关键词： 多糖; 生物活性; 结构; 功能; 应用
中图分类号： TS 202.1 文献标志码： 文章编号： 1000-5137（2021）02-0162-08
A review on the applications of bioactive plant polysaccharides in food
LI Jing， FAN Jiani， ZHANG Lingzhi， LYU Na， MENG Jiao， WU Xiaobin， LI Jing*
（College of Life and Sciences， Shanghai Normal University， Shanghai 200234， China）
Abstract： The natural polysaccharides from different sources have been studied and used widely in different fields such as food，medicine and pharmacy，and biological materials.In recent years，due to the biocompatibility，biodegradability，non-toxicity of polysaccharides，people focus on finding bioactive polysaccharides for various new applications.This article reviewed the sources，natural biological activities，isolation，characterization，and structural characteristics of polysaccharides.In addition，this article also provides that these functional polysaccharides may create new opportunities to maximize the use of their various valuable properties，especially the cell wall polysaccharides.This article aims to review novel strategies to research and develop the functional polysaccharides with the application potential in food.
Key words： polysaccharides; biological activity; structure; function; application
0 引言
多糖是自然界中最丰富的生物聚合物，广泛地存在于动物、植物和微生物中，是构成生命的四大物质之一，并参与许多重要的生物学过程，例如细胞间通信、胚胎发育、细菌或病毒感染，以及体液和细胞免疫[1-3].生物活性多糖是指对生物体具有生物作用的多糖，它既具有对人类和动物疾病的治疗活性，也具有导致疾病或致死的毒性[4].
尽管多糖已经在制药、生物材料、食品和生物燃料等领域应用了数十年，多糖的新型分子在各个领域应用和发展仍然有待于进一步深入研究[5-10].了解原料的成分和加工对其结构和相互作用的影响，以及在代谢过程中的机理，对于阐明食品与营养之间的关系至关重要.组成多糖的单糖可能是同分異构体，通过不同的序列变化、连接、支链和侧链分布构成杂多糖或所谓的半纤维素的大分子结构，再紧密地缠绕在一起[11-13].这种结构使它具有特异的加工特性和流变性质：多羟基结构和空间的折叠特性、良好的亲水性以及乳化能力.例如阿拉伯树胶、果胶等植物多糖，常作为稳定水包油乳液的乳化剂，应用在食品行业中.此外，微生物（真菌、酵母菌和细菌）、藻类、植物和动物中的多糖与其他分子（如蛋白质、多核苷酸、脂质、木质素和一些无机矿物质）通过物理或化学作用结合在一起，使这类分子的活性发生了改变，从而使多糖在生命科学研究中具有更高的研究价值.如植物多糖与蛋白质共价复合，可以提高植物多糖的乳化性能，这也是植物多糖作为乳化剂的应用研究前景[14].
本文通过阐述多糖的结构、活性，以及应用等方面的最新技术，强调了多糖在食品领域的研究现状和新兴领域应用的探索.目的是寻求新的功能性材料和研究策略，使多糖的生物活性有更多的应用前景.
1 多糖的来源和分类
多糖的分布非常广泛，几乎存在于所有植物、微生物和动物的机体中.基于化学成分的差异，可将多糖分为同质多糖和杂多糖.同质多糖是由一种单糖缩合、失水组成的多糖.一般同质多糖有一个固定的化学结构，各种不同来源的多糖，其分子量可以在一定范围内变化，甚至同一个来源的多糖的分子大小也有所不同.如淀粉、纤维素或糖原;杂多糖是由两种或两种以上不同的单糖分子组成的多糖.根据糖苷连接在聚糖上的位置，多糖也可以分类为蛋白聚糖、糖蛋白、糖脂和糖缀合物[15-16].根据起源，多糖可分为来自植物、藻类、地衣、菌类，以及由动物产生或衍生而来的多糖（例如肝素、硫酸软骨素和透明质酸）.这些多糖具有某些类似的结构特征，然而，它们可能会具有不同的生物活性. 2 植物多糖的结构和种类
植物多糖可分为两类：第一类是植物体内储存能量的物质，例如淀粉;第二类是构建植物组织的细胞壁多糖.植物细胞壁多糖被认为是具有多种功能的复杂多糖，它的骨骼成分由纤维素微纤维形成，纤维素微纤维被细胞壁中的非纤维素多糖（果胶、木聚糖、木葡聚糖）束紧.植物细胞壁由初生壁、胞间层、次生壁3部分构成.胞间层又称中胶层，位于两个相邻细胞之间，为两相邻细胞所共有的一层膜，主要成分为果胶质.果胶质存在于所有高等植物中，沉积于初生细胞壁和胞间层，在初生壁中与纤维素、微纤维素、木质素和某些伸展蛋白相互交联，形成凝胶介质散布于纤维素微纤维素网络中，是富有半乳糖醛酸（GlaA）的多聚糖.由于这些非纤维素结构多样，常具有生物活性，有很高的研究价值.图1是细胞壁的结构图，展现了细胞壁基质中的非纤维素多糖，如：果胶、木聚糖、木葡聚糖，嵌入在纤维素-半纤维素的网络中.
