多糖的生物活性及其在蔬菜中的應用

吳林娜，劉 梅，李興紅

（北京市農林科學院植物保護環境保護研究所，北京 100097)

多糖是自然界中含量豐富的物質類群之一，不僅來源廣泛、毒性低，而且具有抑菌、抗氧化和促進生物體生長等多種良好的生物活性，作為植物誘抗劑、生長調節劑等被廣泛用于防治多種植物病害和調控作物的生長。1943年，多糖首先作為藥物展開研究，到了20世紀50年代，隨著化學、生物研究技術的提高，多糖的復雜結構和功能逐漸得到人們的認可和研究。到目前為止，已有300多種多糖物質被從自然界中分離和提純出來[1]。隨后，人們對多糖的認識，不僅僅局限于其是細胞結構的支撐者、儲能物質，還認識到其與生物體代謝、細胞間的識別和調節、細胞生物學信息的攜帶和傳遞、免疫反應和蛋白質轉移等過程密切關聯[2]。研究發現，多糖具有抗氧化、抗炎、抗菌、抗紫外線等重要生物活性，這些活性逐漸地被研究、開發，并應用于生物醫學、食品、護膚和農業等領域。本文將主要從多糖種類、生物活性和在蔬菜中的應用3個方面進行綜述，以期為未來多糖在農業領域的開發和應用研究提供參考。

1 多糖的定義及種類

1.1 定義

多糖，即多聚糖（Polysaccharide），由超過10個單糖分子經脫水縮合以糖苷鍵而結合的高分子聚合化合物。從廣義來說，凡符合高分子化合物概念的碳水化合物及其衍生物均可稱為多糖，其結構通式可用（C6H12O5）n表示，相對分子質量在數萬到數十萬不等[3]。單糖是糖類的基本組成單元，單糖之間經脫水縮合、以糖苷鍵線性或分枝連接構成多糖[4]。

1.2 種類

根據構成多糖的單元種類可將多糖分為2類，一類是由一種單糖縮合而成的同多糖，如淀粉、纖維素和糖原等，另一類是由2種及以上的單糖構成的雜多糖，如透明質酸是D-葡萄糖醛酸和N-乙酰葡糖胺組成的雙糖單位構成的糖胺聚糖，阿拉伯膠是由戊糖和半乳糖等組成的雜多糖[5]。

另外，根據多糖的來源種類，又可將其分為動物多糖、植物多糖和微生物多糖。

1.2.1 動物多糖

動物多糖主要來源于海洋動物和昆蟲，如蝦蟹、昆蟲等的外殼，動物的肝臟、腎臟和軟骨組織等，主要包括糖原、甲殼素、肝素、硫酸軟骨素、透明質酸、硫酸角質素，其中肝素、硫酸軟骨素、透明質酸、硫酸角質素都屬于糖胺聚糖，在體內常以共價鍵與蛋白質結合的狀態存在，所以又被稱為蛋白聚糖[6]。因動物多糖中有糖胺聚糖和殼聚糖具有抗氧化、抗炎、抗菌和抗紫外線等活性，多用于藥物開發和生物醫學領域[7-8]。

1.2.2 植物多糖

植物中的多糖通常占其干質量的80%～90%[9]，是機體重要的儲能物質，同時具有一定的生物學功能：有效調節機體的免疫系統、降低血糖和血脂、抗氧化和抗腫瘤等[10]。常見的植物多糖主要有馬鈴薯和豆類的淀粉，棉花中的纖維素，甜菜渣、蘋果渣和橘類果皮中的果膠質以及很多植物根、莖和種子中的果聚糖等，因其葡萄糖殘基組成方式和構成形式不同，所以性質有明顯的差異[11]。植物多糖來源廣、提取成本低，具有可降解性、可持續性和對機體低毒性等特點，對人、動物、植物能產生積極的生理影響而逐漸被重視和研究[12]。

1.2.3 微生物多糖

與動物多糖、植物多糖相比，微生物多糖可通過發酵獲得，生長周期短、生產成本低，安全無毒，理化性質優越，易于操作，季節和地域條件不會限制微生物的生長等，這是微生物多糖具有較強市場競爭力和廣闊應用前景的重要原因[5]。微生物多糖根據分布情況可分為3種類型：胞壁、胞內和胞外多糖，其中胞壁多糖是位于細胞壁層的多糖，即依附于莢膜的多糖，亦可稱為莢膜多糖；胞內多糖是位于原生質層或組成原生質膜的組分，而胞外多糖是指微生物利用營養物質合成并分泌于介質中的茹性多糖物質。在微生物的實際培養過程中，很難區分粘連在一起的胞壁多糖和胞外多糖，因此有人將二者統稱為胞外多糖[13]。

