植物源性多糖提取及生物活性研究进展

王曼宇，刘乃新，张福顺

（1黑龙江大学生命科学学院/农业微生物技术教育部工程研究中心，哈尔滨 150080；2黑龙江大学生命科学学院，黑龙江省寒地生态修复与资源利用重点实验室，哈尔滨 150080；3黑龙江大学现代农业与生态环境学院，农业农村部甜菜品质监督检验测试中心，哈尔滨 150080）

0 引言

多糖又称多聚糖(polysaccharide)，是通过醛糖或酮糖脱水形成的糖苷键线性或分枝连接而成的，且普遍存在于植物，动物和微生物组织中，是能够维持生命活动正常运作的链状聚合物[1-3]，也是构成生物机体的基本物质之一。20世纪40年代，较早研究多糖主要被用作疫苗[4]。在日本很早就有关于多糖免疫生物学的研究[5]。20世纪60年代后，随着大量多糖的研究工作开展，多糖不仅具有重要的药物活性，而且有一些多糖还具有营养保健的作用。研究表明，多糖在临床治疗有巨大的应用潜能，如免疫调节[6]、抗氧化[7]、抗肿瘤[8]、抗疲劳[9]、抗炎症[10]及其他活性。多糖的提取方法多种多样，不同提取方法对多糖的得率和活性都有一定程度的影响，所以多糖提取工艺的优化和提取方法的探索一直是各界科学家致力研究的方向，一些提取方法使用的药剂对环境有一定的危害，这与当今社会追求的绿色环保的理念所冲突，环境友好型提取方法也是科研人的最高追求。

由于多糖自身结构的复杂性和多样性，关于提取方法对多糖得率和生物活性影响的相关文献较少，本研究在大量的文献基础上，归纳了一些植物多糖不同提取方法的优缺点，总结了不同提取方法多糖提取率的差异，分析了不同提取方法对其生物活性的影响。为指导多糖提取工作提供理论依据。

1 植物多糖的提取方法

1.1 水提法

由于多糖具有大量羟基的结构特点，与水反应容易形成氢键而溶出，所以植物多糖的传统提法为水提法。另外多糖不溶于醇类，反应一般加入乙醇会使多糖析出。其方法操作简单，成本低，无污染，在工业化生产中应用较多[11]，但耗时长，具有较低的产量，需要进行多次提取[12]。此外，高温下的长时间提取过程可能导致多糖理化性质的变化，导致多糖含量下降，降低其活性[13]。如唐森等[14]在进行白芨水溶性多糖提取研究中，利用响应面优化工艺，进行单因素交实验得水提法提取率为(4.27±0.05)%。根据水提方法的特点，提取温度、料液比、提取时间及提取次数都是影响多糖提取率的因素。实验多采用正交试验法或者响应面分析法确定上述几个因素的最佳比例。胡丽玲等[15]在提取香菇中多糖时，最优工艺的提取率达38.50%，最佳工艺组合为：料液比20:1；提取温度100℃；提取时间3.5 h。

1.2 酸提法

酸提法的主要萃取剂为适宜浓度的弱酸，如乙酸和盐酸，也可以加入三氟乙酸通入氮气[16]。Shakhmatov等[17]采用HCl溶液提取方法，从云杉树绿色植物中提取多糖，单糖分析显示其具有高含量的醛酸残基(45%)，水和HCl溶液的连续萃取导致阿拉伯半乳糖蛋白的含量减少。但是酸性条件下容易引起多糖糖苷键的断裂[18]，强酸或者提取时间过长都会降低多糖提取率，一般使用弱酸，而且废液对环境也有一定的污染。所以利用酸提取植物多糖的报道较少，通常是在研究其特定的理化性质的条件下才使用。如董洪新[19]用酸提阿魏侧耳多糖研究其对核糖核酸酶的抑制作用时，发现阿魏侧耳多糖对核糖核酸酶有抑制作用。Peasura等[20]利用硫酸作溶剂提取海藻体内的多糖，目的得到抗氧化性高的硫酸多糖。

