酵母_葡聚糖的功能活性及其分离提取研究进展
552 2006, Vol. 27, No. 11
食品科学※专题论述
酵母β-葡聚糖的功能活性及其分离提取研究进展
刘红芝,王 强*,周素梅,刘晓永
(中国农业科学院农产品加工研究所,北京 100094)
摘 要:本文全面综述了酵母β-葡聚糖的分离纯化方法及活性功能方面的研究进展,重点对酵母β-葡聚糖的常见提取方法,以及在免疫、降低胆固醇等方面的活性功能进行系统分析,最后对目前酵母β-葡聚糖的发展方向、重点和趋势进行了展望。
关键词:酵母β-葡聚糖;分离提取;活性功能
Extraction and Activated Function of Yeastβ-Glucan
LIU Hong-zhi,WANG Qiang*,ZHOU Su-mei,LIU Xiao-yong
(Institute of Agro-food Science and Technology, Chinese Academy of Agriculture Sciences,
Beijing 100094, China)
Abstract: The progress of extraction and activated function about yeastβ-glucan have been elaborated in this article. Theextraction methods and the activated function such as enhance immunity and lower cholesterol and blood pressure of yeastβ-glucan have been analyzed. In addition, also introduced the direction, emphasis and the tendency of β-glucan for the future.Key words:yeastβ-glucan;extraction;activated function
中图分类号:TS261.1 文献标识码:A 文章编号:1002-6630(2006)11-0552-05
β-葡聚糖存在于许多细菌、真菌和高等植物中,它的一个主要来源是酿酒酵母(S.cerevisiae)。β-葡聚糖是构成酵母细胞壁的主要成分,占细胞壁干重的30%~60%[1]
。酵母β-葡聚糖属于结构多糖,位于细胞壁的最内层,和原生质体膜相连接。它的主要生理功能是维持细胞壁的机械结构,保持细胞正常的生理形态。一般认为酵母β-葡聚糖由β-(1→3)-葡聚糖和β-(1→6)-葡聚糖组成,两者比例为85:15[2]。85%的碱不溶性葡聚糖是β-1,3键连接,同时在链间穿插3%β-1,6键,有着1500聚合度线性分子,分子量相当于240kDa。其余的15%是β-1,6键连接的,有着C-3、C-6位双取代形式,呈高度分支,聚合度为140,相当于22kDa的分子量[3],具体结构见图1。此外,根据从酵母细胞壁中提取葡聚糖的方法不同,又可分为碱溶、酸溶和酸碱不溶三类组成,其比例为10:3:17[4]。1
酵母β-葡聚糖的功能活性
1.11.1.1
增强机体免疫活力
酵母β-葡聚糖结构对免疫活性的影响
β-(1→3)-葡聚糖的β-(1→3)骨架结构对免疫活性是必需的,它有利于分子卷曲成螺旋结构,其受体可以区分多糖上的特异结构,具有较强的抗癌及免疫调节活性。Bao X等[5]研究证明侧链长度和在主链上的取代度是决定β-(1→3)-葡聚糖构象和生物活性的重要因素。带有(1→6)键分支的β-(1→3)-葡聚糖的免疫保护效果好于没有分支结构的β-(1→3)-葡聚糖。由此可见,酵母
收稿日期:2006-03-13 *通讯作者
1980-)
※专题论述
β-葡聚糖应该具有很高的免疫保护效果。
食品科学
