海洋生物活性物質抗疲勞功能研究進展

肖嵋方 王 力 田皓然 劉 斌 曾 峰

(1. 閩臺特色海洋食品加工及營養健康教育部工程研究中心，福建 福州 350002；2. 福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002)

疲勞是一種疲憊的感覺，能導致心理和生理上多層面的失調狀態，機體常表現為注意力分散、不集中和嗜睡，情緒低落，從事正?；顒拥哪芰p弱、體力不支等[1-2]。疲勞主要是由于機體能量耗竭所引起的一系列變化造成的，包括有害代謝產物的積累、機體內環境的紊亂如血糖水平下降、糖原快速消耗等，機體通?？梢酝ㄟ^休息來恢復正常的狀態，但若疲勞不能及時得到緩解，則會導致機體應激損傷，嚴重的甚至會危害機體健康[3-4]。海洋以其特殊的環境，孕育著種類繁多的生物，富含多種結構特殊、活性多樣的物質成分。其生物活性物質如多肽、多糖、不飽和脂肪酸等因其功效作用高效、毒副作用小，且具有抗氧化、抗疲勞、調節血糖平衡和代謝等功效[5]，逐漸成為了現代功能性食品、生物醫藥研究與開發的熱點，為新型食品和新藥研發等領域拓寬了視野。腸道菌群作為一個復雜且重要的生態系統，疲勞同樣會導致腸道中病原體的豐度增加、有益微生物的豐度減少，同時，疲勞狀態下腸道菌群產生的有害代謝物還會破壞機體的能量代謝平衡，因此，腸道菌群的變化在抗疲勞活性物質的綜合評價中也起著重要作用[6-7]。研究擬綜述海洋生物來源的具有抗疲勞功效的多糖、多肽、不飽和脂肪酸以及其他活性物質的活性機理研究進展，為新型抗疲勞功能食品和海洋生物的研究與開發提供依據。

1 疲勞的分類

疲勞是由嚴重的壓力、劇烈的體力或精神活動引起難以啟動和維持正?；顒拥囊环N狀態，疲勞主要分為兩類：身體疲勞和心理疲勞，其中，心理疲勞與中樞神經系統的活動狀態有關，主要特征表現為心緒不安、注意力不集中、思維遲鈍、工作效率下降等，嚴重者會引起消化不良、呼吸系統功能紊亂等不良反應；身體疲勞也稱運動型疲勞，主要以身體疲乏無力，全身肌肉以及關節酸痛和嗜睡為表現特征，并認為與機體糖代謝、乳酸和血尿素氮堆積有關。疲勞具體分類及定義見表1。

2 疲勞產生的機制及評價方法

2.1 疲勞產生的機制假說

關于疲勞發生的機制可概括為9個經典假說：衰竭假說、代謝產物堆積假說、自由基假說、保護性抑制假說、突變假說、免疫功能紊亂假說、內環境穩態失調假說、中樞神經系統失調假說和離子代謝紊亂假說，其中，以前5種假說被較多學者所接受[11]。

衰竭假說認為當機體運動達到臨界點時體內各能源物質如肌糖原、磷酸肌酸等在體內補充速度趕不上消耗速度后引發能源物質衰竭造成機體疲勞[12]。機體在經過劇烈且過量運動后會產生一系列如乳酸、血清尿素氮、丙二醛、谷丙轉氨酶、谷草轉氨酶和肌酸激酶等代謝產物，而這些代謝產物的堆積一方面通過降低肌肉的pH值影響糖原分解和糖酵解能力，另一方面一些不良代謝物還會造成肌肉的損傷最終導致機體疲勞，這是代謝產物堆積假說的主要觀點[13]。

表1 疲勞的分類及定義

自由基假說的機制主要概括為當機體處于劇烈運動狀態時，體內的活性氧和自由基水平上升導致細胞膜和蛋白質結構功能受損，能量代謝發生紊亂，使人體肌細胞代謝功能破壞引發疲勞癥狀[14]。保護性抑制假說主張人的身體或大腦經過高強度使用，使神經元長期處于興奮狀態，為了保護機體健康，血漿支鏈氨基酸的水平下調而大腦中的γ-氨基丁酸水平上調，使大腦皮層產生抑制機體持續興奮信號，產生疲勞感[15]。

