CN117777317B - 一种芋多糖及其制备方法和应用 - Google Patents

一种芋多糖及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种芋多糖及其制备方法和应用,涉及芋多糖提取技术领域,所述芋多糖是由D‑葡萄糖、D‑半乳糖、D‑甘露糖、L‑阿拉伯糖、D‑木糖和L‑岩藻糖组成的聚合物;D‑葡萄糖、D‑半乳糖、D‑甘露糖、L‑阿拉伯糖、D‑木糖和L‑岩藻糖的摩尔比为60.49:25.92:5.13:4.04:0.64:0.28;分子量为4556.272 kDa。本发明中的芋多糖能够显著增强巨噬细胞的增殖活性,使巨噬细胞分泌NO和细胞因子,表明本发明中的芋多糖具有提高免疫力的作用。

Description

一种芋多糖及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及芋多糖提取技术领域,具体涉及一种芋多糖及其制备方法和应用。
背景技术
芋(Colocasia esculenta(L.)Schott)是天南星科植物,在热带亚热带地区广泛栽培。芋在我国有悠久的栽培历史,品种类型丰富,按照芽的颜色可分为红芽芋、白荷芋和紫荷芋,红芽芋属于多子芋中红芽白肉的类型,母芋近圆形,子芋肥大,多而群生。芋具有很高的营养价值,且种植方式简单,能够进行大规模种植。特别是芋地下球茎的营养和药用价值最高,芋地下球茎富含淀粉、蛋白质、多糖、维生素和膳食纤维,其中多糖含量较为丰富。
目前对于红芽芋中多糖成分的研究主要集中在降血糖以及抗氧化方面,对于红芽芋多糖的结构以及其他生物活性研究较少。为了拓展红芽芋的市场应用价值,需要对红芽芋多糖的结构以及其他生物活性进一步研究。
发明内容
为了解决现有技术中红芽芋多糖的研究功能单一,且多糖结构不明确的问题,本发明提供了一种芋多糖及其制备方法和应用。
本发明采用热水提取的方法,从江西地方品种铅山红芽芋块茎中提取纯化得到一种芋多糖CEP1,借助甲基化分析,红外扫描,核磁扫描对其结构进行了研究,证明其为一种多糖,通过芋多糖对小鼠单核巨噬细胞白血病细胞RAW264.7干预实验,证明了芋多糖能够显著增强巨噬细胞的吞噬活性和激活巨噬细胞的作用,说明本发明中的芋多糖具有显著的免疫增强的作用。
为实现上述目的,本发明的具体技术方案如下。
本发明第一方面提供了一种芋多糖,所述芋多糖是由D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖、D-木糖和L-岩藻糖组成的聚合物;D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖、D-木糖和L-岩藻糖的摩尔比为60.49:25.92:5.13:4.04:0.64:0.28;分子量为4556.272 kDa;
所述芋多糖具有葡萄半乳聚糖主链结构,其重复单元的结构中主链由4个1,4-连接的D-葡萄糖串联后与1,4,6-连接的D-半乳糖的-4键连接,其中1,4,6-连接的D-半乳糖的-1键再与1,3-连接的D-半乳糖的-3键连接,最后,1,3-连接的D-半乳糖的-1键与1,4-连接的D-葡萄糖的-4键连接形成,支链端基D-葡萄糖通过1,4,6-连接的D-半乳糖的-6连接在主链上。
所述D-葡萄糖包括端基D-葡萄糖、1,4-连接的D-葡萄糖、1,6-连接的D-葡萄糖和1,3,4-连接的D-葡萄糖;所述D-半乳糖包括端基D-半乳糖、1,3-连接的D-半乳糖和1,4,6-连接的D-半乳糖;所述D-甘露糖包括6-连接的D-甘露糖和1,2,3,6-连接的D-甘露糖;所述L-阿拉伯糖包括端基L-阿拉伯糖;所述D-木糖包括端基D-木糖;所述L-岩藻糖包括端基L-岩藻糖。
