李哲斌

(商丘職業(yè)技術學院 食品工程學院,河南 商丘,476100)

芋頭(Colocasiaesculenta(L).Schott)是天南星科的塊莖作物,主要種植在熱帶和亞熱帶地區(qū),是碳水化合物的重要來源,它也是非洲和亞洲部分地區(qū)居民的主食[1]。我國芋頭資源十分豐富,種植范圍廣,在全球芋頭出口市場中占據(jù)主導地位[2]。此外,芋頭還是一種很好的功能性食品資源,因為它含有豐富的淀粉、多糖、膳食纖維、礦物質以及多種維生素,具有很高的營養(yǎng)價值和保健功能[3]。芋頭淀粉顆粒較小,不同品種的粒徑大小約為0.5～5.0 μm。因此,它易在胃腸道內消化吸收,尤其適用于幼兒和病人食用[4]。同時,芋頭淀粉可作為飲料的乳化劑、穩(wěn)定劑、增稠劑,提高飲料的口感[5]。芋頭含有多種維生素,與其他塊莖(馬鈴薯和紅薯)相比,含有更高的維生素A;它還含有人體所需的礦物質,如鈣、鉀、鈉、鎂等[6]。據(jù)《新修本草》中的記載,芋味甘、辛、平,有消痰、軟堅、生肌的功能,可治療多種疾病?，F(xiàn)代醫(yī)學研究表明芋頭中的活性成分主要包括多糖和多酚,具有抗炎、抗癌、降血糖、降血脂等藥理活性[7-8]。

多糖是生物體的重要組成部分,廣泛存在于植物、動物和微生物中,對生命活動至關重要。芋頭多糖主要存在于芋頭球莖和芋頭皮中,其中芋頭球莖中多糖含量最高。許多研究表明芋頭非淀粉多糖主要是一種果膠型多糖,具有免疫調節(jié)、抗氧化、降血糖和降血脂活性[9-11]。因此,本文對芋頭多糖的提取、純化、結構表征及生物活性進行歸納總結,為芋頭多糖在食品工業(yè)和生物醫(yī)藥領域的研究與發(fā)展提供新的思路與理論依據(jù)。

1 提取與純化

1.1 芋頭多糖的提取

多糖是細胞壁的重要組成成分,根據(jù)“相似相溶”的原理,破壞細胞壁,可使多糖從細胞壁中溶出[12]。因此,多糖的提取、分離和純化必須根據(jù)多糖的理化性質和分子質量來選擇合適的方法。芋頭多糖提取方法有很多,主要包括水提法、微波輔助提取法、酶輔助提取法、脈沖電場輔助提取法和超聲波輔助提取法等[9,13-18]。見表1。

劉萍等[13]以龍香芋為原料優(yōu)化芋頭多糖提取工藝,在料液比1∶6(g∶mL)、提取溫度80 ℃、提取時間6 h,乙醇體積分數(shù)85%條件下,芋頭多糖提取率為(4.92±0.18)%。PARK等[19]為降低芋頭多糖中淀粉雜質的含量采用低溫萃取芋頭多糖,在4 ℃條件下通過冷水萃取,芋頭多糖的產(chǎn)量為1.4%。為提高芋頭多糖提取率通常采用多種方法輔助提取,如微波輔助提取法、超聲波輔助提取法、脈沖電場輔助提取法等。姜紹通等[14]采用響應面優(yōu)化微波輔助提取芋頭多糖工藝,最佳條件為:提取溫度82 ℃、時間3 h、微波功率395 W、微波時間77 s,多糖提取率為5.57%。劉楠楠[8]采用超聲波輔助酶法提取芋頭多糖,當纖維素酶添加量為0.3%、酶解溫度50 ℃、酶解時間2.5 h、超聲時間25 min時芋頭多糖得率為23.24%。ANWAR等[16]對比3種不同提取方法對芋頭皮非淀粉多糖提取率的影響。研究表明,與傳統(tǒng)水提法相比超聲輔助提取法和脈沖電場輔助提取法的提取率更高分別為3.65%和2.25%。除此之外,ANWAR等[18]還采用凍融提取法提取芋頭水溶性非淀粉多糖,與常規(guī)方法相比多糖提取率增加了227.8%,且多糖純度更、高顏色更淺。綜上所述,不同的原料、生理階段和提取方法都會導致芋頭多糖的提取率、理化性質和功能活性不同。因此,在提取芋頭多糖時應考慮多種因素。

