紅藻多糖的生物活性及應用研究進展

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(1.中國水產科學研究院南海水產研究所,國家水產品加工技術研發中心,農業部水產品加工重點實驗室,廣東廣州 510300; 2.上海海洋大學食品學院,上海 201306)

多糖廣泛存在于各種生物體內,是一種結構十分復雜的天然高分子碳水化合物,其除了起到支架作用外,還存在著極其廣泛的生物活性。中國海域面積遼闊,紅藻資源優質且豐富,據統計,中國沿海已有記錄的海藻物種多達1277種,其中紅藻門就有607種[1],由于生活環境高壓高鹽、低溫缺氧,紅藻多糖的合成過程與陸生動植物多糖存在著許多差異,也更易于形成具有特殊結構和生物活性的物質[2-3]。近年來,隨著 “海洋強國”戰略的提出,我國對海洋生物的研究和開發也越加深入,從紅藻中提取活性多糖具有極大的資源優勢和重要的研究價值,因此對紅藻多糖的研究也成為熱點。本文就近年來國內外有關紅藻多糖的生物活性研究及應用進展進行綜述,以期為進一步開發利用紅藻多糖提供參考。

1 紅藻多糖的主要成分

作為海洋生物資源的一大重要組成部分,海藻的種類繁多,主要可分為紅藻、褐藻、綠藻和藍藻四大類。近年來,有關海藻中生物活性多糖的研究成為熱點,國內外科學家已從多種海藻中提取分離得到瓊膠、卡拉膠、褐藻糖膠、紫菜多糖等多種生物活性廣泛的多糖。

紅藻多糖是紅藻中含量最多的生物活性組分,主要包括紅藻細胞壁內的半乳聚糖、細胞質內的葡聚糖(即紅藻淀粉)、組成細胞壁的甘露聚糖和木聚糖等等,且以半乳聚糖含量最高、研究最廣[4]。根據結構不同,紅藻中的半乳聚糖可分為瓊膠、卡拉膠以及同時具有前二者特性的半乳聚糖。

瓊膠主要提取自江蘺科(Gracilariaceae)、石花菜科(Gelidiaceae)及雞毛菜(Pterocladiaceae)等紅藻,在紅藻中起到類似于陸生植物所含半纖維素的生物學功能[5]。瓊膠又可分為瓊膠糖和瓊膠酯。其中,瓊脂糖指的是以1，3連接的β-D-Gal和1,4連接的3,6-內醚-α-Gal重復交替連接形成的長鏈中性多糖。瓊膠酯也稱硫瓊脂,是帶有硫酸基的酸性多糖,占瓊脂總含量的20%～40%[6],通常作為瓊膠糖生產的副產物而被棄用,但近年來有研究表明,瓊膠酯不僅可以提高生命機體的免疫能力,還具有十分優異的抗氧化、抗腫瘤等生物活性[7]。

卡拉膠又稱角叉菜膠,是一種D-Gal的硫化線性多糖,通常提取自角叉菜屬、麒麟菜屬、沙菜屬等紅藻中,根據其硫酸基團含量及位置的不同可分為κ、λ等7種類型,其中以κ-卡拉膠應用最為廣泛,因其流變特性及凝膠性能優異,在食品、藥品等行業都得到廣泛應用[5]。

除瓊膠和卡拉膠外,紅藻多糖還包括一類含量較低的紅藻淀粉,其主鏈為1,3-β-D-Glc,含有少量1,6-Glc分支。紅藻淀粉與高等植物所含淀粉在物理、化學性質方面并無明顯差異,但具有較好的耐熱性能,不易膠化[4]。

2 紅藻多糖的生物活性

對于多糖生物活性的研究始于20世紀50年代末,當時科學家通過研究發現真菌多糖具有抗癌的功效,自此開始了對動植物多糖生物活性的廣泛探討與研究。紅藻多糖多為富硫酸基多糖,具有廣泛的生物活性,其功能主要取決于其分子量大小、硫酸基含量、單糖組成及排序等因素,在抗炎、抗氧化、抗病毒、抗腫瘤、降脂、降血糖等多方面表現出良好的生物活性,極具開發前景[8]。本文重點就紅藻多糖的抗病毒、抗炎、抗凝血、調節脂質代謝以及降血糖生物活性進行綜述。

