海藻多糖的提取、分離純化及其在食品工業的應用

楊 莉，陳文寧，鄭娟霞，月金玲，王琤

(江西科技師范大學生命科學學院，江西南昌 330013)

海藻(Algae)是海洋中藻類植物的總稱，其種類繁多，大約超過3萬種，主要分為藍藻、綠藻、紅藻和褐藻四種[1]。海藻內含有大量多糖、膳食纖維、蛋白質、微量元素和礦物質等營養物質，食用價值很高。其中多糖是海藻的主要組成物質，最高可占海藻干重的76%[2]。海藻多糖有著良好的生物活性，且具有來源廣泛、無殘留和無生物耐受性等優點[3]，已成為食品科學領域的研究熱點，尤其在綠色食品、功能食品和保健食品方面的應用受到廣泛關注[4-5]。為了更好的開發利用海藻多糖，本文對海藻多糖的提取純化以及在食品工業上的價值做一簡要概述，以期為海藻多糖的合理應用提供一些參考。

1 海藻多糖概況

1.1 結構

海藻多糖是一類多組分混合物，是由不同的單糖基通過糖苷鍵連接而成的高分子碳水化合物，其分子量大、化學結構復雜。根據其來源大致可分為四種：褐藻多糖、紅藻多糖、綠藻多糖和藍藻多糖，它的種類不同，結構相差較大[6]。不同海藻多糖及其主要成分如表1所示。

表1 不同海藻多糖及其主要成分Table 1 Main components of polysaccharides from different species of seaweed

大量研究發現多糖的活性與其化學結構密切相關，而多糖的結構、性質主要由組成多糖的單糖決定[7-8]。目前對海藻多糖的化學結構及生物活性的研究多集中于對某種多糖的活性及其糖單元的單一研究。如Byankina等[9]從紅藻Tichocarpus中分離純化獲得3種由半乳糖和葡萄糖構成，其分子組成摩爾比分別為25.7∶1.9、19.2∶23.0和 30.4∶4.9的多糖組分 HT、AE和AM，其分子量分別為376.0、468.0和5.8 kDa。

1.2 提取

研究發現，人體消化系統缺少分解海藻組織結構的酶，因此，當直接食用海藻時，人體所能攝取的營養物質和多糖極少。將海藻多糖提取利用，更利于人體吸收[10-11]。海藻多糖的提取方法多種多樣，目前，國內外常用的提取方法有溶劑萃取法、酶萃取法和輔助萃取法。近年來，出現了超濾法、合成萃取法、反復凍融法、高壓脈沖電場萃取法等新的提取方法[12]，但由于對技術要求較高，仍沒有得到廣泛使用。幾種海藻多糖常用提取方法的原理和特點如表2所示。

表2 海藻多糖提取的常見方法、原理及其優缺點Table 2 Common methods, principles, advantages and disadvantages of seaweed polysaccharide extraction

傳統水提法成本低、易操作，適用于大規模工業生產，但此法耗時長、得率低，將來可能會被取代；酸、堿提取法可得到酸、堿溶性等不同種類多糖，但由于其對多糖的結構和功能影響較大，常用于實驗室研究；酶解提取多糖條件溫和，得率和純度高，是目前動植物活性成分首選之一，但其提取成本高，不適于工業生產；微波提取、超聲波提取等物理提取法都能快速得到多糖，但超聲、微波等設備限制了物理提取法在多糖提取的發展；多種方法復合提取多糖可通過工藝優化達到最佳提取效果，有較好的發展前景。

1.3 分離

海藻中提取出的海藻多糖中含有蛋白質、色素和小分子物質等雜質，對多糖提取率及生物活性均有很大影響，對雜質進行分離去除十分重要。除蛋白質的方法多種多樣，主要有Sevag法、三氟三氯乙烷法、三氯乙酸法、鹽酸法、氫氧化鈉法、鞣酸法、乙酸鉛法、鹽析法、反復凍融法、陰離子交換樹脂法、酶解法和釀酒酵母發酵法等，具體分為化學法、物理法和生物法三大類。除色素的方法主要有吸附法、過氧化氫氧化法、大孔樹脂吸附法和金屬絡合物法等。除小分子雜質相對較簡單，主要有透析法和超濾法兩種。雜質分離方法原理及其優缺點如表3所示。

