景永帥，程文境，張鈺煒，張瑞娟，張丹參，鄭玉光，吳蘭芳*

（1.河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院，河北石家莊050018；2.河北中醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，河北石家莊050200）

姜（Zingiber officinale Rosc.），又名白姜、均姜，是一種常用的藥食兩用資源，其根莖、葉均可入藥，在我國資源豐富、栽種歷史悠久。姜在中醫(yī)臨床應(yīng)用中有生姜、干姜、炮姜等。其中，生姜是姜的新鮮根莖，早在梁代，陶弘景在《名醫(yī)別錄》便將生姜作為單獨的一味藥物，具有解表散寒、溫中止嘔、化痰止咳的功效，又可作烹調(diào)配料或制成醬菜、糖姜等；將生姜切片曬干或烘干后即得干姜，始載于《神農(nóng)本草經(jīng)》，其具有溫中散寒，回陽通脈等功效[1]；干姜經(jīng)砂燙法制得的炮制加工品即為炮姜，最早記載于東漢《傷寒論》，具有溫經(jīng)止血、溫和止痛等功效[2]。

姜含有多種活性成分，如多糖、多酚、萜類、姜辣素及其衍生物等[3]，其中，姜多糖作為姜的有效成分之一，受到了研究人員的廣泛關(guān)注。研究姜多糖的提取是對其深入研究及開發(fā)應(yīng)用的基礎(chǔ)，探究其最佳提取工藝，能夠提高姜多糖的得率，進而降低成本，增加利用率。姜多糖的生物活性一般都依賴于其結(jié)構(gòu)特征，多糖的單糖組成、糖苷鍵類型、空間構(gòu)型等都是影響其活性的因素，對姜多糖結(jié)構(gòu)的研究是其作為新型生物活性產(chǎn)品應(yīng)用的先決條件。因此，該文對近幾年國內(nèi)外關(guān)于姜多糖提取工藝、結(jié)構(gòu)特征以及藥理活性等方面進行綜述，以期能為提高姜及其多糖的有效利用以及深入研究姜多糖結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系提供依據(jù)。

1 提取工藝

多糖是一類生物大分子，近幾年來，科研工作者們對多糖的提取技術(shù)進行了系列的研究與探索，在傳統(tǒng)溶劑提取法的基礎(chǔ)上，建立了多種多糖的提取技術(shù)，如熱水提取法（hot water extraction，HWE）、超聲輔助提取法（ultrasonic assisted extraction，UAE）、微波輔助提取法（microwave assisted extraction，MAE）、酶輔助提取法（enzyme assisted extraction，EAE）等。除了上述提取方法外，還可以采用超高壓提取法（ultra-high pressure extraction，UHPE）、超聲細胞研磨提取法（ultrasonic cell grinder extraction，UCGE）、聯(lián)合提取法等方法來提取多糖物質(zhì)。姜多糖各提取法工藝優(yōu)化參數(shù)見表1。

表1 姜多糖各提取法工藝優(yōu)化參數(shù)Table 1 Optimization of extraction process parameters of ginger polysaccharide

Liao等[14]利用UCGE法提取生姜多糖，與HWE、EAE法相比，UCGE的多糖提取率最高，為（18.06±0.05）%。Chen等[11]分別應(yīng)用熱水浸提、堿溶液提取法提取生姜莖 葉 多 糖 （ginger stems and leaves polysaccharides，GSLPs），對比后發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用堿性溶液對其提取后所得多糖的提取率最高、生物活性最好。由此可知，可以通過改變?nèi)軇┑念愋蛠硖岣叨嗵堑奶崛÷?。Chen等[15]經(jīng)UAE提取的姜渣多糖（ginger pomace polysaccharides，GPPs）的抗氧化活性均優(yōu)于經(jīng)HWE提取的GPPs。即UAE在提高多糖的提取率的同時，保證了GPPs擁有較高的抗氧化活性。

2 姜多糖的分離純化

姜粗多糖中常含有蛋白質(zhì)、色素及部分小分子物質(zhì)，這些物質(zhì)的存在會影響后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析和機制研究。姜多糖常用的除色素方法有活性炭吸附法、過氧化氫法、離子交換樹脂法及大孔吸附樹脂法等[16]。常用的除色素方法有Sevag法、三氯乙酸法、三氟三氯乙烷法等[17]。對于無機鹽、單糖和寡糖等小分子物質(zhì)，可以采用透析、超濾等方法除去[11]。秦衛(wèi)東等[18]考察了三氯乙酸法、鞣酸法和Sevag法對生姜多糖的蛋白脫除效果，結(jié)果表明鞣酸法的效果較好，脫除蛋白后的生姜多糖純度為73%左右。

