山药多糖的纯化、结构及生物活性研究进展

黄少杰，黎攀，杜冰

（华南农业大学食品学院，广东 广州 510642）

山药，又称淮山药、薯蓣等，为薯蓣属的地下干燥块茎[1]，因其具有独特的营养价值，且煮熟后糯香可口，因此在我国得到广泛种植与食用。山药的品种繁多，且生长方式各异，在不同的生长条件下，其结构和生物活性也会存在差异，如太谷山药、铁棍山药、惠楼山药、河北麻山药等不同的山药品种的抗氧化活性存在差异。研究发现，山药具有很高的食用价值与药用价值，其自古以来一直是养胃益肺的良药，也是人们日常食用的保健食品[2]。大量研究表明，山药含有丰富的营养物质，如淀粉、氨基酸、非淀粉多糖、皂素、酚类、维生素、胆甾醇等[3]。其中多糖是山药的主要功能活性成分，具有延缓衰老、调节免疫、降血糖、降血脂、抗肿瘤等作用[4]。

多糖在食品、医药、生物可降解包装材料等新产品的开发中发挥着重要作用，开发用于功能性食品或药物的新型生物活性多糖已成为近年来化学研究的热点之一。基于山药多糖在药理上的作用，山药多糖可制备成降血糖辅佐剂、降血脂辅佐剂、抗衰老剂、护肝剂、免疫增强剂、免疫辅佐剂、靶向微生态调节剂、补铁剂和抗氧化剂等[5]。目前已有大量研究考察山药多糖的多种提取方式，但不同的提取方法对多糖结构的影响却鲜有研究。因此，本文对山药多糖的提取纯化方法、结构特性、活性机制以及结构与其生物活性之间的关系进行系统综述，以期为山药多糖的精深加工及商业化应用提供一定的参考。

1 提取、纯化方法

山药多糖不溶于乙醇，能溶于水，故传统的山药多糖提取方法为水提醇沉提取法，而该传统提取方法的多糖提取率普遍偏低，因而在水提醇沉的技术基础上采用其它辅助技术，以此提高山药多糖的提取率，其中主要以超声波辅助提取法、微波辅助提取法、酶解提取法、超滤浓缩辅助提取法为主（见表1）。

表1 山药多糖的提取方法Table 1 Extraction methods of Chinese yam polysaccharide

为了分析植物多糖的分子质量、组成、化学结构和生物活性，需要进一步纯化，目前大多采用Savage试剂去除去多糖中的蛋白质，采用大孔树脂去除苯酚和脱色，通过离子交换层析和凝胶过滤等深一步纯化[11-12]，如图1所示。李研等[13]通过加入3种不同的大孔树脂对山药粗多糖进行纯化，最终得出最佳的纯化条件为吸附温度29.29℃、吸附时间19.67 h、D-101树脂加入量为2.50 g，其静态吸附率为67.39% 。

图1 山药多糖的提取、纯化和生物活性示意图Fig.1 Schematic diagram of extraction,purification，and bioactivity of Chinese yam polysaccharide

而目前山药多糖主要的纯化方法是柱层析法，其利用不同的吸附剂和洗脱剂，收集含有山药多糖的馏分，通过透析、浓缩和冻干以产生高纯度多糖。柱色谱法是植物多糖纯化和分类最常用的方法，又分为阳离子交换、阴离子交换和凝胶过滤色谱。王远辉等[14]利用DEAE-52纤维素层析柱和Sephadex G-100层析柱对粗品进行分离纯化，得到3种铁棍山药多糖组分 DOTP1、DOTP2和 DOTP3，得率分别为0.34% 、0.42% 和0.36% ，纯度分别为93.11% 、91.22% 和92.75% 。

