辣木多糖提取工艺及生物活性的研究进展

彭瑶，申迎宾，朱叙丞，杨新泉

广州大学生命科学学院（广州 510000）

辣木（Moringa oleiferaLam.），又称为“奇迹树”和“生命之树”，广泛种植于热带或亚热带干旱地区。据报道[1]，辣木含多种植物成分，如糖类、蛋白质、维生素、黄酮和矿物质等。近年来，辣木作为食品和药物补充品食用，用于治疗心血管疾病、糖尿病、癌症和肝肾等疾病[2]。自1998年以来，世界卫生组织一直在推广辣木，用来解决营养不良人群的食物问题。2012年，中国绿色食品开发中心将辣木叶认定为“食品国宴”，同年，被我国卫健委（原卫生部）认定为一种新的食物资源。

多糖被称为是生物的免疫调节剂（BRM），在食品和医学领域引起广泛关注。多糖作为辣木中重要活性成分之一，具有降血糖、降血脂、抗氧化、抗炎等多种功效[3]。近年来，国内外学者报道了关于辣木多糖活性的研究进展，根据Web of Science数据库的统计数据，自2001年起，研究人员开始发表有关辣木多糖的研究论文，被引频率达1 337次。辣木多糖在功能性食品、医药领域等具有良好发展前景。因此，简要阐述国内外辣木多糖提取工艺和生物活性等方面的研究进展，为辣木多糖的基础研究和应用开发提供参考，促进我国辣木资源的开发利用。

1 辣木多糖提取技术

辣木的营养器官有辣木叶、辣木籽、辣木根等。提取辣木多糖前，需要通过洗净、干燥、粉碎、过筛等步骤进行预处理。由表1可知，对辣木叶多糖的研究较多。有关辣木多糖提取方法常用的有热水浸提法、超声辅助浸提法、微波辅助提取法和超高压提取法。不同提取工艺提取的辣木多糖，或是用同一种工艺提取不同部位的辣木多糖，在提取率方面均有所差异。通常情况下，时间、料液比和温度是影响提取率的重要因素。

表1 辣木多糖的提取方法

1.1 辣木叶多糖提取工艺

辣木叶富含多糖、类胡萝卜素、蛋白质、氨基酸、不饱和脂肪酸和维生素，在所有可食用的蔬菜中，其营养价值最高。有研究表明[12]，通过苯酚-硫酸分光光度法测得辣木中的多糖含量达15.36%。有关辣木叶多糖提取方法较常用的有热水浸提法、超声辅助浸提法、微波辅助提取法和超高压提取法。研究采用传统的热水浸提法，通过不断优化提取工艺，分别考察提取时间和提取温度对多糖提取的影响，从而提高多糖的提取率。崔璨等[4]采用该方法在提取时间4 h、提取次数3次、料液比1∶20（g/mL）条件下，辣木叶粗多糖提取率可达11.24%。在此基础上，缩短提取时间提高多糖得率[13-14]。热水浸提法操作简单、提取成本较低，但由于其提取温度较高、提取时间长等问题，限制了工业生产应用。采用超声波提取多糖时，对于提取时间和超声功率都需要控制，时间过长或功率过高会造成多糖的降解。辛明慧等[7]利用响应面法优化超声波辅助提取辣木叶多糖工艺，在提取次数2次、料液比1∶35（g/mL）、提取时间30 min的最佳提取工艺条件下，多糖提取率达到13.30%。由于微波处理可能使多糖受热不均匀，不易释放，导致提取率过低。Chen等[9]通过响应曲面法对微波辅助提取辣木叶多糖的工艺进行优化，在提取时间70 min、微波功率700 W、提取温度70 ℃，固液比1∶35（g/mL）条件下，辣木叶多糖提取率为2.96%±0.11%。靳学远等[10]利用正交试验，采用超高压提取辣木叶多糖，在提取压力400 MPa、提取时间5.5 min、料液比1∶15（g/mL）条件下，采用此法提取辣木叶多糖，其得率达16.28%。酶辅助提取法是通过结合传统的热水浸提法或现代化手段，用来提取天然植物中的多糖。王振西[11]研究热水回流法、超声法、超声协同复合酶分步和超声协同纤维素酶同步提取4种方法对辣木叶多糖提取率的效果。经比较，在料液比1∶50（g/mL）、超声功率210 W、超声频率20 kHz、pH 5.17、提取时间35 min、提取温度75 ℃的条件下，加入1 800 U/mg纤维素酶，多糖提取率为33.11%。因此，超声协同纤维素酶同步提取是提取辣木多糖的最佳选择。试验结果表明，在超声提取辣木多糖的过程中加入纤维素酶，脱蛋白效果更佳，显著提高了多糖的得率。