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葡聚糖的抗肿瘤和免疫调节等生物活性与分子大小有着明显的对应关系。高分子量的酵母β-葡聚糖具有独特的分子结构。G Guizand等人[6]用X射线法研究证明了酵母不溶性葡聚糖是以三股螺旋存在的,三条多糖链平行排列缠绕,通过链间氢键而处于稳定状态。众多研究表明:高分子量的β-(1→3)-葡聚糖的三股螺旋结构,对于免疫调节活性至关重要,只有分子量大于9×104的分子才能形成三股螺旋。当它形成有序结构时,有利于与受体发生作用,产生生物学效应。主链上侧链的分布对其免疫活性也是至关重要的,由(1→6)的分支连接的β-(1→3)-D-葡聚糖能够增强细胞免疫系统的活性,通过刺激蛋白质和菌落生长因素来影响巨噬细胞的繁殖、淋巴细胞和整个免疫系统的活性从而增强宿主细胞的防御机制[7]。1.1.2
酵母β-葡聚糖的免疫调节机制
随着研究的深入,发现酵母β-葡聚糖能与动物及人类的免疫细胞,包括单细胞、巨噬细胞、中性粒细胞和自然杀伤细胞发生特异性结合。酵母β-葡聚糖对肌体的免疫活性主要通过刺激动物体内淋巴细胞、活化动物体内的巨噬细胞而产生。淋巴细胞是构成免疫器官的基本单位,在免疫应答过程中起核心作用。淋巴细胞分为T、B、NK、K、LAK细胞等,其中,接受抗原刺激后能发生特异性免疫应答的淋巴细胞称为抗原特异性淋巴细胞,即T细胞和B细胞。NK细胞即自然杀伤细胞,它既不需经抗原刺激,也不需要抗体参与,即能杀伤某些靶细胞。同时NK细胞也是一类重要的免疫调节细胞,它对T细胞、B细胞、骨髓干细胞等均有调节作用并通过释放细胞因子对机体免疫功能进行调节。LAK细胞称为细胞因子激活的杀伤细胞,其最突出的特征是具有广谱的抗肿瘤作用。巨噬细胞(Mφ)能表达数十种受体,产生数十种酶,并能分泌近百种生物活性产物,是体内功能最为活跃的细胞之一。Mφ具有吞噬功能,能主动吞噬和清除颗粒性外来抗原或直接杀伤病原微生物;还能通过其产生的肿瘤坏死因子(TNF-α)及NO等分子杀伤靶细胞,同时产生多种生物活性物质发挥其免疫调节作用;Mφ的抗原提呈作用也是它作为一种免疫辅佐细胞的重要功能之一。
Mizuno[8]提出了β-D-葡聚糖作为生物反应修饰剂的免疫机理模型。如图2所示,酵母β-D-葡聚糖激活T淋巴细胞、B淋巴细胞、NK细胞和巨噬细胞。B淋巴细胞产生抗体,B细胞分泌的抗体可执行多种免疫功能。抗体与抗原特异结合,可直接中和具有毒性的抗原分子;抗体结合抗原后形成的复合物,易被吞噬细胞吞噬清除;抗体又可与抗原结合后,再结合补体,使补体活化,杀伤病原体。T淋巴细胞和巨噬细胞分泌
TNF-α、IL和IFN多种细胞因子。细胞因子具有多样性的生物学作用,包括促进靶细胞增殖、分化,增强对感染抵抗力,参与调节机体的免疫应答和炎症反应,影响其反应强度和反应的持续时间,影响细胞代谢等。NK细胞和活泼的巨噬细胞能直接作用于靶细胞导致其坏死。T细胞发挥作用首先需要酵母β-D-葡聚糖和肿瘤抗原对补体巨噬细胞(Complement macrophage)发生作用,然后通过细胞因子-白细胞介素-1(IL-1)对放大性帮助T细胞(Amplifier helper T cell)产生作用,Amplifier helper Tcell一方面可以通过NK、AF等细胞因子增加肌体产生NK细胞,诱导肌体内免疫细胞的分化,在Helper Tfactor的调节下作用于B细胞,最终消灭靶细胞;另一方面还可以通过激活Mφ,消灭靶细胞。通过细胞因子IL-2和MAF ,抑制性T 细胞(Suppressor T cell)能辅助B细胞活化,还能激活毒性T细胞前体(Cytotoxic T cellprecursor),进而促进毒性T细胞(Cytotoxic T cell)增殖,在CTL细胞因子的作用下,解除肿瘤毒素对机体免疫抑制,同时快速激活机体的免疫监管和识别机制,发现和区分潜在的肿瘤细胞并直接“吞噬” 靶细胞。NK细胞通过其表面FcγR与B细胞产生的抗体结合,可借助抗体依赖的细胞介导的细胞毒作用(ADCC效应)杀伤肿瘤细胞。(LPS,脂多糖;IL,MAF,helper T factor和CTL为各种细胞因子)。1.1.3
酵母β-葡聚糖的免疫功能