2.1 紅藻多糖的抗病毒活性

病毒是一種個體微小、結構簡單、必須在活體細胞內寄生、以復制形式增殖的非細胞生物。病毒如艾滋病毒(human immunodeficiency virus,HIV)、狂犬病毒等感染一直是威脅人類健康的世界性問題,目前市面上銷售的抗病毒藥物大多存在一定的副作用,因而開發天然、無毒副作用的抗病毒藥物具有重要意義。紅藻多糖的抗病毒作用最早報道于1958年,由Gerber等[9]研究發現,石花菜(Gelidiumcartilagenium)中提取的多糖具備抗流行性腮腺炎病毒和抗流感B病毒的活性,此后科學家們通過不斷的研究,又逐漸發現紅藻多糖對包括HIV、單純皰疹病毒(herpes simplex virus,HSV)等在內的多種病毒都具有良好抗性,通常認為其抗病毒活性與其含有的硫酸化多糖有關。大量研究表明,紅藻多糖不僅成分天然、使用安全,而且在抗病毒的同時還能起到抗炎作用,增強機體免疫,阻止病毒侵入細胞組織,極具研究開發價值。Mendes等[10]研究證實了海蘿(Cryptonemiaseminervis)中的硫酸化半乳聚糖及其降解產物具有抗人類偏肺病毒(human metapneumovirus,HMPV)的活性,其作用機制主要是在病毒感染周期的早期階段,通過與病毒粒子結合來抑制HMPV對細胞受體的識別和對宿主細胞的侵入;另有研究發現麒麟菜硫酸多糖具有顯著的抗HSV-1型皰疹病毒和柯薩奇B3病毒(Coxsackie virus B3,CVB3)作用,且麒麟菜多糖(ESPA和ESPA2)不僅可以直接殺滅病毒,還可進入細胞或吸附在細胞表面發揮抑制病毒的作用,抗病毒活性均優于阿昔洛韋(acyclovir,ACV)[11];Zhang等[12]對包括紅藻門的小石花菜、龍須菜和蜈蚣藻在內的七種南海藻類多糖抗病毒活性進行了研究,結果發現這些多糖均具有良好的抗HSV-1型皰疹病毒和CVB3病毒作用,且蜈蚣藻多糖能夠明顯抑制HSV-1型皰疹病毒,IC50約3.90 μg/mL,SI高達296.4,小石花菜多糖對CVB3病毒具有顯著的抑制作用,IC50為7.81 μg/mL,SI為212.0,此外,通過理化實驗結果發現上述紅藻多糖均為硫酸酯多糖,其抗病毒效果與硫酸基含量密切相關。病毒侵入人體要經歷吸附、侵入、合成、裝配,釋放這幾個階段,由上述研究結果可發現,紅藻多糖的抗病毒作用機理主要在于其對于病毒生存周期的不同階段進行干擾,通過抑制病毒在動物體內的不同感染階段來清除病毒粒子。

