植物多糖的结构与活性研究进展

何余堂，潘孝明

(渤海大学生物与食品科学学院，辽宁省食品质量安全与功能食品研究重点实验室，辽宁 锦州 121000)

植物多糖的结构与活性研究进展

何余堂，潘孝明

(渤海大学生物与食品科学学院，辽宁省食品质量安全与功能食品研究重点实验室，辽宁 锦州 121000)

植物多糖是一类具有重要生理功能并在食品中有广泛应用的生物大分子。本文综述植物多糖的组成、结构和生理活性，对于植物多糖的开发具有现实意义。

植物多糖；种类；结构；生物活性；研发

Abstract：Plant polysaccharides are a variety of biomacromolecules with important physiological functions and broad applications in foods. Composition, structure and physiological activity of plant polysaccharides are reviewed in this article,which will offer practical guidance for their exploitation.

Key words：plant polysaccharides；variety；structure；biological activity；exploitation

植物中的碳水化合物包括单糖、双糖、寡糖和多糖，糖类占植物干质量的80%以上。植物多糖是植物细胞代谢产生的由10个以上单糖组成的多聚糖。一般植物多糖由成百上千个单糖组成，已不具甜味，其性质与单糖有很大不同。植物多糖具有特殊的生物活性，如协助消化、抗疲劳、抗病毒、抗菌消炎、抗衰老、抗辐射、抗肿瘤、降血糖、降血脂及免疫调节等。植物多糖广泛地应用于保健食品、医药和临床上，成为食品科学、天然药物、生物化学与生命科学研究领域的热点。目前从天然产物中分离出的多糖类化合物有300多种，其中从植物中尤其是从中草药中提取的水溶性多糖最为重要，近百种植物多糖已广泛地应用于保健食品与医药中[1-2]。植物来源的多糖很多，研究较深入的有黄芪多糖、人参多糖、枸杞多糖、甘草多糖、当归多糖、五味子多糖、黄精多糖、龙眼多糖、花粉多糖、苹果多糖、南瓜多糖、枣多糖、茶多糖、芦荟多糖、苜蓿多糖、大米草多糖、竹多糖、牛蒡菊糖、桑叶多糖、石斛多糖、魔芋多糖、山药多糖等。我国从植物中提取活性多糖的纯度已达98%以上，在活性多糖的分离纯化、结构鉴定与生物活性研究等方面取得很大进展。

1 植物多糖的种类

植物多糖的种类很多。按在植物体内的功能分为两类：一类是形成植物体的支持组织，如纤维素；一类为植物的贮存养料，可溶于热水成为胶体溶液，经酶水解后生成单糖以提供能量，如淀粉等。根据植物器官的不同，植物多糖可分为植物花果实类多糖如花粉多糖、玉米须多糖、枣多糖、无花果多糖；植物茎叶类多糖如茶多糖、芦荟多糖、桑叶多糖、龙眼多糖；植物块根茎类多糖如魔芋多糖、山药多糖、麦冬多糖等。

根据其在植物细胞的存在部位，植物多糖可分为细胞内多糖、细胞壁多糖和细胞外多糖[3]。细胞内多糖以溶液或高度水和状态存在于液泡中(淀粉除外)，主要为果聚糖和甘露聚糖；细胞壁多糖主要指纤维素、半纤维素、果胶类等；细胞外多糖主要指树脂和其他胶，如半乳聚糖、葡聚糖醛酸、甘露聚糖、木聚糖和其他多糖等。