多糖進一步純化的方法主要有大孔樹脂柱層析法、離子交換層析法和凝膠柱層析法等[19]。在姜多糖的分離純化過程中，若想達到樣品的純度要求，通常需要結(jié)合2種～3種分級純化方法。表2總結(jié)了不同分離純化方法的原理及其在姜多糖中的應(yīng)用情況。

表2 多糖分級的方法及其在姜多糖中的應(yīng)用Table 2 Classification of polysaccharides and its application in ginger polysaccharides

綜上所述，DEAE-52纖維素離子交換柱、Sephadex G-100葡聚糖凝膠柱、Sephadex G-200葡聚糖凝膠柱等為姜多糖常用的分離純化手段。

3 姜多糖的結(jié)構(gòu)分析

多糖的一級結(jié)構(gòu)主要包括單糖組成、連接方式、排列順序及單糖間糖苷鍵類型等。原料和提取方法的不同，所得多糖的測定結(jié)果也會有所不同，這些參數(shù)均與多糖的生物活性和功能性質(zhì)密切相關(guān)。因此，多糖的結(jié)構(gòu)分析是多糖研究的基本內(nèi)容和主要難題之一，因此，對其結(jié)構(gòu)進行分析和表征具有重要的作用。

根據(jù)已知報道的姜多糖的相關(guān)研究方法，整理總結(jié)了姜多糖的提取純化與結(jié)構(gòu)表征流程，見圖1。

圖1 姜多糖的提取純化與結(jié)構(gòu)表征流程圖Fig.1 Flow chart of extraction，purification and structure characterization of ginger polysaccharide

3.1 姜多糖的分子量

多糖的生物活性與分子量有關(guān)，因此對姜多糖的分子量及其分布進行研究是十分必要的。姜多糖的分子量測定方法有高效凝膠滲透色譜法（high performance gel permeation chromatography，HPGPC）、凝膠滲透色譜法（gel permeation chromatography，GPC）。表3為不同研究者對姜多糖的分子量的測定結(jié)果。

表3 姜多糖的分子量測定Table 3 Determination of molecular weight of ginger polysaccharide

已有研究表明，小分子量的多糖的抗腫瘤活性較強[22]。Sun等[23]對比了不同分子量多糖的抗腫瘤活性，發(fā)現(xiàn)分子量最小的多糖組分具有較好的抗腫瘤作用，其分子量為6.53 kDa。Liao等[14]研究表明，姜多糖的分子質(zhì)量分布范圍較廣，分布在11.81 kDa～1 831.75 kDa之間。

3.2 姜多糖的單糖組成

通常采用氣相色譜法（gas chromatography，GC）、高效液相色譜法（high performance liquid chromatography，HPLC）、高效毛細管電泳法（high performance capillary electrophoresis，HPCE）、薄層色譜法（thin layer chromatography，TLC）等對姜多糖的單糖組成進行分析。表4為姜多糖的組分名稱、單糖組成及摩爾比和鑒別方法。

表4 姜多糖的單糖組成及表征方法Table 4 Monosaccharide composition and characterization of ginger polysaccharide

經(jīng)對比后發(fā)現(xiàn)不同來源的姜多糖的單糖組成具有一致性，主要是由 Glc、Rha、Man、Gal、Ara 等按照不同比例組成，Chen等[11]試驗結(jié)果表明，姜多糖中還存在少量的GlcA及GalA。

3.3 姜多糖的糖苷鍵連接方式

目前，通常采用化學(xué)分析與儀器分析聯(lián)用的方法來測定多糖糖苷鍵連接方式。甲基化法是最常用的化學(xué)分析方法。儀器分析法包括核磁共振波譜（nuclear magnetic resonance spectroscopy，NMR）、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）、紅外吸收光譜法（fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)T-IR）等。Liao等[14]采用 HWE、EAE、UCGE 這 3 種方法提取生姜多糖，經(jīng)DEAE-52纖維素陰離子交換柱、Sephadex G-200凝膠柱分離純化后得到5種多糖組分，F(xiàn)T-IR測定結(jié)果表明，這5種多糖組分均為α型-吡喃糖；13C-NMR，1H-NMR測定UGP1主要以β-（1→6）-D-Galp聚合而成，UGP2主要以 α-（1→3）-LArap 聚合而成，EGP2主要以 β-（1→6）-D-Galp聚合而成，對比后發(fā)現(xiàn)，這5種多糖組分的結(jié)構(gòu)具有相似性，由此可以預(yù)測姜多糖的大致結(jié)構(gòu)為α-（1→4）-DGlpc及 α-（1→4）-D-Manp；經(jīng)抗腫瘤活性分析后發(fā)現(xiàn)具有β-（1→6）-D-Galp的多糖具有較好的抗腫瘤活性[14]。具體糖苷鍵連接方式及表征方法如表5所示。

表5 姜多糖的糖苷鍵連接方式及表征方法Table 5 Glycosidic linkage and characterization of ginger polysaccharide

