功能性植物多糖及其应用研究进展

　　摘要：功能性植物多糖是植物细胞代谢产生的，由10个以上，或几百甚至几千个单糖分子通过糖苷键聚合而成的大分子碳水化合物;功能性植物多糖具有抗氧化、降血糖、降血脂、免疫调节、抗肿瘤、调节肠道微生态等多种生物活性，还具有来源广泛、安全无毒、活性高、环境亲和力高等优点，在食品及生物医药领域具有广阔的应用前景。本文主要从对植物多糖的结构解析，溶剂提取法、酶辅助提取法及仪器辅助提取法等提取方法，免疫调节、抗肿瘤、抗氧化、抗衰老、降血糖及降血脂等生物活性及其作为功能因子的应用等的相关研究进展进行综述，旨在为学者的研究和进一步的开发利用提供参考和借鉴。

　　关键词：植物多糖，结构组成，提取方法，生物活性，应用

　　多糖是由多个单糖分子脱水缩合而成的一类结构复杂的糖类物质，结构单位之间以糖苷键相连接，常见的糖苷键有ɑ1,3糖苷键、β1,6糖苷键、β1,4糖苷键、ɑ1,4糖苷键和β1,3糖苷键等。多糖广泛存在于动物、植物和微生物中。不同来源的多糖具有不同的生物活性，如动物多糖中的多糖肝素具有抗凝血功能[1]，鲍鱼多糖可抑制自由基对β细胞的损伤并提高胰岛素敏感性[2]，虾壳聚糖能抑制部分细菌和真菌的活性;微生物多糖中的乳酸菌胞外多糖能增强肠道屏蔽功能[4]，酵母细胞壁多糖能促进动物生长、肠道发育[5]。

　　与动物多糖和微生物多糖相比，植物多糖的来源广泛，易于获得，且得率较高。植物多糖具有免疫调节、抗肿瘤、抗氧化、抗衰老、降血糖和降血脂等生物活性，又具有来源广、可降解、安全性高、易于修饰、环境亲和力高等特点，而被广泛应用于食品、医药、畜牧养殖及水产养殖等行业中。我国植物资源丰富，种类繁多，植物多糖的原料成本低廉，易于工业化，为开发利用植物多糖奠定了深厚的物质基础。本文为功能性植物多糖的进步一研究和综合开发利用提供一定的参考价值。

　　1植物多糖的结构及其解析方法

　　1.1植物多糖的结构

　　植物多糖，是由醛糖或酮糖通过糖苷键连接而成的一类天然大分子聚合物。植物多糖的结构较为复杂，不同来源的植物多糖的分子构成和分子量各不相同，但植物多糖的结构同蛋白质一样，都具有一、二、三、四级结构。一级结构是指糖基的组成和排列顺序，糖苷键的连接方式，异头碳构型，重复结构单元和分支度等。在多糖的一级结构的糖基上可连接一些功能团，如磷酸基团、硫酸基团、甲基化基团等。

　　多糖的二级、三级和四级结构统称为高级结构。多糖的高级结构是在一级结构的基础上，各侧链通过非共价键相互作用结合形成结构更为复杂的构象。多糖分子链在溶液中能以不同的形态存在，如无规则线圈、单螺旋、双螺旋、三螺旋、类球体、蠕虫状、棒状和聚集体等。经研究发现，同是β，连接的多糖即使其一级结构完全相同，但由于二级和三级结构不同，其生理活性差异也很大。因此，多糖的活性与其高级结构密切相关。

　　1.2植物多糖的结构解析方法

　　植物多糖的化学结构复杂，且多糖的活性与其高级结构紧密相关，但很难用一种或几种方法解析出其结构，必须结合大量的化学分析和现代仪器分析方法进行综合解析。纯化后的植物多糖其单糖及糖醛酸组成通常采用强酸将多糖链彻底水解，采用苯基甲基吡唑啉酮(PMP)衍生化，利用液相色谱(HPLC)分析或经强酸水解后采用乙酸酐酯化，利用气相色谱分析(GC)或经酸水解后利用高效阴离子交换色谱(HPAECPAD分析[1013]。刘瑞馨等[14]采用气相色谱法分别分析了黄秋葵籽多糖的单糖组成，黄秋葵籽多糖的主要单糖为甘露糖和半乳糖。