疲勞是一個涉及了組織器官細胞以及中樞神經的復雜的生理過程，并不能夠單純地認為是某一通路或某種物質的缺乏導致的疲勞。因此在眾多學說中，不能簡單地認定是某一學說占據了主導地位。

實際上，疲勞的產生極其復雜，個體的體能素質往往由動力、神經、生理和心理等多種因素協調作用，并且還可能被外界工作或生活環境所影響，比如機體長期處于乏味、單調或高壓、高負荷的狀態。袁琛等[16]研究發現，哮喘會引起病人哮喘控制不佳、負性情緒和睡眠障礙從而有更高的幾率患有疲勞癥狀。張巧仙等[17]研究發現，與在普通臨床科室環境中工作的護士相比，ICU病房中的護士由于工作環境和性質較為特殊，其疲勞發生比例更高。綜上，由于引起疲勞癥狀的原因及方式各不相同導致科學研究對疲勞模型的評價標準以及對抗疲勞功效的評價尺度也存在差異。

2.2 抗運動型疲勞的作用機制及評價方法

疲勞的狀態可由運動時或運動后體能及肌肉力量的下降所體現，抗疲勞的作用機理包括增加糖原儲備、修復肌肉損傷、減少氧化應激和代謝產物等。通過攝入活性物質增加糖原儲備，使其在三羧酸循環中產生更多的ATP，為機體提供能量從而緩解疲勞，提高抗疲勞能力。過量運動后，由于能量補充不足使肌肉處于缺氧狀態，本該產生大量能量的糖類物質轉而生成了大量乳酸以及其他不良代謝產物，使肌肉組織發生損傷，補充活性物質能夠降低乳酸等不良代謝產物生成，修復肌肉損傷達到抗疲勞的效果?；钚晕镔|具有極強的抗氧化活性，攝入活性物質降低機體的活性氧和自由基水平，維持正常的機體代謝，延長了機體達到疲勞狀態的時間。

在抗疲勞的研究中通常采用負重游泳試驗、爬桿試驗、水迷宮試驗、鼠尾懸掛試驗和跑臺試驗的研究方法，通過測定動物模型的機體運動至力竭狀態的時間反映運動的強度和耐力探究動物模型在攝入活性物質后達到疲勞狀態的時間是否延長是探究機體疲勞最直接且客觀的指標。后續可進一步通過測定動物模型中乳酸、尿素氮、糖原、酶活力等生化指標反映疲勞的程度從而探究生化指標的變化對模型抗疲勞活性的影響狀況[18-19]。

3 海洋生物抗疲勞活性物質

3.1 多糖

糖類具有免疫調節、抗腫瘤和抗氧化等生物活性，作為機體供能的主要物質之一，其還可以為機體提供能量來維持能量平衡。海洋生物活性多糖類物質經機體消化吸收后余下的部分轉化為肝糖原和肌糖原，能作為能量儲備和利用的直接來源，對及時補充能量、緩解疲勞有顯著作用，同時，多糖可加速乳酸分解、提高乳酸脫氫酶活性，降低機體的乳酸水平，進而抑制疲勞的產生(圖1)[20]。海洋多糖類物質因其功效多樣、來源豐富、易被消化吸收且安全健康的特性，備受科研學者關注，其中沙蟲多糖、羊棲菜多糖、巖藻多糖(褐藻膠)和螺旋藻多糖等具有顯著的抗疲勞作用(表2)。

圖1 海洋生物多糖抗疲勞主要作用機制

表2 海洋生物多糖抗疲勞功效?

Zhu等[25]研究發現，灌胃200 mg/kg的螺旋藻多糖能夠抑制神經遞質色氨酸氫化酶TPH2的表達，通過下調TPH活性和抑制5-羥色胺(5-HT)合成從而緩解疲勞，該研究揭示了中樞神經系統在運動中的影響。牡蠣作為海洋中的軟殼動物，其多糖也具有極強的抗疲勞功效。張高杰[26]研究發現，經牡蠣多糖飼喂的大鼠除外周血心肌肌鈣蛋白以及游泳時間顯著上升，給藥組MDA水平顯著降低外，GSH-Px、SOD和CAT水平顯著升高，與模型組相比，給藥組大鼠心肌組織中的IL-1β、IL-6水平均顯著降低，說明牡蠣多糖抗疲勞效果與抗氧化以及抑制炎癥反應有關聯。天然活性多糖一般具有較復雜的分子結構，而化學結構的分析和確定是研究其功效的重要基礎。目前，關于海洋多糖的結構與抗疲勞功效的關系多集中在分子質量和單糖組成方面[27]，其中主要以甘露糖、核糖、葡萄糖醛酸和半乳糖等單糖組成的吡喃糖構型多糖在抗疲勞活性研究中發揮重要作用，但對其高級結構以及劑效依賴的具體機制還有待進一步深入研究。

