硒多糖提取、结构和生物活性的研究进展

高琦1,2,于慧洋1,董立超1,张伟东1,沙炫利1,王晓文1,张俊伟1,薛友林1*

(1.辽宁大学 轻型产业学院,辽宁 沈阳 110036;2.中共辽宁省委党校,辽宁 沈阳 110161)

摘 要:硒多糖是一种具备硒和多糖双重活性的化合物,是一种新型的膳食硒补充剂。近年来对硒多糖的结构和生物活性的研究越来越深入,但硒多糖的结构复杂,合成方法比较局限,缺乏系统性的归纳总结。该文主要对近年来硒多糖的提取及纯化、不同硒化方式下多糖的结构表征、硒与多糖的结合方式以及硒多糖在体内外的生物活性研究进行综述,旨在为硒多糖的深入研究与探索及其产品的开发与利用提供合理有价值的参考。

关键词:硒多糖;提取;结构;硒结合方式;生物活性

硒是人体所必需的微量元素,其在许多生理过程中都起到重要作用。摄入足够含量的硒元素可以治疗或预防许多因缺乏硒元素而引发的疾病,例如克山病、糖尿病、心脑血管病、金属中毒、免疫力低下等[1-4]。硒化合物主要分为有机和无机两种。与无机硒化合物比较,有机硒化合物有较高的生物活性,可以更好地被人体吸收[5]。因此,开发有机硒补充剂对人类健康具有重大意义。

硒多糖是硒结合大分子,具备硒和多糖双重生理作用,主要分为天然硒多糖和由两种富硒方法合成的硒多糖。近年来,硒多糖研究受到广泛的关注,有关其结构及生物活性的报道也层出不穷。硒多糖按单糖组成分为两类:单一聚糖和杂多糖。杂多糖的单糖结构通常为D-构型,其中葡萄糖和半乳糖是最常见的,在人工富硒获得的硒多糖中甘露糖也是比较常见的单糖[6-9]。硒多糖的结构以1→3糖苷键连接构成主链,大多数是β-构型,有少数的α-构型[10]。硒通常以氢键的方式与多糖结合或者以硒酯的形式存在于多糖中[6,11-12]

由于硒和多糖具有相似的生物功能,硒和多糖的结合会产生更大的生物效应,有利于人体的吸收利用,副作用小,对人体安全[13-14]。硒多糖具有抗氧化、抗肿瘤、免疫调节、降血糖、肝保护、神经保护、抗重金属等多种功能[15-19]。多项研究表明,多糖的硒含量越高,其抗肿瘤活性与神经保护活性越强[20-22]。同时具有硒和多糖优点的硒多糖引起了学者越来越多的关注,学者对其制备、结构和生物活性进行了大量的研究。本文旨在对近年来有关硒多糖的研究进行系统性总结,对其制备提取和纯化,不同硒化方式下多糖结构表征,以及在体内外生物活性进行归纳总结,从多方面阐述有关硒多糖的内容,为后续进一步研究有关硒多糖的结构与功能及开发功能性食品提供理论基础。

1 硒多糖的来源和提取

目前研究的硒多糖主要分为天然硒多糖和由两种富硒方法获得的硒多糖。保留在植物或微生物中的天然硒多糖中的硒含量很低,因此,研究者们试图通过富硒的方法来增加生物体中硒多糖的硒含量。

1.1 天然硒多糖

天然硒多糖大多存在于在高硒地区的富硒植物中,这些植物通过代谢方式合成天然有机硒。在我国的湖北恩施,农作物的硒含量比一般地区的高出数倍,如大蒜、南瓜等。Yang等[23]在湖北恩施的大蒜(Allium sativum L.)中分离出大蒜硒多糖,主要成分为与硒结合的甘露聚糖。易春艳[24]从湖北恩施的南瓜(Cucurbita moschata)中提取出南瓜硒多糖,测得硒含量为46.08 μg/g。

1.2 天然多糖的硒化修饰

天然多糖富硒的方法可以分为生物转化法和化学合成法。生物转化法主要分为两种:微生物转化法和植物转化法,此类方法合成得到的硒多糖具有硒含量高且品类多样双重优点。化学合成方法主要分为3种,一是采用单体硒、亚硒酸钠合成硒多糖,二是采用硒化试剂(如二氯氧硒)合成硒多糖,三是采用含硒有机团(如邻甲硒基苯甲酸对硝基苯酯)合成硒多糖[25]。此方法更加高效,适用于大部分的天然多糖。

1.2.1 生物转化硒化修饰

目前通过生物转化修饰的方法成功获得的天然硒多糖包括灵芝硒多糖、香菇硒多糖、螺旋藻硒多糖、箬叶硒多糖、大蒜硒多糖和黑木耳硒多糖[26]。在富含微生物的培养基中加入无机硒,利用微生物的生长代谢富集和转化硒,合成硒多糖。Liu等[7]用马铃薯培养基培养获得真姬菇(Hypsizigus marmoreus)SK-03菌丝体,将亚硒酸钠加入培养基中,得到富含硒的真姬菇SK-03菌丝体。经提取纯化,得到真姬菇硒多糖,在亚硒酸钠浓度为3 μg/mL时,硒含量为0.28 mg/g。Malinowska等[18]在富硒营养基上进行猴头菇(Hericium erinaceum)的液体培养,探究硒对多糖生成的影响,在含硒甘油三酯添加量5%的培养基中所得到的硒多糖中硒含量最高,为4.89 mg/g。采用微生物富集法富集硒多糖的影响条件较多,其制备方法也比较复杂,但所得产物活性稳定,不易分解[27]。生物转化法还可用于提高农产品和粮食等食品中的硒含量。通过叶面喷施或根系施硒,利用植物的生物富集作用来转化有机硒,以此合成硒多糖。例如肖雪琴等[28]以不同浓度梯度的亚硒酸钠溶液对库拉索芦荟(Aloe vera L.)进行叶面施硒和根系施硒,发现芦荟硒含量随硒肥浓度的增加而增大,且不同来源硒的措施对芦荟中硒含量的影响不同,叶喷施硒效果优于根系施硒。吕萌等[29]对不同树龄青钱柳叶(Cyclocarya paliurus)叶面喷施有机富硒肥,不同的喷施剂量和喷施时间会造成富硒效果不同,硒含量最高达7.31 mg/kg。由此可见,植物富硒的效果除受富硒方法、硒肥浓度、富硒环境的影响外,与土壤酸碱度、富硒时间也有一定关系。