　　刘小辰[15]等采用液相色谱法分析了香蕉皮粗多糖的组成，主要单糖为阿拉伯糖和木糖。与气相色谱相比，液相色谱不受样品的挥发性和热稳定性的限制，使样品易分离和易回收;气相色谱质谱(GCMS)的样品用量少，分析速度快，信息量大，应用范围广。杜锦畅等人[16]用气相色谱质谱分析了野巴子多糖的单糖组成，结果表明，野巴子多糖的主要单糖为阿拉伯糖和半乳糖。糖苷键键型和连接方式主要通过甲基化、高碘酸氧化和Smith降解、乙酰化，利用核磁共振和质谱解析[8、12、17]。孙延平等人[18]通过高碘酸氧化，Smith降解、甲基化及核磁谱分析等方法对牵牛子多糖的连接方式进行解析，牵牛子多糖的主链可能以Rha为核心连接少量的Glc、Gal和Man作为主链，支链部分主要包含GlcA、GalA。

　　范信晖等人19利用甲基化分析，显示黄芪多糖通过膜分离法得到两种单糖残基的主要连接方式分别为:→4)DGlu(1→,→6)DGal(1→,→4)LAra(1→和→4)DGlu(1→,→3,5)DGlu(1→,→3,4)DGal(1→。高涛等人[20]通过核磁共振光谱对川明参粗多糖的糖苷键键型进行解析，川明参粗多糖由α1,4糖苷键和一定量的α1,2糖苷键、α1,6糖苷键和α1,5糖苷键以及极少量的β1,4糖苷键和β1,6糖苷键进行连接。气相色谱法、液相色谱法、质谱法及色谱质谱联用法、红外光谱法和核磁共振波谱法等仪器分析法还可用于特征基团的判断、检测主链和支链的结构，异头构型和糖残基的连接顺序等。此外，多糖的高级结构解析方法主要包括：圆二色谱、射线衍射、原子力显微镜、光散射方法、差示扫描量热法等。

　　2植物多糖的提取方法

　　2.1溶剂提取法

　　溶剂提取法是提取植物多糖最常用的提取方法，因为多糖中含有大量的羟基结构，与水反应易形成氢键而溶出，所以植物多糖的传统提取法为水提法，另外多糖不溶于醇类，故加入乙醇会使多糖析出。如Ghavi30以水为溶剂提取药蜀葵多糖，原料为粉末状的药蜀葵根10g，提取温度为10～90℃，提取时间～30h，提取液质量浓度0.02～0.10g/mL。此方法操作简单、成本低、绿色环保，但耗时长，得率较低。碱提取法适用于具有较多糖醛酸的多糖，在碱液的作用下，对植物细胞壁产生破坏作用，植物细胞充分溶涨，多糖充分溶解于碱液中31。

　　林夕梦32通过碱浸提法提取枣残渣中的多糖，经电镜扫描，发现提取物的微观结构其表面光滑且带有一定的褶皱，表明多糖分子内和分子之间相互作用力比较强，结合很紧密。但使用后的碱液回收困难，比较浪费。酸提法由于在酸性环境下，糖苷键容易断裂，一定程度上会破坏多糖结构与生物活性33，且提取率较低，使用后的废液对环境有一定的污染，所以酸提取植物多糖的报道较少。Peasura等人[34]利用硫酸作溶剂提取海藻体内的多糖，得到了抗氧化性高的硫酸多糖。

　　2.2酶辅助提取法

　　植物的细胞壁和细胞间质中含有较多的多糖，溶剂在提取时会通过结构致密的细胞壁和细胞间质，采用酶辅助提取法，可有效的水解细胞壁的致密结构，促进提取物的溶出，进而对提高提取效率有一定的积极作用[31]。Li[35]采用纤维素酶辅助水提法优化提取石榴皮多糖工艺，在纤维素的用量为0.93%，料液比为1:22g/ml，酶解温度55℃，pH5.0，酶解时间88min时，石榴皮多糖的得率最高为22.31%±0.07%。酶提取法是一种高效、温和、提取率高的方法，酶提取法一般使用纤维素酶和果胶酶，所以新酶的开发具有广阔的发展空间。