表3 多糖除雜質的方法、原理及其優缺點Table 3 Methods, principles, advantages and disadvantages of polysaccharide in removing impurities

Sevag法、三氟三氯乙烷法和三氯乙酸法作為3種傳統的脫蛋白法，具有成本低、效果好的優點，是脫蛋白的常用方法，但其經過多次操作，可能破壞多糖結構、污染環境，不適用于工業生產；鹽酸和氫氧化鈉法脫蛋白則利用強酸強堿，易導致多糖水解，且需嚴格控制反應條件。鞣酸法、乙酸鉛法和鹽析法等利用蛋白沉淀脫除蛋白容易帶來新雜質，污染多糖；化學法脫蛋白在應用上均存在一定限制，而反復凍融法和陰離子交換樹脂法等物理法條件溫和、成本低，是去除蛋白的較好方法；酶解法和釀酒酵母發酵法以其安全高效的優點受到研究學者的青睞，但其成本較高，不適于工業生產。脫色素主要有4種方法，目前應用不同樹脂吸附的技術使用范圍最廣，可反復再生使用。

1.4 純化

分離除雜后的多糖是分子量不同的高分子化合物，需對其進行純化得到單一的多糖物質。常見的純化方法有分級沉淀法、柱層析法、超濾法、季銨鹽沉淀法、鹽析法、金屬絡合物法和電泳法等。多糖主要純化方法特點如表4所示。

表4 多糖純化方法、原理及其優缺點Table 4 Purification methods, principles, advantages and disadvantages of polysaccharides

分級沉淀法操作簡單成本低，可用于大規模工業生產，但可能破壞多糖活性；季銨鹽沉淀法是較為經典的純化法，至今仍被廣泛使用；柱層析法是現階段多糖分離純化中應用較多也是最有效的方法；超濾法是近年來較常用的高效分離技術，設備簡單、產量大；鹽析法和金屬絡合物法操作簡單，但純化效果一般，應用范圍不大；電泳法分離量小、操作復雜適用于研究學者進行微量分析。

2 海藻多糖的生物活性

2.1 抗氧化性

海藻多糖能有效抑制活性氧自由基的形成，同時通過提高超氧化物歧化酶的活性來降低脂質過氧化物的含量[24]。海藻多糖作為天然無污染抗氧化物質常被用作自由基抑制劑或清除劑和主要抗氧化劑，具有很強的應用前景[25]。Mohsind等[26]研究了硫酸含量對褐藻多糖的抗氧化性的影響，對4種硫酸含量不同的多糖片段進行自由基清除實驗，結果表明，自由基清除的能力與硫酸根含量成正相關。Lu等[27]對海帶多糖的氧自由基吸收能力(ORAC)、2，2-聯氨-二銨鹽(ABTS)自由基清除能力和還原能力進行分析，發現海帶多糖具有顯著的抗氧化能力。在實際應用中，海藻多糖的抗氧化活性對延緩果蔬被采摘后的衰老變色有一定抑制作用，還可以降低過氧化脂質含量，減少肉類、家禽和魚蝦類食品的脂肪氧化。

2.2 抑菌性

抗生素被廣泛應用于治療微生物細菌感染，然而細菌的耐藥性問題變得越發嚴重，開發天然抗菌藥物十分必要。研究表明海藻多糖具有抑菌活性，可能是海藻在長期的進化過程中對各種微生物產生了具有抗菌活性的萜烯、含硫雜環化合物和酚類化合物等物質，抵抗外來生物的入侵[28]。Liu等[29]研究發現解聚后的巖藻多糖可破壞細胞膜以及細胞膜上的膜蛋白，從而改變細胞膜的流動性或激活自噬細胞，能有效抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌。Seo等[30]研究發現海藻酸鈉與納米銀溶液混合制備復合海綿抑菌抗炎性能良好，能有效抑制金黃色葡萄球菌和肺炎克雷伯菌，此外，還可起到降低殺菌溫度、縮短食品的殺菌時間的作用。

