多糖的生物活性及其在蔬菜中的应用

吴林娜，刘 梅，李兴红

（北京市农林科学院植物保护环境保护研究所，北京 100097)

多糖是自然界中含量丰富的物质类群之一，不仅来源广泛、毒性低，而且具有抑菌、抗氧化和促进生物体生长等多种良好的生物活性，作为植物诱抗剂、生长调节剂等被广泛用于防治多种植物病害和调控作物的生长。1943年，多糖首先作为药物展开研究，到了20世纪50年代，随着化学、生物研究技术的提高，多糖的复杂结构和功能逐渐得到人们的认可和研究。到目前为止，已有300多种多糖物质被从自然界中分离和提纯出来[1]。随后，人们对多糖的认识，不仅仅局限于其是细胞结构的支撑者、储能物质，还认识到其与生物体代谢、细胞间的识别和调节、细胞生物学信息的携带和传递、免疫反应和蛋白质转移等过程密切关联[2]。研究发现，多糖具有抗氧化、抗炎、抗菌、抗紫外线等重要生物活性，这些活性逐渐地被研究、开发，并应用于生物医学、食品、护肤和农业等领域。本文将主要从多糖种类、生物活性和在蔬菜中的应用3个方面进行综述，以期为未来多糖在农业领域的开发和应用研究提供参考。

1 多糖的定义及种类

1.1 定义

多糖，即多聚糖（Polysaccharide），由超过10个单糖分子经脱水缩合以糖苷键而结合的高分子聚合化合物。从广义来说，凡符合高分子化合物概念的碳水化合物及其衍生物均可称为多糖，其结构通式可用（C6H12O5）n表示，相对分子质量在数万到数十万不等[3]。单糖是糖类的基本组成单元，单糖之间经脱水缩合、以糖苷键线性或分枝连接构成多糖[4]。

1.2 种类

根据构成多糖的单元种类可将多糖分为2类，一类是由一种单糖缩合而成的同多糖，如淀粉、纤维素和糖原等，另一类是由2种及以上的单糖构成的杂多糖，如透明质酸是D-葡萄糖醛酸和N-乙酰葡糖胺组成的双糖单位构成的糖胺聚糖，阿拉伯胶是由戊糖和半乳糖等组成的杂多糖[5]。

另外，根据多糖的来源种类，又可将其分为动物多糖、植物多糖和微生物多糖。

1.2.1 动物多糖

动物多糖主要来源于海洋动物和昆虫，如虾蟹、昆虫等的外壳，动物的肝脏、肾脏和软骨组织等，主要包括糖原、甲壳素、肝素、硫酸软骨素、透明质酸、硫酸角质素，其中肝素、硫酸软骨素、透明质酸、硫酸角质素都属于糖胺聚糖，在体内常以共价键与蛋白质结合的状态存在，所以又被称为蛋白聚糖[6]。因动物多糖中有糖胺聚糖和壳聚糖具有抗氧化、抗炎、抗菌和抗紫外线等活性，多用于药物开发和生物医学领域[7-8]。

1.2.2 植物多糖

植物中的多糖通常占其干质量的80%～90%[9]，是机体重要的储能物质，同时具有一定的生物学功能：有效调节机体的免疫系统、降低血糖和血脂、抗氧化和抗肿瘤等[10]。常见的植物多糖主要有马铃薯和豆类的淀粉，棉花中的纤维素，甜菜渣、苹果渣和橘类果皮中的果胶质以及很多植物根、茎和种子中的果聚糖等，因其葡萄糖残基组成方式和构成形式不同，所以性质有明显的差异[11]。植物多糖来源广、提取成本低，具有可降解性、可持续性和对机体低毒性等特点，对人、动物、植物能产生积极的生理影响而逐渐被重视和研究[12]。

1.2.3 微生物多糖

与动物多糖、植物多糖相比，微生物多糖可通过发酵获得，生长周期短、生产成本低，安全无毒，理化性质优越，易于操作，季节和地域条件不会限制微生物的生长等，这是微生物多糖具有较强市场竞争力和广阔应用前景的重要原因[5]。微生物多糖根据分布情况可分为3种类型：胞壁、胞内和胞外多糖，其中胞壁多糖是位于细胞壁层的多糖，即依附于荚膜的多糖，亦可称为荚膜多糖；胞内多糖是位于原生质层或组成原生质膜的组分，而胞外多糖是指微生物利用营养物质合成并分泌于介质中的茹性多糖物质。在微生物的实际培养过程中，很难区分粘连在一起的胞壁多糖和胞外多糖，因此有人将二者统称为胞外多糖[13]。