　　2.3仪器辅助提取法

　　2.3.1微波辅助提取法

　　微波辅助提取法是利用微波辐射使细胞内的极性物质获取大量的热，引起细胞内的温度升高，液态水气化产生的压力使细胞膜和细胞壁破裂，形成微小孔隙，使多糖从中释放。

　　孙萌肖[36]等人采用微波辅助提取技术提取人参叶多糖，当提取时间25.93min、提取温度51.5℃、微波功率174.26W和水料比40mL/g时，人参叶多糖的最高得率为2.89%。张鹏等[37]采用微波辅助法对山竹壳多糖的提取工艺进行优化，在微波功率为550W，微波时间为190s，液料比为35:1mL/g时，山竹壳多糖的提取率为17.83mg/g，且工艺稳定、可靠，山竹壳多糖具有较好的抗氧化活性。微波辅助提取法大大的提高了多糖的提取效率和提取率，适合广泛的推广和普及。

　　2.3.2超声波辅助提取法

　　超声波辅助提取法主要是利用机械振动波的快速振动和空化作用，破坏细胞壁和细胞膜等，而达到固液分离的目的。韩秋菊[38]等人采用超声提取技术提取黄秋葵多糖，最佳条件下：液料比45:1mL/g、超声时间18min、提取温度62℃、超声功率395W，黄秋葵多糖的提取率达到6.94%±0.0624%。王柱[39]采用超声辅助提取豇豆多糖，确定超声时间为5min，超声功率为额定功率750W的50%，提取时间为2h，提取温度为93℃，料液比为1:42。在此条件下得到的多糖得率为7.65%。与常规热水提取相比，超声提取法既减节省了时间，又使得率明显提高。

　　2.3.3超临界流体萃取法

　　超临界流体萃取法一种新型的分离提取技术，该技术是利用流体的高密度、低粘度的双重特性，能够从天然物质中有选择性地提取出有效成分，有效地改善和提高产品质量。任保国40以人参为原料，经超临界CO2流体萃取脱脂预处理后，采用超声波技术提取人参多糖。

　　最佳工艺条件下，即料液比1:20g/mL，提取温度60℃，超声波处理时间40min，超声波功率70W，人参多糖提取率为25.39%。林志銮[41]等人利用液体离子超声波辅助提取法，研究武夷山白花葛茎多糖的最优提取工艺条件。最终以6%离子液体[BMIm][PF6]3mL、超声功率630W、超声时间25min、料液比1:35g/ml为最佳提取条件，此时白花葛茎多糖的提取率为22.53mg/g。超临界流体萃取法高效、无污染、多糖结构不易被破坏，但设备造价较高。

　　2.3.4超高压脉冲提取法

　　超高压脉冲提取法是利用高压电的短脉冲使多糖成分从细胞内部释放，但目前多用于食品保鲜和杀菌等方面。靳学远[42]等人利用超高压提取方法提取辣木叶多糖，实验结果表明，辣木叶多糖的最佳提取工艺条件为：压力400MPa、提取时间5.5min、液料比15:1mL/g，此条件下辣木叶总多糖得率达16.28%。超高压提取法省时，提取率高，但活性物质易被破坏。目前多糖的提取方法已成为多糖研究领域的热点，越来越多的新型提取技术被研究和应用，如超声微波协同提取法。未来多糖的提取方法将朝着高效、节能、绿色、环保、成本低、易操作、多元化的方向发展。

　　3植物多糖的生物活性

　　3.1免疫调节

　　植物多糖是良好的免疫调节剂，可与免疫细胞表面的多种受体结合，激活不同的信号通路来调控机体的免疫系统，激活巨噬细胞，刺激T/B淋巴细胞，提高人体血清免疫球蛋白水平，促进各种细胞因子如干扰素、TNF(肿瘤坏死因子)等的生成和释放，促进抗体的分泌，具有增强机体免疫力的作用4345。张珊珊等[46]研究表明铁皮石斛多糖能显著提高小鼠胸腺指数，促进IFNγ、TNFα、IL6的分泌，抑制IgE的分泌，在一定程度上引导免疫类型向Th1型偏移，提高小鼠的免疫功能，并能降低粪便pH，提高粪便含水量和SCFAs含量水平，促进肠道健康。

