姬松茸多糖组成结构及提取技术研究进展

崔国梅 刘丽娜 田广瑞 李顺峰 许方方 王安建

(河南省农业科学院农副产品加工研究中心,河南 郑州 450002)(河南省农业科学院农副产品加工研究中心,河南 郑州 450002)

姬松茸(Agaricusblazei)又称巴西蘑菇、小松菇等,原产于巴西南部圣保罗的皮埃达德,属于担子菌门伞菌目蘑菇科蘑菇属,滋味鲜美浓郁,富含多糖、脂质、多肽、甾醇、人体必需氨基酸、矿物质、微量元素、纤维素和维生素等多种成分[1-3]。其多糖、多肽、多酚化合物、甾醇类等活性物质具有免疫调节、抗肿瘤、降血压、降血糖、抗氧化、抗菌消炎、改善骨质增生等功能特性[4-7]。姬松茸的活性成分及其功能特性如表1所示。

表1 姬松茸功能特性及有效成分

研究拟综述姬松茸多糖的分子结构相应功能,且着重说明姬松茸多糖化学修饰与对应的功效及其功能活性的作用机理;列举几种多糖提取方法及工艺,比较姬松茸多糖提取方法的优缺点;详细概述姬松茸多糖在研究应用方面存在的问题,并从多角度对其未来研究方向进行展望,旨在深入阐述姬松茸的营养价值及保健功效,并为拓宽姬松茸的发展空间及加快姬松茸多糖的应用提供依据。

1 姬松茸多糖的组成结构

姬松茸多糖的化学结构是指其相对分子量、主链构成、多糖的一级结构、高级结构及结构修饰等。姬松茸多糖主要为β-葡聚糖,还有α-葡聚糖起能量储存的作用,另有杂多糖包括葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖、半乳糖醛酸、岩藻糖、鼠李糖、甘露糖等,而其功能活性成分主要为β-D-葡聚糖、β-(1,3)-D-葡聚糖、β-(1,4)-D-葡聚糖及β-(1,6)-D-葡聚糖等[25]。

孙培龙[8]利用醇分级沉淀法得到两种相对分子质量的姬松茸多糖,其中一种是由1,4糖苷键连接的吡喃型葡萄糖主链,且带少量蛋白的非淀粉α-葡聚糖,另一种可能为带有吡喃型葡萄糖基的蛋白聚糖,这些多糖具有一定的抗肿瘤作用。Gonzaga等[26]在姬松茸子实体多糖中分离到β-葡聚糖,结构为β-1,6-葡聚糖。魏红福等[27]采取分级醇沉和凝胶过滤法从热水浸提的姬松茸多糖中分离出3种级分的多糖,其相对分子质量分别为>2.0×106,1.4×106,3.8×105,其中一种级分的多糖主链为α-(1→6)-D-吡喃型葡聚糖,并含少量结合蛋白。王夏梅[11]利用柱层析法得到7个级分的姬松茸多糖:从结构上看,既有柔顺链高级构象,也有刚性链高级构象,还存在卷曲成球状高级构象;从成分上看,有4种为葡聚糖,2种含有少量糖醛酸的葡聚糖,还有一种杂多糖(摩尔分数:葡萄糖62.83%、半乳糖28.43%、岩藻糖5.54%、甘露糖1.46%);从糖苷键上看:既有α-(1→4)和β-(1→6)相连,也有α-(1→4)和α-(1→6)连接,还有以1∶1的β-(1→6)和β-(1→3)相连,此外还有1种多糖含有β和α两种构型,且单糖成分存在的岩藻糖由(1→2)和(1→6)相连,这些结构及构象体外检测具有促进脾细胞和巨细胞增殖的效果,呈现一定的免疫活性。Liu等[28]采用碱提法分离纯化出的姬松茸水溶性多糖,由(1→6)-β-D-吡喃半乳糖基、(1→6)-β-D-吡喃葡萄糖基和(1→3,6)-β-D-吡喃葡萄糖组成主链,在(1→3,6)-β-L-吡喃葡萄糖基的O-3之上,由(1→)-β-L-阿拉伯呋喃糖苷和(1→)-β-D-吡喃葡萄糖组成侧链。李晓等[15]利用水提醇沉法提取姬松茸粗多糖,并采用DEAE-纤维素离子交换法对姬松茸多糖进行层析分级,得到姬松茸酸性多糖级分(质量分数:葡萄糖88.6%、半乳糖2.4%、甘露糖1.9%、鼠李糖1.0%、半乳糖醛酸0.5%、木糖1.9%、阿拉伯糖2.1%、岩藻糖1.6%),这些酸性多糖对大鼠具有一定的降血脂作用。姬松茸多糖的提取制备工艺对其相对分子质量、单糖组成、单糖比例、糖苷键类型等影响显著,因此姬松茸多糖的组成结构与原料来源、提取工艺、纯化手段等密切相关。