2.2 紅藻多糖的抗炎活性

炎癥是機體免疫系統對有害刺激的非特異保護反應,通常情況下炎癥是有益的,是人體的自我修復和保護措施,但長期發炎會引起一系列的健康危害,因此研究天然產物的抗炎作用十分有必要。Levy-Oshrat等[13]研究了紅藻多糖在冠狀動脈內皮細胞中的抗炎作用,發現紅藻多糖可明顯抑制腫瘤壞死因子(tumour necrosises factor-α,TNF-α)刺激的冠狀動脈內皮細胞中核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)的活化,并降低炎癥因子細胞間黏附蛋白-1(intercellular cell adhesion molecule-1,ICAM-1)及血管細胞黏附分子-1(vascular cell adhesion molecule-1,VCAM-1)的生成,與此同時,紅藻多糖可增加NO的生成和抑制內皮素-1(endothelin-1,ET-1)的產生,使得內皮功能也得到明顯改善;Nicolau等[14]對江蘺(Gracilariacaudata)中所提取的硫酸多糖的抗炎和鎮痛作用進行了評估,采用角叉菜膠、右旋糖酐、緩激肽和組胺誘導瑞士系小鼠建立足腫脹和腹膜炎模型,并測定小鼠腹膜液和足爪局部炎癥組織中髓過氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)活性以及TNF-α和白細胞介素1(interleukin-1,IL-1β)水平,以此來研究江蘺多糖的抗炎活性,測定結果顯示,江蘺硫酸多糖能顯著且劑量依賴性地抑制角叉菜膠誘導的足腫脹和腹膜炎,10 mg/kg的江蘺硫酸多糖對右旋糖酐、組胺引起的足腫脹同樣具有抑制作用,但對緩激肽所致的足腫脹沒有影響,最終結論表明,江蘺硫酸多糖可通過減少中性粒細胞遷移以及降低細胞因子濃度來降低小鼠的炎癥反應和痛覺過敏;Araújo等[15]研究了紅藻(Solieriafiliformis)硫酸酯多糖對福爾馬林誘導的大鼠顳下頜關節炎性痛覺過敏的影響,結果表明該紅藻硫酸酯多糖可顯著抑制TNF-α和IL-1β的釋放,與此同時還可顯著提高大鼠炎癥組織中β-內啡肽的含量,實現對大鼠的鎮痛和消炎效應,其機制為激活炎癥組織范圍內的阿片受體,抑制關節周圍組織炎癥介質的釋放。由上述研究結果可以看出,紅藻多糖的抗炎生物活性很可能與其硫酸化多糖有關,目前關于紅藻多糖中硫酸基團與炎癥之間的關系還尚未有明確定論,但是市面上常見抗炎藥物如阿司匹林等,其起到抗炎作用的重要基團就是羧酸基團,由此可作猜想,紅藻多糖的抗炎作用機制可能是其在體內降解產生的酸性多糖片段與炎癥相關受體結合,從而部分抑制或阻斷炎癥因子的表達。

2.3 紅藻多糖的抗凝血活性

藻類硫酸多糖具有類似肝素的結構,因而具有抗凝血活性。其抗凝血機制也與肝素類似,主要是提高抗凝血酶Ⅲ的活性,抑制血液凝固過程中必需的絲氨酸蛋白酶、凝血酶及活化因子的活性[16]。相較肝素而言,藻類多糖具有天然、安全、無副作用的優勢,因而成為新型抗凝血劑的研究材料廣受關注。Pushpamali等[17]利用紅藻門的鏈狀節莢藻(Lomentariacatenata)本身存在的非選擇性微生物發酵經冷凍干燥的藻體,從中獲取具有抗凝活性的紅藻多糖,通過活化部分凝血活酶時間(activated partial thromboplastin time,APTT)、凝血酶原時間(prothrombin time,PT)和凝血酶時間(thrombin time,TT)測定所得多糖的抗凝活性,并與肝素進行了比較,結果表明,該抗凝多糖可顯著延長APTT和PT,且效果優于肝素;Lee等[18]對8種紅藻中的共22種熱水提取物的抗凝血活性進行了研究,結果表明這些提取物均可有效延長APTT,其中從紅藻L.catenata和S.dubyi中提出的粗多糖的抗凝血活性最高;施松善等[19]發現,以尾靜脈注射和口服兩種方式給昆明種小鼠攝入長葉蜈蚣藻(Grateloupialongifolia)多糖,均可延長APTT、PT和TT,其作用效果弱于肝素的抗凝血效果,但作用時間長于后者,具有效果適中、時效延長的抗凝血作用。

