生姜多糖提取及其功能活性研究现状

赵二劳，刘乐，徐未芳，杨洁，范建凤，赵三虎

(忻州师范学院 化学系，山西 忻州 034000)

生姜(ZingiberofficinaleRoscoe)为姜科植物姜的根茎，又名姜、百辣云等，药食同源，在我国资源丰富[1-2]。作为常用中药，其味辛，性微温，归肺、脾、胃经，具有解表散寒、温中止呕、化痰止咳之功效[3]，常用于脾胃虚寒、食欲减退、恶心呕吐、感冒风寒、恶风发热等症。 作为常用调味佳品，可去腥除腻，增加鲜味，提高菜肴风味[4]。科学研究表明[5-7]，生姜中含有多种功能活性成分，多糖是生姜中主要功能活性成分之一，在医药、卫生、食品、调味品和化妆品等领域具有广泛的开发价值和应用前景。研究生姜中多糖的提取及其功能活性，有助于生姜由粗放型应用走向精细化应用，由低质化应用向高值化综合开发应用发展。目前，有关生姜多糖提取及其功能活性的研究我国已有一些报道，但尚未有研究总结。为此，本文梳理概述了我国生姜多糖提取及其功能活性研究现状，并展望了其研究方向，为生姜多糖进一步研究开发利用提供了参考与借鉴。

1 生姜多糖提取工艺研究现状

提取技术直接影响多糖的提取效率、纯度及其活性，研究生姜多糖的提取对生姜多糖开发利用有重要的实际意义。从植物中提取多糖的方法有多种[8-9]，但目前国内有关生姜多糖的提取方法主要有热水浸提、酶辅助提取、微波辅助提取、超声辅助提取和协同辅助提取等。

1.1 生姜多糖热水浸提工艺

热水浸提是最常用、最基本的多糖提取方法，它是依据多糖不溶于高浓度乙醇而易溶于热水的性质，使原料细胞在热水中热力作用下，发生质壁分离，利于细胞内和细胞间多糖扩散溶出，再通过乙醇沉淀获得多糖[10]。影响多糖热水浸提的因素一般有水温、料液比、提取时间等。目前，国内对热水浸提生姜中多糖研究相对较多。侯英梅等[11]以脱脂和色素的生姜粉为原料，由正交试验优化的最佳工艺条件为：料液比(g/mL) 1∶10，提取温度90 ℃，提取时间2.5 h，生姜多糖提取率为7.63%。王晓梅等[12]也以脱脂和色素的生姜粉为原料，确定的最佳工艺条件为：料液比(g/mL) 1∶15，浸提温度90 ℃，浸提时间2.5 h，生姜多糖提取率为7.58%。邓胜国等[13]以生姜粉为原料，得到的最佳工艺条件为：料液比(g/mL) 1∶20，浸提温度90 ℃，浸提时间2.5 h，该工艺下，生姜多糖提取率为5.82%。廖登未等[14]确定的生姜多糖热水浸提最佳工艺条件为：浸提温度100 ℃，料液比(g/mL) 1∶20，浸提时间4.0 h，生姜多糖提取率为(11.74±0.23)%。孔得福等[15]由响应面法优化的最佳工艺条件为：料液比(g/mL) 1∶15，浸提温度89 ℃，浸提时间118 min，该工艺条件下，生姜多糖提取率为4.62%。赵文竹等[16]采用响应面法优化的生姜多糖热水浸提最佳工艺条件为：料液比(g/mL) 1∶41，浸提温度71.6 ℃，浸提时间104 min，生姜多糖提取率为3.13%。赵丛丛等[17]则以罗平小黄姜为原料，采用正交试验优化的最佳工艺条件为：料液比(g/mL) 1∶20，浸提温度90 ℃，浸提时间160 min，该工艺条件下，罗平小黄姜多糖提取率为6.16%。另外，夏宇[18]研究了生姜加工副产品生姜皮中多糖的热水浸提，最佳工艺条件为：料液比(g/mL) 1∶35，浸提温度85 ℃，浸提时间2.5 h，该工艺条件下，多糖提取率为1.92%。综上可知，生姜多糖的热水浸提具有设备简单、工艺容易操作、提取成本较低、提取率较高等优势，但也存在提取温度较高、提取时间长、能耗较大、产品纯度差、经济效率不高等问题，限制了其的生产应用。