2 山药多糖结构

山药的品种、环境、种植技术等多种因素会使得山药中多糖的含量、化学结构、平均分子量、单糖组成存在一定的差异。目前山药多糖的结构分析研究主要集中在单糖组成、分子量、糖苷键类型和主链结构[15-16]等方面。对植物多糖进行表征的分析方法主要有核磁共振 波 谱 （nuclear magnetic resonance spectroscopy，NMR）、红外光谱（infrared spectroscopy，IR）、气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）、气相色谱、甲基化分析、高效液相色谱（high performance liquid chromatography，HPLC）、 高碘酸氧化、史密斯降解分析和超高效液相色谱-电喷雾质谱（ultra high performance liquid chromatography-electrospray ionisation mass spectrometry，UHPLC-ESI-MS）[17-18]等。

山药多糖（Chinese yam polysaccharides，CYP）的主要结构特征（单糖组成、分子量、化学结构、机理和生物活性）见表2。

表2 山药多糖的分子量、单糖组成、结构特征、生物活性及机理Table 2 Molecular weight，monosaccharide composition，structural characteristics，bioactivity，and mechanism of Chinese yam polysaccharide

2.1 多糖分子量及单糖组成

目前通常采用HPLC、高效凝胶渗透色谱（high performance gel permeation chromatography，HPGPC）和高效液相色谱-蒸发光散射检测器（high performance liquid chromatography evaporative light scattering detector，HPLC-ELSD）等技术测定南瓜多糖的平均分子量[22]。根据表2可知，由于山药的品种和提取纯化工艺的不同，使得多糖的分子量与单糖组成会存在很大差异。赵国华等[16]从山药中提取纯化得到多糖RDPSⅠ，用HPLC测定其分子量为4.1 kDa，而Li等[21]提取纯化得到的山药多糖的分子量仅为2 860 Da；大多的山药多糖是主要由葡萄糖、半乳糖等以不同的摩尔比组成，于海芬[19]研究了山药多糖的单糖组成，发现其是由鼠李糖、阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖和半乳糖醛酸以不同的摩尔比组成；Ju等[20]研究发现山药多糖则是以甘露糖、葡萄糖、半乳糖和葡萄糖醛酸组成，其摩尔比为 0.5∶1.2∶0.3∶0.3。

2.2 多糖的化学结构

目前除了分子量和单糖成分外，对山药多糖结构或构象有关的研究也较多。Li等[21]经研究发现山药多糖（CYP-1）是一种甘露聚糖，其主链主要由1,4-α葡萄糖苷键组成，该主链在O-2、O-3、O-6位置存在T-α甘露糖糖苷键支链；赵国华等[16]利用DEAE cellulose及SephadexG 100色谱柱纯化得山药多糖（RDPS I），采用酸水解、甲基化反应、乙酰化后进行GC-MS分析，数据显示该山药多糖的主链是（1→3）连接的葡聚糖，侧链由甘露糖和半乳糖构成，其连接方式为（1→2）连接。

2.3 多糖的结构修饰

多糖的适当修饰可提高其生物活性，目前接合和降解是多糖改性的两种主要方法。多糖的结合是一种化学改性，包括硫酸化、羧甲基化、乙酰化、磷酸化等，这些改性方法可以开发和生产更多具有生物活性的山药多糖种类，用于制药、保健品等。目前山药多糖的改性主要是硫酸化修饰和羧甲基化。许春平等[23]对山药多糖进行硫酸酯化修饰，修饰后的山药多糖对比未修饰的多糖具有更强的抗氧化活性。

3 功能活性

大量研究证明山药多糖具有抗氧化、抗炎、调节免疫功能、抑菌的多种生物活性，随着科研条件及技术的发展，对于山药多糖功能活性作用机理的研究已取得一定进展。

3.1 免疫调节活性

大量研究表明，植物多糖间接对宿主免疫系统产生各种生物活性作用，几乎没有不良影响[24-25]。Kong等[26]经研究发现，与未添加组相比，山药多糖能显著提高血清中IL-2、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）含量及外周血淋巴细胞增殖活性，降低血清中低密度脂蛋白、总胆固醇和甘油三酯含量，且可提高断奶大鼠的细胞免疫能力，在非特异性防御感染方面具有重要的保护作用；Huang等[27]以非淀粉山药多糖为原料，制备出硫酸山药多糖，结果表明小鼠血清中脾脏淋巴细胞因子白细胞介素（IL）-1β、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor-α，TNF-α） 水平及免疫球蛋白（IgG、IgM）分泌水平均显著升高，表明CYP和硫酸化山药多糖（sulfated Chinese yam polysaccharide，S-CYP）是一种很有前景的免疫调节剂。

