褐藻膠寡糖的功能特性研究進展

曾斌芬，時瑞，吳曼鈴，胡錦鵬，陳麗嬌，梁鵬，程文健

（福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002）

褐藻膠又稱褐藻酸鹽，主要由β-D-甘露糖醛酸（mannuronic acid，M）及與其C5差向異構體α-L-古洛糖醛酸（guluronic acid，G）兩種單糖組成的酸性直鏈多糖，聚合度（degree of polymerization，Dp）一般在 160～250，其中包含3種不同的聚合片段：均聚β-D-甘露糖醛酸（poly mannuronic acid，PM）、均聚 α-L-古洛糖醛酸（poly guluronic acid，PG）以及由 G、M 以不同比例聚合的片段（poly mannuronic acid and guluronic acid，PMG）。褐藻膠大多來自于大型褐藻植物中的細胞壁與細胞質間，還有少部分由微生物如銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）合成[1]，而且細菌合成的褐藻膠結構與植物來源褐藻膠的結構有所不同。市面上的褐藻膠大部分是從海洋褐藻植物中提取的，性能穩定、無毒性，還易與Ca2+等二價離子形成凝膠，被廣泛應用于食品添加劑[2-3]、生物醫學應用[4]、飼料工業[5]等行業中。

褐藻膠寡糖也稱褐藻膠低聚糖（alginate oligosaccharide，AOS），包括低聚甘露糖醛酸（mannuronic acid oligosaccharide，MOS）和低聚古羅糖醛酸（guluronic acid oligosaccharide，GOS），是由褐藻膠經過降解得到的小分子產物，Dp為2～25，噴霧干燥后呈白色或淡黃色粉末。褐藻膠的降解方法大致可分為3種：物理降解、化學降解、生物降解，物理降解和化學降解得到的產物均為飽和糖醛酸組成的寡糖，而生物降解就是通過褐藻膠裂解酶降解能夠得到具有不飽和末端的寡糖[6]。褐藻膠裂解酶的來源廣泛，目前一般都是從腐爛海帶和從以海藻為食的動物內臟中提取，但是天然來源的酶存在活性低、穩定性差的缺點，現今有較多研究利用基因工程技術[7]得到更穩定和活力更高的褐藻膠裂解酶，已有眾多研究表明，AOS的分子量、結構以及G/M的比值等因素對其理化特性和生物學活性有一定的影響。本文主要綜述了褐藻膠寡糖及其衍生物的功能特性，包括理化特性、生物活性以及結構組成與功能的關系，以期更好地利用褐藻膠寡糖的功能特性并將其用于指導相應產品的開發。

1 褐藻膠寡糖的物理特性及其功能

1.1 一般理化性質

褐藻膠寡糖相對分子質量小，易溶于水，由于褐藻膠降解過程中暴露多個羥基使得褐藻膠寡糖的溶解性能得到很大的改善，其溶解度可達到20%，可提高機體吸收利用率[8]。Dp為20～30的PMG容易被酸水解，而PM和PG不易被水解，但當溶液的pH值為2.85時PG產生褐色沉淀，PM不產生沉淀。褐藻膠寡糖熱穩定性好，Aida等[9]的研究表明，350℃～400℃的水熱處理才能使褐藻膠完全降解得到琥珀酸、蘋果酸、甘露糖醛酸和古洛糖醛酸等降解產物，表明組成AOS的兩種單糖組分具有良好的熱穩定性。

1.2 吸濕性和保濕性

吸濕性是指物質在空氣濕度較高的情況下吸收水分的性質，保濕性是指物質在空氣濕度較低條件下保持水分的性質。許雷等[10]以褐藻膠為原料酶解得到Dp為6、4、3的3種褐藻膠寡糖，在不同濕度的環境下，將其與丙三醇、聚乙二醇以及海藻膠的吸濕保濕性進行比較，在相對濕度為43%時，Dp為3的AOS吸濕性顯著超過褐藻膠，與丙三醇的作用效果相近，而且其保濕作用甚至優于丙三醇和聚乙二醇。聚合度越低的AOS，其吸濕性與保濕性越好，其原因是由于酶解過程改變了單糖分子的空間結構，導致羥基基團暴露，增強了其親水性，從而提高吸濕和保濕特性[11]。AOS的降解方式也會影響其吸濕與保水性能，采用酸水解從海帶中提取GOS和MOS，在不同濕度環境下比較這兩種寡糖與海藻酸鈉的保濕作用，結果表明無論在低濕度還是高濕度的環境下，酸水解得到的AOS的吸濕性與保濕性不如海藻酸鈉[12]。較多研究說明酶解得到的AOS擁有良好的吸濕性和保濕性，可用于食品保濕劑和易腐食品的保護劑，例如在柑橘類水果采后過程中涂抹酶解得到Dp為2～7的AOS不僅能減少水果表面的水分，還能顯著地防止柑橘類果實發生青霉變，延緩果實的腐敗[13]。

