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  药物分析杂志   2018, Vol. 38 Issue (1): 3-12.  DOI: 10.16155/j.0254-1793.2018.01.01
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糖类分析专栏

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张菀鑫, 颜奕曦, 赵静, 李绍平. 枸杞多糖分析方法研究进展[J]. 药物分析杂志, 2018, 38(1): 3-12. DOI: 10.16155/j.0254-1793.2018.01.01.
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ZHANG Wan-xin, YAN Yi-xi, ZHAO Jing, LI Shao-ping. Advanced analysis of polysaccharides from Lycii Fructus[J]. Chinese Journal of Pharmaceutical Analysis, 2018, 38(1): 3-12. DOI: 10.16155/j.0254-1793.2018.01.01.
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基金项目

国家自然科学基金(No.81673389和No.81603069);澳门科学技术发展基金项目(074/2016/A2、034/2017/A1和040/2016/A);澳门大学研究基金(MYRG2015-00202和MYRG2015-00122)

第一作者

Tel:+853-88222625;E-mail:mb65812@umac.mo

通信作者

赵静,Tel:+853-88224873;E-mail:zhaojing.cpu@163.com
李绍平,Tel:+853-88224692;E-mail:lishaoping@hotmail.com

文章历史

收稿日期:2017-10-16
枸杞多糖分析方法研究进展
张菀鑫 , 颜奕曦 , 赵静 , 李绍平     
澳门大学中药质量研究国家重点实验室, 中国澳门 999078
摘要:枸杞是常用补益中药,多糖为其主要活性成分之一。枸杞多糖(LBPs)生物活性与其物理化学性质紧密相关。本文对枸杞多糖提取、分离和定性定量分析进行综述,涉及的提取方法包括传统浸提法、酶联提取法、超声提取法、微波提取法,分离方法包括乙醇沉淀法、膜分离法、色谱分离法等,定性分析则包括分子量测定、功能团鉴定以及糖谱法等,定量分析方法包括比色法和高效分子排阻色谱联用多角度激光光散射检测器和示差检测器法(HPSEC-MALLS-RID)等。本文对以上方法研究进展进行归纳,以期为枸杞多糖的检测和药材质量控制提供参考。
关键词枸杞    多糖    提取    分离    定性分析    定量分析    质量控制    
Advanced analysis of polysaccharides from Lycii Fructus
ZHANG Wan-xin, YAN Yi-xi, ZHAO Jing, LI Shao-ping    
State Key Laboratory of Quality Research in Chinese Medicine, University of Macau, Macao 999078, China
Abstract: Lycii Fructus (the fruit of Lycium barbarum L.) is a well-recognized nourishing Chinese herbal medicine, and Lycium barbarum polysaccharides (LBPs) are one of its major active components.Actually, the biological activities of LBPs are closely related to their physical and chemical properties.Therefore, the quality control of LBPs is very important.Herein, extraction, separation and qualitative and quantitative analysis were reviewed.In details, extraction methods covered traditional extraction, enzymatic extraction, ultrasonic extraction and microwave extraction.Separation methods included membrane separation and chromatography separation, while qualitative analysis covered the determination of molecular weight, functional group and saccharides mapping, quantitative analysis included colorimetric method and high performance size exclusion chromatography coupled with multi angle laser light scattering and refractive index detector method(HPSEC-MALLS-RID).It is expected that this review can offer reference to the test and quality control of Lycii Fructus.
Key words: Lycium barbarum    polysaccharides    extraction    separation    qualitative analysis    quantitative analysis    quality control    

枸杞为茄科落叶灌木,广泛分布在中国西北部、欧洲东南部和地中海的干旱和半干旱地区[1]。枸杞子是枸杞的成熟果实,为常用补益中药,在亚洲国家已有2000多年应用历史[2]。目前,枸杞子在西方国家也被作为功能性食品而广泛使用[3]。枸杞子具有多种生物活性,如保护肝脏、肾脏、视力、生殖系统、免疫系统、循环系统及延长寿命等[4]。大量研究表明:枸杞多糖(Lycium barbarum polysaccharides,LBPs)是枸杞最重要的活性成分之一,但多糖生物活性与其物理化学性质紧密相关[5],因此,LBPs的定性定量分析对于保证LBPs安全性和有效性具有重要意义。本文对LBPs提取、分离、定性和定量分析研究进展进行综述,以期为LBPs的检测及药材质量控制提供参考。

