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Introduction
益生元是一种非消化性成分，通过肠道微生物的代谢来调节肠道微生物群的组成或活性，从而对宿主产生有益生理活性。近年来，植物多糖的益生元潜力受到广泛关注，主要包括菊粉、低聚果糖、阿拉伯木聚糖和各种膳食纤维。益生元可促进肠道益生菌生长，如乳酸菌和双歧杆菌。这些植物来源的多糖可被结肠中的肠道微生物发酵，生成低聚糖、短链脂肪酸（SCFAs）等代谢产物，有助于宿主健康。
黄精为百合科植物，作为一种药食同源的植物，黄精具有多种用途。如，黄精可作为蔬菜用于炒菜或沙拉、制作草药酒或在日常生活中作为茶叶的替代品。此外，黄精可以刺激唾液和胃液的分泌，保护呼吸系统，促进食欲，增强免疫力。多糖作为黄精的主要成分已被报道具有降血糖、抗癌、抗氧化、抗炎和抗骨质疏松症的活性。目前黄精多糖是否以原型直接入血，或以微生物代谢产物的方式间接启动其药理作用尚不明确。黄精多糖在胃肠道的消化特性及其对宿主肠道微生物群组成的影响尚不清楚。
因此，湖北中医药大学的齐子涵等研究人员，从重庆产黄精中提取得到一种新型黄精多糖组分（Polygonatum sibiricum polysaccharides，PSP）并对其进行结构表征。研究了PSP在模拟唾液-胃肠消化过程中的动态特性，并利用体外发酵模型探讨了PSP对人类肠道微生物群的发酵及其代谢产物的产生的影响。同时，还对PSP发酵产物的抗氧化活性进行研究。
Results and Discussion
黄精多糖的理化性质、分子量和单糖组成分析
PSP的总碳水化合物含量为（91.04±6.76）%，还原糖含量为（1.38±0.05）%，蛋白质含量为（6.14±0.36）%，糖醛酸含量为（2.81±0.15）%。PSP由果糖（93.81%）、葡萄糖（5.12%）、甘露糖（0.15%）、半乳糖（0.5%）、阿拉伯糖（0.21%）和半乳糖醛酸（0.21%）组成（表1），是一种以果糖为主要单糖的杂多糖。PSP为单一对称的尖峰（图1A），表明其为均一多糖，分子量为3.06 kDa。
表1 黄精多糖的理化性质
黄精多糖的红外光谱分析
黄精多糖在3387.41 cm-1处出现的强吸收峰归属于O-H的伸缩振动，2935.02 cm-1附近的吸收峰归属为糖环中C-H的伸缩振动，这是多糖的特征吸收峰。1638.44、1417.04、1129.94和1029.16 cm-1处的吸收峰分别来自于C=O、-COOH、C-OH、C-O-C的伸缩振动，证实了糖醛酸和呋喃糖环的存在。878.19 cm-1处的吸收峰是由于α-型糖苷键的存在所引起。933.09和818.12 cm-1处的吸收峰归因于呋喃环，具有β-型糖苷键，且具有更高的吸收峰，证明黄精多糖的结构以β-糖苷键为主。
黄精多糖的核磁共振分析
PSP的1H NMR光谱如图2A所示，由于酮糖没有异头质子，异头质子区仅在δ 5.43出现一个信号，将其归属于α-D-吡喃葡萄糖残基的1H，大部分质子信号集中于δ 3.4～4.4，表明PSP包含α-构型（δ＞5.0）和β-构型（δ＜5.0），且以β-构型为主，这与FT-IR分析结果一致。在13C NMR光谱（图2B）中，大部分碳信号分布在δ 60～110区域，其中在异头碳区δ 103.66观察到的信号被分配为果糖残基的典型峰（C2）。根据1H-1H COSY、HSQC（图2C、D）对果糖残基的氢信号进行分配，13C NMR光谱在δ 60.43、δ 76.73、δ 74.33、δ 81.06、δ 62.24的碳信号分别对应果糖残基的C1、C3、C4、C5、C6。PSP单糖组成中葡萄糖含量较低，因此葡萄糖残基的碳信号较弱，在13C NMR光谱中未被识别出。糖残基的1H和13C化学位移信号汇总于表2。
根据HMBC光谱中获得的相关峰确定了PSP中糖残基的序列和连接位点，如图2E所示，δ 3.95/103.66（H1a, b/C2）、δ 4.24/74.33（H3/C4）、δ 4.11/76.73（H4/C3）、δ 4.11/81.06（H4/C5）、δ 4.11/62.24（H4/C6）、δ 3.87/74.33（H5/C4）六个交叉峰信号显示存在→2-β-D-Fruf-1→2-β-D-Fruf-1→。与已报导NMR谱图数据进行比对，结合甲基化结果，推测葡萄糖残基键连方式为α-D-Glcp-1→2-β-D-Fruf-1→。综合考虑单糖组成、甲基化分析、FT-IR和NMR图谱数据，提出如图2F所示的PSP预测结构。
表2黄精多糖的1H和13C NMR化学位移
模拟唾液、胃液、小肠液消化黄精多糖
经过模拟唾液、胃液、小肠液消化后，消化液中的还原糖含量未发生显著变化，PSP的分子量未发生变化，TLC结果也显示无新斑点产生，说明PSP可以经受口腔、胃肠道的消化，保持结构稳定。
模拟体外发酵黄精多糖
如图4A所示，经过体外粪便发酵48 h后，发现PSP显著促进肠道微生物生长，发酵液中总碳水化合物利用率达84.9%（图5A），证明PSP能够被肠道微生物降解代谢；图4B显示，肠道微生物降解PSP后产生大量酸性产物，发酵液pH显著低于NC组。
黄精多糖对肠道菌群的影响
在门水平上，各组的肠道微生物群主要由厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和变形菌门（Proteobacteria）组成，约占总细菌群落的95%（图6A）。与NC组相比，PSP显著增加了变形菌门和放线菌门的比例（P＜0.05）（图6A）。在科水平，PSP提高了Veillonellaceae、Enterobacteriaceae和Alcaligenaceae的丰度。相对的，PSP使Bacteroidaceae和Clostridiaceae的丰度降低（图6B）。通过层次聚类热图对变化最大的23个肠道细菌菌属进行分析，结果如图6C所示。PSP提高了部分细菌的丰度（如Sutterella和Bifidobacterium），而部分细菌（如Bacteroides和Alistipes）经PSP发酵后丰度降低。发酵48 h后，NC组的核心微生物为Bacteroides、Alistipes和Lactococcus。此外，在PSP组中，Bacteroides、Veillonella、Klebsiella和Sutterella占主导地位。
短链脂肪酸（SCFAs）、吲哚含量分析
检测了NC组和PSP组发酵中短链脂肪酸、吲哚含量，如图7A所示，两组的总SCFAs水平在发酵过程中显著提高。PSP组和NC组经微生物发酵后各短链脂肪酸的生成量如图7B-E所示，乙酸、丙酸为PSP组生成的主要短链脂肪酸。同时，PSP组吲哚含量在发酵后期显著低于NC组（图7F）。
