新食品原料—阿拉伯半乳聚糖的资源分布、结构及生物活性研究进展

张 帅，刘文丛，王 梓，张君婕，李 伟

（吉林农业大学中药材学院，吉林 长春 130118）

阿拉伯半乳聚糖（Arabinogalactan，AG）是一种由阿拉伯糖和半乳糖组成的中性多糖，主要包括以β-D-（1→4）-半乳糖为主链的Ⅰ型、以β-D-（1→3）或（1→6）-半乳糖为主链的Ⅱ型和以各种单糖为主链的Ⅲ型。2002年6月，美国FDA批准AG为食品添加剂［1］。通过大鼠的急性毒性试验、遗传毒性试验，进行系统的毒理学评价，AG表现出良好的安全性［2］。鉴于其安全和有益作用，我国于2014年把AG列为新食品原料。此外，作为天然来源的植物多糖，AG的广泛生物学活性被陆续发现。本文主要对AG的资源分布、结构和生物活性展开综述。

1 阿拉伯半乳聚糖的资源分布

AG是一种高分支、高分子量的中性多糖［3］，主要由阿拉伯糖和半乳糖组成，比例一般在1：5左右。AG的分布广泛，常见于植物和一些微生物中。在一些食物中含有AG，如柿子［4］、香蕉［5］、马铃薯［6］、苹果［7］、无花果［8］等；在中药材中也含有AG，如苦荬菜［9］、金鸡菊［10］、珠子草［11］、徐长卿［12］、当归［13］等；在微生物的体内，也发现了AG的身影。在分枝杆菌体内，AG与长链脂肪酸、霉菌酸通过酯键共价结合［14］。

目前研究表明，落叶松中AG的含量最为丰富，含量可达到30%左右，主要存在于心材的细胞腔内，少量存在于射线细胞与树脂道周围的泌脂细胞中［15］。我国东北地区的长白山脉和大兴安岭地区是落叶松的重要产区［16］，提供着充足的原材料。二氢槲皮素是自然界中一种重要的黄酮类化合物，在肿瘤疾病的治疗以及心脑血管病的防治中有着重要的应用［17］。目前，二氢槲皮素的生物来源主要是落叶松，其含量在1%左右［18］。AG作为二氢槲皮素生产中的副产物，AG的深入研究，也能够使落叶松的资源得到充分的利用。

2 阿拉伯半乳聚糖的结构

多糖在生物化学和药理学领域受到广泛的关注。多糖的生物活性在不同程度上与多糖的分子量、分支和链构象密切相关［19］。因此，多糖的结构解析成为了研究多糖生物活性的重要环节。

国内学者对AG的结构研究较晚，大部分研究集中于AG的提取工艺优化［20］。对其结构的分析主要从分子量测定、单糖组成分析、Smith降解、官能团检测、甲基化分析以及核磁检测几方面进行［21］。孙启立等［22］从党参根中分离纯化得到AG，由交替的［（1→4）-］、［（1→6）-］或［（1→3）-］连接的吡喃型半乳糖（Galp）组成，在［（1→6）-］连接的Galp有少量的分支，呋喃型阿拉伯糖（Araf）残基通过末端的O-6位置与之连接。何涛斌等［23］从辣木叶中分离得到一种新型的AG，主链为［→1）-β-DGalp-（3，4→］，分支由［→1）-β-D-Galp-（4→］，［→1）-α-D-Galp-（2→］，［Araf-（1→］和［Galp-（1→］组成。姚艳丽等［24］用热水从红花中提取得到AG，其主链通过［（1→6）-］连接的Galp的C-3位置与分支连接，分支主要由［（1→5）-］连接的Araf残基组成。

国外学者对AG的结构研究较早。在1960年，Adams等［25］就从枫叶中得到AG，并对其结构进行检测，发现其主要由［（2，3，5）-3-O-Araf］、［（2，4，6）-3-O-Galp］和［（2，4）-2-O-Galp］组成。Ra⁃khmanberdyeva等［26］从阿魏科植物中提取得到的AG，由［（1→6）-β-Galf］残基组成。AG的C3位置连接［α-Araf］、［（1→5）-］连接的低聚糖以及［β-DGlcpA-4-O-Me-（1→6）-β-Galp-（1→］片段。主链的一小部分在C-2位置连接［β-Galp-（1→］。Ketha等［27］从绿豆中分离得到的II型AG，由阿拉伯糖和半乳糖以1：2的比例组成，分子量为1200 kDa。以［1，3-β-D-Galp］为主链，O-6上有（1→5）连接的Araf醛基侧链，这些侧链进一步被Araf醛基残基取代，形成高度支链化结构。Galp残基以非还原末端的形式存在。

