王家腾，王贺聪，刘 蕾*

（北京工商大学理学院，北京市植物资源研究开发重点实验室，北京 100048）

香菇（Lentinus edodes（Berk.）Sing）别名香蕈、香菌、香信、花菇，属白蘑（口蘑）科（Tricholomaceae）香菇属，是世界第二大食用菌。香菇的种类繁多，在中国、日本以及其他亚洲国家都有广泛种植，其人工栽培方法始于中国，早在元代王祯《农书》中就有详细记载。香菇是我国传统中药，也是日常食用菌之一，在《日用本草》和《本经逢原》等中草药书目中均有记载：“香菇药性平、味道略甜、益气养胃，可治食欲不振和水痘”。现代医学研究发现，香菇营养丰富，富含蛋白质、脂肪、香菇多糖、粗纤维以及多种维生素。现在，作为天然食用资源，香菇在医药、化妆品以及其他行业的再开发利用方面受到越来越多的关注。

20世纪80年代以来，香菇多糖逐渐成为热门研究，集中在提取工艺、结构和功效作用等方面。目前已报道的香菇多糖功效主要表现在抗肿瘤、抗病毒、抗氧化、抗菌等方面，与香菇多糖的结构有着密切的联系。本文在前人的工作基础上，针对香菇多糖的结构、功效以及二者之间的关系进行综述，以此为研究开发香菇资源提供依据。

1 香菇多糖结构

香菇多糖的结构研究主要是针对其主链、分子质量范围、组成的单糖、构象和化学修饰。1976年Sasaki等的研究表明，香菇多糖是一种以β-D-(1→3)-Glc为主链，以1→6和1→3相连的葡萄糖残基为侧链的葡聚糖[1]，如图1所示。经过高效液相色谱（high performance liquid chromatography，HPLC）、红外光谱（infrared spectrum，IR）和碳核磁共振谱（carbon nuclear magnetic resonance spectrometer，13C NMR）证明香菇多糖具有(1→6)-Glc为侧链的β-D-(1→3)-Glc，且香菇多糖的重复单位与裂褶多糖类似[2]，两个β-D-(1→6)Glc接枝到5 个β-D-(1→3)-Glc组成的主链上，形成了右手三螺旋结构[3]。香菇多糖的分子质量并未有定论，多数研究认为其大约在4×105～8×105Da[1-2]。香菇多糖的单糖组成主要是Man、Glc和Gal，如表1所示，由于香菇原料来源、提取方法等不同，并不能完全确定香菇多糖具体分子质量、单糖组成和单糖比例。

图1 香菇多糖的重复单元[4]Fig. 1 Repeating unit of lentinan[4]

表1 香菇多糖分子质量和单糖组成比例Table 1 Molecular mass and monosaccharide composition of lentinan

香菇多糖的三螺旋结构主要受键连接方式、支化结构、支化度分子内氢键及取代基团的静电排斥作用的影响[13]，此外，大分子多糖的构象也很容易受到溶剂、温度和pH值的影响[2,14-15]。香菇多糖在溶剂和温度影响下构象转化分为两种（图2、3）：第一种（A区转化为B区）在较高温度下，骨架固定的三螺旋结构I转化为骨架和侧链可自由旋转的三螺旋结构II；第二种转化（B区转化为C区）发生在温度高于130 ℃或二甲基亚砜浓度大于0.85 mol/L时，三螺旋结构II转化为单股无规线团结构。另外，当二甲基亚砜浓度大于0.7 mol/L时，三螺旋结构I可直接转化为单股无规则线团结构。发生这些变化是由于温度提供了能量或者是二甲基亚砜与香菇多糖之间形成了氢键，从而破坏了香菇多糖原有的氢键[15]。香菇多糖在NaOH水溶液中发生构象变化的二甲基亚砜浓度范围在0.05～0.08 mol/L，二甲基亚砜浓度小于0.05 mol/L时，线形、环形和三螺旋结构三者并存，二甲基亚砜浓度大于0.08 mol/L时构象转化为单股无规线团；二甲基亚砜浓度为0.15 mol/L时，在15 ℃条件下用大量水透析超过7 d可复性为三螺旋结构[16]。

