甘草多糖结构特征、生物活性、化学修饰、产品开发的研究进展

张铭儒， 黄嘉欢， 罗露香， 姜晓琳， 杨 全， 程轩轩

(广东药科大学中药学院，国家中医药管理局岭南药材生产与开发重点研究室，国家中药材产业技术体系广州综合试验站，广东省南药规范化种植与综合开发工程技术研究中心，广东 广州 510006)

植物多糖作为一种天然活性物质，具有抗肿瘤[1]、降血糖[2]、抗氧化[3]、免疫调节[4]等生物活性，而且不良反应小，正引起研究人员广泛关注。目前，该成分已被应用于医药、食品、农业等领域中[5]。

甘草为豆科植物甘草GlycyrrhizauralensisFisch.、胀果甘草G.inflataBat.或光果甘草G.glabraL.的干燥根及根茎[6]，是临床常用中药之一，被誉为药中“国老”，素有“十方九(甘)草”之说，本品味甘，性平，归心、肺、脾、胃经，具有补脾益气、清热解毒、祛痰止咳、缓急止痛、调和诸药之效，主要含有皂苷、黄酮、多糖等成分[7-9]，其中甘草多糖具有免疫调节、抗肿瘤、保肝等生物活性[10]，在药品、保健品等领域有良好的开发前景。本文对近年来国内外关于甘草多糖结构特征、生物活性、化学修饰、产品开发的研究进展进行总结，以期为该成分深入开发利用提供参考。

1 结构特征

多糖是一种天然的高分子聚合物，通常由十几个单糖通过直链或支链的糖苷键组成，分子量可达数万甚至数百万[11]。解析多糖结构大多以化学分析和仪器分析方法为主[12]，主要包括高效凝胶渗透色谱法测定纯度及相对分子质量；甲基化后气相色谱-质谱联用法(gas chromatography-mass spectrum，GC-MS)分析糖残基(糖苷键类型)连接方式，完全酸水解结合GC-MS法测定单糖组成及摩尔比，红外光谱、核磁共振法得到多糖的官能团和糖苷键连接方式等信息[13]。

甘草多糖是一种杂多糖，单糖组分包括鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、岩藻糖、核糖、葡萄糖、半乳糖、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸，不同来源该成分的单糖组成虽有一定差异性，但均以甘露糖、鼠李糖、葡萄糖、半乳糖和阿拉伯糖为主。目前，从甘草中已分离出四十多种多糖，分子量范围在1.06～2 892 kDa不等。由于多糖结构的复杂性与技术的局限性，目前对甘草多糖的结构分析大多局限于一级结构，即确定单糖组成及摩尔比、糖苷键构型、糖苷键连接位置等，见表1。何培新等[14]比较栽培、野生甘草中多糖组成的差异，发现两者均为酸性多糖，各含2个组分，其中栽培甘草多糖中组分的相对分子量为212、25.1 kDa，单糖组成包括甘露糖、葡萄糖、阿拉伯糖、核糖、木糖、半乳糖、半乳糖醛酸，所占比例分别为23.91%、16.56%、11.3%、11.71%、9.51%、13.55%、13.47%；野生甘草多糖中组分的相对分子量为34.1、0.1 kDa，单糖组成包括阿拉伯糖、核糖、木糖、半乳糖、葡萄糖、甘露糖、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸，所占比例分别为7.93%、9.13%、2.12%、12.83%、27.28%、15.10%、2.33%、23.28%。

多糖由于链接方式、取代基、支化结构、支化程度、分子作用力的差异，导致其表现出不同的链构象，如无规线团、单螺旋、双螺旋、蠕虫状、三螺旋、聚集体、球状构象等。其中，三螺旋多糖引起广泛关注[15]，它具有多种生物活性、优良的安全性和生物降解性，被认为是潜在的健康产品或天然药物[16]。Mutaillifu等[17]从光果甘草分离出水溶性多糖GPN，经刚果红实验证实三螺旋结构的存在，并显示出抗氧化活性；Rozi等[18]分别从甘草、胀果甘草、光果甘草的种子中分离得到多糖GUP、GIP、GGP，并证实3种多糖组分均具有三螺旋结构，同时抗氧化能力明显；郭敏[19]从甘草中分离纯化得到具有三螺旋结构的多糖组分GUP-1，并发现其它有一定的降尿酸作用。GiP-3、GPN结构见图1～2。

表1 甘草多糖结构特征

图1 GiP-3结构式

图2 GPN结构式

2 生物活性

2.1 免疫调节 许多植物多糖因疗效高、毒性低，被选择成为新一代免疫调节剂[26]。研究表明，甘草多糖可激活巨噬细胞、淋巴细胞、自然杀伤(NK)细胞，调节细胞因子的释放，介导细胞信号通路，发挥免疫调节作用。

