超声降解影响多糖理化特性和生物活性研究进展

王子朝，张 迪，盛丽丽，梁小娜，郑欣欣，潘亚萍，张慧茹

河南工业大学 生物工程学院，河南 郑州 450001

多糖，又称多聚糖，一般来说是由10个以上单糖分子通过α-或β-糖苷键连接而成的一种高分子碳水化合物，是维持生命活动正常运转的基本物质之一；同时，多糖还具有多种生物活性，如抗氧化、抗菌、消炎、抗疲劳、降血糖、抗肿瘤、调节肠道微生态、提高机体免疫力和促生长等[1-4]，在纺织、油气开采、农业生产、医药、化妆品、食品等领域广泛应用。在2020年席卷全球的新冠肺炎病毒防治过程中，多糖也发挥出了巨大的潜力[5-6]。但单糖组成、分子量、官能团、化学键、高聚合度、高分支度、空间缠绕等特征不仅限制了多糖结构特征与其生物活性之间的构效关系研究，还妨碍了以结构特征为标志设计、构建、筛选和生产功能多糖[7]。多糖在生物体内的活性体现在与功能蛋白受体相互识别、相互作用的过程中，多糖与蛋白受体结合时，只有其中的几个寡聚糖与受体真正相结合，与酶作用过程相似，多糖分子中可能也存在着一个或几个结构功能域。因此，如何获得大量纯度高、均一性好和结构特征明确的多糖片段，是研究多糖相关构效关系和作用机制的基础与关键。

多糖活性片段的制备，主要有以下3种策略：一是基于化学合成策略，采用化学法或酶法从单糖出发合成不同结构特征多糖活性片段[8]；二是基于代谢调控策略，采用分子生物学[9]或合成生物学[10]技术手段，对微生物合成胞外多糖的代谢途径进行调控，实现不同结构特征多糖活性片段的发酵生产；三是基于降解策略，采用酶法[11]、化学法[12]和物理法[13]等降解方法对多糖进行可控降解，进而获得不同结构特征多糖活性片段。对比分析上述3种多糖结构调控策略，对多糖进行体外降解，不仅易获得不同结构特征多糖活性片段，而且在技术上也最容易实现和控制。

采用酶法进行降解是获得多糖片段最有效和最直接的方法，但酶的昂贵价格以及专一性和特异性限制了其应用[11]。化学降解法也可获得多糖片段，但可控性较低，且化学试剂增加了降解后多糖片段分离纯化的难度[14]。采用超声波、微波、射线、光照等物理方法在体外降解多糖，不仅降解效率高、绿色环保、操作简便，而且反应条件温和、可控，尤其是超声降解法[14]。虽然Yang等[14]和Qiu等[15]发现超声降解后，多糖片段中单糖组成与比例会发生一定程度变化，但更多学者[16-18]则证实，采用超声波体外降解多糖时，只会降解和打断多糖的主链结构，且降解后所得寡糖片段只是聚合度存在差异，并且体外超声降解有成熟的降解动力学模型可参考。

1 超声降解多糖机理

超声降解多糖有空气泡破碎和化学反应两种机理[13]。空气泡破碎即机械性断键作用，利用超声波的极速振动，多糖可具有极高的运动加速度，激烈而快速变化的机械运动使多糖在介质中随着波的高速振动及剪切力的作用而降解，且超声降解主要使多糖的糖苷键断裂，官能团不发生变化。化学反应即自由基氧化还原反应，主要是液体在超声波作用下产生空化效应所导致的。超声波足够大时导致溶液内部出现空穴，空穴破碎时可以产生局部高压和剧烈温度变化，为自由基的产生提供一定能量。Yang等[14]研究发现，在一定范围内，超声波功率越大，空化能量越高，空化泡的数量越多，反应系统的能量传递效率越高。空化效应也可导致机械性断键，因此也常把空化效应视为超声降解的主要机理。例如Pu等[16]研究发现，超声降解在较高功率、较低温度、多糖浓度较低情况下，多糖降解的效果尤其显著。

2 超声降解对多糖理化特性的影响

2.1 超声降解对多糖分子量的影响

分子量对多糖的生物活性具有重要影响，多糖分子中存在着一个或几个寡糖片段活性中心，超声降解后多糖分子量均有一定程度降低。如徐雅琴等[19]以黑加仑果实为原料，采用复合酶法制备黑加仑果实多糖(BFPs)，并经700 W超声作用15 min和30 min降解BFPs，研究表明随着降解时间的延长，多糖的黏均分子量Mv显著降低，降解15 min时，Mv减少56.97%，降解时间延长至30 min时，Mv减少65.94%。Yang等[14]采用超声法对黑加仑果实多糖进行降解时也发现，多糖分子量随超声时间和功率的增加而降低，当采用300、500、700 W超声波功率对黑加仑果实多糖降解100 min后，多糖的黏均分子量由6.12×107Da分别降低至9.40×106、8.00×106、4.65×106Da，数均分子量由8.13×106Da降低至3.39×106、1.74×106、4.57×105Da。李彩金等[20]利用超声法对猴头菌(Hericiumerinaceus)多糖H6PC20进行降解，发现多糖H6PC20经超声降解处理后重均分子量和数均分子量均显著下降，降解处理10 min后，多糖重均分子量从2.39×106Da下降至4.66×105Da，30 min后下降趋缓。Zhong等[21]研究超声降解对裂褶菌多糖(SPG)分子量降解效应的影响，发现超声降解可显著降低SPG的分子量，当采用796 W/cm2功率密度降解30 min后，多糖SPG分子量由2 404 kDa降低至389 kDa。此外，众多学者也证实，超声降解可以有效降低多糖分子量和提高降解所得多糖片段的生物活性[22-23]。