2.4 紅藻多糖調節脂質代謝活性

近年來隨著人們生活水平的提高,高血脂、肥胖以及由此引起的相關疾病患病率呈迅速增加態勢,且發病人群趨于年輕化,已逐漸成為世界各國人民健康的一大威脅[20-21]。據國家衛生和計劃生育委員會在其官網發布的《中國居民營養與慢性病狀況報告(2015年)》顯示,我國18歲及以上成人超重率高達30.1%,肥胖率高達11.9%,全國6～17歲青少年超重率、肥胖率分別高達9.6%、6.4%[22]。由此可見研究天然無毒、療效穩定且可長期應用的脂質代謝調控產品具有十分巨大的市場需求。多項研究表明,紅藻多糖可促進腸道蠕動、減少脂肪吸收、改善脂質代謝,近期已有學者對相關研究進行詳細綜述[21,23-24]。Jin等[25]以條斑紫菜為實驗原料,對條斑紫菜中所提紫菜多糖的降血脂生物活性進行了研究,在對ICR小鼠給藥28 d后,發現小鼠體內的甘油三酯(triglyceride,TG)、總膽固醇(total cholesterol,TC)及低密度脂蛋白膽固醇(low density lipoprotein cholesterol,LDL-C)/高密度脂蛋白膽固醇(high density lipoproteincholesterol,HDL-C)值明顯降低,同時對于高脂飲食引起的肝損傷具有一定的減輕作用,可促進小鼠肝損傷修復;Wang等[26]研究了壇紫菜多糖作為膳食補充劑在小鼠體內的降血脂和抗氧化作用,結果同樣表明,壇紫菜多糖對于急性高脂血癥小鼠的肝臟具有一定的保護作用,其機制可能是通過抗氧化作用改善了肝臟的脂質調節功能,提高了肝臟中抗氧化酶水平;作為生產瓊脂的主要原料,石花菜的降脂功能也不容小覷,其所含的水溶性膳食纖維可有效降低糖尿病大鼠的血漿、肝臟中總膽固醇和甘油三酯含量[27-28],其作用機制可能為激活脂肪分解作用,增加糞便中膽固醇和甘油三酯的排出量。由上述研究結果可知,紅藻多糖對于脂質代謝的調節一方面體現在對于膽固醇合成的調控,主要表現為抑制膽固醇的合成;另一方面還可通過抗氧化作用降低體內脂質的過氧化水平,促進膽固醇的排出。綜上,紅藻多糖具有良好的改善脂質代謝功效,因而在預防高血脂癥及肥胖癥等由脂質代謝紊亂引起的疾病方面具有很大的潛力。

2.5 紅藻多糖降血糖活性

糖尿病是最常見的慢性代謝性疾病之一,據國際糖尿病聯盟數據報道,2014年全球糖尿病患者數量為3.87億,而最新數據顯示,2017年全球糖尿病患病人數已增長至4.25億,其中我國患病人數最多,為1.14億[29]。糖尿病不僅嚴重危害人類身體健康,而且長期治療而產生的巨額費用也給患者帶來生活上的負擔。開發天然降糖藥物,一方面藥物安全性得到保障,另一方面也可降低糖尿病治療成本,其重要性顯而易見[30-32]。多數紅藻中都含有較高可溶性膳食纖維,如卡拉膠、瓊脂等,可延緩胃排空,有效降低葡萄糖吸收[33]。Liao等[34]對龍須菜多糖及其降解產物的降血糖功效進行了研究,結果顯示龍須菜多糖(分子量121.89 kDa)及其降解片段(分子量57.02和14.29 kDa)均可使四氧嘧啶致糖尿病小鼠的血糖水平明顯降低,此外小鼠肝臟谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性及總抗氧化能力((total antioxidant capacity,T-AOC)均得到明顯提高;龍須菜多糖(分子量21.2 kDa)對鏈脲佐菌素誘導的糖尿病小鼠同樣具有顯著的降糖功效,且其在調節胰島素水平、血脂參數和血尿素氮水平方面的效果優于二甲雙胍[35];Kitano等[36]以條斑紫菜為原料,研究了紫菜多糖對KK-Ay 2型糖尿病小鼠糖代謝的影響,結果顯示,與對照組相比,飼喂紫菜多糖的小鼠血漿胰島素水平及胰島素抵抗指數(homeostasis model assessment-insulin resistance index,HOMA-IR)均明顯下降,而血漿脂聯素水平明顯升高,說明紫菜多糖可能是通過上調血漿脂聯素水平改善糖代謝的;Chakraborty等[37]研究了卡帕藻(Kappaphycusalvarezii)和江蘺(Gracilariaopuntia)中提取的硫酸多糖的抗炎及抗糖尿病活性,結果表明所提紅藻硫酸多糖具有預防和治療2型糖尿病的生物活性,酶活性測定結果顯示,這兩種紅藻多糖對α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶和二肽基肽酶-4(DPP-4)的活性均有抑制作用;Yang等[27]通過研究發現石花菜(Gelidiumamansii)多糖同樣具有調節糖脂代謝的效用,其降血糖活性可能與其高水溶性纖維含量有關。綜上所述,紅藻多糖在糖尿病的預防和治療方面的有益作用已從動物實驗結果中得到證實,其作用機制可以總結為對參與糖代謝的酶的活力進行調節以及對糖代謝相關激素水平的調控。然而對于其防治糖尿病的有效性和安全性尚無可靠的臨床數據,仍需進行深入和系統的研究。

