6种活性多糖的结构、性质及其抗氧化活性的比较研究

王帅，赵冬雪，韩成凤，王晓丽，李健，张乐乐，陈旎，韩培培

（省部共建食品营养与安全国家重点实验室，天津科技大学生物工程学院，天津 300457）

多糖是由多个单糖分子失水缩合后，经过特定糖苷键依照一定顺序连接而成的线性或分支的聚合物，是一类分子结构复杂的生物大分子[1]。通常将可以调节人体生理功能的特异性多糖称为活性多糖，通常具有抗氧化、抗辐射、免疫调节和抗肿瘤等多种生物活性[2-3]。活性多糖广泛存在于植物和大型真菌中。真菌多糖具有消耗资源量相对较小的特点，在国际上具有很大的影响力。另外，我国藻类植物的资源十分丰富，利用藻类多糖可生产出许多高价值的产品。为研究多糖的结构和性质对其抗氧化活性的影响，本文选取了4种藻类和2种真菌进行了研究，分别为地木耳（Nostoc commune）、葛仙米（Nostoc Sphaeroids）、发菜（Nostoc flagelliforme）、螺旋藻（Spirulina）、香菇（Lentinus edodes）和茯苓（Poria cocos），并对其进行了多糖的提取纯化。

地木耳、葛仙米、发菜3种植物同属蓝藻门（Cyanophyta），念珠藻科（Nostocaceae），念珠藻属（Nostoc Vanch）。螺旋藻属于蓝藻门（Cyanophyta），蓝藻纲（Cyanophyceae），颤藻科（Oscillatoriaceae），螺旋藻属（Spirulina）。香菇又称香覃、花菇、椎耳、冬蒸、香信、厚菇，属于担子菌纲（Basidaiomycetes），伞菌目（Agaricales），口蘑科（Tricholomatacete），香菇属（Lentinus）。茯苓分为菌丝体和菌核两大类，它和香菇多糖同属于担子菌纲（Basidiomycetes）。它是非褶菌目（Aphyllophorales），多孔菌科（Polyporaceae）的一种真菌。研究发现，地木耳多糖具有一定的体外抗氧化活性[4]。葛仙米多糖对超氧阴离子自由基和羟基自由基具有很强的清除作用，且呈量效关系[5]。发菜多糖具有抗氧化、抗肿瘤以及提高免疫等生物功能，有相当可观的药用价值。在鱼汉堡中添加螺旋藻多糖可以改善其营养成分组成[6]。香菇多糖在提高免疫力、抗肿瘤、抗病毒、抗肝炎、抗氧化方面均具有很好的药理作用[7]。茯苓多糖具有抗氧化、抗凝血、抗病毒、降血压、降血脂等多重药理作用。

本研究选用4种藻类多糖（发菜多糖、地木耳多糖、葛仙米多糖和螺旋藻多糖）和2种真菌多糖（香菇多糖和茯苓多糖）作为研究对象，通过对比分析研究多糖的黏度、分子量、单糖组成等结构、性质对其抗氧化活性的影响，为多糖抗氧化活性的目的性筛选提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 材料

发菜细胞（TCCC11757）：天津科技大学生化工程研究室；螺旋藻多糖：江西新大泽螺旋藻实业公司。葛仙米多糖、地木耳多糖：宁夏香草生物技术有限公司；香菇多糖、茯苓多糖：上海源叶生物科技有限公司。

1.1.2 试剂

浓硫酸、氢氧化钠、刚果红、甲醇、正丁醇、氯仿、无水乙醇、氯化钠、重蒸酚（均为分析纯）：天津市北方天医化学试剂厂；氘标记琥珀酸、吡啶、甲氧基铵盐酸盐（均为色谱纯）：日本富士通有限公司；DEAE-650M、葡聚糖凝胶G-100树脂、AB-8大孔吸附树脂：日本TOSOH公司；T系列多糖标准品：北京索莱宝科技有限公司。

1.2 仪器与设备

Size 75乌氏粘度计：美国Cannon Instrument公司。UV-mini1246紫外可见分光光度计：日本岛津公司；Infinite M200 Pro多功能酶标仪：瑞士Tecan公司；F-7000荧光分光光度计：日本日立公司；1200高效液相色谱仪：德国安捷伦公司；7000B气质联用仪：美国安捷伦公司；IS50傅立叶红外光谱仪：美国尼高利公司；SU1510扫描电子显微镜：日本电子公司。