腸道是機體最大的免疫器官，劇烈運動造成的疲勞機體損傷同樣可能導致腸道氧化應激、使腸道菌群失調，并通過破壞腸黏膜組織形態影響機體免疫功能的完整性[8,28]。Zhang等[29]研究發現，補充海洋生物瓊脂糖(NAT)對調節腸道微生物的組成和功能有積極作用，NAT通過降低Firmicutes和Proteobacteria的豐度，促進有益菌產生短鏈脂肪酸如乙酸和丙酸，并產生ATP為腸上皮細胞提供能量，修復受損腸道屏障，緩解腸道氧化損傷，并刺激調節中樞神經系統的神經遞質的產生，從而緩解機體疲勞。腸道菌群與機體疲勞相互作用，腸道菌群及相關代謝物的破壞可促進疲勞的發生，反之，疲勞可引起腸道菌群失調，從而加劇疲勞相關損傷。而天然產物多糖具有抗疲勞作用，可以直接或間接地增加益生菌的豐富度從而產生有益的短鏈脂肪酸，保護腸道屏障，增強免疫系統，減輕疲勞引起的損傷[30]。腸道菌群作為近年來研究的熱點，對海洋活性物質在疲勞相關的功效機制研究中具有重要意義，結合疲勞產生的相關機制假說，相關研究可以以“腦—腸軸”“腸—肝軸”為落腳點，研究功能組分緩解疲勞的深層機制。

3.2 多肽

多肽是α-氨基酸通過肽鏈連接構成的一類化合物，肽鏈中各種氨基酸殘基的連接順序會導致多肽具有多樣的生物活性，抗疲勞肽就是其中一種，從海洋生物中提取的許多環狀肽和類似物都具有抗疲勞的功能活性。大部分抗疲勞肽是由2～10個氨基酸組成的直鏈寡肽或小肽，也有部分由10個以上的氨基酸組成[31]。按照制備方法分類，抗疲勞肽可分為人工合成法抗疲勞肽、生物提取法抗疲勞肽、基因工程法抗疲勞肽和酶解法抗疲勞肽4種。其抗疲勞的作用機制主要分為3個方面：① 為機體補充蛋白質，多肽分子量比蛋白質小得多，極易被機體吸收，且容易作為機體的能量來源，緩解疲勞；② 多肽參與糖代謝途徑，抑制了糖原的分解，并通過一系列代謝途徑加速其合成，在運動中提供能量；③ 機體劇烈運動后往往會導致自由基的增加，從而對機體細胞產生損傷，引發疲勞感，有多種抗氧化肽已被證實與抗疲勞作用相關[32-33]?？蛊陔耐ǔ１憩F出較強的抗氧化活性，能清除機體內的代謝產物和自由基，并不斷提高酶的活性和鈣離子的穩定性，推動乳酸不斷向葡萄糖轉化，加速乳酸分解，降低機體內血尿素氮和血乳酸含量，顯著增加肝糖原含量，延緩運動性疲勞的發生[34-35]。宋俊奇[36]研究發現，分子量為3 000～5 000 Da的多肽組分具有極強的自由基清除活性，即具有極強的抗氧化活性，且該組分多肽能夠通過顯著降低血清尿素氮水平延長小鼠力竭游泳時間和爬竿時間，說明抗氧化肽與抗疲勞之間有著密切的聯系，具體機制可能是抗氧化肽被攝入后，機體活性氧和自由基水平下降，炎癥反應被抑制，起到了抗疲勞效果。