有关香菇多糖的化学修饰研究相对较多,主要有羧甲基化、硫酸化、硫酸酯化、磷酸化、硒(Se)修饰等,修饰后的香菇多糖具有抗病毒、抗炎、抗氧化、抑制肿瘤、增强免疫力等功效[29],但有关姬松茸多糖的化学修饰研究较少。磷酸化修饰姬松茸多糖对大肠杆菌和沙门氏菌具有一定的抑菌作用,且具有提升免疫力的作用[30]。硫酸酯修饰的多糖可抑制单纯疱疹病毒和牛疱疹病毒,还可预防疱疹2型病毒感染生殖道,能抑制HSV-1和HSV-2的吸附、渗透和传播,提高抗肿瘤活性[31-34]。为提高姬松茸多糖的活性功能,多从提取工艺及化学修饰两方面着手研究。其中,特定的理化修饰会出现抗肿瘤、抗病毒性能减弱的现象,因此,并不是所有的结构修饰都能增强其功效。

姬松茸多糖的主链构成、相对分子量、多糖的一级结构(单糖组成、糖苷键类型、连接方式及分支程度等)、高级结构(空间构象)及多糖的结构修饰(理化修饰及生物修饰)是影响其功能特性的基础因素。姬松茸多糖的化学结构与其功能特性存在一定的构效关系,不同组成成分、结构、连接方式及结构修饰,其活性功能也不相同。姬松茸多糖的诸多组成结构造就了其具有多种优异的生物活性功能,比如抗肿瘤、免疫调节、降血糖、降血脂、抗炎、保肝等,且相应的作用机理也被广泛研究(见表2)。这些组成结构及功能特性在开发保健品和新药方面具有重要的科学价值和临床潜力。

表2 姬松茸多糖功能活性的作用机理

2 姬松茸多糖的提取

姬松茸多糖的提取工艺有热水、稀酸、稀碱、酶法、有机溶剂法等,且普遍采用超声、微波等作为辅助方式来提高多糖得率,但目前酶法提取姬松茸多糖得率相对较高,活性较好,也更高效。不同姬松茸多糖提取方法比较见表3。

表3 不同姬松茸多糖提取方法比较[44-51]