综上所述，不同提取方法对辣木叶的提取率影响较大，得率在2.96%～33.11%之间。在提取辣木叶多糖工艺中，采取超声辅助协同酶法提取多糖得率最高，该方法可以有效利用超声和酶的催化性，提高多糖得率。但由于其工艺成本相对较高，对工艺温度的要求较高，该提取工艺只适用于实验室研究。随着科研人员进一步研究，多糖的提取技术不断成熟，在今后研究辣木叶多糖的提取工艺中，联合提取工艺会是多糖提取的一大趋势。

1.2 辣木根多糖提取工艺

辣木根作为一种传统的药用植物，是辣木的主要营养器官之一，在传统医学用途中具有抗炎，抗癌、抗氧化和抗微生物活性。关于辣木根多糖的研究较少，Cui等[6]以热水浸提法制备辣木根多糖，在料液比1∶30（g/mL）、提取时间3 h、提取3次的条件下，进一步通过Savag法脱蛋白，辣木根多糖提取率为4.67%。与热水浸提法提取的辣木叶多糖相比，经脱蛋白后造成多糖损失，使其最终得率较低。同时，原料不同部位及来源也导致多糖提取率不同。

1.3 辣木籽多糖提取工艺

国内研究人员对辣木籽营养成分进行分析，采用直接滴定法测定引种试验点的辣木籽总糖，测得总糖含量为6.9%～9.5%[15]。热水浸提法在多糖的提取过程中应用最为广泛，但是通过热水浸提法制得的多糖得率及纯度较低，且耗时长。董成国[5]采用三因素三水平的响应面法优化辣木籽多糖的提取工艺，研究表明，在料液比1∶55.5（g/mL）、提取时间1 h、提取温度79 ℃的最佳提取工艺条件下，辣木籽多糖的提取率为14.11%±0.27%。

2 辣木多糖的构效关系

对辣木多糖的结构分析如表2所示。不同提取工艺及分析方式的辣木多糖的单糖组成和摩尔比存在差异。Chen等[9]用离子色谱分析超声波辅助浸提法制备的辣木叶多糖，MLP-1多糖骨架结构主要由39.60%木糖、38.67%甘露糖和13.66%葡萄糖构成，MLP-2和MLP-3骨架结构主要由木糖和葡萄糖构成[9]；李巧林[16]采用高效液相色谱系对酶辅助浸提法制备的辣木叶多糖MLP-1、MLP-2、MLP-3和MLP-4组分进行分析，构成4种组分的单糖种类相同，但相对摩尔比不同。除了单糖组成不同以外，相同的提取方法也有可能导致辣木不同部位多糖的单糖组成不同。董成国[5]和Cui等[6]采用热水浸提法分别提取辣木籽多糖MOPD-a和辣木根多糖MRP-1，研究表明，MOP-D-a由阿拉伯糖、鼠李糖、木糖、半乳糖、甘露糖、葡萄糖组成，其摩尔比为0.48∶3.33∶0.47∶1.53∶0.39∶0.7；MRP-1由阿拉伯糖、鼠李糖、木糖、果糖、半乳糖、甘露糖组成，其摩尔比为2.0∶1.5∶6.0∶3.1∶1.1∶5.3。