2.1 淀 粉
淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的多糖，基本构成单位为α-D-吡喃葡萄糖，是葡萄糖脱去水分子后，经由糖苷键连接在一起所形成的共价聚合物.通常淀粉是两种葡萄糖聚合物（直链淀粉和支链淀粉）的混合物.直链淀粉在很大程度上是无分支的螺旋结构，但可能含有一些长的分支[17]，由D-六环葡萄糖经α-1，4-糖苷键连接组成，可多达数千个葡萄糖单位;支链淀粉高度支化，以24～30个葡萄糖残基α-1，4-糖苷键首尾相连而成，支链处为α-1，6-糖苷键.由于支链淀粉分子具有一个还原末端基和许多非还原末端基，支链淀粉分子可能含有超过100 000个葡萄糖残基.在天然淀粉中直链淀粉约占20%～26%，它是可溶性的，其余的则为支链淀粉.尽管生物合成途径中的突变，可通过转基因工程技术可能改变直链淀粉与支链淀粉的比例，但天然植物来源淀粉中直链淀粉的占有比例仍然较低.直链淀粉和支链淀粉在自然界中不会单独存在，只能作为独立物质的一部分.
2.2 纤维素和半纤维素
纤维素是由1 000～15 000个D-吡喃葡萄糖通过β-（1-4）糖苷键连接而成的直链多糖，再通过氢键平行排列而组成的，是一类具有微晶束结构的物质.结晶度反映了纤维素聚集时形成结晶的程度;可及度表示无定形区的全部和结晶区的表面部分占总体的百分数，反映了试剂抵达纤维素羟基的难易程度，是纤维素化学反应的一个因素.一般大多数反应试剂只能穿透纤维素的无定形区，纤维素不溶于水，人体消化系统中的酶不能使纤维素水解.因此，纤维素不能提供营养和热量，但是可被大肠中的微生物发酵到不同程度，成为很好的膳食纤维来源.
半纤维素是一类杂聚多糖，因此总是和纤维素共同存在于植物细胞壁中.然而，半纤维素的化学结构与纤维素没有丝毫关系，也不是纤维素合成的前体.它的主链上可能含有D-木聚糖基、D-甘露糖基、D-葡萄糖基或D-半乳糖基，其他的糖类可以成为支链而连接在主链上.大多数细胞壁都含有半纤维素，但是糖的种类、结构和细胞壁层之间的含量有很大差异.最普遍存在的半纤维素是由β-（1-4）-D-吡喃木糖组成的木聚糖，侧链上常含有β-L-吡喃阿拉伯糖基.半纤维素在植物资源中的质量分数大约为1/4～1/3，也是良好的膳食纤维的来源.
2.3 果 胶
果胶多糖具有极其多样的结构，但是又具有一些共同的特征，例如在多糖主链中存在半乳糖醛酸.主要的果胶多糖有3种：同型半乳糖醛酸聚糖（Homogalacturonan，HG）、鼠李半乳糖醛酸聚糖I（Rhamngalacturonan I，RG-I）、鼠李半乳糖醛酸聚糖II（Rhamngalacturonan II，RG-II）[18].同型半乳糖醛酸含有（1→4）-α-连接的半乳糖醛酸单元，偶尔也会有鼠李糖残基（图2）.RG-I具有（1→4）-α-D-半乳糖醛酸（1→2）-α-L-鼠李糖的重复骨架[19].鼠李糖的残基可以被支链的阿拉伯糖或半乳糖聚糖取代.RG-II的HG主链上可以被12种不同的单糖和20种不同的链接修饰，包括一些稀有的糖，如2-O-甲基木糖、2-O-甲基岩藻糖[20].不同的果胶多糖不是独立的分子，而是由共价连接的域组成.特异性多糖化学结构的另一个重要特征是在半乳糖醛酸的羧酸基团以及乙酰化的羟基上都存在甲酯.在所有天然果胶中，一些羧基以甲酯形式存在.这些修饰发生的程度对多糖的水溶性及溶解度有很大的影响.
