药食同源植物多糖提取方法、结构解析和生物活性研究进展

许梦粤，曾长立，王红波*

（1.江汉大学生命科学学院食品营养与安全研究中心，湖北武汉 430056；2.湖北省汉江流域特色生物资源保护利用与开发工程技术研究中心，湖北武汉 430056）

多糖是一类由10 个及10 个以上单糖或单糖衍生物通过糖苷键缩合形成的天然高分子化合物[3]，是药食同源植物中最重要的活性成分之一。药食同源植物多糖在植物的根、茎、叶和果实中均有分布[4]，具有抗菌、缓解抑郁症、免疫调节和调节肠道菌群等多种活性，可作为功能活性成分和治疗药物用于疾病的预防和治疗。不同的药食同源植物来源和制备方法都会影响多糖的结构特征，生物活性也会表现出差异[5]。现有的研究表明，多糖的结构（包括化学组成、单糖组成和分子量）会影响其生物活性，但多糖的结构与生物活性之间的具体关系还未明确[6]。本文对近年来国内外有关药食同源植物多糖提取、结构解析和生物活性等方面进行全面综述，以期为今后药食同源植物多糖的开发和利用提供新思路。药食同源植物多糖的提取、结构解析和生物活性研究思路和方法如图1所示。

1 药食同源植物多糖提取和分离纯化方法

1.1 多糖的提取方法

1.1.1 热水浸提法

热水浸提法是一种传统的药食同源植物多糖的提取方法。样品粉碎后，经60～100 ℃的热水浸提，加入一定比例的无水乙醇使多糖析出。王自凡等[7]发现，白芨多糖的最佳提取条件为料液比1 ∶59.77（g/mL）、提取温度67.79 ℃、提取时间1.42 h，提取率达40.99%。霍达等[8]发现，玉竹多糖的最佳提取条件为料液比1 ∶40.23（g/mL）、提取温度71 ℃、提取时间1.14 h，提取率达（5.61±0.12）%。料液比、提取温度、提取时间等因素均会影响药食同源植物多糖的提取率。采用热水浸提法提取药食同源植物多糖无需复杂昂贵的设备，操作简单，能在工业上大规模推广应用，但过高的温度可能会破坏多糖的结构[9]，且提取时间较长、耗水量大。

1.1.2 酶解提取法

酶解提取法是利用一种或多种酶分解植物组织，使植物多糖分子在较温和的环境中加速提取的方法。常用的酶有纤维素酶、木瓜蛋白酶、风味蛋白酶和果胶酶等。李卫等[10]发现，桔梗多糖的最佳提取条件为纤维素酶、果胶酶、木瓜蛋白酶的添加量均为2%、酶解时间90 min、料液比1 ∶30（g/mL）、酶解温度50 ℃，此时多糖提取率可达（9.01±0.07）%。蒋德旗等[11]发现，决明子多糖的最佳提取条件为纤维素酶用量1.4%、酶解时间50 min、料液比1 ∶24（g/mL）、pH5.4、酶解温度48 ℃，此时决明子多糖得率可达11.67%。酶的种类及酶解条件会直接影响酶解提取法的提取效果。酶解提取法的作用条件温和、提取率高，但操作较为复杂，需要灭活酶和除去酶等操作，不便于大规模的工业应用。

1.1.3 亚临界萃取法

强化小型农田水利建设新机制的监督管理力度，有利于促进水利工程的建设效率。因此，应对水利建设工程进行仔细而谨慎的规划，由此而使得水利工程项目的建设达到施工有质、管理有度的效果，同时，不断改进完善监管制度，用制度来管理。相关监督部门以及工作人员应充分发挥自己的监督作用，由此保障水利工程的建设效率以及工程质量。

亚临界萃取法是利用亚临界水作为提取剂，通过控制温度和压力，改变亚临界溶剂性质，加快水的传质效率，用于提取天然产物的一种新技术[12]。Zhang 等[5]分别采用亚临界水、水和乙醇提取人参多糖，发现当提取温度为200 ℃时，亚临界水萃取法的提取率为67.87%，显著高于水提法和乙醇溶液提取法。Lee 等[13]发现，采用亚临界水萃取法提取红参多糖的提取率高于热水浸提法，且提取的多糖的抗氧化活性更强。亚临界水萃取法作为一种低成本、温和、高效、溶剂环保的新型萃取技术，未来可在药食同源植物多糖的提取中发挥重要的作用。亚临界水提取法也存在一些局限性，比如难以精准控制提取温度与压力，并且此方法目前仅在实验室运用，缺少能大规模应用的亚临界水提取设备。此外，亚临界水高温高压环境可能会破坏多糖的结构。因此，需要加强对亚临界水提取多糖的条件控制方面的研究。