1.3 碱提法

碱提法是利用弱碱性溶剂提取多糖的一种方法，一般用于一些细胞壁难降解，水提法效率低的植物[21]。在碱性条件下，可以显著增加纤维的溶胀作用和溶解性，另外还可以促进纤维之间酯键的断裂，进而游离形式的多糖更容易被提取出来，提高多糖的提取率。碱提法对溶液的pH要求较高，容易引入杂质，对其单糖结构和活性有一定影响[22]，碱溶液常用氢氧化钠或氢氧化钾，以防多糖降解。如俞明君等[23]对杏鲍菇碱溶性多糖的提取。王兰英等[24]利用多种方法提取花脸香蘑胞内多糖时，发现碱液提取法的多糖得率最高，达到了(21.10±0.13)%。但使用碱液后的废液较难处理，回收困难，比较浪费。由于多糖，蛋白质等大分子碳水化合物对物质的稳定性具有重要作用，所以Ye等[25]采用碱性分离法提取花生油加工残渣中的多糖及蛋白质复合物，研究其稳定性能。

1.4 酶提取法

在植物多糖的提取流程内，酶技术应用比较广泛，主要能于相对缓和的条件中分解组织，使内部多糖快速放出。酶提取是一种高效、温和高提取率的方法[26]，适用于多糖含量很低，或是溶剂影响大易发生结构变化的植物多糖的提取，一般常用纤维素酶。所以开发新酶具有广阔的前景。但是由于酶本身的性质，对外界环境要求高，容易失活，所以实验过程要注意，而且酶提法成本较高，不适合大量提取。Devshri等[27]研究发现，夏枯草多糖提取的最佳工艺为：胰蛋白酶1.0%，果胶酶2.0%，木瓜蛋白酶1.0%，温度在50℃，pH 6.0，提取时间90 min，多糖提取率最高，总多糖含量为46.93%。

1.5 超声辅助提取

植物中的有效成分大多被内部薄壁细胞或胞液保护，为提取增加了难度。而超声波具有较强的穿透力，短时间内即可破坏植物的组织细胞壁[28]，超声空化、机械效应和催化作用可加速多糖的释放和扩散，缩短多糖提取间，减小料液比[29-30]。影响因素包括温度、时间、料液比及超声波的功率等[31]。Chen等[32]采用响应面法对蜜环菌多糖的超声提取进行了优化，最佳条件下：超声功率915 W，温度69.27℃，时间39.13 min，粗多糖(AMPs)产率19.5%。郭慧静[33]在提取蒲公英多糖时研究发现，与传统的热水提取法进行对比，超声法既可节省时间，又能降低温度，同时多糖得率也相对较高，提取率为14.27%。但是由于超声波的强穿透力，对多糖的结构也有一定的影响，如Lin等[34]超声辅助提取对酸枣种子多糖时发现，与水提法相比超声辅助提取酸枣种子多糖在化学结构上表现出明显的差异，包括形态特征、旋光性、单糖组成、分子分布。而且Chen等[35]的研究也表明，超声辅助提取对金针菇多糖性质有一定的影响，如产量、蛋白质含量和醛酸含量均较高，但多酚含量较低，表面微观结构有所改变，三螺旋结构遭到破坏，低分子的比例增加。这些可能都是超声波功率过大造成的，在破碎细胞壁时对多糖结构也造成了破坏，所以对超声辅助提取多糖工艺有待优化。