4 生物活性

姜多糖是姜中的有效成分之一，因其具有抗腫瘤、抗氧化、降血糖、止咳、抗疲勞等多種生物活性，成為了近年來的研究熱點，并廣泛應(yīng)用于營養(yǎng)保健及制藥工業(yè)中。

4.1 抗腫瘤活性

近年來，天然多糖因其優(yōu)異的抗腫瘤活性和相對低的毒性以及對正常細胞無明顯的副作用而受到研究者的廣泛關(guān)注。Cheng等[26]研究了鮮姜、干姜和蒸姜對人的Hela癌細胞的抗增殖作用的影響。結(jié)果表明，蒸姜在120℃、4 h時的抗Hela癌細胞增殖作用分別比干姜和鮮姜高出了1.5倍和2倍。Sun等[23]經(jīng)提取分離純化后獲得了不同分子量的多糖，發(fā)現(xiàn)低分子量多糖具有較好的抗腫瘤作用。Liao等[14]經(jīng)超聲波細胞粉碎機提取的生姜多糖（UGP1和UGP2），與其它3種純化多糖相比，UGP1和UGP2對H1975、B16和MCF-7型腫瘤細胞增殖的抑制作用沒有較大差別，但在相同劑量下，相對分子質(zhì)量較小且具有β-（1→6）-D-Galp結(jié)構(gòu)的UGP1對HCT116型腫瘤細胞的抑制率較高，具有較好的抗腫瘤活性。Wang等[25]運用MTT法、細胞形態(tài)觀察、細胞核形態(tài)觀察、活性氧觀察等方法測定生姜多糖的抗腫瘤活性，結(jié)果顯示，生姜多糖（neutral ginger polysaccharide fraction，NGP）對 HepG2 細胞活性有明顯的抑制作用，當(dāng)其濃度為0.4 mg/mL時，對HepG2細胞的抑制率高達49.63%，并且發(fā)現(xiàn)GP是通過下調(diào) Bcl-2mRNA 表達，上調(diào) Bax、Fas、Fasl、p21、p53、caspase-3 mRNA表達來誘導(dǎo)HepG2細胞凋亡，進而發(fā)揮抗肝癌活性。Yang等[27]發(fā)現(xiàn)生姜多糖對體外培養(yǎng)的RAW264.7細胞有顯著的免疫活性，對巨噬細胞的增殖、免疫物質(zhì)（NO、TNF-α、IL-1β 和 IL-6）的產(chǎn)生起到了明顯的促進作用；在NGP的濃度為200 μg/mL時，NO、TNF-α、IL-1β 和 IL-6 的分泌量分別為29.41 μmol/L、1 496.71、44.30、1 889.83 pg/mL，因此NGP可能成為一種潛在的免疫劑，為進一步的鏈構(gòu)象和免疫機制研究提供了有意義的信息。

4.2 抗氧化活性

多糖的抗氧化活性受多種綜合因素的影響，如糖醛酸含量、分子量、單糖組成、硫酸化程度、糖苷鍵類型等。目前已有報道表明，糖醛酸含量高、分子量小的多糖通常具有更顯著的抗氧化活性[28]。Chen等[11]采用自由基清除活性法測定了4種姜多糖樣品體外抗ABTS+自由基、DPPH自由基、羥基自由基和超氧陰離子自由基的能力，以及亞鐵離子的螯合活性和還原能力，結(jié)果表明，ASE-GSLP的抗氧化能力最強，分子量最小，糖醛酸含量最高，為6.266%。Zhang等[29]以生姜多糖為研究對象，采用不同體外培養(yǎng)體系對其抗氧化活性進行研究，發(fā)現(xiàn)3種樣品均具有一定的抗氧化活性，其中G2的分子量較低、糖醛酸含量（7.45%）較高。夏宇[30]發(fā)現(xiàn)生姜皮多糖GE1、GE2、GE3具有一定的抗氧化活性，并隨其濃度的增加而加強，其中GE2的抗氧化能力最強，分子量（194 kDa）最小。

