半乳甘露聚糖的提取纯化、结构特征以及应用研究进展*

范田慧，孙延平,2，乔威杰，杨炳友，匡海学

（1.黑龙江中医药大学，教育部北药基础与应用研究重点实验室，黑龙江省中药及天然药物药效物质基础研究重点实验室，黑龙江 哈尔滨150040；2.中国科学院 大连化学物理研究所，药用资源开发实验室，辽宁 大连116023）

半乳甘露聚糖是中性半纤维素生物聚合物，位于种子胚乳细胞壁中，作为碳水化合物储备，用于萌发期间胚胎的发育[1-3]。他们主要从豆科植物种子胚乳中提取，在不同植物中的结构和丰度水平上表现出很大差异[4]。半乳甘露聚糖主要由甘露糖和半乳糖两种单糖组成，它们的摩尔比不同，在很大程度上决定了它们的理化性质[5]。此外，它们是无毒的，来源于可再生资源，相当便宜，并且对化学和生物化学修饰都适用[1]。半乳甘露聚糖具有优异的增稠、稳定和胶凝能力，广泛应用于食品、制药、生物医学和化妆品行业[6]。在食品和非食品添加剂中有商业价值的半乳甘露聚糖有3种来源:瓜尔胶（Cyamopsis tetragonolobus）、刺槐豆胶（Ceratonia siliqua）和塔拉胶（Caesalpinia spinosa）[3,6]。由于现今国际市场对半乳甘露聚糖的工业应用的需求，因此，本文对半乳甘露聚糖的提取纯化、结构特征以及应用进行综述。

1 半乳甘露聚糖的提取纯化

通常半乳甘露聚糖采用水提醇沉法获得。如田

箐[4]、决明子[7]、凤凰木[8]、洋金凤[9]和新银合欢[10]种子等均采用水提醇沉法获得，区别在于水的温度等。Nurnadiah Rahim等[10]从新银合欢种子通过水提醇沉以及离子交换层析的方法分离纯化半乳甘露聚糖，产率50.31%（w/w）。Mingzhe Sun等[2]从皂荚种子通过水提醇沉法提取以及凝胶过滤色谱法纯化获得半乳甘露聚糖，提取率为67.5%（w/w）。Mengyi Zhou等[4]从田箐种子中通过水提、β-甘露聚糖酶水解和乙醇沉淀法，获得了天然半乳甘露聚糖。

除此之外，还可采用稀酸或稀碱进行提取。Farhat Rashid等[11]对葫芦巴种子中半乳甘露聚糖的提取在前人的基础上进行了一些修改，在50℃左右用HAc预调pH值为3的5%NaCl溶液浸泡，得粗半乳甘露聚糖，将90%乙醇和10%异丙醇的混合物按3∶1的体积加入粗半乳甘露聚糖中，搅动，离心，沉淀再溶解反复3次，得到的半乳甘露聚糖基本上没有盐和酸。该方法使葫芦巴中半乳甘露聚糖的得率为10%，降低了蛋白质含量。Mai K.Ammar等[12]对葫芦巴种子的提取工艺通过响应面法（RSM），基于中心组合设计（CCD）进行了优化，半乳甘露聚糖受沉淀剂体积与浸泡水体积的影响，当沉淀剂体积与浸泡水体积比为3.633∶1时，提取率高达10.1%。Rui Li等[13]采用新方法提取纯化田箐种子中的半乳甘露聚糖，即采用的提取工艺原料为胚乳裂片，所得产率为（40.3±7.2）%，用丙酮和TCA除去粗脂肪和蛋白质，结果表明，该提取纯化方法能有效去除蛋白质等杂质。

对于半乳甘露聚糖的分离纯化，一般包含多个分离步骤，如离子交换层析法，DEAE纤维素柱层析[5]和Sephadex G-100柱层析[5]，凝胶过滤色谱法[2]和高效液相色谱法[16]等。