2.2 超声降解对多糖溶液黏度的影响

多糖溶液的黏度会影响其生物活性和实际应用，高分子量多糖往往具有黏度大、生物利用度低等缺点[24]，对多糖进行超声降解可降低其分子量和溶液黏度，进而提高其生物利用度。如徐雅琴等[19]采用超声降解黑加仑果实原多糖，并使用振动黏度计分别测量质量浓度为5.0 mg/mL的原多糖和降解多糖溶液黏度，在700 W超声功率下分别降解15 min和30 min后，多糖溶液的黏度分别降低了11.86%和16.49%。李彩金等[20]利用超声降解猴头菌多糖H6PC20，发现多糖H6PC20溶液黏度随超声降解时间的增加而逐渐降低。Wang等[25]采用大功率超声波对药用真菌菌丝培养的高分子量胞外多糖(EPS)的理化性质进行改性，在35 W/cm2或较高超声波功率密度下，EPS的表观黏度和特性黏度下降了近85%。Li等[26]研究了丙酮酸基团对黄原胶在水溶液中超声降解效果的影响，对天然和无丙酮酸的黄原胶进行了20倍超声降解，结果发现超声降解对黄原胶结构和黏度都有影响。Xu等[22]研究发现，超声降解在降低黑加仑果实多糖的分子量后，不仅提高了黑加仑果实多糖对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的抑制活性，还使其溶液黏度分别下降了27.88%和33.63%。

2.3 超声降解对多糖溶解性的影响

多糖溶于水是其发挥生物学活性的首要条件，如香水莲花多糖溶解度增加可使其抗氧化活性显著提高[27]，壳聚糖在水中的溶解性影响其抑菌效果[28]。徐雅琴等[19]采用超声降解黑加仑果实原多糖(BFPs)，并对降解后的多糖进行溶解度测定，结果表明超声降解可以显著增加BFPs的溶解度，且超声降解15 min和30 min时，多糖的溶解度分别增加了27.97%和61.53%。Wang等[25]研究也发现，超声降解可以提高药用真菌菌丝培养的高分子量胞外多糖(EPS)溶解性，当采用35 W/cm2超声功率降解10 min后，胞外多糖EPS的溶解性提高了4倍。

2.4 超声降解对多糖流变特性的影响

对多糖进行超声降解可改变其流变学特性，进而影响多糖在加工和生产中的应用。如Yang等[14]发现黑加仑果实多糖在高超声波功率下由假塑性流体转变为牛顿流体。谢建华等[29]研究了不同强度的超声波对魔芋葡甘聚糖(KGM)-大豆分离蛋白(SPI)复配体系流变学特性的影响，发现120 W和200 W的超声降解会提高KGM-SPI体系的黏弹性，280 W超声降解则会降低体系的黏弹性，说明适当超声降解可使KGM-SPI体系黏稠系数增大，流变学特性指数减小。夏强等[30]研究证实，超声降解可以使大粒车前子多糖溶液的表观黏度急剧下降，流体性质从假塑性流体变成牛顿流体，弹性模量与黏性模量均下降，凝胶性质明显减弱。乔杨波等[31]研究狭果茶藨子果实多糖的流变学特性时发现，超声降解后的狭果茶藨子果实多糖溶液属非牛顿流体，具有良好的流变学特性。Li等[32]研究超声功率对食品多糖魔芋葡甘聚糖(KGM)分子量和流变学特性的影响，结果发现超声降解能够改变KGM的流变学特性。同时，Zhang等[33]和Zhong等[21]的研究也证实，超声降解可以有效改变果胶和裂褶菌多糖的流变学特性，使降解后的多糖更适于在食品加工和生产中应用。

2.5 超声降解对多糖结构的影响

多糖的特定结构是其产生生物学活性所必需的，如Chen等[34]发现共聚草多糖中糖醛酸含量最高，分子量最小时，其抗氧化活性最佳。夏强等[30]发现，超声降解可以使大粒车前子多糖的溶液构象从高支化结构向无归线团转变。虽然Yang等[14]和Qiu等[15]发现，超声降解可使多糖片段中单糖组成及比例发生一定程度的变化，但更多学者[16-18]则证实，超声降解多糖时，只会降解和打断多糖的主链结构，降解后所得寡糖片段只是聚合度上存在差异，单糖组成及比例未发生明显变化。同时，徐雅琴等[19]采用傅里叶红外光谱、刚果红和碘-碘化钾实验对超声降解后的黑加仑果实多糖结构进行表征，发现超声波作用于黑加仑果实多糖后并没有改变其基本结构和复杂分支结构。Zhou等[35]研究超声降解对紫菜多糖结构的影响，通过傅里叶变换红外光谱和核磁共振光谱分析，发现超声降解并未改变紫菜多糖的结构。