2.3 免疫調節及抗腫瘤性

免疫調節可保護人體不受外來病原體侵害，預防疾病。海藻多糖可通過對免疫器官和免疫細胞的調節、刺激巨噬細胞分泌免疫因子、促進淋巴細胞增殖分化等功能調節機體免疫[31]。常靜瑤等[32]研究發現螺旋藻多糖能調節小鼠細胞免疫作用，其機制可能是通過調節腸黏膜系統刺激免疫細胞產生免疫因子，從而調節小鼠免疫作用。海藻多糖的抗腫瘤作用與免疫調節密切相關。海藻多糖通過調節免疫系統抑制腫瘤細胞增長，同時還可通過結合細胞外基質減少腫瘤細胞的植入[2]。謝好貴等[33]研究發現，3種紅藻多糖以一定比例配比時對宮頸癌細胞抑制作用顯著，添加1000 μg/mg復合多糖抑制率可達76.9%。

2.4 抗炎性

炎癥是機體抵抗外來病原體的應激反應，是人體的自我修復和保護，然而，長期炎癥會引起機體產生疾病，損傷人體[34]。研究表明，海藻多糖通過能抑制一氧化氮(NO)和前列腺素E2(PGE2)的產生、恢復細胞因子的平衡、調節炎癥誘導蛋白通道等抑制炎癥[35]。Jiang等[36]研究發現條斑紫菜多糖能有效抑制小鼠細胞釋放一系列的炎癥因子，條斑紫菜多糖通過抑制巨噬細胞(RAW264.7)細胞核轉錄因子k基因結合核因子(NF-KB)活化從而抑制炎癥。Nicolau等[37]對江蘺硫酸多糖的抗炎和鎮痛進行研究，結果顯示，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。

2.5 抗病毒性

病毒是一種非細胞生命，結構簡單，通過利用宿主細胞的營養物質大量繁殖，危害人體健康。已有研究發現，海藻多糖可通過硫酸基團干擾病毒對宿主細胞的黏附來達到抗病毒作用，其抗病毒能力主要取決于硫酸基團的含量。Hayashi等[38]研究發現巖藻多糖有著抗單純皰疹(HSV)病毒的作用，其機理可能是通過直接抑制病毒復制，增強免疫防御功能來抵御HSV病毒的感染。Ermerk等[39]研究表明卡拉膠多糖在人體內外均能抑制革蘭氏陽性菌產生的毒素，防止感染。

2.6 抗衰老

過多的自由基產生脂質過氧化物和細胞免疫功能低下是導致衰老的重要原因。脂質過氧化物(LPO)會分解生成丙二醛(MDA)，MDA是多種生化毒性反應的催化劑，使人體生成老年斑、脂褐素等，造成機體衰老。胡晨熙[40]通過對羊棲菜多糖(SFPS)的抗氧化性、其對果蠅的壽命的影響和對小鼠腸道菌落的作用進行研究，結果表明SFPS具有良好的抗氧化性，能明顯延長果蠅壽命同時可有效調節小鼠腸道菌落，可能是SFPS通過抑制自由基產生和調節腸道菌群結構來延緩衰老。魏丹[41]研究了膠球藻多糖(CGD)對不同飲食條件下小鼠的抗衰老作用，結果表明，CGD對不同飲食條件下老齡小鼠的狀態和代謝水平有顯著的調節效果。

2.7 降血糖、血脂性

高血壓、肥胖癥和糖尿病及其并發癥的發病率的快速增長對人類健康產生了重要威脅，開發天然、無毒副作用藥品對治療、預防高血壓、血脂具有重要意義。海藻多糖具有很強的吸水性，可使腸道中的糞便擴張發酵，加快其運轉速度，減少脂質物質和膽固醇被小腸吸收，降低血脂。有大量研究發現海藻酸鹽可以減少食物在腸道中的通過時間，從而減少脂肪、糖和膽鹽的吸收，降低血清膽固醇、血甘油三酯和血糖[42]。Jin等[43]研究發現條斑紫菜能有效降低高血脂小鼠的甘油三酯和總膽固醇水平，從而降低血脂。Yang等[44]研究發現，石花菜多糖具有良好的降血糖、血脂功能，可能與其含有水溶性纖維有關。