1.2.2 化学合成硒化修饰

多糖含有羟基、醛、酮等基团,化合物与其发生反应从而合成硒多糖。目前合成的硒多糖主要有卡拉胶硒化多糖、绿茶多糖、蛹虫草硒多糖、红芪硒多糖、酰氯与单环素多糖醚化得到的硒醚多糖[26]等。其中最常用的方法为采用单体硒、亚硒酸盐或硒酸盐为硒化试剂合成硒多糖。其一般的工艺路线为将天然多糖样品溶于稀硝酸中,与亚硒酸钠和氯化钡反应,加入氢氧化铁调节pH值,通过沉淀去除Ba2+,透析冻干得到多糖样品。Zhu等[6]采用此方法硒化绿茶(Camellia sinensis)中的天然茶多糖(tea polysaccharide,TPS1),所得样品命名为CSe-TPS1,硒含量达到2.12 mg/kg,而植物转化法得到的茶叶硒多糖ASe-tps1的硒含量为1.64 mg/kg。由此可见,该方法具有较高的硒化效率,硒化后的硒含量远高于天然硒多糖和生物转化得到的硒多糖。此方法反应条件简单,效率高,是提取多糖中硒的常用方法,适用于大部分的天然多糖。除此之外,还采用硒的有机试剂二氯氧硒与多糖反应合成硒多糖,该反应可能与醇作用生成亚硒酸酯,也可能与两个相邻的羟基反应生成亚硒酸酯。龚晓钟等[11]将天然黄芪(Radix astragali)多糖加入到分散剂吡啶中,加入二氯氧硒。在最佳条件样品与二氯氧硒以1∶1(g/mL)反应48 h,黄芪多糖的含硒量及收率分别达到16 280 μg/g和85.80%。刘捷等[30]使用二氯氧硒硒化红薯(Ipomoea batatas)叶多糖,硒化试剂用量和反应温度会影响产物的含硒量,在二氯氧硒的用量为2 mL,温度为70℃时,含硒量达到358 μg/g。该方法虽对多糖结构改变不大,但SeOCl2性质不稳定,易产生有毒气体,仍有待改进[10]。还可通过对多糖支链添加不同有机硒化合物来进行硒化。蒋京等[31]通过壳聚糖分子中的氨基分别与邻甲硒基苯甲酸对硝基苯酯、2-(4-苯甲酸甲酯基)-1,2-苯并异硒唑-3(2H)酮和硒代二乙酸反应以进行硒化。得到 3种硒-壳聚糖衍生物(chitosan-Se,CTS-Se),其硒含量分别为60、50、80 mg/g。该类衍生物兼具壳聚糖和有机硒化合物的特性。

1.2.3 多糖的提取纯化

由于硒多糖是以多糖为基础的大分子,其提取纯化方法与多糖非常相似。天然硒多糖具有亲水性和离子性,一般采用水提醇沉法从富硒材料中提取,并用离子交换色谱法纯化。其一般的工艺路线为用石油醚和乙醇预处理去除脂肪和色素,用热水提取天然富硒物质。离心浓缩后,得到含硒多糖溶液,并进一步纯化。通过脱蛋白、脱色和透析对粗硒多糖进行纯化,脱蛋白的方法有4种:Sevag法、三氟氯乙烷法、三氯乙酸法和酶法。酶法水解和Sevag法相结合效果更好。粗多糖可通过离子交换、氧化、金属络合、吸附等方式进行脱色[26]。然后用乙醇沉淀、离心、透析和冷冻干燥,获得含硒粗多糖。随后,通过离子交换色谱纯化粗含硒多糖。含硒多糖的纯化通常使用二乙氨乙基(diethylaminoethyl,DEAE)琼脂糖凝胶、DEAE纤维素和琼脂糖凝胶离子交换色谱进行,可根据多糖分子形状、大小和酸碱性不同达到分离目的[24],现已用于从富硒茶[32]、金樱子[33]、碎米荠[34]中纯化含硒多糖。如Liu等[33]将金樱子(Rosa laevigata)粗多糖溶液用去离子水施加到DEAE-Cellulose-52柱上,以0.80 mL/min的流速用两个梯度的氯化钠溶液(0.10、0.20 mol/L)分步洗脱。用SephadexG-200柱进一步纯化产物,得到两种主要多糖(selenium-containing Rosa laevigata polysaccharides,Se-RLFP)Se-RLFP-1(628 mg)和 Se-RLFP-2(1 080 mg),分别占粗硒多糖的12.60%和21.60%。Se-RLFP-1和Se-RLFP-2分别含有 21.30 μg/g和 7.80 μg/g的硒。最后将收集的洗脱液浓缩、透析并自由干燥,得到纯化的含硒多糖。

同时,也有研究者利用超声波、微波、碱或酶作为辅助技术来提高硒多糖的提取率。超声波可以打破植物细胞的细胞壁,使植物体内的多糖成分溶解到溶剂中以达到目的。余小双等[35]采用超声辅助水浴浸提方法提取富硒板栗(Castanea mollissima)中的硒多糖。板栗硒多糖在料液比 1∶15(g/mL),60 ℃下,超声 15 min,浸提1h。硒多糖提取率最高达1.35%,硒含量为2.72μg/g。微波具有强的穿透力,通过破坏细胞壁而使细胞内多糖释放,从而提高提取率。商龙臣等[36]以天然富硒植物续断(Dipsacales japonicus)为原料提取硒多糖。在液料比 1∶100(g/mL),微波功率 800 W 条件下处理 6 min,水浴浸提80 min,硒多糖含量为3.38%。其硒多糖中硒含量为1.12 μg/g。酶法提取通过分解植物组织使多糖释放。因提取条件温和,提取率较高,而广泛用于多糖的提取。顾浩峰等[37]使用复合酶法辅助提取富硒猴头菇(Hericium erinaceus)中的天然硒多糖,酶最优配比为纤维素酶0.50%、果胶酶0.60%、木瓜蛋白酶0.40%,硒多糖的提取率可达17.52%,硒含量高达0.28 mg/kg。超声-微波辅助水提取可以破坏植物细胞壁,促进细胞内多糖的释放,增加其溶解度以提高效率。刘春延等[38]用超声-微波法从富硒黑木耳(Auricularia auricula)中提取硒多糖,在料液比 1∶58(g/mL)、微波功率 350 W、微波时间22 min、超声功率455 W、超声时间26 min的条件下,最高提取率为11.79%,比传统水提法提高4.10%,提取时间缩短56.67%。

