0 引 言
青钱柳(
Cyclocarya paliurus (Batal.) Iljin.)属胡桃科(Juglandaceae)青钱柳属(
Cyclocarya)落叶乔木,又名摇钱树、甜茶树等,是我国特有的单种属乔木植物,主要分布于长江以南各省区。其嫩叶可泡制成茶,具有清热解毒、生津止渴、降压强心,延年益寿等作用
[1]。基于其悠久的历史和广泛的应用基础,以及良好的保健价值和安全性,青钱柳叶于2013年被国家卫健委(原国家卫计委)列入新资源食品目录,极具应用开发潜力。近年来,国内外学者对青钱柳叶化学成分的研究表明,青钱柳叶中主要含多糖
[2,3]、黄酮类
[4]、三萜类
[5]等。其中青钱柳多糖作为其主要功能性成分之一,以其广泛的生物活性,深受科研工作者的关注。由于多糖类物质本身属于生物大分子,其纯化和制备工艺、结构解析等研究,较黄酮、三萜等小分子化合物更加困难,加上目前对于青钱柳多糖在构效关系、质量控制、产品工艺等方面的研究尚不够深入,导致其应用开发受限。对此,借鉴国内外研究同类课题的基本思路深入开展青钱柳应用研究具有重要意义。
众所周知,植物来源的多糖,其中不少具有显著生物活性,如临床上用于消化道肿瘤的放、化疗辅助药香菇多糖
[6],用于乙型肝炎辅助治疗的猪苓多糖
[7]等。这些由植物细胞代谢产生的、具有某种特殊生物活性的多糖类天然产物可称之植物功能性多糖或者植物活性多糖,区别于植物多糖中的淀粉、糖原为植物储存能量的主要物质。近几十年来,植物功能性多糖一直是天然药物研究的热点,其研究范围涉及多糖植物资源、分离纯化、结构特性、理化性质、生物学性能以及开发应用等。研究表明,不同植物来源的多糖呈现化学结构特异性和多样性,并且多糖的化学结构对其活性具有决定性作用。例如,香菇中的
β⁃葡聚糖(lentinan),其结构主要是以
D⁃葡萄糖通过
β1→3苷键缩合而成,可通过TLR4/Dectin1/MAPK、Syk/PKC/NF⁃κB等多种信号通路调控免疫细胞功能,发挥抗肿瘤作用
[6];而人参多糖中的糖醛酸含量以及主链结构中的
α⁃(1→4)⁃Gal
pA和
α⁃(1→4)⁃Gal
p糖苷键构型,对其发挥抗炎和抗病毒作用具有重要意义
[8]。不难看出,植物功能性多糖的生物活性、化学结构以及构效关系研究,是多糖研究的前沿阵地,相关的研究进展对于这类多糖的应用开发具有重要推动作用。正如
β⁃葡聚糖早已被广泛应用于各种消化道肿瘤、妇科肿瘤等临床治疗,而人参多糖则被开发成为注射液剂型,临床上用于减轻肿瘤放化疗引起的副作用。另外,在最新的中药防治新冠肺炎(COVID⁃19)的药理依据中,提及当归多糖、石斛多糖、黄芪多糖等十余种植物多糖,以其各自独特化学结构,显著抗肺纤维化作用,和/或免疫调节、抗病毒作用和良好安全性,有望成为COVID⁃19潜在治疗药物
[9,10]。除了上述医药用途,尚有更多植物多糖因其在调节肠道菌群结构和功能上发挥的作用
[11,12],成为当今功能食品领域的研究热点,使它们在保健食品行业具有良好出路。
近年来,在“健康中国”的大背景下,本研究团队立足于三峡区域丰富的可食和药用植物资源,积极开展药食同源大健康产品开发利用研究。笔者深入湖北五峰、鹤峰、宣恩、咸丰等山区以及宜昌周边山地丘陵区开展植物资源调查,发现青钱柳作为一种国家卫健委批准的新食品原料,在该区域内野生资源储量较高,人工栽培正在建立和扩大,可保证其可持续开发利用。青钱柳中的小分子化学成分及其生物活性研究已比较深入,而多糖这类生物大分子的应用基础研究较为薄弱,加上国际公认植物多糖具有安全性较高的优点,系统整理并考虑加强青钱柳功能性多糖关于提取分离、结构表征、活性评价等方面的应用基础研究,对其开发研究显得尤其重要。