表2 辣木多糖的单糖组成比例和分子量

多糖的生物活性与其单糖的组成有关。在植物多糖的研究中，糖醛酸含量较高的多糖组分具有更好的抗氧化活性。董成国[5]研究发现，糖醛酸含量较高的MOP-D体外清除羟基自由基能力较强。多糖分子量和糖苷键连接方式也影响多糖生物活性，如多糖中通常含有（1→3）-β糖苷键，其可增强免疫调节活性。Li等[17]用色谱分析辣木叶多糖组分MOP-3主链糖苷链类型，它们为（1→3,6）-β-D-Galp和（1→6）-β-DGalp，分子量较高，具有较强的免疫活性。此外，通过对多糖的结构进行化学修饰后，不仅其理化性质会发生变化，还提高天然植物多糖的生物活性。有研究发现[18]，相较于没有修饰的辣木多糖，经乙酰化修饰后的辣木多糖的抗氧化活性显著提高，清除羟基自由基和超氧阴离子自由基的能力分别达到99.7%和87.4%。

3 辣木多糖的生物活性及其机制

近年来，从辣木中提取分离出的多糖具有多种有益的生物功能活性，对辣木多糖的功能活性研究主要集中在降血糖、降血脂、抗氧化、抗炎、抗肿瘤、增强肠道免疫等方面，但是对于其生物活性的作用机制有待于进一步深入研究。

3.1 抗氧化

植物多糖是一种天然的抗氧化剂，通过含有多电子的羟基部分清除生物体内超氧离子自由基。研究发现[21]，辣木多糖具有较好的抗氧化功能，可以显著增强清除羟基自由基和超氧阴离子的能力，其清除作用随着浓度的增加而增强。当多糖达到一定浓度后，抗氧化作用逐渐稳定。He等[19]发现提取的辣木叶多糖（MOP-1）对DPPH自由基、ABTS自由基的清除能力及铁还原抗氧化能力（FRAP）表现出与多糖浓度呈正相关。多糖质量浓度4.0 mg/mL时，ABTS清除率为89.9%，FRAP为8.04±0.8 mmol/L，这可能是与MOP-1与双原子铁形成络合物有关系。Otu等[8]分离纯化出2种辣木叶多糖ML-CP 80和ML-ILP 80，研究发现，2种辣木叶多糖均具有清除羟基自由基和ABTS自由基能力，其中以ML-ILP 80的体外抗氧化活性最强，这可能是由于纯化方法不同造成的。ML-ILP 80质量浓度20 mg/mL时，ABTS自由基清除率达到100%，效果可与抗坏血酸媲美。

活性氧（ROS）是由氧组成的化学反应性分子，包括过氧化物、超氧物、羟基自由基和单线态氧。马广明等[22]研究辣木叶多糖（MLP）在BEMCS氧化损伤细胞模型的保护作用，MLP可抑制细胞内ROS的生成，降低细胞的凋亡率，同时提高过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性，降低丙二醛（MDA）含量，保持细胞膜及其结构的完整。试验结果表明，辣木叶多糖可以作为一种天然的抗氧化剂，具有潜在应用价值。另外，辣木籽多糖对清除ABTS自由基和羟基自由基也具有明显的清除作用[5]，MOP-D是其主要的抗氧化活性成分。从MOP-D分离出2个亚级多糖MOP-D-a-1和MOP-D-a-2，也具有清除ABTS自由基和羟基自由基的能力，其中MOP-D的作用效果强于MOP-D-a-1和MOP-D-a-2，分析可能是与MOP-D中糖醛酸含量更高有关。辣木多糖的抗氧化机制可能是通过提高体内抗氧化酶活性，发挥抗氧化作用。除此之外，不同产地的辣木叶多糖抗氧化活性存在差异，其中普洱市辣木叶多糖体外抗氧化活性最好[13]。因此，依据地区优势开发辣木多糖产品，可充分利用资源。

