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

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖南長沙 410128; 2.湖南省作物種質(zhì)創(chuàng)新與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zhì)藤本植物的塊根[1]?；瓷骄哂兄委熎⑻撌成佟⒕脼a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(wèi)健委《既是食品又是藥品的物品名單》,是藥、菜、糧兼用作物。據(jù)估計(jì),全國淮山種植面積已達(dá)20萬hm2以上,產(chǎn)量一般能達(dá)到11～30 t/hm2[3],折算成糧食為2.02～6 t/hm2,與國家統(tǒng)計(jì)局公布的2017年我國薯類(馬鈴薯和甘薯)單位面積產(chǎn)量(3825 Kg/hm2)相當(dāng)[4]。

淮山含有豐富的人體所需的營養(yǎng)成分,如淀粉、多糖、尿囊素、膽堿、皂苷、礦物質(zhì)等[5],其中,多糖被認(rèn)為是其主要的活性物質(zhì),含量達(dá)到0.5%～10.0%(DW)[6-7]。生物活性多糖大多具有較強(qiáng)的藥理作用,如抗腫瘤、降血糖、抗炎、增強(qiáng)免疫力等,是保健品和藥品開發(fā)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(yè)、化妝品等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)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(wěn)態(tài)、免疫調(diào)節(jié)、降血糖、保護(hù)肝臟等生理功能,還有獨(dú)特的乳化性和流變學(xué)特性,應(yīng)用前景十分廣闊[14-15]。本文擬歸納和綜述國內(nèi)外關(guān)于淮山多糖基本結(jié)構(gòu)、藥理活性、理化性質(zhì)的研究進(jìn)展,以期為淮山多糖的進(jìn)一步研究、開發(fā)和應(yīng)用提供思路。

1 淮山多糖的結(jié)構(gòu)

多糖是由10個(gè)或10個(gè)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(shí),它們可以通過多種不同的結(jié)合位點(diǎn)連接,這些造成了多糖結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性。多糖具有明確的三維空間結(jié)構(gòu),可以分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。

解析多糖結(jié)構(gòu),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(jí)結(jié)構(gòu),而IR、NMR、高碘酸氧化法和Smith降解法等用于檢測多糖的二級(jí)結(jié)構(gòu)?；瓷蕉嗵前ň嗵恰㈦s多糖和糖蛋白,均多糖主要由葡萄糖構(gòu)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(gè)吡喃環(huán),呈α-構(gòu)型或β-構(gòu)型,但糖苷鍵類型及連接方式多樣,主鏈和側(cè)鏈各異,而且,多糖結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致其生物活性各有側(cè)重,體現(xiàn)了多糖結(jié)構(gòu)與功能的緊密聯(lián)系。利用透射電鏡觀察各種淮山多糖表面形態(tài),可發(fā)現(xiàn)不同品種來源的淮山多糖差異很大,有分支、直棒、不規(guī)則、網(wǎng)絡(luò)或球形結(jié)構(gòu),表面呈粗糙或光滑等形態(tài)[16]?；瓷蕉嗵墙Y(jié)構(gòu)的多樣性主要與淮山的品種繁多有關(guān),而且提取工藝、制備過程、測定方法等也會(huì)對多糖的結(jié)構(gòu)造成一定的影響[17-19]?；瓷蕉嗵堑幕窘Y(jié)構(gòu),包括單糖組成、分子量、化學(xué)結(jié)構(gòu)詳見表1。

表1 淮山多糖的單糖組成、分子量、化學(xué)結(jié)構(gòu)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(jī)制

2.1 抗氧化

過量的自由基積累會(huì)損害人體的細(xì)胞、組織、甚至器官,引起炎癥、腫瘤等疾病。體外研究證實(shí),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(zhì)過氧化反應(yīng)的能力[20],表現(xiàn)出良好的抗氧化性。同時(shí),多糖也可通過提高體內(nèi)抗氧化酶的活性,減緩細(xì)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(jìn)行灌胃處理,測定小鼠血清中SOD 和CAT 活性、腦系數(shù)以及腦組織中MDA的含量,發(fā)現(xiàn)各劑量組淮山多糖均可以提高機(jī)體的抗氧化能力。