2 多糖的生物活性及機理

2.1 促生作用

有研究表明，多糖可有效調節機體的免疫系統，促進生物體的生長。寧玉波[14]發現，經靈芝多糖溶液浸泡的番茄種子，其發芽率顯著提高，還促進幼苗的生長，其中200 mg/mL溶液浸泡后發芽率比對照組的提高10.0%，幼苗株高和地上部分鮮質量分別較對照增加12.9%和33.3%。李磊等[15]研究指出，葛根多糖具有益生元特性，可以加快乳酸菌的增殖和產酸，當葛根多糖添加量為0.08%時，促生作用最佳。李鵬鵬[16]研究結果顯示，不同濃度的香菇多糖對黃瓜種子發芽率、幼苗根長和芽長、植株鮮質量均表現顯著的促進作用，與對照組相比，多糖濃度為250 mg/L時，幼苗根長和芽長分別增長了1.95 cm和0.83 cm；濃度為500 mg/L時，幼苗鮮質量變化最大，提高了78.52%。

2.2 植物抗性誘導性

有研究表明，天然功能性多糖能夠刺激植物免疫系統反應，進而提高植物抗病性和調節植物的生長。孫斐[17]試驗結果表明，牛蒡寡糖（BFO）能夠激活葡萄對灰霉病、蘋果對青霉病、香蕉對炭疽病、獼猴桃對灰霉病、桔子對青霉病的抗病性，同時BFO處理后水果內總酚和H2O2的含量發生顯著變化，表明BFO通過激活水楊酸依賴的信號通路來誘導葡萄采摘后的抗病性。殼寡糖不僅能誘導柑橘果實內H2O2合成，延緩還原型抗壞血酸和還原型谷胱甘肽含量的下降，使果實對炭疽病抗性的提高從而降低果實的發病率[18]，也能作為一種誘導因子，增強黃瓜對黑星病的抗性，提高植物的免疫力[19]；同時，其還能誘導水稻植株體內具有清除自由基功能的多種酶活性提高，促使水稻提高對紋枯病的抗性[20]。王美玲[21]篩選了1株可誘導油菜產生系統抗病性的蘇云金芽孢桿菌，其中誘導油菜產生對菌核病抗性的活性物質是胞外多糖。

2.3 抑菌作用

許多國內外科研人員就多糖的抑菌作用開展了廣泛而深入的研究。趙成萍等[22]研究發現，靈芝多糖在試驗作用12 h或24 h時，對枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌抑制效果可達到100%，且酸性環境和作用時間均能影響多糖抑菌活性，當pH值為5和作用時間為12 h或24 h時，靈芝多糖對金黃色葡萄球菌抑制效果均達到最大。白丹等[23]抑菌試驗結果發現，靈芝粗多糖對胡蘿卜歐氏菌、枯草芽孢桿菌和蠟狀芽孢桿菌表現出較強的抑制作用，對指狀青霉菌、大腸桿菌和黑曲霉的抑制作用相對較弱，對灰葡萄孢菌、黑根霉幾乎沒有抑制效果，這表明多糖具有選擇性抑制不同菌種的特點。單宏英等[24]的室內測定結果顯示，香菇多糖對7種常見植物病原真菌均有較好的抑制效果，其中1%香菇多糖對煙草灰霉病菌的抑制活性最強，抑菌圈直徑達39.45 mm，并發現多糖會導致孢子畸形、頂端分支膨大變形，進而抑制病原菌菌絲生長和孢子萌發。范飛等[25]從大蒜內生真菌中篩選到1株白地霉菌株，其對大蒜無致病性，所產胞外粗多糖含量高，對大蒜白腐小核菌和西瓜殼二孢具有很好的抑制效果。