1.6 微波辅助提取

微波提取法是利用溶剂从组织中提取多糖时在微波反应器中进行[26]。微波可以引起离子的分子运动和极点的旋转[36]。与传统的加热方法相比，微波热具有快速加热速率、同步精确电子控制和清洁加热，在具体应用中效率更高，更适合广泛推广和普及[37-38]。但是微波对水的穿透深度仅为2～3 cm，不适于工业化生产。微波法的主要问题是在加工的过程中局部会产生大量的热量，而对热敏感的植物，局部的高温不利于有效成分的提取[39]。Abdullah等[40]利用微波法提取废果仁多糖达到了理想的最佳条件：微波功率为515 W，pH 3.2，时间为3.1 min，料液比为1:15(g/mL)时提取多糖的最大得率为(4.71±0.02)%。Li等[41]微波辅助提取石斛多糖，提高了多糖的提取效率和提取率。

1.7 多种技术联合使用

单一技术对于提取多糖都有一定的弊端，相比水提法耗时久，提取率低，而多种技术的联合使用刚好可以避免这些不利因素。如超声辅助酶提取、微波辅助酶提取及微波超声联合提取等。Wu等[42]利用超声-酶提法提取南瓜多糖的工艺为：超声功率为440 W；提取温度为51.5℃；pH 5.0；液料比5.70 mL/g；提取时间为20 min。多糖产率为4.33±0.15%，这是由于酶分解了植物的细胞壁，是多糖更容易流出，大大缩短了提取时间，提高了工作效率。Abuduwaili等[43]用纤维素酶-超声波法提取的伊贝母多糖具有最高的提取率(20.65±0.78)%，包括碳水化合物(56.16±0.38)%和醛糖酸(28.34±0.23)%，具有较好的溶解度和持油能力。所以合理地选取技术联合，可提高工作效率。

2 植物多糖的活性研究

2.1 植物多糖抗氧化活性

许多研究表明，多糖具有很强的抗氧化活性，可以作为新型的、潜在的抗氧化剂[44]。研究发现，毛竹叶片水溶性多糖以剂量依赖性方式表现出相对较高的活性，当浓度为4.0 mg/mL时，具有最高的85.9% DPPH自由基清除率[45]。Wang[46]证明在所研究的浓度范围内，茯苓多糖浓度与清除羟基自由基活性之间呈正相关。Su等[47]研究的4种木耳多糖中APP对羟自由基的清除能力明显高于其他多糖。研究表明马黛茶对羟自由基清除活性的IC50值为3.36±0.31 mg/mL[48]。超氧自由基(·O2-)是最重要的剧毒自由基之一。该自由基是由大量的生物和光化学反应产生的[49]。Chen[12]证明了硫酸盐和磷酸的引入可以增强南瓜多糖的抗氧化活性，经过化学修饰后的苦瓜多糖，对(·O2-)的清除能力增强，这可能与多糖的水溶性和电负性有关。研究发现，当归多糖能提高血清中总超氧化物歧化酶(TSOD)、谷胱甘肽过氧还原酶(GR)的活性，降低使丙二醛(MDA)的含量[50]。Preethi和 Mary Saral评估了从杜氏豌豆果实中分离的3种多糖馏分（PDP-1，PDP-2和PDP-3）的磷钼还原活性(PMRA)时发现以10 mg/mL的3个馏分具有将钼(VI)定量还原为钼(V)(68%～75%)的巨大潜力[51]。

2.2 植物多糖抗肿瘤活性

许多多糖的体外的抗肿瘤实验已经证实多糖具有抗肿瘤的活性。而且相较于肿瘤临床治疗的化疗，植物多糖的毒副作用要小很多，如黄杨多糖，显示出比5-氟尿嘧啶更好的抗癌活性。植物多糖主要通过诱导细胞凋亡作用于恶性细胞，它们通过DNA损伤、细胞周期阻滞、线粒体膜破坏和一氧化氮的产生来杀死癌细胞，防止转移[52]。正如胡盼盼等[53]的研究，乳酸菌胞外多糖可通过影响凋亡相关蛋白的表达来促进Caco-2细胞凋亡。Kan等[54]从植物病原真菌孢子菌中成功分离纯化出了中性多糖WM-NP-60，发现该多糖以剂量依赖性的方式抑制HepG2和SGC7901细胞的增殖，具有抑瘤活性，可作为一种潜在的天然抗肿瘤药物。何俊平等[55]提取的板栗种仁多糖对人肝癌细胞HepG2的增殖具有显著的抑制作用。Niu等[56]提取的白芨多糖组分虽然对CT26结肠癌细胞的增殖率没有影响，但它通过刺激带瘤小鼠脾脏CD4+T细胞的增殖而显著抑制肿瘤移植瘤的生长。总而言之，白芨多糖是一种有效的免疫调节剂，可考虑用于抗肿瘤治疗。

