植物多糖消化酵解特性的研究进展

陈培琳，游卿翔，常 青，陈 政，张 怡，2，3，郑宝东，2，3，胡晓珂，曾红亮，2，3，*

(1.福建农林大学食品科学学院，福建福州350002;2.福建农林大学，福建省特种淀粉品质科学与加工技术重点实验室，福建福州350002;3.福建农林大学，中爱国际合作食品物质学与结构设计研究中心，福建福州350002)

多糖是由多个单糖基以糖苷键连接而成的高聚物，是多羟基醛或多羟基酮及其缩聚物和衍生物的总称［1］。植物多糖是植物中重要的组成物质，是植物生命体的四大基本物质之一，主要有果胶、淀粉、纤维素、半纤维素和木质素等。越来越多的研究发现植物多糖具有抗氧化［2］、抗肿瘤［3］、抗病毒［4］、抗肝损伤［5］、抗凝血［6］、降血糖［7］、降血脂［8］、促进肠道健康［9］等生物活性。植物多糖的生物活性受到其单糖组成［8］、相对分子质量［10］、分子形状［7］、主链组成［11］、分子支链分支度［12］和链构象［13］等的影响，目前体内外生物活性研究较多，但其体外生物活性的机制研究较少，特别是其与消化、酵解和吸收的关系。机体是一个复杂的体系，植物多糖又是大分子物质，在体内是直接作用发挥生物活性还是经过摄取、消化、发酵后才发挥其生物活性有待进一步的探索。因此研究植物多糖的消化特性尤为重要，其消化特性能为多糖的体内作用机制提供一定的解释，并探索其可能存在的功效。

本文以植物多糖分类、结构、消化酵解吸收为主线，对近年来国内外植物多糖的结构与功能关系以及植物多糖消化酵解特性的研究进行综述，为植物多糖进一步的研究和开发提供一定的科学指导。

1 植物多糖的分类及结构

植物多糖是由超过10个不同或相同的单糖以糖苷键链接而成的多聚糖，广泛存在自然界植物体内，是一种相对分子质量能达到数百万的生物大分子。多糖可以根据其结构、化学成分、溶解性、来源和应用等进行分类。按化学成分可分为杂多糖和均多糖，杂多糖即由两种或两种以上的单糖组成，均多糖即由单一类型的单糖组成，例如淀粉由葡萄糖组成［14］。根据共价键结合的非糖物质的类型可分为蛋白聚糖、糖蛋白、糖脂和糖复合物。按溶解性可分为水溶性多糖和水不溶性多糖。根据多糖在植物细胞内的存在部位，可分为胞内多糖、胞壁多糖和胞外多糖［15］。多糖在植物体内的分布如图1所示。胞内多糖一般存在于液泡中，主要有果聚糖和甘露聚糖，细胞壁多糖主要有纤维素、半纤维素和果胶等，它们与木质素、芳香族杂聚物一起，为植物提供了坚固的结构，并能保护细胞免受微生物攻击。植物细胞壁由胞间层、初生壁和次生壁三部分构成，每一层都具有独特的结构和化学组成，胞间层的主要成分为果胶，初生壁主要由纤维素和半纤维素组成，次生壁主要由纤维素和木质素组成。胞外多糖主要有树脂和果胶，如木聚糖、甘露聚糖和其它多糖等［16］。

图1 植物体内多糖的分布情况Fig.1 Distribution of polysaccharides in plants

植物多糖的结构分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构［17］。多糖的一级结构又称为初级结构，从一级结构中可以得知多糖的糖苷键类型、单糖组成、单糖之间的链接次序、异头碳原子的组成方式、糖分支、分支位点与每个分支的长度等(图2A);多糖的二级结构主要是指多糖骨架的链的结合方式，主要通过氢键连接，从二级结构中可以看出多糖的链构象(图2B);多糖的三级结构是指在二级结构的基础上，结构在空间上发生了改变，形成一定的空间构象(图2C);多糖的四级结构是多糖链通过非共价键结合，从而形成聚合体［18］。