图2 香菇多糖在二甲基亚砜/水混合物中的构象转化[15]Fig. 2 Schematic diagram of conformational transitions of lentinan in dimethyl sulfoxide/water mixture[15]

图3 香菇多糖在溶液中构象转化的模型示意图[15]Fig. 3 Schematic diagram of a model describing the conformational transitions of lentinan in solution[15]

化学修饰是结构修饰文献最多的方法之一，已经有很多研究报道了香菇多糖修饰物在抗氧化、抗免疫调节、抗病毒以及抗肿瘤活性方面的功效[17]。传统的化学修饰是进行硫酸化、磷酸化和羧甲基化，现已有很多将硒（Se）修饰到多糖中以提高活性的研究。在Ren Guangming等的研究中，通过HNO3-Na2SeO3方法将香菇多糖硒化处理，转化为硒基-香菇多糖，经扫描电子显微镜及能谱仪检测，与原来的香菇多糖相比，硒基-香菇多糖表面结构和主要元素发生了很大的变化，硒主要以O—Se—O、Se＝O和Se—O—C的结构存在[18]。另外，也有研究将三螺旋结构的香菇多糖转化为单螺旋结构与Na2SeO3纳米粒子结合，用水透析使之复性，硒纳米粒子被包裹在形成三螺旋结构的三股香菇多糖链之间，最终使得Se与香菇多糖结合[19]。

2 香菇多糖构效关系

香菇多糖具有多种优秀的生物活性，主要包括抗氧化、免疫调节、抗病毒以及抗肿瘤，此外还有抑菌、抗寄生虫、抗疲劳、抗辐射、神经保护和抗抑郁等作用[20]。优秀的生物活性与其结构有着密不可分的关系，关于活性多糖结构与功效的研究，对多糖的性能改进有着很大的指导意义，对药物的开发更是至关重要。

2.1 抗氧化作用

有大量研究证明香菇多糖在体外实验中具有显著的抗氧化作用[11,21-22]，尽管1,1-二苯基-2-苦基肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基、羟自由基，2,2’-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（2,2’-azinobis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)，ABTS）阳离子自由基、超氧阴离子自由基清除能力的测定结果有时并不是全部都表现出优良的抗氧化性，造成上述情况的原因是体外抗氧化实验机制不同，影响香菇多糖抗氧化能力的因素有很多。

2.1.1 单糖组成

各种类别单糖和比例是影响抗氧化能力的重要因素之一。在Kozarski等的研究中，还未完全纯化的香菇多糖质量浓度为0.1 mg/mL时，其DPPH自由基清除率达到71.7%，质量浓度过高时清除率有下降的趋势，较高质量浓度下羟基形成的氢键数量增加，导致有效羟基浓度受到限制[23]。Lo等通过共轭二烯法测定10 种香菇多糖对脂质过氧化的抑制率和单糖组成比例之间的关系，结果表明，随着甘露糖（Man）和鼠李糖（Rha）比例的增加，抗氧化性逐渐增强；随着阿拉伯糖（Ara）和葡萄糖（Glc）比例增加，抗氧化能力逐渐降低[24]。在Li Zhiming等建立的多糖抗氧化活性的定量构效关系模型中，Ara和半乳糖醛酸含量对香菇多糖的DPPH自由基清除活性影响最明显，半乳糖醛酸对香菇多糖的羟自由基清除活性影响最明显[25]。

2.1.2 化学修饰

多糖一级结构的官能团对活性有明显影响，可通过化学方法添加或者消除修饰来提高多糖生物活性。多糖的化学修饰经常用到硫酸化、羧甲基化、乙酰化、磷酸化以及羟乙基化[26]。Feng Yili等发现香菇多糖LNT抗氧化作用非常弱，但硫酸酯化后的sLNT-1和sLNT-2抗氧化能力显著提高，0.2 mg/mL时三者的DPPH自由基清除率分别为9.2%、65.8%和68.69%，脂质过氧化抑制率分别为12.58%、42.92%和51.57%[21]。硫酸化的β-D-(1→3)葡聚糖（S-P）、羧甲基化的β-D-(1→3)葡聚糖（CMP）以及羧甲基后硫酸化的β-D-(1→3)葡聚糖（S-CMP）3 种β-D-(1→3)葡聚糖的衍生物在清除自由基、脂质过氧化和丙二醛等抗氧化能力测定的实验结果均显示S-CMP＞CMP＞S-P[27]，对于香菇多糖，主链的修饰基团对抗氧化能力的贡献有强有弱。在邹林武的研究中也验证了硫酸酯化的香菇多糖抗氧化能力强于未被硫酸酯化的[12]，可见抗氧化能力和引入的硫酸基团数量呈正相关。