鉴于此,笔者以“青钱柳、Cyclocarya paliurus、青钱柳多糖、Cyclocarya paliurus and polysaccharide”等为检索词,检索中国学术期刊全文数据库(CNKI)、中国生物医学文献数据库(CBM)、维普中文期刊服务平台、万方学位论文库、Web of Science数据库(WoS)、美国国立医学图书馆生物医学信息数据库(Medline via PubMed),以及国家知识产权局中国专利公布公告查询系统、中国专利全文数据库(知网版)、药智网数据库等,对所得文献数据(不包括青钱柳多糖衍生物),按照植物功能性多糖研究通常涉及的研究范围进行分类,筛选抽提文献信息并整理成文,以期为今后青钱柳多糖的深度应用开发提供参考。
1 青钱柳多糖提取工艺方法
青钱柳叶中的多糖往往伴同黄酮类、三萜类以及色素等其他成分,故在提取多糖时,需要考虑青钱柳多糖及共存成分的性质,同时兼顾考虑提取有效性、安全性、经济性等因素,以及考虑是否影响多糖活性,是否有利于后续的分离精制等。近些年来,国内外学者深入研究了青钱柳多糖的各种提取方法。适当的提取方法不仅可以提高多糖得率,还可提高其生物活性,因而有必要了解不同提取方法对青钱柳多糖性质的影响。依据近年来国内外相关文献报道,总结、归纳了目前应用于青钱柳多糖的多种提取工艺,见
表1[13~25]。
上述各种青钱柳多糖的提取工艺方法在高效性、经济性、安全性、环保等方面各具优势,但也存在一定局限性。通过各种方法提取得到的青钱柳粗多糖,通常还伴有植物蛋白、色素等杂质,有必要对其进行蛋白和色素脱除处理,以及采用透析法、柱层析法、超滤法等方法进行分离纯化。显然,青钱柳多糖的应用研究离不开提取分离技术,今后有关青钱柳多糖的提取工艺技术仍然需要在提高连续化生产能力,开发“集合了提取⁃分离⁃纯化⁃浓缩等操作”的集成制造技术装备,以及开发数字化和智能化装备等领域内努力发展。
2 青钱柳多糖结构特性
随着关于青钱柳多糖的糖链结构与生物功能的研究越来越多,对其结构的解析成为进一步研究多糖理化性质、构效关系、体内代谢、临床应用等方面的重要基础,主要包括分子量分布、单糖的组成与比例、单糖的构型、糖与糖的连接位置和顺序等。
多项研究表明,从青钱柳叶提取分离得到的多种多糖组分,主要由半乳糖醛酸(GalA)、半乳糖(Gal)、葡萄糖(Glu)、阿拉伯糖(Ara)、鼠李糖(Rha)、甘露糖(Man)、木糖(Xyl)和核糖(Rib)等单糖组成
[2,26,27]。虽然单糖种类类似,但由于原料来源和制备方法的不同,各种多糖组分的平均分子量和单糖比例存在明显差异。其中,单糖组成中以GalA、Gal、Ara和Glu的比例较高。除此之外,有研究还报道了一种青钱柳多糖CP50,其单糖组成中存在半乳糖醛酸(GalA)和葡萄糖醛酸(GlcA),摩尔分数分别为29.1%和2.6%
[28]。在单糖构型与糖链结构片段的分析中,前述CP50的糖链结构以1,4⁃连接为主,
α⁃D⁃Gal
p A通过1,4糖苷键连接构成多糖的同聚半乳糖醛酸区,β⁃D⁃Gal
p 通过1,4糖苷键连接构成多糖的I型阿拉伯半乳聚糖侧链
[28]。有研究分析了另一种青钱柳多糖,其主链结构包含→4) GalA
p (
α1 → 和→2) Rha
p (
α1 → 4) GalA
p (
α1→的重复片段,在主链→2) Rha
p (
α1 → 残基O⁃4位上部分存在→4) Gal
p (
β1 → 和→5) Ara
f (
α1 → 交替重复的支链片段,以及在主链→5) Ara
f (
α1 → 残基O⁃3位上部分存在→3) Ara
f (
α1→结构分支