　　Li等[47]研究发现硫酸化多糖能减轻氧化低密度脂蛋白诱导的巨噬细胞泡沫细胞的形成，能抑制氧化低密度脂蛋白诱导的巨噬细胞中PPARγmRNA表达的增强，从而发挥免疫调剂作用。贺海波等48发现青钱柳多糖能改变巨噬细胞的形态、增强巨噬细胞内酶的活性及促进巨噬细胞分泌细胞因子，增强其吞噬活性，进行免疫调节。Yuan等人49研究表明富硒绿茶多糖能激活T/B淋巴细胞，促进对免疫系统的调节作用。Huang等50研究发现膳食荔枝果肉多糖能促进淋巴细胞的增值，调节脾脏、胸腺指数，以提高机体的免疫活性。

　　3.2抗肿瘤

　　在现代生活中，癌症越来越普遍，发病率不断攀升，几百年的现代医学对肿瘤的研究一直没有停歇，但至今还无法攻破。在肿瘤的治疗过程中，多以化疗和服用抗肿瘤药物为主，但极易出现副作用。植物多糖被作为一种潜在的天然抗肿瘤药物应用于肿瘤治疗中。植物多糖抗肿瘤的生物活性主要是通过两个途径：

　　一是通过提高机体的免疫力间接的发挥作用。如：陈梦婷等51发现芦荟多糖在体外可刺激细胞和细胞的增殖对细胞的作用更强，并通过红细胞免疫调控作用来抑制肿瘤;姚路蒙等人52研究发现补益类中药的植物多糖有显著的抗肝癌作用，可诱导细胞凋亡、阻滞细胞周期、抑制细胞侵袭分化、抗新生血管生成和调节免疫系统。

　　二是通过抑制肿瘤DNA或RNA的合成对肿瘤细胞进行抑制或杀伤。如：吴发玲等53探析了人参多糖能阻止肿瘤细胞进入增殖周期，直接杀伤肿瘤细胞的DNA，阻滞细胞的分裂周期，诱导肿瘤细胞分化，来诱导肿瘤细胞凋亡和癌细胞分化逆转录;牛广财等人54研究表明玉米须多糖可以抑制大鼠瘤细胞的形成、增殖与扩散，具有抑制肿瘤及抗诱变的作用。史天洁55经试验发现红花蜂花粉多糖能抑制细胞增殖，使肿瘤细胞的凋亡率增加，能促进pten、bax、caspase、p53的mRNA表达，抑制PI3K、Akt、bcl的mRNA表达;具有显著的体外抗肿瘤活性。

　　周红秋56探究发现金蝉花粗多糖可提高Hela细胞中ROS的活性及介导p53信号通路致使细胞凋亡，对Hela细胞形态和迁移具有抑制作用。 植物多糖是从植物中提取的天然活性物质，具有安全无毒、稳定性高等特点。同时，经过许多的植物多糖的体外抗肿瘤实验证实植物多糖具有抗肿瘤的生物活性，且相较于化疗治疗，植物多糖的毒副作用更小，所以植物多糖被越来越多的应用在抗肿瘤药物中。

　　3.3抗氧化、抗衰老

　　生物体随着年龄的增长，身体机能下降，对环境的应激能力减弱，出现衰老的现象。衰老是不可避免的，但延缓衰老是有可能的。

　　现代科学研究认为，植物多糖的抗衰老作用主要通过以下四个方面：一是提高机体的超氧化物歧化酶活力，降低机体内脂质过氧化物和丙二醛的浓度，清除机体的自由基，以抗衰老;二是减缓染色体末端端粒的缩短速度，加强DNA的复制与合成，激活端粒酶及提高端粒酶活性;三是调节蛋白质和核酸、糖和脂质的代谢;四是通过增强机体的免疫活性，来延缓衰老5758。夜寒苏粗多糖能抑制α葡萄糖苷酶活性，能清除DPPH自由基、ABTS自由基，具有体外抗氧化活性59。

