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第二章 铁皮石斛：葡甘露聚糖与它的乙酰基
植物与药材
铁皮石斛（Dendrobium officinale Kimura et Migo）是一种茎肉质、有节的兰科植物。干燥的茎常被扭成螺旋状出售，称为「枫斗」。《中国药典》把铁皮石斛单列为一个品种，与其他石斛分开，有自己的鉴别与含量测定方法 (国家药典委员会 2020)。
茎的干重中有很大一部分是一种水溶性多糖，符合药典最低标准的药材中占四分之一以上。这正是药典要测定、市场在谈论的分子，所以值得弄清它究竟是什么。
带乙酰基的葡甘露聚糖
多糖是由糖单元连成的长链。铁皮石斛多糖的主链由甘露糖和葡萄糖这两种六碳糖组成，以 β-(1→4) 键相连，这和纤维素中葡萄糖单元之间的连接方式相同。这样一条由甘露糖和葡萄糖组成的链称为葡甘露聚糖。魔芋（Amorphophallus konjac）球茎中的魔芋葡甘露聚糖就是一位熟悉的亲戚。
证据
Hua 等人鉴定了铁皮石斛茎中的一种多糖，为 2-O-乙酰葡甘露聚糖：主链由 (1→4) 连接的 β-D-吡喃甘露糖和 β-D-吡喃葡萄糖组成，部分糖单元的 O-2 位带乙酰基，并有少量短侧链；甘露糖、葡萄糖与阿拉伯糖的摩尔比为 40.2 : 8.4 : 1 (Hua et al. 2004)。后来的研究把这种多糖描述为以线性为主，乙酰基主要在甘露糖单元的 O-2 和 O-3 位；其中一份天然样品含乙酰基 6.84%（质量分数），重均分子量为 85.4 kDa；文献报道的分子量从约 8.5 到 399 kDa 不等 (Guo et al. 2022)。
有三个特征关系到品质。第一是甘露糖与葡萄糖之比，它用来鉴别药材，区别于其他葡甘露聚糖以及全由葡萄糖组成的淀粉。第二是乙酰基：连在糖单元上的小小的 CHCO– 基团，它们使多糖链不能紧密堆积，从而帮助多糖保持水溶性。第三是分子量，它影响黏度，许多实验室研究还认为它影响生物活性。三者都会随植物的年龄和生长条件而变化，也会随茎的干燥方式和多糖的提取方式而变化。
推导
由色谱峰面积计算甘露糖与葡萄糖之比，并由乙酰基质量分数计算每个糖单元上的乙酰基数。链中每个脱水己糖单元重 162 g/mol；一个乙酰基（CHCO，43 g/mol）取代一个氢原子，净增 42 g/mol。若乙酰基质量分数为 ，则取代度 。
# 1. Mannose and glucose after acid hydrolysis and PMP labelling (HPLC).
# Peak areas and response factors are invented for the example.
area = {"mannose": 41.6, "glucose": 9.1} # sample peak areas
resp = {"mannose": 1.00, "glucose": 1.07} # area per µg, from standards
ug = {s: area[s] / resp[s] for s in area}
print(f"peak-area ratio Man/Glc {area['mannose'] / area['glucose']:.2f} "
f"(window 2.4–8.0); mass ratio {ug['mannose'] / ug['glucose']:.2f}")
# 2. Published molar ratios differ widely between samples and methods:
for source, man, glc in (("Hua et al. 2004", 40.2, 8.4), ("Guo et al. 2022", 10.6, 1.0)):
print(f" {source}: Man/Glc = {man / glc:.1f}")