1.3 抗凍性

水產品最常用的貯藏方法是低溫貯藏，但是低溫條件下容易造成產品的冰晶損傷，有研究表明在低溫貯藏過程中涂抹或浸泡于褐藻膠與褐藻寡糖溶液對海鮮類產品有顯著的冷凍保護作用。將蝦仁浸泡在Dp為2～4的AOS溶液后，在冷凍貯藏溫度波動條件下，對蝦仁的蛋白質含量、顏色以及組織狀態有顯著的改善作用[14]，并且優于用抗凍劑（Na4P2O7）處理的樣品。Zhang等[15]深入探討了AOS和海藻多糖對冰晶生長和重結晶的作用機制，特別是糖和冰晶在溫度波動下冷凍保藏的關系，最后推論得到其作用機制為水置換機制，即AOS分子通過氫鍵和靜電作用與氨基酸殘基結合從而取代了蛋白質周圍的水分子，可阻止蛋白質聚集的風險，并抑制了冰晶的生長與重結晶的發生，從而保護了肌肉蛋白免受大冰晶造成的機械損傷。

2 褐藻膠寡糖的生物學活性及其功能

褐藻膠寡糖具有良好的溶解性、吸濕性和保濕性等物理特性，同時也具有抗氧化性、抗炎癥、抑菌性、降血脂、降血壓以及調節腸道菌群等生物學活性。由于褐藻膠來源、降解模式的不同導致降解產物的分子量、空間構象以及G/M比例的差異，賦予了褐藻膠寡糖功能特性的多樣性和不確定性。

2.1 抗氧化性

自由基是存在于人體內氧化反應的中間代謝產物，過多的自由基有可能會破壞人體細胞的結構使人體的組織器官功能降低，從而使人體免疫力系統功能下降導致各種疾病的發生。目前可以通過天然或者合成抗氧化劑來清除自由基，現有多個研究已經證明AOS具有顯著的清除自由基（ABTS+·、·OH、DPPH·）的能力以及一定的還原能力，并表明抗氧化性是褐藻膠寡糖擁有其他生物活性的前提性質。酶解得到的AOS濃度為5.0 g/L時，其對ABTS+自由基的清除能力與維生素C有相近的清除效果，并且對多酚氧化酶有一定的抑制作用[16]。周緒霞等[17]研究3種不同分子量的AOS（分子量大于8 kDa、分子量小于8 kDa、分子量未進行分級）的抗氧化活性，結果表明在3種不同的抗氧化體系中，分子量較小的AOS表現出更強的抗氧化活性。張明杰等[18]將酶解的AOS按分子量分為4組（0.84、1.40、2.25、34.56 kDa），試驗結果證明各組均具有一定的抗氧化活性，而且隨著各組濃度的增大其抗氧化活性也逐漸增大，但相比于大分子的AOS，中低分子量的AOS具有更好的清除DPPH自由基和羥基自由基的能力。胡婷[19]研究酸降解、氧化降解、酶降解方式得到的不同分子量的GOS和MOS，其結論也佐證了褐藻膠寡糖分子量越小，其抗氧化活性越高，同時還得出了G系列寡糖與亞鐵離子絡合作用均強于相應結構及分子量段的M系列寡糖。此外還有研究用AOS處理獼猴桃，可以顯著地抑制獼猴桃果實細胞壁降解以及誘導抗氧化基因與酶的表達[20]，增強果實的抗氧化能力。因此說明AOS不僅具有抗氧化性，還能強化抗氧化性能，其活性強度與其單糖組成、分子量與分子結構具有相關性。