真空提取技术作为一种新的萃取技术,具有提取率高、提取温度低、对温度敏感、成分损伤小、提取时间短、能耗低等优点。Liu等[39]采用该技术探究对姜黄素衍生物提取率的影响,在最佳提取条件下,提取率为3.48%,与传统提取方法比较,姜黄素衍生物的提取率和抗氧化能力均较高。此外,液体发酵提取法与水提醇沉法相比,具有产量高、周期短、可工业化生产、规模大等优点,已逐渐成为获得多糖的主要方法[39]

2 硒多糖的结构

2.1 单糖组成

根据硒多糖单糖的组成不同,主要被分为两大类:单一聚糖和杂多糖。原料来源和提取工艺均对单糖组成有很大影响,表1对比了不同方式和不同工艺提取多糖的单糖组成。

表1 不同硒化方式所得多糖的组成
Table 1 Monosaccharide compositions of polysaccharides obtained by different selenization methods

多糖来源不同的硒化方式 硒多糖 硒含量 单糖组成 文献微生物 培养基富硒真姬菇SK-03菌丝体多糖 0.28 mg/g 鼠李糖、岩藻糖、木糖、甘露糖、半乳糖和葡萄糖0.009∶1.00∶0.20∶1.27∶2.84∶10.49[7]硒多糖 灵芝孢子多糖(Se-enriched G.Lucidum,Se-GLP)0.83 mg/g 葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和甘露糖 1∶4.3∶0.7∶0.18 [40]灰树花硒多糖(Se-enriched grifola frondosa polysaccharide,Se-GFP-22)8.37 μg/g 甘露糖、葡萄糖和半乳糖 3.3∶23.3∶1 [41]化学合成硒多糖蛹虫草硒多糖(cordyceps sinensis polysaccharide,CSe-TPS1)641.3 μg/g D-甘露糖、D-葡萄糖和 D-半乳糖 1∶9.91∶0.94 [8]植物 天然富硒硒多糖茶硒多糖(Se-containing polysaccharides,SeTPS-1)23.50 μg/g 葡萄糖、半乳糖 80.1∶2.3 [9]茶硒多糖(SeTPS-2) 13.47 μg/g 阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖和半乳糖醛酸2.0∶48.8∶3.2∶1.3 [9]绿茶硒多糖(Se-enriched tea polysaccharides,NSe-TPS2)0.44 μg/g 岩藻糖、鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸 0.07∶0.28∶0.59∶1.00∶0.10∶0.49∶1.24[42]人工富硒硒多糖绿茶硒多糖(tea polysaccharide,CSe-TPS1) 2.12 μg/g 鼠李糖、阿拉伯糖、葡萄糖胺、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖、果糖和半乳糖醛酸组成 0.15∶0.0∶0.12∶1.54∶1.00∶0.21∶0.67∶0.20∶0.01[6]化学合成硒多糖绿茶硒多糖(ASe-TPS1) 1.64 μg/g鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖、果糖和半乳糖醛酸 0.16∶0.25∶0.76∶1.00∶0.05∶0.10∶0.12∶0.31[6]

2.2 硒与多糖的结合方式

多糖的来源、性质和硒化方式的不同,硒与多糖的结合方式也会发生变化。表2总结了在不同硒化方式的作用下,硒与多糖的结合方式。

表2 硒多糖中硒的结合方式
Table 2 Combinations of selenium in selenium polysaccharide

不同的硒化方式 硒多糖 硒含量 硒的结合方式 文献天然富硒多糖 富硒金针菇硒多糖 7.97 μg/g 在水溶性硒多糖的支链上,硒以Se-H形式存在,未改变主体结构在碱溶性硒多糖中硒是以硒酸酯的形式存在,改变了主体结构[12]人工富集硒多糖 人工富硒茶叶硒多糖ASe-TPS1 1.64 μgg 硒以氢键的形式取代了多糖C-1和C-6位的羟基多糖的分支 [6]亚硒酸/亚硒 化学合成绿茶硒多糖CSe-TPS1 2.12 μg/g 硒以硒酯的形式取代了多糖C-6位的羟基 [6]酸钠硒化 化学合成蛹虫草硒多糖SeCPS-I 641.30 μg/g 亚硒酸基团主要在多糖的C-6位引入 [8]化学合成红芪硒多糖Se-RHP3 3.29 mg/g 亚硒酸基团主要在多糖的C-6位引入 [43]卡拉胶化学合成生成硒酸酯多糖 卡拉胶为硫酸酯多糖,硒取代硫酸酯多糖结构中的部分硫形成硒酸酯多糖[44]氯氧化硒硒化 化学合成黄芪多糖 16 820 μg/g 硒与单糖上两个顺式相邻羟基形成五元环的亚硒酸酯 [11]

