淮山多糖結構、生物活性及理化性質研究進展

張錦鈺,王 鋒,*,蘇小軍,2,李清明,郭時印,郭紅英,鄧朝陽,石 柱,唐蘭芳

(1.湖南農業大學食品科學與技術學院,湖南長沙 410128; 2.湖南省作物種質創新與資源利用重點實驗室,湖南長沙 410128)

淮山(DioscoreaoppositaThunb.),又稱山藥、懷山藥、薯蕷等,是一年或多年生的纏繞草質藤本植物的塊根[1]。淮山具有治療脾虛食少、久瀉不止、肺虛喘咳、腎虛遺精、帶下、尿頻及虛熱消渴等疾病的功能[2],已被列入國家衛健委《既是食品又是藥品的物品名單》,是藥、菜、糧兼用作物。據估計,全國淮山種植面積已達20萬hm2以上,產量一般能達到11～30 t/hm2[3],折算成糧食為2.02～6 t/hm2,與國家統計局公布的2017年我國薯類(馬鈴薯和甘薯)單位面積產量(3825 Kg/hm2)相當[4]。

淮山含有豐富的人體所需的營養成分,如淀粉、多糖、尿囊素、膽堿、皂苷、礦物質等[5],其中,多糖被認為是其主要的活性物質,含量達到0.5%～10.0%(DW)[6-7]。生物活性多糖大多具有較強的藥理作用,如抗腫瘤、降血糖、抗炎、增強免疫力等,是保健品和藥品開發的重要原料[8]。多糖還具有膠凝、乳化等特性,作為增稠劑、乳化劑、懸浮劑、膠凝劑、持水劑在食品工業、化妝品等領域被廣泛應用[9],如阿拉伯膠、瓜爾豆膠、黃原膠、果膠等均是常用食品添加劑[10-13]。大量研究表明,淮山多糖不僅具有抗氧化、維持腸道穩態、免疫調節、降血糖、保護肝臟等生理功能,還有獨特的乳化性和流變學特性,應用前景十分廣闊[14-15]。本文擬歸納和綜述國內外關于淮山多糖基本結構、藥理活性、理化性質的研究進展,以期為淮山多糖的進一步研究、開發和應用提供思路。

1 淮山多糖的結構

多糖是由10個或10個以上單糖基通過糖苷鍵連接而成的直鏈或支鏈的聚糖。自然界單糖種類有200多種,在聚合成多糖時,它們可以通過多種不同的結合位點連接,這些造成了多糖結構的多樣性和復雜性。多糖具有明確的三維空間結構,可以分為一級、二級、三級和四級結構。

解析多糖結構,需要明確多糖的單糖組成和各種單糖的連接方式、確定多糖有無支鏈及分支位置。高效凝膠滲透色譜法、薄層層析法、HPLC、GC-MS等常用于測定多糖一級結構,而IR、NMR、高碘酸氧化法和Smith降解法等用于檢測多糖的二級結構。淮山多糖包括均多糖、雜多糖和糖蛋白,均多糖主要由葡萄糖構成,雜多糖包括葡萄糖、半乳糖、甘露糖、鼠李糖等單糖,糖蛋白中含有天冬氨酸、蘇氨酸、絲氨酸等19種氨基酸[15],分子量分布從幾千到幾千萬不等。許多淮山多糖都含有一個吡喃環,呈α-構型或β-構型,但糖苷鍵類型及連接方式多樣,主鏈和側鏈各異,而且,多糖結構的不同導致其生物活性各有側重,體現了多糖結構與功能的緊密聯系。利用透射電鏡觀察各種淮山多糖表面形態,可發現不同品種來源的淮山多糖差異很大,有分支、直棒、不規則、網絡或球形結構,表面呈粗糙或光滑等形態[16]。淮山多糖結構的多樣性主要與淮山的品種繁多有關,而且提取工藝、制備過程、測定方法等也會對多糖的結構造成一定的影響[17-19]。淮山多糖的基本結構,包括單糖組成、分子量、化學結構詳見表1。

表1 淮山多糖的單糖組成、分子量、化學結構及生物活性Table 1 Monosaccharide composition,molecular weight,chemical structure and biological activity of yam polysaccharides