表1 多糖提取方法評價Table 1 Evaluation of extraction methods of polysaccharides

1.2 芋頭多糖的純化

通過上述方法提取的芋頭粗多糖通常含有多種雜質,特別是蛋白質、色素、小分子化合物等[20]。因此,在研究芋頭純多糖結構與活性之前,須對粗多糖進行純化,去除多糖粗提物中非多糖成分,從而富集多糖成分。目前粗多糖除蛋白質常用的方法有Sevag法、三氯乙酸、酶法等。多糖除蛋白后通常還含有色素,因此需對其做進一步脫色處理,目前常用的脫色方法有氧化法和吸附法等[12,17,20-21],如表2所示。

表2 芋頭多糖提純Table 2 Refinement of polysaccharides from taro

芋頭多糖常見的純化方法包括分級醇沉法、離子交換柱層析法和凝膠滲透柱層析法。其中分級醇沉法簡單方便,但得到的多糖分子質量分布較廣且仍是混合多糖,還需進一步純化[22]。比如離子交換柱層析法和凝膠層析法是純化芋頭多糖最常見的方法,PARK等[19]結合DEAE-Sepharose Fast Flow離子交換柱分離和Sephadex G-100凝膠層析柱純化,得到均一的芋頭多糖組分(Taro-4-Ⅰ)。姜紹通等[14]采用DEAE-52離子交換柱和SephadexG-75凝膠層析柱從芋頭粗多糖中分離純化得到3種均一的芋頭多糖組分(TPS1p、TPS2p1和TPS3p2)。此外,LI等[23]經(jīng)DEAE-Sepharose Fast Flow離子交換柱分離、Sephacryl S-200凝膠層析柱純化從芋頭粗多糖中得到2種均一組分(TPS-1和TPS-2),其純度分別為94.3%和95.4%。

2 芋頭多糖結構表征

多糖的結構表征對于挖掘其構效關系至關重要。單糖組成、分子質量和化學結構會影響多糖的基本理化性質,從而影響其活性機制[24]。為了解芋頭多糖的結構與功能關系,有必要對其結構進行深入研究。多糖是一種結構復雜的生物大分子,結構表征不僅包括單糖組成和分子質量,還包括糖苷鍵的類型、糖殘基的組成、連接位點和順序。通常采用甲基化分析、Smith降解、高碘酸鹽氧化、核磁共振、高效液相色譜法、氣相色譜-質譜法、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等方法解析多糖結構[20,22,25]。不同品種、提取方法和純化方法都可能會導致多糖結構的不同,表3總結了近年來芋頭多糖的結構特征。

表3 芋頭多糖結構表征Table 3 Structural characterization of polysaccharide from taro

從近年來芋頭多糖的研究可以發(fā)現(xiàn),芋頭多糖主要由鼠李糖、阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖、木糖以及糖醛酸組成,且多糖分子質量分布較廣,為104～106Da。PARK等[19]從芋頭粗多糖中分離得到Taro-4-Ⅰ組分,分子質量為200 kDa,其單糖組成由半乳糖、甘露糖、葡萄糖、糖醛酸以摩爾比38.9∶19.2∶4.2∶35.6組成。此外,康慶等[27]從芋頭水溶性多糖分離出2種組分(TPS1和TPS2)。其中TPS1中的多糖為α構型吡喃多糖,主要由D-甘露糖(21.79%)、L-鼠李糖(4.90%)和D-葡萄糖(73.31%)組成;TPS2中的多糖為β構型呋喃多糖,主要由D-甘露糖(7.15%)、L-鼠李糖(25.86%)、D-半乳糖醛酸(56.93%)和D-葡萄糖(10.03%)組成。NGUIMBOU等[30]發(fā)現(xiàn)芋頭多糖中還含部分糖蛋白,主要為阿拉伯半乳糖蛋白,除此之外還有大量的鼠李糖、木糖、甘露糖以及葡萄糖醛酸。