3.2 降血糖

辣木可以治疗糖尿病，改善糖尿病患者碳水化合物和脂质代谢异常，同时还可以缓解代谢综合征。同时，在糖尿病患者的日常饮食添加一定量的辣木，可以显著降低其血糖、血脂和糖化血红蛋白水平[23]。针对链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病大鼠中，辣木叶可以作为一种有效的抗糖尿病药物[24]。此外，辣木籽粉可以改善糖尿病造成的肾脏和胰脏组织的损伤[25]。Chen等[9]通过体外试验测定辣木叶多糖（MLP）的降血糖活性，结果发现MLP-1，MLP-2和MLP-3质量浓度从0.01增加到0.1 mg/mL，α-淀粉酶抑制作用也随之增强。在0.1 mg/mL质量浓度下，MLP-1，MLP-2和MLP-3的α-葡萄糖苷酶抑制率分别为58.8%，72.2%和89.7%；另外，在0.1 mg/mL时，MLP-3抑制α-淀粉酶的作用最强，为88.3%，推测可能是由于单糖组成和结构不同造成的。在此研究基础上，李巧琳[16]以2型糖尿病的大鼠为研究对象，向STZ诱导的糖尿病大鼠分别腹腔注射500 mg/kg二甲双胍、500 mg/kg辣木叶提取物组、500 mg/kg辣木叶多糖组分组、500 mg/kg辣木叶小分子组分，研究辣木叶多糖对糖尿病大鼠血糖改善情况，其中辣木叶多糖组分降血糖效果最为显著。辣木叶多糖通过调控2型糖尿病大鼠脏器系数，显著降低大鼠血清MDA含量、甘油三酯（TG）、总胆固醇（TC）和低密度脂蛋白（LDL）含量。同时，显著提高GSH-Px活性、高密度脂蛋白胆固醇（HDL-C）水平而达到降血糖效果。研究结果表明，辣木多糖的降血糖机制可能是通过提高对葡萄糖的耐受量和抗氧化酶活性，改善机体脂质代谢异常，防止心血管疾病等并发症的发生。综上，辣木叶多糖可作为降血糖药物进行开发。

3.3 降血脂

近年来，随着人们的生活水平不断提高，饮食结构也随之改变，由于摄入大量的高油脂食物，增加高血脂的发病率。辣木叶水提物通过显著降低大鼠血清中的TC、TG、LDL水平，显著降低大鼠的脂肪含量、肥胖指数及血脂水平，进而达到降血脂作用[26]。此外，通过生化指标检测发现，辣木籽可以显著降低血糖值，改善认知障碍，其治疗机制可能是缓解STZ所导致的大脑瞬间血糖浓度升高和神经元的损伤[27]。Yang等[28]通过8种不同方法提取辣木叶多糖，其中超声波辅助纤维素酶提取的多糖（MOLPFs）半乳糖含量较高，有助于促进线性大分子释放，同时结合胆汁酸能力较强，起到潜在的降血脂作用。该研究指出，半乳糖与胆汁酸结合率呈正相关，推测半乳糖与MOLPFs的活性结合位点有关。

3.4 抗炎

炎症是机体的生理反应，可保护宿主免受非生物和生物因素（如细菌感染和有害刺激等）引发的伤害。研究表明[29]，辣木叶水提物发酵液通过抑制IL-1β、IL-6、IL-8、肿瘤坏死因子（TNF）-α水平，促进炎症因子IL-10、转化生长因子-β（TGF-β）mRNA的表达，发挥抗炎作用。崔璨等[4]为研究辣木叶多糖抗炎作用，建立小鼠巨噬细胞RAW264.7细胞作为体外炎症细胞模型。结果表明，辣木叶多糖可显著抑制一氧化氮合酶（iNOS）活性、环氧化酶2（COX-2）和TNF-α的表达，分子水平研究分析揭示辣木叶多糖通过抑制NF-κB信号传导通路，发挥抗炎作用；继续采用该细胞模型探究辣木根多糖（MRP-1）的抗炎活性，也得到了类似的试验结果[6]。研究发现，MRP-1通过抑制炎症相关的NO和TNF-α，显著降低iNOS的mRNA表达水平，从而发挥抗炎作用，推测MRP-1所含的半乳聚糖可能参与抗炎作用。Dong等[20]通过试验证实辣木叶多糖（MOP-2）对巨噬细胞RAW 264.7发挥抗炎免疫活性，推测其抗炎机制可能与PI3K/AKT/mTOR信号通路有关。同时，从辣木叶中分离出另一种新型多糖MOP-3，研究表明，MOP-3通过刺激细胞中iNOS、IL-6和TNF-α的分泌，发挥抗炎作用。综合研究结果，辣木多糖具有抗炎作用，主要通过激活巨噬细胞、增强巨噬细胞的增殖能力和吞噬能力、调节体内的炎症因子激活细胞内各种信号转导，同时提高抗氧化酶的活性，促进NO释放，从而实现抗炎作用。因此，辣木多糖可以作为一种新型抗炎剂开发，具有广阔的应用前景。