# 3. Degree of acetylation from the acetyl content by weight.
# Each hexose residue weighs 162 g/mol; an acetyl group adds 42 g/mol
# (CH3CO, 43, replacing one H, 1). w = mass fraction of acetyl (CH3CO).
def degree_of_substitution(w):
return 162 * w / (43 - 42 * w)
for w in (0.0684, 0.10):
print(f"acetyl {100 * w:.2f} % by weight → "
f"{degree_of_substitution(w):.2f} acetyl groups per sugar residue")
# peak-area ratio Man/Glc 4.57 (window 2.4–8.0); mass ratio 4.89
# Hua et al. 2004: Man/Glc = 4.8
# Guo et al. 2022: Man/Glc = 10.6
# acetyl 6.84 % by weight → 0.28 acetyl groups per sugar residue
# acetyl 10.00 % by weight → 0.42 acetyl groups per sugar residue两项已发表的比值相差一倍以上。这很常见：样品不同、提取纯化步骤不同、分析方法不同，数字就不同。实验室里研究的纯化组分，与整根茎中的粗多糖不是一回事。这也是药典规定自己的方法、并给出一个较宽的合格范围而不是单一目标值的原因之一。
药典的测定项目
《中国药典》铁皮石斛项下，对干燥药材规定了以下限度（另有其他检查项）(国家药典委员会 2020, 2021)：
| 项目 | 方法 | 限度 |
|---|---|---|
| 多糖（以无水葡萄糖计） | 苯酚–硫酸显色，488 nm 测吸光度 | 不得少于 25.0%（按干燥品计） |
| 甘露糖 | 水解、衍生化后高效液相色谱法 | 13.0%～38.0% |
| 甘露糖与葡萄糖峰面积比 | 同一色谱图 | 2.4～8.0 |
| 水分 | 通则 0832 | 不得过 12.0% |
| 醇溶性浸出物 | 热浸法 | 不得少于 6.5% |
多糖测定用的是杜布瓦（Dubois）等人 1956 年描述的反应 (Dubois et al. 1956)：浓硫酸使糖单元脱水生成呋喃衍生物，后者与苯酚反应生成橙黄色。用分光光度计测定颜色深浅，再借标准曲线换算成糖的量。
朗伯–比尔定律与标准曲线
这种换算以朗伯–比尔定律为基础。对一份有色溶液，吸光度 （入射光与透射光之比的对数）与有色物质的浓度 、摩尔吸光系数 和比色皿光程 成正比：
实际工作中 不是算出来的，而是测出来的：把已知量的对照品按同样的反应处理，拟合一条直线。药典方法用每 1 mL 含 90 µg 的无水葡萄糖对照品溶液，量取 0.2～1.0 mL，所以标准管中含葡萄糖 18～90 µg。
推导
用最小二乘法拟合标准曲线，再计算一份样品的多糖含量。吸光度和样品稀释方案都是为举例编造的；真正的操作步骤见药典正文，必须严格照做。
from statistics import mean
# Standard curve: anhydrous glucose, 90 µg/mL, 0.2 to 1.0 mL per tube,
# phenol–sulfuric acid colour, absorbance at 488 nm.
# The absorbance readings are invented for the example.
glucose_ug = [90 * v for v in (0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0)]
absorb = [0.142, 0.281, 0.425, 0.560, 0.706]
mx, my = mean(glucose_ug), mean(absorb)
sxy = sum((x - mx) * (y - my) for x, y in zip(glucose_ug, absorb))
sxx = sum((x - mx) ** 2 for x in glucose_ug)
syy = sum((y - my) ** 2 for y in absorb)
slope = sxy / sxx
intercept = my - slope * mx
r = sxy / (sxx * syy) ** 0.5
print(f"A = {intercept:.4f} + {slope:.5f} × (µg glucose), r = {r:.4f}")
# One sample (invented): 0.3000 g powder, extract made up to 100 mL,
# 5 mL of extract diluted to 100 mL, 1 mL of that taken for colour.
a_sample = 0.355
ug_in_tube = (a_sample - intercept) / slope
dilution = (100 / 1) * (100 / 5) # µg in tube → µg in whole extract
mg_total = ug_in_tube * dilution / 1000
moisture = 0.098 # 9.8 % water, from a separate test
pct_as_is = 100 * mg_total / 300.0
pct_dry = pct_as_is / (1 - moisture)
print(f"µg in tube {ug_in_tube:.1f}; polysaccharide as glucose: "
f"{pct_as_is:.1f} % as is, {pct_dry:.1f} % dry basis")
print("meets the 25.0 % minimum (dry basis):", pct_dry >= 25.0)
# A = 0.0007 + 0.00782 × (µg glucose), r = 0.9999
# µg in tube 45.3; polysaccharide as glucose: 30.2 % as is, 33.5 % dry basis
# meets the 25.0 % minimum (dry basis): True注
有三点常被忽略。第一，结果是「葡萄糖当量」：在苯酚–硫酸反应中，甘露糖每克产生的颜色与葡萄糖不同 (Dubois et al. 1956)，所以这个数字是用于比较的约定值，而不是多糖的真实质量。第二，蔗糖、葡萄糖等游离糖也会显色；药典方法在显色前要把多糖与小分子糖分开，省略或缩短这一步的实验室会报告虚高的结果。第三，限度按干燥品计算，所以必须在同一份样品上测定水分。
数字说明不了什么
一根通过全部药典检验的茎，按这一标准是品质合格的正品铁皮石斛，但这并不证明它对人体有任何健康作用。关于铁皮石斛多糖的大量实验室和动物研究——涉及免疫细胞、肠道菌群、血糖等——很有意思，但它们并不能证明吃石斛茎或喝提取物可以预防或治疗任何人类疾病，本书也不作此主张。
假说 · 尚未验证
尚未确立。 同一批采收的铁皮石斛茎用不同方法干燥后，冻干样品中多糖的重均分子量和乙酰化程度都高于 60 °C 及以上热风烘干的样品，因为有水存在时，热会同时促进链的断裂和乙酰基的脱落。如果分批对照比较（第八章介绍这种设计）显示两项指标都没有差异，或差异方向相反，假说就被推翻。
参考文献
Fan, Y. (2026). Molecules and Terroir: Polysaccharides of Dendrobium officinale, Gingerols of Zingiber officinale, A-Type Proanthocyanidins and the Mass Transfer of Freeze-Drying [本草的分子与风土] (Version 1.0.0). 5D Library. https://doi.org/10.5281/zenodo.23693057 · Licensed under Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0).