热水浸提法是最常见的提取方法,其原理是通过热作用使细胞质壁分离,使水更容易进入细胞促使多糖溶出,而稀酸稀碱虽然能够快速提取多糖,但因容易引起糖苷键断裂,多糖降解,提取率及活性低而应用较少。刘玮等[18]利用热水浸提sevage法洗脱蛋白,再用85%醇沉、冻干后,得到姬松茸粗多糖中的总糖为83.47%,该工艺下的多糖具有一定的抗炎活性,与李晓等[15]的结果对比,不同工艺水提醇沉法得到的姬松茸多糖其功能特性并不一定相同。微波产生的热效应和高频电磁波不影响多糖的官能团但可以提高多糖提取率[49],当姬松茸细胞吸收微波能量,胞内温度、压力上升超过其承受负荷时,细胞壁破裂从而释放出多糖。超声波的空化效应、击碎及热效应可以破坏细胞结构,增强传质及扩散能力,从而提高多糖提取率。付志英等[50]在80 W超声波功率下提取得到的姬松茸粗多糖,其得率高达19.70%。王宏雨等[47]确定了超声波循环萃取法的最佳工艺为提取温度40 ℃,超声功率600 W,投料比8%,提取时间20 min。李健等[48]研究发现,微波协同碱法的最佳工艺条件为氢氧化钠质量分数7%、微波功率640 W、提取时间25 s、料液比1∶23 (g/mL),此条件下多糖提取率为13.20%。梁婷等[51]将粉碎的姬松茸子实体过筛,在640 W微波功率下提取8 min,对过滤后的提取液进行浓缩干燥,其粗多糖得率达9.04%。但也有研究[52]表明,超声引起的空化作用通过一定的温度和剪切力来增加提取率,但同时也会改变多糖的结构及其理化特性。王艳等[53]利用复合酶水解法(m果胶酶∶m纤维素酶∶m木瓜蛋白酶=140∶3∶400),在130 W的超声功率下辅助提取20 min,获得姬松茸粗多糖得率为14.51%。杨丹妮等[46]研究发现,超声波协同酶法的最佳工艺条件为料液比1∶35 (g/mL)、加酶量3.3%、pH 6.0、酶解—超声温度52 ℃、酶解—超声时间50 min,此条件下姬松茸基质多糖得率为30.76%,与预测得率接近。目前,姬松茸多糖主要是从姬松茸中提取,未有工业化合成,为保证成本低、提取率高、节能省时高效,需将超声提取法、微波提取法和复合酶提取法等多种方法协同使用。

姬松茸多糖结构极为复杂,其化学成分、相对分子质量、结构及构象对其生物功能及活性均有影响。姬松茸多糖的提取率与提取方式、提取工艺条件等息息相关,为了提高姬松茸多糖得率,其提取研究也由单一的处理方式向复合的处理方式转变,由单一酶处理向复合酶处理转变,一方面弥补了单一提取方式提取时间长、提取率低的不足,另一方面对姬松茸多糖活性也有一定的影响。目前,由于姬松茸多糖结构复杂,提取纯化方面相对研究较少,能用于工业化生产的高效提取多糖的方法更是少之又少,提高姬松茸多糖的提取率、药用活性成分纯化与结构鉴定成为阻碍多糖产品开发的关键短板。因此选择适宜的提取技术及工艺,研究新的提取手段,在不破坏多糖结构的同时提高提取率和纯度的方法还需进一步探索。

3 存在的问题及展望

3.1 存在的问题

姬松茸不仅味美,而且药用价值较高,尤其是姬松茸多糖在抗癌防癌、增强免疫力及抗疲劳等方面效果显著,且无毒副作用,因此以姬松茸为原材料,开发医用产品、保健品和功能性食品配料等具有良好的前景。但目前在姬松茸多糖功能特性及提取应用方面还存在一定的问题。

(1) 相关基础理论研究不成熟不系统。一方面,姬松茸多糖受相对分子质量、立体结构等多种因素的影响而呈现多样化的生理活性,而立体结构、构效关系、有效序列等理论方面的研究极为困难复杂,系统的理论研究及鉴定并不充实也不成熟。另一方面,姬松茸多糖作用机理不够深入系统,且多集中在体外或小白鼠试验阶段,体内吸收及作用机制研究不够深入,大多还处于“可能是”的推断阶段。此外,缺乏相关的抑制特性及系统热动力学研究,不同条件下(温度、浓度、pH、盐、光等)姬松茸多糖的化学特性不明了,与典型食物成分(蛋白质、脂肪、糖类等)的相互作用特性不清楚。

