酸浆属植物多糖化学与生物活性研究进展

杨成鹏，张国壮，屈熙晨，冯宇涵，李莉娅

（东北大学生命科学与健康学院，辽宁沈阳110169）

植物多糖是一种由10个以上单糖通过糖苷键连接而成的大分子碳水化合物，具有免疫调节、抗肿瘤、抗衰老、抗病毒、降血糖、降血脂等作用。近年来，植物多糖的结构及其生物学功能成为食品及生物医药领域研究的热点[1-2]。酸浆属（Physalis）为茄科（Solanaceae）一年或多年生草本植物，主要分布在温带以及美洲热带地区[3]。国内酸浆属植物包括酸浆（P.alkekengi）、苦蘵（P.angulata）、小酸浆（P.minima）、灯笼果（P.peruxiana）和毛酸浆（P.pubescens）在内的5个物种以及2 个变种锦 灯笼 P.alkekengi var.franchetii（Mast.）Makino和毛苦蘵P.angulata var.illosa Bonati[4]。酸浆属植物果实富含绝大多数人体必需维生素以及微量元素，具有良好的营养价值。同时研究发现该属植物具有抗菌、抗肿瘤、抗炎、降血糖等多种活性[5]。植物化学研究结果表明，该属植物含有醉茄内酯类、黄酮类、苯丙素类、多糖类等成分[3]。目前，国内外对酸浆属植物的化学及生物活性研究主要集中于其醉茄内酯类成分。然而随着植物多糖药理活性研究的不断深入，酸浆属植物多糖的结构以及其生物活性引起了越来越多科研人员的关注[6-7]。本文对已有的酸浆属植物多糖化学与生物活性研究结果进行梳理，旨在为该属植物尤其是其多糖类成分的进一步开发利用提供参考和借鉴。

1 酸浆属植物多糖化学研究进展

1.1 酸浆属植物多糖提取工艺

植物多糖常用提取方法主要包括热水浸提法、酸碱提取法、酶提取法、超声波辅助法和微波辅助法等[8]。目前已对酸浆属植物不同部位包括果实、宿萼、根茎以及籽中多糖类成分的提取工艺进行了探索。绝大多数研究采用热水浸提法，通过L9（34）正交试验以及响应面法进行提取方法优化，发现料液比、提取时间和提取温度为多糖提取率的主要影响因素[9-11]。而在热水提取果实或宿萼多糖之前，通过石油醚、乙醚以及乙醇回流脱脂可减少低级性小分子物质对多糖提取及品质的影响，被大量研究所采用[10，12-17]。与传统热水浸提法相比，酶解法提取植物多糖特异性强、效率高。但由于酶本身的特异性以及对pH值、温度等较为敏感，所以需严格筛选酶的种类以及酶解法的工艺参数[8]。葛玉等[13]通过比较碱性蛋白酶、木瓜蛋白酶、中性蛋白酶以及果胶蛋白酶对锦灯笼果实多糖提取率的影响，发现木瓜蛋白酶辅助提取率最高，多糖提取率是热水浸提法的近4倍，且提取时间也从6 h缩短至2 h。超声和微波辅助提取作为两种物理辅助提取方法，在提高多糖提取率、缩短提取时间方面优势明显。研究发现，在相同物料比的情况下，利用超声300 W、提取25 min对酸浆宿萼多糖的提取率高于热水浸提法6h的提取率[14]，而微波辅助法提取毛酸浆果实多糖，仅需微波加热时间120 s，后90℃浸提30 min，即可达到与热水浸提相同的多糖提取率[10，18]。近年来不断有研究利用多种复合手段提取酸浆属植物多糖，如利用超声波联合纤维素酶法或超声波协同复合酶法提取锦灯笼果实和宿萼多糖[19-20]。除此之外，也有研究通过酸水专属性提取该属植物毛酸浆果实或P.ixocarpa Brot.果渣中的果胶[21-22]；或采用复合酶酶解50 min后，再利用微波辅助法提取锦灯笼果皮果胶[23]。有研究表明，酸的类别可影响果胶的物理性质。利用0.1 mol/L HCl从P.ixocarpa Brot.提取的果胶弹性及强度优于1%柠檬酸提取法[24]。