1 提取方法 1.1 传统浸提法

水浸提取法是常用于从植物中提取多糖的传统方法,具有简便易行,成本低廉,条件温和,干扰相对较少等特点,影响其提取率的主要因素有提取时间、提取温度、料液比和提取次数。Yin等[6]利用响应面法优化LBPs的传统浸提,获得最佳的条件为提取时间5.5 h,提取温度100 ℃,料液比31.2,提取次数5次(见表 1)。

表 1 浸提法提取LBPs一览表 Table 1 The preparation of LBPs based on water extraction and alcohol precipitation

但是传统浸提法耗时较长且需多次提取,会造成产率低以及原料的浪费。此外,长时间的加热有可能造成多糖的褐变及其他水溶性成分的溶解,导致纯度降低。随着提取技术的发展,这种方法已逐渐被其他新技术所取代。

1.2 酶联提取法

酶联提取法是一种温和、高效、环境友好型提取方法,已用于植物中多种成分提取,可有效提高提取率[12]。此法是在提取过程中,加入特异性酶如蛋白酶、果胶酶和纤维素酶,以破坏细胞壁和脂质体,促进胞内物质释放[13]。Zhang等[14]应用响应面法优选出酶联法提取LBPs的最佳条件:纤维素酶2.0%,木瓜蛋白酶1.0%,提取时间91 min,提取温度59.7 ℃,pH 5.0;在上述条件下LBPs提取率可达6.81%。Liu等[13]采用响应面法优化超声辅助酶联法的最佳条件:提取时间20.29 min,超声输出功率78.6 W,纤维素酶浓度2.15%,提取温度55.79 ℃;LBPs在优化条件下的提取率为6.31%。

1.3 超声提取法

超声主要是利用超声具有的机械效应、空化效应及热效应,提高分子运动速率和溶剂穿透能力,提高提取效率。与其他传统技术相比,超声提取具有高效、经济等特点,是一种“绿色”提取方法[15]。Yang等[4]比较了热水提取(100 ℃,80 min)和超声提取(室温,80 min,360 W)LBPs的效果,表明超声提取可以在较低温度下提高提取率,各类物质如总糖、总蛋白和总酚类的产率均有提高。此外,超声还便于与其他提取方法,如酶提取法[13]、亚临界水提法[16]、微波提取法[17]联用以提高提取效率。

1.4 微波提取法

微波提取是利用微波能,通过极性溶剂在微波作用下的偶极转动和离子传导迁移,导致分子间产生摩擦产热,从而加速目标物质的质量传递[18]。此方法最突出的优点是它能极大减少提取时间,提高提取率。Dong等[17]采用微波超声联用方法提取LBPs,得出最佳提取条件为微波功率500 W,微波时间10 min,pH 9.0。微波提取LBPs,提取效率高[19],但需要关注微波可能引起的多糖结构破坏。

2 分离纯化 2.1 净化除杂

多糖的分离纯化是在获得粗多糖后,通过一系列去除多糖中共存杂质,最后得到高纯度多糖的过程。枸杞中含有色素、脂肪和小分子碳水化合物,可先使用有机试剂对枸杞进行回流将之去除。Liu等[7]将枸杞放入索氏提取仪,利用三氯甲烷-甲醇回流4 h,从而去除脂肪。Zhang等[8]利用80%乙醇水热回流2 h去除单糖和小分子物质。此外,枸杞粗多糖也常掺杂有大分子的蛋白质,常用去蛋白方法有Sevag法、三氯乙酸法和盐酸法[20]。Liu等[21]利用Sevag法去除LPBs中蛋白质。近年来,原本常用于分离蛋白、抗体和酶的双水相萃取法[22],也被用来去除枸杞粗多糖中的主要杂质蛋白质,此法具有条件温和、高效及操作简单等特点,避免了有机溶剂的使用,蛋白去除率也高。

2.2 乙醇沉淀法

乙醇沉淀法利用不同多糖在不同浓度乙醇中溶解度的差异,从而达到分离的目的。一般来说,在醇沉过程中,相对分子质量越大的多糖会越先被析出。乙醇沉淀法是一种简易,低成本,适用于大量分离多糖的方法。然而,用这种方法分离得到的多糖纯度较低,因此通常被用于初步的分离。Zhang等[8]通过乙醇分级沉淀(浓度依次为40%、50%、70%、75%、80%)分离得到LBPs不同组分(如LBP-40、LBP-50、LBP-70、LBP-75和LBP-80)。