尽管水提醇沉法提取可能耗时长，提取率受温度影响不稳定，但仍是目前最为普遍的半乳甘露聚糖的提取方法。

2 半乳甘露聚糖的结构特征

半乳甘露聚糖由不同比例的d-甘露糖（Man）和d-半乳糖（Gal）单体组成。其结构以β-（1,4）-甘露糖为主键，α-（1,6）-半乳糖单元为侧基[1,13]。根据提取半乳甘露聚糖的来源和种类，可以发现甘露糖和半乳糖的比值M/G和摩尔质量的差异[14]。M/G比以及取代基沿聚合物主链的分布方式是建立聚合物结构与其溶液性质，特别是其溶解度和分子相互作用关系的关键因素[3]。

2.1 植物中半乳甘露聚糖的结构特征

Lei Feng等[15]首次对决明子的CP-30结构通过1D和2D核磁共振（NMR）,尺寸排阻色谱法加上多个探测器（SEC-MALS）,动态光散射（DLS）和静态光散射（SLS）进行系统的分析，结果表明，决明子CP-30的结构为半乳甘露聚糖，由1,4-linked-Manp主链和与O-6（1,4-linked-Manp）相连的侧链（TGalp）组成，且具有稠密的随机螺旋结构。Leonira M.da Silva等[3]从决明子中提取的半乳甘露聚糖的M∶G为3.1∶1，1D和2D核磁共振波谱（NMR）证实具有4-链β-d甘露糖单元的主链，并含有半乳糖单元作为待定基团，这些半乳糖单元通过（1→6）连锁与中心核相连，特征粘度[η]为9.73dL·g-1。

Louis M.Nwokocha等[8]对从凤凰木种子中分离出来的多糖进行表征分析，结果表明，多糖成分为半乳甘露聚糖，M/G为5∶1，摩尔质量为7.23×105g·mol-1,在2（w/w）%溶液条件下，形成高粘度溶液，零剪切粘度为317Pa·s，同时，小变形振荡实验表明，当浓度为2%时，其凝胶特性较弱。

Nurnadiah Rahim等[10]从新银合欢种子中提取的半乳甘露聚糖结构由d-甘露糖残基和d-半乳糖残基组成，经UV、NMR、FT-IR、GPC、HPLC等方法对其进行化学分析，结果表明M/G为1.01，分子量为64kDa。

Farhat Rashid等[11]通过对葫芦巴种子中的半乳甘露聚糖的红外光谱分析，发现了归属于α-d半乳甘露糖单元和β-d-甘露糖单元的峰，（1→4）-d-甘露糖基残基和（1→6）连接-d-半乳糖基甘露糖基残基分别构成了主干甘露糖和侧支[14]。

Mingzhe Sun等[2]从皂荚种子中提取的半乳甘露聚糖经高碘酸盐氧化、Smith降解、甲基化、红外光谱和核磁共振等手段测定其分子结构为主链由β-1,4-d-甘露糖组成，支链由α-1-d-半乳糖糖组成，其质量比为2.54~2.66，分子量为1913 kDa，并且通过CD光谱和刚果红测试表明，半乳甘露聚糖在溶液中为无规卷曲构象，在碱性条件下可形成少量螺旋构象。同时，用OM、SEM和AFM观察形貌的微观结构。结果表明，由多个微纤维组成的纤维相互缠绕形成网络结构。Mourad Leboukh等[1]从皂荚种子中提取的半乳甘露聚糖的分子量约为871.9kDa。高粘度溶液的特征黏度[η]为7.14~7.25dL·g-1，色谱和光谱分析表明，半乳甘露聚糖中存在β-d-甘露糖和α-d-半乳糖，其摩尔比为2.86∶1。其大分子线性主链由4-链β-甘露糖单元组成的中心核心，具有半乳糖分支，通过α（1-6）键与碳水化合物核心相连。

Mengyi Zhou等[4]对从田箐种子中提取的半乳甘露聚糖经HPAEC、NMR、FT-IR和HPGPC鉴定，其结构为β-1,4-linked d-甘露糖聚合物，具有α-1,6-linked d-半乳糖单侧链，分子量为1.42×106Da。Rui Li等[13]采用新方法提取纯化从田箐中获得半乳甘露聚糖的甘露糖/半乳糖（M/G）比为1.6∶1，分子量（Mw）为2.16×105g·mol-1。且通过刚果红反应证明其在水溶液中以无规卷曲态存在。