3 海藻多糖在食品工業的應用

3.1 在飲品的應用

3.1.1 飲料制作 海藻多糖具有降血糖、降血脂、調節免疫、抗腫瘤、抗突變、抗病毒等多種生理活性，且海藻多糖中含有藻聚糖、海藻酸等物質，可覆蓋胃黏膜，降低茶中生物堿對胃的侵害[45]。因此，將其添加到飲料配方中，可起到良好的保健作用。陳達妙等[46]以滸苔多糖為主要原料，以山楂、枸杞等輔料為輔，開發出能量飲料，具有降血糖、降血脂的功效。吳曉青等[47]將復合酶法提取的海帶多糖濃縮液與鐵觀音茶粉和甘草混合，并確定了最佳海藻茶配方，采用噴霧揉法制成茶包。

3.1.2 澄清劑 澄清處理是酒液生產過程中的重要部分，主要除去酒中沉淀的不穩定性膠體雜質，保證酒的品質[48]。海藻多糖作為天然高分子化合物，且具有親水性、高黏性、絮凝性等特點是一種很好的澄清劑。孫永林等[49]以自制香菇葡萄酒為原料，研究不同植物型澄清劑的澄清效果，結果顯示海藻酸鈉可作為香菇葡萄酒的澄清劑。黃達明等[50]研究發現海藻酸鈉可穩定啤酒中泡沫，從而增加啤酒的透光率和穩定性，延長保質期。此外海藻酸鈉作為澄清劑加入果汁、香檳等酒類可有效去除酒中含氮物。

3.1.3 增稠穩定劑 飲料制作過程中易出現物質懸浮、分層、沉淀等現象，因此，保持飲料穩定性是飲料制作的重要步驟，目前在制作過程中添加親水膠體改善飲料穩定性較為常見[51]。海藻多糖是一種天然親水膠體且具有較好乳化性、增稠懸浮性，它能改變連續相的黏度，從而增加體系中的顆粒沉降速度，同時還可改善蛋白質的網狀結構和界面吸附性能，顯著提高濁液體系的穩定性，對飲料的結構、口感和穩定性起著重要作用[52]。在可可奶和水果酸奶中添加一定量的海藻酸鈉，可起到增加濃稠感、防止顆粒下沉的作用。李錦利[53]研究了多種多糖作為花生乳增稠劑的效果，通過單因素實驗發現黃原膠、卡拉膠、海藻酸鈉的穩定效果最好。梁杰[54]發現增稠劑和乳化劑的添加量決定了固體飲料溶解度，并確定了最佳用量為增稠劑(卡拉膠、黃原膠)0.2%、乳化劑(單甘脂、蔗糖酯)0.4%，得到具有最佳速溶性的固體飲料。

3.2 在食品包裝上的應用

3.2.1 可食性薄膜 可食用膜是以天然高分子材料為主要材料，通過分子間作用力形成的薄膜[55]。可食用膜不僅能保護食品，還可延長食品保質期，減少食品損耗，將來可能會代替塑料薄膜[56]。海藻多糖具有良好的成膜性，可用于制作可食用膜。賈曉云等[57]制備了一種具有抗菌能力的普魯蘭多糖-海藻酸鈉復合抗菌膜，可有效延長生鮮肉保質期至16 d。海藻多糖可食性膜還可以降低油炸食品的含油量，使其更加健康。萬娟等[58]用瓊脂對煎鹽水魚進行涂覆，發現瓊脂能使鹽水魚的含油量降低12%。吳慧玲等[59]研究發現，在可食性薄膜中添加納米材料可以增強膜與基體的粘結程度，改善膜的密封性，從而提高薄膜的抗菌、抗氧化性能。