4.3 降血糖作用

多糖可通過促進胰島素分泌、改善胰島素抵抗及調(diào)節(jié)相關(guān)酶活性這3種途徑來降低血糖。Chen等[11]將提取的GSLPs作為口服降糖藥物應(yīng)用于高血糖患者，并測試其作為α-葡萄糖苷酶抑制劑的療效，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)HWE、UAE、ASE、EAE這4種方式提取的GSLP對α-葡萄糖苷酶的抑制活性呈劑量依賴性，IC50值由小到大排序如下：ASE-GSLP＜EAE-GSLP＜UAE-GSLP＜HWE-GSLP，由此可知，ASE-GSLP和HWE-GSLP對α-葡萄糖苷酶分別表現(xiàn)出最強和最弱的抑制作用，這可能與它們的糖醛酸含量有關(guān)，糖醛酸含量高的對α-葡萄糖苷酶的抑制活性較強。雖然作為抑制能力最強的多糖組分，ASE-GSLP的抑制能力仍低于阿卡波糖，但這些特性仍然可表明GSLPs具有作為有效的糖尿病抑制劑的潛力。此外，α-葡萄糖苷酶抑制活性歸因于多糖中存在游離羧基和羥基，它們可與消化酶的氨基酸殘基相互作用導(dǎo)致酶失活[28]；并且?guī)л^多電荷的多糖更容易與α-葡萄糖苷酶形成絡(luò)合物，更容易限制酶的活性[31]。因此，ASE-GSLP對α-葡萄糖苷酶抑制活性最高可能是由于其分子量較小，糖醛酸、硫酸鹽含量較高，并且結(jié)構(gòu)中還存在游離羧基和羥基。

4.4 鎮(zhèn)咳作用

已有研究表明天然來源的多糖具有鎮(zhèn)咳作用[32-34]。Bera等[35]報道了姜多糖（water extracted polysaccharides，WEP）的鎮(zhèn)咳作用，以豚鼠為實驗對象，用胸腺譜儀測定了WEP的鎮(zhèn)咳活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)WEP能顯著抑制實驗性誘發(fā)的豚鼠咳嗽反射，沒有明顯改變氣道平滑肌的收縮功能，誘導(dǎo)止咳活性而不上癮，這與臨床常用的止咳藥磷酸可待因相近，且未出現(xiàn)顯著的毒性或副作用；對其結(jié)構(gòu)分析后發(fā)現(xiàn)，WEP主要是由葡聚糖和少量GalA構(gòu)成，因此推測葡聚糖也有一定的鎮(zhèn)咳作用。

4.5 其它活性

除了以上生物活性以外，姜多糖還具有抗疲勞[12]、保護腦缺血損傷[36]等生物活性，還可用做血栓的抗凝劑和治療試劑[37]。

5 構(gòu)效關(guān)系分析

對姜多糖結(jié)構(gòu)的解析顯示，發(fā)現(xiàn)其分子量分布在5.277 kDa～1 981.265 kDa 之間，主要由 Glc、Rha、Man、Gal、Ara等按照不同比例組成，具有吡喃糖構(gòu)型，并還可能含有少量的GlcA及GalA；其中，分子量、糖苷鍵類型及糖醛酸含量等對姜多糖的生物活性影響較大，通常分子量小、糖醛酸含量較高的姜多糖具有較強的抗氧化、抗腫瘤、降血糖及鎮(zhèn)咳活性。Sun等[23]對比了不同分子量姜多糖的抗腫瘤活性，發(fā)現(xiàn)分子量最小的姜多糖組分（6.53 kDa）具有較好的抗腫瘤作用，另有研究表明，存在 β-（1→6）-D-Galp 或三螺旋結(jié)構(gòu)[25，38]的姜多糖組分的抗腫瘤活性較強。

6 討論與總結(jié)

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對姜多糖的提取工藝、分離純化、結(jié)構(gòu)和藥理作用機制的研究越來越廣泛，因此本文對姜多糖的提取方法、結(jié)構(gòu)及其生物活性進行總結(jié)。綜上可以看出姜多糖最常用的提取方法是熱水回流提取法，在此基礎(chǔ)上，運用輔助手段如超聲提取、微波提取、酶提取來改進提取工藝，有效提高了姜多糖的提取效率。姜多糖在疾病預(yù)防及保健品開發(fā)等方面有廣闊的應(yīng)用前景，具有抗氧化、抗腫瘤、調(diào)節(jié)血糖和鎮(zhèn)咳等多種生物活性，對這些活性作用產(chǎn)生影響的因素可能是其分子量、糖醛酸含量、糖苷鍵的連接方式等。但目前，姜多糖的提取純化手段仍不成熟，對其高級結(jié)構(gòu)及作用機制研究較少、生物活性研究多停留在體外及動物實驗等；今后，應(yīng)對姜多糖的提取工藝優(yōu)化及與其成分含量變化等進行系統(tǒng)研究，形成更加標(biāo)準、可控的制備工藝；借助現(xiàn)代分析技術(shù)對姜多糖結(jié)構(gòu)與生物活性的關(guān)系進行深入研究，明確其物質(zhì)基礎(chǔ)及構(gòu)效關(guān)系；利用轉(zhuǎn)錄組測序、蛋白質(zhì)組定量和修飾分析等前沿技術(shù)闡釋姜多糖生物活性的分子機理，比如抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)、抗衰老和鎮(zhèn)咳作用相關(guān)的基因表達和信號調(diào)控途徑，為姜多糖更好的在食品、保健食品和醫(yī)藥領(lǐng)域的開發(fā)和利用提供科學(xué)依據(jù)。