1.3 试验方法

1.3.1 多糖提取测定与纯化

1）提取：采用水提醇沉法[8]进行提取。2）含量测定：采用苯酚-硫酸法测定[9]。3）分离纯化：采用Sevage法脱蛋白；AB-8大孔吸附树脂脱色；DEAE-650M离子交换柱层析纯化，葡聚糖凝胶G-100柱层析纯化[10]。

1.3.2 多糖的分子量测定

采用高效凝胶渗透色谱法（high performance gel permeation chromatography，HPGPC）检测。

1.3.2.1 标准曲线的制作

将己知分子量的T系列多糖标准品，分别用流动相配制成1 mg/mL的溶液，进样量20 μL，记录各自保留时间，用Excel软件对葡聚糖相对分子质量的对数lgMw（y）对保留时间tR（x）作图，绘制标准曲线。标准曲线为 y=-0.269 1x+8.822 1，R2=0.999。

1.3.2.2 样品的测定

称取多糖样品，用流动相溶解配成浓度为1 mg/mL的溶液，离心取上清液，进样量为20 μL，记录多糖出峰时间，对照标准曲线，根据回归方程计算多糖样品的分子量。

1.3.2.3 色谱条件

采用TSK-GEL G4000 PW XL凝胶柱（7.8 mm×30.0 cm），检测器为RI-101示差折光检测器，流动相为超纯水，流速设定为0.5 mL/min，柱温设定为35℃，进样量为 20 μL。

1.3.3 特性黏度测定

特性黏度采用乌式粘度计[11]测定。

1.3.4 单糖组成的测定

单糖组成参考文献[12-13]的方法。

1.3.5 电镜扫描

取少量多糖样品固定到导电胶上，对其进行喷金处理，最后进行扫描观察。

1.3.6 三股螺旋结构的测定

采用刚果红实验[14]法测定三股螺旋结构。

1.3.7 红外光谱分析

称取干燥的多糖样品1mg，与适量（100mg～200mg）干燥的溴化钾粉末在玛瑙研钵中快速且轻轻地研磨直至均匀，利用压片机将其制成均匀透明的薄片，然后用IS50型傅立叶红外光谱仪在4 000 cm-1～400 cm-1区间扫描。

1.3.8 多糖抗氧化活性的测定

DPPH自由基清除能力测定：参考Fan等[15]的方法。

ABTS+自由基清除能力、还原能力测定：参考Shimada[16]等的方法。

1.4 数据分析

利用SICMA-P对数据进行多元统计分析，其中差异权重贡献值（variable importance plot，VIP）图阈值＞0.5，寻找显著影响多糖生物活性的相关因素。

2 结果与讨论

2.1 多糖的分离纯化

采用水提醇沉法提取多糖、Sevage法脱蛋白、AB-8大孔吸附树脂脱色、DEAE-650M离子交换柱和葡聚糖凝胶G-100柱层析法对发菜多糖、地木耳多糖、葛仙米多糖、螺旋藻多糖进行分离纯化。粗多糖的洗脱曲线见图1。

图1 4种粗多糖的DEAE-650M离子交换柱层析洗脱曲线Fig.1 DEAE-650M ion exchange column chromatography elution curve of four crude polysaccharides

由图1可知，地木耳多糖、发菜多糖、葛仙米多糖以中性多糖为主，螺旋藻多糖以酸性多糖为主，分别收集洗脱峰较大的组分。采用凝胶柱层析进一步将上述初步纯化的多糖进行分离，其洗脱曲线如图2所示。

图2 多糖葡聚糖凝胶G-100柱层析洗脱曲线Fig.2 Elution curve of polysaccharides on Sephadex G-100 chromatography column

由图2可知，6种多糖样品经纯化后均得到一种单一组分，收集相应组分，浓缩之后进行透析，最后真空冷冻干燥。将获得的发菜多糖、地木耳多糖、葛仙米多糖、螺旋藻多糖-1、螺旋藻多糖-2、螺旋藻多糖-3分别命名为 FC、DZT、GZT、LXZ-1、LXZ-2、LXZ-3。采用透析法对高纯度的香菇多糖和茯苓多糖进行简单纯化，各得到1种纯化多糖，将香菇多糖和茯苓多糖分别命名为XG和FL。