2.3 植物多糖抗疲劳活性

研究常用游泳参数、生化指标[血乳酸(BLA)、乳酸脱氢酶(LDH)、肝糖原(LG)和血尿素氮(BUN)]等指标来评价抗疲劳活性[57]。运动耐力是反映机体抗疲劳能力的一个直接指标。Tan等[58]利用小鼠游泳至疲惫的时间长短表明疲劳程度，中剂量组和大剂量组熟地黄多糖的疲惫游泳时间比例分别明显增加31.48%(P＜0.05)和61.51%(P＜0.01)。乳酸会伤害某些器官并产生疲劳[59]。Zhu等[60]研究发现螺旋藻多糖的抗疲劳机制可能与血红蛋白水平的升高有关，而且200 mg/kg的螺旋藻多糖剂量下降低血液中的乳酸，肌酐激酶和尿素氮水平效果最明显。刘兴龙等[61]在研究黑参多糖抗疲劳机制中发现，黑参多糖显著提高肝脏中超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶活力和肝糖原含量(P＜0.05)，以此发挥抗疲劳的作用。

2.4 植物多糖免疫活性

免疫调节活性研究表明，多糖通过宿主免疫系统间接发挥各种生物活性，而不是直接发挥细胞毒性作用，是通过刺激因子激活适应性免疫系统来改善宿主免疫功能的一种行动。Sun等[62]研究发酵与未发酵的玉屏风多糖时发现，两种玉屏风多糖均能改善肠道菌群平衡，并保持了肠屏障的完整性和功能性。提取的白术根茎多糖有增加动物机体免疫器官胸腺重量的作用[63]。李荣乔等[64]研究表明，槐花多糖能显著提高抑制小鼠的脾淋巴细胞的增殖的能力。任琦琦等[65]研究发现干酪乳杆菌胞外多糖能够促进BALB/c小鼠骨髓来源树突细胞的成熟，诱导骨髓来源树突细胞分泌与辅助性T17细胞分化和增殖相关的细胞因子IL-6、TGF-β和IL-23，并且可以增强骨髓来源树突细胞的抗原提呈能力。李婉雁等[66]研究白术多糖对雏鸡脾脏淋巴细胞免疫功能的影响时发现，白术多糖可活化TLR4/NF-κB信号通路，促进相关基因表达，最终使NF-KB进入细胞核调控细胞因子的转录水平，进而调控雏鸡脾脏淋巴细胞免疫功能。Li等[67]研究发现经γ射线照射的黄芪多糖处理均提高了注射环磷酰胺的十二指肠产生IgA的细胞数量以及白细胞介素-2(IL-2)，白细胞介素-10(IL-10)和干扰素γ的空肠mRNA表达。

2.5 植物多糖其他活性

植物多糖的生物活性很多，除上述功能外，还有许多其他如抗过敏、抗糖尿病、抑制肥胖、抑制腺体增生、降血脂、利尿等活性功能[68-71]。如研究表明[72]，在糖尿病前期长期口服低剂量酵母β-葡聚糖可抑制胰岛素样炎，并显著延迟非肥胖糖尿病(NOD)小鼠中T1D的出现。Sun[10]从食用绿藻草中提取了4种纯化多糖(CLGP1、CLGP2、CLGP3和CLGP4)，研究发现CLGP4对LPS诱导的HT29细胞具有更有效的抑制作用。Zhou[73]获得的酸性芦苇多糖可以保护RAW246.7巨噬细胞免受脂多糖(LPS)诱导的细胞毒性作用。