2.1.1 对巨噬细胞的影响 巨噬细胞由单核细胞移行至组织分化成熟而来，是一种非特异性免疫细胞，在机体的正常生理及病理过程中发挥着重要功能。丛媛媛等[27]发现，胀果甘草多糖组分GiP-B1在一定浓度下能促进RAW264.7巨噬细胞增殖，增强其吞噬能力，促进其分泌炎性细胞因子和释放一氧化氮(nitric oxide，NO)及诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)，并能上调iNOS、TNF-α、IL-1βmRNA表达，有成为固有免疫应答调节药物的潜力。王悦等[28]研究证实，胀果甘草多糖能激活小鼠腹腔巨噬细胞活性，对小鼠的特异性免疫、非特异性免疫有正向调节作用，并呈现量效关系。廖成水等[29]报道，甘草多糖能显著降低鼠伤寒沙门菌损伤下小鼠腹腔巨噬细胞丙二醛(malondialdehyde，MDA)、活性氧(Reactive oxygen species, ROS)水平，促进NO、iNOS释放，并可显著提高谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性和总抗氧化能力，表明该成分能调节伤寒沙门菌引起的巨噬细胞氧化损伤，维持细胞氧化-抗氧化平衡。

2.1.2 对免疫细胞的影响 陈橙[30]发现，一定浓度范围内甘草多糖GiP及其纯化组分GiP-B1均能促进小鼠骨髓源树突状细胞(DC)表型及功能成熟，提高DC抗原提呈能力，促进DC免疫功能，其作用机制可能与激活TLRs/NF-κB信号通路有关。

2.2 抗肿瘤 Ayeka等[31]发现，甘草多糖的低分子量组分(<10 kDa)在体外能明显抑制结肠癌CT-26细胞的增殖，并呈现量效关系，还可显著抑制CT-26荷瘤小鼠肿瘤生长，提高脾脏和胸腺指数，增加外周血管CD4+和CD8+分布，提高血清IL-2、IL-6、IL-7水平，降低TNF-α水平，表明该成分低分子量组分可作为潜在抗癌药，其机理可能与免疫调节有关[32]。王丽等[33]证实，甘草多糖可显著抑制CT-26荷瘤小鼠的肿瘤生长，提高荷瘤小鼠小肠黏膜上皮细胞IL-7 mRNA表达和血清IL-7水平，推测甘草多糖可能通过作用于小肠黏膜上皮细胞，促进其分泌 IL-7，进而提高免疫功能，发挥抗肿瘤作用。陈永顺等[34]报道，一定剂量甘草多糖能显著抑制S180移植瘤小鼠的肿瘤生长，增强体液免疫功能，诱导B淋巴细胞增殖，表明该成分可通过提高免疫功能而发挥抗肿瘤作用。李菀等[35]分别采用纤维素酶和果胶酶提取甘草渣多糖，发现前者对肝癌HepG2细胞增殖的抑制作用更强。

2.3 抗氧化 正常的代谢过程中产生的自由基会不可避免地在病理条件下积聚，导致组织和器官损伤以及癌症和肝病，适当补充外源抗氧化剂有助于减少由自由基引起的氧化损伤[36]。Zhang等[20]从甘草中分离得到3个多糖组分，相对分子量依次为GUPs-1

2.4 保肝 吴琼[39]发现，甘草粗多糖CGP可降低高脂饮食诱导的非酒精性脂肪肝大鼠血清中ALT、AST、TG、TC等水平，提高肝组织中SOD、CAT、GSH活性，降低血清中TNF-α、IL-6水平，下调肝脏CYP2E1表达，表明该成分可通过降低血脂、减轻氧化应激损伤，从而发挥保肝作用。陈冬雪等[40]研究表明，甘草多糖能降低四氯化碳诱导的急性肝损伤小鼠血清中AST、ALT水平，降低肝组织中NOS、NO、MDA水平，提高肝组织中SOD、GSH-Px活性，提示该成分保肝作用可能与抗氧化作用相关。Du等[41]报道，甘草多糖能显著降低急性肝损伤建鲤血清中GOT、GPT、LDH、AKP活性及TP、Alb水平，增加肝组织中SOD、GPx、CAT、T-AOC活性，上调CYP1A、AHR2和ARNT2 mRNA表达，从而发挥保肝作用。

2.5 抗菌 田艳花等[42]发现，甘草多糖组分GCP2对金黄色葡萄球菌、地衣芽孢杆菌、乳链球菌、大肠杆菌、绿脓杆菌、肺炎克雷伯菌均有一定的抑制活性，尤其对大肠杆菌、肺炎克雷伯菌的效果更显著。廖成水等[43]报道，低浓度甘草多糖在体外对单核细胞增生性李斯特菌(listeriamonocytogenes，Lm)的生长有促进作用，但随着其浓度升高该作用逐渐降低，并且该成分可提高小鼠对Lm的抗感染能力。杨裕等[44]证实，一定浓度范围内甘草多糖在体外对副猪嗜血杆菌的生长具有促进作用，在高浓度则时表现为抑制作用；体内给药时，该成分可提高小鼠对副猪嗜血杆菌的抗感染能力。