根据国内外关于AG结构的检测结果分析，主要将其划分为三类［28］。韩雨露等［29］从仙人掌果皮中提取得到的AG为AG-Ⅰ型。它是以1，4-β-半乳聚糖为主链，C3或C6位可能被［（1→5）-Araf］、糖醛酸或一些单糖取代。水飞蓟［30］和落叶松［31］中的AG主要为AG-Ⅱ型，它是以（1→3/6）-β半乳聚糖为主链，支链为［（1→3/5）-α-Araf］，如图1所示。AG-Ⅱ型的结构因来源植物、组织和年限的不同而不同。AG-Ⅲ型是以各种单糖为主链，伴随有AG的支链，其结构较复杂，且在植物中含量很少。Aspi⁃nall等［32］在阔叶榆果胶中发现了它的存在。

图1 落叶松中AG-Ⅱ型AGFig.1 AG-Ⅱarabinogalactan in Larix gmelinii（Rupr.）Kuzen.

3 阿拉伯半乳聚糖的生物活性

随着“大分子时代”的来临，人们对AG的研究逐渐深入。根据研究发现，AG具有良好的生物学活性［33］，汇总如表1所示。

表1 AG的生物活性汇总Tab.1 Summary of AG's biological activity

3.1 抗氧化

郭怡帆［34］等通过比较超声降解前后落叶松中AG的抗氧化活性，虽然AG的羟自由基清除能力和DPPH自由基清除能力都低于Vc，但是同样表现出了良好的抗氧化能力，并且超声降解后AG的抗氧化能力得到进一步的提升。何涛斌等［23］通过测定辣木叶中AG的DPPH自由基清除能力、ABTS自由基阳离子清除能力和铁还原抗氧化能力，表明其具有良好的体外抗氧化能力。刘再志等［35］从提取二氢槲皮素的黄芪残渣中分离得到AG，其具有良好的羟自由基清除能力、铁还原能力。Sinha等［36］从番泻叶中提取的AG，其具有良好的铁还原抗氧化能力和DPPH自由基清除能力。表明AG在体外抗氧化方面具有良好的活性。

3.2 抗肿瘤

AG在抗肿瘤方面也展示出很大的潜力。从西瓜皮中分离得到AG［37］，作用于HepG2细胞，当其浓度在2.5～10µg·mL-1时，AG对HepG-2细胞的增殖显示出明显的抑制作用，且呈剂量依赖性。AG可以通过作用于免疫系统，从而阻断癌细胞向肝脏的转移。由于肿瘤细胞在肝中对凝聚素载体的特异性，使其向肝脏转移更为普遍。AG能够通过抑制凝集素载体位点的活性，部分阻断癌细胞DNA在肝脏的复制情况，从而提高受试者的生存时间。Nergard等［38］通过一项间接体内研究发现，AG可以利用细胞因子网络，提高自然杀伤细胞抑制肿瘤扩散的能力。AG通过阻滞细胞周期和凋亡抑制癌细胞生长［39］。从枸杞中提取的AG，作用于SMMC-7721和HepG-2肝癌细胞、HeLa宫颈癌细胞、SGC-7901胃癌细胞以及MCF-7人乳腺癌细胞，发现AG能使细胞周期阻滞在G0/G1期，改变线粒体功能，激活氧化应激，调控MAPK信号通路诱导细胞凋亡。因此，AG可能是一种潜在的对体外正常细胞无毒性的预防癌症的药物成分。

3.3 维持肠道稳态

低至5 mmol的氨能够诱导结肠上皮细胞产生病变［40］。在服用AG后，会使粪便中氨浓度降低，对结肠上皮细胞起到保护作用。AG可通过促进肠道内微生物菌群的发酵［38］，提高短链脂肪酸的含量。调节宿主体内肠道微生物的结构，使体液和电解质之间保持平衡［37］，从而为肠道细胞输送营养，保护肠道黏膜细胞。Ramona等［41］将20位受试者分成两组，进行为期三周的饮食治疗，每天按剂量15 g和30 g服用AG，测定其对胃肠道和血液参数的影响。结果表明，添加AG的日粮与基础日粮相比，增加了厌氧菌和乳酸菌的密度，降低了胆固醇水平，维持和恢复了肠道平衡。证明AG在维持肠道稳态方面发挥着重要作用。

3.4 抗糖尿病

AG可以通过抑制α-葡萄糖苷酶活性、改善糖耐量和减少晚期糖基化终产物（AGEs）的积累［42］，从而对由高血糖引发的骨质疏松症起到保护作用。刘焕言等［43］从毛竹笋壳中分离得到AG，采用体外Caco-2单层细胞模型来评价AG的降血糖活性。结果表明，对照组与AG给药组总体上存在差异，说明一定浓度的AG溶液能显著抑制不同浓度葡萄糖的吸收，且呈时间依赖性。上述研究表明AG可作为一种潜在的天然降糖剂而被开发利用。