2 多糖的生物活性及机理

2.1 促生作用

有研究表明，多糖可有效调节机体的免疫系统，促进生物体的生长。宁玉波[14]发现，经灵芝多糖溶液浸泡的番茄种子，其发芽率显著提高，还促进幼苗的生长，其中200 mg/mL溶液浸泡后发芽率比对照组的提高10.0%，幼苗株高和地上部分鲜质量分别较对照增加12.9%和33.3%。李磊等[15]研究指出，葛根多糖具有益生元特性，可以加快乳酸菌的增殖和产酸，当葛根多糖添加量为0.08%时，促生作用最佳。李鹏鹏[16]研究结果显示，不同浓度的香菇多糖对黄瓜种子发芽率、幼苗根长和芽长、植株鲜质量均表现显著的促进作用，与对照组相比，多糖浓度为250 mg/L时，幼苗根长和芽长分别增长了1.95 cm和0.83 cm；浓度为500 mg/L时，幼苗鲜质量变化最大，提高了78.52%。

2.2 植物抗性诱导性

有研究表明，天然功能性多糖能够刺激植物免疫系统反应，进而提高植物抗病性和调节植物的生长。孙斐[17]试验结果表明，牛蒡寡糖（BFO）能够激活葡萄对灰霉病、苹果对青霉病、香蕉对炭疽病、猕猴桃对灰霉病、桔子对青霉病的抗病性，同时BFO处理后水果内总酚和H2O2的含量发生显著变化，表明BFO通过激活水杨酸依赖的信号通路来诱导葡萄采摘后的抗病性。壳寡糖不仅能诱导柑橘果实内H2O2合成，延缓还原型抗坏血酸和还原型谷胱甘肽含量的下降，使果实对炭疽病抗性的提高从而降低果实的发病率[18]，也能作为一种诱导因子，增强黄瓜对黑星病的抗性，提高植物的免疫力[19]；同时，其还能诱导水稻植株体内具有清除自由基功能的多种酶活性提高，促使水稻提高对纹枯病的抗性[20]。王美玲[21]筛选了1株可诱导油菜产生系统抗病性的苏云金芽孢杆菌，其中诱导油菜产生对菌核病抗性的活性物质是胞外多糖。

2.3 抑菌作用

许多国内外科研人员就多糖的抑菌作用开展了广泛而深入的研究。赵成萍等[22]研究发现，灵芝多糖在试验作用12 h或24 h时，对枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌抑制效果可达到100%，且酸性环境和作用时间均能影响多糖抑菌活性，当pH值为5和作用时间为12 h或24 h时，灵芝多糖对金黄色葡萄球菌抑制效果均达到最大。白丹等[23]抑菌试验结果发现，灵芝粗多糖对胡萝卜欧氏菌、枯草芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌表现出较强的抑制作用，对指状青霉菌、大肠杆菌和黑曲霉的抑制作用相对较弱，对灰葡萄孢菌、黑根霉几乎没有抑制效果，这表明多糖具有选择性抑制不同菌种的特点。单宏英等[24]的室内测定结果显示，香菇多糖对7种常见植物病原真菌均有较好的抑制效果，其中1%香菇多糖对烟草灰霉病菌的抑制活性最强，抑菌圈直径达39.45 mm，并发现多糖会导致孢子畸形、顶端分支膨大变形，进而抑制病原菌菌丝生长和孢子萌发。范飞等[25]从大蒜内生真菌中筛选到1株白地霉菌株，其对大蒜无致病性，所产胞外粗多糖含量高，对大蒜白腐小核菌和西瓜壳二孢具有很好的抑制效果。