1.2 生姜多糖酶辅助提取工艺

酶辅助提取是利用酶高度专一性的特点，降解原料细胞组织，强化多糖传质过程，加速多糖溶出，提高多糖提取率[19]。根据生姜细胞壁的组成，为有效破坏其细胞壁，提高多糖提取率，多采用纤维素酶、果胶酶及蛋白酶等的复合酶。目前，国内对酶辅助提取生姜中多糖的研究较少。马利华等[20]以新鲜生姜为原料，研究了复合酶(纤维素酶、果胶酶和木瓜蛋白酶)辅助提取生姜多糖的工艺条件，优化的工艺条件：以 pH 4.5的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液为提取剂，料液比(g/mL) 1∶20，纤维素酶、果胶酶和木瓜蛋白酶用量分别为1.0%、0.5%和2.0%，提取温度50 ℃，提取时间60 min，该工艺下，生姜多糖提取量为272.69 mg/g，多糖纯度为69.8%。廖登未等确定的生姜多糖复合酶(纤维素酶、果胶酶和木瓜蛋白酶)最佳工艺为：在纤维素酶用量63000 U/g底物，果胶酶用量20000 U/g底物，木瓜蛋白酶用量62.5 U/g底物的条件下，料液比(g/mL) 1∶25，pH 7.0，提取温度40 ℃，提取时间2.0 h，多糖提取率为(20.93±0.20)%。 王芸等[21]研究了复合酶(纤维素酶、果胶酶、木瓜蛋白酶和α-淀粉酶)提取生姜多糖，确定的复合酶配比为纤维素酶、果胶酶、木瓜蛋白酶和α-淀粉酶用量分别为1.5%、1.0%、2.0%和2.5%，pH 5.2，料液比(g/mL) 1∶25，提取温度55 ℃，提取时间60 min，多糖提取率可达22.18%。可见，采用酶辅助提取生姜多糖，提取条件温和，可明显提高多糖提取率，但需严格控制工艺温度和pH，提取成本相对较高，经济效益差，且会增加粗多糖中蛋白质含量。因此，现仅限于实验室研究，不太适用于工业化生产应用。

1.3 生姜多糖微波辅助提取工艺

微波辅助提取是在微波场中，利用不同极性物质吸收微波能的差异，物质被选择性加热，物质细胞吸收微波能后，胞内瞬间产生高温高压，导致细胞壁破碎，减少传质阻力，促使多糖快速溶出[22]。目前，国内有关生姜多糖微波辅助提取研究相对较少。王颖等[23]研究了生姜多糖微波辅助提取，通过响应面法优化的最佳工艺条件为：料液比(g/mL) 1∶22.21，浸泡时间120.06 min，微波功率247.02 W，微波时间86.43 s，该工艺下，生姜多糖提取率为18.93%。杨晓杰等[24]对去皮生姜和留皮生姜多糖微波辅助提取进行了研究，确定的留皮生姜多糖最佳工艺条件为：料液比(g/mL) 1∶15，微波功率640 W，微波时间90 s，该工艺下，生姜多糖提取率为7.68%；去皮生姜多糖最佳工艺条件为：料液比(g/mL) 1∶20，微波功率240 W，微波时间60 s，该工艺下，生姜多糖提取率为5.65%。综上，微波辅助提取生姜多糖选择性好、操作工艺简便、较热水浸提法可大大缩短提取时间，提高生姜多糖提取率，不失为一种生姜多糖提取的先进技术，值得深入研究，在工业化生产中推广应用。