LI等[23]從芋頭粗多糖中分離出中性多糖TPS-1和酸性多糖TPS-2兩種組分,分子質量分別為10.502 kDa和10.191 kDa,其中TPS-1主要由鼠李糖(8.5%)、木糖(0.73%)、葡萄糖(88.57%)、半乳糖(2.56%)組成,TPS-2主要由鼠李糖(3.54%)、阿拉伯糖(1.6%)、葡萄糖(87.92%)、半乳糖(6.94%)組成。兩種組分經(jīng)過甲基化、NMR一維圖譜解析,結果表明,TPS-1由(1→3)-β-L-Rha、(1→4)-β-D-Xyl、(1→)-α-D-Glc、(1→6)-α-D-Glc、(1→2,6)-α-D-Glc、(1→2)-β-D-Gal組成,其摩爾比8.62∶1.31∶9.24∶60.58∶17.99∶2.27;TPS-2由(1→2)-α-L-Rha、(1→3)-α-L-Arf、(1→)-β-D-Glc、(1→4)-β-D-Glc、(1→4,6)-β-D-Glc、(1→3)-α-D-Gal以摩爾比3.67∶2.13∶12.25∶54.98∶19.54∶7.44組成。此外,從芋頭球莖中分離出多糖CE-4a,經(jīng)過化學分析和多種儀器檢測后發(fā)現(xiàn),CE-4a主要由半乳糖(43.5%)和甘露糖(18.2%)組成;結合甲基化和酶解結果表明,CE-4a是一種具有(1→4)-Man骨架和低聚半乳糖側鏈的高度支鏈半乳甘露聚糖[26]。

3 芋頭多糖結構修飾

許多研究表明,多糖是一種具有生物活性的大分子,但一些多糖本身不具有生物活性或生物活性很低,而多糖的生物活性受其結構的影響。多糖的化學修飾可以改變其取代基的類型、大小、位置、分子質量和空間結構從而提高其生物活性[31]?；瘜W修飾可以增強芋頭多糖的生物活性,提高多糖的利用率和溶解度等。多糖結構修飾方法很多,如硫酸化、羧甲基化和磷酸化,其中硫酸化修飾最常用如表4所示[32]。

表4 多糖硫酸化修飾Table 4 Polysaccharide sulfation modification

GAMAL-ELDEEN等[33]使用發(fā)煙硫酸和甲酰胺形成的硫酸化試劑制備芋頭硫酸化多糖。研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過硫酸鹽處理后,芋頭多糖硫酸鹽取代率為48%,硫酸化度為2.3。經(jīng)過改性后,多糖對自由基(羥自由基和過氧化自由基)的強清除能力、免疫調節(jié)能力和抗腫瘤特性,從而提高了芋頭多糖的生物活性。

4 芋頭多糖生物活性

近年來,芋頭多糖因其豐富的生物學特性和藥理作用而受到生物和醫(yī)學領域的廣泛關注。在體內外的實驗中表現(xiàn)出良好的生物活性,包括免疫調節(jié)、抗氧化、抗腫瘤、降血糖、降血脂等[10,15,34]。

4.1 免疫調節(jié)

多糖是一類具有免疫調節(jié)活性的非特異性免疫調節(jié)劑,它可以通過與免疫細胞表面的受體結合,激活不同的信號通路來調節(jié)免疫系統(tǒng)[22]。芋頭多糖通過調節(jié)免疫細胞(T細胞、B淋巴細胞、巨噬細胞和自然殺傷細胞)的比例和分化狀態(tài)來發(fā)揮作用[10,27]。巨噬細胞在免疫過程中表現(xiàn)出多種功能,是評價生物活性和免疫調節(jié)的重要指標。此外,多糖可以刺激巨噬細胞分泌一氧化氮和某些細胞因子,如白細胞介素(interleukin-2, IL-2、interleukin-6, IL-6)、干擾素(interferon-γ, IFN-γ)和腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor-α, TNF-α)清除病原體,提高機體抵抗微生物感染和抗腫瘤細胞的能力[35]。

