人参(Panax ginseng C. A. Mey.)为五加科植物人参属,我国作为人参的最大生产地,以吉林省长白山地区的产量最多,栽培面积最大。人参始载于《神农本草经》,其味甘,微苦,微温,归脾、肺、心、肾经;具有大补元气、复脉固脱、补脾益肺、生津养血、安神益智等功效[1]。近几十年来,随着提取和分离技术的发展,人参中发现了许多有效成分,如人参皂苷、多糖、挥发油、糖肽、氨基酸和维生素等。人参皂苷一直是研究的热点,而在很长一段时间里,人参多糖(ginseng polysaccharides)被认为是没有生物活性的杂质被去除,但越来越多的研究表明,人参多糖具有抗肿瘤、抗炎、抗氧化、免疫调节、增强机体代谢等活性,甚至某些药理活性效果优于人参皂苷[2]。而且,人参的根、茎叶、花和果实中都含有多糖,提高了人参植物资源的利用价值。本文根据近年来国内外研究,对人参多糖的理化性质、生物学作用及其在动物生产中的应用进行简要的综述,为今后对人参多糖的研究与应用提供参考。
1 人参多糖的理化性质
人参多糖类含量大约为5%,主要由人参淀粉样物质和人参果胶组成。其中,人参淀粉样物质约占80%,主要成分为淀粉样葡聚糖,由α-D-(1,4)-葡聚糖、6-支链α-D-(1,4)-葡聚糖、3-支链α-D-(1,6)-葡聚糖、无侧链的α-D-(1,6)-葡聚糖[2]组成;人参果胶约占20%,为人参多糖主要的活性物质,是主要由半乳糖(galactose,Gal)、半乳糖醛酸(galacturonic acid,GalA)、鼠李糖(rhamnose,Rha)、阿拉伯木聚糖(arabinoxylan,AX)等组成的酸性杂多糖混合物,组成了鼠李半乳糖醛酸(rhamnogalacturonan,RG)、同型半乳糖醛酸(homogalacturonan,HG)、阿拉伯半乳聚糖(arabinogalactans,AG)[3]3种结构域。目前,发现的果胶种类有酸性多糖(SA[4]、SB[4]、PA[5]、PB[5]、人参S-ⅠA[6]、人参S-ⅡA[6]、GR-5AUL[7]、GR-5AUH[7]、PG-F2[8])、水溶性多糖(GR-4[9])、碱溶性多糖(GRA-3[9]、GRA-4[9])等。人参多糖的生物学活性可能与其组成成分的种类、数量和结构有关。Zhang等[10]研究发现,在人参多糖中分离出的果胶的结构(WGPA-2-RG)中,AG侧链是刺激一氧化氮分泌和淋巴细胞增殖的必需结构,通过水解去除结构中的阿拉伯糖(arabinose,Ara)和Gal残基并没有改变其巨噬细胞的吞噬促进作用。半乳糖凝集素-3(galactose-specific lectin 3,Gal-3)是一种在多种癌症中过度表达,并与肿瘤进展和转移相关的β-半乳糖苷结合蛋白[11]。Gao等[12]研究发现,富含RG-Ⅰ果胶片段的RG-Ⅰ-4可有效抑制癌细胞黏附以及Gal-3与T细胞的结合,结果表明,4个Gal以内的半乳聚糖链,其长度与RG-Ⅰ-4的活性成正比,而阿拉伯聚糖侧链根据其在RG-Ⅰ-4分子中的位置,可呈正或负调节活性。但由于人参多糖的分子质量很高,使用化学和光谱技术来阐明整个结构非常困难。因此,其构效关系尚不完全清楚,未来还需要大量的研究来确定人参多糖的结构。
人参根在种植5年后才能用作药用,相比之下,人参的花、茎叶和果实每年都可以收获,而且人参的花、茎叶和果实都含有特有的多糖。人参茎叶主要含有果胶和杂聚糖,含有丰富的RG-Ⅰ和HG果胶,抗补体活性都强于人参根多糖;人参花多糖主要由果胶组成,与人参叶多糖均能促进牛的黄体细胞分泌黄体酮激素;人参根多糖主要由中性多糖组成,具有最强的抗氧化活性;目前对于人参果多糖的研究较少,人参果多糖主要含有果胶,含有较高的Ⅱ型阿拉伯半乳聚糖(arabinogalactans-Ⅱ,AG-Ⅱ)含量(35%),并含有大量的蛋白质和总酚[13]。