2 淮山多糖的生物活性及作用機制

2.1 抗氧化

過量的自由基積累會損害人體的細胞、組織、甚至器官,引起炎癥、腫瘤等疾病。體外研究證實,淮山多糖具有清除超氧陰離子自由基、ABTS自由基、羥自由基、抑制脂質過氧化反應的能力[20],表現出良好的抗氧化性。同時,多糖也可通過提高體內抗氧化酶的活性,減緩細胞衰老。鐘靈等[21]用高、中、低濃度的淮山多糖對對老年性癡呆小鼠進行灌胃處理,測定小鼠血清中SOD 和CAT 活性、腦系數以及腦組織中MDA的含量,發現各劑量組淮山多糖均可以提高機體的抗氧化能力。

淮山多糖的抗氧化性與其一級結構密切相關。Zhao等發現分子量低且醣醛酸含量高的多糖,能表現出較強的抗氧化能力[19],不過也有研究者認為,多糖的分子量越高越有利于生物活性的維持,因為高分子量有利于空間結構的穩定[22]。雖然多糖分子量和分子結構中糖醛酸含量對其抗氧化能力的具體影響大小及作用機制目前尚不清楚,但均證明了兩者皆可影響多糖的生物活性。

2.2 免疫調節

免疫是人體破壞和清除機體異物,維持健康的一種生理功能,包括非特異性免疫和特異性免疫。淮山多糖作為一種植物活性多糖,可通過調節細胞因子、淋巴細胞和抗體水平來實現對機體免疫功能的調節作用[23]。許效群等[24]用低、中、高濃度的淮山多糖灌胃小鼠3周,小鼠的粒廓清指數和吞噬指數相比對照組顯著升高;譚春愛[25]用淮山多糖喂食黃雞,結果發現淮山多糖組的IgA、IgM、IgG的含量明顯高于對照組。淮山多糖的免疫調節作用可能與多糖主鏈中具有活性的β-(1→3)糖苷鍵有關[26]。

2.3 維持腸道穩態

病原菌能夠識別動物腸壁細胞上的“特異性糖類”受體,一旦侵入機體消化道,便與之結合,破壞腸道菌群的平衡從而導致腸道疾病的發生。而多糖能夠吸附病原菌,抑制病原菌在腸壁上的滋生,改善腸道菌群多樣性[27]。同時,淮山多糖也能夠促進雙歧桿菌和乳酸桿菌的生長、抑制腸桿菌和腸球菌的增殖。高啟禹等[28]研究了不同濃度的淮山多糖對小鼠盲結腸菌群的影響,發現淮山多糖組的腸桿菌與腸球菌的生長受到明顯的抑制,而雙歧桿菌與乳酸桿菌相比對照組,菌群數量在盲結腸內的增殖有明顯的統計學意義。

2.4 保護肝臟

肝臟是人體內以代謝功能為主的器官,擔負著機體重要的生命活動,具有生物轉化、解毒等重要功能。用淮山多糖處理由CCl4致急性肝損傷的大鼠或小鼠,結果發現多糖可在一定程度上修復受損肝細胞、提高T-SOD和GSH含量、降低轉氨酶活力、抑制脂質過氧化反應,對肝臟能起到較好的保護作用[29-30]。淮山多糖還可與金屬離子結合作用,其效果比單組分有所提高。孫設宗等[31]研究探討了鎂離子和淮山多糖對CCl4肝損傷的保護作用,發現淮山多糖和鎂離子結合作用可以更有效地降低肝臟中MDA和NO的含量,降低肝臟指數,提高谷胱甘肽的含量從而起到保護肝臟的作用。

2.5 降血糖

糖尿病是一種慢性、多發病,死亡率僅次于腫瘤和心血管疾病,其發病機理還不完全清楚,主要表現為胰島β細胞受損從而導致胰島素分泌減少或胰島素缺乏。已有研究表明,淮山多糖既能夠在一定程度上修復受損的胰島細胞,又能促進肝糖元和心肌糖元的合成,抑制α-淀粉酶或α-葡萄糖苷酶的活性,阻止葡萄糖生成,從而降低機體內的血糖濃度[32-35]。淮山多糖也可能通過提高糖代謝過程中己糖激酶、琥珀酸脫氫酶和蘋果酸脫氫酶的活性,增強糖代謝能力[36],促進血糖的利用。此外,賀凱等通過研究淮山多糖的降糖作用,發現淮山多糖還能夠清除部分自由基,這可能有利于延緩糖尿病的并發癥[37]。