3.2 降血糖、降血脂

糖尿病是一种高度流行的慢性疾病，在世界各地都有很高的发病率和死亡率[28]。植物多糖具有降糖活性，可影响葡萄糖代谢酶活性，抑制糖异生，促进肝糖原合成，通过其降糖活性促进胰岛素分泌，从而调节糖代谢紊乱和胰岛素抵抗[29]。此外，山药多糖可能通过不同的微生物发酵途径被分解为短链脂肪酸（shortchain fatty acids，SCFA）和低聚糖，山药多糖对不同类型糖尿病患者肠道微生物群的影响和缓解作用可通过肠道微生物群的改变来调节[30]。

杨宏莉等[31]通过注射小剂量链脲佐菌素配合高热量饮食的方法，构建出2型糖尿病小鼠模型，用山药多糖灌胃4周后，经检查发现，山药多糖治疗组中胰岛血糖素水平显著升高，己糖激酶、琥珀酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶的活性显著提高，结果表明山药多糖具有明显的降血糖作用。

3.3 抗氧化活性

许多植物多糖具有天然的抗氧化活性。目前，已有许多研究证明山药多糖具有良好的抗氧化活性，是一种安全、优质的天然食品抗氧化剂。羟基自由基很容易在体内产生，因其容易与氨基酸、蛋白质、DNA等分子发生反应，导致细胞损伤，而被认为是生物组织中最具活性和毒性的自由基[20]，因此它被广泛用作评价抗氧化剂有效性的自由基。Yang等[15]通过抗氧化试验发现，山药多糖表现出较强的抗氧化能力，其具有清除羟自由基和超氧阴离子自由基的能力，且该两种自由基清除率都随多糖浓度的增加而提高。

DPPH自由基是为数不多的自由基来源之一，是一种被普遍用来评价抗氧化物质清除自由基活性的自由基，已有研究证明山药多糖对DPPH自由基的清除能力呈浓度依赖性，且当浓度超过100 mg/mL时，山药多糖对DPPH自由基的清除率均大于50%[32]。

3.4 抗炎

有研究表明，山药多糖可以抑制结肠炎小鼠中的促炎细胞因子（如TNF-α和IL-1β）的过度产生。口服山药多糖（CYP-1）可以明显减轻结肠炎病理损伤，抑制结肠炎症信号通路（如NF-κB和NLRP3炎症小体）的激活，恢复连接蛋白（如ZO-1、连接蛋白和连接蛋白-43）的mRNA表达，并通过减少Alistipes、幽门螺杆菌和未知肠杆菌科的丰度来调节肠道微生物群[21]，阐明了山药多糖具有预防炎症性肠病的治疗潜力。

3.5 抗肿瘤活性

大量对植物多糖抗肿瘤活性的研究表明，这些分子可以抑制肿瘤血管生成，促进肿瘤抑制基因的表达，诱导肿瘤细胞凋亡，增强免疫调节[33-34]。许远征等[35]通过用山药多糖对肿瘤小鼠进行治疗后，观察发现山药多糖能明显抑制小鼠体内肿瘤的生长，且可显著提高肿瘤小鼠IL-2和TNF-α水平。

3.6 胃肠道保护作用

多糖可影响肠道健康和肠道微生物群。于莲等[36]采用聚合酶链式反应变性梯度凝胶电泳（polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis，PCR-DGGE）技术分离肠道细菌16S rRNA PCR产物，结果发现在肠道微生态失调模型大鼠中，山药多糖治疗的大鼠的DNA浓度高于自然恢复组，DGGE的多样性指数分析表明治疗组的条带丰富度大于自然恢复组，从而证明纳米山药多糖对肠道微生态失调大鼠具有显著的改善作用。