2.2 減輕炎癥

炎癥反應是臨床常見的一個病理過程，可見于人體各部位的組織和各器官中，許多研究說明了炎癥與很多慢性疾病的發生有關聯，如高血壓、肥胖、心血管疾病等。許多研究表明AOS具有減輕炎癥的生物活性，在治療癌癥的過程中，化學藥物容易引發腸道黏膜炎，研究發現用10 mg/kg AOS喂養ICR小鼠可以恢復由抗腫瘤物質白消安引起的腸黏膜炎[21]，進一步研究得到10 μg/mg AOS顯著改善豬空腸上皮細胞系的完整性，提高小腸細胞的遷移能力，增強小腸的屏障功能，可預防化療或其他疾病引起的炎癥[22]。Wan等[23]研究得到AOS（600 g/mL）對腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）誘導的小腸上皮細胞損傷有改善作用，同樣表明AOS可以減少TNF受體介導的細胞凋亡，從而減輕TNF受體誘導的腸上皮細胞炎癥損傷。

褐藻膠寡糖不僅對抗癌癥藥物引起的炎癥有緩解作用，對其他炎癥也有顯著的延緩作用。P-選擇素蛋白是急性炎癥早期的一個重要指標，同時也是評價肺動脈高壓嚴重程度的重要參考因子，馮喆等[24]發現高劑量的AOS能有效減緩動脈血管周圍的炎癥，降低野百合堿誘導的大鼠肺動脈高壓模型P-selectin蛋白的表達，并推測褐藻膠寡糖能抑制肺組織中P-selectin通路的表達，從而達到減輕炎癥的作用。D-半乳糖可導致小鼠心臟功能老化現象以及影響心肌組織中TNF-α、白細胞介素-6（interleukin-6，IL-6）等促炎癥因子mRNA的表達增加，用高劑量[150 mg/（kg·d）]AOS灌胃D-半乳糖誘導的小鼠4周，結果表明其能顯著減緩小鼠心臟老化現象，降低促炎癥因子IL-6、TNF-k蛋白的表達[25]。不同降解方式得到AOS的抗炎活性有差異，有報道說明氧化降解得到的AOS具有抑制脂多糖激活的RAW264.7巨噬細胞的炎癥反應，而通過酶水解和酸解獲得的則沒有這種活性[26]。對比前期研究發現氧化得到的AOS具有更好地延緩炎癥的功能，可能由于其特有的還原端羧基的存在或者別的結構會對其抗炎活性產生影響，而且這些寡糖的抗炎活性與促炎癥因子的表達通路有關，這為開發褐藻膠寡糖抗炎功能提供了研究思路。

2.3 抑菌活性

隨著抗生素的廣泛使用，出現了多種耐藥性的細菌，為了既能抑制細菌生長又不引起細菌突變產生耐藥性，人們轉向尋找新的細菌抑制劑。褐藻膠寡糖被證明了具有很好地抑制細菌和真菌活性的功能特性，目前研究較多的是GOS抑制細菌生長的作用機制。Ertesv?gh 等[27]研究發現酶解得到的MOS（4.2 kDa）對大腸桿菌（Escherichia coli）、副傷寒沙門氏菌（Salmonella paratyphi）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）有顯著的抑制效果，此外還有研究發現含有85%及以上的古羅糖醛酸片段的寡糖（Dp：16，濃度2%）能夠抑制革蘭氏陰性菌的生長，并增強抗生素對銅綠假單胞菌的活性，可以開發成用于協同抗生素治療囊性纖維化（cystic fibrosis，CF）患者的藥物[28-30]。生物膜胞外多糖基質和黏液提供了感染細菌的額外保護，這個現象促使Ahonen等[31]提出一個將胺前體接枝到AOS上組合成能釋放一氧化氮的褐藻寡糖衍生物的試驗方案，一氧化氮與AOS都具有改變生物膜形態和黏液組成的能力，因此這種物質對銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌以及囊性纖維化相關病原體具有很強的殺滅作用。

褐藻膠寡糖中G/M比對其抑菌作用有所影響，研究表明G含量在85%以上的抑菌效果更好，可能是GOS與細菌的相互作用更強，但是其作用機制仍存在爭議。Powell等[32]借助納米技術分析了GOS對革蘭氏陰性菌的抑菌機制，結果表明GOS的作用機制不是直接破壞銅綠假單胞菌的細胞壁，而是與胞外脂多糖發生相互作用。Alison等[33]認為GOS會破壞銅綠假單胞菌的群體感應信號，從而影響到細菌毒力因子的產生和生物膜的形成。另外，GOS也被證明對真菌念珠菌具有抑制作用，其作用機制主要是GOS能夠抑制真菌菌絲的生長，并且能夠顯著破壞真菌細胞膜的形成[34]。除了GOS具有顯著的抑菌性，AOS也表現了一定的抑菌活性，從褐藻中提取的AOS可減輕腸炎沙門氏菌對肉雞生產性能的負面影響，并可通過促進乳酸菌生長和調節黏膜中細胞因子表達和抗體產生來抑制盲腸中的沙門氏菌定植[35]，濃度為2%AOS不僅延長酸奶中酵母菌的生長活性，還能抑制霉菌的增殖生長[36]。上述研究表明，AOS具有顯著的抑菌作用，可應用于開發治療人與動物相關藥品以及食品類防腐保鮮劑。