2.4 木聚糖
木聚糖是细胞壁中最丰富的非纤维素杂多糖，通常由吡喃木糖通过β-（1→4）糖苷键相连，侧链上连接着不同的取代基，例如，具有（1→2）连接的4-O-甲基-α-D-葡萄糖醛酸侧基、L-阿拉伯糖侧基等.这些侧链与多糖的来源以及结构息息相关.如C2或C3处被乙酰化的O-乙酰基-4-O-甲基葡糖醛酸木聚糖是硬木中的主要非纤维素多糖，质量分数在干燥木材中占15%～30%.在軟木中的木聚糖，主要以阿拉伯4-O-甲基-葡糖醛酸木聚糖的形式存在，它们具有（1→3）连接的α-L-阿拉伯呋喃糖，和（1→2）连接的4-O-甲基-α-D-葡萄糖醛酸侧基.自然界中的木聚糖大部分为异构聚多糖，侧链上有乙酰基、葡萄糖醛酰基、阿拉伯糖基和阿拉伯糖酰基等多种取代基（图3）.在单子叶植物（特别是草本植物）细胞壁中，若木聚糖的主链（1→4）-β-连接的D-木糖单元的C2或C3位被L-阿拉伯糖取代，则成为阿拉伯木聚糖.阿拉伯木聚糖可能被进一步修饰或发生阿魏酸化，从而导致细胞壁成分的氧化交联.支链较多的阿拉伯聚糖比支链较少的阿拉伯木聚糖更易溶解. 2.5 木葡聚糖
木葡聚糖存在于所有的被子植物（开花植物）细胞壁的初生层和胶质层中，普遍被认同的结构为：主链是β-1，4糖苷键连接的葡聚糖，葡萄糖残基骨架的6位置部分被α-D-木糖基取代，侧链木糖基的2位置部分被β-D-半乳糖取代（图4）.木葡聚糖中可能还包含可变比例的（1→3），（1→4）-β-葡聚糖结构.主要的物种特异性差异发生在与双子叶植物木糖残基相连的半乳糖基和岩藻糖基-半乳糖基残基上[21]，以及在单子叶植物中较少的木糖基残基上[22].在植细胞壁中也发现了一些乙酰化的木葡聚糖分子[23].由于1，4-β-葡聚糖主链可以作用于纤维素微纤维之间的链接，因此木葡聚糖交联时有助于细胞壁的刚性，影响着邻近的微纤维和细胞壁的降解[24].实际上，这些微纤维似乎被木葡聚糖包围着，并且在细胞的伸长过程中，木糖葡聚糖都在微纤维之间，对植物的生长发育起着一定的控制作用[25].
3 多糖的生物活性
3.1 抗氧化活性
众所周知，体内自由基的增加将导致T细胞损伤，从而使免疫功能下降，同时增加心血管和脑血管疾病的风险.在正常情况下，自由基调节细胞生长并抑制病毒和细菌[26].天然提取物是非常有效的抗氧化剂来源，尤其是多糖，具有清除自由基的能力.近年来的研究发现，某些多糖可以抑制脂质过氧化，从而抑制心血管和脑血管疾病[27].黄芪多糖和黄连多糖通过阻断NF-κB途径抑制活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生[28-29].冬虫夏草多糖通过ERK/Akt途径抑制PDGF-BB诱导的炎症和ROS产生[30].大部分植物多糖的抗氧化活性归因于它们的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD），CAT和GSH-Px抗氧化酶活性.
3.2 免疫调节活性
免疫刺激被认为是预防和抵抗感染、炎症性疾病和癌症的重要身体防御策略之一.据报道，这些多糖与巨噬细胞、树突状细胞或单核细胞上的Toll-like受体等结合，激活它们以释放促炎因子、细胞因子和趋化因子，从而帮助宿主构成强烈的免疫反应.植物多糖具有多种有益的药理作用，可调节巨噬细胞的免疫功能，可直接激活巨噬细胞、T或B淋巴细胞，自然地杀死细胞.另一方面，它可以促进细胞因子的产生，从而在多通道和多层次上实现免疫系统的调节.因此，发现和评价具有免疫刺激特性的多糖已经成为化学、生物学和医药学中重要的研究之一.
3.3 抗糖尿病活性
糖尿病已成为严重威胁人类健康的慢性疾病之一.DM是内分泌系统的一种慢性代谢性疾病，其特征是持续的高血糖症，并伴有碳水化合物、脂肪和蛋白质代谢异常而导致的慢性并发症.在过去的研究中，发现天然产物中的多糖大分子具有多种生物活性和治疗各种慢性疾病的显着功效.例如从蘑菇和藻类提取的多糖都具有治疗DM的潜力，而黄芪和熟地黄已在中国广泛应用于治疗糖尿病[31].有研究[32]证明：黄芪多糖通过对胰岛β细胞的保护作用增加了胰岛素分泌，从而改善葡萄糖和脂质代谢.地黄多糖是糖尿病的潜在治疗方法，因为它可以有效减轻链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠的高血糖、高血脂、血管炎症和氧化应激[33].灵芝多糖可以增加血浆胰岛素水平，降低血浆糖水平，从而具有降血糖活性[34].植物多糖在糖尿病治疗中具有疗效稳定、无副作用、能有效预防并发症等优点.