　　Yu等60从积雪草中分离纯化出一种高效的多糖，用MTT法检测，结果显示积雪草多糖对HepG2细胞的生长有一定的影响。研究表明，辣木叶多糖具有一定的体外抗氧化活性、DPPH自由基清除能力、羟基自由基清除能力，随着浓度的升高抗氧化能力逐渐增强，在抗氧化功能食品和药物研发中有潜在的应用价值61。山药多糖可降低与衰老有关的酶的活性，防止机体老化62。金银耳多糖对过氧化氢诱导的红细胞氧化损伤有良好的保护作用63。动物体内实验研究表明，三七多糖在0.5mg/mL的剂量下，显著提高了超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的活性，降低了丙二醛含量，使秀丽线虫的平均寿命延长了。

　　3.4降血糖

　　糖尿病是因胰岛素分泌不足而引起碳水化合物、蛋白质和脂肪代谢紊乱的慢性疾病。近些年来，随着社会经济的发展和居民生活水平的提高，糖尿病的发病率逐年升高，且趋于年轻化。植物多糖具有改善胰岛素抵抗，降低血糖和血脂的生物活性。植物多糖能有效的保护和修复胰岛细胞，增加胰岛素含量，调节糖代谢中酶的活性，增加肝糖原的合成，降低血糖水平，对糖尿病的预防和治疗有显著作用。

　　植物多糖还可调节脂质的吸收、分布、代谢与排泄，降低血液中胆固醇、甘油三酯的含量，提高抗氧化能力，具有抗动脉硬化的作用65。杜仲叶多糖通过建立糖尿病模型大鼠，结果显示，其清除DPPH、ABTS自由基能力，对α葡萄糖苷酶抑制活性及空腹血糖、尿素氮、丙二醛、谷胱甘肽过氧化物酶、超氧化物歧化酶、Caspase3、p38MAPK及TGFβ1蛋白水平的作用明显。可降低糖尿病大鼠空腹血糖水平，对糖尿病大鼠的胰岛细胞具有一定的保护作用[66]。黄连多糖能改善葡萄糖耐受性，有效抑制高血糖，抑制糖尿病[67]。

　　人参多糖能使小鼠体内血糖和肝糖原含量降低，可用作抗糖尿病药食物[6。桑葚多糖能改善血糖水平、血脂指标、脂质过氧化水平和血清抗氧化状态69。黄芪多糖可保护胰岛β细胞，促进胰岛素分泌，改善葡萄糖和脂质代谢70。红茶多糖能减少葡萄糖的生成，使血糖下降，保护胰岛β细胞，减轻糖尿病症状，达到降低血糖的效果71。葛根多糖具有较好的抗氧化性，可以通过改善T1DM大鼠脂代谢水平和氧化应激水平从而起到降血糖作用[72]。由此可见，植物多糖具有一定的生物活性，能调节血糖水平，需重视植物多糖在临床应用的研究。

　　4植物多糖在食品工业中的应用

　　4.1作为运载体

　　植物多糖具有较高的生物相容性、稳定性、组织靶向性和生物降解性，较低的生物毒性、免疫原性和成本。作为药物的运载体具有广阔的应用前景。Wu等[73]合成了一种具有较低细胞毒性的阳离子支链茶多糖衍生物，可作为非病毒载体将功能性siRNA靶向递送至肝细胞。

　　Chang等[74]开发了一种理想的蛋白质多糖复合纳米粒子包埋姜黄素，其包封率高达80%，这种纳米粒子可在模拟胃肠道条件下保持其完整性，显示出缓慢的动力学释放性，可用于口服给药。鄢宏浩[75]将纯化后的米糠多糖用聚乳酸进行修饰，包埋姜黄素，具有良好的载药性和粒径，且在酸性环境下释药，载体分布均匀，稳定性良好。Pawar等[76]使用岩藻多糖制备负载阿霉素的用于治疗乳腺癌的纳米粒子，此纳米粒子可使细胞周期停滞在G1S期，随后凋亡，提高了抗癌活性，有助于维持肿瘤中的优先药物定位。