3.5 抗炎

AG因其能增强对巨噬细胞的损伤、抑制促炎因子的活性［44］，受到了广泛的关注。程俊文等［45］从落叶松粉末中提取得到AG，将其作用于脂多糖（LPS）刺激的巨噬细胞RAW264.7，孵育24 h后，检测TNF-α、IL-6和IL-1β水平。结果显示，AG能促进促炎细胞因子的分泌，具有很强的免疫调节活性。Tabarsa等［46］从分子水平探讨AG对巨噬细胞RAW264.7的作用，上调了包括TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-12在内的促炎细胞因子的mRNA表达。通过Western blot分析，AG诱导的巨噬细胞RAW264.7中p-NF-κB，p-JNK、p-ERK和p-p38蛋白水平表达升高。表明AG主要通过MAPK和NF-κB信号通路减缓LPS对巨噬细胞RAW264.7产生的刺激。

3.6 抗病毒

De等［47］从甜菊叶中提取AG，发现AG的粗提物、碱性提物和均相提物都具有体外抗单纯疱疹病毒1型（HSV-1）的活性。Saha等［48］从印度苦楝树的叶子中提取得到AG，进行了低水平的细胞毒性分析，显示出对牛疱疹病毒1型（BoHV-1）的抑制作用。

3.7 增强机体免疫力

在一项临床试验中，落叶松中提取的AG能够提高机体免疫力而抵御普通感冒感染的能力［49］。在细胞和动物模型中，落叶松AG能够增强自然杀伤（NK）细胞和巨噬细胞以及促炎细胞因子的分泌［44］。AG能够刺激自然杀伤细胞的细胞毒性，增强免疫系统的其他功能，并抑制肿瘤细胞向肝脏的转移［50］。因此，AG在增强机体免疫力方面发挥着积极作用。

3.8 抗血栓

临床上，用落叶松中提取的AG清洗从血浆中分离出的血小板，经过清洗后的血小板，可用于临床输血。经过这种方法洗涤后的血小板，不仅能够去除血浆蛋白，还能够保持其正常的形态和功能［37］，这对于临床应用具有巨大意义。从美洲格尼帕树叶中提取的AG［51］，可以延长凝血时间，抑制静脉血栓的形成和增加出血时间。因此，AG有望成为抗血小板聚集、抗凝、抗血栓和降低出血性的治疗药物。

3.9 抗血管生成

王佩佩等［52］从三七中分离得到AG，通过抗血管生成实验表明，AG能降低内皮细胞在基质上的迁移活性和成管能力，但对内皮细胞的生长无影响。进一步研究发现AG可以通过BMP2信号通路发挥抗血管生成的作用。

3.10 肝保护

孙健等［53］首次研究了从黑豆中提取的AG，作用于CCl4致小鼠急性肝损伤的模型。AG不仅显著提高了超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶和谷胱甘肽还原酶等抗氧化酶的水平，而且升高了肝组织非酶抗氧化水平。

4 研究展望

现在，“大分子时代”已经来临，更多的目光都聚焦于大分子物质。AG因其具有抗氧化、抗肿瘤、维持肠道稳态等多种生物活性，在医疗领域具有良好的发展前景。随着国内外学者的不断深入研究，其药用价值和作用机制逐渐被人们了解，吸引了更多人关注。

顺铂（Cisplatin，CP）［54］作为临床中治疗多种癌症的首选化疗药物，其伴随而来的急性或延迟性胃肠道副作用却无法被忽视。本课题组前期已经证明，AG通过减弱肠道组织中氧化应激与细胞凋亡来改善CP诱导的肠道粘膜损伤，并首次发现一种新途径——内质网应激，参与AG的保护机制中。经过不同浓度的AG处理后，IEC-6细胞可显著减少CP诱导后细胞内活性氧（ROS）的产生。通过Hoechst 33258染色证明了AG可以抑制CP诱导的肠道细胞凋亡。通过western blot定量分析得到，CP处理后IRE1α、CHOP、BiP和XBP1（s）四种蛋白的水平均有不同程度的升高，且都能够被AG剂量依赖性的降低。证实了内质网应激（ERS）在CP诱导的肠道细胞凋亡中的重要作用。采用4-苯基丁酸钠盐（4-PBA）反向验证，通过western blot定量分析证实在CP处理期间，4-PBA的使用显著降低了肠道细胞中ERS关键蛋白的表达，同时抑制了caspase-3的激活。充分说明AG通过抑制ERS信号通路的过度激活，降低细胞凋亡的发生。

AG来源广泛，不仅原材料的价格便宜，而且资源得到了充分的应用。其次，AG提取工艺简单，适宜工厂的生产，具有巨大的市场前景。因此，作为新食品原料，AG在医疗卫生和食品行业具有巨大的发展潜能。