(2) 姬松茸多糖提取纯化工艺条件不成熟或设备设施不完善。一方面,大部分提取纯化工艺仅限于理论及实验室研究,未能真正适应生产并形成规模,或是尚未形成标准化流程,操作复杂,成本偏高。另一方面,姬松茸多糖提取对设备参数要求较为精密,相应的设备欠缺或精密度不够,导致提取物纯度不够,活性不高,故大多数仅能应用于小型科研试验,理论或实验室研究所得数据与实际生产所得提取率有一定的差距,离产业化应用存在一定距离。

(3) 姬松茸育种及专种专用的研究程度不够。一方面,育种工作量大、野生姬松茸菌株较为罕见导致种质资源少、多糖高产菌种的定向育种技术缺乏等问题难题突出。另一方面,定向培育高产量高活性专用品种,充分挖掘基于多糖的特异资源方面,许多亟待解决的问题仍有待深入。此外,改良后的姬松茸种质资源缺乏共享机制,菌种仅与亲本开展了纵向对比,缺乏横向对比研究。

3.2 展望

对姬松茸多糖的研究及利用仍处于发展阶段,深入研究其作用机理,挖掘特异资源定向培育专用品种,开发高效低耗降本的提取技术,研发配套的高精尖设备设施或将是未来研究重点。

(1) 加强基础理论方面的研究。一方面,构建相对分子质量、空间结构、结构修饰与生理活性参数及成效等的系统数据,如基于多糖精细结构,研究不同成分的靶器官、细胞信号通路,阐明多糖发挥活性功效的分子机制,探究其结构特性与免疫功能、抗癌等生物活性的构效关系,为多糖的提取纯化及检测提供基础理论支撑。另一方面,全面、深入、系统地研究姬松茸多糖及修饰物,明确其在抗肿瘤、抗炎、免疫调节、降糖降压等方面的作用机制,探索菌种、部位、菌龄及种植条件对活性功效的影响,为姬松茸食品、保健品和药品的开发提供相应指导。此外,综合运用生物工程、分子生物学、遗传学和代谢组学等生物技术手段,研究活性物质形成机制、抑制或激活作用机理、代谢通路及系统热动力学等,为活性物质累积、调控与应用提供理论支撑。

(2) 系统探究提取的工艺条件,开发或改良配套设备设施。一方面,构建姬松茸多糖的成套技术资料,完备工艺条件的同时,完善其功能特性的测定方法和尽可能地降低成本简化操作。另一方面,引入微波、酶法、超声波、超临界流体、超高压及高压脉冲电场等绿色辅助萃取技术,开发或改良相关提取及纯化设备,提高设备精密度、安全性及可操作性、降低提取成本,使研究成果能够顺利转化。此外,还可与企业实际情况相结合,将技术成果应用于企业规模化生产,以免研究成果局限于实验室。

(3) 定向培养高产菌株,专种专用。一方面,深入发掘特异的种质资源,繁育专用种质,成立核心种源基因库,构建姬松茸多糖有效的遗传转化系统,利用基因组定位编辑技术来改良育种,为其专用种质的繁育与优选创制奠定基础。另一方面,强化现代分子技术、分子生物学、遗传学等交叉融合,灵活结合诱变育种技术(物理诱变、化学诱变、复合诱变等)与杂交育种技术(甚至是远缘杂交),以满足研究及生产所需。此外,多渠道建立姬松茸优良种质交流共享平台及种质资源库,建立科学的管理办法,促进姬松茸多糖在育种上有所突破。

(4) 强化姬松茸多糖功能产品的开发利用。基于姬松茸多糖的构效关系,聚焦精准营养,开发具有靶向性功能的食品、保健品或药品,改变姬松茸产业的传统状况,提高附加值。

后续研究需将姬松茸多糖的提取、分离、纯化、活性研究、产品开发与临床应用融为一体,建立更加科学合理的功效评价体系,为姬松茸多糖效能的发挥和应用提供条件。随着科技进步,相关问题期望得到解决或者改善,姬松茸将得到更加充分的开发利用,释放该产业发展的巨大潜力。