图2 植物多糖的结构Fig.2 The structure of plant polysaccharides

2 植物多糖的生物活性与结构的关系

随着糖生物学的不断发展，研究者对植物多糖的研究不断深入，研究者发现植物多糖具有抗氧化［2］、抗肿瘤［3］、抗病毒［4］、抗肝损伤［5］、抗凝血［6］、降血糖［7］、降血脂［8］、促进肠道健康［9］等生物活性。植物多糖的活性研究已成为当前研究的热点，植物多糖在医药和食品方面具有广阔的发展前景。金柑多糖的体内外抗氧化活性研究表明，金柑多糖在体内外均具有抗超氧化物歧化酶氧化的作用［19－20］。植物多糖发挥其生物活性通常与多糖的抗氧化作用有关，滕杨等［5］研究甘草硒多糖对CCl4诱导的小鼠急性肝损伤的作用，结果表明甘草硒多糖可能通过清除自由基而达到防治肝细胞损害，相比于模型组，中、高剂量甘草硒多糖能显著降低急性肝损伤小鼠血清中的谷草转氨酶(AST)、碱性磷酸酶(ALP)及肝组织中的丙二醛(MDA)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH－Px)水平，高剂量组还可明显降低谷丙转氨酶(ALT)含量。五味子酸性多糖分级产物SCAP－2能显著降低酒精诱导肝损伤模型小鼠血清的MDA、AST和ALT水平，增加超氧化物歧化酶(SOD)活性，其护肝作用机制可能与其抗氧化作用有关［21］。缪月秋等［9］研究胡芦巴中性多糖不同分子量水解产物对肠道菌群体外生长的影响，结果表明经酸解和酶解后形成的产物均明显促进双歧杆菌、乳酸杆菌的生长，抑制大肠杆菌的生长。李梅林等［3］利用MTT法研究枸杞硒多糖对人体肝癌Hep G2细胞增殖的体外抑制作用，结果表明，枸杞硒多糖抑制Hep G2增殖能力与其硒的含量呈正相关，枸杞硒多糖对Hep G2细胞的抑制作用优于枸杞多糖对Hep G2细胞的抑制作用。

多糖的结构与功能的关系是指多糖的化学结构与生物活性之间的关系，植物多糖的生物活性受到其化学结构的影响，其结构的改变往往伴随着其活性的改变，因此研究者通过了解多糖的结构与功能关系，为新的功能性食品的开发打下基础。目前植物多糖结构与生物活性关系的研究主要集中在体外结构与功能关系的研究，体内的研究相对较少，部分植物多糖的结构与其生物活性的关系如表1所示。多糖中的单糖组成、相对分子质量、糖苷键类型、分子形状、主链组成、分子支链分支度、链构象与多糖的生物活性存在一定的关系［22］。李明智等［23］研究铁皮石斛多糖的免疫活性，结果表明铁皮石斛多糖能增强RAW264.7巨噬细胞的增殖能力、NO的释放以及TNF－α和IL－1β的分泌，其中分子量较小的多糖免疫调节活性较强。Zeng等［8］从金柑中分离出四种多糖 FMPS1、FMPS2、FMPS3 和 FPMS4，FMPS1 的分子量大于FMPS2、FMPS3和FMPS4的分子量，其表观粘度大于 FMPS2、FMPS3和FMPS4的粘度，实验结果表明FMPS1对胰脂肪酶的抑制效果更好，结合胆酸钠、甘氨胆酸钠和牛磺胆酸钠作用更强。Kweon等［24］研究分离纯化后的三种竹笋多糖的免疫活性，结果表明，竹笋多糖的免疫活性受到多糖分子大小、酯化度和乙酰基取代等的影响，其中主链结构为β－(1→3)葡聚糖和侧链结构为β－(1→4)糖苷键的多糖免疫活性最强。Bohn等［25］研究表明多糖的分支度在0.2～0.3时多糖具有较好的抗肿瘤活性。