2.3 膜分离法

膜分离技术是一种以拥有不同透过性的膜作为分离介质,从而分离不同粒径大小物质的技术。在一定压力下,溶液受力通过有一定孔径的膜,因此大分子物质会被截留在膜的另一面,不能通过,是一种简便快速,用于分离天然产物中粗多糖和小分子物质的方法。超滤法是常用的膜分离技术,通过运用不同截留相对分子质量的超滤膜,可实现多糖的纯化和浓缩,具有操作简单,无化学物质参与及低温等优点。Tang等[23]用超滤膜分离法从枸杞中提取枸杞粗多糖。Zhang等[24]用截留相对分子质量分别为8×104、3×104、1×104和4×103 Da的超滤膜分离LBPs并得到LBP-a8、LBP-p8、LBP-a3、LBP-a1和LBP-a4共5个组分。

2.4 色谱分离法

根据LBPs组分理化性质差异及其在固定相载体上和流动相之间的分布差异,达到分离目的。离子交换色谱和凝胶色谱为常用的2种色谱分离方法,前者通过利用多糖不同组分与离子交换剂之间存在差异性结合力进行分离[25],后者依据组分分子的尺寸进行分离,也称空间排阻色谱法。DEAE纤维素离子交换树脂法通常用于天然产物中多糖的分离,凝胶色谱则被用于多糖的进一步分离纯化。Tang等[23]用DEAE纤维素柱分离出LBPs不同组分LBP1、LBP2、LBP3和LBP4,进一步用Sephadex G-150凝胶色谱柱从LBP3中分离得到LBP3b。Zhang等[26]用DEAE纤维柱分离得到LBPF1、LBPF2、LBPF3、LBPF4和LBPF5共5个LBPs组分。Zhao等[27]用DEAE纤维素柱结合Sephadex G-100分离得到了LBP-4a,而Liu等[28]用Sepharcyl S400凝胶渗透色谱从LBP-s-1中分离得到了一种酸性多糖p-LBP。

2.5 纯度鉴定

目前鉴定多糖纯度的方法有比旋度法、超离心法、电泳法和凝胶色谱法[29]。张晶等[30]用Sephadex G-100凝胶色谱柱对分离出的LBP-1进行纯度鉴定,结果显示流出曲线为单一峰,表明LBP-1为相对分子质量分布均一的LBPs组分。王建华等[31]用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳法鉴定分离出的LBP2a,电泳结果表明LBP2a呈现单一区带,表明相对分子质量分布均一。

3 定性分析 3.1 相对分子质量

多糖性质、生理活性与其相对分子质量大小和相对分子质量分布有密切关系,因此,多糖相对分子质量测定至关重要。目前多糖相对分子质量测定常用凝胶过滤法和聚丙烯酰胺凝胶电泳法,但均需要利用各种已知相对分子质量多糖制成的标准曲线求得被测物的相对分子质量[32]。Zhu等[33]用高效凝胶色谱法测定出LBP-s-1的相对分子质量为1.92×106。目前,一种无需标准分子量多糖即可测定多糖相对分子质量的检测器,即多角度激光散射检测器已被广泛用于多糖相对分子质量测定。相比传统方法,其具有快速、准确、简捷的特点。Gan等[34]用激光光散射检测器测定LBP3p的相对分子质量为1.57×105。本课题组[35]运用高效分子排阻色谱联用多角度激光散射检测器和示差检测器(HPSEC-MALLS-RID)的方法对不同产地50批枸杞的LBPs相对分子质量进行了检测,结果表明青海、内蒙古、新疆、甘肃产枸杞的3个多糖组分(峰1~3)的相对分子质量与宁夏的相似(无显著性差异),分别为1.403×106~3.540×106、1.366×106~2.314×106、1.124×106~2.552×106、1.379×106~1.721×106、1.180×106~3.868×106(峰1),1.537×105~5.744×105、1.648×105~4.350×105、1.978×105~5.099×105、2.601×105~3.831×105、1.371×105~5.783×105(峰2)和0.558×105~ 3.554×105、0.674×105~1.676×105、0.961×105~2.742×105、1.155×105~1.812×105、0.536× 105~2.736×105(峰3)。此外,中国不同产地枸杞的3个多糖组分(峰1、2和3见图 1)的多分散系数分别为1.14~1.73、1.06~1.28和1.02~1.23,表明LBPs的3个组分的相对分子质量分布相对较窄。

