植物源功能活性多糖的提取及其研究进展

谭婉碧 王琴飞 余厚美 何毅 张振文

（1.中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所/国家薯类加工技术研发分中心 海南海口 571101；2.武汉轻工大学 湖北武汉 430000）

自1902年，德国科学家Fischer首次开展多糖研究以来，至今已有一百多年的历史；在1968年，日本学者千原昊郎首次验证活性多糖具有抗肿瘤功能[1]，多糖的生理活性开始得到普遍关注，并在近20年来成为研究热点，研究的内容包括活性多糖的分子量、结构和生物活性等[2-4]。

多糖(Polysaccharide)是指由10个以上的相同或不同的单糖组成，通过α-或β-糖苷键连接在一起形成的长链聚合物，普遍存在于自然界动植物中[5]。常见多糖按其组成可分为杂多糖和均多糖，杂多糖是由2种或2种以上单糖组成，如葡甘露聚糖、果胶等，均多糖是由同一种单糖聚合而成，如淀粉、纤维素等；按其功能可分为能源型多糖和活性多糖，能源型多糖如淀粉，是有机体能源物质，活性多糖是指一类参与机体生理代谢，具有抗氧化、免疫调节、抗肿瘤和护肝等生物活性的多糖[6-8]；按其在植物细胞的分布可分为胞内和胞外多糖，胞内多糖一般存在于液泡当中，如果聚糖和甘露聚糖，胞外多糖如树脂和果胶，木聚糖和甘露聚糖等[9]。

文章分析国内外植物源活性多糖的研究报道，概述植物源活性多糖提取工艺，总结植物源活性多糖的种类、组成结构和生理活性，提出植物源活性多糖的应用研究前景与发展趋势。

1 多糖提取

1.1 热水浸提法

热水浸提法是当前植物源活性多糖提取应用最为广泛的方法，具有提取设备简单、工艺方便、成本较低、适合工业化生产应用等优点；其工艺流程包括预处理、粉碎、热水浸提、离心、醇析和冷冻干燥等。研究表明，采用热水浸提法，按料液比1:40（g/mL）、提取时间3.1 h、提取温度75℃提取香椿叶活性多糖，其多糖含量达到58.5%[10]；同样的提取方法，在料液比 1:15（g/mL）、提取温度70℃、提取时间2 h、提取次数 2次、85%乙醇醇沉条件下紫心甘薯活性多糖的提取率可达到最高[11]；唐建波等[12]研究发现，刺梨在料液比1:20（g/mL），浸提时间2.6 h，浸提温度90℃，浸提3次的提取条件下，活性多糖得率最高。可见，热水浸提法普遍耗时超过2 h，温度高达70℃以上，存在提取时间长、能耗大的问题，因此需要结合其他提取方法进行优化。

1.2 酸碱提取法

酸碱提取法是通过一定浓度的酸碱溶液破坏植物细胞的细胞壁、细胞膜，细胞破裂有助于多糖的释放。其提取工艺流程包括预处理、粉碎、酸或碱浸提、离心、醇析和冷冻干燥等。在酸碱提取法中，对多糖提取率产生影响的因素主要包括酸和碱浓度、提取时间、温度、料液比等。黄越等[13]同等条件下碱液提取、超声提取、热水浸提3种方法对猴头菇多糖得率及其抗氧化性能影响的研究结果显示，在料液比1:20(g/mL)、NaOH浓度0.3 mol/L、50℃条件下水浴加热2 h，提取的多糖得率最高，其多糖抗氧化活性效果最佳；于美汇等[14]在探索黑木耳多糖的降血脂功能时发现，碱提的黑木耳多糖，随着质量浓度的增加，多糖结合胆酸盐的能力增强，在结合达到稳定后，结合率高达 34.7%。任初杰等[15]研究了酸浓度、温度、时间、料液比和提取次数5个因素对酸提花生粕中多糖得率的影响，结果表明，在最佳工艺条件下酸浓度0.17 mol/L，提取时间74 min，料液比1:25，提取温度87℃，提取次数1次，花生粕中多糖得率为 9.39%。据报道，酸碱浸提法与热水浸提法相比，不仅在工艺上有所改进，效率、得率更高，还能够将不易溶出的多糖释放出来，从而提升多糖得率。但酸碱提取过程对酸碱浓度的控制是重难点，过酸过碱都容易引起多糖水解、破坏多糖的结构，而多糖的结构与功效联系紧密；其次酸碱法对提取容器的选择更为苛刻，不利于工业化应用[16]。