2.6 紅藻多糖的其他生物活性

除上述活性,文獻報道藻類多糖還具有抗氧化、抗輻射、抗腫瘤等多種生物活性。新的研究表明,包括麒麟菜在內的多種藻類的硫酸化多糖可有效預防腎結石,其作用機制為抑制草酸鈣的成核、生長和聚集,防止腎小管細胞受損,從而防止晶體的附著和內化[38];聶磊等[39]對深圳海濱潮間帶常見的藻類多糖活性進行了研究,結果表明,與褐藻和綠藻相比,紅藻胞外多糖不僅含量高,且自由基清除能力和總抗氧化能力同樣高出其他藻類,其中以蜈蚣藻和江蘺胞外多糖抗氧化能力最為突出;此外,紅藻中的硫酸多糖還具有一定的止瀉作用,對急性和分泌性腹瀉有著顯著的療效,可作為治療腹瀉的天然替代藥物應用[40]。紅藻多糖種類繁多且具有多種生物活性功能,廣泛參與細胞分化、胚胎發育等各種生命活動,已成為現代醫學領域、食品營養學領域共同關注的熱點,具有很大的發展潛力。

3 紅藻多糖的應用

紅藻多糖是自然界中含量最豐富的生物大分子之一,由于其生物相容性、生物降解性、高含水性和優良的膜特性,可作為分散劑、涂料、穩定劑、包裝和增稠劑廣泛用于食品行業。由于紅藻多糖存在廣泛的藥理作用,尤其在降血脂、降血壓、抗氧化等方面效果明顯,因而也在醫療保健領域得到越來越多的關注,近年來,添加有紅藻多糖成分的醫療保健品的不斷問世正驗證了這一點。除了用于食品和醫療保健外,紅藻多糖還可擴大其應用領域,作為良好的潤滑、保濕劑應用于石油、化妝品行業,以及作為綠色安全的飼料添加劑應用于動物養殖業等。本文將重點論述紅藻多糖在食品、醫藥以及化妝品領域中的應用。

3.1 食品領域的應用

紅藻多糖在食品工業中的應用主要基于其凝膠性、乳化性和穩定性,可作為食品添加劑廣泛應用于糖果、果凍、冰淇淋、乳制品等食品中,以改善及穩定產品的質構。此外,紅藻多糖還可作為涂膜或可食性薄膜用于食品包裝,具有很好的應用價值和開發潛力。

在肉糜制品加工過程中加入適量κ-卡拉膠能夠明顯提高肉糜制品的品質,改善產品的凝膠性能[41-42];Ramu等[43]利用半精制卡拉膠和石莼聚糖生產新型食用膜,結果表明海藻多糖與甘油結合制成的復合薄膜能顯著改善膜的理化和力學性能,甘油作為增塑劑顯著升高了薄膜的斷裂伸長率,這為開發食品包裝可食性薄膜提供了新的思路;此外,卡拉膠還可用于啤酒釀造工業,有多項研究表明卡拉膠可改善麥汁質量,加快麥汁過濾速度,是一種理想的天然啤酒澄清劑[44-45]。紅藻中提取出的瓊脂具有與卡拉膠相似的性能,在糖果、果凍等食品生產中廣泛應用,依靠瓊脂的凝膠性能所制成的軟糖、果凍等產品具有透明、彈性好、貨架期長的特點,廣受消費者喜愛[46]。