3 超声降解对多糖生物活性的影响

3.1 超声降解对多糖抗氧化活性的影响

自由基是人体生命活动中各种生化反应的中间代谢产物，在新陈代谢过程中发挥着重要作用，人体内自由基平衡一旦被打破，若不及时清除，将不断攻击机体内的生命大分子物质以及各种细胞器，进而加速机体的衰老并引发一系列疾病。多糖类化合物具有清除自由基、抑制脂质过氧化、抑制亚油酸氧化等抗氧化作用，并且超声降解可以提高多糖的抗氧化效果。如徐雅琴等[19]研究发现，通过超声降解能使黑加仑果实多糖中糖醛酸含量增加，提高多糖供给氢原子的能力，进而增强多糖的抗氧化活性，且降解多糖对DPPH、O2-·和NO2-自由基的清除能力及其对脂质过氧化的抑制作用均强于原多糖。Yan等[17]研究也发现，超声降解可有效降低桑黄菌丝多糖的分子量和提高多糖片段中O-H比例，进而提高桑黄菌丝多糖的羟基自由基清除活性。Wang等[13]研究超声波辐射对不同分子量黄茶多糖结构特征和抗氧化性能的影响，发现超声波辐照增加了黄茶多糖的自由基清除活性，降解后的多糖片段表现出高水平DPPH、O2-·和·OH自由基清除活性。Xu等[23]采用超声波对灵芝多糖进行降解，比较其降解前后的抗氧化活性，研究发现，超声降解能够显著提高灵芝多糖的体外抗氧化活性。此外，Xu等[22]研究发现，超声降解不仅提高了黑加仑果实多糖的抗脂质过氧化和DNA保护作用，还有效提高了其体外抗氧化活性。综上所述，超声降解是一种在不破坏多糖原有结构的条件下有效提高其抗氧化活性的手段和技术。

3.2 超声降解对多糖免疫调节活性的影响

多糖发挥免疫调节活性主要是通过诱导产生多种细胞因子，如促进干扰素、白细胞介素等，从而激活巨噬细胞、自然杀伤细胞(NK细胞)和淋巴细胞等免疫细胞，提高机体特异性和非特异性免疫功能，进而发挥其免疫调节活性。赵婷婷等[36]研究发现坛紫菜多糖及其超声降解组分片段显著影响了淋巴细胞增殖，呈剂量依赖性，两者均能显著抑制B细胞增殖、促进T细胞增殖，且小分子量多糖片段的效果更加明显。杨秀艳[37]采用超声降解红芪多糖时发现，与未经超声降解的原多糖相比，经超声降解后的多糖片段对小鼠脾细胞和巨噬细胞增殖活性具有促进作用。Yao等[38]采用阴离子交换柱和凝胶过滤色谱法从薏苡种子中分离和纯化得到了多糖及其两种亚组分，发现经超声降解后的多糖片段对巨噬细胞有显著的免疫增强作用。

3.3 超声降解对多糖其他生物活性的影响

除抗氧化活性和免疫调节活性之外，超声降解还可能影响多糖的其他活性。如Xu等[22]研究超声降解对黑醋栗果实多糖(BCP)生物活性的影响，结果表明超声降解不仅能够增强多糖BCP片段的抗氧化活性，还能提高BCP片段对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的抑制活性。Liu等[39]研究发现，采用超声波对4种不同分子量的脱乙酰度壳聚糖进行降解，降解后壳聚糖片段对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗增殖活性显著增加。多糖发挥抗菌活性的主要作用靶点可能为细菌的细胞壁、细胞膜、胞质膜、蛋白质和DNA等，从而能够解决致病菌耐药性的问题，为开发绿色安全的抗菌剂提供一定参考价值。此外，Zhu等[40]对古尼虫草多糖进行超声降解，发现超声降解显著提高了古尼虫草多糖片段的抗肿瘤活性。

4 展望

超声降解不仅高效、环保，而且可以通过改变多糖的结构、流变性和溶解性等，影响多糖的抗氧化、抑菌、降血糖、抗肿瘤和免疫调节等生物活性。但由于设备和技术不成熟、生产成本高等因素限制了其大规模生产，而且空化气体、溶液pH、黏滞系数、表面张力系数、溶液温度等因素对超声降解的影响也较大。因此，超声降解的作用时间、强度、频率等物理因子对多糖介质各物化性质作用的具体机制还需进一步研究。探明超声波对多糖生物大分子键断裂的作用机理和自由基反应机理，并建立物理因子和化学因子对多糖生物大分子微观结构与宏观性能影响机理的物理与数学模型，可从根本上解决该技术产业化的问题。