硒是人体的微量元素，对氧化还原反应的调节和酶的活性及代谢有着重要的作用[18]。将香菇多糖转化为硒基-香菇多糖（SL2-1）后，具有更好的清除DPPH自由基、羟自由基等的能力，在体内实验中则可以使血清中丙氨酸氨基转移酶和天冬氨酸氨基转移酶的含量升高从而减轻小鼠肝脏的氧化损伤[18]。由于硒的加入，香菇多糖的抗氧化性明显提高，但香菇多糖在140 ℃下变性，解旋为单螺旋结构的香菇多糖，与硒纳米颗粒结合后，复性为三螺旋结构Se/s-LNT，其中硒的颗粒越大，在人类宫颈癌细胞（HeLa细胞）中产生的活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）越多[19]，也就是说，在此研究中硒的加入使得ROS增加而不是减少。因此，硒在香菇多糖上的结合方法不同，可能导致不同的生物学活性变化。

香菇多糖本身含有一些金属离子，这些金属离子也会对其抗氧化作用有较大影响。在Qian Yilin等的研究中，4 种香菇多糖LW-1、LW-2、LW-3和LW-4用乙二胺四乙酸去除所含的金属离子，得到ELW-1～ELW-4，随后进行DPPH自由基、ABTS阳离子自由基和超氧阴离子自由基清除实验。实验结果表明，LWs与ELWs相比，随着浓度升高，ELWs清除率的增加更加显著，可见含有金属离子对香菇多糖抗氧化能力有着重要的作用[28]。

另有部分文献显示，粗香菇多糖在体外实验中均表现出很强的抗氧化能力，可能是未完全纯化的多糖与氨基酸、蛋白质、脂质等物质结合成一个复合物，对多糖的抗氧化作用有一定的影响[22,29]。在郝强的研究中，粗香菇多糖相较于纯化后的多糖SP2，清除超氧阴离子自由基、羟自由基、过氧化氢的能力均减弱，这可能是由于粗多糖中其他物质例如多酚、色素、黄酮、肽和蛋白质等物质的协同作用造成[5]。

2.1.3 螯合金属离子结构

香菇多糖能螯合金属离子从而清除自由基。Zi Yusha等用3 mg/mL H2O2对HaCaT细胞进行4 h氧化损伤处理，并进行香菇多糖修复和保护HaCaT细胞实验，其中香菇多糖能显著提高经H2O2损伤的HaCaT细胞的活性和超氧化物歧化酶活性，降低丙二醛含量，表明香菇多糖在细胞模型中也具有清除自由基的作用，其机制可能是多糖的螯合作用[30]。在体内，H2O2和Fe2+或Cu2+反应产生·OH，在一些清除自由基反应中，多糖可通过螯合Fe2+和Cu2+等金属离子来抑制自由基生成，而非清除自由基[22]。Yoon等的研究证明，从香菇子实体中提取的香菇多糖具有螯合Fe2+的能力，可以降低氧化还原电位，从而稳定金属离子的氧化形式，辅助抗氧化[31]。一般来说，化合物中含有不止一种具有螯合能力的结构，例如—SH、—COOH、—PO3H2、—C＝O、—NR2和—S—O[32]；香菇多糖的主链结构中含有—OH和—O—，也印证了香菇多糖具有螯合金属离子的能力。另外，根据Ker等的研究，香菇多糖平均分子质量越大，螯合金属离子能力越差[33]。