2.3 天然硒多糖的结构

为了分析多糖的结构,必须弄清单糖的构成及其结合方式,并确定多糖是否具有分支或分支位置[45]。Li等[41]从富硒茶叶中分离纯化多糖NSe-TPS2。经过试验分析岩藻糖和甘露糖可能形成NSe-TPS2的支链,木糖可能与更复杂的支链主干相连,果糖可能存在于主链骨架上。核磁分析表明,NSe-TPS2的结构主要由β-D-(1→4)-Glcp和 α-D-(1→4)-GalpA 组成。Wang等[32]在富硒茶中提取纯化出3种硒多糖。分析表明,3种纯化后的茶多糖中仍有硒与多糖相结合,证明天然茶多糖可以与硒结合。红外分析结果表明,在1 100 cm-1和1 020 cm-1处存在特征吸收峰,表明葡萄糖残基中吡喃糖环发生了拉伸振动。醛酸的特征吸收峰表明多糖是酸性多糖。天然硒多糖一般利用弱相互作用与多糖的羟基或醛基共价连接硒[46]

2.4 人工富硒硒多糖的结构

人工富集硒多糖是将外源无机硒转为有机硒合成硒多糖。Li等[41]用亚硒酸盐处理灰树花(Grifola frondosa)子实体,从其中提取硒多糖(Se-enriched Grifola frondosa polysaccharide,Se-GFP),纯化出 Se-GFP-22。红外光谱分析表明,Se-GFP-22存在Se—O—C键、Se O键和硒酯O—Se—O键,表明多糖在硒富集后被成功修饰。核磁分析表明,硒多糖是1,4-α-D-Glcp(吡喃葡萄糖基)单元的主链,在C6处的支点为1,3,6-β-D-Manp(吡喃甘露糖基)和 1,4,6-α-D-Galp(吡喃半乳糖基)单元。刚果红试验分析表明,Se-GFP-22是以无规卷曲和聚集形态存在的。Zhu等[6]采用亚硒酸钠对茶叶进行叶面喷施处理,并从富硒茶叶中分离、纯化硒多糖ASe—TPS1。红外光谱分析表明,669 cm-1附近的弱吸收峰,可推测硒以Se—H键的形式存在于多糖的分枝上。拉曼光谱分析表明,在791、632 cm-1处有极弱的特征吸收峰(C—O—Se),结合红外光谱分析结果,ASe-TPS1中存在少量结合态的硒碳杂环化合物,主要以Se—H键的形式存在。核磁分析表明,ASe-TPS1存在α型和β型糖苷键构型,且硒以氢键的形式取代了多糖C-1和C-6位的羟基多糖的分支。刚果红分析结果表明,ASe-TPS1是三螺旋结构。

2.5 化学合成硒多糖的结构

2.5.1 使用单体硒、亚硒酸钠进行修饰的多糖结构

在硒化改性过程中,亚硒酸钠优先与半缩醛羟基C6—OH反应,硒在多糖中主要以硒酯的形式存在,取代基的位置和形式通常通过核磁共振和红外光谱进行分析[46]。Zhu等[6]在茶叶中提取多糖,经过亚硒酸钠修 饰 得 到 (cordyceps sinensis polysaccharide,CSe-TPS1)。原子吸收光谱分析表明,在CSe-TPS1中发现了含量为2.45%的葡萄糖胺,表明人工合成硒化可以在茶多糖中产生新的单糖成分。拉曼光谱分析表明,CSe-TPS1存在Se O键和Se—OH键,其特征峰与硒酯的特征吸收峰一致,表明CSe-TPS1中含有Se O键,且与CSe-TPS1中C6位的羟基发生取代反应。核磁分析表明,CSe-TPS1存在α型和β型糖苷键构型,C6位发生了明显的取代反应。Zhu等[8]在蛹虫草中提取多糖,经过亚硒酸钠修饰得到SeCPS-I。紫外分析表现,多糖中没有蛋白质和核酸,存在C—O—Se拉伸振动和Se O不对称拉伸。核磁分析表明,存在氧取代碳的信号,主要在C6处发生硒化取代,内侧的主要羟基基团没有被硒化。由此可知,硒化多糖的主要结构与其原始结构相似,多以硒酯或亚硒酸基团在C-6位引入的形式存在。

2.5.2 使用硒化试剂修饰的多糖结构

在硒化改性过程中,含多羟基的糖与氯氧化硒作用时,会发生反应并形成硒酯。龚晓钟等[11]使用氯氧化硒硒化黄芪多糖,从硒含量的结果来看,黄芪多糖中的硒不是吸附的无机硒,而是有机硒。红外分析出现了780 cm-1及730 cm-1附近的亚硒酸酯特征吸收峰,这说明硒化后存在亚硒酸酯基团。核磁分析证实了Se O与顺式关系的1,2位相邻羟基形成了五元环结构的亚硒酸酯,同时与多糖中两个相邻单糖C6上的羟基发生取代形成环状亚硒酸酯。刘捷等[30]使用氯氧化硒对甘薯叶多糖进行硒化。红外紫外光谱分析表明,硒化后的红薯叶多糖在203 nm左右出现强吸收峰,说明硒化后亚硒酸酯基团存在于硒化红薯叶多糖的结构中。

3 硒多糖的生物活性

为了研究含硒多糖的多种生物活性和保健作用,国内外进行了大量的生物活性的研究。含硒多糖具有抗氧化、抗肿瘤、免疫增强、保肝、降糖、抗炎和神经保护等多种生物活性。

3.1 抗氧化活性

硒多糖在体内可以转化为抗氧化酶的活性中心,如谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSHPx)、硫氧还蛋白(thioredoxin,Trx)和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)。可催化人体细胞中脂质氢过氧化物和过氧化氢的分解,从而保护细胞、细胞膜、细胞脂质、脂蛋白和DNA免受氧化损伤[46]。硒多糖的抗氧化作用比天然多糖更加显著,硒含量越高,其抗氧化性越强。Gu等[9]在富硒茶中提取天然硒多糖(SeTPS-1和SeTPS-2),样品浓度越高,其还原性越强,对ABTS+自由基的清除率分别为43.57%和41.24%。多糖在清除羟自由基团方面起到重要作用,其清除活性具有浓度依赖性。SeTPS-1和SeTPS-2均具有抗氧化能力和对H2O2诱导的DNA损伤的保护作用。Liu等[21]在紫花苜蓿(Medicago sativa)中提取多糖硒化得到的人工硒多糖 (Se-polysaccharides,Se-APS),经过 DPPH 和ABTS+自由基清除测定,高浓度(5 mg/mL)时,Se-APS2和Se-APS3的清除率分别为88.10%和92.00%。结果表明,特异的抗氧化活性均存在于天然多糖和硒化多糖中,但硒化多糖比天然多糖具有更明显的抗氧化作用。