總之，抗疲勞水平和抗氧化水平之間可能存在一定的聯系，因此，后續研究可預先以抗氧化活性較高的蛋白肽篩選出具有抗疲勞功能的活性肽，再評價其抗疲勞活性。

3.2.1 牡蠣多肽 牡蠣富含氨基酸和維生素，在營養和保健方面表現出很高的價值，牡蠣中富含的牛磺酸已被證實能夠有效抑制機體在運動狀態下自由基的顯著升高，具有抗氧化和抗疲勞效用，而牡蠣蛋白酶解物含大量活性肽，相比牡蠣肉，具有更好的抗氧化能力，多作為牡蠣抗疲勞的研究對象[37-39]。Miao等[40]研究發現，牡蠣多肽OH-I(分子量<6 kDa)是抗疲勞活性的最佳組分，能顯著延長小鼠力竭游泳時間，并提高小鼠體內肌糖原和肝糖原含量，降低血尿素氮含量，而相對分子質量大小是多肽發揮抗疲勞活性的關鍵因素，在一定范圍內，多肽分子質量越小，其越易在細胞內發揮抗疲勞活性。

腸道菌群與疲勞之間存在因果關系，但相關研究相對較少[41]。Xiao等[42]研究發現，牡蠣多肽對維持疲勞小鼠菌群生態平衡具有積極作用，小鼠腸道內Faecalibacterium、Desulfovibri和Intestinibacter與游泳時間、血乳酸含量、血尿素氮含量、肝糖原含量和肌糖原含量呈負相關，而Yaniella和Romboutsia與這些指標呈正相關，后續可從多肽組分出發，探究牡蠣抗疲勞活性肽的肽段氨基酸組成、分子量與抗疲勞活性的關系，結合腸道菌群相關分析，更全面地解釋多肽發揮功效作用的內在機制。

3.2.2 海參多肽 海參以其富含多肽和糖脂等多種活性物質，被稱為“海中人參”，但海參蛋白往往難以被人體消化，蛋白利用率較低，因此多采用多肽制備工藝將其轉變為小分子海參肽加以研究[43]。

抗疲勞肽還可以通過參與運動中機體的脂質分解、線粒體的生物合成，維持機體能量平衡，減少運動后的氧化損傷和有害代謝產物積累，從而發揮其功效作用。此外，糖異生與脂肪代謝有較高的相關性，提高脂質利用率也已被認為是改善耐力表現和延緩糖原儲存損耗的有效手段[44]。研究[45]發現，機體在運動狀態下受相關蛋白過氧化物酶體增殖活化受體γ輔助活化因子1α(PGC-1α)和過氧化物酶體增殖物激活受體δ(PPAR-δ)的調控，這些因子與線粒體功能有關，并能夠促進葡萄糖代謝和骨骼肌的脂肪酸氧化代謝。Yu等[46]從分子水平出發，結合代謝組學分析海參肽抗疲勞的作用靶點，發現海參肽能夠顯著促進小鼠運動狀態下骨骼肌和肝臟的脂肪酸代謝通路(NRF1/PGC-1α/PPAR)相關因子的表達，提高能量敏感因子(Ca2+、Mg2+)、脂質mRNA(AMPK、SIRT1)的相對水平，從而增加機體糖原儲備、改善能量代謝。

3.2.3 魚類多肽 海洋魚類是海洋生物的重要組成部分，其種類多且復雜，海洋魚類的生物活性物質含有豐富的蛋白質、脂肪酸、微量元素等，在開發功能性小分子肽方面有著極大的前景[47]。丁樹慧[48]使用以鯷魚為主的海洋小魚制成的脫脂魚粉進行抗疲勞研究，發現原料低聚肽中富含多種能對機體起較強抗氧化效用的氨基酸，尤其是谷氨酸和天冬氨酸，其通過有效脫氨來降低血液氨濃度，減少血尿素氮濃度，從而延緩疲勞產生。Wang等[49]發現小分子量的鮐魚多肽(1 664 Da)抗氧化活性最強，且與濃度呈劑量效應關系，相比對照組，高劑量組的小鼠力竭游泳時間延長了4.8倍，肝糖原增加了33%，血乳酸含量降低了19%，小鼠體內的過氧化物酶SOD和GSH-Px活力分別提高了15%和13%，表明用鮐魚多肽灌胃小鼠能加快小鼠體內代謝產物和自由基的清除率，同時增加肝糖原含量，為機體提供能量，達到抗疲勞的效果。

綜上，海洋生物多肽可以分別通過抑制腸道內有害菌增殖，促進益生菌繁殖，降低自由基水平，促進脂質分解，線粒體合成等多種方式和途徑上調肝糖原含量，下調血尿素氮和乳酸含量，延長游泳時間從而達到緩解和改善運動性疲勞的目的(圖2和表3)。

圖2 海洋生物多肽抗疲勞主要作用機制

表3 海洋生物多肽抗疲勞功效?