表1 植物多糖的活性与结构的关系Table 1 Structure－activity relationship of plant polysaccharides

3 植物多糖的消化

植物多糖的体外消化是指模拟动物消化道的消化环境，一般是指模拟人体的口腔、胃、肠道环境，通过测定消化前后植物多糖的相对分子质量分布、分散度、溶液链构象、还原糖、游离单糖组成和其他理化性质来预测植物多糖的消化特性。植物多糖的消化特性如表2所示，大量实验表明，在体外模拟口腔、胃和肠道对植物多糖的消化中，植物非淀粉类多糖不会被唾液降解，部分的植物多糖在胃液和肠液中会被消化。Hu等［33］采用体外模拟唾液、胃液和肠液消化车前子多糖，结果表明唾液对多糖的分子量没有影响，而胃液和肠液都使多糖的分子量下降。闵芳芳等［34］对青钱柳多糖体外模拟人体胃肠道消化发现胃液和肠液均不能消化青钱柳多糖，但会改变多青钱柳多糖的稳定性和构象;茶多糖在体外模拟人工胃液的消化中，人工胃液能使茶多糖发生降解，生成还原糖和寡糖［35］。任贝贝［36］研究鼠尾藻多糖的消化特性，发现鼠尾藻多糖经胃液消化后分子量无显著变化，而经肠液消化后多糖分子量降低，消化过程中无游离单糖产生，多糖结构也未发生变化。Carnachan等［37］研究猕猴桃多糖体外模拟胃肠消化，结果表明，胃液和肠液不能降解猕猴桃多糖。Sandberg等［38］通过体内研究发现柑橘果胶在胃和肠中均不会被消化;肖霄［39］研究大豆和燕麦非淀粉类多糖在大鼠体内的消化，结果表明，燕麦非淀粉类多糖能在大鼠盲肠以上的消化道内被消化，而大豆非淀粉类多糖不能在大鼠体内被消化;陈萍［35］研究茶叶非淀粉类多糖的小鼠体内消化发现茶叶非淀粉类多糖能在小鼠胃肠内被消化;李凡［40］研究霍山石斛多糖在小鼠体内的稳定性，结果表明霍山石斛多糖能在小鼠胃肠道内被消化。邱霞［41］通过检测小鼠血清D－木糖的含量研究小鼠对麒麟菜海藻多糖的消化情况，结果表明麒麟菜海藻多糖比卡拉胶更易消化，研究海藻多糖对大鼠膳食消化的影响，发现海藻多糖能够抑制高脂食物的消化吸收和利用。

表2 植物多糖的消化特性Table 2 The digestibility of plant polysaccharides

4 植物多糖的酵解

从植物多糖消化的研究可以发现，许多植物非淀粉类多糖在胃液和肠液中不能被消化或完全消化，随着肠道的蠕动，进入到大肠，被大肠中的微生物利用［50］。而这类不被消化的多糖，在大肠中通常优先被益生菌(如乳杆菌和双歧杆菌)利用，产生酸性代谢产物短链脂肪酸(SCFAs)，从而降低粪便pH和抑制腐败菌的生长［51］。Huang 等［52］通过测定粪便细菌酶的活性、盲肠菌群的数量和在盲肠中SCFAs的含量，研究菠萝多糖对仓鼠肠道功能的影响，结果表明菠萝多糖能够增强仓鼠的肠道功能。Aida等［53］通过体外发酵法研究竹笋多糖对动物双歧杆菌、长双歧杆菌和嗜酸乳杆菌的益生效果，结果表明竹笋多糖的益生效果比低聚果糖好。刘丽莎等［54］研究白术多糖对双歧杆菌和乳酸菌的增殖效果，结果表明白术多糖具有良好的促生长效果，其中对婴儿双歧杆菌、青春双歧杆菌、动物双歧杆菌、植物乳杆菌的促生长效果最佳。Bao等［55］研究薏苡仁抗性淀粉体外的益生作用，结果表明薏苡仁抗性淀粉能够促进青春双歧杆菌增殖。Zhang等［56］研究莲子抗性淀粉对双歧杆菌的增殖作用，结果表明莲子抗性淀粉是一种潜在的益生元，其益生效果好于高直链玉米淀粉。Zeng等［57］采用乙醇分级纯化后的莲子抗性淀粉研究其体内外对青春双歧杆菌和嗜酸乳杆菌的增殖作用，研究表明，分级纯化后的莲子抗性淀粉在体内外对其都具有增殖作用。