Arunkumar Patchaiyappan等[5]从马钱子种子中提取所得多糖经红外光谱、核磁共振等手段鉴定为1,4β-d-半乳甘露聚糖多糖。通过MALDI-TOF分析，确定分子量为~1.28×104Da。

2.2 菌类中半乳甘露聚糖的结构特征

Gülsen Tel-C ayan等[16]从多孔菌科真菌灵芝的子实体中分离得到的半乳甘露聚糖采用FT-IR、1D和2D-NMR技术对其结构进行表征为β-（1,4）-甘露糖（Man）作为主基组成，α-（1,6）-半乳糖（Gal）单基作为侧基，通过凝胶渗透色谱法测得分子量为5090Da，d-甘露糖和d-半乳糖的摩尔百分比为1∶1.4。

3 半乳甘露聚糖的应用

3.1 半乳甘露聚糖的生物活性

3.1.1 细胞毒性 Mai K.Ammar等[12]实验结果表明，葫芦巴种子中的半乳甘露聚糖对LS174-T结直肠癌细胞具有一定的细胞毒性，Arunkumar Patchaiyappan等[5]首次证明从马钱子中提取的半乳甘露聚糖对人乳腺癌细胞MCF-7具有杀伤活性，IC50为365μg·mL-1。Mengyi Zhou等[4]实验证明田箐种子中的半乳甘露聚糖对人癌细胞具有较强的抑制作用。同时也应注意，过高的分子量会削弱抗癌活性。分子量过高会影响分子的迁移率和扩散率，影响与癌细胞的相互作用，从而影响抗癌活性[17]。

3.1.2 抑菌 Mai K.Ammar等[12]实验结果表明，葫芦巴种子中的半乳甘露聚糖抗氧化活性较弱，对热带假丝酵母菌和微球菌的抑菌活性中等。

3.1.3 抗氧化 Arunkumar Patchaiyappan等[5]证明从马钱子中提取的半乳甘露聚糖随着浓度的增加对DPPH和羟基自由基的清除能力都有一定的提高。

3.1.4 抗 炎 Fabrícia da Cunha Jácome Marques等[9]研究表明，洋金凤中提取的半乳甘露聚糖对吲哚美辛诱导的小鼠胃损伤有胃保护作用，其保护作用主要与抑制中性粒细胞迁移有关。Francisco Glerison da Silva Nascimento等[6]研究表明，凤凰木中提取的半乳甘露聚糖对碘乙酸钠所引起的高痛觉性和严重的软骨损伤均有抑制作用，该实验表明，半乳甘露聚糖可以作为用于骨关节炎的新化合物的开发基础。

3.2 半乳甘露聚糖在食品、药品工业中的应用

半乳甘露聚糖因其提取方便、成本低而受到广泛的商业应用。新银合欢花种子中的半乳甘露聚糖可以作为一种理想的制药行业的药物载体候选药，已有多项研究报道，由于其能抵抗结肠内的酸性和恶劣环境，已被证实可用于向结肠输送药物[10]。此外，由于其粘度高，在食品、医药、化妆品等领域可作为增稠剂和悬浮剂，如凤凰木种子中提取的半乳甘露聚糖[8]。汇总见表1。

表1 不同植物及菌类中半乳甘露聚糖的提取纯化、结构及应用Tab.1 Summary of extraction,purification,structure and application of galactomannan from different plants and fungi

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4 结语

半乳甘露聚糖是在豆科和非豆科种子的胚乳中储存，是一种中性多糖，具有高粘度，M/G比率决定了半乳甘露聚糖的水溶性，提取纯化过程中温度的改变和原材料选择均影响着半乳甘露聚糖中M/G比率，同时也影响着半乳甘露聚糖的结构进而影响着半乳甘露聚糖的生物活性。而半乳甘露聚糖在结构上的复杂性限制了半乳甘露聚糖的开发，大规模临床研究必须克服的两大障碍：（1）目前提取分离纯化技术，难以保证所获得半乳甘露聚糖纯度；（2）无法保证获得半乳甘露聚糖结构和构象一致。