3.2.2 涂膜保鮮 涂膜保鮮是一種新興的高效環保的化學保存法，可在產品表面形成一層膜，抑制微生物感染，有效降低氧氣含量防止氧化褐變，延長貨架期[60]。海藻多糖是親水膠體，但其可與金屬離子交聯形成網狀結構，限制高分子結構的自由運動同時抑制水分流動，從而降低海藻膜的水溶性，廣泛應用于涂膜保鮮。趙珊等[61]研究發現以苯乳酸-海藻酸鈉食用涂膜為甜櫻桃保鮮包裝材料可減少甜櫻桃水分和營養物質的流失，延長儲存時間。Jiang等[62]采用海藻酸鈉/納米銀包膜對香菇進行保鮮，其保鮮效果良好。不同多糖復合涂膜可通過高分子作用改善膜的透明性、透氣性及保水性，更利于涂膜保鮮。

3.2.3 食品微膠囊 膠囊化技術是將所需物質包埋到微膠囊中，并將其轉化為固體顆粒。將所需物質包埋在微膠囊中，不影響使用效果的同時還增強其對外界環境的抵抗力[63]。海藻多糖因具有良好的生物相容性和生物降解性，在食品微膠囊化和緩釋制劑方面有廣泛應用[64]。Erik等[65]制備出以海藻酸鈉為壁材的微膠囊，研究發現，微膠囊化可以在食品檢測中控制膠體顆粒的釋放。何亞婷等[66]以海藻酸鈉和酪蛋白酸鈉為壁材，采用二次乳化法制備出微膠囊焦磷酸鐵，有效提高了營養包的氧化穩定性，從而提高營養包質量，延長保質期。

3.3 在肉制品上的應用

3.3.1 保水劑 肉制品的持水力是影響肉制品的重要因素，它不僅影響肉制品的品質、口感和風味，在經濟效益方面也起著重要作用。研究表明海藻多糖可用作保水劑添加于肉制品中，有效防止水分流失，降低成本，提高經濟效益。宋蕾等[67]研究發現海藻糖復合抗凍劑可有效提高冷凍雞肉丸保水性。在海藻多糖中添加金屬離子可有效提高其凝膠性能，形成的海藻酸鈣凝膠與肉蛋白結合可形成致密的三維網狀結構，更好地防止肉中的水分流失。王其東等[68]以銅藻為主要原料配合磷酸鹽制作鲅魚糜保水劑，其質構特性比傳統海帶海藻酸鈉鲅魚糜保水劑更優。

3.3.2 脂肪替代品 肉制品是人們攝取營養物質的重要食品，但其中的高脂肪、高膽固醇對健康有害。海藻多糖具有良好的降血糖、血脂等生物活性，能阻礙人體對膽固醇的吸收，因此可用于制作健康、低脂的脂肪替代品。范素琴等[69]研究了不同海藻酸鈉復合凝膠劑對脂肪替代品質構的影響，通過實驗確定制作工藝的最佳配方，研制出了工藝簡單、效果優良的脂肪替代品。譚文英等[70]以蔗糖聚酯和海藻酸鈉為主要原料制備了一種持水性、持油性、乳化穩定性等性能優良的功能性復合脂肪替代品。

3.3.3 粘結劑 粘結劑在肉制品中使用廣泛，可有效改善肉制品的品質、口感，延長保質期。海藻多糖凝膠性能良好，將其加入肉制品中可改變其結構，增加黏性改善肉制品口感。在重組肉制作工藝中加入海藻多糖，利用其形成凝膠結構連接碎肉，從而改變肉類的肌肉組織、脂肪組織和結締組織分布，使其口感更佳[71]。此外，海藻多糖對罐頭肉類也有著粘結作用，可增強肉類在罐頭中成型能力和高溫殺菌后保持穩定的固化能力，從而提高罐頭食品的品質。

3.4 在糖果業的應用

3.4.1 凝膠軟糖 凝膠軟糖主要由食品膠和淀粉糖漿為原料通過特定工藝制成。海藻多糖因具有凝膠特性可用于制作凝膠軟糖，是軟糖的主要輔料之一。凝膠軟糖的性能主要取決于膠體的種類，由海藻多糖為輔料的軟糖脆而透明、含水量高、保質期長，優于淀粉凝膠軟糖。田其英[72]在以瓊脂為凝固劑的軟糖配方中加入瓊脂糖粉，研制出一種口感適中且咀嚼性更好的新型軟糖產品。但在高溫條件下，海藻多糖在酸性環境中容易被破壞。實際生產中，可對各種膠體進行復配，提高軟糖的品質和口感。柏旭[73]使用瓊脂和角叉菜膠復合制作出姜橙皮軟糖，產品具有獨特的風味，口感順滑。