另外，多糖的結構及溶劑種類和濃度會影響到抑菌的效果。Zhang等[26]提取杏鮑菇多糖（PEPS）和嗜熱鏈球菌胞外多糖（EPS）后進行硫酸化，并發現修飾多糖對大腸桿菌、李斯特菌和金黃色葡萄球菌具有更強的抑制活性。而Zhao等[27]報道黨參脫硫多糖的抗菌活性遠高于含硫多糖，其最小抑菌濃度（MIC）值分別為35 mg/mL和70 mg/mL。陳波等[28]發現用50%乙醇沉淀的小葉黃楊、煙葉和小葉女貞子提取液能抑制白粉病菌分生孢子萌發，還初步認為多糖是主要的抑菌活性物質。王萍等[29]報道，30%羅勒多糖顯示了對藤黃微球菌、糞腸球菌、葡萄球菌等的抑菌作用均強于其他濃度的羅勒多糖，而50%羅勒多糖的抑菌活性又高于80%羅勒多糖。

2.4 抗氧化作用

已有眾多研究表明，大部分多糖物質具有抗氧化活性，多糖溶液處理小麥、煙草和水稻等多種植物后，會誘導生物體內過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、多酚氧化酶（PPO）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）和超氧化物歧化酶（SOD）等防御酶活性的提高[30]。李落葉[31]指出，低聚糖可誘導小麥產生對白粉病、赤霉病和條銹病的抗性，且誘導抗病具有上行傳導性，并發現低聚糖不是直接殺菌或抑菌，而是通過影響小麥葉片中POD、PPO、PAL、SOD和CAT等相關酶的活性變化，進而誘發植物的抗病潛能。王杰等[32]研究結果顯示，海帶多糖能夠系統地誘導煙草體內PAL、POD和SOD活性，控制感染煙草花葉病毒（TMV）后煙草葉綠素含量的下降，抑制率可達42.42%。李鵬鵬等[33]研究發現，具有抗氧化活性的多糖還有香菇多糖、藜麥多糖、靈芝多糖、紅豆多糖、地木耳多糖、木瓜多糖等。

2.5 其他生物活性

除了上述促生作用、抗性誘導、抗氧化、抑菌4個生物活性外，植物多糖還能通過激活免疫細胞來提高免疫能力，或者抑制腫瘤細胞的產生、誘導癌細胞凋亡等而起到直接或間接抗腫瘤作用[34-36]。Goldman等[37]研究表明，多糖成分能與巨噬細胞的受體結合，活化巨噬細胞并促使機體分泌活性因子，從而增強淋巴細胞的免疫活性。余建國等[38]研究指出，茯苓多糖可以提高雛雞的淋巴細胞轉化率和NK細胞殺傷活性，其中NK細胞具有直接殺死腫瘤細胞的活性，并釋放白介素、干擾素等細胞因子，參與免疫殺傷和清除腫瘤細胞的作用。同時多糖具有抗病毒、抗衰老作用，有研究表明，香菇多糖能與病毒體外結合，使病毒粒子聚集、病毒蛋白合成受阻或不能復制，進而降低病毒對寄主的識別能力，從而達到抗病毒的效果[39]。枸杞多糖能清除小鼠皮膚中的丙二醛（MDA），并顯著提高SOD活性，延緩皮膚的衰老程度[40]；另外，植物多糖有利于優化動物腸道微生物生態系統，促進動物生長和預防疾病的發生。牛華星等[41]研究指出，用含6%植物活性多糖的飼料飼喂小鼠，可使其盲腸內pH值顯著降低，改善體內有益微生物的生存環境。

3 多糖在蔬菜上的應用

3.1 病害防治

從天然材料中提取和純化所獲得的多糖具有多樣的生物活性，逐漸引起了人們的廣泛關注，在農業應用中成為了研究熱點，已有很多研究報道，多糖及其衍生產品可應用于蔬菜病害的防治方面。馮燕青等[42]研究指出，5%氨基寡糖素水劑在辣椒緩苗期每隔7 d、連續施用3次可對病毒病起到良好的防治效果，防效達60%。楊鑫等[43]報道，在馬鈴薯塊莖形成期噴施香菇多糖800倍液，可增加植株主莖數，顯著提高產量和塊莖營養品質，并對瘡痂病防治效果最佳，相對防效為79.98%。另外，多糖與其他防治藥劑相結合，也可以提高其防治效果，降低了化學藥劑施用量，避免了植物產生抗藥性，減少了化學藥劑污染環境。邱德文及其團隊將氨基寡糖素與高活性蛋白相結合，制成世界上首個植物免疫蛋白生物農藥——6%寡糖·鏈蛋白可濕性粉劑，其能促進番茄等蔬菜增產5%～10%，并對番茄黃化曲葉病毒病具有顯著控制效果[44]。0.5%香菇多糖與碧護混合施用，能有效防治番茄病毒病，連續4次共35 d測定的相對防效依次為90.5%、88.5%、78.7%和68.4%，藥效時間長，減少農藥對番茄果實的污染，并且比80%鹽酸嗎啉胍＋碧護的效果更佳，可替代傳統農藥，作為現代無公害農產品、綠色農產品的理想藥劑[45]。