QH、IM、XJ、GS及NX分别是中国青海、内蒙古、新疆、甘肃和宁夏的枸杞,Blank表示溶剂 QH,IM,XJ,GS,and NX are Qinghai,Inner Mongolia,Xinjiang,Gansu and Ningxia,respectively. Blank is solvent 图 1 中国枸杞中LBPs典型的高效体积排阻色谱(HPSEC)色谱图 Figure 1 Typical HPSEC chromatograms of LBPs
3.2 功能团鉴定

Zhu等[33]提取出LBP-s-1并对其进行红外光谱扫描,红外光谱图中可见3 421.6 cm-1处峰宽由糖链上O-H伸缩振动引起,2 923.8 cm-1处峰宽由CH2上C-H伸缩振动引起,两者是糖类的特征吸收峰[36];而1 640.5 cm-1处峰宽由结合水引起,1 731.1 cm-1处强峰宽和1 417.9 cm-1处弱峰宽由COO-基团引起,1 297.6和1 452.7 cm-1峰宽由COH基团的对称变角运动引起,1 352.5 cm-1吸收由甲基的非对称和对称弯曲引起,并暗示有鼠李糖存在,1 028.3和1 102.6 cm-1 2个强伸缩振动峰由呋喃环上C-O键引起,832.8、851.4和892.5 cm-1峰证明了α、β糖苷键和吡喃环存在,832.8和851.4 cm-1中等吸收和892.5 cm-1弱吸收也证明LBP-s-1含α-糖苷键。

3.3 单糖组成

测定多糖的单糖组成方法有TLC、HPLC、GC-MS等,其中GC-MS最为常用,测定时多糖需完全水解成单糖混合物,再衍生化成易挥发、热稳定性好的衍生物。LBPs主要的单糖组成为半乳糖、葡萄糖、鼠李糖、阿拉伯糖、甘露糖和木糖,由于提取、分离、分析方法不同,LBPs单糖组成和糖苷键链接会有差异。Wu等[37]用GC-MS法测量LBPs的单糖组成,结果显示LBPs主要由木糖(31.3%)和葡萄糖(49.8%)组成,并含少量的鼠李糖(7.5%)、甘露糖(6.4%)和半乳糖(9.3%)。Zhu等[38]也用GC-MS方法与对照品的出峰时间和峰面积作比较,鉴定出提取的LBPs主要含有葡萄糖和甘露糖,并含有少量木糖(0.16%)、半乳糖(0.5%)、阿拉伯糖(1.08%)和核糖(0.14%)。实际上,LBPs中含有大量半乳糖醛酸结构,但因其在酸水解过程中不稳定,常被误判(见表 2)。因此,多糖组成糖分析,完全酸水解条件的优化至关重要。

表 2 LBPs中单糖组成和糖苷键确定 Table 2 The monosaccharides and glycosidic linkages of LBPs
3.4 糖苷键链接

甲基化、高碘酸氧化、Smith降解法、部分酸水解法、酶解法是鉴定糖苷键链接的最常用方法[39]。由于多糖结构的复杂性,一般需要多种方法联合使用,如联合使用GC-MS、MALDI-TOF-MS、1D NMR和2D NMR等。虽然NMR技术可以准确提供多糖糖链的链接顺序,但其谱图多个信号重叠,不同残基中非异头质子的亚甲基和次甲基化学位移(δ)都十分相似,给解析带来很大困难。如结合利用甲基化法、部分酸水解法对整个多糖或水解片段分析,即可得到明确的糖苷键链接方式。

Zou等[11]对LBP-1进行1H-和13C-NMR波谱测试。在NMR谱图中,δ 2.20(1H-NMR)和δ 36.00(13C-NMR)信号属于内标丙酮在重水中的信号;在1H-NMR图谱中,δ 1.16和1.63甲基质子信号及其他质子信号是由δ 5.05处α-D-半乳糖醛酸H-1引起的,δ 3.75~4.39是由糖苷环C-2到C-5(或C-6)上的质子引起的;在13C-NMR图谱中,由δ 110.27、79.49、75.72、83.57和69.62这5个强信号可以推断出是由(1→5)-α-L-阿拉伯糖上C-1到C-5引起的,δ 101.68、70.89、71.61和80.64的信号是由(1→4)-α-D-半乳糖醛酸上的C-1到C-5引起的。