所述芋多糖的主链结构和支链结构如下所示:
本发明第二方面提供了一种芋多糖的提取方法,所述芋多糖为本发明第一方面提供的芋多糖,包括以下步骤:
将芋粉末除淀粉后进行水提,取上清液添加醇溶剂进行醇沉后,取沉淀进行酶解反应以去除蛋白,再经过有机溶剂脱脂处理,收集水相,在水相中添加吸附剂除杂后,上大孔树脂,得到粗提物。
将粗提物纯化,得到所述芋多糖。
在一个优选的实施例中,所述酶解反应采用木瓜蛋白酶;所述木瓜蛋白酶的用量为10~12×104U/g。
所述大孔树脂选自D101。
在一个优选的实施例中,所述有机溶剂为石油醚和三氯甲烷/正丁醇的混合溶液;石油醚和三氯甲烷/正丁醇的混合溶液的体积比为1:1。
石油醚能够除去极性低的物质,三氯甲烷/正丁醇的混合溶液可以将游离蛋白变性成不溶性物质,经离心分离可去除。
三氯甲烷/正丁醇溶液中,三氯甲烷和正丁醇的体积比为4:1。
在一个优选的实施例中,所述吸附剂为活性炭,所述活性炭的添加量为水相质量的1.25%~2%。活性炭能够进一步去除其它杂质,如色素等,提高多糖的纯度和活性。
在一个优选的实施例中,所述纯化具体过程如下:
将粗提物上离子交换柱,用水洗脱,收集洗脱液,醇沉,得到芋多糖。
本发明在研究过程中发现,采用水和0.1~0.3 mol/L的NaCl进行洗脱时,用水洗脱出来的馏分多糖含量多,且峰尖锐、峰面积大,采用0.1~0.3 mol/L的NaCl洗脱出来的馏分,出峰面积小,且杂峰较多,因此选用水进行洗脱。
在一个优选的实施例中,所述醇沉采用无水乙醇进行醇沉,直至无水乙醇浓度降至40%~50%停止。
在一个优选的实施例中,所述水提的温度为70~80℃,时间为3~4h。
本发明第三方面提供了一种芋多糖在制备免疫增强剂的添加剂中的应用,可以作为白血病细胞免疫增强剂的添加剂。所述芋多糖为本发明第一方面提供的芋多糖。
在一个优选的实施例中,所述芋多糖的浓度为25~400 ug/mL。所述芋多糖在25~400 μg/mL,能够显著增强巨噬细胞的增殖活性,使巨噬细胞分泌NO和细胞因子,例如IL-6,TNF-α,INOS,TGF-β和IL-10。随着芋多糖浓度增加,细胞产生NO含量也逐渐升高。不同浓度的CEP1均能提高巨噬细胞产生NO并分泌细胞因子IL-6、TNFα、INOS、IL-10和TGF-β的能力。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
本发明提供了一种芋多糖,明确了芋多糖的组成和结构。其中,芋多糖由D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖、D-木糖和L-岩藻糖组成,D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖、D-木糖和L-岩藻糖的摩尔比为60.49:25.92:5.13:4.04:0.64:0.28;芋多糖的分子量为4556.272 kDa。本发明提取出的芋多糖能够显著增强巨噬细胞的增殖活性,在较低浓度25ug/mL下就能够表现出增强巨噬细胞增殖活性的效果,提高了巨噬细胞产生NO和分泌细胞因子的能力,表明本发明提取出的芋多糖具有提高免疫力的作用。这将为拓展红芽芋的市场应用价值奠定基础。
附图说明
图1为本发明实施例中芋多糖的红外谱图。
图2为本发明实施例中芋多糖的结构图。
图3为本发明实施例中芋多糖的1H-NMR波谱图。
图4为本发明实施例中芋多糖的13C-NMR波谱图。
图5为本发明实施例中芋多糖的COSY谱图。
图6为本发明实施例中芋多糖的HSQC谱图。
图7为本发明实施例中芋多糖的HMBC谱图。
图8为本发明实施例中芋多糖的NOESY谱图。