另外，多糖的结构及溶剂种类和浓度会影响到抑菌的效果。Zhang等[26]提取杏鲍菇多糖（PEPS）和嗜热链球菌胞外多糖（EPS）后进行硫酸化，并发现修饰多糖对大肠杆菌、李斯特菌和金黄色葡萄球菌具有更强的抑制活性。而Zhao等[27]报道党参脱硫多糖的抗菌活性远高于含硫多糖，其最小抑菌浓度（MIC）值分别为35 mg/mL和70 mg/mL。陈波等[28]发现用50%乙醇沉淀的小叶黄杨、烟叶和小叶女贞子提取液能抑制白粉病菌分生孢子萌发，还初步认为多糖是主要的抑菌活性物质。王萍等[29]报道，30%罗勒多糖显示了对藤黄微球菌、粪肠球菌、葡萄球菌等的抑菌作用均强于其他浓度的罗勒多糖，而50%罗勒多糖的抑菌活性又高于80%罗勒多糖。

2.4 抗氧化作用

已有众多研究表明，大部分多糖物质具有抗氧化活性，多糖溶液处理小麦、烟草和水稻等多种植物后，会诱导生物体内过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、多酚氧化酶（PPO）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）和超氧化物歧化酶（SOD）等防御酶活性的提高[30]。李落叶[31]指出，低聚糖可诱导小麦产生对白粉病、赤霉病和条锈病的抗性，且诱导抗病具有上行传导性，并发现低聚糖不是直接杀菌或抑菌，而是通过影响小麦叶片中POD、PPO、PAL、SOD和CAT等相关酶的活性变化，进而诱发植物的抗病潜能。王杰等[32]研究结果显示，海带多糖能够系统地诱导烟草体内PAL、POD和SOD活性，控制感染烟草花叶病毒（TMV）后烟草叶绿素含量的下降，抑制率可达42.42%。李鹏鹏等[33]研究发现，具有抗氧化活性的多糖还有香菇多糖、藜麦多糖、灵芝多糖、红豆多糖、地木耳多糖、木瓜多糖等。

2.5 其他生物活性

除了上述促生作用、抗性诱导、抗氧化、抑菌4个生物活性外，植物多糖还能通过激活免疫细胞来提高免疫能力，或者抑制肿瘤细胞的产生、诱导癌细胞凋亡等而起到直接或间接抗肿瘤作用[34-36]。Goldman等[37]研究表明，多糖成分能与巨噬细胞的受体结合，活化巨噬细胞并促使机体分泌活性因子，从而增强淋巴细胞的免疫活性。余建国等[38]研究指出，茯苓多糖可以提高雏鸡的淋巴细胞转化率和NK细胞杀伤活性，其中NK细胞具有直接杀死肿瘤细胞的活性，并释放白介素、干扰素等细胞因子，参与免疫杀伤和清除肿瘤细胞的作用。同时多糖具有抗病毒、抗衰老作用，有研究表明，香菇多糖能与病毒体外结合，使病毒粒子聚集、病毒蛋白合成受阻或不能复制，进而降低病毒对寄主的识别能力，从而达到抗病毒的效果[39]。枸杞多糖能清除小鼠皮肤中的丙二醛（MDA），并显著提高SOD活性，延缓皮肤的衰老程度[40]；另外，植物多糖有利于优化动物肠道微生物生态系统，促进动物生长和预防疾病的发生。牛华星等[41]研究指出，用含6%植物活性多糖的饲料饲喂小鼠，可使其盲肠内pH值显著降低，改善体内有益微生物的生存环境。

3 多糖在蔬菜上的应用

3.1 病害防治

从天然材料中提取和纯化所获得的多糖具有多样的生物活性，逐渐引起了人们的广泛关注，在农业应用中成为了研究热点，已有很多研究报道，多糖及其衍生产品可应用于蔬菜病害的防治方面。冯燕青等[42]研究指出，5%氨基寡糖素水剂在辣椒缓苗期每隔7 d、连续施用3次可对病毒病起到良好的防治效果，防效达60%。杨鑫等[43]报道，在马铃薯块茎形成期喷施香菇多糖800倍液，可增加植株主茎数，显著提高产量和块茎营养品质，并对疮痂病防治效果最佳，相对防效为79.98%。另外，多糖与其他防治药剂相结合，也可以提高其防治效果，降低了化学药剂施用量，避免了植物产生抗药性，减少了化学药剂污染环境。邱德文及其团队将氨基寡糖素与高活性蛋白相结合，制成世界上首个植物免疫蛋白生物农药——6%寡糖·链蛋白可湿性粉剂，其能促进番茄等蔬菜增产5%～10%，并对番茄黄化曲叶病毒病具有显著控制效果[44]。0.5%香菇多糖与碧护混合施用，能有效防治番茄病毒病，连续4次共35 d测定的相对防效依次为90.5%、88.5%、78.7%和68.4%，药效时间长，减少农药对番茄果实的污染，并且比80%盐酸吗啉胍＋碧护的效果更佳，可替代传统农药，作为现代无公害农产品、绿色农产品的理想药剂[45]。