2.6 对肠道微生态的影响 肠道菌群是以共生方式寄居在生物体内的复杂微生物群落，近年来其作用机制逐渐成为研究热点。Zhang等[45]从肠道菌群的角度探讨甘草多糖GCP的抗肿瘤机制，发现该成分可抑制CT-26荷瘤小鼠的肿瘤生长和转移，调节肠道菌群结构，其中肠杆菌属(Enterorhabdus)、Ruminococcaceae_UCG_010 及Ruminococcaceae_UCG_014(瘤胃菌属)、Odoribacter菌属、Ruminiclostridium_5(瘤胃梭菌属)、Lachnospiraceae_UCG_001(毛螺菌科)可能是其潜在肠道微生物靶标。董永军等[46]发现，在饲料中添加甘草多糖能促进艾维茵肉仔鸡肠道有益菌(双歧杆菌和乳酸杆菌)的增殖，抑制大肠杆菌和沙门氏菌的增殖，改变肠道微生态环境，从而提高机体免疫力和降低鸡群的发病率。

2.7 其他 甘草多糖还具有抑制α-葡萄糖苷酶[47]、降尿酸和抗胃溃疡作用。郭敏[19]证实，甘草多糖组分GUP-1、GUP-2可通过抑制 XOD 活性阻碍尿酸合成，从而减少急性高尿酸血症大鼠体内尿酸浓度。赵云生等[48]发现，甘草多糖对小鼠腹腔毛细血管炎性渗透、乙醇型与利血平型胃溃疡均有抑制作用，并呈现量效关系。

3 化学修饰

研究证实，对多糖的化学修饰可改善其固有生物活性或产生新功能，常见方法包括硫酸化、羧甲基化、乙酰化、磷酸化、硒化等[49]，目前甘草多糖(GUP)主要采用硒化。Lian等[50]采用HNO3-Na2SeO3法制备硒化甘草多糖SeGUP，分子量5.8 kDa，硒含量1.339 mg/g，发现GUP 与SeGUP在体外对DPPH、超氧阴离子及羟基自由基均具有清除能力，在体内可降低肝组织中MDA水平，提高SOD、GSH-Px活性，但SeGUP抗氧化作用更强。连科迅[51]报道，同等剂量下SeGUP抗氧化、抗炎、免疫调节活性均优于GUP。滕杨等[52]研究表明，甘草硒多糖对CCl4诱导的小鼠急性肝损伤有保护作用，并呈现量效关系，其机制可能与清除体内自由基相关。

4 产品开发

在包含96 592个处方的中国方剂数据库(http://cintmed.cintcm.com/cintmed/main.html)中，有26 185个存在甘草。甘草在许多中药配方中具有调和功能，即增强组合药的功效或减少毒性反应，被尊称为“众药之王”，具有良好的开发前景[53]。李英博等[54]发现，在面粉中添加适量的甘草多糖时可提高产品韧性、黏度、色泽。马彦花等[55]以甘草多糖为主要原料，制备出具有护胃功能、风味独特的新型饮料。Wu、李恩涛等[56-57]研究证实，甘草多糖脂质体能促进淋巴细胞增殖、增强抗体效价、提高细胞免疫和体液免疫，有望开发成为免疫增强剂。Cai等[58]将水溶性甘草多糖(GPs)用于光诱导合成Ag纳米颗粒，所得纳米复合薄膜具明显的抗菌性能。鲍慧[59]制备了壳聚糖/甘草多糖和海藻酸钠/甘草多糖水凝胶，发现两者在治疗慢性皮肤溃疡方面有较大的应用潜力。此外，甘草多糖还对盐胁迫导致的小麦幼苗叶片脂膜损伤具有保护作用，可为合成、改造膜质保护剂提供理论依据[60]。

5 小结与展望

甘草多糖是主要由甘露糖、鼠李糖、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖构成的杂多糖，分子量范围广，部分具有三螺旋结构，有着免疫调节、抗肿瘤、抗氧化、抑菌、保肝等多种作用及较低的毒性，硒化修饰后可提升其药理活性，使其在医药、食品、保健品等领域中具有良好的开发前景。尽管对甘草多糖的研究日益深入，但仍存在许多不足，包括(1)甘草多糖分子量较大，结构复杂，目前对其结构解析主要集中在单糖组成及摩尔比、糖苷键类型、糖残基片段，具体分子结构还有待深入探究；(2)化学修饰能提高多糖活性、降低副作用，是甘草多糖改性研究的重要方向之一，硒化是常用方法，而硫酸化、乙酰化、磷酸化、羧甲基化等其他化学、物理、生物修饰方法还有待继续探索，以期为该成分构效关系研究奠定基础。