　　4.2功能性食品配料或赋形剂

　　将植物多糖同肉制品进行有机结合，可改善肉制品的质构、保水性、感官品质、风味及促进健康等77，HerreraBalandrano等78在低脂法兰克福香肠中添加阿拉伯木聚糖，使香肠的硬度、弹性等均得到改善。还可根据植物多糖的亲水性和高分子量，将其制成植物多糖乳化剂，添加到食品乳状液中，可降低表面张力，增加两相粘度，阻止相分离，保持乳状液稳定79。Bai等[80]采用高压微流法制备了水包油的阿拉伯树胶、玉米纤维树胶和甜菜果胶的多糖乳液。阿拉伯树胶和甜菜果胶因于界面张力的更大降低和更强的吸附，比玉米纤维有着更好的稳定性。

　　贺莹等人81将从银杏叶中提取纯化后的银杏叶多糖添加到泡腾片中,当泡腾片中的杏叶多糖的添加量为21%时，该泡腾片外表呈淡绿色，表面光滑，可迅速溶，并伴有银杏叶特有的香味，口感良好，酸甜适中。白雪等[82]在玉米面复合馒头中加入玉竹多糖后，馒头的品质最佳，感官评分能高达94分，玉竹多糖不仅提高了玉米面馒头的弹性，降低了硬度，并对其胶粘性、咀嚼性和内聚性产生了影响，改善了玉米面馒头的口感。

　　4.3保健食品功能因子

　　植物多糖是天然的高分子化合物，活性多糖小剂量可防病健身，是增强免疫力、延缓衰老的佳品，所以可将植物多糖添加到食品中，开发多种功能性食品。近年来已有南瓜多糖、山药多糖、茶叶多糖、枸杞多糖等被用于保健品的开发，并取得了较好的效果83。在食品的工业化生产中，可直接制成高浓度的多糖粗提液，进一步加工制成饮料、口服液，或作为营养强化剂直接加入食品中，作为特殊人群的保健食品。

　　将猴头菇多糖与其他食品原辅料结合成的猴头菇胃肠保健口服液[84]，具有益气养胃、增食欲、促睡眠、祛疲劳等多项保健功效。以人参多糖为主要原料，添加蜂蜜、白砂糖、柠檬酸等物质制成的人参多糖饮料[85]，酸甜可口、滋味柔和，并具有防辐射的功效。将黄果槲寄生果实多糖进行加工,添加到以陇南黄樱桃鲜果为原料研制的低糖复合果酱[86]中，具有保肝、延缓疲劳、提高免疫力等功效。

　　5结语与展望

　　随着化学、生物学、营养学和免疫学的发展，人们对植物多糖的研究不断深入，植物多糖的多种生物活性被广泛研究和应用。可从植物中提取植物多糖作为保健食品功能因子加工成饮料和口服溶液等其他食品，或直接添加到食品中作为功能性食品配料或赋形剂，能预防疾病，抗衰老和增强免疫力。也可利用植物多糖的生物活性用于药物的运载体中。植物多糖还可用于食品贮藏保鲜，作为水果、蔬菜和食品包装材料内表面的涂膜剂或抑菌剂，以延长保质期。植物多糖还可作为乳化剂、絮凝剂、润滑剂、保湿剂，广泛应用于食品工业、石油、化工、环保等领域。

　　植物多糖的种类多样，资源丰富，具有多种生物活性，具有极大的开发意义，但植物多糖的分子结构和结构是复杂的，近年来，多糖的研究在我国取得了长足的进步，但还需改进多糖的分析鉴定，结构研究和三维立体研究，手段仍然相对落后。随着现代科学技术的发展和分析检测方法的进步，植物多糖的研究将继续深入，植物多糖的分子结构和生物活性作用机制的探究、植物多糖保健产品的研发和复合多糖的调配等将会在未来新科技的帮助下快速发展，并在人类生活中发挥更大的作用。

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　　作者：刘思扬1，陆雅琦1，海日汉1，安迪1，马福敏1