3.3 不飽和脂肪酸

海洋生物中含有豐富的不飽和脂肪酸，對人類的營養和健康起著重要作用，攝入富含亞油酸、γ-亞麻酸等不飽和脂肪酸的螺旋藻等海洋產品一方面有利于大腦和腦神經的發育，能夠及時清除機體有害代謝產物，降低乳酸水平，另一方面可通過促進鈣吸收以及增加血紅蛋白的攜氧能力，提高耐缺氧活性，從而發揮抗疲勞作用，對于預防或改善疲勞綜合征具有重要意義[53-55]。張黎明等[56]研究發現海蛇皮脂中類脂質物質富含不飽和脂肪酸，如十六碳烯酸、十八碳烯酸、二十碳烯酸等，注射由海蛇皮脂作為主要原料的藥劑可以治療腰、肩等部位的酸痛，進而緩解疲勞。

3.4 其他抗疲勞物質

3.4.1 霞水母提取物 李榮等[57]發現霞水母中含有豐富的膠原活性物質，能有效降低蛋白質和含氮化合物的分解速率，使運動小鼠的血乳酸與血尿素氮曲線呈下降趨勢，并使機體的能量代謝速度加快，表現出抗疲勞的作用。

3.4.2 海馬酶法提取物 采用酶法提取天然產物的活性物質時，不同的酶提取的活性物質有所差異，蛋白酶主要提取天然產物中的不飽和脂肪酸以及氨基酸，果膠酶和纖維素酶主要提取多酚類物質[58-59]。海馬作為傳統滋補食品，是中藥材的重要來源，其酶解后的甘氨酸、脯氨酸等氨基酸類化合物以及亞油酸、亞麻酸等不飽和脂肪酸類物質可能會與鋅、鍺等微量元素一同參與ATP的合成，起到催化機體內酶活性的作用，這些酶能夠加速ATP的生成與轉化為機體供能[60-61]。彭汶鐸等[62]研究發現，海馬酶法提取物顯著降低了進行一次性疲勞及遞增運動下疲勞小鼠的乳酸和血尿素氮的平均含量，機體的過氧化產物含量也顯著降低，且隨著給藥量的增大(50，100，200 mg/kg)，小鼠的運動耐力增強，呈良好的劑效關系。

4 總結與展望

疲勞的產生原因受個體素質和環境等多種因素影響，從天然活性產物中獲得具有抗疲勞功效的活性物質對緩解疲勞以及相關功能性產品的開發具有極大意義。海洋中的抗疲勞活性物質的作用機制主要與其抗氧化和抗炎特性、保護腸道完整性、調節能量代謝和抗疲勞代謝產物的產生有關。

開發海洋性功能食品已逐漸成為新潮流，并為更多的營養和保健食品的開發提供了新的思路，但目前仍存在很多問題需要探索，后續研究應集中于以下幾點：① 目前海洋中生物種類繁多，但應用生物活性研究的生物種類屈指可數，且針對海洋生物活性物質中具體組分的高級結構以及劑效依賴關系研究還未明確；② 關于海洋生物活性物質抗疲勞研究的具體分子和信號通路仍未確定，可以結合各組學等現代化分析手段共同研究其具體通路；③ 天然產物活性物質介導腸道菌群抗疲勞的研究已非常成熟，但在海洋生物中的研究仍較少，可以嘗試通過研究腸道菌群的單個菌落變化及其協同作用探究抗疲勞的具體作用機制，還可將腸道菌群及其代謝活性物質的有益產物作為抗疲勞機制及相關食品開發的靶點，結合二者的因果關系進一步評價活性物質抗疲勞功效。