2.4 降血壓活性

高血壓是一種普遍存在于中老年的慢性心血管疾病，AOS被證明是一種具有顯著降低血壓作用的寡糖。用酶解的AOS（500 Da）喂養高鹽飲食、對鹽敏感Dahl大鼠，能夠以劑量依賴的方式減輕大鼠收縮壓的增加，顯著減輕高血壓腎小球硬化和腎動脈損傷[37]。Moriya等[38]采用皮下途徑注射褐藻酸鈉治療（攝入量60 mg/d）Dahl大鼠的鹽誘導高血壓，盡管在治療過程中糞便和尿液中鈉的排泄水平沒有顯著變化，但是實驗14 d后基本治愈了大鼠的高血壓癥。

研究表明褐藻膠寡糖具有良好的降血壓活性，但其作用機制還存在很多爭議。有人認為高分子量褐藻膠寡糖不易被人體腸道吸收，而且其糖環上有羧基可以與腸道中的鹽離子相互結合，減少機體對鹽離子的吸收從而降低血壓[37]。但是冀為等[39]證明了低分子量海藻酸鉀（1 800 Da，攝入量 250 mg/kg～500 mg/kg）同樣能顯著降低自發性高血壓模型大鼠的血壓，這與前面提出的推論完全相反，由此說明還存在其他的代謝機制。因此，不管是自發性高血壓還是高鹽引起高血壓，AOS都對其有一定的降低效果，但是其作用機制還需要更深入研究與探討。

2.5 調節免疫活性

AOS的免疫調節與抗腫瘤特性是密不可分的，研究表明AOS能誘導細胞分泌細胞因子從而調節免疫系統。腫瘤壞死因子-α、粒細胞集落刺激因子（granulocyte colony-stimu1ating factor，G-CSF）、單核細胞趨化蛋白-1、活化調節、正常T細胞表達、分泌受激活調節正常T細胞表達和分泌因子、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子和嗜酸性粒細胞趨化因子都可以由AOS在不同程度上誘導，這取決于寡糖分子結構。此外，AOS還能激活顯著水平的白細胞介素（IL）1-α、IL1-β、IL-6、IL-9 和IL-13的形成[40]。酶解的AOS（Dp：3～9，529 Da～1 585 Da，70 mg/kg）也能激活小鼠體內多種免疫反應性細胞因子的合成，這些結果共同證明了AOS激活巨噬細胞從而提高宿主免疫系統的能力[41]。酶解得到的GOS相比于其他寡糖分子在RAW264.7細胞中表現出顯著的一氧化氮誘導活性，例如，酶促解聚所得的GOS（濃度 1 000 μg/mL），可誘導 RAW264.7 細胞分泌腫瘤壞死因子和活性氧，并可通過增加誘導型一氧化氮合酶的表達來增加一氧化氮的產生，因此GOS被認為是有效的巨噬細胞激活劑[42]。海藻酸釩寡糖（vanadate alginate oligosaccharide，VAOS）是一種新型的海藻酸釩配合物，其在非小細胞肺癌的治療中起著顯著的重要，Zhou等[43]在研究過程中發現VAOS對蛋白酪氨酸磷酸酶去磷酸化活性有顯著的抑制作用，而且這種酶會促進非小細胞肺癌的發展，VAOS能夠顯著抑制蛋白酪氨酸磷酸酶的活性，從而減輕腫瘤細胞負荷。