LI等[23]從芋頭中分離出2種非淀粉多糖組分(TPS-1和TPS-2),研究表明TPS-2在誘導巨噬細胞分泌NO、TNF-α和IL-6水平方面比TPS-1表現(xiàn)出更強的免疫調節(jié)活性,且TPS-2的受體為TLR2、TLR4、GR和SR(圖1)。當TPS-1的濃度為250～1 000 μg/mL時,芋頭多糖才能誘導巨噬細胞釋放NO和細胞因子。然而,當TPS-2質量濃度為62.5～1 000 μg/mL時,巨噬細胞產(chǎn)生的NO、TNF-α和IL-6的作用更為顯著。從芋頭球莖中分離出2種水溶性多糖TPS1和TPS2在25～400 μg/mL質量濃度范圍內對巨噬細胞無毒害作用。其中TPS1可提高RAW264.7細胞的中性紅吞噬能力,TPS2則表現(xiàn)出更強的免疫活性,能促進NO、TNF-α、IL-1β的分泌[27]。ANWAR等[36]以HT-29細胞為研究對象,探討水溶性非淀粉多糖(taro corm water-soluble non-starch polysaccharide,Tc-WS-NSP)的免疫調節(jié)作用。結果表明,Tc-WS-NSP可下調IL-8,促進機體免疫反應,并有可能成為治療或緩解免疫功能低下和免疫缺陷疾病的免疫調節(jié)劑。此外,芋頭還含有糖蛋白,它類似于多糖的免疫調節(jié),具有增強免疫系統(tǒng)的作用。純化的糖蛋白能抵抗環(huán)磷酰胺引起的小鼠白細胞數(shù)量減少,使白細胞能否迅速恢復[30,37]。

然而,多糖還通過增強機體免疫調節(jié)能力破壞腫瘤細胞以及影響癌基因的表達而發(fā)揮抗腫瘤作用。PARK等[19]研究發(fā)現(xiàn)芋頭多糖組分Taro-4-Ⅰ能促進巨噬細胞分泌IL-6、TNF-α,且呈劑量依賴性;且Taro-4-Ⅰ可以通過誘導巨噬細胞分泌IL-12,從而激活自然殺傷細胞抑制黑色素瘤細胞的肺轉移(圖2)。

4.2 抗氧化

由于外界的影響和人體自身的新陳代謝,人體會不斷產(chǎn)生自由基。在正常情況下,體內自由基的產(chǎn)生和消耗處于動態(tài)平衡。過多自由基的存在會打破動態(tài)平衡破壞機體免疫系統(tǒng),從而導致多種疾病,如高血壓、心腦血管疾病、糖尿病、神經(jīng)退行性疾病[21]。大多數(shù)植物多糖具有清除自由基、提高氧化酶活性、抑制脂質過氧化和延緩衰老的功能[38-39]。

芋頭多糖抗氧化能力通常通過各種自由基檢測來評價,如DPPH自由基、羥自由基、ABTS陽離子自由基、超氧陰離子自由基清除能力。SHEHATA等[40]通過抗氧化能力測試發(fā)現(xiàn),芋頭皮多糖(taro scalp polysaccharides,TP)對DPPH自由基和ABTS陽離子自由基的清除率分別為(50.30±2.26%)和(55.91±1.54%),表明TP具有良好的抗氧化活性。劉楠楠[8]研究粗多糖和純化多糖抗氧化活性;結果表明,粗多糖和純化多糖均具有較強的自由基清除能力,且呈濃度依賴性。其中純化多糖對羥自由基和超氧陰離子自由基最大清除能力分別為93.04%和70.64%。

圖1 TPS-1和TPS-2的免疫調節(jié)Fig.1 Immunoregulation of TPS-1 and TPS-2

圖2 Taro-4-I的免疫調節(jié)Fig.2 Immunoregulation of Taro-4-I

4.3 降血糖、降血脂

高血糖、高血脂是引起糖尿病的重要因素,若不及時治療會引起多種并發(fā)癥。芋頭多糖可以改善糖尿病患者的糖代謝和脂質代謝異常,同時還可以緩解其他并發(fā)癥的發(fā)生[41]。蘇穎杰[28]研究芋頭多糖對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的抑制作用,同時使用HepG2細胞探索芋頭多糖對糖代謝的影響。研究表明,芋頭多糖對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶均有一定的抑制作用,對2種酶的半數(shù)抑制濃度IC50分別為4.02和3.1 mg/mL;同時,芋頭多糖也表現(xiàn)出良好的膽酸鹽結合能力,具有一定的降脂功能;同時促進HepG2細胞攝取葡萄糖,調節(jié)糖代謝酶活性。此外,BOBAN等[29]探究芋頭多糖對大鼠脂質代謝的影響,發(fā)現(xiàn)芋頭多糖能夠降低血清和組織中的脂質水平,減少肝細胞分泌含有載脂蛋白的脂蛋白,從而改善機體脂代謝異常。

