究進展

目前，研究較多的生姜多糖主要來源為生姜根莖（GP），還有少量學者關注其副產品多糖[40]：如生姜渣多糖（GPPs）[41]、生姜莖葉多糖（GSLP）[15]、生姜皮多糖（GE）[27]。

生姜多糖為高分子聚合物，結構復雜多樣，并與其性質密切相關[42]。Liao 等[31]研究發現，生姜多糖的分子質量分布在11.81～1831.75 kDa 之間，范圍較廣。其單糖組成主要為葡萄糖和甘露糖，還含有少量的鼠李糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖等，因多糖種類不同各種單糖的含量也有所差異。生姜多糖的糖苷鍵連接方式略有不同[31]，但均為α型-吡喃糖，其結構中含有α-（1→4）-D-Glpc 及α-（1→4）-D-Manp 糖苷鍵的概率較大。在空間構象上，現有研究表明，不同類型的生姜多糖均具有相似的三螺旋結構，但孔徑大小有所差異[15]。

同類型生姜多糖受不同提取方式的影響，結構也有所差異[27,30]。Liao 等[31]研究發現，采用蒸餾水、生理鹽水洗脫生姜多糖后單糖組分不同，主要包含4 種（甘露糖、葡萄糖、半乳糖和阿拉伯糖）或6 種單糖（甘露糖、鼠李糖、葡萄糖、半乳糖、木糖和阿拉伯糖）。對其進行縱向對比，不同類型的生姜及其副產品多糖在糖苷鍵、空間構象方面相似，分子量主要因提取方式的不同而產生差異，從而形成不同大小的多糖分子[31]。另外，不同結構的生姜多糖其功能活性是否存在顯著差異仍有待進一步探索。生姜及其副產品多糖結構表征見表2。

表2 生姜及其副產品多糖的結構表征Table 2 Structural characterization of ginger and its by-product polysaccharides

4 生姜多糖的功能活性

4.1 抗氧化活性

生姜多糖具有較強的抗氧化活性，可以保護機體免受氧化應激損傷。其中，對自由基的清除能力、金屬螯合能力是評價其抗氧化活性的重要依據。研究發現，生姜多糖對·OH 和DPPH·兩種自由基[10,26]以及Fe2+[13]均具有清除能力，且清除效果隨濃度增加而增強[4]，其金屬螯合能力的IC50值達到4.21 μg/mL。宋琳琳等[30]通過動物實驗探索了生姜多糖的攝入對雄性大鼠組織抗氧化活性的影響，結果顯示，生姜多糖能夠顯著提高血清、大腦中的SOD 活性、降低MDA 含量及NO 的含量。生姜多糖的抗氧化作用主要通過提高抗氧化酶活性，從而減少活性氧和自由基的生成，并可以釋放羥基上的活潑氫捕捉自由基，阻斷其鏈式反應[41]。生姜多糖主要通過消除自由基、高金屬螯合力而降低與多種疾病有關的Fenton反應發生機率，該反應由于產生強氧化性自由基而對人體造成損害，可以引起DNA、蛋白質和脂質氧化，從而導致多種慢性疾病的發生[42]。而生姜多糖的抗氧化性可以幫助中和這些自由基，并減少其對人體的傷害[43]。因此，在未來的食品和醫藥領域，生姜多糖具有廣闊的應用潛力。

4.2 免疫調節作用

研究表明，多糖具有免疫調節功能，可通過激活T 細胞、B 細胞、巨噬細胞、自然殺傷細胞及淋巴因子激活的殺傷細胞等免疫細胞，促進干擾素、白細胞介素等細胞因子生成、活化補體，誘導多種免疫細胞反應，從進而改善人體的免疫功能[44]。生姜多糖同樣具有免疫調節活性，Yang 等[45]研究發現，生姜多糖在體外對RAW264.7 細胞可顯著增強巨噬細胞的增殖而無細胞毒性，并促進NO、TNF-α、IL-1β和IL-6等免疫物質的產生。潰瘍性結腸炎（UC）是一種發生在結腸與直腸的炎性自身免疫性腸病，研究表明，生姜多糖可以減輕UC 患者的癥狀并發揮抗炎和免疫調節作用。Qian 等[6]研究顯示，生姜多糖對人結腸癌細胞的生長具有抑制作用，同時能夠產生免疫調節效應，使人體抑癌基因p53的表達以及Bax/Bcl-2 比值增加，并促進免疫物質TNF-α、IL-2、IL-6 的分泌。因此，生姜多糖可以通過增強免疫細胞的吞噬能力、促進細胞因子的產生等，參與調節機體的炎癥反應和免疫反應，達到調節免疫的作用。