3.5 抗肿瘤

肿瘤疾病一直是全球医疗面临的棘手问题之一，根据Globocan统计[30]，2018年全球肿瘤新发病例的人数高达约有1 810万，死亡人数约有960万。辣木叶水提物通过增加氧化应激和诱导细胞凋亡对肺癌细胞A549、食道癌细胞SNO和前列腺癌细胞DU145有较好的抗增殖效果。植物的天然活性多糖具有抗肿瘤生物活性，且对生物体无显著副作用。马莉等[31]检测辣木叶多糖对肿瘤细胞的体外抑制活性，试验结果表明，辣木叶多糖抑制结肠癌细胞HCT116和人宫颈癌细胞Hela生长，通过MTT法测量出辣木叶多糖对细胞HCT116的生长抑制率，结果为2.28%～59.3%，IC50值为7.30 mg/mL；对Hela细胞生长抑制率为1.21%～ 47.6%，IC50值为7.83 mg/mL。可见，在抗肿瘤方面，辣木多糖具有开发潜力，但其抗癌机制有待进一步研究。

3.6 增强肠道免疫

肠道菌群结构复杂，种群繁多，能帮助人体消化食物，吸收营养，预防炎症性肠病，产生有益于人体的免疫反应，还有助于防止病原体侵入，促进人体的肠道发育。人体内肠道菌群可以通过对多糖利用，改善其组成结构，促进有益菌群的繁殖生长，降低有害菌群的繁殖生长，同时产生短链脂肪酸（SCFAs）等有益代谢产物，发挥免疫作用。研究表明，通过模拟人体胃肠道逆环境和酵解试验发现，辣木叶多糖可以有效促进植物乳杆菌和保加利亚乳杆菌的繁殖和生长，显著提高植物乳杆菌和保加利亚乳杆菌对胆汁酸盐、酸性条件及胃肠液的耐受性[32]。在辣木叶多糖的干预过程中，通过体外模拟发酵试验观察到，添加辣木叶多糖可以增加肠道菌群的多样性，改变肠道菌群的结构（拟杆菌门和厚壁菌门），同时增加酵解液中的SCFAs的含量[33]。关于其对肠道免疫机制还不十分明确，但结果表明，辣木多糖可以通过影响肠道菌群的结构，改善肠道稳态平衡，从而增强肠道免疫。

4 结语

辣木是一种药食同源植物，近年来，辣木的开发利用主要集中在功能性食品、废水处理、植物蛋白饲料、生物柴油和化妆品等方面。我国辣木资源丰富，为辣木多糖的开发应用提供物质基础。在国家大力支持粤港澳大湾区健康产业的发展下，由于辣木多糖具有降血糖血脂、抗炎、抗肿瘤等多种生理活性，未来可以作为功能食品或保健品添加剂。同时，由于其具有良好的抗氧化作用，可以作为抗氧化剂。除此之外，还可以用于饲料添加剂。因此，鉴于辣木具有潜在市场的发展前景，应当在多领域大力发展辣木产业。

综上，目前对辣木多糖的提取工艺及生物活性等方面开展了一系列研究工作，取得一定进展。然而，还存在一些亟待解决的问题，辣木多糖常与蛋白质或酚类等物质结合，如何在分离纯化过程中减少多糖损失；如何联合多糖的提取工艺，有效提高多糖得率，适用产业化开发；同时，对辣木多糖的结构还处于单糖的组成、糖苷键连接方式等一些一级结构研究，需要更深入研究辣木多糖的高级结构，为辣木多糖构效关系的研究奠定基础；也需要进一步通过动物实验探究辣木多糖生物活性的作用机制及多糖添加量与生物活性的关系。因此，关于辣木多糖还有较大的研究空间。基于前期对辣木多糖的研究，今后需要不断深入对辣木多糖生物学和糖组学的研究，拓宽辣木多糖在功能性食品和药品等方面开发和应用领域，为辣木多糖的利用提供研究依据和理论价值。