1.1.4 低共熔溶剂提取法

低共熔溶剂提取法是近年来出现的提取植物多糖的新方法之一。它采用新型介质，将氢键的受体和供体按照一定比例混合，通过二者氢键的结合，能够提供或接受外部电子或质子形成氢键，从而可以溶解多种物质[14]。低共熔溶剂提取法已经在花青素、多酚和生物碱等多种生物活性物质的提取中得到应用，但在多糖的提取中应用较少。谢苗等[15]利用5 种低共熔溶剂提取灵芝多糖，得率比热水浸提法提高了83.33%，且1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（1，1-diphenyl-2-trinitrophenylhydrazine，DPPH）自由基清除率提高了20.50%。何瑞阳等[14]利用尿素-氯化胆碱提取玉竹多糖，提取率达（29.03±0.54）%，是热水浸提法的4.67 倍。低共熔溶剂提取法不仅成本低、易合成、溶解度高、微毒甚至无毒，且对多糖结构破坏较少。低共熔溶剂提取法作为药食同源植物多糖新型提取方法之一，研究其提取规律，优化其提取条件，可为高效高质提取药食同源植物多糖提供理论依据。

除了以上4 种提取方法外，药食同源植物多糖提取方法还有酸碱提取法、超声波辅助提取法、微波辅助提取法等方法，其优缺点如表1所示。

表1 药食同源植物多糖提取方法的优缺点Table 1 Advantages and disadvantages of polysaccharides from medicinal and edible homologous plants

药食同源植物多糖提取方法的差异对其得率和结构影响显著，为了提高效率，确保多糖质量，进一步开发了多种方法组合使用的提取工艺，例如微波和超声等方式是提取工艺中最常见的辅助手段。但是微波和超声等方法可能会使多糖的化学键断裂，导致多糖降解，从而改变药食同源植物多糖的理化性质、结构和生物活性[16]。孙悦等[17]采用超声-低共熔溶剂提取法提取甘草多糖，发现当超声波功率过高时糖苷键断裂使多糖降解，提取率下降。钟丽霞等[18]采用微波辅助热水浸提法提取山楂多糖，发现当功率大于500 W 时瞬间温度上升，导致部分多糖降解，提取率降低。微波和超声方式用于扩大生产上还存在一些问题，比如作用机理不明确、降解稳定性不一致和设备标准化未统一等。因此，需要加深对微波和超声方式的作用条件的研究，探索微波和超声等破坏药食同源植物多糖结构的机理。药食同源植物多糖的提取应综合考虑提取的得率和质量、设备条件、成本、环保等多方面的因素。

1.2 多糖的分离纯化方法

药食同源植物的化学成分复杂，提取的粗多糖中一般含有蛋白质、色素和脂肪等多种杂质。粗多糖经分离纯化后能获得单一的多糖组分，更能满足实际应用的需要。魏晨业等[24]发现，纯化后沙棘多糖抗氧化活性高于粗多糖。朱家庆等[25]发现，纯化后葛根多糖的糖醛酸含量增高，羟自由基清除能力明显增强。表2 总结了不同药食同源植物多糖的分离纯化方法。

表2 药食同源植物多糖的来源、纯化方法、结构特征和生物活性Table 2 Sources，purification methods，structural features and bioactivity of polysaccharides from medicinal and edible homologous plants

粗多糖常采用Sevag 法进行脱蛋白，脱蛋白质的方法还包括等电点法、TCA 法和酶解法等。Sevag 法是根据蛋白质有机溶剂中变性的特点除去蛋白质。TCA法是利用蛋白质在有机酸的作用下形成不可逆沉淀，离心后除去蛋白质。王筱瑜等[42]比较银杏落叶脱蛋白方法，发现除蛋白率为Sevag 法（72.02%）＞酶解法（67.54%）＞TCA 法（59.11%）＞等电点法（49.85%），但多糖损失率为等电点法（9.51%）＜酶解法（14.29%）＜TCA法（15.44%）＜Sevag 法（26.95%）。Sevag 法和TCA 法中均含有毒溶剂，醇沉过程中可能残留，安全性相对较低，而酶解法不仅清除蛋白效果相对较好且安全性较高。因此，需要对Sevag 法和TCA 法潜在的毒副作用进行评价，探索除蛋白率高、对多糖破坏小、无毒副作用的除蛋白方法。