随着人工种植技术的发展,市场上的人参以栽培人参为主。人工栽培的人参需要在农场生长5~6年才能采收,而山地栽培人参是将栽培人参的种子在自然环境中人工播撒而成,需要自然生长10年以上[14]。在不同的生长条件下,人参多糖的组成不同。Zhang等[15]研究发现,山地林下栽培的人参中淀粉含量与果胶含量呈正相关,而园林栽培的人参中没有这种规律,这可能是园林栽培的人参在栽培过程中施肥等人为干预所致。人参的不同加工方法也会对人参多糖的结构和活性产生不同的影响。人参的加工生产主要涉及白参、红参和黑参。新鲜人参直接晒干成白参,红参通常由新鲜人参通过简单或连续的蒸/干燥过程加工而成,黑参则是由白参或红参经过多次蒸制、干燥而成[16]。Wan等[17]用苯酚-硫酸法测定了不同加工方法人参的多糖含量,各种人参的丙二酰人参皂苷、氨基酸和多糖含量由高到低依次为:鲜参、冻参、白参、干参、红参、黑参。Jin等[18]研究证明,红参的抗氧化活性强于黑参和白参。
2 人参多糖的生物学作用
2.1 调节机体免疫
免疫系统是机体重要的防御系统,药理学研究表明人参多糖主要通过调节免疫细胞和免疫因子,对机体的免疫系统有正、反向调节作用。自然杀伤细胞、淋巴细胞和巨噬细胞作为重要的免疫细胞,可以直接作用于抗原。王欢等[20]试验发现,人参多糖可以上调NK92-MI细胞株的活化受体的活性,并上调杀伤介质穿孔素和颗粒酶的表达,诱导靶细胞凋亡,直接提高自然杀伤细胞的杀伤功能。Ko等[21]研究了人参对脾细胞活力和增殖的影响,结果表明,人参通过多种机制诱导淋巴细胞增殖,同时人参多糖对脾细胞具有显著的细胞保护和增殖作用,并选择性地影响B淋巴细胞的增殖。黄宝亮[22]在免疫抑制模型中发现,红参精氨酸双糖苷可提高治疗组小鼠CD3+、CD4+T细胞数量,升高CD4+/CD8+T细胞比值,增加血清中白细胞介素-2(IL-2)和免疫球蛋白G(IgG)的mRNA相对表达量。
除了直接作用于免疫细胞,人参多糖还可以通过调节免疫因子来发挥免疫作用。研究发现,人参多糖通过活化辅助性T细胞(CD4+T细胞),强化树突状细胞(DC)-CD4+T细胞通路,随后CD4+T细胞分泌干扰素-γ(IFN-γ),活化巨噬细胞,最终增强整个免疫系统的免疫能力[13]。几项研究报告称,一种来自韩国红参的红参酸性多糖(RGAP)可激活细胞外信号调节激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)/c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)和核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)/激活蛋白-1(activator protein-1,AP-1)信号通路,增加雌性白变种实验室小鼠(BALB/c)模型巨噬细胞中白细胞介素-6(IL-6)、白细胞介素-12(IL-12)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和一氧化氮(NO)的产生,增加T细胞、B细胞、巨噬细胞和免疫球蛋白M(IgM)抗体形成细胞的数量,以增强巨噬细胞的吞噬活性[23⇓-25]。Zhang等[26]在试验中发现,人参茎叶多糖PGP-SL可通过钙离子(Ca2+)-钙调神经磷酸酶(calcineurin,CN)-活化的T细胞核因子(nuclear factor of activated T cells,NFAT)-IL-2信号通路,增强小鼠脾脏淋巴细胞的免疫作用。