图9为本发明实施例中芋多糖对巨噬细胞RAW264.7吞噬活性的影响。
图10为本发明实施例中不同浓度的芋多糖对巨噬细胞分泌IL-6,TNF-α,INOS,TGF-β和IL-10的结果图。
图11为本发明实施例中不同浓度的芋多糖对巨噬细胞分泌NO的结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
下述各实施例中所述实验方法如无特殊说明,均为常规方法;所述试剂和材料,如无特殊说明,均可在市场上购买得到。
本发明实施例提供了一种芋多糖及其制备方法和应用,采用热水提取的方法,从江西地方品种铅山红芽芋块茎中提取纯化得到一种芋多糖CEP1,借助甲基化分析,红外扫描,核磁扫描对其结构进行了研究,证明其为一种多糖,进一步通过多糖对小鼠单核巨噬细胞白血病细胞RAW264.7干预实验,证明了其免疫功能。
下面对一种芋多糖及其制备方法和应用具体说明。
实施例1
一种芋多糖的提取方法,包括以下步骤:
S1、将芋头球茎烘干后用粉碎机粉碎,得到芋头粉,取300g芋头粉用ddH2O过夜浸泡后过100目筛,将残渣转移至新的烧杯,取过筛的液体离心10min,上清倒回装有残渣的烧杯。
S2、向粉末中装入ddH2O,70℃水浴提取3h后离心收集滤液,加入无水乙醇至多糖析出后离心收集固体,加入ddH2O和木瓜蛋白酶,其中木瓜蛋白酶的用量为10×104U/g,过夜酶解后加入4mL石油醚,充分混匀,离心收集水相;加入4mL,体积比为4:1的三氯甲烷/正丁醇的混合溶液,充分混匀,离心收集水相;加入水相的1.25%活性炭,充分混匀,过夜吸附,抽滤获得上清液;将上清液上大孔树脂D101过夜吸附,加入无水乙醇至多糖析出,得到粗多糖。
S3、将粗多糖溶液旋转浓缩至10mg/mL,离心后取上清液上离子交换柱;以流速为5.0 mL/min,用蒸馏水进行洗脱,每15mL收集一管洗脱液,共收集21管,每管吸取100uL溶液,加入1.4mL蒽酮试剂混匀,沸水浴10min后迅速冷却至室温,用以确定是否含有多糖,合并含有多糖的馏分,使用3000Da透析袋透析除盐,冷冻干燥,加入无水乙醇,直至乙醇终浓度达到40%,静置12h后得到的沉淀,经干燥得到芋多糖,其中芋多糖的纯度为48.1%。
实施例2
一种芋多糖的提取方法,包括以下步骤:
S1、将芋头球茎烘干后用粉碎机粉碎,得到芋头粉,取350g芋头粉用ddH2O过夜浸泡后过100目筛,将残渣转移至新的烧杯,取过筛的液体离心10min,上清倒回装有残渣的烧杯。
S2、向粉末中装入ddH2O,75℃水浴提取3.5h后离心收集滤液,加入无水乙醇至多糖析出后离心收集固体,加入ddH2O和木瓜蛋白酶,其中木瓜蛋白酶得用量为11×104U/g,过夜酶解后加入5mL石油醚,充分混匀,离心收集水相;加入5mL,体积比为4:1的三氯甲烷/正丁醇的混合溶液,充分混匀,离心收集水相;加入水相的1.5%活性炭,充分混匀,过夜吸附,抽滤获得上清液;将上清液上大孔树脂D101过夜吸附,加入无水乙醇至多糖析出,得到粗多糖。
S3、将粗多糖溶液旋转浓缩至10mg/mL,离心后取上清液上离子交换柱;以流速为5.0 mL/min,用蒸馏水进行洗脱,每15mL收集一管洗脱液,共收集21管,每管吸取100uL溶液,加入1.4mL蒽酮试剂混匀,沸水浴10min后迅速冷却至室温,用以确定是否含有多糖,使用3000Da透析袋透析除盐,冷冻干燥,加入无水乙醇,直至乙醇终浓度达到50%,静置12h后得到的沉淀,即为芋多糖,并测定多糖纯度为49.2%。
实施例3
一种芋多糖的提取方法,包括以下步骤:
S1、将芋头球茎烘干后用粉碎机粉碎,得到芋头粉,取400g芋头粉用ddH2O过夜浸泡后过100目筛,将残渣转移至新的烧杯,取过筛的液体离心10min,上清倒回装有残渣的烧杯。