经以上方法提取的植物粗多糖需通过脱蛋白和脱色处理以提高其品质。目前已报道的酸浆属植物多糖脱蛋白常采用Sevag法或酶-Sevag法；而脱色方法包括大孔树脂法、活性炭法、有机溶剂洗涤法以及H2O2法。与单纯的Sevag法相比，利用木瓜蛋白酶对酸浆果实进行酶解后，再进行Sevag法除蛋白，可达到更高的蛋白去除率以及理想的粗多糖保留率[25]；葛玉等[13]研究发现利用大孔吸附树脂LSA-8脱色的同时还能去除蛋白质。徐丹鸿等[26]利用活性炭对酸浆果多糖脱色，最佳脱色条件为脱色温度60℃、pH 4.0、活性炭添加量1.5%、脱色时间30 min，多糖脱色率为87.26%，保留率为84.03%；此外也有研究利用H2O2法除去酸浆果多糖的色素[9，27]；或利用乙醇、乙醚、丙酮洗涤以达到除色素目的[12，28]。该属植物多糖类成分提取、脱蛋白及脱色方法的研究见表1。

表1 酸浆属植物多糖提取工艺Table 1 Extraction method of polysaccharides from Physalis genus

续表1 酸浆属植物多糖提取工艺Continue table 1 Extraction method of polysaccharides from Physalis genus

1.2 酸浆属植物多糖的结构表征

多糖生物活性与分子量大小、单糖组成、糖苷键类型以及空间结构等密切相关[31]。目前主要采用高效凝胶渗透色谱法（high-performance gel permeation chromatography，HPGPC），通过与不同分子量的标准葡聚糖比较，确定多糖分子量，进而通过酸水解以及柱前衍生化的方法，经高效液相色谱或气相色谱分析确定单糖的组成。而多糖中糖链的一级结构，包括糖连接顺序、糖苷键类型、糖链分支点以及末端糖的确定，需通过化学方法（如Smith降解法、高碘酸氧化法、甲基化法等）结合红外光谱、核磁共振谱分析等完成[32-33]。

目前从酸浆属植物中分离纯化的多糖约20个[34-41]，主要来源于该属植物的果实、宿萼，少数来源于根茎、籽，其分子量从7.5 kDa～500 kDa。酸浆属植物多糖均为杂多糖，单糖组成主要包括鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、半乳糖和葡萄糖，部分含有半乳糖醛酸，为酸性多糖。此外，该属植物已报道的多糖其单糖组成、糖苷键类型以及连接顺序差异较大，推测与植物来源以及多糖的提取纯化方法有关。例如从酸浆茎中分离出的水溶性酸性杂多糖（WSPA），骨架结构主要由1→3连接的葡萄糖、1→3连接的半乳糖、1→2连接的木糖、1→2连接的阿拉伯糖以及1→2连接的鼠李糖等组成，而支链位于1→6连接的半乳糖的2位，且均以葡萄糖为末端糖[34]。从酸浆根中分离纯化的水溶性多糖PPS-1，主链由1→3连接的阿拉伯糖、1→4连接的甘露糖、1→3连接的半乳糖以及1→4连接的葡萄糖组成，支链连接在葡萄糖的6位，葡萄糖和岩藻糖为支链的末端糖[35]。从酸浆果实中分离得到的酸性多糖，主链由1→5连接的阿拉伯糖以及1→6连接的半乳糖构成，该多糖含有3个支链，均连接在半乳糖的3位上，所有的葡萄糖分布在支链结构中[36]。而对P.ixocarpa Brot.var.Rendidora果实中果胶的结构研究发现，其分子量在542 kDa～699 kDa，所含有的中性糖为鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖、葡萄糖和木糖，具有高度分支的结构特点[21]。从酸浆属植物分离纯化的多糖其来源、分子量、单糖组成、生物活性等见表2。