1.3 酶提法

酶提法是最近几年发展起来的植物源多糖提取工艺，利用酶的专一性和高效性。一方面，通过酶快速降解植物细胞壁和细胞膜中纤维素、果胶、淀粉等成分，加快多糖的溶出；另一方面，酶可以把多糖中大分子量的多糖降解为更小的片段，从而帮助多糖溶解出来[17]。提取工艺流程包括预处理、粉碎、酶提、灭酶、离心、醇析和冷冻干燥等。酶提取法可分为单酶法和复合酶法 2种。薛燕等[18]在探讨复合酶法中性蛋白酶和纤维素酶提取铁皮石斛多糖的最佳工艺时发现，在酶浓度为10%（二者比例为2∶1）、料液比1∶120（g/mL）、酶解温度为55℃、pH 6.0、酶解时间3 h的条件下提取，多糖得率为（43.85±1.8）%。傅晶依等[19]利用纤维素酶与酸性蛋白酶提取豆渣多糖，多糖得率为 7.72%。酶提取法具有操作条件温和、提取周期短、绿色环保等优点，但与酶解时间、溶液 pH和环境温度关系密切，提取成本高，是限制其工业化生产的主要因素。

1.4 超声波提取法

超声波提取法是利用超声波带动提取液机械振动，使液体中产生的空化泡在瞬间膨胀、破裂，并伴随有强大的冲击波和微波，以破坏提取液中植物细胞的细胞壁和细胞膜，从而提高提取率[20]，提取工艺流程包括预处理、粉碎、超声、离心、醇析和冷冻干燥等。吴双双等[21]、葛星星等[22]研究薯类多糖提取工艺时发现，在超声功率 400 W、超声时间 45 min、料液比 1∶25、超声温度50℃时，紫薯多糖的得率最大，为 2.79%；超声时间20.33 min、料液比1∶20.96（g/mL）、超声功率395.9 W、提取温度67.56℃时，豆薯多糖的提取率为 8.28%。安金双等[23]对比响应面优化超声波提取法和水提法提取多糖的效果发现，超声波提取法显著缩短时间，而且多糖得率显著提升。

相对于传统热水提取和酶法提取，超声提取法具有提取率高、提取时间短等优点（表1），但超声波会产生强大的剪切力，会使部分多糖结构遭到破坏，对提取率有影响[24]。从总体看，热水提取和超声波提取是当前产业化提取多糖的传统工艺，具有普适性。但随着科技的进步，酶提取法具有多糖活性高和对环境友好等优点，是今后提取活性多糖的主要工艺。

表1 多糖的不同提取工艺比较

2 多糖种类及活性

植物源多糖广泛存在于植物的根、茎、叶、花和果实等器官中，具有不同种类和活性功能，文章按照多糖的来源，将其分为五类进行介绍。

2.1 多糖种类

2.1.1 薯类多糖薯类作物包括甘薯、山药、葛根和木薯等，含有丰富淀粉。甘薯，又称番薯、地瓜，属旋花科作物。据报道，甘薯含有丰富的甘薯多糖(sweet potato polysaccharide, SPP)，主要由β-葡萄糖、葡萄糖、半乳糖、木糖、甘露糖、半乳糖和鼠李糖等多种单糖组成[25]，具有消炎[26]、抗肿瘤[27-29]、抗氧化[30]和调节血糖[31]等生物活性。

山药，属薯蓣科作物，是传统的药食同源植物，在我国河南、安徽、江苏、浙江、江西、福建、湖南、广东和四川等地有栽培。据报道，山药块茎富含淀粉，还含有山药多糖等活性成分，其中山药多糖主要由葡萄糖、甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖、果糖和鼠李糖等单糖组成。研究表明，山药多糖可通过提高肝细胞自由基的清除能力来降低脂质过氧化，稳定细胞膜结构，以及降低血清中丙氨酸转氨酶活性和抑制NO合酶的活性，减少NO和肿瘤坏死因子含量，对CCI4肝损伤起保护作用[32]。