3 不同提取方法对多糖的提取率及活性的影响

植物的种类众多，不同种类植物提取的多糖不管在提取率上，还是结构功能上都存在着巨大差异[74-75]。尽管是同一种植物，不同的提取方法，多糖的种类和功能也不尽相同[76-77]。Wu[78]用不同方法提取连翘多糖时，发现其多糖的产率、平均分子量、醛酸含量、单糖比例和抗氧化活性都有差异。

3.1 不同提取方法对多糖提取率的影响

同种的植物，不同提取方法或不同提取工艺，多糖的提取率都有差别。如下表1所示。由表可知，同样的方法并不适用于所有的植物，不同植物的结构、属性、物质组分都有所差别，所以，不同植物多糖的提取需要研究优化具体的提取方法。不同提取方法多糖的提取率如下表1所示。

表1 不同提取方法多糖的提取率

3.2 不同提取方法对生物活性的影响

不同方法提取的多糖在生物活性上有所差异，主要由于不同的提取方法所得多糖的结构和单糖组分有所不同。徐丛玥等[95]研究发现，多糖的抗氧化活性与粗多糖的提取方法有关。高晗[96]在做水提和碱提黄秋葵多糖研究发现，相比较于水提多糖，碱提多糖对肠道菌群影响更显著，更能促进肠道健康，相较于水提多糖可能碱提多糖黏度较小、组成结构较简单，在肠道中能得到有效降解。刘佳乐等[97]利用热水浸提法、超声冰浴提取法以及酶解提取法提取的枣多糖，均对RAW264.7巨噬细胞有一定的毒性，但热水浸提法提取的多糖免疫活性最强。Chen等[98]研究发现，在体外降血糖活性和抗氧化活性实验表明，用碱性溶液提取生姜多糖的生物学能力高于用其他方法提取的多糖，这可能与它们有关的醛酸含量有关。Xia等[99]从香柏中分离出水溶性酸性多糖XB-PS3。分子量为86.04 kDa，表现出明显的反补偿活性。此外，甲基化的XB-PS3-R活性弱于XB-PS3-2，表明半乳糖醛酸比阿拉伯糖的分支起着更重要的作用。不同提取方法对生物活性的影响如下表2所示。

表2 不同提取方法对生物活性的影响

4 展望

植物多糖作为一种毒副作用小、来源广和成本低廉的天然活性物质具有其独特的优势。研究表明[73]，许多天然化合物具有新颖的化学结构和独特的生物活性治疗炎症性疾病。不光在医药领域可以作为一种抗肿瘤和抗氧化的药物，在食品保健方面还可以提高自身免疫力，延缓衰老，所以多糖作为营养保健品开发利用前景广阔。目前，对于植物多糖研究领域依然存有一些问题有待解决。

（1）较蛋白质和核酸这两个领域的探索和发展，对植物多糖研究的层次与水平就显得不够成熟，这主要是由于多糖本身在质量标准、表征鉴定等方面存在自身的研究难度和特殊性，这些问题有待解决。

（2）多糖结构与功能的关系、体内代谢过程和作用机制还未阐明，还需要进一步的研究来阐明所涉及的结构特征、结构-功能关系和生物活性。

（3）在提取的过程中，不同的提取工艺对多糖的结构、组成和生理活性等方面都有不同的影响，因此优化植物多糖的提取方法还有待进一步研究。在植物多糖的提取方法中，微波法和超声波法属于新型的提取技术，比传统的提取技术得率高，是以后提取技术应该发展的方向。

（4）多糖还具有一定的吸附性，那么多糖能否作为一种新的资源应用于环境治理领域，这一领域有待进一步探索。这也侧面说明，多糖的产业化生产和多领域应用具有很大的发展空间。