此外,对人参多糖免疫活性构效反应的研究发现,不同分子质量的人参多糖在体外免疫活性上有显著差别。李珺铭等[29]在试验中将人参水提液浓缩后,依次经40%、60%、80%的乙醇醇沉及凝胶色谱法分级,获得了分子质量不同的4种多糖(WGP-40-F1、WGP-40-F2、WGP-60-F及WGP-80-F);体外研究发现,4种人参多糖均能促进淋巴细胞增殖,分子质量为131 441 u的人参多糖WGP-40-F1具有较高的免疫增强活性。
2.2 抗肿瘤活性
大量研究表明,人参多糖具有抗肿瘤活性的作用,其机制主要有:直接作用于肿瘤细胞,诱导肿瘤细胞分化和凋亡,抑制细胞增殖及改变细胞周期分布等途径;间接作用于宿主细胞,通过提高宿主的免疫功能抑制肿瘤细胞生长或杀死肿瘤细胞,抑制肿瘤浸润和转移、逆转肿瘤细胞的多药耐药性等[19]。
细胞凋亡通常有线粒体凋亡途径及死亡受体凋亡途径,高恒宇等[30]研究证实,人参多糖组在2种肝癌细胞中肿瘤坏死因子受体1(tumor necrosis factor receptor 1,TNFR1)蛋白相对表达量明显高于空白组,由此推测人参多糖注射液可通过上调TNFR1的蛋白表达而诱导2种肝癌细胞凋亡。人参多糖还可以通过调节巨噬细胞和自然杀伤细胞活化来抑制肿瘤转移[31]。Cheng等[32]使用一种结肠癌细胞(HT-29细胞)研究人参果胶对结肠癌的抗增殖作用,发现富含多聚半乳糖醛酸的果胶可以使HT-29细胞停止在有丝分裂准备期(G2期)/有丝分裂期(M期),抑制该细胞的增殖。Zhao等[33]研究结果表明,人参多糖注射液可以通过调节程序性细胞死亡蛋白-1/程序性细胞死亡配体-1(PD-1/PD-L1)信号通路,提高血清CD4+T淋巴细胞数量,并降低CD8+T淋巴细胞数量,纠正肿瘤细胞诱导的免疫抑制状态,最终增强人体的抗肿瘤功能;并通过网络药理学分析,共确定了人参多糖的216个潜在靶点、81个常见靶点和122个相关通路。
2.3 抗氧化作用
机体在正常情况下,自由基的含量处于动态平衡,但是在集约化的畜牧生产过程中,动物容易受到环境的影响,引起机体自由基含量升高,造成氧化应激。氧化应激间接导致细胞结构和组织的损伤,加速衰老、癌症等疾病。抗氧化作用是清除机体代谢产生的自由基,激活机体抗氧化系统,增强机体的抗氧化能力。
Chen等[34]采用煎煮法提取人参根部和茎部的多糖,分离出酸性多糖和中性多糖,并对人参多糖的抗氧化活性进行测定,结果表明,地上部分(茎部)多糖的抗氧化活性高于地下部分(根部)的多糖活性,地上部分多糖的抗氧化活性为:中性多糖>酸性多糖,而地下部分的酸性多糖几乎没有抗氧化活性。人参多糖的抗氧化性能与糖醛酸含量密切相关,Wang等[35]使用过氧化氢(H2O2)诱导的氧化应激的体外模型和力竭游泳诱导的氧化应激大鼠体内模型,探究人参多糖对红细胞氧化状态的影响以及可能的相关机制,发现人参多糖可减轻大鼠肝细胞的氧化应激损伤,诱导红细胞中糖酵解相关酶活性增加,增强红细胞的糖酵解能力,说明人参多糖可通过促进红细胞糖酵解和肝再生途径保护红细胞免受氧化应激损伤。Li等[36]以慢性缺氧小鼠为试验模型,发现人参多糖能抑制线粒体肿胀,改善能量代谢,保护线粒体。