2.2 多糖结构与性质

2.2.1 多糖分子量

在多糖结构和活性的研究中，多糖的分子量大小非常重要。利用HPGPC法测定8种纯化多糖的分子量，结果如表1所示。

表1 8种纯化多糖分子量Table 1 Molecular weight of eight kinds of purified polysaccharides

由表1可知，8种多糖中DZT的分子量最大，XG的分子量最小。

2.2.2 特性黏度

8 种多糖 FC、XG、FL、GZT、DZT、LXZ-1、LXZ-2、LXZ-3在水溶液中的特性黏度见图3。

图3 8种纯化多糖溶液的特性黏度Fig.3 The intrinsic viscosity of eight kinds of purified polysaccharides

由图 3 可知，8 种多糖 FC、XG、FL、GZT、DZT、LXZ-1、LXZ-2、LXZ-3在水溶液中的特性黏度分别为20.42、7.00、7.94、36.60、48.53、19.41、12.00、16.98 dL/g。DZT、GZT、FC这3种纯化多糖在水溶液中的特性黏度明显高于其他5种多糖。结合多糖的分子量测定结果，8种多糖中DZT的分子量和特性黏度最大，XG最小，且LXZ-1、LXZ-3、LXZ-2这3种多糖的特性黏度和分子量都越来越小。有研究发现，多糖溶液特性黏度与分子量大小有关[17]，由特性黏度和分子量的结果也表明，多糖的特性黏度随分子量的增大而增大。

2.2.3 单糖组成

采用气相色谱质谱联用仪（Gas Chromatographic Mass Spectrometer，GC-MS）对8种纯化多糖的单糖组成摩尔百分比的分析结果见表2。

表2 8种纯化多糖的单糖组成摩尔百分比Table 2 The mole percent of monosaccharide composition of eight kinds of purified polysaccharides %

由表2可知，FC由木糖、核糖、半乳糖、葡萄糖和葡萄糖醛酸5种单糖组成，各单糖的摩尔比是0.78∶0.28∶1.00∶2.44∶0.35；XG 由木糖、鼠李糖、甘露糖、半乳糖、葡萄糖、葡萄糖醛酸6种单糖组成，各单糖的摩尔比是 0.57∶1.09∶0.55∶0.82∶1.00∶66.08；FL 由半乳糖、葡萄糖、葡萄糖醛酸3种单糖组成，各单糖的摩尔比是1.00∶244.02∶0.85；GZT 由木糖、甘露糖、半乳糖、葡萄糖4 种单糖组成，各单糖的摩尔比是 2.22∶1.06∶1.00∶0.74；DZT由木糖、鼠李糖、果糖、岩藻糖、甘露糖、半乳糖、葡萄糖和葡萄糖醛酸8种单糖组成，各单糖的摩尔比是0.73∶0.27∶0.29∶0.18∶0.40∶1.00∶5.13∶1.04；LXZ-1、LXZ-2、LXZ-3的单糖组成比较相近，均由木糖、阿拉伯糖、核糖、鼠李糖、果糖、岩藻糖、甘露糖、半乳糖、葡萄糖和葡萄糖醛酸这10种单糖构成，但其单糖比例不同，LXZ-1中上述10种单糖的单糖摩尔比是0.14∶0.01∶0.01∶0.02∶0.04∶0.01∶0.01∶1.00∶0.27∶0.01，LXZ-2 中上述 10 种单糖的单糖摩尔比是 0.14∶0.01∶0.01∶0.02∶0.05∶0.01∶0.01∶1.00∶0.27∶0.01，LXZ-3 中上述 10 种单糖的单糖摩尔比是 0.04∶0.01∶0.01∶0.03∶0.02∶0.01∶0.01∶1.00∶0.11∶0.01。此外，FC、XG、FL、GZT、DZT、LXZ-1、LXZ-2 和 LXZ-3 的单糖组成中都有半乳糖和葡萄糖，半乳糖和葡萄糖摩尔比分别是 1.00∶2.44、1.00∶66.08、1.00∶244.02、1.00∶0.74、1.00∶5.13、1.00∶0.27、1.00∶0.27、1.00∶0.11。