[29]。此外,在主链非还原端→4) Gal
p (
β1 →偶尔连接→5) Ara
f (
α1 →片段,并且在部分的主链非还原端→4) Gal
p (
β1 →残基O⁃3位上连接一种由→6) Hex
p (
β1 →和半乳糖醛酸酯或甲基半乳糖醛酸构成的分支结构,另外在部分→4) GalA
p (
β1 → 残基的O⁃3位还连接末端Xyl。最近,一种主链骨架结构为→4)⁃
β⁃D⁃Glc⁃(1)
7 →(2)⁃
β⁃D⁃Man⁃(1)
2 →4)⁃
β⁃D⁃Ga的青钱柳多糖CPP⁃D被报道
[30]。
通过上述研究可以看出,青钱柳多糖是以
α(1→4)糖苷键为主链的杂多糖,另外还包含
α(1→2)、
β(1→5)、
β(1→3)和
β(1→4)等多种糖苷键。通常,主链结构中GalA所占比例较大,表明青钱柳多糖主要是一种酸性多糖。在一些典型的植物多糖结构中,其主链2⁃O上有分枝,并且Gal单元在支链结构中所占比例较大
[29](
图1a)。这与目前常见的植物多糖如香菇多糖
[31](
图1b)、灵芝多糖
[32](
图1c)等结构(呈现
β(1→3)连接的聚葡萄糖,并有1→6或1→4连接的支链)具有明显的区别。青钱柳多糖的这些结构特性对于深入探讨植物多糖结构多样性,以及多糖结构与功能的关系,具有重要意义,并且可能是今后青钱柳多糖开发应用的结构基础和亮点。
3 青钱柳多糖的生物活性
3.1 降糖作用
青钱柳叶作为代茶饮,茶汤甘甜滋润,生津止渴,民间素有“降血糖、降血压、延年益寿”等说法,被当地百姓称为甜茶、神茶。近年来研究发现,青钱柳叶所含多糖成分确有明显的降血糖作用。在体外实验中,研究者发现青钱柳多糖对
α⁃葡萄糖苷酶具有较强抑制活性,且随着浓度的增加,抑制能力增强
[33];在动物实验中,青钱柳多糖可以降低四氧嘧啶所致糖尿病小鼠的血糖值、胰岛素、胰高血糖素和C肽的含量
[34],证实降血糖活性与提高糖尿病小鼠对葡萄糖、淀粉的耐受力,改善胰腺组织形态、保护胰岛细胞结构,抑制胰岛
β细胞损伤密切相关
[34,35]。此外,青钱柳多糖对高脂饮食加链脲佐菌霉素(STZ)诱导的糖尿病小鼠具有较好的降血糖活性,并证实其作用机制与增强机体的免疫能力和抗氧化活性密切相关
[36]。同时研究发现,青钱柳多糖可增强H4IIE细胞活性,证实上调肝细胞胰岛素信号通路关键靶点
InsR、
IRS⁃2基因表达及InsR β、IRS⁃2、Akt蛋白磷酸化是其发挥降糖作用的机制之一
[37]。最近还有研究发现,青钱柳多糖的降糖作用机制还与其能够通过调节机体肠道微生物群,进而调控宿主营养与能量代谢密切相关
[38,39]。
3.2 降脂作用
当前由于饮食习惯和环境的改变,高血脂症的患者呈逐年上升趋势,所以开发降血脂的药物和食品迫在眉睫。在体外实验中,研究者发现青钱柳多糖可通过抑制脂肪酶活性而减少血液中的游离脂肪酸(FFA)的生成来发挥降脂作用
[40]。在体内实验中,青钱柳多糖可降低高脂饲料所致高血脂症模型大鼠或小鼠血液中甘油三酯、总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇含量,增强超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH⁃Px)、过氧化氢酶(CAT)、总抗氧化能力活性,降低高脂血症大鼠或小鼠肝脏受损的程度,抑制体质量增加
[41],并且证实其可以通过抑制大鼠或小鼠肝脏及脂肪组织中自杀相关因子(factors associated suicide, FAS)、过氧化物酶体增殖物激活受体