随着研究的深入,人参多糖的抗氧化活性被认为与糖单元的构型和单糖组成有关。Zhang等[37]从山参中提取、分离纯化了一种具有抗氧化活性的糖蛋白MGP2,发现MGP2是一种Ⅱ型阿拉伯半乳聚糖蛋白,其葡聚糖含量特别高。Yu等[38]研究发现,人参碱溶性多糖AEP-2的抗氧化活性和Gal含量高于人参碱溶性多糖AEP-1,且AEP-1中未检测到甘露糖(mannose,Man)和Ara,因此推测,Ara、Man和Gal在多糖的抗氧化活性中起重要作用。此外,AEP-2可通过剂量依赖性提高抗氧化酶活性,具有明显的清除自由基的作用。田耀博等[39]研究发现,人参多糖可通过抑制活性氧(ROS)水平,降低丙二醛(MDA)含量及提高超氧化物歧化酶(SOD)活性,缓解氧化应激对心肌细胞的损伤,除此之外,人参多糖还可通过增加H2O2诱导损伤引起的凋亡抑制基因/凋亡诱导基因比值、降低凋亡相关蛋白表达来缓解氧化应激导致的细胞凋亡。人参多糖还可通过自分泌机制和ERK途径激活锰超氧化物歧化酶(MnSOD),达到抗氧化作用[40]。
2.4 抗菌作用
2.5 增强肠道健康
大量研究表明,人参多糖可以通过增强肠道吸收和影响肠道微生物代谢来增强机体的代谢。Zhang等[44]研究发现,人参酸性多糖和人参多糖在肾脏、肝脏和生殖器中分布较多,人参酸性多糖在肝脏和肾脏中分布较多,间接表明人参酸性多糖和人参多糖在肝脏、肾脏和生殖器中具有靶向作用,同时证明小肠上皮细胞对人参多糖的摄取主要是由晶格蛋白和胞质细胞窖介导的。人参多糖可以通过影响肠道生理结构和微生物的组成,提高饲料消化利用率,加强消化系统功能,进一步增强代谢能力。Xie等[45]在雪峰乌骨鸡饲粮中添加200 g/t的人参多糖,结果发现,人参多糖可以显著增加鸡肠道中绒毛高度与隐窝深度比值,降低隐窝深度,改变肠道中微生物结构,提高生产性能。
除了增强肠道的消化吸收能力外,人参多糖还可以修复肠道黏膜、治疗溃疡性结肠炎和非酒精性脂肪肝等。Zhu等[46]为了研究人参多糖促进黏膜早期修复的机制,采用吲哚美辛诱导大鼠肠黏膜损伤模型,结果发现,人参多糖可通过调节Ca2+的释放和内流,增加肠黏膜Ca2+含量,促进肠上皮细胞迁移,从而预防吲哚美辛引起的肠黏膜损伤。Wu等[47]研究表明,对于高脂饮食诱导的非酒精性脂肪肝小鼠模型,补充人参多糖可以调节许多代谢途径,主要包括花生四烯酸代谢、碳水化合物消化和吸收、脂肪酸生物合成、戊糖磷酸途径、脂肪酸代谢和视黄醇代谢,改善肝脏代谢紊乱,从而预防非酒精性脂肪肝病;改善了高脂肪饮食诱导的肠道微生物群失调和短链脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)的改变。人参多糖对肠道菌群的影响有助于解决畜牧业生产中抗生素禁用相关的问题,还有助于开发新的、有效的抗生素替代品,但是其潜在机制还需要进一步的深入研究。
2.6 其他作用
除了以上的生物学作用,人参多糖还有抗疲劳、抗抑郁和抗病毒等作用。人参多糖可能通过调节糖类代谢、激活磷脂酰肌醇-3-羟激酶(phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,PKB或Akt)/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)等信号通路,提高骨骼肌线粒体供能效力和加快自由基清除,防止机体对蛋白质的过度利用,从而发挥抗疲劳作用[48]。Wang等[49]试验发现,人参酸性多糖WGPA显著增加了小鼠的社会互动,减少了攻击性互动和小鼠在强迫游泳试验(forced swim test,FST)中的不动时间,而FST是一种有效验证抗抑郁样作用的试验;WGPA可能是通过诱导神经保护作用并提高细胞复原力,发挥具有类似抗抑郁的作用。Baek等[50]纯化了2种人参果胶多糖,结果表明,2种果胶多糖可通过抑制轮状病毒与宿主细胞的结合,以剂量依赖的方式显著抑制轮状病毒诱导的细胞死亡。孙加节等[51]研究发现,人参多糖不仅可显著提高猪繁殖与呼吸综合征病毒(porcine reproductive and respiratory syndrome virus,PRRSV)感染的非洲绿源猴肾细胞系Marc-145细胞的存活率,还以剂量依赖的方式显著抑制PRRSV的增殖。