3.4 其他生物活性
除了上述的生物活性外，多糖还被报道了具有抗病毒、抗真菌、抗炎症、抗辐射、抗癌活性，以及许多其他药学活性的全新分子.黄芪多糖对传染性法氏囊病病毒具有抗病毒活性，还可以降低雏鸡感染炎症性肠病毒的发病率和死亡率[35-36].研究[37-40]表明岩藻依聚糖通过介导的不同信号途径发挥抗癌作用，以调节细胞凋亡，抑制肿瘤转移，并增强化学药物的毒性作用.多糖的抗炎活性主要是由于能抑制趋化因子和黏附因子的表达，以及其在炎症过程中关键酶的活性.枸杞多糖通过抑制NF-κB和AngII的表达来降低MCP-1mRNA和ICAM-1mRNA的表达，从而减轻糖尿病肾脏的炎症反应[40-41].此外，還有研究表明：从百日草提取的多糖在体内具有抗辐射活性[42].甚至还有报道将多糖用于神经保护药，促进毛发生长、抗呕吐、抗青光眼、造血、促进生长、保护肝脏、抗动脉粥样硬化等药物治疗的领域.
4 多糖的应用
多糖一直是国内外各个科学领域的研究热点.一般来说，多糖的应用可分为两类：一类是利用多糖易形成凝胶，具有高渗透压、高黏度和吸水率等理化性质，可制备食品、食品添加剂、药物原料、药物脱模剂和血浆替代品;另一种是利用多糖的生物活性，如调节免疫功能、抗病毒、抗真菌、抗炎症、 抗肿瘤等活性，以制备功能性食品，开发具有治疗价值的疫苗或新药. 4.1 淀 粉
目前，以淀粉为基础进行改良，使得淀粉特性更加突出.在面粉中加入抗性淀粉制作的面包，其含水量增加，面包颜色更深、质地更紧实，但不会改变口感.淀粉-卡拉胶复配物应用于速冻食品的生产，使未冻结食品黏度急剧增加，减小溶质的自由体积，提高了微晶数目，能够提高冷冻食品质量，延长货架期.利用直链淀粉的成膜性可以制备淀粉基可食用膜，有效抑制微生物生长，控制酶促反应，降低食品中的水分活度[43].
4.2 纤维素
纤维素及其衍生物具有生物活性、可降解性等优良特性，被广泛应用于食品行业.利用纤维素制备的保鲜膜来对食品进行包装，可以减少水果蔬菜以及鲜肉等食品的失重，保鲜效果更好，从而延长了货架寿命.利用超声波处理纤维素，由于其比表面积大，含有亲水性羟基，可以作为乳化剂和稳定剂，制作人造黄油、蛋糕、沙拉酱、布丁等多种食品，加入纳米纤维素制备的食物能量密度也会降低.天然纤维素经稀无机酸水解后的产物为微晶纤维素，其具有高结晶度、高聚合度、比表面积大和高吸水性等特性.将微晶纤维素作为乳化剂和稳定剂应用于乳制品中，可提高乳制品稳定性，产品口感更加饱满且爽滑，货架寿命在一定程度上得到延长.在肉制品中，微晶纤维素不仅可以使肉制品保持稳定性，从而延长保存期，还可以代替肥肉，大大减少肉制品热量.
4.3 木葡聚糖
木葡聚糖耐酸堿、黏度较高，具有良好的热稳定性，在食品行业可作为增稠剂、稳定剂和凝固剂等，以此改善食品多种性能.木葡聚糖可以形成凝胶，性能优于果胶，所以可部分代替果胶，用于制作果酱、果冻、糖果、冰激凌等食品.在制作面包的过程中，木葡聚糖的加入也会影响面团的物理性质和面包品质，可以提高面团稳定性，使得面包更加柔软.木葡聚糖也具有成膜性，然而，在高湿度条件下，以木葡聚糖为基础的薄膜的性能会受到限制[44].采用化学处理方法，结合其他分子得到的改性木葡聚糖薄膜的机械和阻隔性能得到增强，可满足不同食物的包装需求.
5 结 语
多糖作为一类重要的天然活性物质，有来源广泛、毒副作用小的优点.因其丰富多样的生物学活性，可用作食品添加剂，起到乳化、增强持水性、提高食品的稳定性等作用，还可以添加至食品中，使食品具备一定的药理功能.多糖的应用领域，不仅仅局限于作为食品原材料的使用，而应该在食品生产加工过程中发挥更重要的作用，如具有功能性食品的开发;利用其成膜性制作安全无毒的包装等.多糖药食两用的特性使其在食品和医药领域中有着巨大的发展潜力，通过对多糖结构、生物活性等的不断深入研究，能使多糖在各个领域得到更广泛的应用.
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（責任编辑：顾浩然，包震宇）