α(PPARα)、葡萄糖转运蛋白4(GLUT4)、脂肪甘油三酯脂肪酶(ATGL)的mRNA和蛋白表达,调控AMPK信号通路、脂肪酸生物合成通路、脂肪酸代谢通路和脂肪细胞因子信号通路等机制来发挥其降血脂作用
[42~44]。另外,以秀丽线虫(
Caenorhabditis elegans)为模型考察青钱柳多糖的降脂作用,发现青钱柳多糖可明显降低线虫肠道中脂肪储量、脂滴大小以及脂滴密度,其机制与线虫能量代谢中核黄素基因
vit⁃2表达升高时,脂肪代谢中通过调控
mdt⁃15下调
sbp⁃1和
fat⁃6、
fat⁃7基因表达,进而阻止Δ9⁃去饱和酶基因表达等相关
[45]。
3.3 抗氧化作用
植物多糖以其低毒、安全和良好的抗氧化活性广泛应用于食品和药品行业。在体外实验中,研究者发现青钱柳多糖可有效地清除DPPH∙、O
2-∙、∙OH自由基
[18,46]。利用Fenton反应和自由基清除剂,证实青钱柳多糖对羟基自由基的清除率达到68.1%,对DPPH·的清除率可达到71.8%。在
β⁃胡萝卜素⁃亚麻油酸实验中,通过抗氧化剂可以阻碍亚麻油酸酯自由基氧化
β⁃胡萝卜素原理,在加入青钱柳多糖的体系中,青钱柳多糖表现出对
β⁃胡萝卜素的保护作用
[47]。与此同时还发现,常规提取的多糖和超声提取的多糖在清除氧自由基、DPPH·、
β⁃胡萝卜素⁃亚麻油酸实验中有显著性差异
[47]。在体内实验中,青钱柳多糖可减轻高脂血症小鼠血清和肝脏中SOD和GSH⁃Px活性,降低丙二醛和FFA的含量;减轻自发性小鼠肝组织及CCl
4、H
2O
2、Fe
2+⁃V所致的肝脏脂质过氧化程度
[48]。上述实验表明青钱柳多糖在体内和体外都表现出了显著的抗氧化活性。
3.4 免疫调节作用
植物多糖的免疫调节作用是多糖的主要生物学活性之一。不同来源的植物多糖可从分子、细胞及器官水平发挥免疫调节作用,其抗肿瘤、抗氧化等药理学作用均与其免疫调节活性有关。研究发现青钱柳多糖可通过改变巨噬细胞的形态、增强巨噬细胞内酶活性以及促进巨噬细胞分泌细胞因子等途径增强其吞噬活性,从而进行免疫调节
[49],亦可以显著提高脂多糖刺激RAW264.7细胞NO的释放量,刺激细胞因子TNF⁃
α、IL⁃1
β和PGE2的分泌,在一定程度能上调巨噬细胞iNOS、IFN⁃γ、IL⁃12和IL⁃18的表达
[50]。也有研究发现青钱柳多糖能显著促进树突状细胞MHC II类分子表达及树突状细胞的成熟,而树突细胞是体内最强大的抗原提呈细胞,能有效调节机体的免疫应答,进而刺激大量IL⁃8、IL⁃6、IL⁃10、IL⁃1
β、TNF⁃
α炎性因子分泌而发挥免疫调节作用
[51]。此外,在环磷酰胺致小鼠免疫功能低下的动物模型中,青钱柳多糖可明显提升模型小鼠的脾脏与胸腺指数,增强脾脏中SOD、T⁃AOC、GSH⁃Px以及CAT活性
[50]。上述研究提示青钱柳多糖可以通过激活免疫细胞、促进细胞因子的释放,促进免疫器官的生长及免疫球蛋白的分泌、抑制补体系统的过度激活等发挥免疫调节作用。
3.5 其他作用
研究发现青钱柳多糖可显著抑制人宫颈癌HeLa细胞
[2]、人胃癌MGC803细胞
[52]和甲状腺癌
[53]的生长、促进其细胞凋亡,并证实其作用机制是下调Akt、p⁃Akt、Bcl⁃2及上调Bax的表达来发挥抗肿瘤作用。研究也发现青钱柳多糖可明显抑制低氧状态人肺腺癌A549和肺癌H520细胞的存活率,联合X⁃光线照射后,能增强肿瘤细胞辐射敏感性,其作用机制与mTOR/Akt/PI3K信号通路抑制相关
[54]。有研究报道青钱柳多糖联合X⁃光照射,可有效抑制人结肠癌SW480细胞增殖并促进细胞凋亡,其机制也与PI3K/Akt信号通路抑制有关
[55]。也有研究表明青钱柳多糖对金黄色葡萄球菌(