硒多糖具有修复内毒素血症所致肺、肾损害的潜在能力,具有抗氧化、抗炎和保护作用。Gao等[15]从长根奥德蘑(Oudemansiella radicata)菌丝体中分离出了硒多糖(selenium polysaccharides,SPS)。在此研究中,脂多糖(lipopolysaccharides,LPS)注射使内毒素血症小鼠超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶、过氧化氢酶(catalase,CAT)和总抗氧化能力(total antioxidant capacity,T-AOC)活性降低,过氧化脂和丙二醛含量增加,肺脏和肾脏发生了严重的氧化损伤,而硒多糖可以减轻上述现象。在400 mg/(kg·d)剂量组中观察到酶解硒多糖使大鼠的肺和肾组织中SOD、GSH-Px和CAT活性达到最大值,表明酶解硒多糖具有良好的抗氧化活性,并具有正剂量效应关系。

3.2 抗肿瘤活性

硒多糖具有抗肿瘤活性且安全性能较高。商龙臣等[47]以不同质量浓度的南瓜多糖、南瓜硒多糖和亚硒酸钠处理人乳腺癌细胞,使用四甲基偶氮唑盐微量酶反应比色法测定对MDA-MB-231乳腺癌细胞的抑制作用。相同条件下亚硒酸钠对细胞的抑制作用较强,但其硒含量过量易引起中毒,不利于人体健康。而南瓜硒多糖的抑制作用虽相对较弱,但安全性能较高,具备更高效的应用前景。Liu等[20]提取蛹虫草中的多糖并进行硒化得到硒多糖(SeCPS-Ⅰ、SeCPS-Ⅱ和SeCPS-Ⅲ)。硒含量由高到低依次为SeCPS-Ⅱ、SeCPS-Ⅲ和SeCPS-Ⅰ。采用四甲基偶氮唑盐微量酶反应比色法测定了多糖在体外对HepG-2细胞和A549细胞的抗肿瘤作用。SeCPS-Ⅱ的抗肿瘤活性最强,其次是SeCPS-Ⅲ和SeCPS-Ⅰ。从抗肿瘤实验结果来看,硒化多糖的硒含量与其抗肿瘤活性呈正相关。

硒多糖在体内可改善血液生化指标,抑制肿瘤生长。Mao等[1]用在富硒灰树花中提取(天然)硒多糖(Se-GP11)处理的小鼠,结果表明,与其他化学药物(5-Fu)相比,Se-GP11能增加体重、器官重量,改善血液生化指标。Se-GP11可以增加白细胞、红细胞和血小板的数量。Wang等[16]用从富硒紫阳绿茶中提取的天然硒多糖(Se-polysaccharide,Se-ZYTP)处理被注射人骨肉瘤U-2 OS细胞的小鼠,并检测其体内抗肿瘤活性。经Se-ZYTP处理注射U-2 OS细胞的小鼠的体重与正常小鼠没有显著差异,实验期间也没有小鼠死亡。证明Se-ZYTP具有抗人骨肉瘤的活性。

3.3 免疫调节活性

硒多糖可以显著增强细胞免疫反应并增强免疫对象的免疫活性,促进淋巴细胞表达,提高合成抗体能力。Feng等[2]提取硒化川明参(Chuanminshen violaceum)多糖并进行硒化得到硒多糖(sCVPS),探究其免疫增强活性。体外实验结果表明,特定浓度的sCVPS可促使淋巴细胞增殖,促进淋巴细胞中IFN-γ和IL-4表达。

硒多糖可以促进淋巴细胞分裂和淋巴因子的产生,从而调节机体免疫反应[48]。Li等[17]在小鼠体内注射含硒黄芪(Astragalus membranaceus)根多糖(polysaccharides from roots of A.membranaceus,PAMs),改善了肿瘤移植诱导的宿主CD4+T细胞凋亡和血清细胞因子失调,提高了自然杀伤细胞和CD8+T细胞的细胞毒活性。PAMs还以硒依赖性方式增强了腹膜巨噬细胞的吞噬功能,抑制肿瘤相关巨噬细胞M2样极化。硒是PAMs抗肿瘤免疫调节活性的重要贡献因子。

3.4 肝保护活性

硒多糖可以维持肝细胞形态结构、减少脂肪和肝细胞变性,对肝损伤有明显的保护作用。Surhio等[49]对粒毛盘菌属(Lachnum sp.)人工硒化得到硒多糖(selenium modifiedexo polysaccharide of Lachnum sp.,SeLEP-1b),LEP-1b和SeLEP-1b对高脂血症小鼠具有保肝、提高血脂含量、增强抗氧化酶活性的作用。在相同剂量下,SeLEP-1b组比LEP-1b组更能降低血清谷丙转氨酶和谷草转氨酶水平。SeLEP-1b对修复受损肝细胞非常有效,大剂量SeLEP-1b能较好地恢复肝细胞形态结构、减少脂肪和肝细胞变性。Wang等[22]分离出的富硒紫阳绿茶中茶多糖通过介导抗氧化和自由基清除活性,对肝损伤有明显的保护作用。茶多糖能显著增强被CCl4损伤的小鼠肝脏中GSH-Px和SOD活性,具有恢复CCl4损伤肝脏两种酶活性的能力,能降低CCl4引起的肝组织学改变,对肝脏起到保护效果。