葛根，属豆科作物，亦是药食同源植物，我国南方地区是葛根主要栽培地区。葛根块根含有一定量葛根多糖，具有抗氧化、调节免疫、护肝、降血糖、抗菌、抗肿瘤等功能[33-34]。据报道，目前从葛根中分离鉴定出26种多糖，其分子量差异较大，生物学活性的最佳相对分子质量的范围也不同[33,35]。研究表明，葛根多糖的单糖均含有鼠李糖、半乳糖、岩藻糖和葡萄糖等，其中葡萄糖含量最高[36]；此外，葛根多糖多呈链状结构，其支链类型和位置等是多糖具活性的重要因素[36]。

芋头，属天南星科作物，在我国珠江流域和长江流域地区广泛种植。芋头块茎富含淀粉、矿物质元素和多糖，其中杂聚多糖具有抗衰老、抗肿瘤、降血糖、降血脂和免疫调节等功能[37-39]，组成单糖主要是阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖和半乳糖[37]。据报道，芋头多糖可促进小鼠脾淋巴细胞增殖能力和小鼠腹腔巨噬细胞吞噬能力的提高，表现出较强的免疫调节能力[40]。

木薯，属大戟科木薯属作物，其块根富含淀粉，是世界三大薯类作物之一，在我国华南地区有栽培，以广西为主。据报道，木薯多糖是一种由蔗糖、果糖、葡萄糖、半乳糖和阿拉伯糖等组成的粘多糖，平均分子量为3.6×105，具有抗氧化、抗菌、护肝和调节血糖等功能[41-43]。用木薯粘多糖和小麦粉混合制成的面条能明显改善面条性能和口感，具有护色、使面条韧性更好等效果[41]。

2.1.2 水果多糖水果是日常饮食重要食材，不仅营养丰富，还含有活性多糖等生理活性物质。

菠萝蜜，属桑科作物，是典型热带水果，亦是重要木本粮食作物之一，我国广东、海南、广西、福建和云南南部有栽培，其果实含有丰富淀粉和功能性多糖。据报道，菠萝蜜多糖主要由葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖、鼠李糖、木糖和半乳糖醛酸组成，具有显著的抗氧化、免疫力调节、抗肿瘤等活性[44-45]；菠萝蜜籽粒含有丰富碳水化合物（73.87%）和膳食纤维（31.0%），是开发新型功能产品的优质原料[46]。

龙眼，属无患子科作物，我国东南部和西南部地区有栽培，尤以福建、广东和海南等地为多，其果实多汁，营养丰富。据报道，龙眼果肉多糖由岩藻糖、半乳糖、阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖醛酸和葡萄糖醛酸组成，具有促进巨噬细胞增殖和增强其吞噬能力的作用[47]。龙眼肉多糖是乙酰胆碱酯酶抑制剂，能有效改善记忆障碍[48-49]。

仙人掌，属仙人掌科植物，丛生肉质灌木，我国的云南、海南、四川等地均有栽培。仙人掌多糖是从仙人掌茎的黏液质中提取的蛋白多糖。据报道，仙人掌多糖主要由鼠李糖、果糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖及糖醛酸等聚合而成，具有抗癌、抗氧化及抗衰老、降血糖、增强免疫等生理活性[50-53]。

2.1.3 谷类多糖燕麦，又称莜麦，属禾本科燕麦属植物，我国的河北、山西、贵州和内蒙古等11个省（自治区）均有栽培。据报道，燕麦多糖由葡萄糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖组成[54]，主要活性成分是β-葡聚糖，具有降血糖、降血脂、抗肿瘤、增强免疫力和保护胃黏膜等多种生理活性[55]。

青稞，属禾本科大麦属草本植物，适宜生长在高原清凉气候，主要分布在西藏、青海、四川和云南等地。据报道，青稞多糖主要生理活性成分有β-葡聚糖、戊聚糖和膳食纤维等多糖[56]，还含有果胶、树胶、果糖聚糖、葡聚糖和半纤维素等可溶多糖，具有免疫调节、降血糖、调节血脂、抗氧化、抗衰老和心脑血管疾病等生理活性[56-57]。