2.2.4 扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察

8种多糖的扫描电子显微镜观察结果见图4。

图4 多糖的扫描电子显微镜观察图Fig.4 SEM observation of polysaccharides

由图4可知，观察8种纯化多糖的电镜图发现，FC的表面是不规则的小球状结构，直观地说明了发菜多糖为无定形结构；XG、FL、GZT、LXZ-1、LXZ-3 都是表面具有孔状的疏松片状结构，LXZ-2是有规则性小球状和块状的结构，DZT是表面褶皱的片状结构。这些差异可能与其理化性质、分子量及结构有关。

2.2.5 红外光谱分析

8种多糖的红外光谱图见图5。

图5 多糖的红外光谱图Fig.5 IR spectra of polysaccharides

由图5可知，8种多糖存在相近的多糖特征峰。8种多糖样品在3 420 cm-1附近均具有强且宽的特征吸收峰，表明多糖存在分子间和分子内氢键，这个吸收峰是由糖类-OH官能团的伸缩振动引起的[18]；在2 927 cm-1、2 854 cm-1处的吸收峰是糖类物质的特征吸收峰，表明多糖存在C-H伸缩振动；1 650 cm-1附近的吸收峰是C=O的伸缩振动；1 035 cm-1是葡萄糖的特征吸收峰，说明多糖含有葡萄糖，这与多糖的单糖组成结果相符合。FC、XG、FL、GZT、DZT、LXZ-1、LXZ-2和LXZ-3这8种纯多糖均有上述区域的特征吸收峰。GZT、DZT在1 730 cm-1附近的吸收峰是羧基（COO-）的伸缩振动特征峰。XG、FL、FC和GZT在1 153 cm-1附近的吸收峰是环上碳-氧（C-O）吸收峰。XG、FL、FC在865 cm-1附近的特征吸收峰，是由β-D-吡喃糖C-H的变角振动所引起的，这说明这3种多糖中均含有β-D-吡喃葡萄糖环，分子以β-糖苷键连接为主[19]。

2.2.6 三股螺旋结构的测定

8种纯化多糖与刚果红形成的络合物的最大吸收波长随NaOH溶液浓度的变化如图6所示。

图6 不同NaOH浓度时刚果红试剂与8种纯化多糖最大吸收波长变化情况Fig.6 Changes in maximum absorption wavelength of mixture of Congo red and eight kinds of purified polysaccharides at different concentration of NaOH

由图6可知，随着NaOH浓度增大，LXZ-1与刚果红形成的络合物的最大吸收波长没有明显变化。DZT、GZT、XG与刚果红形成的络合物均发生一定程度的红移，当NaOH浓度为0.3 mol/L时最大吸收波长最大，随浓度的继续增加吸收呈现下降趋势。而FL、FC、LXZ-2、LXZ-3随NaOH浓度的增加吸收发生急剧下降，说明DZT、GZT、LXZ-1、XG这4种纯化多糖在水溶液中不具有三股螺旋结构构象，推测这些多糖中的糖苷键具有很高的柔顺性，从而使得多糖分子整体不具刚性，导致它们不能形成螺旋结构和多股螺旋链构象，在水溶液中呈无规线团链构象。FC、LXZ-2、LXZ-3、FL这4种纯化多糖具有三股螺旋结构构象，说明其有很高的刚性，在水溶液里有较规则有序的构象。

2.2.7 多糖抗氧化能力的测定

8种多糖的DPPH自由基清除率、ABTS+自由基清除率和还原能力测定结果见图7。

图7 8种多糖抗氧化能力测定Fig.7 Determination of the antioxidant capacity of eight kinds of purified polysaccharides

由图 7（a）可知，当样品浓度为 5 mg/mL 时，FC、XG、FL、GZT、DZT、LXZ-1、LXZ-2 和 LXZ-3 多 糖对DPPH自由基清除率分别为42.66%、97.06%、23.10%、29.95%、46.54%、20.26%、31.63%、21.06%。由图 7（b）可知，在多糖的浓度是 2.5 mg/mL 时，FC、XG、FL、GZT、DZT、LXZ-1、LXZ-2 和 LXZ-3 多糖对 ABTS+自由基清除率分别为26.03%、99.53%、17.05%、49.59%、51.69%、16.43%、31.26%、35.18%；在 0.5 mg/mL～2.5 mg/mL范围内，随着浓度的增加，XG对ABTS+自由基的清除率逐渐增强，且其对ABTS+自由基清除能力逐渐接近VC，其余7种多糖对ABTS+自由基的清除率明显低于XG。由图 7（c）可以看出，FC、XG、FL、GZT、DZT、LXZ-1、LXZ-2和LXZ-3多糖均具有一定的还原能力。相比VC来说，8种纯化多糖的还原力明显低于同浓度VC的还原力。8种多糖中，香菇多糖对DPPH自由基清除率、ABTS+自由基清除率和还原能力明显高于其他7种多糖。

