《Journal of Genetic Engineering and Biotechnology》：Bioactive molecules from Polygonatum odoratum: Extraction, chemical characterization, and multifunctional properties
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摘要
玉竹（Polygonatum odoratum(Mill.) Druce, P. odoratum）作为一种药食同源的传统植物，在中国文化中被应用多年，含有多种生物活性化合物。本综述旨在探讨玉竹四种最重要的单体成分（多糖、凝集素、甾体皂苷和高异黄酮）的提
摘要
玉竹（Polygonatum odoratum(Mill.) Druce, P. odoratum）作为一种药食同源的传统植物，在中国文化中被应用多年，含有多种生物活性化合物。本综述旨在探讨玉竹四种最重要的单体成分（多糖、凝集素、甾体皂苷和高异黄酮）的提取、化学表征及生物学效应。这些成分表现出多种生物活性，包括强效抗氧化活性、免疫调节活性、抗增殖/凋亡活性、抗糖尿病活性和抗病毒活性。本文支持了玉竹单体成分在开发增值功能性食品方面的潜在应用，这些食品可能减轻氧化应激、改变免疫系统功能并控制代谢过程。此外，除了确定和讨论未来临床应用、可获得性以及“绿色”加工的问题和前景外，本综述还强调了玉竹作为创新健康促进产品的可持续来源的潜力。
研究背景与意义
近年来，从天然产物中提取的活性分子已成为功能性食品、保健品和制药工业的研究热点。在这一背景下，石蒜科（Asparagaceae）多年生草本植物玉竹（Polygonatum odoratum）因其根茎（中药名为“玉竹”）兼具营养与药用价值而备受关注。传统医学认为其具有养阴润燥、生津止渴的功效，现代研究亦证实其富含大分子多糖及小分子甾体皂苷、高异黄酮等活性成分。然而，尽管已有相关研究，但对于如何通过系统性的提取与表征手段，将这些成分转化为具有高生物利用度的功能性食品，仍存在技术瓶颈与研究空白。为此，来自菏泽医学专科学校的研究人员开展了此项系统性综述研究，旨在梳理玉竹生物活性分子的提取工艺、结构特征及其多功能机制，为未来的临床转化与产品开发提供理论依据。该研究成果发表于《Journal of Genetic Engineering and Biotechnology》。
关键技术方法
研究人员采用了多种前沿技术手段对玉竹成分进行分析。在提取与纯化方面，运用了热水提取法、纤维素酶辅助酶解法、超声波辅助提取法以及微生物发酵技术，并结合柱层析进行分离。在结构表征上，利用高效凝胶渗透色谱-多角度激光光散射-示差折光检测器联用技术（HPSEC?MALLS?RID）测定多糖分子量分布，通过气相色谱（GC）和高效液相色谱（HPLC）分析单糖组成，并借助一维/二维核磁共振（NMR）和质谱（MS）技术解析化合物的精细结构。生物活性评价则主要通过体外细胞模型（如HepG2、A549、RAW264.7等）及动物模型进行验证。
研究结果
2. 大分子（Macromolecules）
2.1 多糖（Polysaccharides, POP）
2.1.1 提取与纯化
研究人员比较了不同提取方法对玉竹多糖（POP）得率及活性的影响。传统的80–100?℃热水提取法得率为8.37%–15.76%。相比之下，纤维素酶辅助提取法经响应面法优化后，多糖得率比热水法提高了38%，且所得多糖分子量更低（4.12–6.09?kDa）。超声波辅助提取利用空化效应使提取率提升了32.8%。此外，利用枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）LY?05进行微生物发酵，可将多糖分子量降至4.1–6.09?kDa，并使抗氧化活性提升2.3倍。研究表明，低分子量（<10?kDa）的多糖通常具有更好的生物活性。
2.1.2 单糖组成
POP的单糖组成具有多样性，主要受分析方法和提取技术的影响。主要成分包括中性糖如甘露糖、葡萄糖、半乳糖和果糖，同时含有少量糖醛酸及其他微量组分。不同研究报道的比例差异较大，例如有的研究显示岩藻糖、甘露糖和半乳糖的摩尔比为4.72:3.90:1.00，而另一些研究则指出果糖占比高达87.72%。
2.1.3 平均分子量
未经精细处理的粗多糖通常包含多种分子量组分。通过酶法或发酵辅助提取可显著降低分子量。例如，纤维素酶处理的多糖分子量范围为4.12–6.09?kDa，枯草芽孢杆菌发酵产物亦在此区间。纯化后的组分如YZ?2（5345?Da）和POP?1（约5?kDa）均显示出以β?(2→1)连接的果聚糖为主的结构特征。低分子量多糖与免疫调节和抗氧化等生物活性密切相关。
2.1.4 化学表征
POP的化学结构独特，主要由果聚糖构成，主链为β?(2→1)连接的D?呋喃果糖基，侧链为β?(2→6)连接的果糖基，起始于内部的α?D?吡喃葡萄糖残基。核磁共振（NMR）数据证实了呋喃果糖单元的β构型和葡萄糖核心的α连接。值得注意的是，部分多糖在Glcp残基的O?3位存在天然乙酰基。乙酰化程度（DA）通过1H?NMR光谱测定，低乙酰化（0.05–0.15）可提高溶解度并增强巨噬细胞TLR4结合，中等乙酰化（0.2–0.4）则在亲水性和受体亲和力间达到最佳平衡。
2.2 凝集素（Lectins, POL）