淮山多糖的抗氧化性與其一級(jí)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。Zhao等發(fā)現(xiàn)分子量低且醣醛酸含量高的多糖,能表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗氧化能力[19],不過也有研究者認(rèn)為,多糖的分子量越高越有利于生物活性的維持,因?yàn)楦叻肿恿坑欣诳臻g結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[22]。雖然多糖分子量和分子結(jié)構(gòu)中糖醛酸含量對其抗氧化能力的具體影響大小及作用機(jī)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(diào)節(jié)

免疫是人體破壞和清除機(jī)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(diào)節(jié)細(xì)胞因子、淋巴細(xì)胞和抗體水平來實(shí)現(xiàn)對機(jī)體免疫功能的調(diào)節(jié)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(shù)和吞噬指數(shù)相比對照組顯著升高;譚春愛[25]用淮山多糖喂食黃雞,結(jié)果發(fā)現(xiàn)淮山多糖組的IgA、IgM、IgG的含量明顯高于對照組?；瓷蕉嗵堑拿庖哒{(diào)節(jié)作用可能與多糖主鏈中具有活性的β-(1→3)糖苷鍵有關(guān)[26]。

2.3 維持腸道穩(wěn)態(tài)

病原菌能夠識(shí)別動(dòng)物腸壁細(xì)胞上的“特異性糖類”受體,一旦侵入機(jī)體消化道,便與之結(jié)合,破壞腸道菌群的平衡從而導(dǎo)致腸道疾病的發(fā)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(shí),淮山多糖也能夠促進(jìn)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(jié)腸菌群的影響,發(fā)現(xiàn)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(shù)量在盲結(jié)腸內(nèi)的增殖有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.4 保護(hù)肝臟

肝臟是人體內(nèi)以代謝功能為主的器官,擔(dān)負(fù)著機(jī)體重要的生命活動(dòng),具有生物轉(zhuǎn)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(jié)果發(fā)現(xiàn)多糖可在一定程度上修復(fù)受損肝細(xì)胞、提高T-SOD和GSH含量、降低轉(zhuǎn)氨酶活力、抑制脂質(zhì)過氧化反應(yīng),對肝臟能起到較好的保護(hù)作用[29-30]。淮山多糖還可與金屬離子結(jié)合作用,其效果比單組分有所提高。孫設(shè)宗等[31]研究探討了鎂離子和淮山多糖對CCl4肝損傷的保護(hù)作用,發(fā)現(xiàn)淮山多糖和鎂離子結(jié)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(shù),提高谷胱甘肽的含量從而起到保護(hù)肝臟的作用。

2.5 降血糖

糖尿病是一種慢性、多發(fā)病,死亡率僅次于腫瘤和心血管疾病,其發(fā)病機(jī)理還不完全清楚,主要表現(xiàn)為胰島β細(xì)胞受損從而導(dǎo)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(fù)受損的胰島細(xì)胞,又能促進(jìn)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(jī)體內(nèi)的血糖濃度[32-35]?；瓷蕉嗵且部赡芡ㄟ^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(qiáng)糖代謝能力[36],促進(jìn)血糖的利用。此外,賀凱等通過研究淮山多糖的降糖作用,發(fā)現(xiàn)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(fā)癥[37]。

3 淮山多糖的理化性質(zhì)