2.2 免疫调节作用

目前，有关于多糖具有免疫活性的报道，但是大多数没有将多糖结构特征和免疫作用的结果结合起来分析，对于香菇多糖的免疫活性和结构之间关系的研究并不多。

2.2.1 主链结构

在香菇多糖（LEP）、平菇多糖（POP）、茶树菇多糖（ACP）、木耳多糖（AAP）和金针菇多糖（FVP）5 种多糖中，仅有POP和LEP的骨架结构主要连接方式是β-D-(1→3)-Glc，有研究认为，这一主链结构使得香菇多糖具有免疫调节作用。研究人员分析了5 种多糖对小鼠腹腔巨噬细胞分泌肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α和白细胞介素（interleukin，IL）-1β、合成NO和吞噬中性红能力的影响，结果显示5 种多糖中LEP的免疫活性最强，POP其次，可见以β-D-(1→3)-Glc主要连接方式对多糖发挥免疫调节有重要作用[34]。在很多研究中，以β-D-(1→3)-Glc为主链的多糖具有免疫调节功能，例如灵芝多糖可以有效诱导小鼠腹膜巨噬细胞分泌TNF-α和IL-6[35]；竹荪多糖可提高小鼠肉瘤S-180细胞的胸腺和脾脏指数、IL-2、IL-6和TNF-α的含量[36]；凤尾菇多糖可调节巨噬细胞，提高NO和TNF的含量[37]。

2.2.2 三螺旋结构

香菇多糖在抗肿瘤研究中，三螺旋结构的香菇多糖调节各种细胞因子，会对免疫调节产生作用[2,38]。在ICR小鼠体内分别注射变性和复性的香菇多糖，分别在给药的第1、4、7、10天收集小鼠血清测试LA（结合珠蛋白-血红蛋白复合物），LB（血液结合素）和LC（铜蓝蛋白-触珠蛋白复合物），将给药组与未给药组进行对比，给药的两组3 种测试物均显示出更多的急性期蛋白，非T细胞介导的免疫应答可能不需要香菇多糖的高级结构[39]。

2.2.3 化学修饰

化学修饰可加强香菇多糖的免疫调节能力。当β-D-(1→3)-Glc被羧甲基化或硫酸酯化后，由于分子内和分子间氢键的相互作用，静电斥力增强，溶解度提高，进而有了更强的免疫调节功能[40]。另外，β-D-(1→3)-Glc被羧甲基化或硫酸酯化之后，构象也会改变，使得硫酸酯化后的香菇多糖更不易于与葡聚糖的受体结合[41]。

香菇多糖还能通过抑菌达到免疫调节的效果。Ma Jinyou等将香菇多糖分别羧甲基化、硫酸酯化和磷酸酯化，香菇多糖和3 种衍生物虽未明显地抑制黄曲霉菌的生长，但是羧甲基化的香菇多糖表现出可接受的剂量依赖性，羧甲基化的修饰可以用于开发抗黄曲霉毒素的药剂[42]。徐晓飞将热水提取的香菇多糖L2醇沉分离纯化，其主链结构为β-D-(1→3)-Glc，带少量α-D-(1→6)连接阿拉伯糖，并在部分糖基单元的C-O3和C-O4上有侧链分支。通过给小鼠口服香菇多糖L2，可以调节小鼠小肠、盲肠、结肠的生理功能，影响不同部位的基因表达，改变小鼠肠道菌群组成，进而影响肠道内的组织蛋白表达，最终使免疫增强。研究中还特别指出，香菇多糖L2的免疫增强作用可能和Helicobacter、Alistipes和Bacteroides acidfaciens比例有关[43]。Wang Mengxia等的实验也证明香菇多糖可以调节大鼠仔鼠肠道菌群结构，增加双歧杆菌、乳酸菌等益生菌数量，减少厌氧菌等有害菌群数量，从而增强仔鼠的免疫功能[44]。这种抑制一定菌落来增强免疫功能的方式和香菇多糖的抑菌能力有很大的相关性。

2.3 抗病毒作用

1987年Tochikura等的研究就表明香菇多糖可以通过增强叠氮脱氧胸苷从而抑制人类免疫缺陷病毒[45]。在体外实验中，LNT-1可直接杀死传染性造血器官坏死病病毒（infectious hematopoietic necrosis virus，IHNV），其可能对病毒酶的活性有抑制作用，也可能形成稳定的病毒-多糖复合物[46]。香菇多糖还可以选择性的和细胞表面进行结合，阻碍病毒侵袭细胞[46]；Ren Guangming等的研究则证明了香菇多糖抗IHNV的机制主要是其参与了直接灭活和抑制病毒复制[8]。

