从中国草药Polygonaatum kingianum Coll. et Hemsl（黄精）的根茎中分离出的一种低分子量多糖的特性及其促进双歧杆菌生长的作用

《Carbohydrate Polymers》：Characterization and bifidogenic effects of a low-molecular weight polysaccharide isolated from a Chinese herb, Polygonatum kingianum Coll. et Hemsl (Huangjing) rhizome

低分子量多糖PKP2–1从黄精根茎中纯化，其分子量为7.422 kDa，主链由β-D-果糖-(2→)和β-D-果糖-(1→,6→)连接，侧链及末端存在β-D-半乳糖等结构。体外实验显示其耐胃酸，发酵后使双歧杆菌丰度从5.38%增至42.66%，并基于基因组分析提出水解利用机制。

　　

袁晓辉|涂婷婷|毛玉恒|王彦春|黄梦琪|王蕾|罗游|王春晓|邱书义|邓斌|宋安欣

贵州大学酒与食品工程学院，中国贵州省贵阳市，550025

摘要

本研究旨在通过Sephadex G-200和DEAE Sepharose Fast Flow柱层析法，从植物Polygonatum kingianum Coll. et Hemsl（黄精）的根茎中分离出一种低分子量多糖（PKP2–1），并探究其结构特征及促进双歧杆菌生长的作用。PKP2–1的重量平均分子量为7.422 kDa。其主链主要由以下连接方式构成：→1)-β-D-Fruf-(2→, →1,6)-β-D-Fruf-(2→ 和 →6)-α-D-Glcp-(1→，其中→1,6)-β-D-Fruf-(2→的O6位被侧链残基β-D-Fruf-(2→取代。糖链末端还存在少量β-D-Glcp-(1→)末端残基。体外实验表明，PKP2–1对胃肠道消化具有较高的抵抗力，其还原糖含量和分子量无明显变化（p > 0.05），并能显著增加肠道中双歧杆菌的数量（从5.38%增加到42.66%）。通过单菌株培养三种双歧杆菌（B. adolescentis、B. longum和B. infantis）进一步验证了PKP2–1的促双歧作用。基于这三种双歧杆菌的基因组分析及PKP2–1的结构，建立了一个模型来描述双歧杆菌对PKP2–1的水解和吸收过程。研究结果表明，PKP2–1具有促双歧作用，有望作为新型益生元候选物质。

引言

肠道微生物群是由多种微生物组成的复杂而动态的生态系统，它们栖息于人体胃肠道（GIT）中，近年来因其在维持宿主稳态和整体健康方面的多重作用而受到广泛关注（Zmora, Suez, & Elinav, 2019）。其中，双歧杆菌是最早在肠道定植的重要菌种之一，对免疫调节、癌症预防和乳糖不耐受改善等多种健康益处具有重要作用（He, Xiong, Hu, Zong, & Wu, 2023; Mysore Saiprasad, Moreno, & Savaiano, 2023）。由于双歧杆菌的这些健康促进作用，它们被广泛用作功能性食品中的益生菌成分。双歧杆菌的益生菌效应主要源于其能够选择性发酵不可消化的碳水化合物，产生有益代谢物（如短链脂肪酸，Li et al., 2023）。此外，双歧杆菌的糖酵解作用还能释放膳食纤维中的代谢中间产物，为肠道其他细菌提供碳源（Ndeh & Gilbert, 2018）。因此，研究碳水化合物的双歧生成潜力及其被双歧杆菌利用的机制对于揭示该菌属对整个肠道微生物群的生物活性作用具有重要意义。

中药中使用的药用植物多糖是一类丰富的不可消化且具有生物活性的碳水化合物来源。许多研究表明，这些多糖能够在体外或体内模型中通过促进双歧杆菌生长来发挥促双歧作用（Duan et al., 2023; Song, Mao, Siu, & Wu, 2018）。然而，由于双歧杆菌对不同多糖的代谢具有物种特异性，以往的研究大多将肠道微生物群作为一个整体进行探讨，很少有研究专门分析双歧杆菌对复杂杂多糖的利用情况。尽管目前已有许多研究揭示了双歧杆菌对某些碳源（如木聚糖、阿拉伯木聚糖和淀粉）的代谢途径（Drey, Kok, & Hutkins, 2022; Jung et al., 2019; Song, Li, Yin, Chiou, & Wu, 2020），但其他来源多糖的利用机制仍不明确。

Polygonatum kingianum Coll. et Hemsl（中文称为“黄精”）属于百合科 Polygonatum属，长期以来被用作中药，具有多种健康益处（Li et al., 2020）。多糖是Polygonatum属根茎中的主要生物活性成分，具有保肝、抗炎、抗氧化及免疫调节等作用（Li et al., 2020; Li et al., 2022）。一些研究表明，P. sibiricum和P. cyrtonema中的多糖可通过调节肠道微生物群平衡和增加短链脂肪酸的产生而发挥益生元作用（Chen et al., 2024; Qi et al., 2024）。然而，关于P. kingianum中的多糖及其益生元潜力的研究较少，且几乎没有研究证实其促双歧作用。

本研究旨在通过色谱技术和光谱分析获得纯化的PKP成分，并对其结构特性进行表征。基于还原糖含量和分子量的变化，评估了PKP在模拟胃和小肠条件下的体外消化情况。通过粪便发酵和双歧杆菌单菌株发酵实验研究了PKP的促双歧作用，并确定了肠道微生物的结构和组成。结合双歧杆菌的全基因组分析及多糖的结构特征，提出了PKP可能的双歧杆菌水解和利用机制。

材料与试剂

Polygonatum kingianum Coll. et Hemsl的根茎购自中国云南西朗科技有限公司。供应商在中国云南省普洱市（99°09′-102°19′E, 22°02′-24°50′E）采集了该植物。图S1展示了新鲜和风干的P. kingianum根茎。新鲜根茎经过清洗、切片、冷冻干燥后粉碎，并用100目筛子筛选得到干燥粉末，粉末储存在真空干燥器中以备后续使用。

PKP2–1的提取与纯化

通过热水提取、脱淀粉、脱色、脱蛋白和酒精沉淀步骤，从P. kingianum中分离出粗多糖（PKP），产率为9.71%（w/w）。通过Sephacryl G200凝胶渗透层析法得到两种独立的多糖组分PKP1和PKP2（图1A）。PKP1的回收率为12.51%，PKP2的回收率为50.02%。进一步利用DEAE Sepharose Fast Flow阴离子交换层析法对PKP1进行纯化。

结论

从中国草药Polygonatum kingianum的根茎中分离出一种低分子量多糖PKP2–1（分子量7422 Da）。PKP2–1属于果聚糖类型，其主链连接方式为→1)-β-D-Fruf-(2→, →1,6)-β-D-Fruf-(2→ 和 →6)-α-D-Glcp-(1→，侧链中的β-D-Fruf-(2→位于→1,6)-β-D-Fruf-(2→的O6位。糖链末端还存在少量β-D-Glcp-(1→)末端残基。PKP2–1具有复杂的分子结构。

作者贡献声明

袁晓辉：撰写初稿、方法学设计、实验实施、数据分析。 涂婷婷：方法学设计、实验实施。 毛玉恒：数据验证。 王彦春：数据分析。 黄梦琪：方法学设计。 王蕾：资源获取与数据管理。 罗游：方法学设计。 王春晓：资源获取。 邱书义：项目监督与资源协调。 邓斌：撰写、审稿与编辑。 宋安欣：撰写、审稿与编辑、项目管理和资金申请。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号32560537）和贵州省基础研究计划（自然科学）（项目编号2023-092）以及贵州大学的支持。