許多天然多糖由于具有良好的乳化性和流變學(xué)特性,在食品加工、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[14,38]。多糖除了能夠賦予產(chǎn)品獨(dú)特的保健功效外,還能改善產(chǎn)品的品質(zhì),如將靈芝多糖、枸杞多糖、銀耳多糖等作為增稠劑、穩(wěn)定劑、懸浮劑應(yīng)用于功能性飲料的生產(chǎn),可起到增稠、穩(wěn)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(tǒng)面制品易斷條、混湯等缺點(diǎn),增加面制品的持水性,促進(jìn)面筋結(jié)構(gòu)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(qiáng)肉制品的保水性、乳化性,提高肉制品質(zhì)量;天然多糖也是新型多功能化妝品研發(fā)的重要原料,它能強(qiáng)化化妝品的吸濕保水作用,同時(shí)達(dá)到抑菌、抗衰老、改善微循環(huán)等功效。研究淮山多糖的乳化性和流變學(xué)特性,將有利于促進(jìn)淮山多糖的應(yīng)用與產(chǎn)品開發(fā)。

3.1 淮山多糖的乳化性

關(guān)于多糖具有乳化性的原因有兩種解釋,一種認(rèn)為多糖本身就具有親水親油基團(tuán);另一種則認(rèn)為,多糖的乳化性與其所鍵合的蛋白類物質(zhì)有關(guān)[45-46]。研究表明,在一定條件下,淮山多糖能夠表現(xiàn)出優(yōu)于阿拉伯膠的乳化性,可作為潛在的天然乳化劑用于產(chǎn)品的穩(wěn)定、保濕、保型[17]?；瓷蕉嗵堑娜榛阅芘c其分子量和濃度密切相關(guān),在溶液中,低分子量和低濃度多糖的移動(dòng)速度一般高于高分子量和高濃度多糖,能夠去更快的到達(dá)油水界面,增強(qiáng)乳狀液的穩(wěn)定性[47]。同時(shí),溫度、pH和金屬離子可通過影響多糖或蛋白質(zhì)的溶解度,削弱或強(qiáng)化油水界面的保護(hù)膜,從而影響多糖的乳化能力[48]。

3.2 淮山多糖的流變學(xué)特性

掌握淮山多糖的流變學(xué)特性,可以預(yù)測其凝膠性和增稠特性,對于多糖類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)、質(zhì)量控制、感官評價(jià)、保質(zhì)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(diǎn)心、面包、飲料等食品的加工,既能增強(qiáng)產(chǎn)品的營養(yǎng)保健功效,又能賦予產(chǎn)品獨(dú)特的口感?；瓷蕉嗵堑牧髯冃阅苋Q于多糖的組成、結(jié)構(gòu)和與其他物質(zhì)的相互作用。多糖濃度、溫度、pH和淀粉、蛋白質(zhì)等雜質(zhì)可以通過改變糖鏈間的相互作用影響多糖的粘度、熱穩(wěn)定性和抗極性環(huán)境的能力,從而影響多糖的流變學(xué)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(jié)構(gòu)影響多糖的流變性能[52],所以,在具體的應(yīng)用中要對生產(chǎn)條件嚴(yán)加控制。

4 展望

多糖的結(jié)構(gòu)、功能及其作用機(jī)制是糖生物學(xué)的核心研究內(nèi)容之一,其理論和研究方法的進(jìn)步將帶動(dòng)生物醫(yī)藥、功能性食品等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,以醫(yī)藥和保健品為例,在全球現(xiàn)已開發(fā)的多糖藥物和保健品中,多糖類產(chǎn)品每年產(chǎn)生的價(jià)值近千億元[64]。目前,淮山多糖的抗氧化、增強(qiáng)免疫力、降血糖等功能活性已經(jīng)得到證實(shí),對其作用機(jī)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(jìn)行大量藥理和毒理學(xué)試驗(yàn),并加強(qiáng)對淮山多糖空間結(jié)構(gòu)、構(gòu)效關(guān)系和量效關(guān)系的研究。同時(shí),為開拓淮山多糖在食品、化妝品等領(lǐng)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(zhì)的作用機(jī)制,促進(jìn)其在酸奶、濃縮果汁、復(fù)合果酒、蛋糕、冰淇淋等加工中的應(yīng)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(chǎn)淮山多糖新品種以及研究高效栽培方式,為淮山多糖開發(fā)提供優(yōu)質(zhì)原料,并大幅降低多糖的生產(chǎn)成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。