3.5 抗糖尿病活性

硒多糖具有抗氧化作用,能影响机体降血脂、降血糖的活性,保护机体免受过氧化损伤。Yu等[3]研究了鸡腿菇(Coprini comati)富硒菌丝体硒多糖(seleniumpolysaccharide,SPS),可使小鼠血糖水平显著下降,酶抗氧化物活性和肝、肾非酶抗氧化物含量显著升高。具有很强的抗氧化活性,直接或间接导致其低血糖和降血脂的特性。Ru等[19]合成苦瓜(Momordica charantia)硒多糖(selenylatedmomordicapolysaccharide,Se-MCPIIa-1)。链脲霉素(streptozotocin,STZ)诱导的糖尿病小鼠在口服Se-MCPIIa-1后,小鼠的体重增加,氧化应激的作用减轻,表明Se-MCPIIa-1可显著降低糖尿病小鼠的空腹血糖水平,提升胰岛素水平和抗氧化酶活性。另外,在组织病理学资料中发现,Se-MCPIIa-1可预防糖尿病引起的胰岛、肝、肾损害。

4 结论和展望

硒多糖是硒结合大分子,具备硒和多糖双重生理作用。现在研究的硒多糖主要分为天然硒多糖和由两种富硒方法获得的硒多糖,富硒方法分为生物转换法和化学合成法。生物转换法合成的硒多糖具有硒含量高且品类多样且更加的绿色环保,因此得到了更广泛的应用。硒多糖的结构可利用红外光谱、紫外光谱、核磁共振等方法分析,不同的硒化方式和多糖中硒含量的不同都会影响到单糖分子的种类和比例。硒多糖的主要结构与原结构较为一致,硒在多糖结构中主要以硒酯或者氢键的形式存在。硒多糖作为一种有机硒化合物,是一种良好的生物补硒剂,具有抗氧化、抗肿瘤、免疫调节、降血糖、肝保护、神经保护、抗金属等生物活性。硒多糖对癌细胞具有抑制作用且安全性能较高,可以增强细胞免疫应答,增强非特异性和特异性细胞溶解活性,提高血脂含量,保肝活性,改善细胞氧化应激和凋亡,硒含量越高,神经保护活性越强。因此研究人员开始利用硒多糖的特性研发对人体有益的硒多糖产品。

虽然许多研究表明硒多糖具有多种生物活性,且作用分别高于硒和多糖,但对其活性研究还不够完全,对其毒性的研究较少且化学结构和在体内的作用机制尚不完全清楚。现在有关硒多糖的应用仍处于初级阶段,还需要对含硒多糖进行进一步的研究,以便设计出活性更强、安全无毒,更有利于人体健康的定制富硒多糖。

参考文献:

[1]MAO G H,REN Y,LI Q,et al.Anti-tumor and immunomodulatory activity of selenium(Se)-polysaccharide from Se-enriched Grifola frondosa[J].International Journal of Biological Macromolecules,2016,82:607-613.

[2]FENG H B,FAN J,BO H Q,et al.Selenylation modification can enhance immune-enhancing activity of Chuanminshen violaceum polysaccharide[J].Carbohydrate Polymers,2016,153:302-311.

[3]YU J,CUI P J,ZENG W L,et al.Protective effect of seleniumpolysaccharides from the mycelia of Coprinus comatus on alloxaninduced oxidative stress in mice[J].Food Chemistry,2009,117(1):42-47.

[4]铁梅,惠秀娟,张剑慧,等.有机硒多糖对铬致小鼠细胞DNA损伤与氧化损伤的保护作用[J].环境科学学报,2010,30(1):192-197.TIE Mei,HUI Xiujuan,ZHANG Jianhui,et al.Protective effect of organic Se-containing polysaccharides against chromium-induced oxidative damage to cell DNA of mice[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2010,30(1):192-197.

[5]LI J,SHEN B X,NIE S L,et al.A combination of selenium and polysaccharides:Promising therapeutic potential[J].Carbohydrate Polymers,2019,206:163-173.

[6]ZHU J X,YU C,HAN Z,et al.Comparative analysis of existence form for selenium and structural characteristics in artificial selenium-enriched and synthetic selenized green tea polysaccharides[J].International Journal of Biological Macromolecules,2020,154:1408-1418.

[7]LIU M,YAO W,ZHU Y F,et al.Characterization,antioxidant and antiinflammation of mycelia selenium polysaccharides from Hypsizygus marmoreus SK-03[J].Carbohydrate Polymers,2018,201:566-574.

[8]ZHU Z Y,LIU F,GAO H,et al.Synthesis,characterization and antioxidant activity of selenium polysaccharide from Cordyceps militaris[J].International Journal of Biological Macromolecules,2016,93:1090-1099.

[9]GU Y G,QIU Y,WEI X,et al.Characterization of selenium-containing polysaccharides isolated from selenium-enriched tea and its bioactivities[J].Food Chemistry,2020,316:126371.

[10]齐鹏翔,黄双霞,陈华磊,等.硒多糖的合成方法及其特性研究进展[J].食品工业科技,2019,40(1):332-336.QI Pengxiang,HUANG Shuangxia,CHEN Hualei,et al.Research progress on synthesis methods and characteristics of selenium polysaccharides[J].Science and Technology of Food Industry,2019,40(1):332-336.

[11]龚晓钟,欧阳政.硒化黄芪多糖制备条件及其结构的研究[J].天然产物研究与开发,1998,10(2):26-32.GONG Xiaozhong,OUYANG Zheng.Investigation of selenoastragalans preparation conditions and structure determination[J].Natural Product Research and Development,1998,10(2):26-32.

[12]铁梅,李闯,费金岩,等.富硒金针菇子实体中硒多糖的分离纯化技术及红外光谱研究[J].分析测试学报,2008,27(2):158-161.TIE Mei,LI Chuang,FEI Jinyan,et al.Study on the purification and IR spectroscopy of Se-polysaccharides in selenium-enriched Flammulina velutipes[J].Journal of Instrumental Analysis,2008,27(2):158-161.

[13]YANG W J,HUANG G L,HUANG H L.Preparation and structure of polysaccharide selenide[J].Industrial Crops and Products,2020,154:112630.

[14]ZHANG Y S,ZHANG Z M,LIU H,et al.Physicochemical characterization and antitumor activity in vitro of a selenium polysaccharide from Pleurotus ostreatus[J].International Journal of Biological Macromolecules,2020,165:2934-2946.