5 構效關系

目前關于芋頭多糖構效關系的研究較少,主要集中在多糖一級結構上。而芋頭多糖的完整結構和活性機制尚不清楚,構效關系有待進一步探討。根據(jù)已有的研究發(fā)現(xiàn)可能存在的構效關系。在LI等[23]的研究中,TPS-2具有更強的免疫活性,可能是由于阿拉伯糖、(1→4)-β-D-Glc支鏈和(1→6)-β-D-Glc殘基的存在,從而增強了多糖的免疫效果。LEE等[26]研究表明,CE-4a是由(1→4)-Man主鏈和低聚半乳糖側鏈組成的高度支化半乳甘露聚糖,這種結構可以增加芋頭多糖的黏度并提高其免疫活性。

6 芋頭多糖的應用

多糖具有良好的生物相容性、無毒性和廉價易得的特性,廣泛應用于食品、醫(yī)療、環(huán)境等領域[11]。由于生活水平的提高,越來越多的人正在追求綠色健康的生活方式,特別是在飲食和醫(yī)藥方面,消費者更喜歡含有天然添加劑的食品和藥品。

芋頭多糖可用作食品增稠劑[9]。HUSSEIN等[42]使用添加量為0.3%的芋頭多糖來制備酸奶。發(fā)現(xiàn)酸奶的酸度、黏度和風味增加,這些結果表明,芋頭多糖可以改善酸奶的外觀、質地和風味,可用作食品工業(yè)中的添加劑。同時,芋頭多糖也具有良好的膨脹性,可作為藥物領域的載體。如添加到口腔崩解片中,從而使功能成分迅速溶解,在患處發(fā)揮作用[43]。此外,芋頭多糖還可作為吸附劑使用。MIJINYAWA等[44]探索芋頭多糖對水中亞甲基藍的吸附性能。研究表明,在一定條件下,芋頭多糖的去除率可達72.35%,表明有芋頭多糖可以作為一種綠色、經(jīng)濟的吸附劑。

7 結論與展望

芋頭作為一種塊莖作物而被廣泛種植,除本身具有較高的營養(yǎng)價值,其藥理作用也備受關注。多糖是芋頭的主要成分,由于其無毒副作用以及具有優(yōu)異的免疫調節(jié)、抗腫瘤和降血脂等活性功能,使芋頭非淀粉多糖在功能性食品和醫(yī)藥領域有巨大開發(fā)潛力。近年來,芋頭多糖的研究結果不斷更新,但就目前的研究結果而言,仍有許多問題亟待解決。首先,芋頭多糖現(xiàn)有的提取、純化方法復雜且產(chǎn)率低。在功能性食品和醫(yī)藥領域需要簡單、有效的方法大規(guī)模生產(chǎn)高質量芋頭多糖。因此,應探索更加高效的多糖提取純化方法。其次,芋頭多糖的結構分析主要集中在單糖組成、分子質量、糖苷鍵類型、位置等初級結構上,而高級結構需要運用更加先進的分析工具進一步闡明。第三,由于芋頭多糖結構復雜多樣,多糖結構與生物活性之間的構效關系尚未完全闡明?？蛇\用“組學”技術,如代謝組學、微生物組學、蛋白質組學、基因組學、轉錄組學和生物信息學研究多糖生物活性機制,闡明芋頭多糖的構效關系。第四,由于芋頭多糖廣泛應用于功能性食品和醫(yī)藥領域,因此對芋頭多糖相關產(chǎn)品的功效、質量控制和安全性評價必不可少。第五,運用新興技術對芋頭多糖結構進行修飾,能進一步提高其生物活性。然而,衍生物官能團的衍生化程度及其安全性需要進一步深入研究。