于海芬[19]以山药多糖为研究对象，通过体外模拟消化液的方法及构建小鼠急性酒精胃黏膜损失模型，研究山药多糖对胃肠道中相关消化指标的影响和胃肠功能调节的活性，结果表明山药多糖能明显降低葡萄糖的扩散速度、抑制α-淀粉酶和胰脂肪酶的活性，能结合胆汁酸、瓦解胆固醇胶体，并且对胃黏膜损伤具有较好的保护作用，改善损伤情况。

4 结构与生物活性的关系

植物多糖的生物活性与其结构密切相关。由于其种类、分布、生长条件、采收时间、提取纯化工艺的不同，所得到的多糖的结构也不同，从而产生不同的药理活性和可能的作用机制。

4.1 多糖生物活性与分子量的关系

山药多糖的分子量对其生物活性具有显著的影响，这可能有两方面的原因：①分子量的减少导致多糖构象的改变，从而影响山药多糖的生物活性；②分子量的多少可能会影响多糖的活性位点，从而改变多糖生物活性的强弱[37]。山药多糖分子量的减小可能会增强其免疫调节能力。其中有研究发现，通过改变乙醇浓度来提取不同分子量段的山药多糖，在80% 高浓度乙醇所得的低分子量段的山药多糖表现出更好的抗猪细小病毒（porcine parvovirus，PPV）SD1株感染效果，并且其增强细胞活性的能力更强[38]。

4.2 多糖生物活性与单糖组成的关系

植物多糖的生物活性与其单糖组成存在密切关系，Yang等[15]所提取的山药多糖由葡萄糖、半乳糖两种单糖组成，该多糖具有一定的抗氧化能力，其在1 mg/mL浓度下，对羟基自由基的清除率约为43% ，而尚晓娅等[39]所提取的山药多糖由由鼠李糖、阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖和半乳糖5种单糖组成，而该多糖在浓度为1mg/mL时，其对羟基自由基的清除率则接近50% 。

4.3 多糖生物活性与结构修饰的关系

目前，通过修饰植物多糖的结构来改变多糖生物活性的方法已被广泛应用。许春平等[23]发现与山药多糖相比，硫酸酯化后的山药多糖的DPPH·和OH·清除率明显更高；同时，最新研究发现，硫化改性后的山药多糖可增加小鼠结肠中消化酶的活性，并且能有效调节肠道微生物的结构，通过调节免疫抑制小鼠肠道微生物群的组成来保持肠道健康[40]，因此推测山药多糖中硫酸基含量越高，其抗氧化活性和肠道保护调节活性越高。

4.4 多糖生物活性与结构特征的关系

近期有研究发现[41]，不同的护色方式会影响山药多糖的结构特征，在此基础上，通过分离纯化得到分子质量、糖醛酸含量、单糖组成上均有显著差异的多种多糖成分，这些多糖在免疫试验中均能促进RAW264.7 细胞分泌 TNF-α、IL-6、IL-1β、NO，但不同多糖组分的促进效果存在显著差异。

5 结语

多糖是生物体内一种重要的生物活性大分子，其具有抗肿瘤、调节机体免疫活性等多种功能活性，而这些生物活性与多糖的分子结构息息相关。不同品种山药的山药多糖含量、单糖组成、相对分子量、糠醛酸含量也不同。同时，不同的提取、纯化方法也会影响所得的山药多糖的结构，进而影响山药多糖的生物活性。目前，虽然对山药多糖的研究取得很大进展，但关于山药多糖的多种生物活性的作用机理还尚未明确，因此仍需进行大量的药理及毒理学动物实验，以进一步了解和明晰其功能活性，为山药多糖的开发利用提供科学的理论依据，拓宽山药多糖的应用领域。