3 淮山多糖的理化性質

許多天然多糖由于具有良好的乳化性和流變學特性,在食品加工、醫藥、化妝品等領域獲得了廣泛應用[14,38]。多糖除了能夠賦予產品獨特的保健功效外,還能改善產品的品質,如將靈芝多糖、枸杞多糖、銀耳多糖等作為增稠劑、穩定劑、懸浮劑應用于功能性飲料的生產,可起到增稠、穩定和提升口感的作用[39];在面制品中添加海藻酸鈉[40]、海藻酸鈣[41]、魔芋多糖[42]等面制品改良劑,能夠改善傳統面制品易斷條、混湯等缺點,增加面制品的持水性,促進面筋結構的形成;將胖大海膠[43]、魔芋膠[44]等加入到肉制品中,可以增強肉制品的保水性、乳化性,提高肉制品質量;天然多糖也是新型多功能化妝品研發的重要原料,它能強化化妝品的吸濕保水作用,同時達到抑菌、抗衰老、改善微循環等功效。研究淮山多糖的乳化性和流變學特性,將有利于促進淮山多糖的應用與產品開發。

3.1 淮山多糖的乳化性

關于多糖具有乳化性的原因有兩種解釋,一種認為多糖本身就具有親水親油基團;另一種則認為,多糖的乳化性與其所鍵合的蛋白類物質有關[45-46]。研究表明,在一定條件下,淮山多糖能夠表現出優于阿拉伯膠的乳化性,可作為潛在的天然乳化劑用于產品的穩定、保濕、保型[17]。淮山多糖的乳化性能與其分子量和濃度密切相關,在溶液中,低分子量和低濃度多糖的移動速度一般高于高分子量和高濃度多糖,能夠去更快的到達油水界面,增強乳狀液的穩定性[47]。同時,溫度、pH和金屬離子可通過影響多糖或蛋白質的溶解度,削弱或強化油水界面的保護膜,從而影響多糖的乳化能力[48]。

3.2 淮山多糖的流變學特性

掌握淮山多糖的流變學特性,可以預測其凝膠性和增稠特性,對于多糖類產品的設計和開發、質量控制、感官評價、保質期估算具有重要意義[49]。研究顯示,淮山多糖具有剪切稀釋性,即隨著剪切速率的升高,多糖黏度下降[16]。因此,將淮山多糖用于糖果點心、面包、飲料等食品的加工,既能增強產品的營養保健功效,又能賦予產品獨特的口感。淮山多糖的流變性能取決于多糖的組成、結構和與其他物質的相互作用。多糖濃度、溫度、pH和淀粉、蛋白質等雜質可以通過改變糖鏈間的相互作用影響多糖的粘度、熱穩定性和抗極性環境的能力,從而影響多糖的流變學特性[50-51]。金屬離子、氧化劑和抗氧化劑也有可能通過改變多糖的結構影響多糖的流變性能[52],所以,在具體的應用中要對生產條件嚴加控制。

4 展望

多糖的結構、功能及其作用機制是糖生物學的核心研究內容之一,其理論和研究方法的進步將帶動生物醫藥、功能性食品等產業的發展,以醫藥和保健品為例,在全球現已開發的多糖藥物和保健品中,多糖類產品每年產生的價值近千億元[64]。目前,淮山多糖的抗氧化、增強免疫力、降血糖等功能活性已經得到證實,對其作用機制的研究也逐步深入。為拓展淮山多糖的新功能及明確淮山多糖藥物定量使用原則,仍需進行大量藥理和毒理學試驗,并加強對淮山多糖空間結構、構效關系和量效關系的研究。同時,為開拓淮山多糖在食品、化妝品等領域的用途,必須深入研究淮山多糖作為增稠劑、凝膠劑、乳化劑等與蛋白質的作用機制,促進其在酸奶、濃縮果汁、復合果酒、蛋糕、冰淇淋等加工中的應用。由于不同品種的淮山多糖含量差異明顯,因此可考慮選育高產淮山多糖新品種以及研究高效栽培方式,為淮山多糖開發提供優質原料,并大幅降低多糖的生產成本,提高經濟效益。