根据纯化机理和工艺的不同，多糖的纯化方法可分为化学沉淀法、色谱分离法、物理分离法。药食同源植物多糖常用的脱色素方法有活性炭吸附法、纤维素离子交换柱、大孔树脂吸附法等。常见的分级方法有超滤、透析、纤维素柱层析、离子交换层析和凝胶过滤层析等。药食同源植物粗多糖经过脱蛋白、脱色、纯化、分离后，再通过浓缩、透析和冷冻干燥制备药食同源植物多糖的纯化组分，最后，测定总糖、蛋白质以及糖醛酸的含量。多糖含量的测定方法有苯酚-硫酸法、3，5-二硝基水杨酸比色法、蒽酮-硫酸法、斐林滴定法等。《中华人民共和国药典》（2020年）中，中药材的多糖含量测定方法为苯酚-硫酸法和蒽酮-硫酸法，也是目前认可度较高的多糖含量测定方法[43]。在实际应用中，需将多种方法结合使用，才能使多糖分离纯化达到理想的效果。因此，药食同源植物多糖分离纯化技术的研究还需进一步深入，寻找适合工业生产的简单且高效的方法。

2 药食同源植物多糖的结构解析

药食同源植物多糖的种类较多，来源广泛，大部分为杂多糖。多糖复杂的化学结构决定了其不同的功能活性[44]，多糖结构的差异和不确定性使得揭示其作用机理和开发的过程更加复杂。如表2所示，不同种类的药食同源植物多糖分子量、单糖组成均不同。分子量是影响多糖生物活性的重要因素。Yang 等[6]发现，从酸枣多糖中分离出了4 个多糖组分，分子量低的多糖，抗氧化活性更高。Pei 等[38]发现，分子量较低的金银花多糖的降糖生物活性较高。但有研究表明，分子量高的多糖黏度高，能与蛋白质结合形成复杂的糖蛋白结构，与胆汁酸结合能力高[45]。药食同源植物多糖单糖的种类和比例，也与其生物活性密切相关，单糖组成越复杂，其生物活性越好。由表2 可知，大部分具有降血糖活性的药食同源植物多糖均含有Gal、Glu、Ara、Man，少部分含有GalA、Rha 和Fuc。

多糖结构与生物活性之间的关系还未明确，为了更好地发挥药食同源植物多糖的生理作用，需要明确多糖分子结构与生物活性之间的关系。多糖的结构可分为初级结构和高级结构。初级结构是指多糖的一级结构，包括分子量、糖苷键的种类及链接方式、单糖组成及摩尔比、重复结构单元等。高级结构包括了二级、三级和四级结构，主要是多糖的构象。

2.1 初级结构解析

2.1.1 分子量分布测定方法

常用于测定药食同源植物多糖分子量的方法有凝胶渗透色谱（gel permeation chromatography ，GPC）法、HPGPC 和分子排阻色谱与示差检测器和多角度激光光散射仪联用（size exclusion chromatography-multi angle laser light scattering-refractive index detector ，SECMALLS-RI）法等。分子量大小常用数均分子量（Mn）、重均分子量（Mw）、粘均分子量（Mv）、质均分子量（Mz）表示，以Mw/Mn 为分散系数，分散系数越接近1，表明药食同源植物多糖的均一性较高[6，40]。GPC 是利用高分子物质在凝胶柱内的渗透能力差异进行分离的方法，操作便捷，但样品黏度不宜太高，含有颗粒时易造成堵塞[40]。HPGPC 是HPLC 和GPC 结合的一种方法，以标准品的相对分子质量的对数值为纵坐标，以相应色谱峰保留时间为横坐标，根据回归方程求得Mv、Mw和Mn，用时短，重复性好，可信度高，但对仪器设备要求较高[46]。HPSEC-MALLS-RI 联用法的优点是无需进行任何色谱柱标定和标准品参考，特别适合于难以获得标准品的果胶大分子结构的测定[47]。目前，HPGPC 是药食同源植物多糖分子量检测应用最广泛的方法。

2.1.2 单糖组成测定方法

单糖组成分析是研究药食同源植物多糖结构、性质和构效关系的基础[44]。由于单糖不具有紫外与荧光吸收，需要经过酸水解破坏糖苷键、中和、衍生化等一系列处理后再利用仪器分析测定。目前，药食同源植物多糖常用的单糖组成分析方法为高效液相色谱法和高效毛细管电泳法。高效液相色谱法操作简单，无异构峰产生，分析速度快[39]，也是药食同源植物多糖单糖组成分析中应用最广泛的方法。高效毛细管电泳法灵敏度高，但对仪器设备要求较高，操作复杂。