S2、向粉末中加入ddH2O,80℃水浴提取4h后离心收集滤液,加入无水乙醇至多糖析出后离心收集固体,加入ddH2O和木瓜蛋白酶,其中木瓜蛋白酶的用量为12×104U/g,过夜酶解后加入4.5mL石油醚,充分混匀,离心收集水相;加入4.5mL,体积比为4:1的三氯甲烷/正丁醇的混合溶液,充分混匀,离心收集水相;加入水相质量2%的活性炭,充分混匀,过夜吸附,抽滤获得上清液;将上清液上大孔树脂D101过夜吸附,加入无水乙醇至多糖析出,得到粗多糖。
S3、将粗多糖溶液旋转浓缩至10mg/mL,离心后取上清液上离子交换柱;以流速为5.0 mL/min,用蒸馏水进行洗脱,每15mL收集一管洗脱液,共收集21管,每管吸取100uL溶液,加入1.4mL的蒽酮试剂混匀,沸水浴10min后迅速冷却至室温,用以确定是否含有多糖,使用3000Da透析袋透析除盐,冷冻干燥,加入无水乙醇,直至乙醇终浓度达到50%,静置12h后得到的沉淀,即为芋多糖,并测定多糖纯度47.8%。
上述实施例1~实施例3均制备得到了芋多糖,为了对芋多糖的结构以及免疫功能进行分析,我们选用实施例1中提取得到的芋多糖进行研究,具体方法如下。
1、化学结构鉴定
1)分子量测定
利用凝胶色谱、激光光散射和示差检测器连用测得样品的绝对分子量,测定实施例1中得到芋多糖CEP1平均分子量为4556.272 kDa。
2)CEP1组成分析
采用的是Thermo ICS5000离子色谱系统(ICS5000,Thermo Fisher Scientific,USA),利用电化学检测器对单糖组分进行分析检测,CEP1的单糖组成为D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖、D-木糖和L-岩藻糖。D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖、D-木糖和L-岩藻糖摩尔占比为60.49%、25.92%、5.13%、4.04%、0.64%和0.28%。
3)CEP1甲基化分析、红外扫描、NMR波谱检测及结构解析
甲基化分析:采用气质联用仪对CEP1进行定性,测定结果如表1,其中t开头指分支,单个数字指直链,两个数字指支链。
表1 CEP1键合结构
注:*相对摩尔比(%)=相对摩尔量/各组分相对摩尔量总和。
4)分子结构确定
红外扫描:对实施例1中提取得到的芋多糖进行红外扫描,结果如图1所示。
从图1可以看出,吸收带在3600~3200 cm-1是-OH的伸缩振动吸收峰,这个区域的吸收峰是糖类的特征峰。具体如下:3401.24cm-1是O-H的伸缩振动吸收峰,是糖类的特征峰。在2928.35cm-1处的吸收峰归属于C-H伸缩振动。在1633.02cm-1吸收峰,归属于C=O伸缩振动。在1078.64cm-1处有一个吸收峰,归属于C-O伸缩振动。在934.63cm-1处有一个吸收峰,归属于β-型糖苷键的特征信号。在846.85cm-1处有一个吸收峰,归属于α-型糖苷键的特征信号。
NMR波谱检测:利用布鲁克(德国)600MHz核磁共振波谱仪对CEP1进行一维氢谱(1H-NMR),结果如图3所示;一维碳谱(13C-NMR),结果如图4所示;氢-氢相关谱(COSY),结果如图5所示;碳-氢相关谱(HSQC),结果如图6所示;碳-氢相关谱(HMBC),结果如图7所示;氢-氢相关谱(NOESY),结果如图8所示。