4.3 抗腫瘤活性

多項研究顯示，生姜多糖可以有效抑制腫瘤細胞的生長繁殖，且具有較低的細胞毒性。Wang 等[7]研究發現生姜多糖可以促進肝癌HepG2 細胞凋亡，使細胞停滯在G0～G1期，通過實時熒光定量和蛋白質印跡法顯示生姜多糖可以上調Bax、Fas、FasL、caspase-3、p21和p53免疫基因的表達，下調Bcl-2的表達，而這些免疫基因的表達水平與其抗腫瘤活性密切相關。Qian 等[6]也發現類似結果，生姜多糖在無胸腺裸鼠體內可誘導肝癌HepG2 細胞周期停滯和凋亡，并能夠促進Bax 和p53 蛋白的表達，抑制Bcl-2 蛋白的表達，同時激活下游蛋白caspase-9 和caspase-3 的表達，從而發揮抗腫瘤作用。另外，生姜多糖的結構也可能影響其抗腫瘤活性，生姜多糖具有-β-D-Galp-（1→6）-的特殊結構，其中β-D-吡喃半乳糖與人結腸癌細胞的抗腫瘤活性有關[31]。近年來研究表明，腸道菌群與人體的免疫系統、代謝和包括腫瘤在內的多種疾病的發生密切相關，而生姜多糖具有調節腸道菌群的作用，可發揮抗腫瘤活性。研究發現，生姜多糖可以通過影響厚壁菌門和擬桿菌門（Firmicutes/Bacteroidetes，F/B）比值以及變形菌門的豐度來改善結腸癌的癥狀。生姜多糖可促進腸道中有益菌的生長和繁殖，如雙歧桿菌和乳酸桿菌等，同時抑制有害菌如變形菌門中病原菌的生長和繁殖，這些有益菌能夠產生有機酸、過氧化氫、丁二酮和短鏈脂肪酸等物質，調節它們之間的相互作用，增加腸道黏膜屏障的完整性，從而降低腸道的炎癥反應和氧化應激，減少癌細胞的發生和擴散[46]。此外，生姜多糖還可以通過增強機體免疫力發揮抗腫瘤活性，如通過抑制轉化TGF-β和bFGF 生長因子的分泌，抑制腫瘤血管、肉芽組織等生成，改善腫瘤免疫微環境，抑制腫瘤生長[46]。生姜多糖可以通過誘導腫瘤細胞凋亡、調節免疫基因表達、調節腸道菌群等抑制癌細胞的生長，為今后生姜多糖在腫瘤治療、預防等方面中的應用提供了理論依據。

4.4 降血糖作用

已有研究表明，生姜多糖具有降血糖和調節血脂的作用。Chen 等[15]將生姜多糖通過口服作用于糖尿病患者，結果表明，其對α-葡萄糖苷酶的抑制活性隨多糖濃度升高而增加。汪妮等[47]采用生姜多糖對2 型糖尿病模型小鼠進行灌胃，并測定小鼠空腹血糖濃度及糖化血清蛋白水平，結果顯示，生姜多糖能有效降低小鼠血糖濃度，使其恢復至正常水平。生姜多糖經腸道菌群分解后產生短鏈脂肪酸等代謝物，可通過調節胰島素受體底物和葡萄糖轉運載體，增加機體胰島素敏感性，同時，還可通過抑制促炎因子等改善葡萄糖水平穩態，從而降低胰島素抵抗和血糖水平[15]。

4.5 其他

除上述作用外，生姜多糖還具有其他方面的活性功能，如減輕腦組織損傷、止咳、保護肝臟、抗疲勞等。宋琳琳等[30]通過生姜粗多糖對大鼠進行干預，發現生姜多糖可提高腦缺血再灌注大鼠腦組織的超氧化物歧化酶活性來抑制自由基的產生，促進脂質過氧化反應，減少丙二醛生成，進而減輕腦組織損傷。另外，有研究表明，生姜多糖與磷酸可待因具有相似的止咳作用。Bera 等[48]發現，口服生姜多糖可顯著抑制經干預后豚鼠的咳嗽癥狀，且無明顯毒副作用，具有成為現有止咳藥物成分替代品的潛力。還有研究表明，生姜多糖可以對物理疲勞和運動疲勞產生積極的影響，可能與其具有的抗氧化、抗炎和免疫調節等多種生物學活性有關。夏樹林等[5]以兩棲類蟾蜍作為試驗動物，測定了動物離體腓腸肌中乳酸、丙二醛含量，結果表明隨著生姜多糖濃度的不斷增加，乳酸、丙二醛含量逐漸減少，在其濃度為2.7 mg/mL時，抗疲勞作用顯著高于藥物新斯的明組。此外，生姜多糖對腸道菌群也具有一定的調節作用[47]，如增加有益菌顫螺菌屬（Oscillospira）、阿德勒克氏菌屬（Adlercreutzia）、阿克曼菌屬（Akkermansia）和乳酸桿菌屬（Lactobacillus）的豐度，降低有害菌普雷沃氏菌屬（Prevotella）的豐度等。現有有生姜多糖的功能活性及主要作用機制見圖1。

圖1 生姜多糖功能活性的作用機制Fig.1 Mechanism of action of the functional activity of ginger polysaccharide