2 植物多糖的组成与结构

2.1 植物多糖的组成

对许多植物多糖的组成成分进行研究发现，植物多糖的相对分子质量从几万到百万以上，主要成分为葡萄糖、果糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖、鼠李糖、岩藻糖、甘露糖、糖醛酸等。不同植物多糖的主要组成存在差异，分别由几种不同种类的单糖，以一定的比例聚合而成，如黄芪多糖由葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、鼠李糖组成，物质的量比为20.52:11.41:4.34:3.92:1.95:1[4]。人参多糖的主要成分有葡萄糖、半乳糖醛酸、半乳糖、阿拉伯糖、鼠李糖和甘露糖，物质的量比为77.9:8.7:6.8:4.6:1.1:1.0[5]。不同茶叶多糖的单糖组成也有差异。绿茶多糖相对分子质量为91000，由半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖、葡萄糖、岩藻糖组成，物质的量比为2.43:1.04:1.00:0.62:0.23；乌龙茶多糖相对分子质量为107000，由葡萄糖、半乳糖、岩藻糖、阿拉伯糖、木糖组成，其单糖组成比为44.20:41.99:6.08:5.52:2.21；而苦丁茶多糖由阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、甘露糖、木糖等5种单糖组成，各单糖物质的量比为10.2:8.0:5.4:1.2:1.0[6-7]。仙人掌多糖相对分子质量为364000，由半乳糖、阿拉伯糖、鼠李糖、阿拉伯糖醛酸、木糖组成，其物质的量比为2.82:2.67:1.13:1.02:1.00[8]。龙眼多糖的相对分子质量为420000，主要由阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖、半乳糖醛酸组成，比例为2:1:2:1[9]。

2.2 植物多糖的结构

植物多糖的结构单位是单糖，以糖苷键相连接，常见的糖苷键有α-1,4-、β-1,3-、β-1,4-和α-1,6-苷键。结构单位可以连成直链，也可以形成支链，直链一般以α-1,4-苷键和β-1,4-苷键连成，支链中链与链的连接点常是α-1,6-苷键[9-10]。多糖的生物活性与其一级结构和高级结构有着密切的关系。

多糖的一级结构是指糖基的组成、排列顺序、相邻糖基的连接方式、糖链有无分支、分支的位置与长短等。多糖的一级结构复杂，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而形成复杂的高级结构。多糖二级结构是指多糖骨架链间以氢键结合的各种聚合体。多糖的三级结构是在二级结构形式的基础上进一步盘曲，折叠而形成具有一定形状和大小的空间构象。多糖的四级结构是指多聚链间非共价键结合形成的聚集体。

3 植物多糖结构与活性的关系

植物多糖的生物活性主要是利用其相似结构，通过免疫调节机制产生免疫活性。多糖的一级结构及高级结构与其生物活性具有密切的关系，这也是当前多糖研究领域的热点。

3.1 多糖一级结构与活性的关系

植物多糖的一级结构与生物活性具有密切的关系。多数具有突出生物活性的多糖都以(1→3)糖苷键连接，具有β(1→3)-D-葡聚糖的主链结构[11-12]，同时带有一些侧链，具有一定的分支度，而且，糖基上还连接有一些特殊的功能团。灰树花多糖的基本结构为β(1→3)-D-葡聚糖，并带有β-1,6侧链，分支度为33%，有较高的抗肿瘤活性[13]。实验证据表明，大多数通过硫酸酯化的多糖具有明显的抗病毒、抗肿瘤和抗凝血等生物活性，如硫酸葡聚糖、硫酸戊聚糖等。多糖的烷基化对多糖活性也有影响。对寡糖进行分子修饰，引入烷基和硫酸根，发现其修饰产物具有抑制HIV-1的能力[14-15]。然而，茯苓聚糖和昆布糖同样具有β-(1→3)-D-葡聚糖主链结构，却几乎没有抗肿瘤活性，说明仅有相同或相似的主链结构并不足以使多糖具有较高的生物活性[16]。

3.2 多糖高级结构与活性的关系

多糖的高级结构对其生物活性也有很大的影响。多糖的特定空间构象是生物活性必需的，如具有抗肿瘤活性的一些多糖呈三股螺旋结构，裂褶多糖具有对称螺旋结构。研究表明，如果多糖的构象由有序变为无序，其活性立即消失。在多糖中加入尿素或二甲基亚砜，可能引起多糖立体构型发生改变，导致其活性丧失[17]。多糖的活性可能与其有序构象直接相关，但目前还无法明确这种有序构象。