3.5 糖谱法

由于多糖的复杂性,经典的多糖鉴别方法包括分离纯化、纯度鉴定,以及一系列化学结构特征表征(包括单糖组成、糖苷键类型以及连接顺序等),操作繁杂,耗时长,无法用于多糖日常质量控制。为此,本课题组建立了基于糖谱法LBPs分析方法[19]。该方法通过系列定位酶切技术联用高效薄层色谱(HPTLC)和聚丙烯酰胺毛细管电泳(PACE)分析,对51个批次的不同产地的枸杞进行考察,结果表明各产地枸杞中的LBPs均有较高相似性(图 2),并具有β-1,3-Glc、α-1,5-Ara、α-1,4-GalA糖苷键。特别地,LBPs对巨噬细胞吞噬功能的影响与α-1,4-D-GalA糖苷键和α-1,5-Ara糖苷键密切相关,特别是α-1,4-D-GalA糖苷键可以显著影响LBP的生物活性[51]

S(由上到下)分别为昆布四糖、昆布三糖、昆布二糖和葡萄糖;S1(由上到下)分别为鼠李糖、木糖和阿拉伯糖;S2(由上到下)分别为葡萄糖、半乳糖、昆布二糖、昆布四糖和半乳糖醛酸;PN为聚半乳糖醛酸酶解产物,用作对照品 S(from up to down),laminaritetraose,laminaritriose,laminaribiose,and Glc;S1(from up to down),Rha,Xyl and Ara;S2(from up to down),Glc,Gal,laminaribiose,laminaritetraose,and GalA;PN,pectinase digested polygalacturonan used as control 图 2 LBPs果胶酶解产物PACE(A)与HPTLC(B)图谱 Figure 2 PACE (A) and HPTLC (B) profiles of pectinase digested LBPs
4 定量分析

含量测定对多糖的质量控制至关重要,表 3总结了LBPs的测量方法。由表 3可见,LBPs含量常用方法还是比色法(如蒽酮硫酸法、苯酚硫酸法)。目前,比色法多利用葡萄糖作对照品,但LBPs还含有大量其他单糖,其响应与葡萄糖不同,影响测定结果的准确性。刘万仓等[52]采用换算因子(利用LBPs和葡萄糖标曲)校正的苯酚硫酸法测定了不同产地及不同品质枸杞中多糖含量。但多糖分离纯化过程复杂,合适的对照品常难以获得。为此,本课题组建立了一种简便、准确,不需多糖对照品的高效液相凝胶排阻色谱法联用多角度激光光散射检测器和示差检测器(HPSEC-MALLS-RID)测定LPBs及其不同组分含量的方法[35]。该方法亦可用于植物、真菌等多糖及其产品的含量测定,为多糖类物质定量分析提供了准确、高效、简便的方法[53]表 4总结了不同方法测定LBPs含量结果,一般地,宁夏产区LBPs含量普遍较高,体现了枸杞道地产区特点。

表 3 LBPs含量测定方法 Table 3 The methods for quantification of LBPs

表 4 不同产地枸杞中的LBPs含量 Table 4 The content of LBPs from different provinces
5 展望

越来越多的证据表明,糖类物质全面参与了生物的生殖发育、生长、应激等过程,是很多生理和病理过程中分子识别的决定因素。近年来,由于植物多糖具有免疫调节、抗肿瘤、抗衰老、降血糖等多种生物活性,以及毒副作用小和不易造成残留等优点,对植物多糖的研究呈现迅猛发展之势。枸杞是药食两用植物,不仅在国内是家喻户晓的补益中药,在国外同样得到广泛认可。然而,目前对LBPs的研究还存在一些问题:(1)在基础研究上,大多停留在一级结构研究,其功效与结构之间的关系少有探究;(2)在枸杞质量控制上,对于枸杞的主要功效成分LBPs没有形成科学的检验检测体系;(3)在产品开发方面,缺乏对LBPs进行系统开发和综合利用,难以提高LBPs的功效。因此,应加强对LBPs基础研究和产品开发,促进枸杞产业化健康发展。

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