图7 黄精多糖组和对照组不同发酵时间点发酵液中总短链脂肪酸（A）、乙酸（B）、丙酸（C）、丁酸（D）、戊酸（E）、吲哚（F）含量变化
黄精多糖发酵液自由基清除能力分析
与NC组相比，PSP经肠道细菌发酵后对DPPH自由基的清除能力增强（图8A），最大清除率可达70.59%；另一方面，PSP组的超氧化物自由基清除率随发酵时间延长逐渐提高，在发酵24 h达到最大清除率（26.76%）（图8B），且PSP组对超氧自由基的清除能力显著高于NC组。此外，因PSP的加入，PSP组对羟基自由基的整体清除率高于NC组（图8C）。
Conclusion
本研究从中药黄精中提取分离得到一种新型黄精多糖PSP，其分子量为3.06 kDa，主要由果糖、葡萄糖组成。该多糖主链包括α-D-Glcp-1→、→2-β-D-Fruf-1→两种糖苷键。PSP在上消化道能够保持结构稳定，在大肠中由肠道菌群分解代谢，产生大量有益于人体健康的短链脂肪酸，同时发酵后黄精多糖抗氧化能力提高。本论文为后续黄精多糖在生物医药和功能食品中的开发应用提供实验基础。
第一作者
齐子涵，男，湖北中医药大学2020级硕士研究生，研究方向为天然药物药理与毒理学研究。
通信作者
刘洪涛，男，湖北中医药大学基础医学院教授，博士生导师。主要从事肠道微生态在营养代谢疾病中的作用及分子调控机制研究，中药活性组分的发现、开发及其在生命健康领域中的应用。先后获得中国科学院“百人计划”、湖北省“楚天学者”特聘教授及湖北中医药大学“杏林英才专项计划”领军人才支持，并入选2019批湖北省“政府津贴”专家。先后主持十三五国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、省市级及校级科研项目等20余项。讫今，已发表科研论文100余篇，其中SCI论文逾60余篇，申报国家发明专利20余项。
Structural characterization and prebiotic potential of polysaccharides from Polygonatum sibiricum
Zihan Qia,b,#, Tiexiang Gaob,#, Jingjing Lia, Shuhan Zhoua, Zhigang Zhanga, Mingzhu Yina, Haiming Hua,*, Hongtao Liua,*
a College of Basic Medical Sciences, Hubei University of Chinese Medicine, Wuhan 430065, China
b College of Pharmacy, Hubei University of Chinese Medicine, Wuhan 430065, China
# Both authors contributed equally.
*Corresponding author.
Abstract
Polygonatum sibiricum has been widely used due to its excellent biological activities. We prepared a novel polysaccharide from P. sibiricum (PSP) in this study. According a monosaccharide composition analysis, PSP was mainly composed of fructose and glucose with a molar percentage of 93.81:5.12. The main linkage types were identified as α-D-Glcp-1→ and →2-β-D-Fruf-1→. The molecular weight of PSP showed no significant change after simulated salivary and gastrointestinal digestion. However, PSP could be broken down by intestinal bacteria. Our findings revealed that PSP administration increased the abundance of probiotics such as Bifi dobacterium. Furthermore, the results showed that gut microbes could utilize PSP to produce short-chain fatty acids including acetic acid, propionic acid, and butyric acid. Also, the PSP fermentation broth displayed an excellent scavenging effect on free radicals, including 2, 2-diphenyl-1-picrylhydrazyl radical, superoxide radical, and hydroxyl radical. In summary, this study will help to promote the application of PSP as prebiotics in functional food and the medical industry.
Reference:
QI Z H, GAO T X, LI J J, et al. Structural characterization and prebiotic potential of polysaccharides from Polygonatum sibiricum[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(4): 2208-2220. DOI:10.26599/FSHW.2022.9250184.
本文编译内容由作者提供
编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇
封面图片来源：图虫创意
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