2.2.1 提取与纯化
玉竹凝集素（POL）主要从根茎中分离，采用磷酸盐缓冲液（PBS）或Tris?HCl缓冲液匀浆，经硫酸铵沉淀、透析及甘露糖亲和层析和DEAE琼脂糖离子交换层析纯化，最终获得亚基分子量约为12–14?kDa的纯蛋白。
2.2.2 结构特征
POL是一种由二硫键连接的四聚体蛋白，结构与雪花莲凝集素家族的经典β?棱镜复合物相似。每个亚基包含三个高度保守的糖结合模块，能够以高亲和力结合富含甘露糖的聚糖。POL在pH?4–9及60?°C以下具有良好的稳定性，这归因于其独特的空间结构和天冬酰胺残基。
3. 小分子（Small molecules）
3.1 提取与纯化
小分子成分的提取通常采用系统溶剂法，首先使用乙醇水溶液提取极性及中等极性组分，随后通过硅胶柱、反相C18柱、Sephadex?LH?20凝胶柱以及制备型高效液相色谱（HPLC）进行正交分离，最终结合UPLC?Q?TOF/MS和NMR进行结构鉴定。
3.2 甾体皂苷（Steroidal saponin）
玉竹根茎和须根富含甾体皂苷，已分离出超过30种，包括螺甾烷型、呋甾烷型和胆甾烷型衍生物，如玉竹皂苷A?O（Polygonatumosides?A?O）等。超高效液相色谱?电雾式检测器（UHPLC?CAD）定量分析显示，玉竹皂苷G、Timosaponin?H1等在物种间含量差异显著，可作为化学分类标记。糖苷化与乙酰化模式提高了其水溶性和与病毒糖蛋白的结合能力。
3.3 黄酮类（Flavonoids）
高异黄酮是玉竹中最丰富的黄酮类成分，占根茎干重的0.5%–2.1%。已鉴定的化合物包括(3R)?5,7?二羟基?6?甲基?8?甲氧基?3?(4′?羟基苄基)?色满?4?酮等。这些化合物共享3?苄基色满?4?酮的核心结构，并通过圆二色谱（CD）确定了C?3位的绝对构型。
3.4 生物碱（Alkaloids）及其他
研究人员还从玉竹中鉴定了多种肉桂酰胺类生物碱，如N?反式?对?香豆酰基章鱼胺等。此外，还发现了蒽醌类（如Polygodoquinone?A）、三萜类及木脂素类等成分，但其生物活性尚待进一步阐明。
4. 生物活性（Bioactivities）
4.1 抗氧化活性（Anti?oxidant activity）
玉竹的抗氧化机制包含直接清除自由基和激活Nrf2通路两条路径。经枯草芽孢杆菌发酵的多糖组分能够显著提升小鼠肝脏中超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶活性，降低丙二醛（MDA）水平。体外实验表明，酶法提取的多糖由于分子量较低，其对DPPH、ABTS+和羟基自由基的清除能力显著高于热水提取物。
4.2 抗增殖与促凋亡活性（Antiproliferative and proapoptotic activity）
POL能够通过调节Bax/Bcl?2平衡、激活Caspase?3诱导线粒体凋亡，并通过抑制Akt?mTOR通路诱导自噬。在A549肺癌细胞中，POL通过EGFR/Ras?Raf?MEK?ERK通路调控凋亡/自噬。甾体皂苷如Polygonatumoside?H对HepG2和Caco?2细胞表现出剂量依赖性的细胞毒性（IC50分别为1.7?μM和30.8?μM）。
4.3 免疫调节活性（Immunomodulatory activity）
酶法提取的多糖比热水提取物更能促进RAW?264.7巨噬细胞的增殖和吞噬功能，这与低分子量及较高的甘露糖和葡萄糖醛酸含量有关。机制上，多糖通过促进NF?κB和Nrf2的表达，提高诱导型一氧化氮合酶（iNOS）和一氧化氮（NO）的产生。发酵多糖还能改善肠道屏障功能，上调紧密连接蛋白（ZO?1、Occludin）的表达，并调节肠道菌群结构。
4.4 抗糖尿病活性（Anti?diabetic activity）
玉竹中的高异黄酮和二氢查耳酮可通过激活AMP活化蛋白激酶（AMPK）及其下游乙酰辅酶A羧化酶（ACC）来调节脂肪酸氧化和葡萄糖代谢。总黄酮（TFP）能降低链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病模型动物的空腹血糖，抑制α?淀粉酶活性。甾体皂苷（SG?100）则可改善胰岛素抵抗，提高肌肉组织对葡萄糖的摄取能力。
4.5 抗病毒活性（Anti?virus）
从玉竹乙酸乙酯部位分离的蒽醌衍生物（如Polygodoquinone?A、大黄素、大黄酚）对流感病毒（IAV）表现出显著的体外抑制活性，其半数抑制浓度（IC50）优于阳性对照药物利巴韦林。Polygodoraside?G亦显示出对IAV的强效抑制作用（IC50=14.3?μM）。
4.6 其他活性
部分甾体皂苷对猪胰脂肪酶表现出中等强度的抑制活性。此外，黄酮类提取物对葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的小鼠结肠炎具有缓解作用，并能修复肠黏膜上皮结构。
结论与讨论
综上所述，研究人员通过对玉竹生物活性分子的系统性分析，揭示了不同提取工艺对多糖结构与活性的显著影响，阐明了低分子量多糖及特定结构修饰（如乙酰化）在提升生物活性中的关键作用。同时，研究明确了凝集素、甾体皂苷及高异黄酮等成分在抗氧化、免疫调节、抗肿瘤、抗糖尿病及抗病毒等方面的多重药理机制。这些发现不仅填补了玉竹在临床生物利用度和绿色加工工艺方面的研究空白，也为开发基于玉竹的功能性食品和新型治疗药物提供了坚实的理论基础和数据支撑。