[15]GAO Z,ZHANG C,LIU H,et al.The characteristics and antioxidation of Oudemansiella radicata selenium polysaccharides on lipopolysaccharide-induced endo-toxemic mice[J].International Journal of Biological Macromolecules,2018,116:753-764.

[16]WANG Y C,CHEN J,ZHANG D Z,et al.Tumoricidal effects of a selenium (Se)-polysaccharide from Ziyang green tea on human osteosarcoma U-2 OS cells[J].Carbohydrate Polymers,2013,98(1):1186-1190.

[17]LI S,BIAN F L,YUE L,et al.Selenium-dependent antitumor immunomodulating activity of polysaccharides from roots of A.membranaceus[J].International Journal of Biological Macromolecules,2014,69:64-72.

[18]MALINOWSKA E,KRZYCZKOWSKI W,HEROLD F,et al.Biosynthesis of selenium-containing polysaccharides with antioxidant activity in liquid culture of Hericium erinaceum[J].Enzyme and Microbial Technology,2009,44(5):334-343.

[19]RU Y,LIU K X,KONG X Y,et al.Synthesis of selenylated polysaccharides from Momordica charantia L.and its hypoglycemic activity in streptozotocin-induced diabetic mice[J].International Journal of Biological Macromolecules,2020,152:295-304.

[20]LIU F,ZHU Z Y,SUN X L,et al.The preparation of three seleniumcontaining Cordyceps militaris polysaccharides:Characterization andanti-tumoractivities[J].International Journal of Biological Macro-molecules,2017,99:196-204.

[21]LIU X G,XU S S,DING X D,et al.Structural characteristics of Medicago Sativa L.Polysaccharides and Se-modified polysaccharides as well as their antioxidant and neuroprotective activities[J].International Journal of Biological Macromolecules,2020,147:1099-1106.

[22]WANG D Y,ZHAO Y,SUN Y F,et al.Protective effects of Ziyang tea polysaccharides on CCl4-induced oxidative liver damage in mice[J].Food Chemistry,2014,143:371-378.

[23]YANG M,WANG K,GAO L,et al.Exploration for a natural selenium supplement—characterization and bioactivities of Se-containing polysaccharide from garlic[J].Journal of Chinese Pharmaceutical Sciences,1992,1(1):28-32.

[24]易春艳.天然富硒植物中硒多糖的提取、分离和初步分析[D].武汉:华中师范大学,2006.YI Chunyan.Studies on the extraction,isolation and preliminary analysis of selenium polysaccharide in natural selenium-rich plants[D].Wuhan:Central China Normal University,2006.

[25]王艳预,吴海歌,高大彬,等.硒多糖的研究进展[J].化学与生物工程,2008,25(2):7-9,18.WANG Yanyu,WU Haige,GAO Dabin,et al.Research progress on polysaccharide containing selenium[J].Chemistry&Bioengineering,2008,25(2):7-9,18.

[26]HUANG S Y,YANG W J,HUANG G L.Preparation and activities of selenium polysaccharide from plant such as Grifola frondosa[J].Carbohydrate Polymers,2020,242:116409.

[27]景永帅,张钰炜,李佳瑛,等.硒多糖的合成方法、结构特征和生物活性研究进展[J].食品工业科技,2021,42(7):374-381.JING Yongshuai,ZHANG Yuwei,LI Jiaying,et al.Research progress of synthesis methods,structural characteristics and biological activities of selenium polysaccharides[J].Science and Technology of Food Industry,2021,42(7):374-381.

[28]肖雪琴,韩常友,杨塞娜,等.库拉索芦荟富硒栽培技术研究[J].生物资源,2018,40(1):41-46.XIAO Xueqin,HAN Changyou,YANG Saina,et al.Cultivation technology of artificial supplement of selenium to Aloe vera L[J].Biotic Resources,2018,40(1):41-46.

[29]吕萌,陈伟鸿,许琦,等.有机富硒肥对青钱柳叶中硒、微量元素及功效成分的影响[J].农学学报,2016,6(5):39-42.LÜ Meng,CHEN Weihong,XU Qi,et al.Effects of organic selenium fertilizer on selenium,trace elements and active components in Cyclocarya paliurus[J].Journal of Agriculture,2016,6(5):39-42.

[30]刘捷,张体祥,于立芹,等.硒化红薯叶多糖的制备及抗氧化活性研究[J].食品研究与开发,2009,30(8):8-11.LIU Jie,ZHANG Tixiang,YU Liqin,et al.Studies on preparation and antioxidant activities of selenium sweet potato leaf polysaccarides[J].Food Research and Development,2009,30(8):8-11.

[31]蒋京,廖宝凉.N—含硒壳聚糖衍生物的合成、表征及其生物活性[J].广东微量元素科学,2000,7(5):14-17.JIANG Jing,LIAO Baoliang.Synthesis,characterization and bioactivity of selenium-containing chitosan derivatives[J].Trace Elements Science,2000,7(5):14-17.

[32]WANG Y F,LI Y F,LIU Y Y,et al.Extraction,characterization and antioxidant activities of Se-enriched tea polysaccharides[J].International Journal of Biological Macromolecules,2015,77:76-84.

[33]LIU X G,GAO Y X,LI D Q,et al.The neuroprotective and antioxidant profiles of selenium-containing polysaccharides from the fruit of Rosa laevigata[J].Food&Function,2018,9(3):1800-1808.

[34]石宝霞,车会莲,赵利霞,等.碎米荠硒多糖的分离纯化及光谱分析[J].食品科学,2007,28(6):298-302.SHI Baoxia,CHE Huilian,ZHAO Lixia,et al.Study on purification and spectra analysis of Cardamine urbaniana O.E.Schlz-selenium polysaccharide[J].Food Science,2007,28(6):298-302.

[35]余小双,徐元芬,张驰.正交试验优化沙地油栗硒多糖提取工艺研究[J].山东化工,2018,47(9):6-8,10.YU Xiaoshuang,XU Yuanfen,ZHANG Chi.Optimization of extraction of Se-polysaccharide from chestnut by orthogonal test[J].Shandong Chemical Industry,2018,47(9):6-8,10.