1.4 生姜多糖超声辅助提取工艺

超声辅助提取是利用超声波的空化、机械、热效应等，对生姜组织细胞壁和细胞膜进行破碎，促进传质，加速生姜多糖溶出[25]。目前，国内对超声辅助提取生姜多糖的研究相对较多。夏树林等[26]以生姜粉为原料，研究了超声辅助提取生姜多糖，采用正交试验法优化的最佳提取工艺为：超声功率480 W，料液比(g/mL) 1∶35，提取温度60 ℃，超声时间60 min，该工艺下，生姜多糖提取率为11.32%。林敏等[27]采用响应面法优化的生姜多糖超声辅助提取工艺为：料液比(g/mL) 1∶18，超声功率130 W，提取温度65 ℃，超声时间70 min，该工艺下，生姜多糖提取率为1.809%。廖登未等研究了超声波冰浴提取生姜多糖，确定的最佳工艺为：料液比(g/mL) 1∶25，超声功率500 W，提取时间30 min，多糖提取率为(7.00±0.04)%。冯鑫[28]研究了生姜加工副产品生姜渣的超声辅助提取，采用响应面法优化的工艺条件为：料液比(g/mL) 1∶40，提取温度74 ℃，超声功率400 W，提取时间17 min，此工艺条件下，生姜渣粗多糖得率为4.81%。另外，韩冬屏等[29]比较研究了传统热水浸提、超声波和微波辅助3种不同方法对生姜多糖提取的影响，得到提取方法对生姜多糖的提取影响显著，超声辅助提取是较好的方法，优于传统热水浸提和微波辅助提取。综上可知，超声辅助提取生姜多糖较热水浸提法可减少溶剂用量，不需专门加热，明显缩短提取时间，提取效率高，为生姜多糖一种有效的提取方法。但因超声波对环境污染以及超声设备工业放大等问题尚未解决，目前也仅限于实验室研究。

1.5 生姜多糖协同辅助提取工艺

为了利用提取技术的优势互补，提高生姜多糖的提取率，可采用两种或多种提取技术协同辅助提取。目前，国内这方面研究应用不少，效果不错，但有关生姜多糖协同辅助提取研究应用很少，仅有文献1篇。刘全德等[30]以远红外干燥的生姜粉为原料，采用超声波-微波协同提取生姜多糖，由响应面法优化的最佳工艺条件为：生姜粉粒度≤40目，微波功率258 W，超声功率50 W，料液比(g/mL) 1∶25，超声波-微波协同提取时间85 s，此工艺条件下，生姜多糖提取率为23.65%，比热水回流浸提6.0 h所得多糖提取率(19.53%)高21.10%。可见，超声波-微波协同提取是一种生姜多糖的高效提取方法，值得就生姜多糖协同辅助提取进行深入研究，以创新生姜多糖提取工艺。

2 生姜多糖的纯化工艺

由于生姜成分的复杂性，从其中提取的多糖不可避免含有蛋白、色素等多种杂质，难以满足进一步研究与实际应用要求，因此必须对所提多糖进行纯化以分离去除杂质，制备纯度较高的多糖。秦卫东等[31]以多糖保留率和蛋白脱除率为指标，比较了三氯乙酸法、鞣酸法和Sevage法脱除蛋白纯化生姜多糖的效果，发现鞣酸法脱除生姜多糖蛋白效果较好，脱除蛋白后生姜多糖纯度为73%左右。王红萍等[32]研究了文山生姜叶多糖的纯化，确定的最佳纯化条件为：Sevage法去蛋白，活性炭脱色，95%乙醇沉淀后，选用AB-8树脂为吸附剂进一步纯化，样品上样量30 mL，稀释倍数20倍，湿树脂用量10 g，此工艺下，生姜叶多糖含量可达4.5%。王晓梅等通过多次Sevage法除蛋白后，多糖沉淀物再加入乙醇、丙酮反复洗涤，真空干燥后的精制多糖，产率为5.97%，多糖中总糖含量为18.67%。分析鉴定该精制生姜多糖中不含蛋白、淀粉、多酚等杂质，产率高。冯鑫等[33]研究了生姜皮多糖的纯化，先后经DEAE-纤维素-52阴离子交换树脂、Sephadex G-100凝胶柱层析纯化后，得到3种GE-1、GE-2和GE-3水溶性多糖，纯度分别可达(98.06±0.15)%、(97.41±0.42)%和(97.89±0.22)%。而冯鑫则研究了DEAE-纤维素-52阴离子交换树脂结合Sephadex G-100凝胶柱层析纯化生姜渣多糖，试验发现，该工艺对热水浸提与超声辅助提取的生姜渣多糖纯化效果均较好，纯化后多糖含量均较高，且对超声辅助提取的生姜渣多糖纯化效果好于热水浸提多糖。显见，目前国内有关生姜多糖纯化的研究还较少，纯化的方法主要是几种常规的方法，生姜多糖纯化效果一般，纯化技术没有新突破，缺乏创新性。

3 生姜多糖功能活性研究现状

只有明析生姜多糖的功能活性，才能恰当开发应用。目前，国内对生姜多糖功能活性的研究不多，很不充分，仅有抗氧化活性、抗疲劳和保护脑缺血损伤作用的研究，难以对生姜多糖的应用提供理论支撑。