3.4.2 糖果添加劑 糖果是一種日常消費品，但大量糖分容易引起血糖升高，在糖果的配料中加入具有降血糖作用的海藻多糖，在一定程度上能防止血糖升高。海藻多糖具有良好的凝膠性能，將其加入瓊脂糖、無花果糖、棉花糖等產品中，還可以發揮穩定劑的作用，有效增強產品凝膠性能。陳香芝[74]分別用復配膠和明膠制造奶糖，并分別對其性能進行研究，結果表明復配膠奶糖的抗變形能力更好。此外，海藻多糖加入到一般硬糖中，可以使糖果均勻光滑，增加其口感。

3.5 在烘焙食品上的應用

3.5.1 營養強化劑 烘焙類食品是休閑食品的重要種類，具有食用方便、口感好、可貯存等優點，深受人們的喜愛，但由于烘焙類食品的升血糖指數過高讓許多人望而卻步。海藻多糖具有良好的降血糖活性，將其加入烘焙食品的生產工業中，可改變淀粉顆粒的結構，降低升糖指數。海藻多糖還可作為填充劑和膨松劑制作出低熱能食品，用于代替淀粉制造麥片糊、無淀粉面包和餐后點心等。王慶佳[75]以海帶粉為原料，研發出口感優良、色澤可人的海帶酥性餅干，有效降低了餅干的升糖指數。王芬等[76]通過單因素實驗確定了海藻糖紫米蛋糕的最佳配方，研制出品質優良、營養價值更高的紫米蛋糕。

3.5.2 品質改良劑 除營養價值和產品外觀外，烘焙類食品的內在品質也是當今學者研究的重要內容。海藻多糖能顯著改善面包質構，增加彈力同時降低其硬度和膠黏性，有效改善面包品質[77]。黃林青等[78]將卡拉膠與魔芋飛粉復配，研制出外觀、香味和口感優良的魔芋果糕。海藻多糖對烘培產品還有著顯著的保鮮保濕和抗老化作用，可一定程度上保持產品水分，延長保質期[79]。海藻多糖中加入金屬離子可增強其凝膠性能，作為烘培食品的粘結劑應用于餅干、蛋卷等食品的生產中，可有效減少其破碎率，改善品質。

3.6 在其他食品工業上的應用

海藻多糖還可用于咀嚼片、果凍、冰淇淋和蔬菜等食品的生產工業中。顏玉蝦等[80]以海帶乳酸菌為原料制作出硬度適中、口感細膩的海帶乳酸菌咀嚼片，并確定了其最佳配方。海藻多糖可作為果凍生產的主要膠體原料，王佳瑩等[81]用低熔點瓊脂與其他食品膠體復合制作果凍，結果表明，低熔點瓊脂制作出的果凍在感官和結構性能上均與工業果凍相似。海藻多糖用于冰淇淋生產中，可減少其冰晶析出，提高黏度和膨脹率，改善其口感和狀態。海藻多糖還可作為農藥殘留降解劑運用于蔬菜生產中，能有效提高蔬菜生產的安全性。

4 結語

海藻多糖因其獨特的物理化學性質和生物活性，在食品行業應用廣泛，是食品行業研究熱點之一。近年來關于海藻多糖在食品工業方面的研究已取得了豐富的成果。此外，關于海藻多糖的研究還可在以下幾個方面有所加強：幾種不同海藻多糖結構差異及其對活性的影響；海藻多糖作用于人體的具體機理；海藻多糖在食品工業中與其他增塑劑、抗菌劑、防腐劑等共同作用時對人體產生的影響；開發更適合食品行業的新型海藻多糖生物基復合材料。相信未來海藻多糖在食品工業將會有著更廣泛的應用。