2.3 多糖构效关系分析

采用偏最小二乘回归（partial least-squares regression，PLS）模型对8种纯化多糖的理化性质、结构特征与多糖生物活性之间的构效关系进行统计学分析。其中分子量、特性黏度、多糖的单糖组成（葡萄糖、阿拉伯糖、核糖、鼠李糖、半乳糖、岩藻糖、甘露糖、葡萄糖醛酸、木糖）为X矩阵，多糖对DPPH和ABTS+自由基的清除率和多糖的还原力为Y矩阵，结果如图8所示。

图8 发菜多糖抗氧化活性的PLS分析Fig.8 PLS of antioxidant activity of polysaccharides

多糖构效关系的PLS模型拟合性与预测性较好（R2Xcum=0.935，R2Ycum=0.852，Q2cum=0.842）。图 8（a）为8种多糖组分构效关系的PLS得分图，第一主成分的累计贡献率在95%以上。图8（b）为8种多糖组分构效关系的PLS载荷图，从载荷图可以看出，葡萄糖醛酸这个点距离原点最远，结果表明对多糖抗氧化活性贡献最大的单糖为葡萄糖醛酸。图8（c）为PLS模型下的VIP分析。通过VIP结果分析可以看出，VIP＞0.5的变量由大到小依次为葡萄糖醛酸、半乳糖、葡萄糖和分子量。说明对多糖体外抗氧化生物活性影响较大的结构特征为：单糖组成（葡萄糖醛酸、半乳糖和葡萄糖）和分子量。已有研究报道，分子量高的多糖，生物活性往往较高[20]。酸性多糖中糖醛酸含量与抗氧化活性呈正相关，糖醛酸含量越高，抗氧化活性越强[21]，这与本试验结果相吻合。

3 结论

本研究通过对发菜、地木耳、葛仙米、螺旋藻、香菇和茯苓进行多糖的提取和分离纯化，得到8种纯化多糖。通过测定其特性黏度和分子量，结果表明，多糖溶液的特性黏度与分子量大小有关。采用GC-MS对8种纯化多糖的单糖组成进行了分析，结果表明，8种多糖都含有半乳糖和葡萄糖。由红外光谱分析可知，香菇多糖、茯苓多糖、发菜多糖分子以β-糖苷键连接为主。刚果红试验结果显示，地木耳多糖、葛仙米多糖、螺旋藻-1多糖、香菇多糖这4种纯化多糖在水溶液中不具有三股螺旋结构构象，发菜多糖、螺旋藻-2多糖、螺旋藻-3多糖、茯苓多糖这4种纯化多糖具有三股螺旋结构构象。体外抗氧化能力结果表明，在试验浓度范围内，发菜多糖、香菇多糖、茯苓多糖、葛仙米多糖、地木耳多糖、螺旋藻多糖-1、螺旋藻多糖-2、螺旋藻多糖-3对DPPH自由基的清除率最高分别可达到42.66%、97.06%、48.27%、29.95%、46.54%、21.43%、31.63%和52.75%，对ABTS+自由基清除率最高分别为26.03%、99.53%、17.05%、49.59%、51.69%、16.43%、31.26%、35.18%。其中香菇多糖对DPPH自由基的清除作用、ABTS+自由基的清除能力和还原能力最强。PLS模型对8种纯化多糖的理化性质、结构特征与多糖生物活性之间的构效关系进行统计学分析，结果表明，单糖组成（葡萄糖醛酸、半乳糖和葡萄糖）和分子量对多糖体外抗氧化生物活性影响较大。本研究为藻类多糖和真菌多糖的具体结构和抗氧化活性的进一步研究和开发利用提供参考依据。