3.3 多糖取代度与活性的关系

多糖取代度是指多糖中的单糖上的活性羟基被其他功能团取代的数量平均值。当多糖达到一定的取代度时，才具有生物活性，但并不是取代度越高，活性就越强。从紫胶树的树胶中提取出来的漆多糖，当取代度大于0.8时，随着取代度的提高，抗凝血活性增大；而真菌多糖是一种高度分支化的葡聚糖，取代度高达2.8，活性却很低[18]。

3.4 多糖分子质量与活性的关系

活性多糖具有一定的分子质量范围，分子质量过大的多糖一般没有活性。多糖分子质量太大，不利于其跨越细胞膜进入生物体内发挥生物学活性，而分子质量过低，也没有活性[19-20]。具有生物活性的灰树花多糖分子质量一般大于45kD，若小于10kD则其生物活性很弱或没有生物活性[21]。分子质量大于100kD的裂褶菌多糖具有较强的抗肿瘤活性，而分子质量小于50kD的裂褶菌多糖无生物活性。

3.5 多糖其他结构特性与活性的关系

植物多糖理化性质对生物活性也有影响，如多糖的溶解度对生物活性有一定影响。一些植物多糖中有不溶于水的组分，溶解度较低，没有生物学活性，而一些直链的、无过长支链、溶解度大的多糖具有生物活性。

总的来说，具有生物活性的植物多糖一般具有如下结构特点：一级结构具有β(1→3)-D-葡聚糖的主链结构，有侧链，分支度适中，糖基上连接一些功能团，多糖的取代度适中；具有一定的分子质量范围，溶解性好；高级结构具有特定的有序空间构象。植物多糖的结构与立体构象非常复杂，多糖在体内的作用机制还不十分清楚。多糖结构与功能的关系还有待于深入研究。

4 植物多糖的活性功能

多糖有多种多样的活性功能。对多糖的结构与功能关系的深入研究，有利于植物多糖更多地应用于生命科学、医学及工农业生产上。

4.1 增强细胞免疫、抑制肿瘤

植物多糖是良好的免疫调节剂，可提高机体淋巴细胞及巨噬细胞的数量和功能，提高人体血清免疫球蛋白IgG水平，促进各种细饱因子如干扰素、IL-1、IL-6、TNF等的生成，具增强机体免疫力的作用[22-23]，如黄芪多糖可促进巨噬细胞产生IL-l，抑制PCE3合成，增强T 淋巴细胞的增殖；石斛多糖能使小鼠抗体细胞明显增多，T细胞和B细胞显著增殖，具有免疫增强作用。

植物多糖还具有抗肿瘤活性，主要是通过提高机体免疫力、抑制肿瘤DNA或RNA的合成来实现的，对肿瘤细胞有抑制或杀伤作用。如芦荟多糖可改善小鼠机体免疫状态，通过红细胞免疫调控作用来抑制肿瘤；人参多糖能阻止肿瘤细胞进入增殖周期，激活机体免疫系统等途径发挥抗肿瘤作用；玉米须多糖能抑制大鼠C-6瘤细胞的形成、增殖与扩散，具有抑制肿瘤及抗诱变的作用[24-25]。

4.2 降血糖、降血脂

植物多糖可有效保护和修复胰岛细胞，调节糖代谢酶活性、降低血糖水平，对糖尿病有显著的预防和治疗作用；还可降低血液中胆固醇、甘油三酯含量，具有抗动脉硬化的作用。南瓜多糖可直接参与降血糖、调血脂等活动，人参多糖能使小鼠体内血糖和肝糖原含量降低，可用作抗糖尿病药物，百合多糖能修复β-胰岛细胞、增强分泌胰岛素功能，从而降低血糖水平[26]。植物多糖可降低血清中低密度脂蛋白胆固醇含量，降低血脂，减少患心血管疾病的发生概率，如南瓜多糖水溶液可有效改善脂代谢，降低血脂水平[27]。