从图3可以看出,芋多糖CEP1在1H-NMR中的信号集中于3~6 ppm。通常β-糖苷键构型的异头氢信号主要分布在δ4.4~5.0 ppm,α-糖苷键构型的异头氢信号主要分布在δ5.0~5.8 ppm。芋多糖氢谱信号主要集中在δ3.1~5.5ppm之间,在δ4.4~5.5ppm异头信号区共识别到6个偶合信号峰,表明芋多糖中至少含有6种糖残基,化学位移分别为δ5.29 ppm、δ5.24ppm、δ4.85 ppm、δ5.13 ppm、δ4.53 ppm和δ4.54 ppm。如图4所示,与1H-NMR相比芋多糖在13C-NMR中的化学位移信号分布较宽,异头碳信号主要集中于92~115ppm,共识别到6个偶合信号峰,化学位移分别为δ112.18 ppm、δ107.22 ppm、δ102.84 ppm、δ101.44 ppm、δ98.62ppm和δ94.87 ppm,结合1H-NMR、HSQC和13C-NMR谱,分别对各残基进行归属,从而确定了各残基的异头信号。
结合样品键合结构(甲基化)信息、异头信号以及文献综合报道,确定了残基A为→4)-α-D-Glcp(1→,残基B为β-D-Glcp(1→,残基C为→4,6)-β-D-Galp(1→,残基D为→3)-β-D-Galp(1→,残基E为α-D-Galp(1→,并对其1H和13C化学位移进行归属,结果见下表2。
表 2 各糖残基1H和13C的化学位移
结构解析:
综合一维核磁和二维核磁信息分析,推断出该多糖主要是由→4)-α-D-Glcp(1→、→4,6)- β-D-Galp(1→和→3)-β -D-Galp(1→形成主链,其中端糖β-D-Glcp(1→与糖残基C的6号位相连形成支链,α-D-Galp(1→等糖残基由于含量低未识别到相关的连接信号,推测CEP1主要结构可能为图2所示。
2、芋多糖CEP1的免疫功能分析
1)CEP1对巨噬细胞RAW264.7吞噬活性的影响
巨噬细胞的吞噬活性用Vybrant™吞噬试验试剂盒(V-6694)测定,结果如图9所示,从图9中可以看出,芋多糖CEP1干预能显著增强巨噬细胞的吞噬活性。
2)CEP1对巨噬细胞的激活作用
采用浓度分别为25ug/mL、100ug/mL、400ug/mL的CEP1作为试验组,脂多糖,即LPS(1μg/mL)处理的细胞为阳性对照,无多糖和LPS的DMEM培养基培养的细胞作为正常对照,通过ELISA检测CEP1对分泌IL-6、TNF-α、INOS、IL-10和TGF-β的影响,结果如图10所示。从图10可以看出,与空白组相比,不同浓度的CEP1均能提高巨噬细胞分泌IL-6、TNF-α、INOS、IL-10和TGF-β的能力,并且CEP1在浓度为25ug/mL时,就具有很好提高巨噬细胞分泌IL-6、TNF-α、INOS、IL-10和TGF-β的能力。
采用浓度分别为25ug/mL、100ug/mL、400ug/mL的CEP1作为试验组,LPS(1μg/mL)处理的细胞为阳性对照,无多糖和LPS的DMEM培养基培养的细胞作为正常对照,通过ELISA检测CEP1对巨噬细胞产生NO的影响,结果如图11所示。从图11可以看出,CEP1在浓度为25ug/mL时,就能够有效提高细胞产生NO含量,并且远高于空白组,随着CEP1浓度增加,细胞产生NO含量也逐渐升高,当CEP1浓度为400ug/mL时,其细胞产生NO含量略高于LPS的结果。
通过上述试验结果可以看出,本发明通过以芋球茎为原材料,依次采用热水提取、阴离子交换纯化,乙醇沉淀分离得到芋多糖。对分离提取得到的芋多糖进行分析,芋多糖的单糖组成为D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖、D-木糖和L-岩藻糖;D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖、D-木糖和L-岩藻糖的摩尔比为60.49:25.92:5.13:4.04:0.64:0.28。并且对分离提取得到的芋多糖进行了免疫功能试验,发现芋多糖具有增强小鼠巨噬细胞炎症因子的分泌,具有提高免疫的能力,芋多糖可显著增强巨噬细胞的增殖活性,使巨噬细胞产生更多的NO和分泌更多的细胞因子,例如IL-6, TNF-α,INOS,IL-10和TGF-β,可用于可制备提高免疫力的辅助食品、药品和保健品的添加剂。