通过中国农药信息网（http://www.chinapesticide.org.cn/）可查询到很多在农业应用上的相关多糖产品，截至2020年12月，已登记且在有效期限内、有效成分为单一糖类或其混合物的产品共165种，种类多样，包括氨基寡糖素、几丁聚糖、低聚糖素、葡聚烯糖和香菇多糖，并且多糖大都以混合形式制成植物诱抗剂、杀菌剂和杀虫剂来发挥效果，可用于番茄、黄瓜、马铃薯等蔬菜作物，以及其他作物的病害防治（表1）。

表1 中国农药登记有效成分为多糖的农药信息

3.2 生长调节及增产作用

多糖能调节植物的生长，有利于提高蔬菜产量。史媛艳等[46]研究表明，2%氨基寡糖素可以使低温寡照后的黄瓜尽快恢复正常生长，与没有处理的黄瓜相比，提前6 d进入正常生长，新长茎叶长势显著提高。王玮等[47]研究结果显示，喷施150 mg/L氨基多糖后，能显著提高大白菜母株的定植存活率和根系活力，同时与对照相比，大白菜的单株种子产量和种子千粒质量分别有效提高了31.82%和10.19%。陈亮等[48]研究发现，有效成分为3%氨基寡糖素AS与Dynamic F产品（有效成分为2%金龟子绿僵菌和3%枯草芽孢杆菌）混合施用于番茄，比单独施用增产效果更好，增产29.84%，并促进作物生长及根的发育。

3.3 贮藏保鲜

多糖可作为果蔬的涂漠剂及可食剂的包装材料。黄嘉欣[49]试验结果显示，0.10 g/mL北五味子、2.00%普鲁兰多糖混合，并以8.15∶1.00复配作为涂膜保鲜剂处理豇豆，保鲜效果最佳，贮藏12 d，与对照组相比，豇豆贮藏期间失重率、腐烂指数和呼吸强度显著降低，分别下降了44.18%、63.16%和65.41%。唐皖悦等[50]指出，在梨果发育期施用低聚糖素，与对照组相比，果实产量增加10%～20%，腐烂率降低6%，提高了果实品质和商品率，并且采摘果实后涂抹多糖，贮藏期间病害发生率平均降低50%、腐烂率降低9%，一定程度上避免了贮藏果实发生病害，增加果实货架期，延缓梨果衰老和腐烂。Giovanna等[51]发现，添加果胶的复合膜能减缓马铃薯、胡萝卜的质量损失，维持胡萝卜中酚类和胡萝卜素含量的稳定，并且果实硬度和咀嚼性基本不变。

4 展望

多糖具有多样的生物活性和功能效果，同时又是从天然材料中提取和纯化所获得，对动植物无毒害作用，易于吸收，无残留，不污染环境，再加上多糖来源丰富且多样，因此多糖显示了作为一类天然活性成分药剂而开发的巨大潜力和应用前景，相关研究也逐渐增多，成为当下的研究热点。

然而，多糖在开发和应用过程中还存在诸多问题，如研究较多的大都是植物多糖和真菌多糖，开发条件和多糖来源受到技术的限制而难以大量推广；高质量多糖的获取因植物种类和部位、采收时间、提取工艺等因素的不同而效果存在显著差异；多糖抗菌抑菌、抗癌症和抗氧化等机制尚不完全清晰；不同种类的多糖对不同的病原菌的抗菌效果不一，还受到温度、浓度、溶剂、分子量等多种因素影响效果的发挥；结构差异导致多糖的功能也有很大区别；因此，应尽快解决上述相关问题，深入开发以多糖为原料的应用技术，使其产业化并应用于新领域，给人类、动植物和环境带来新的福祉。