5 植物多糖的吸收

消化和酵解是吸收的前提，植物多糖在体内的吸收主要有三种方式:a.植物多糖直接被吸收，由于多糖是大分子，一般不能直接被机体吸收，要在促吸收剂的作用才能直接被吸收。陈地灵等［58］研究巴戟多糖在大鼠体内小肠的吸收情况，研究结果表明巴戟多糖在大鼠小肠吸收为被动扩散，吸收促进剂十二烷基磺酸钠和吐温－80均能促进巴戟多糖在大鼠小肠内的吸收;王彦荣［59］采用大鼠外翻肠囊法研究黄芪多糖的小肠吸收机制，结果表明黄芪多糖通过小肠上皮细胞转运进而被小肠吸收，牛黄胆酸钠、十二烷基酸钠和吐温－80对黄芪多糖均有较为明显的吸收促进作用。b.植物多糖在胃肠中被消化后以小分子物质的方式吸收，例如淀粉经胃液肠液的作用被降解成葡萄糖［60］，进而被机体吸收;c.植物多糖在胃肠中不被消化，直接进入到大肠，被大肠中的微生物酵解后以其它物质的形式被吸收，例如莲子抗性淀粉不被胃肠液中消化吸收，但能被青春双歧杆菌酵解［61］。

6 植物多糖消化吸收与生物活性的关系

植物多糖的生物活性的体外研究表明，植物多糖在体外发挥的生物活性与其结构有关，植物多糖在体内发挥的生物活性不但与其结构有关还与其被消化、酵解和吸收的过程有关，许多植物多糖在经过人体消化酵解被吸收后进入细胞内发挥作用［48］。植物多糖消化酵解吸收与生物活性的关系如图3所示。植物多糖可以结合胆汁酸随粪便一起排出体外，而胆汁酸的生成与胆固醇有关，根据机体的反馈调节机制，机体需要消耗更多的胆固醇，从而降低血清胆固醇的水平，胆固醇是导致心血管疾病的重要因素，因此植物多糖能预防心血管疾病，植物多糖还能与肠道中的一些致癌物质结合，随粪便排出体外，从而发挥抗癌的生物活性［62］。植物多糖酵解的主要代谢产物为SCFAs，SCFAs在机体内的浓度及比例与肥胖、糖尿病和代谢综合征等疾病密切相关［63］，SCFAs是结肠黏膜尤其是末端结肠黏膜的主要能源物质，对结肠黏膜具有营养作用;并且 SCFAs能够降低肠道内环境 p H，从而影响肠道菌群结构，抑制病原菌的大量繁殖，促进人体健康［64－65］。植物多糖在胃和小肠中被消化后生成一些不能继续消化的低聚糖，低聚糖进入到人体大肠，被大肠中的微生物利用，从而促进肠道健康［66］。

图3 植物多糖消化酵解吸收与生物活性的关系Fig.3 The relationship between digestion，fermentation，abstorption and bio－activity

7 展望

随着科技的进步，单糖分离技术、化学标记技术和分离检测技术的不断成熟，研究者对植物多糖的一级结构越来越清晰，但对多糖的高级结构的研究需进一步深入。经研究发现植物多糖具有抗氧化、抗肿瘤、抗病毒、抗辐射、抗肝损伤、抗凝血、降血糖、降血脂、促进肠道健康等生物活性，植物多糖的生物活性与其单糖组成、相对分子质量、糖苷键类型、分子形状、主链组成、分子支链分支度和链构象等有关，在模拟消化植物多糖的研究中发现，植物非淀粉类多糖不会被唾液降解，部分的植物多糖在胃液中会被消化，在肠液中不被消化。在未来的植物多糖的消化酵解研究中至少还需要做到以下几点:利用现有的科学技术和现代化的仪器，加深对植物多糖结构的研究，将植物多糖的一级结构研究更透彻，不断的加大对植物多糖高级结构的研究，从而带动植物多糖生物活性和消化酵解特性的研究;构建植物多糖体内体外生物活性之间的关系，降低植物多糖生物活性探究的难度，为植物多糖的开发打下基础;构建植物多糖模拟消化动力学，通过拟合方程来预测植物多糖的消化性，探究清楚植物多糖消化和生物活性之间的关系，将植物多糖更好的应用在功能食品和医药上;目前，植物多糖对肠道菌群的影响在单一菌群或动物中的研究较多，但单一菌群和动物中植物多糖被酵解的情况并不能完全代表在复杂的人体的酵解情况，而这些肠道菌群的研究也仅是大肠部分的肠道菌群，对于其他消化道如胃和小肠的肠道菌群的影响需做进一步的拓展研究。总的来说植物多糖的消化酵解特性还处于发展阶段，研究手段不够成熟，研究不够深入，还需广大的科研人员共同努力。