通過中國農藥信息網（http://www.chinapesticide.org.cn/）可查詢到很多在農業應用上的相關多糖產品，截至2020年12月，已登記且在有效期限內、有效成分為單一糖類或其混合物的產品共165種，種類多樣，包括氨基寡糖素、幾丁聚糖、低聚糖素、葡聚烯糖和香菇多糖，并且多糖大都以混合形式制成植物誘抗劑、殺菌劑和殺蟲劑來發揮效果，可用于番茄、黃瓜、馬鈴薯等蔬菜作物，以及其他作物的病害防治（表1）。

表1 中國農藥登記有效成分為多糖的農藥信息

3.2 生長調節及增產作用

多糖能調節植物的生長，有利于提高蔬菜產量。史媛艷等[46]研究表明，2%氨基寡糖素可以使低溫寡照后的黃瓜盡快恢復正常生長，與沒有處理的黃瓜相比，提前6 d進入正常生長，新長莖葉長勢顯著提高。王瑋等[47]研究結果顯示，噴施150 mg/L氨基多糖后，能顯著提高大白菜母株的定植存活率和根系活力，同時與對照相比，大白菜的單株種子產量和種子千粒質量分別有效提高了31.82%和10.19%。陳亮等[48]研究發現，有效成分為3%氨基寡糖素AS與Dynamic F產品（有效成分為2%金龜子綠僵菌和3%枯草芽孢桿菌）混合施用于番茄，比單獨施用增產效果更好，增產29.84%，并促進作物生長及根的發育。

3.3 貯藏保鮮

多糖可作為果蔬的涂漠劑及可食劑的包裝材料。黃嘉欣[49]試驗結果顯示，0.10 g/mL北五味子、2.00%普魯蘭多糖混合，并以8.15∶1.00復配作為涂膜保鮮劑處理豇豆，保鮮效果最佳，貯藏12 d，與對照組相比，豇豆貯藏期間失重率、腐爛指數和呼吸強度顯著降低，分別下降了44.18%、63.16%和65.41%。唐皖悅等[50]指出，在梨果發育期施用低聚糖素，與對照組相比，果實產量增加10%～20%，腐爛率降低6%，提高了果實品質和商品率，并且采摘果實后涂抹多糖，貯藏期間病害發生率平均降低50%、腐爛率降低9%，一定程度上避免了貯藏果實發生病害，增加果實貨架期，延緩梨果衰老和腐爛。Giovanna等[51]發現，添加果膠的復合膜能減緩馬鈴薯、胡蘿卜的質量損失，維持胡蘿卜中酚類和胡蘿卜素含量的穩定，并且果實硬度和咀嚼性基本不變。

4 展望

多糖具有多樣的生物活性和功能效果，同時又是從天然材料中提取和純化所獲得，對動植物無毒害作用，易于吸收，無殘留，不污染環境，再加上多糖來源豐富且多樣，因此多糖顯示了作為一類天然活性成分藥劑而開發的巨大潛力和應用前景，相關研究也逐漸增多，成為當下的研究熱點。

然而，多糖在開發和應用過程中還存在諸多問題，如研究較多的大都是植物多糖和真菌多糖，開發條件和多糖來源受到技術的限制而難以大量推廣；高質量多糖的獲取因植物種類和部位、采收時間、提取工藝等因素的不同而效果存在顯著差異；多糖抗菌抑菌、抗癌癥和抗氧化等機制尚不完全清晰；不同種類的多糖對不同的病原菌的抗菌效果不一，還受到溫度、濃度、溶劑、分子量等多種因素影響效果的發揮；結構差異導致多糖的功能也有很大區別；因此，應盡快解決上述相關問題，深入開發以多糖為原料的應用技術，使其產業化并應用于新領域，給人類、動植物和環境帶來新的福祉。