2.1.4 蔬菜多糖在众多蔬菜中，豆科蔬菜的多糖含量较为丰富。豇豆[Vigna unguiculata(Linn.)Walp.]含有一定量的非淀粉多糖（1.43%～5.37%），包括豇豆全豆多糖、子叶多糖和种皮多糖；研究表明，豇豆全豆多糖（Vigna unguiculata polysaccharide，VUP）与子叶多糖（V.unguiculata cotyledon polysaccharide，VUCP）结构特征较为相似，而种皮多糖（V.unguiculata hull polysaccharide，VUHP）主要以果胶为主，分子量分布更加均一，具有抗氧化、降血脂、辅助治疗心血管疾病等功能[58]。研究发现，豇豆VUP平均分子量以78.4和1 336.1 kDa为主，VUCP分子量以 103.2和 490.6 kDa分为主，而 VUHP以59.8 kDa（88.1%）为主，三者均含有糖醛酸和β-吡喃糖环[58]。

鹰嘴豆（Cicer arietinumLinn.），是豆科鹰嘴豆属一年生或多年生攀缘草本植物，在非洲、地中海沿岸、美洲以及中国青海、新疆、甘肃等地都有广泛种植[59]。据报道，鹰嘴豆有6种粗多糖，即 CWP1-1，CWP1-2，CWP2-1，CWP2-2，CAP-1和 CAP-2，其平均分子量分别为：2.91×106、9.83×105、8.32×105、1.37×105、1.81×106和 3.94×105Da；多糖由葡萄糖、葡萄糖醛酸、鼠李糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖以及半乳糖醛酸组成，具有较好的抗氧化活性和提高免疫力的功效[59]。

此外，黑豆、黄秋葵、野胡萝卜和大蒜等蔬菜同样含有一定量的多糖，具有较好的抗氧化功能[60-63]。

2.1.5 其他多糖百合，属百合科植物，我国南部、西南部、东部和陕西、甘肃、河南等地均有栽培。据报道，百合多糖由半乳糖、D-葡萄糖和D-甘露糖通过吡喃糖苷键结合组成，具有抗氧化、降血糖、抗肿瘤和调节免疫力等功效[64-65]。

黄精，属百合科黄精属植物，其膨大的结节含有多糖、皂苷、黄酮、醌类、生物碱、木质素等生理活性物质，在我国东北和中原地区有栽培。据报道，黄精多糖由甘露糖、半乳糖、葡萄糖、果糖、鼠李糖、阿拉伯糖和半乳糖醛酸等单糖组成[66]，具有抗衰老、降血糖、降血脂、改善记忆、抗肿瘤、调节免疫等生理功能[67-70]。

玉米须，是禾本科玉蜀黍属植物玉米的花柱和柱头，主要含有多糖类、黄酮类、皂苷类、甾醇类、生物碱类和氨基酸等生理活性成分，在我国广泛种植。据报道，玉米须多糖主要由葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、半乳糖醛酸、鼠李糖、甘露糖和木糖所组成[71]，具有降血糖、抗菌和抗氧化等生理功能[72-73]。

茶，属山茶科茶属植物，其叶片含有茶叶多糖、儿茶素、咖啡碱和肌醇等生理活性物质，茶叶制成的茶饮料是世界三大饮料之一，在我国广泛种植，品种和品类繁多。据报道，茶叶多糖（Tea Polysaccharides，TPS）是一类由中性单糖（葡萄糖、鼠李糖、阿拉伯糖、甘露糖、核糖、木糖、半乳糖和岩藻糖）、蛋白质和矿质元素等单元组成的具有生理活性的复合植物多糖，分子量为3.67～758 kDa[73-74]，具有抗氧化、降血糖和抗癌等多种生物活性[75-77]。

2.2 多糖活性

研究表明，多糖物质广泛存在于动植物体内，普遍具有抗氧化、调节血糖和抗肿瘤等生理功能，不仅能为生物体提供所需能量、参与机体结构组成、促进机体健康，而且还参与细胞分化、细胞生长调节、细胞识别和免疫应答等生命活动。

2.2.1 抗氧化活性氧自由基普遍存在于人体的正常生理代谢过程，具有未配对电子的基团、分子或原子，如超氧阴离子、羟自由基和脂质过氧化物等。据报道，由活性氧自由基失衡导致的疾病有高血压、糖尿病和肿瘤等。研究表明，具有抗氧化活性的植物源多糖包括中性多糖、酸性多糖和糖蛋白等，主要是通过提高机体抗氧化酶（超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽氧化酶）等活性，以提高清除体内自由基能力[78]，通常以DPPH的清除率作为抗氧化活性评价指标，与多糖中的醇羟基数量有关[79]。