2.1.3 糖苷键的类型和链接方式的分析方法

糖苷键是一种特定类型的化学键，其常见的分析方法除了红外光谱（infrared radiation，IR）法和核磁共振波谱（NMR）法，还需结合化学分析手段测定其连接位点、连接方式以及不同糖苷键的构成比例等。IR 可对官能团定性分析和结构分析，根据红外光谱图上特征峰的位置差异，区分多糖的各种官能团和糖苷键构型[27]。药食同源植物多糖不能通过NMR 准确地分析糖苷键连接顺序，需采用高碘酸氧化、Smith 降解、逐步酸水解等方式来判断糖苷键的连接位置、连接方式以及聚合度等结构信息。NMR 可以对不同有机或无机物成分、结构进行定性分析，一维NMR 测试包括1HNMR、13C NMR 和DEPT-135[48]。运用NMR 能准确反映出多糖分子的真实结构，且不会破坏多糖结构，还能进行回收，具有高度的复现性。

2.2 高级结构解析方法

药食同源植物多糖高级结构的研究方法有圆二色谱法、原子力显微镜法和利用计算机模拟多糖分子模型等。圆二色谱法是用于糖类和蛋白质等化合物空间结构分析的一种常规方法，可根据化合物分子中生色团的极化性和取向性来分析多糖的空间结构及构象转变[49]。原子力显微镜法是研究大分子在诱导条件下结构和动力学方面的构象转变，分析表面分子的拓扑结构，观察分子结构取向和空间分布的结构分析方法。分子模型的构建是通过分子动力学模拟、分子对接、自由能计算等方法，模拟大分子的空间构象及分子间的相互作用关系，达到结构预测以及探讨机理的目的[50]。

3 药食同源植物多糖的生物活性

多糖作为药食同源植物中常用的活性成分，具有显著的药理活性和保健作用。近年来，随着对药食同源植物多糖研究的深入，对其活性有了更多的了解。药食同源植物多糖的生物活性主要包括抗氧化、免疫调节、降血糖、抗肿瘤和调节肠道菌群等活性功能。

3.1 抗氧化活性

抗氧化是植物多糖主要的生物活性之一。当人体正常有氧代谢过程产生的自由基化合物的积累超出机体防御系统的清除能力时，会极大危害人体健康，引发各种疾病，包括心血管、癌症、高血压等慢性疾病[6]。天然或人工合成抗氧化剂均能保护生物体减少过量自由基和活性氧引起的氧化损伤，但人工合成抗氧化剂可能存在未知的副作用[51]。因此，寻找天然抗氧化剂替代是很有意义的，药食同源植物多糖是一种潜在的抗氧化剂。药食同源植物多糖的抗氧化能力通常用体外DPPH 自由基清除能力、羟自由基清除能力、2，2′-联氨-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（2，2'-hydrazine-di-3-ethylbenzothiazolin-6-sulfonic acid，ABTS）阳离子自由基清除能力和超氧阴离子自由基清除能力等来评价。如表2所示，从桔梗、甘草、黄芪、蒲公英、灵芝、葛根和砂仁等药食同源植物中提取的多糖均具有良好的抗氧化活性。

3.2 免疫调节活性

免疫调节在多种疾病的预防和治疗中至关重要。天然的药食同源植物多糖作为一种激活免疫细胞，是提高机体免疫力的免疫调节剂，特别是对巨噬细胞的调节作用，并且不会损害正常的细胞。巨噬细胞是先天免疫和适应性免疫的主要组成部分，作为人体抵御病原体的第一线防御[52]，其表面的多种受体可以与多糖分子结合，促进巨噬细胞的活化，产生一氧化氮、肿瘤坏死因子、白细胞介素等多种生物活性分子，这些细胞因子能参与细胞内炎性反应，清除相关病原体。栀子多糖是酸性杂多糖，能增强巨噬细胞活力，具有良好的体外免疫调节活性[35]。龙眼多糖能促进巨噬细胞吞噬，诱导其分泌肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis facto-α，TNF-α）、白细胞介素-1 β（interleukin-1β，IL-1β）和白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）[40]。佛手多糖对RAW264.7巨噬细胞无明显毒性作用，还能促进NO 分泌，提高吞噬活性[53]。