3 人参多糖在动物生产中的应用
3.1 在禽生产中的应用
人参多糖已被证明不仅可以提高肉鸡的生长性能和蛋鸡的生产性能,还具有降低禽类腹泻率和死亡率以及疫苗佐剂的功能。Zhao等[52]研究发现,饲粮中添加人参多糖可显著提高肉鸡平均日增重(ADG)和平均日采食量(ADFI),降低料重比(F/G),可增加血清免疫球蛋白和调节细胞因子含量,通过增加血清抗氧化酶活性来改善抗氧化功能,增加挥发性脂肪酸含量,改善肉鸡盲肠中的微生物组成。Liu等[53]研究发现,人参多糖显著改善了雪峰黑骨鸡生长性能,显著降低了腹泻的发生率(降低了24.97%),显著降低了血清TNF-α和IL-6含量,显著提高了血清IgG含量;发酵饲料和人参多糖的联合使用在促进生长、降低腹泻率和死亡率、提高免疫水平方面表现出良好的协同作用。另外,Abdullahi等[54]发现,人参多糖和黄芪多糖与流感疫苗(H5N1)联合使用时可增强抗体水平,有利于消除鸡接种疫苗后的体重减轻,可增强抗体水平,对鸡感染致死性H5N1流感病毒可能具有更好的保护作用。
3.2 在猪生产中的应用
在母猪饲粮中添加人参多糖可能是提高母猪及其后代免疫力和生产性能的实用方法。Xi等[55]研究发现,在妊娠后期和哺乳期补充人参多糖可增加母猪血清和乳汁中的免疫分子含量,可能通过传递效应对仔猪健康和生长有益;人参多糖增加了母猪初乳和常乳中的总IgG含量,使仔猪能够从乳中获得更多的IgG,显著改善了仔猪断奶时的体重。Yang等[56]研究发现,在断奶仔猪的基础饲粮中补充800 mg/kg的人参多糖,可改善其生长性能、肝功能和肠绒毛形态,并可通过激活Toll样受体4(TLR4)介导的髓样分化因子88依赖性信号通路调节宿主免疫功能,并增强结肠中挥发性脂肪酸含量,增加断奶仔猪的结肠微生物种群和多样性。因此,饲粮中添加人参多糖有利于集约化养猪,提高了猪生产性能,并减少其对抗生素的依赖。
3.3 在其他动物生产中的应用
熊浩铭等[57]在妊娠10 d左右的新西兰种母兔饲粮中分别添加150、300 mg/kg人参多糖,显著提高了哺乳仔兔出生后0(当天)、7、14 d的成活数和平均重量,显著提高了母兔分娩后初乳中IgA含量和仔兔出生时的血清IL-2含量,其中,添加300 mg/kg人参多糖的效果更好。Liu等[58]研究发现,与对照组相比,饲喂人参根多糖饲料的虾鳃中酸性磷酸酶(ACP)和碱性磷酸酶(AKP)活性显著增加,鳃和肝胰腺中总超氧化物歧化酶(T-SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)活性也显著增加;同时,鳃中过氧化氢酶(CAT)活性加,但鳃、肝胰腺和肌肉中MDA含量降低;鳃和肝胰腺中细胞质超氧化物歧化酶(cyt-SOD)、CAT、GSH-Px和过氧化物酶(Prx)的mRNA相对表达量显著升高。
4 小结
人参多糖的来源广泛,具有抗肿瘤、抗炎、抗氧化、免疫调节、增强机体代谢等生物学作用,不仅可以减少集约化动物对抗生素和饲料添加剂的依赖,还可以优化动物的生产性能,在促进畜牧业可持续发展方面发挥重要的作用。目前,有不少试验将人参副产物应用到动物生产中,但结果是多种活性物质的共同结果,还需要更多更直接、长期的试验,探究人参多糖对动物生产的影响。今后,关于人参多糖调节免疫力的构效关系、抗肿瘤以及其他生物学作用的具体靶点和通路,还需要进一步的研究,为人参多糖在动物生产中的科学使用提供依据。