Staphylococcus aureus)、大肠杆菌(
Escherichia coli)、枯草芽胞杆菌(
Bacillus subtilis)、啤酒酵母(
Saccharomyces cerevisiae)、假丝酵母(
Candida sp.)有抑制活性
[18]。通过强迫游泳试验和负重游泳实验表明青钱柳多糖可增加小鼠的游泳时间,增加血红蛋白和肝糖原含量,同时减少血清尿素氮和血乳酸的含量,表明青钱柳多糖具有显著的抗疲劳活性
[17]。此外,青钱柳多糖可通过skn⁃1和hsf⁃1激活抗逆基因(
sod⁃3,
sod⁃5,
ctl⁃1,
ctl⁃2,
hsp⁃16.1,
hsp⁃16.2)增强线虫的压力耐受能力
[25]。青钱柳多糖对STZ所致糖尿病大鼠肾脏损伤具有保护作用,其机制可能与增强肾脏抗氧化能力和减轻肾纤维化有关
[56]。青钱柳多糖通过其抗氧化性质,对CCl
4所致肝肾损伤小鼠肝脏和肾脏氧化应激状态具有改善作用
[57];同时具有改善CCl
4诱导小鼠肝脏炎症反应,其机制与青钱柳多糖能有益调节肠道微生物群及肝细胞中TLR4/MAPK信号通路相关
[58]。
4 开发应用现状
相比起前述在提取工艺、结构特征以及生物活性等方面取得的研究进展,青钱柳多糖的开发应用目前尚处于探索与起步阶段。从中国临床试验注册中心(ChiCTR)检索得到2条青钱柳多糖相关的药品研发信息,均由湘南学院附属医院申办,主要是探讨青钱柳叶提取物所含多糖和黄酮对II⁃型糖尿病患者肠道菌群的影响。目前该临床试验正在进行中。青钱柳多糖固体饮料、青钱柳多糖泡腾片、青钱柳降血糖冲剂、苦瓜青钱柳降脂保健茶等少数几种含青钱柳功能性多糖的、主要用于降糖降脂和增强机体功能的专利保健产品被开发出来
[59~62],但尚未发现市面上有销售。此外,两个团队分别报道了一种含青钱柳多糖的口服液制剂,但均未见上市
[63,64]。青钱柳多糖功能性产品还有待于进一步研发与推广。
5 总结与展望
青钱柳叶具有良好的食用和药用价值,然而目前对其研究还主要停留在粗产品水平阶段,其功能成分的研究还不够深入,精深加工产品仍属空白。青钱柳多糖作为青钱柳叶所含三大功能成分(黄酮、三萜和多糖)之一,根据上述文献报道可以看出,其化学结构特征明显,并且被证实具有多种确切的生物活性,尤其表现在降血糖、降血脂等功能。一方面,青钱柳多糖这些突出的生物活性与其应用历史和现状相一致,表明青钱柳多糖是其降血糖、降血脂作用的重要活性物质,值得深入开发研究;另一方面,青钱柳多糖的生物活性与其化学结构的特异性密切相关,表现出其与香菇多糖、灵芝多糖等显著的抗癌活性具有明显区别,更加偏向降血糖、降血脂、抗氧化等传统保健作用。这可能是青钱柳叶及其功能性多糖受到国内外研究人员广泛关注的重要原因。
近年来随着糖尿病、高脂血症等慢性健康问题日益严峻,青钱柳及其所含功能性多糖,可作为天然的降糖降脂的食品和保健品,在生物医药、食品工业等方面必将得到广泛应用。纵观青钱柳多糖的研究现状,由于多糖类物质研究一直存在着多糖一级和高级结构测定的难度和特殊性、构效关系的不确定性,以及多糖类成分质量不容易控制等问题,今后对青钱柳功能性多糖研究还有待深入,可以考虑从几个方面进行:(1)青钱柳多糖的高级结构、构效关系及其作用机制;(2)青钱柳多糖提取工艺的工业化推广以及相应产品质量标准的建立;(3)结合现有研究基础,加强食品和医药产品研究,满足保健食品和药品领域需求;(4)以结构相对明确、质量稳定可控的青钱柳多糖为基础,探索新的药理活性及其机制,或对其进行结构修饰,以微生物降解等方法制备寡糖等研究,开辟青钱柳多糖新的研究领域,促进青钱柳的深度开发和产业化发展。