表2 酸浆属植物多糖结构表征及其生物活性Table 2 Structure characterization and biological activities of polysaccharides from Physalis genus

2 酸浆属植物多糖的生物活性

2.1 降血糖与降血脂活性

最近的研究结果显示，毛酸浆多糖体外具有α-葡萄糖苷酶抑制活性，在3.0 μg/mL剂量下，对α-葡萄糖苷酶活性抑制率达到34%，并呈剂量依赖性；体内实验结果显示，毛酸浆多糖干预 8 周（200、400、800mg/kg）可改善链脲佐菌素（streptozotocin，STZ）诱导的糖尿病小鼠口服耐药量，缓解肝肾氧化应激压力，降低糖尿病小鼠血清甘油三酯和尿素氮水平，增加高密度脂蛋白和肝糖原水平，研究表明毛酸浆多糖具有改善糖尿病小鼠糖脂代谢紊乱的功效[41]。在四氧嘧啶诱导的糖尿病小鼠模型中，酸浆果实多糖干预7 d，可明显降低糖尿病小鼠血糖，缓解模型小鼠体重降低、饮水增加的病理状态，其活性与阳性药消渴丸功效相当[36]。锦灯笼宿萼粗多糖干预5周可降低模型小鼠空腹血糖以及糖化血清蛋白水平、提升小鼠空腹胰岛素水平、改善四氧嘧啶引起的小鼠胰岛细胞功能受损、促进模型小鼠胰岛素分泌；并且锦灯笼宿萼多糖的作用效果呈剂量依赖性（200、400、800 mg/kg）。逆转录聚合酶链式反应（reverse transcription-polymerase chain reaction，RTPCR）结果显示，锦灯笼宿萼粗多糖PPSC可上调骨骼肌和脂肪组织磷脂酰肌醇-3激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3k）、蛋白激酶 B（protein kinase B，Akt）和葡萄糖转运体 4（glucose transporter 4，Glut4）mRNA 表达，显示其具有降血糖潜力[46]。

2.2 抗氧化活性

研究表明，锦灯笼不同部位中纯化出的多糖表现出良好的羟基自由基、DPPH自由基以及超氧阴离子自由基清除活性[27，40，47]，在抗氧化功能食品和药物研发中有潜在应用价值。动物体内实验研究表明，锦灯笼果实粗多糖在10、20、50 mg/kg剂量下均可以提升D-半乳糖处理小鼠血清和脑组织中超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px） 以及过氧化氢酶（catalase，CAT）活力，降低模型小鼠肝脏和血清中丙二醛（malondialdehyde，MDA）水平，具备潜在的抗衰老以及防止器官损伤的功能[45]。苦藏多糖可清除自由基，抑制大鼠肝匀浆脂质过氧化，且呈现出剂量依赖性[30]；而P.ixocarpa Brot.var.Rendidora果实中的果胶具有DPPH自由基清除能力[21]。此外，多糖的抗氧化性与其结构密切相关。酸浆果实两种酸性多糖PAPSB-c和PAPSB-d抗氧化活性优于PAPSA-a和PAPSA-b[38]。