3.1 生姜多糖抗氧化活性

多糖抗氧化活性是其重要的功能活性之一，目前，国内对生姜多糖抗氧化活性的研究相对较多。马利华等[34]研究了生姜多糖对·OH和DPPH·的清除能力，发现生姜多糖清除·OH和DPPH·的IC50分别为0.50 mg/mL和0.0272 mg/mL。夏宇的体外抗氧化实验研究表明，生姜皮多糖对H2O2、·OH、O2-·都有较强的清除作用，在实验浓度范围内，呈现一定的量效关系。孙静等[35]通过对超微粉碎的生姜多糖的还原能力、清除·OH、O2-·及体外抗脂质过氧化能力的研究表明，生姜多糖具有一定的抗氧化能力，且与浓度具有依赖性。另外，王芸等[36]、邓胜国等、赵文竹等和方伟斐等[37]的研究得到类似的结果，都表明生姜多糖具有清除自由基抗氧化活性。冯鑫、韩冬屏等和杨晓杰等[38]研究表明生姜多糖不但具有抗氧化活性，且提取方法或温度显著影响其抗氧化活性。

3.2 生姜多糖抗疲劳作用

夏树林等通过在体试验，建立蟾蜍肌肉抗疲劳及产生自由基模型，以及离体测定给药生姜多糖的蟾蜍腓肠肌中MDA、乳酸含量，分析研究生姜多糖抗疲劳作用。试验发现生姜多糖可改善蟾蜍腓肠肌收缩性能，提高蟾蜍腓肠肌的最大收缩力，具有提高蟾蜍腓肠肌收缩性能，且生姜多糖可明显降低蟾蜍离体腓肠肌中乳酸、MDA 含量，表明生姜多糖具有抗疲劳作用。

3.3 生姜多糖保护脑缺血损伤作用

宋琳琳等[39]采用线栓法建立大鼠大脑动脉脑缺血再灌注损伤模型，通过模型大鼠行为障碍评分、模型大鼠血清中SOD和MDA测定、模型大鼠脑组织中SOD、MDA及NO含量测定以及模型大鼠脑中含水量测定，研究了生姜多糖保护大鼠脑缺血再灌注损伤作用。试验研究发现，对脑缺血再灌注损伤模型大鼠给药生姜多糖，可明显改善模型大鼠行为障碍，升高模型大鼠血清和脑组织中SOD活性，降低MDA含量；以及降低模型大鼠脑组织中NO含量和含水量。表明生姜多糖具有脑缺血损伤保护作用，分析认为其可能的作用机制与生姜多糖清除氧自由基抗脂质过氧化有关。

4 结语与展望

在大健康时代，随着人们崇尚自然，自我保健意识不断增强，多糖作为一种生物活性大分子物质，具有多种功能活性，在生命活动中起着重要的功能活性，在食品、医药、保健品等领域得到广泛应用，这为生姜多糖的开发利用提供了广阔市场，给生姜多糖的工业化生产带来了机遇和挑战，也为我国丰富的生姜资源精深开发提供了良机。就目前情况而言，我国对许多天然产物中多糖进行了较深入的研究，取得不少成果[40]，一些已应用于人们的日常生活。但有关生姜多糖的研究还相对较少，特别是有关生姜多糖功能活性的研究更少，生姜多糖的构效关系、作用机制极少涉及，这极不利于生姜多糖的开发利用，离生姜多糖产业化生产的需求还相距甚远。因此，今后对生姜多糖的研究，首先应参考、借鉴其他天然产物中多糖提取纯化的成熟经验和技术，深入开展生姜多糖的提取纯化工艺研究，简化提取纯化工艺，创新生姜多糖提取纯化工艺，实现生姜多糖的高效提取纯化。其次，应系统研究生姜多糖的功能活性，明晰生姜多糖的功能活性。最后，要积极开展生姜多糖构效关系、作用机制的研究，理清生姜多糖结构与功能活性的关系，为生姜多糖高值化应用奠定理论基础。此外，也应研究利用一些现代新兴技术如3D技术等，修饰生姜多糖结构，以增强其功能活性，提高其临床应用价值。由此，实现生姜多糖的产业化生产，使生姜多糖在促进人们健康生活中发挥积极作用。