由于酵母β-葡聚糖具有独特的三股螺旋结构,并
且与其受体细胞存在免疫应答机制,因此具有多方面的免疫功能。1.1.3.1
抗肿瘤活性
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食品科学※专题论述
Thompson IM等[9]的研究表明β-(1→3)-葡聚糖具有增强化学疗法的效果。用环磷酰胺治疗患膀胱癌的小鼠的过程中,加入从酵母葡聚糖后显著减少死亡率。美国纽约的Cheung NK等[10]用免疫缺陷性异种移植肿瘤模型研究了的β-(1→3) -D-葡聚糖,并检测了其抗肿瘤效应与理化特性之间的关系。对已经建立的皮下人类异种移植模型,每日予以β-葡聚糖口服,通过碳水化合物连锁分析和高效分子排阻色谱分析对β-葡聚糖进行研究,发现口服β-葡聚糖大大增加抗肿瘤单克隆抗体(mAb)在小鼠体内建立的抗肿瘤作用。1.1.3.2
抗氧化、促进伤口愈合
Hakan Kayali等[11]就β-葡聚糖在脊柱索状组织损坏实验中的防止氧化作用进行了研究。通过重物高处落下的方法使小鼠致伤,β-葡聚糖在受到外伤后注射到腹膜腔内,结果表明酵母β-葡聚糖不仅具有清扫体内垃圾作用而且对脊柱索状组织中的类脂化合物具有抗氧化作用,全身使用β-葡聚糖能够防止脊柱索状组织受外伤后造成的继发性破坏。巨噬细胞活性在外科和伤口愈合上起到重要的作用。Waisun等[12]研究发现20~100mg/ml酵母葡聚糖搽抹动物腿部受伤处,已能明显加速其伤口愈合,应用0.1~0.2mg/kg体重的可溶性葡聚糖,可降低腹胸外科手术后感染率。1.1.3.3
抗辐射
紫外线照射会导致皮肤中免疫细胞的数量减少和活性降低,细胞培养实验表明羧甲基β-葡聚糖能够抑制紫外线照射下抗氧化分子的消耗,促进角质素的增长,从而保护皮肤细胞。研究表明用0.2%的羧甲基β-葡聚糖对皮肤进行预处理能够完全抑制类脂化合物的过氧化反应,对经紫外线照射后引起的类脂化合物减少的抑制作用可以通过抗氧化剂的局部应用观察得到[13]。Pathchen ML等[14]的研究表明水溶性葡聚糖能够增强由钴-60诱导辐射快速痊愈。用β-(1->3)-D-葡聚糖治疗经辐射的小鼠,可以增强小鼠恢复的能力,并能够提高骨髓活力使白细胞数量增加,同时增强脾细胞数。1.2
低胆固醇和血脂
酵母β-葡聚糖的特殊结构能促进脂蛋白、脂肪酸释放,使血液中大分子的脂质分解成小分子,因而对血脂过多引起的血清浑浊有澄清作用,能明显降低血胆固醇。
大量动物实验、临床实验证明酵母β-葡聚糖能够有效降低血液中胆固醇含量。Nicolosi等[15]对15个肥胖的高胆固醇男性进行了研究。在研究中病人保持着相同的身体重量,在第七周能够明显降低血液中总胆固醇含量的8%,在第七周的基础上第八周又降低了6%。可见酵母β-葡聚糖能够显著降低血浆中胆固醇含量。
此外,Z.Kassai等[16]研究发现,酵母β-葡聚糖可
能是一种渗透抑制剂,能抑制铯、钴等重金属通过皮肤进入人体,从而消除重金属对人体的毒性作用。2
酵母β-葡聚糖的分离提取
由于酵母β-葡聚糖具有上述功能活性,所以引起了人们的高度重视,然而其功能活性受分子量的影响很大,不同的提取方法又会引起酵母β-葡聚糖分子量的变化。为了得到功能活性高的酵母β-葡聚糖,人们从提取方法入手进行了大量研究。常规的酵母β-葡聚糖提取方法包括酸法浸提、碱法浸提和酸、碱结合法浸提,在此研究的基础上,目前国内外又研究出了一些其它的分离纯化方法。2.1
酸法浸提
Antije Muller等[17]对醋酸、蚁酸以及磷酸是否适合
于酸水解法提取酵母β-葡聚糖进行了研究。结果表明酸解后提取β-葡聚糖的主要结构和支链结构基本上并没有改变。
黄丹等[18]采用醋酸对酿酒酵母中β-葡聚糖进行提取,研究发现酸法提取葡聚糖的最佳工艺条件是:提取剂HAc浓度为6%,提取温度为90℃,提取时间6h,固液比为1:6。在最佳提取工艺下,酵母β-葡聚糖得率为21.58%,蛋白质含量为7.21%,多糖含量为71.46%,纸层析实验表明,水解产物中同时含有甘露糖和葡萄糖。由以上可见,酸法浸提虽然得率高但含有大量甘露糖和蛋白质,而且还会导致多糖的降解,所以使β-葡聚糖很难应用于大型的制药中。2.2