2.3.1 主链结构

人工合成的香菇多糖基本单元类似物β-glu6可以增强DNA疫苗诱导的特异性细胞毒性T淋巴细胞和Th1细胞的免疫应答[47]。在Maeda等的实验中，香菇多糖基本单元能够增强T细胞和非T细胞的免疫应答[39]。可见，香菇多糖的重复单元也能够起到抗病毒的作用。

2.3.2 分子质量

有文献表明香菇多糖的分子质量对抗病毒作用具有一定的影响。用3 种不同分子质量的香菇多糖处理感染乙型肝炎病毒的人肝癌细胞系，检测细胞分泌的乙肝表面抗原、乙型肝炎E抗原含量，结果表明，Le3（8.93×105Da）抑制分泌效果最强，Le2（2.16×105Da）其次，Le1（4.02×104Da）最弱[7]。

2.3.3 化学修饰

大量研究表明，多糖的化学修饰在较大程度上影响其生物活性[48]。例如，硫酸化修饰会降低香菇多糖的抗肿瘤效果，但其表现出较强的抗人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）活性[48]。Wang Jie等通过硫酸化修饰香菇多糖（sLNT）以提高烟草抗烟草花叶病病毒的活性，结果表明硫酸化程度越高，抗病毒活性越高。研究者认为，sLNT对细胞具有刺激作用，能够激活部分防卫基因如苯丙氨酸解氨酶等，增加酚类化合物、植物抗毒素以及木质素的合成，抑制植物病毒。但基因的表达增强是暂时的，因此sLNT对烟草花叶病病毒的抗病毒能力可能是通过增加抗病毒化合物的合成来提高的[49]。但也有实验表明，硫酸化的香菇多糖并非硫酸化程度越高，抗HIV活性越强，分子内每个葡萄糖单位含有1.7 个硫酸基团的多糖抗HIV活性最强[50]。

2.4 抗肿瘤作用

香菇多糖在抗肿瘤方面的研究相对较多，早在20世纪80年代，日本学者就发现香菇多糖具有优良的抗肿瘤作用，并尝试将其作为生物反应剂应用于临床研究；20世纪90年代，国内也将香菇多糖应用于肿瘤的治疗上。研究表明，香菇多糖抗肿瘤的毒副作用小[51]、疗效优良，甚至能减缓抗癌剂的副作用，可广泛应用于癌症治疗。

2.4.1 主链结构

香菇多糖的抗肿瘤作用与主链结构的关系非常密切。β-(1→3)-Glc是抗肿瘤的主要药物，其线性结构没有过长分支，故可通过Smith降解法得到脱支的香菇多糖，即β-D-(1→3)-Glc链[48]。香菇多糖的支链对其抗肿瘤活性没有明显的影响，将脱支和脱支水解的香菇多糖以2.0 mg/kg剂量分别作用于肉瘤S-180细胞5 d，抑制率分别是99.7%和90%。而未脱支的香菇多糖在同样条件下抑制率仅为83%[52]。

2.4.2 三螺旋结构和分子质量

多糖的三螺旋结构和高分子质量对其抗肿瘤作用有很大的影响[53-54]。Zhang Lina等研究了不同种香菇多糖的分子质量、三螺旋结构和抗肿瘤之间的关系，结果表明，分子质量相近的情况下，三螺旋结构的香菇多糖比单螺旋结构的香菇多糖对肉瘤S-180细胞的抑制率高[55]；同样为三螺旋结构的香菇多糖，分子质量越高，对肉瘤S-180细胞的抑制作用越强。但也有研究表明，香菇多糖作为低分子质量的多糖，其对肉瘤S-180细胞抗肿瘤能力与其他高分子质量多糖的抗肿瘤能力相同[54]。在Qian Yilin等的研究中，4 种香菇多糖LW-1至LW-4的分子质量分别为15.409×105、3.062×105、0.079×105Da和0.035×105Da。LW-1相对其余3 个香菇多糖对BXPC-3肿瘤细胞和HeLa肿瘤细胞抑制作用较差，其原因可能是分子质量太大导致LW-1不能进入到细胞发挥作用；高分子质量的香菇多糖的抗肿瘤活性比低分子质量的更强，但LW-4抗肿瘤活性相比于用乙二胺四乙酸处理后的ELW-4抗肿瘤活性更强，这是由于LW-4所含的金属离子（如Cu2+和Zn2+）是多种酶的共同因子，可以减少氧化应激的危害，并且Zn2+可增加细胞膜的渗透性，从而增强抗肿瘤的效果[28]。