3.2 醫藥領域的應用

紅藻多糖具有廣泛的生物活性,在藥物制劑方面具有巨大的開發潛力。在國內市面上售有名為“感愈樂”的紅藻多糖提取物鼻噴劑,該藥物安全性高、療效確切、無副作用,孕婦和兒童均可放心使用;由紅藻中提取的卡拉膠制成的陰道殺菌劑,可有效阻止人乳頭狀瘤病毒(human papillomavirus,HPV)引發的性病的傳播,還可在無保護性行為中防止性病傳播[47-48];紅藻中的硫酸多糖在藥物輸送系統設計中也發揮著重要的作用,由卡拉膠制成的軟膠囊囊皮在耐高濕、耐高溫性能方面甚至優于傳統動物明膠膠囊[49],在體內還可激活巨噬細胞,發揮免疫調節作用[50]。

近十年來,雖然關于紅藻多糖生物活性的報告層出不窮,但臨床試驗研究較少,極大限制了紅藻多糖在醫學領域的應用,未來應加強對紅藻多糖藥物研究的重視,深入研究紅藻多糖生物活性的作用機理,以求研發出更多天然藥物造福人類。

3.3 化妝品領域的應用

紅藻多糖所具有的保濕、抗氧化作用使其在化妝品領域也占有一席之地,通常會作為增稠劑、水結合劑及抗氧化劑加入到化妝品中。楊亞云[51]以條斑紫菜、壇紫菜、銅藻和滸苔為研究對象,對其含有的多糖在化妝品中的應用進行了研究,結果表明,這些藻類多糖都具有一定的紫外線防護效果,且以上述四種藻類多糖為功能原料復配制成的護膚霜具有良好的護膚效果;紫菜中的多糖、多肽類物質對皮膚和毛發有很強的親和力,能對頭發起到保濕、柔順的作用,并可有效減少靜電對頭發產生的損傷[52];由于紅藻多糖具有良好的抗氧化性能,在化妝品配方中添加紅藻多糖可起到促進膠原蛋白生成、防止皮膚老化的作用[53];此外,紅藻多糖還具有良好的抑菌生物活性,使得配方中含有紅藻多糖成分的化妝品具有了一定的抗菌消炎功效。我國紅藻資源豐富,以質優價廉的紅藻多糖為物質基礎生產護膚、護發、化妝產品,具有極大的市場價值和應用價值。

4 展望

近年來,紅藻多糖因其種類繁多、資源豐富、生物活性廣泛受到國內外科學家的高度關注,并針對其提取、分離純化、生物活性等方面開展了大量的研究。以紅藻多糖為物質基礎,利用新技術新工藝生產大批量具有重要價值的醫藥用品、食品、化妝品,已成為學術界和產業界共同的奮斗目標。雖然關于紅藻多糖的研究已取得很大進展,但仍然存在一些亟待解決的問題:紅藻多糖的提取方法雖然漸趨多樣化,但多數方法仍僅停留于實驗室階段,工業化生產的可能性不大;對紅藻多糖的結構研究主要集中在單糖組成、分子量等,但對其高級結構的報道仍為罕見;關于紅藻多糖生物活性的研究雖多,但缺乏深入的藥理研究及臨床研究報道。總之,要實現紅藻多糖的進一步開發和應用,就必須先解決目前面臨的這些問題和挑戰。隨著現代分析技術、生物技術和酶工程的快速發展,相信在不久的將來,藻類多糖的快速高效提取、高級結構的解析以及生物活性作用機理都將不是難題,相信未來可以制造出工業規模的紅藻多糖產品。