碱法浸提
A.A.Eddy[19]等将细胞壁悬浮于3%(W/V)的NaOH溶
液中(10g干物质/ml悬浮液),4℃条件下放置9d,悬浮在表面的片断被间断的取出,剩余部分以1500×g离心15min,获得细胞壁残渣。通过加入氨基乙酸使取出溶液的pH为10,此时溶液呈胶体状,1500×g离心30min,得到的物质用大量水洗净。然后再将其溶于3%(W/V)的NaOH溶液中,当溶液的pH调至10时,葡聚糖片断再次沉淀。纸层析表明:沉淀用2N H2SO4水解后的主要产物为葡萄糖。
廖鲜艳等[20]用3% NaOH,分别以添加量6V/W,温度75℃,和添加量4V/W,温度100℃,作用两次。经实验验证,制得的产品中多糖含量为7.78g/l00g干酵母,蛋白质残留量0.17g/100g干酵母。
国内外研究表明碱法提取纯度较高,蛋白质残留量少,但多糖的收率低,而且大量的碱处理会污染环境,还会导致多糖降解。2.3
酸、碱结合法浸提
Williams等[21]报道了酸碱处理制备酵母β-(1→3)-葡
聚糖的方法:将酵母分散到NaOH溶液中搅拌,然后加
※专题论述食品科学
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入水,离心收集沉淀。沉淀再分散到NaOH溶液中,离心收集沉淀。沉淀用水洗3遍,用HCl浸提后,离心收集沉淀,干燥后得到酵母β-(1→3)-D-葡聚糖产品。国内也进行了相关研究。胡晓忠等[22]先用0.75mol/L的NaOH在100℃下作用2h,能有效地去除甘露聚糖,0.5mol/L的HCl使不溶性的葡聚糖的比粘度增加,除去糖元。分析表明,产品为β-D-葡聚糖,其中β-(1→3)-D-葡聚糖约为87%。
在酸碱结合法的基础上,人们又对其进行了改进。华东理工的胡晓忠等[23]先将新鲜的酵母自溶,然后冷却至40~50℃,3000r/min离心15min,去上清液。然后再用1L 0.75mol/L的NaOH溶液复提取两次,接着用HC1调pH至4.5,用200ml蒸馏水悬浮煮沸10min,重复两次,离心去上清液,200ml无水乙醇分两次脱水,再用200ml无水乙醚脱水,37℃干燥即得产品。制得的酵母葡聚糖为白色粉末,每批收率约10%,产品中蛋白质含量很少,低于0.9%,而多糖含量在90%以上。产品经完全水解,产物纸层析表明,以上产品均不含甘露糖。以上分析表明,酸-碱法浸提纯度和收率都有较大提高,但污染严重,还会引起多糖的降解,所以不是理想的酵母β-葡聚糖提取方法。2.4
其它处理方法
传统的酸碱处理制备酵母β-葡聚糖的方法,酸碱用量大,工艺繁琐,劳动强度大。在提取中用到酸碱,会引起多糖的降解,不但使提取率降低,而且影响到葡聚糖的生理活性。所以人们又研制出了一些避免使用酸碱的酵母β-葡聚糖提取方法。
Naohito Ohno等[24]用次氯酸钠和二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide)对酵母细胞壁中的葡聚糖进行提取。经丙酮干燥过的酵母细胞悬浮于0.1mol/L NaOH 中用NaClO 溶液在4℃下氧化1d。反应完成之后,将反应混合物离心以收集微粒物质,沉淀用水充分清洗用乙醇和丙酮干燥后即得到β-葡聚糖,其产量最高可以达到89%。在此方法中用到二甲基亚砜,其氧化作用会引起酵母β-葡聚糖的降解,此外酵母β-葡聚糖在二甲基亚砜中的溶解度极小,因此这种方法难以用于工业化生产。
Stefan Freimund等[25]发现了一种新的从酵母细胞壁中提取β-葡聚糖的方法。首先使用热水浸提目的是清除甘露糖和部分水溶性蛋白质,经过离心后,用乙醇沉淀,从分离的上层悬浮物中得到甘露糖。离心后不可溶的沉淀用Savinase酶处理,以清除蛋白质。接下来经离心和充分水洗后的残渣可由两种除脂肪得到葡聚糖的方法:(1)实验室方法:用过量的丙酮提取脂肪;(2)中试规模的方法:残渣进喷雾干燥后,用乙醇法除脂肪,此法的优点是可节省大量的有机溶剂的量。使用热水、有机溶剂和酶进行处理后,得到β-(1→3)-葡聚