2.4.3 化学修饰

Wang Xiaohua等用氯磺酸-吡啶法硫酸化香菇多糖获得sLNT，硫酸化程度为1.44～1.76，根据碳谱图分析得到主要硫酸化位置在C6，少量发生在C2和C4。体外抑制肉瘤S-180细胞实验中，sLNT的抑制率均小于无硫酸化修饰多糖的抑制率，解旋后得到的单股链状香菇多糖的抗肿瘤性基本消失[56]。吴学谦等利用氯磺酸-吡啶法和氢氧化钠-一氯乙酸法分别将香菇多糖硫酸化和羧甲基化。IR图谱和碳谱图均显示硫酸化基团改变了香菇多糖的分子结构；碳谱图中充分说明了C2和C4的羟基被羧甲基修饰，而C6因位阻效应未被羧甲基化，但改变了分子构型。分子结构的改变和新引入的基团必定会引起香菇多糖活性的变化[57]。Wang Xiaohua等研究表明，单股链的香菇多糖抗肿瘤性基本消失，但引入磺酸基可以使其部分恢复抗肿瘤活性。这可能是由于带电的磺酸基可通过静电作用增加香菇多糖和免疫细胞受体之间的结合以激活免疫应答，提高抗肿瘤活性[56]。这些研究表明，多糖的化学修饰可能是提高多糖生物活性的有效途径。

将香菇多糖三螺旋化也能增强其活性。Jia Xuewei等将三螺旋的香菇多糖利用二甲基亚砜或NaOH解旋成单链状态，在加入Se纳米粒子之后使香菇多糖复性为三螺旋状态并包裹Se纳米粒子，生成的Se/s-LNT能够对HeLa肿瘤细胞的增殖产生抑制作用，纳米硒的颗粒越小抗肿瘤效果越好，未经Se修饰的三螺旋香菇多糖体外抗HeLa肿瘤细胞的能力则较弱，Se/s-LNT在HeLa肿瘤细胞中可促进产生ROS，使得肿瘤细胞凋亡，这也可能是Se/s-LNT只发挥Se的抗肿瘤效果所致[19]。

3 结 语

香菇多糖的4 种主要生物活性都会受到其重复单元、三螺旋结构和化学修饰的影响。目前，为提高香菇多糖的作用功效，主要从工艺提取和化学修饰两方面进行研究。其中，特定的化学修饰会出现抗肿瘤作用减弱、抗病毒作用增强的现象，故并不能增强所有的功效性。香菇多糖的分子质量对功效的影响并没有非常确切的理论。香菇多糖内所含的金属离子对其抗氧化和抗肿瘤活性有一定抑制作用，不过这方面并未有大量文献进行报道。另外，香菇多糖的单糖组成、螯合金属离子的结构和所含金属离子也为香菇多糖或其他多糖的构效关系研究提供了思路。随着现代社会的发展和人们认知的提升，人们已经将关注点从化学合成药物、保健品、食品添加剂和化妆品原料转移到了植物和真菌内含物等天然产物的开发。在医药领域，治疗癌症方面的研究一直困扰着国内外的医学研究人员。食品和化妆品中的添加剂对人体带来的一些副作用越来越受到人们的关注，促使研究人员急需找到无害的替代品。就此而言，香菇多糖拥有优秀的生物活性，在药品和食品行业中有很好的应用前景。目前，香菇多糖还是从香菇中提取，未进行大量工业化合成，为保证低成本、高提取率、节能、省时，已将超声提取法、微波提取法和酶提取法等多种方法结合使用。香菇多糖三螺旋结构与其活性之间的关系，尤其是在抗肿瘤活性方面已经进行了大量的研究。但是结构的不确定性、多糖功效水平参差不齐，使得香菇多糖功效的衡量标准很难界定。在结构方面，由于多糖本身的复杂性，仍需要大量的研究工作进行补充。