2.2.2 血糖调节血糖是指人体血液中的葡萄糖，是人体主要能量来源，由食物消化、吸收和糖元分解而得。随着人们饮食的精细化，因血糖代谢紊乱而导致的糖尿病人越来越多。据国际糖尿病联盟报道，我国糖尿病患者约有1.14亿人，位居世界首位[80]。胰腺是人体血糖调节的主要器官，研究表明，多糖通过激活糖代谢通路中关键酶，促进糖的吸收和分解，有效抑制糖异生作用[80]，减少胰岛B细胞凋亡，提高机体对胰岛素的敏感性、耐受能力，从而发挥调节血糖的功能[81]。

2.2.3 抗肿瘤肿瘤，其实质是肿瘤细胞，由实质和间质两部分构成。由于肿瘤细胞具非正常生理代谢的特点，容易导致机体生理失调甚至死亡。据世界卫生组织2020年数据，全世界有近1 700万人罹患恶性肿瘤，我国每年有 233.8万人死于恶性肿瘤（国家肿瘤中心）。研究表明，多糖能通过抑制ATM和DNA-PK的磷酸化，利用Akt信号通路介导改善细胞 DNA复制和修复能力[82]，还可通过调节 P-Akt1/P-ERK信号通路和 Bax/Bcl-2调节蛋白激酶信号通路，抑制ERK通路相关蛋白表达和磷酸化，从而诱导细胞凋亡[83-85]。

综上所述，植物源多糖来源广泛，普遍具有抗肿瘤、降血糖、降血脂等生理活性（表2）。

表2 不同植物源多糖及其生物活性

3 多糖组成

多糖属于大分子化合物，其分子量大小和单糖组成决定其生理功效。许多研究表明，不同植物源多糖组成差异很大，不同单糖的组成决定着多糖的生理功能（表3），而具有生理功能的杂多糖多数由鼠李糖、木糖、甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖、半乳糖醛酸、葡萄糖、岩藻糖等单糖组成，其单糖分子式为C6H12O6和C5H10O5；其中阿拉伯糖（C5H10O5）普遍存在于多糖的组成中，而块根类作物普遍存在葡萄糖（C6H12O6）和阿拉伯糖。从表3可知，杂多糖分子量在2.56～13 270 kDa，普遍大于2.56 kDa，由15个以上的单糖组成。

表3 不同植物多糖组成对比

从结构上看，具有生理活性的杂多糖组成多数为5碳糖，含有4-5羟基，并具有右旋、左旋等同分异构体结构，且在某特定条件下，这些多糖之间可以相互转化，从而形成不同的生理功能。如鼠李糖脱水状态是β型，吸水后转为α型，即α-L-鼠李糖，其甲基被羟基取代后就形式了甘露糖，而甲基被H取代后又形成了木糖，并具有不同的生理功能，其中五碳糖的组成和相互转化可能是其适应动植物生理功能的某种需要[86]。

4 展望

植物源多糖是非常复杂的多聚体，其生物活性与多糖结构密切相关，不同植物中多糖的分子量大小和单糖组成存在差异，此外，其构象或手性也是多糖生理活性的重要影响因素。然而，当前植物源多糖的提取方法研究中，缺乏多糖提取工艺对多糖活性和手性影响的相关研究，需要加强不同植物源多糖特性、工艺酸碱度和工艺设备对其生理活性影响的研究。此外，植物源多糖基本由阿拉伯糖、木糖、甘露糖、葡萄糖、鼠李糖、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸、半乳糖和岩藻糖等单糖组成，其组成和比例是决定多糖生理活性的关键，但具有功能活性的单糖如何发挥功效、作用机理如何尚未明确。

植物源多糖已经被广泛应用于药品和食品加工，如多糖铁胶囊、菊粉等。随着国内外对健康生活需求的日益增长，多糖产品势必成为新的消费方向标。近几年来，国内外将重点探索多糖高级结构的解析技术和高品质多糖的提取技术，特别是复合酶解提取多糖技术、靶向性多糖药品研发和同分异构体多糖的生理功能分析将成为今后研究的热点。