[36]商龙臣,李琴,张驰.正交试验对续断硒多糖提取的优化[J].湖北农业科学,2016,55(2):441-443,468.SHANG Longchen,LI Qin,ZHANG Chi.Extraction of Se-polysaccharides from teasel root by orthogonal test[J].Hubei Agricultural Sciences,2016,55(2):441-443,468.

[37]顾浩峰.酶法辅助提取猴头菇中硒多糖工艺中复合酶用量的优化[J].食品与发酵科技,2017,53(4):39-44.GU Haofeng.The optimization of dosage of complex enzymes in enzyme-assisted Hericium Se-polysaccharides extraction[J].Food and Fermentation Sciences&Technology,2017,53(4):39-44.

[38]刘春延,赵博,张国财,等.富硒黑木耳硒多糖超声-微波提取工艺优化及其抗氧化活性[J].湖南农业大学学报(自然科学版),2016,42(4):435-440.LIU Chunyan,ZHAO Bo,ZHANG Guocai,et al.Process optimization on extracting of selenium polysaccharides with ultrasonic and microwave method from selenium-enriched Auricularia auricula and its antioxidant activity[J].Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences),2016,42(4):435-440.

[39]LIU Y,HUANG G L.Extraction and derivatisa tion of active polysaccharides[J].Journal of Enzyme Inhibition and Medicinal Chemistry,2019,34(1):1690-1696.

[40]SHI W L,HAN H,CHEN G Z,et al.Extraction,characterization of the polysaccharide extracts from Se-enriched G.lucidum(Se-GLP)and its inhibition against oxidative damage in ischemic reperfusion mice[J].Carbohydrate Polymers,2010,80(3):774-778.

[41]LI Q,WANG W,ZHU Y,et al.Structural elucidation and antioxidant activity a novel Se-polysaccharide from Se-enriched Grifola frondosa[J].Carbohydrate Polymers,2017,161:42-52.

[42]ZHU J X,CHEN Z Y,CHEN L,et al.Comparison and structural characterization of polysaccharides from natural and artificial Seenriched green tea[J].International Journal of Biological Macromolecules,2019,130:388-398.

[43]WEI D F,CHEN T,YAN M F,et al.Synthesis,characterization,antioxidant activity and neuroprotective effects of selenium polysaccharide from Radix hedysari[J].Carbohydrate Polymers,2015,125:161-168.

[44]刘建林,何新乡,陈宏.硒酸酯多糖的特性及其在食品工业中的应用[J].中国食品添加剂,2003(5):80-82.LIU Jianlin,HE Xinxiang,CHEN Hong.Kappa-selenocarrageenan and its applications in food industry[J].China Food Additives,2003(5):80-82.

[45]HUANG R,XIE J H,YU Y,et al.Recent progress in the research of yam mucilage polysaccharides:Isolation,structure and bioactivities[J].International Journal of Biological Macromolecules,2020,155:1262-1269.

[46]CHENG L Z,WANG Y F,HE X X,et al.Preparation,structural characterization and bioactivities of Se-containing polysaccharide:A review[J].International Journal of Biological Macromolecules,2018,120:82-92.

[47]商龙臣,吴少魏,张驰,等.南瓜硒多糖的制备表征及活性分析[J].食品科学,2016,37(19):48-53.SHANG Longchen,WU Shaowei,ZHANG Chi,et al.Preparation,characterization and activity analysis of selenium-containing pumpkin polysaccharide[J].Food Science,2016,37(19):48-53.

[48]ZHOU N,LONG H R,WANG C H,et al.Research progress on the biological activities of selenium polysaccharides[J].Food&Function,2020,11(6):4834-4852.

[49]SURHIO M M,WANG Y F,XU P,et al.Antihyperlipidemic and hepatoprotective properties of selenium modified polysaccharide from Lachnum sp[J].International Journal of Biological Macromolecules,2017,99:88-95.

Extraction,Structure,and Biological Activities of Selenium Polysaccharides:A Review

GAO Qi1,2,YU Hui-yang1,DONG Li-chao1,ZHANG Wei-dong1,SHA Xuan-li1,WANG Xiao-wen1,ZHANG Jun-wei1,XUE You-lin1*
(1.College of Light Industry,Liaoning University,Shenyang 110036,Liaoning,China;2.Party School of Liaoning Provincial Party Committee,Shenyang 110161,Liaoning,China)

Abstract:With the activities of selenium and polysaccharide,selenium polysaccharide is a new type of selenium dietary supplement.In recent years,there has been an explosion of research on the structure and biological activities of this compound.However,due to the complex structure and the limited synthesis methods,no systematic summary on this compound is available.This paper reviews the extraction and purification of selenium polysaccharides,structure characterization of polysaccharides selenized with different methods,binding of selenium and polysaccharides,and the biological activities of selenium polysaccharides in vivo and in vitro,which is expected to provide a reference for the in-depth research on selenium polysaccharides and the development and utilization of related products.

Key words:selenium polysaccharides;extraction;structure;selenium binding mode;biological activities

DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2022.10.029

基金项目:国家自然科学基金项目(31201285);辽宁省“兴辽英才计划”项目(XLYC1807270);辽宁省教育厅科学技术研究服务地方项目(LFW201704);辽宁大学大学生创新创业训练计划项目(D201911281951350862、D201911271713138863)

作者简介:高琦(1980—),女(汉),副教授,硕士,研究方向:农产品加工。

*通信作者:薛友林(1980—),男,教授,博士,主要从事农产品加工及食物营养研究。

引文格式:

高琦,于慧洋,董立超,等.硒多糖提取、结构和生物活性的研究进展[J].食品研究与开发,2022,43(12):216-224.

GAO Qi,YU Huiyang,DONG Lichao,et al.Extraction,Structure,and Biological Activities of Selenium Polysaccharides:A Review[J].Food Research and Development,2022,43(12):216-224.

加工编辑:王艳

收稿日期:2021-05-24