以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种芋多糖,其特征在于,所述芋多糖是由D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖、D-木糖和L-岩藻糖组成的聚合物;D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖、D-木糖和L-岩藻糖的摩尔比为60.49:25.92:5.13:4.04:0.64:0.28;分子量为4556.272 kDa;
所述芋多糖具有葡萄半乳聚糖主链结构,其重复单元的结构中主链由4个1,4-连接的D-葡萄糖[→4)-α-D-Glcp(1→]串联后与1,4,6-连接的D-半乳糖[→4,6)-β-D-Galp(1→]的-4键连接,其中1,4,6-连接的D-半乳糖[→4,6)-β-D-Galp(1→]的-1键再与1,3-连接的D-半乳糖[→3)-β-D-Galp(1→]的-3键连接,最后,1,3-连接的D-半乳糖的-1键与1,4-连接的D-葡萄糖[→4)-α-D-Glcp(1→]的-4键连接形成,支链端基D-葡萄糖通过1,4,6-连接的D-半乳糖的-6连接在主链上;
所述D-葡萄糖包括端基D-葡萄糖、1,4-连接的D-葡萄糖、1,6-连接的D-葡萄糖和1,3,4-连接的D-葡萄糖;
所述D-半乳糖包括端基D-半乳糖、1,3-连接的D-半乳糖和1,4,6-连接的D-半乳糖;
所述D-甘露糖包括6-连接的D-甘露糖和1,2,3,6-连接的D-甘露糖;
所述L-阿拉伯糖包括端基L-阿拉伯糖;
所述D-木糖包括端基D-木糖;
所述L-岩藻糖包括包括端基L-岩藻糖。
2.一种权利要求1所述的芋多糖的提取方法,其特征在于,包括以下步骤:
将芋粉末除淀粉后进行水提,然后取上清液添加醇溶剂进行醇沉,之后取沉淀进行酶解反应以去除蛋白,再经过有机溶剂脱脂处理,收集水相,在水相中添加吸附剂除杂后,经大孔树脂处理,得到粗提物;
将粗提物纯化,得到所述芋多糖。
3.根据权利要求2所述的芋多糖的提取方法,其特征在于,所述酶解反应采用木瓜蛋白酶;所述木瓜蛋白酶的用量为10~12×104U/g;
所述大孔树脂选自D101。
4.根据权利要求2所述的芋多糖的提取方法,其特征在于,所述有机溶剂为石油醚和三氯甲烷/正丁醇溶液;
石油醚和三氯甲烷/正丁醇溶液的体积比为1:1;
三氯甲烷/正丁醇溶液中,三氯甲烷和正丁醇的体积比为4:1。
5.根据权利要求2所述的芋多糖的提取方法,其特征在于,所述吸附剂为活性炭,所述活性炭的添加量为水相质量的1.25%~2%。
6.根据权利要求2所述的芋多糖的提取方法,其特征在于,所述纯化具体过程如下:
将粗提物上离子交换柱,用水洗脱,收集洗脱液,醇沉,得到芋多糖。
7.根据权利要求6所述的芋多糖的提取方法,其特征在于,所述醇沉采用无水乙醇进行醇沉,直至乙醇终浓度达到40%~50%。
8.根据权利要求2所述的芋多糖的提取方法,其特征在于,所述水提的温度为70~80℃。
9.一种权利要求1所述的芋多糖在制备免疫增强剂的添加剂中的应用。
10.根据权利要求9所述的芋多糖在制备免疫增强剂的添加剂中的应用,其特征在于,所述芋多糖的浓度为25~400 ug/mL。
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