5 影響生姜多糖功能活性的因素

5.1 內部因素

5.1.1 分子量 研究表明，分子量小于500 kDa 的生姜多糖通常具有較高的生物活性，主要由于分子量較小的多糖更容易透過生物膜而更有效地發揮作用，且不激發免疫應激反應[15]。如在抗氧化活性方面[49]，低分子量的生姜多糖表現更佳，主要由于在相同的質量基礎上，低分子量的多糖含有更多的還原性羥基末端來接受和消除自由基[50]。而分子量較大的生姜多糖有更好的流變性，以及較好的葡萄糖包封率和α-葡萄糖苷酶抑制活性[50]。

5.1.2 化學成分 多糖中的單糖、總糖、糖醛酸等化學成分在不同程度上可影響其功能活性[50]，其中糖醛酸、硫酸鹽含量[50]被認為是影響生姜多糖抗氧化活性的一個重要指標。多糖由于其電子或氫供體能力而發揮自由基清除活性，存在于多糖中的糖醛酸基團可以與異頭碳的氫原子相互作用[51]。因此，糖醛酸含量越高，多糖的抗氧化活性越強[51]。生姜多糖的α-葡萄糖苷酶抑制活性，也與電荷供應能力有關，再次說明糖醛酸、硫酸鹽等帶負電荷的化學物質會影響其功能活性[50]。Zhang 等[49]研究表明，抗氧化活性有差異的不同生姜多糖中，葡萄糖是主要糖形式，其次為木糖和阿拉伯糖，以及其他不同種類的單糖，表明單糖組成可能對抗氧化活性產生影響。

5.1.3 高級構型 多糖的空間構型與其生物活性有關。立體結構比平面結構的多糖表現出更優越的生物活性。多糖的螺旋構象也可影響其生物活性，例如抗癌活性和抗炎活性[15]。Wang 等[7]發現生姜多糖具有三重螺旋結構，并能夠發揮抗腫瘤活性。Chen等[15]研究表明，不同的提取方法獲得的生姜多糖物理微觀結構特性均有所差異，由此可能賦予多糖不同的物理性質，例如粘度，可以決定它們在化妝品和醫學中的應用。另外，生姜多糖具有硫酸基團的特征性吸收峰，凝血酶激活后，可迅速促進血液凝固，而具有硫酸基團的多糖存在則可減緩這一過程的發生，表明其可能具有抗凝血作用[7]。

5.2 外部因素

生姜多糖提取過程中使用的工作設備和工藝參數不同，導致產出的生姜多糖物理性質、化學結構不同，進而影響其功能活性。Chen 等[15]研究表明ASE法提取的生姜多糖中性糖和糖醛酸含量最高，而HWE 法得到的總糖量最低，表明堿性條件可能會增強糖和糖醛酸的滲出。另外，ASE 法提取生姜多糖的蛋白質含量較高[15]，蛋白質與酰胺鍵產生化學偶聯，并且通過堿液將這些鍵水解，供應電荷關系改變。以上差異均強調了生姜多糖的功能活性可受到提取工藝的顯著影響。Chen 等[41]研究表明，與HWE 法提取出的生姜多糖相比，UAE 法獲得的生姜多糖具有更低的相對分子質量和更強的DPPH 自由基清除活性。另外，有研究證實三頻超聲提取的生姜多糖分子量低于兩頻超聲提取，具有更強的抗氧化活性[50]。

此外，內部因素中，植物多糖的功能活性還受其單糖序列、分子鏈、電荷供應能力、官能團等影響[52]，但有關生姜多糖的影響因素仍需深入挖掘。因此，在已知的植物多糖功能活性影響因素基礎上，可以繼續深度驗證生姜多糖的影響因素。外部因素中，目前研究僅限于提取工藝對生姜多糖的影響，而其他外部因素與其功能活性的相關性鮮有報道，后續可進一步深入探索。

6 結論與展望

目前，我國對各類多糖的研究已逐步深入，但對于生姜多糖的深入研究較少。現有生姜多糖的提取和純化方法效率低且復雜，需要聯合不同的技術增加提取效率。由于生姜原料和制備方法的不同使得生姜多糖產品的化學結構和生物活性存在差異。因此，建立生姜多糖的標準化制備工藝，以保證產品的一致性和可重復性，對于產品質量控制具有重要意義。同時，生姜多糖的功能活性及其作用機制仍需深入挖掘，可結合臨床驗證增加其可靠性，提高應用價值。

綜上所述，現有研究為生姜多糖在功能性食品、保健品、藥物治療等方面的潛在應用奠定了一定基礎。盡管如此，仍需要不斷努力建立具有發展潛力的制備方法，提供精確的結構信息，保證生姜多糖的產品質量，進一步闡明構效關系和潛在的分子機制。同時拓寬生姜多糖的研究方向，擴大其市場應用領域，推進生姜等藥食同源資源的產業化發展，助力未來功能食品創新發展。