2.6 改善腸道功能

研究表明AOS是一種潛在的益生元，可通過促進益生菌成為優勢菌群，抑制有害菌的生長，最后被分解為各種短鏈脂肪酸來調節腸道微生態平衡。利用體外模擬人體內發酵試驗研究褐藻膠來源的AOS與假單銅綠細菌來源的AOS對腸道菌群的相互作用，兩者發酵后的菌群結構相似，均能增加發酵液中乳桿菌和擬桿菌的菌數，減少一些條件致病菌的數量[44]。AOS的制備方法、大小與結構組成均對益生作用有一定的影響，武敏[45]研究了不同濃度的AOS對保加利亞乳桿菌（Lactobacillus bulgaricus）與雙歧桿菌（Bifidobacterium）生長的影響，通過對比與分析得到2 g/L為最優的添加量。王海松等[46]研究了不同組分的低聚糖對腸道菌群的作用，發現由甘露糖組成的低聚糖更有利于抑制瘤胃球菌屬（Ruminococcus）的生長。由于酶解得到的AOS存在不飽和結構，其對腸道菌群的作用優于飽和的AOS，在體外用來源于豬體內的微生物發酵24 h，對比瓊脂寡糖（0.4 kDa～1.4 kDa）與卡拉膠寡糖（1.0 kDa～7.0 kDa），酶解得到的褐藻膠寡糖（1.0kDa～5kDa）能顯著地抑制埃希氏菌屬（Escherichia）、志賀氏菌屬（Shigella）和嗜胨菌屬（Peptoniphilus）等致病菌的生長[47]。將2.5%低聚褐藻酸鈉添加到歐洲鱸魚的日常飼料里，能顯著提高營養物質的利用率，進一步分析表明是由于褐藻膠寡糖能顯著增強腸前壁酶的活性與腸絨毛的寬度，從而改善腸道功能[48]。

2.7 其他生物活性

褐藻膠寡糖還具有抗腫瘤、保護神經活性、促進細胞生長、降低血脂、抗糖尿病等功能。AOS的抗腫瘤主要作用機制是基于抗氧化作用、抗炎作用與免疫調節相結合的一種機制，在已經證明AOS有顯著的抗氧化活性與協助抗腫瘤治療的前提下，將AOS（Dp：5，10 mg/d）給手術治療后的骨肉瘤患者服用2年，結果發現AOS協助治療的患者平均腫瘤體積和復發率顯著減少，降低了患者的IL-1β和IL-6水平，提高了體內的超氧化物歧化酶、谷胱甘肽和血清高密度脂蛋白膽固醇水平[49]。研究表明AOS不僅能防止氧化過激反應引起的神經損傷，還能改善自發性神經衰退的癥狀，Bi等[50]發現了MOS能顯著地抑制淀粉樣蛋白β1-42寡聚體的聚集，降低蛋白β1-42的表達，從而降低淀粉樣前體蛋白和BACE1的水平，并說明不飽和甘露寡糖通過參與自噬改善阿爾茨海默病。AOS可以刺激血管內皮生長因子來促進人類角質形成細胞的增殖，Zhang等[51]分析了AOS促進植物組織生長的機制及研究進展，結果表明AOS可以通過刺激生長因子來調節細胞的生長。

天然來源的AOS已被證明具有顯著的降血脂活性，通過初步的研究得到其可通過抑制膽固醇的攝入從而降低血脂水平，另外AOS的衍生物硫化多糖丙二醇古羅糖醛酸（propylene glycol guluronate sulfate，PGGS）被證明具有以劑量依賴的方式降低甘油三酯和總膽固醇的能力，主要是通過腺苷酸激活蛋白激酶（adenine monophosphate activated protein kinase，AMPK） 信號介導的[52]。褐藻酸鈉被證明能調節結腸轉錄，有效地抑制肥胖和肥胖相關代謝綜合征[53]，因此表明不同的褐藻膠多糖的降血脂機制不同，由于其結構與分子的多樣性，其作用機制也呈現了多樣化。新型低聚甘露糖酸鉻被發現能有效地改善骨骼肌細胞的胰島素敏感性，可通過上調AMPK相關信號通路與線粒體代謝功能進而改善2型糖尿病[54]。

3 展望

褐藻膠寡糖的功能特性研究為其加工功能性食品以及藥物的開發提供了很多新思路，研究表明，褐藻膠寡糖功能特性的多樣性與其結構多樣性密切相關。這種聯系促進了研究者對影響褐藻膠寡糖功能特性的多種基本因素的研究，包括降解模式、分子量、G/M比、空間構象及其衍生物。然而目前對褐藻膠寡糖的功能活性機制的研究尚不全面，因此對不同結構褐藻膠寡糖的制備及其結構與功能之間的關系有待研究。由于技術與資源的局限，目前很多研究只集中在AOS混合物功能特性的研究，針對單一結構、單一分子量的AOS的研究較少。在未來的研究中，不僅需要尋找更高效快速的方法分離純化AOS，還需要深入研究其中結構-功能的構效關系。