糖的纯度达到92%,产量达到87%。在处理过程中也很容易得到有价值的副产品-甘露糖。这种方法不但保持了酵母β-葡聚糖原有的生物活性,而且是一种高效、清洁、温和的提取方法,有利于工业化生产。但是,使用此方法提取时,必须以细胞壁为原料,细胞壁的制备成为此种方法的一个难点。
国内的张开诚[26]提出使用超声波法提取葡聚糖,这种方法提取后的废液不含酸碱,对环境的污染较酸碱法要小,但是可能会引起多糖降解,而且难以工业化。3
展 望
综上所述,目前已有的分离纯化方法只是对不可溶β-葡聚糖的提取,纯度和得率低且污染严重,在提取中用到酸碱会引起多糖的降解,影响葡聚糖的生理活性,所以需要建立一种新的温和、清洁的分离纯化方法,既要使提取物保持其原有的结构和最高的生理活性,并且要对可溶、不可溶的酵母β-葡聚糖都进行提取。此外,由于β-葡聚糖特殊的三股螺旋结构使其具有相当高的免疫活性和其他方面的功能,但是对于不溶性葡聚糖的应用,由于其不溶性,受到很大限制。因此急需对酵母β-葡聚糖的改性增溶及其改性对于其生物活性的影响进行研究。目前国内外对于酵母β-葡聚糖的应用大多集中于医药行业,但是作为药品便需对其质量有很高的要求,而酵母β-葡聚糖由于本身具有的生物活性功能和低热量和高持水能力等性能,所以也可以作为脂肪替代品、淀粉替代品、膳食纤维和功能因子等应用于食品中,是一种值得开发研究的食品添加剂。
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食品科学※专题论述
ISO22000认证在我国推行的适用性研究
张惠才1,2,郑丕鄂1,杨志刚2
(1.天津大学管理学院,天津 300072;2.国家认证认可监督管理委员会,北京 100088)
摘 要:ISO22000在构筑一个食品安全管理体系框架基础上,与ISO9000等相整合,并同时覆盖了CAC关于HACCP的全部要求。从政府、食品企业、消费者、认证行业分析可以看出,我国需要推行ISO22000认证,但是存在食品企业整体规模小、认证实施混乱的问题,为此,文中提出了相应的政策建议。关键词:ISO22000;HACCP;认证;适用性
Study on the Suitability of ISO22000 Certification in China
ZHANG Hui-cai1,2,ZHENG Pi-e1,YANG Zhi-gang2
(1.Management School, Tianjin University, Tianjin 300072, China;
2.Certification and Accreditation Administration of the P.R. of China, Beijing 100088, China)
Abstract :Based on establishing the framework of the food safety management system, ISO22000 standard joined together withISO9000 standard, and covered all of the requirements of HACCP from CAC. On the view of the government, food organization,consumer and certification industry, it is a need to develop the ISO22000 certification. But there are problems such as the limited收稿日期:2006-07-15
作者简介:张惠才(1971-),女,在职博士,研究方向为管理科学与工程。
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