2.3 对肠道微生态的影响

肠道菌群作为人体重要微生态系统，与机体健康关系密切[48]。由于人体缺乏多种水解酶，多数多糖类成分进入消化道后不能被直接吸收，而进入大肠被肠道菌群代谢。近年来，天然多糖通过调节肠道微生态进而影响宿主健康的研究成为热点[49]。研究发现，锦灯笼宿萼中获取的水溶性多糖在体外12.5mg/mL～25.0mg/mL剂量下，可促进乳杆菌（Lactobacillu delbrueckii）生长，而抑制大肠杆菌（Escherichia coli）生长；进一步体内实验研究显示，该多糖灌胃干预 7 d（50、100 mg/kg），可改善左旋氧氟沙星造成的雌性BALB/c小鼠肠道菌群失调的病理状态，增加Lactobacillus和Prevotella菌群相对丰度，降低Enterococcus菌群相对丰度，锦灯笼宿萼水溶性多糖具有益生元功效[28]。同时，该水溶性多糖干预5周可调节2型糖尿病小鼠肠道菌群结构，剂量依 赖 性 增 加 Lactobacillus、Clostridium butyricum和Bacteroides菌群的丰度，降低Enterobacter菌群丰度，降低糖尿病小鼠基础血糖以及血清丙氨酸转氨酶（alanine aminotransferase，ALT）和天冬氨酸转氨酶（aspartate aminotransferase，AST）水平，下调转化生长因子-β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）和肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor α，TNF-α）表达，从而起到缓解糖尿病小鼠肝损伤的作用[50]。对溃疡性结肠炎小鼠模型的研究中，毛酸浆果实粗多糖POL（50、100、200 mg/kg）预处理3周，可有效缓解硫酸葡聚糖钠盐（dextran sulfate，DSS）诱导的溃疡性结肠炎，保护结肠黏膜层、保持结肠屏障的完整性，降低TNF-α、诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）、环氧化酶-2（cycloxygenase-2，COX-2）等炎性因子的表达；而16S rRNA测序结果表明，POL干预可降低 Helicobacter、Mucispirillum、Romboutsia 和 Erysipelato clostridium等有害菌的相对丰度，POL对肠道微生态的影响被认为在防治溃疡性结肠炎方面发挥了重要作用[29]。

2.4 免疫调节活性

研究发现，锦灯笼果实中获得的多糖可以调节机体的体液免疫和细胞免疫，且无毒副作用，具有作为疫苗佐剂的潜力[42]。而酸浆果实中分离纯化的酸性杂多糖PPSB以及茎中获得的水溶性多糖WSPA可提高小鼠体内针对全身性白色念珠菌感染的核酸疫苗的抗体滴度[34，43]。进一步的分子机制研究结果表明，PPSB同时可以通过Toll-like Receptor 2（TLR2）和TLR4结合位点，激活RAW264.7细胞中核因子κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）和丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路，从而发挥免疫增强作用[44]。

2.5 其它活性

酸浆根中获得的3种多糖可以抑制血小板选择蛋白（P-selection）介导的白细胞黏附，其中高度支链化的多糖PPS-2能有效阻断P-selection与其天然配体的相互作用，具有潜在的抗炎活性[35]。酸浆茎中分离纯化的2个多糖SPAP-1和SPAP-2显示出中等的乙酰胆碱酯酶抑制活性[37]。锦灯笼果实粗多糖具有保肝活性（100、200、400 mg/kg），可降低四氯化碳（CCl4）诱导的肝损伤小鼠血清中ALT、AST以及碱性磷酸酶（Alkaline phosphatase，ALP）水平，提升模型小鼠肝脏SOD水平，降低MDA水平[51]。此外研究发现锦灯笼中的多糖具有体外抑菌活性，可以抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长[52]。

3 展望

多糖是酸浆属植物中含有的一类重要生物活性成分，具有安全性高、副作用小等优势。目前对该属植物多糖的研究主要集中在酸浆及其变种锦灯笼以及毛酸浆3种植物，对该属其它植物中的多糖成分有待进一步挖掘。不同提取及纯化工艺获得的该属植物多糖分子量、单糖组成及连接顺序差异明显。鉴于多糖的空间结构与其生物活性密切相关，对该属植物多糖的高级结构研究有待深入，酸浆属植物多糖结构与生物活性的构效关系尚需揭示。而在生物活性研究方面，尽管酸浆属植物多糖在体内、体外活性研究模型中表现出抗氧化、降血糖、降血脂、免疫调节以及改善肠道微生态等多种生理功能，但其作用靶点尚不明确，而进一步的酸浆属植物多糖与肠道菌群互作关系研究对于理解其健康促进作用具有重要意义。随着酸浆属植物多糖化学与生物活性研究的进一步开展，相信其在食品及生物医药领域将有更广阔的开发应用前景。