3.3 降血糖活性

糖尿病是一种以高血糖为特征的代谢紊乱疾病，其死亡率仅次于心脑血管疾病和癌症，是人类三大致死疾病之一。缺乏运动、肥胖、超重、不健康饮食和社会心理压力大等都会增加2 型糖尿病的患病风险[54]。患者可通过口服降糖药物，如双胍类和噻唑烷二酮等药物治疗糖尿病，但长期服用会对人体产生毒副作用和强依赖性，导致低血糖、内分泌失调，甚至会诱发癌变。药食同源植物多糖具有天然、安全的优点，可成为降血糖产品领域的研究热点。根据表2 可知，蒲公英、覆盆子、山药和百合等来源的药食同源植物多糖均具有良好的降糖活性。杏仁多糖对α-葡萄糖苷酶的强抑制能力可能与结构中包含α-（1→4）糖苷键有关[47]。葛根可以通过改善1 型糖尿病大鼠脂氧化应激水平和代谢水平从而起到降血糖的作用[37]。

3.4 抗肿瘤活性

目前，植物多糖抗肿瘤活性的研究主要集中于肝癌、胃癌、肺癌和宫颈癌等癌症，其抗肿瘤机制有抑制肿瘤细胞生长、抑制肿瘤细胞侵袭和转移、增强免疫调节作用等[55]。药食同源植物多糖具有低毒性、高效、多途径、副作用小等优点，与药物联用后有协同效应，可成为潜在的抗癌剂。Yu 等[56]从黄芪多糖分离出（1→2，6）-α-D-Glcp 含量较高的APS4，体外抗肿瘤活性较强。李莹等[36]研究发现，超声辅助提取的昆布多糖对人肺癌细胞A549 的抑制作用最强，而复合酶法制备的昆布多糖对人乳腺癌细胞MCF-7 的抑制效果最佳。刘子坤等[41]从紫苏多糖中分离出的PFSP-2 具有激活或调节免疫细胞产生细胞因子的能力，并通过免疫机制引起肿瘤细胞凋亡。

3.5 调节肠道菌群

肠道菌群指参与机体的物质代谢，维持人体正常生理活动的存在于胃肠道中复杂的微生物群落，是饮食与人体健康之间的重要纽带[57]，肠道菌群失衡可导致肠炎、慢性腹泻、肠癌等多种疾病。研究发现，甘草多糖能有效预防脂多糖（lipopolysaccharide，lps）诱导的急性结肠炎，对肠道健康有益[28]。松花粉多糖可有效缓解结肠缩短和肠道损伤的疾病进展，降低有害细菌的比例[34]。铁皮石斛多糖可通过调节肠道菌群间接影响免疫系统[58]。

综上所述，药食同源植物多糖具有多种生物活性，且安全无毒，能作为潜在的抗氧化剂、降血糖制剂、抗癌剂等。研究发现，百合多糖对胰脂肪酶的抑制率为85.78%，有较好的降血脂效果[22]。灵芝多糖可能通过激活自噬来降低活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平，从而抑制线粒体功能障碍和细胞衰老[32]。紫苏籽多糖能缓解高脂饮食导致的小鼠脂代谢异常和氧化应激[59]。药食同源植物多糖抗氧化、免疫调节和降血糖研究较为深入，但尚不明确其结构与功能活性之间的关系，还需要进行大量研究来证实。明确多糖的构效关系对药食同源植物的开发和利用非常重要。不同的来源和不同的提取方式都会影响其结构和生理功能，还可利用生物转化、物理改性和化学修饰等方式提高药食同源植物多糖的活性，制备药食同源植物多糖衍生物，从而开发其更多的应用领域。

4 展望

本文系统总结了药食同源植物功能多糖的提取方法、结构解析和生物活性等方面的研究进展。虽然药食同源植物多糖的研究已取得阶段性的成果，但有部分问题还有待进一步研究。首先，现有的药食同源植物多糖的提取纯化技术效率偏低、不适合工业化生产。其次，药食同源植物多糖结构与生物活性之间的关系以及生物活性的作用机制尚未阐明。多糖结构复杂，难用一种或几种常规方法准确解析其结构，需要结合多种化学分析方法和仪器分析方法进行综合解析，过程复杂繁琐，针对多糖结构解析的公认方法尚未完全建立。药食同源植物功能多糖的生物学作用与其结构特征密不可分。药食同源植物功能多糖的结构与疗效之间的关系，对于提高药食同源植物功能多糖的性能和开发功能食品和药物具有重要意义。此外，药食同源植物多糖及其衍生物的安全性和潜在风险，还需进行全面毒理学实验和风险评估。