4.3 抗凝血、抗血栓

植物多糖有显著的抗凝血、抗血栓作用。茶多糖灌胃给药50mg/kg，小鼠凝血时间延长319%，并减少血小板数[28]。大蒜多糖可延长人体血浆APTT值，通过影响内源凝血系统发挥抗凝血作用[29]。

4.4 抗氧化、抗衰老、抗疲劳

植物多糖可抑制体内自由基的产生，也可以直接清除自由基；可促进超氧物岐化酶SOD的释放，提高抗氧化酶的活性，以增强机体对自由基的清除能力和抗氧化能力，从而保护机体膜系统的稳定性，增强体力，抗疲劳，延缓衰老。芦荟多糖能明显提高大鼠血清超氧化物歧化酶活性，改善自由基代谢；枸杞多糖能提高小鼠肌糖原、肝糖原储备，增加乳糖脱氢酶的总活力，延长小鼠游泳时间，故能增强机体体力，消除疲劳[30]；沙棘和无花果多糖具有明显的抗氧化作用[31-32]。

4.5 抗辐射功能

植物多糖具有保护细胞、增强肌体抗辐射损伤的功能，如茶多糖可提高60Co照射后的小鼠成活率；人参多糖可降低60Co照射后的小鼠染色体和精子畸变率[33]；黄芪多糖可修复由微波辐射导致的染色体损伤；柴胡多糖可降低60Co对小鼠的辐射损伤。

4.6 抗菌、消炎、抗病毒

植物多糖对细菌、真菌和病毒具有抑制作用。如紫萁多糖可抑制革兰氏阳性菌，对革兰氏阴性菌亦有抑制作用；花粉多糖、玉米须多糖具有对细菌和真菌的抑制活性，尤其对沙门氏菌、金黄葡萄球菌的抑制作用较强[34]。甘草多糖对牛艾滋病毒、腺病毒、柯萨病毒均有较明显的抑制作用，对AdV Ⅱ和CBV3有明显的灭活作用；硫酸酯化的箬叶多糖具有抑制HIV引起的细胞病变[35-36]。

4.7 其他生物活性

植物多糖的生物活性很多，除上述功能外，还有助消化、抗溃疡、抗过敏、调节内分泌、抑制腺体增生、利尿、平喘等活性功能。

5 展 望

我国植物资源丰富，植物多糖种类繁多。植物多糖的原料成本比较低，容易产业化，研发前景非常广阔。据统计，2010年我国保健品市场销售额将超过1000亿元，植物多糖是重要的资源之一[3]。植物多糖可加工成饮料、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，是防病健身，抗衰老增强免疫力的佳品。植物多糖经纯化、干燥后可作为药物的缓冲剂、稳定剂、悬浮剂；也可利用其生物活性制备疫苗，作为抗肿瘤、抗病毒和延缓衰老的药物。植物多糖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，以延长保质期。植物多糖还可作为乳化剂、稳定剂、润滑剂、保湿剂、其他结剂，广泛应用于食品工业、石油、化工、环保等领域。植物多糖还可作为生物农药用于防治水果、蔬菜及农作物的真菌、细菌和病毒疾病，具有易降解、无毒、无害、无残留等优点，在农业生产上具有很好的应用前景。

植物多糖的分子结构与构型复杂，我国的多糖研究近年来取得了长足进展，但对多糖的分析鉴定与结构研究还需要改进，有关立体构型方面的研究还比较落后。随着现代科学技术的发展，分析检测方法的完善，植物多糖的研究会不断深入，必然会在人类生活中发挥更大作用。

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Biological Activity and Structure of Plant Polysaccharides

HE Yu-tang，PAN Xiao-ming
(College of Biology and Food Science, Bohai University, Liaoning Provincial Key Laboratory of Food Quality Safety and Functional Food, Jinzhou 121000, China)

TS201.4

A

1002-6630(2010)17-0493-04

2010-06-29

辽宁省教育厅高校重点实验室计划项目(2008S003)

何余堂(1967—)，男，教授，博士，研究方向为食品生物技术与功能性食品。E-mail：heyutang@163.com