海藻酸钠寡糖生物活性的研究进展

张玉娟，罗福文，姚子昂，李 倩，吴海歌*

（1.大连大学 生命科学与技术学院，辽宁 大连 116622；2.大连医科大学 附属第二医院普外科，辽宁 大连 116027）

海藻酸钠（sodium alginate）是1881年英国化学家STANFORD首次从窄叶海带（Laminaria stenophylla）中加碱提取出的一种胶质[1]，海藻酸钠主要由α-L-甘露糖醛酸（M单元）与β-D-古洛糖醛酸（G单元）以3种方式（MM段、GG段和MG段）通过α-1，4糖苷键链接，从而形成一种无支链的线性嵌段共聚物，分子式为（C6H7NaO6）n，结构式如下：

由于海藻酸钠是一种高聚合度的多糖类物质，其具有凝胶性强、黏度大、水溶性差、不易被吸收等特点，因此限制了海藻酸钠在生物医药等领域的应用。近年来随着海洋科学研究的不断深入，具有多种生理活性的海藻多糖降解产物——海藻酸钠寡糖（alginate oligosaccharides，AOS）逐渐进入人们的视野[2]。

海藻酸钠寡糖（AOS）是由海藻酸钠降解而成的一种寡聚物，由甘露糖醛酸（M）、古罗糖醛酸（G）或二者杂合段组成。目前海藻酸钠寡糖的制备方法主要有物理降解法、酸降解法、氧化降解法和酶解法等[3-6]。其中酶解法是一种条件温和、可控性强和特异性高的生物降解方法，也是该领域的主要研究方向之一。海藻酸钠裂解酶[7-9]是通过β消去机制降解海藻酸钠，在寡糖制备方面明显优于化学法和物理降解法。

近年来研究表明，海藻酸钠寡糖具有多种生物活性（如具有抗肿瘤、抗凝血、降血压、免疫调节、促进植物生长等[10-15]作用），本文就近几年海藻酸钠寡糖生物活性的研究进展进行综述。

1 海藻酸钠寡糖的生物活性

1.1 促进植物生长和诱导抗逆性的作用

目前研究表明，海藻酸钠寡糖具有调节植物生长、诱导植物抗逆性和直接作用于植物病原菌的作用。ZHANG Y H等[16]研究发现，10～80mg/mL的AOS可以诱导小麦（Triticum aestivum L.）根系产生NO，促进小麦根的生长与延伸，并呈剂量依赖效应。NO抑制剂硝酸还原酶（nitrate reductase，NR）是根系形成必不可少的一种酶，目前发现AOS可以通过上调NR基因表达和活性来诱导小麦根系NO的产生，从而促进根系的生长和延伸。解剖学和逆转录-聚合酶链反应（reverse transcription-polymerase chain reaction，RT-PCR）结果也证明，AOS可以促进中柱细胞的分裂和生长，进而增加根部横截面的中柱面积。ZHANG Y H等[17]研究发现，AOS作为激发子能诱导白菜叶肉细胞中Ca2+的释放，提高氮代谢相关酶硝酸还原酶（nitrate reductase，NR）、谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase，GS）、谷氨酸脱氢酶（glutamate dehydrogenase，GDH）等的活性。KHAN ZH等[18]发现用物理方法Co-60辐照制得的AOS能够促进罂粟的生长，提高植物产量，增加吗啡和可卡因的含量。AOS作为一种内源性寡糖，在植物抗逆方面起到信号分子的作用，LIU R X等[19]用AOS溶液喷施番茄幼苗叶片，发现AOS通过减少丙二醛（methane dicarboxylic aldehyde，MDA）含量、降低电解质渗漏、增加超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（peroxidase，POD）、苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia lyase，PAL）、氧化氢酶（hydrogen peroxidase，CAT）的活性来增加脯氨酸和可溶性糖的含量，从而达到缓解干旱胁迫[20]的作用，提高植物的抗旱性能。刘瑞志等[21]研究发现，AOS能诱导烟草CAT、SOD和POD活力的提高，清除氧自由基、保护细胞膜和叶绿素机构，减少烟草叶片损伤，进而提高烟草耐低温能力。综上所述，AOS具有促进植物生长和诱导植物抗逆作用，在保护农作物方面发挥了极大的作用，具有开发为绿色农药的前景。

1.2 诱导动物细胞因子的产生

AOS不仅可以调控植物发育和防御过程，还可诱导动物细胞分泌细胞生长因子，提高机体免疫的能力。KAWADAA等[22]研究发现，AOS可作为协同因子，激活表皮生长因子，进而显著提高人角质细胞的生长。IWAMOTO M等[13]研究表明，酶解获得的AOS可以诱导鼠巨噬细胞RAW264.7中TNF-α、IL-1a、IL-1b和IL-6等细胞因子的分泌，其中古罗糖醛酸寡糖G8和甘露糖醛酸寡糖M7的作用最明显，具有刺激细胞因子分泌的最合适的分子大小和整体构象。YAMAMOTO Y等[23]检测了小鼠腹腔注射AOS后，血清中细胞因子水平的变化。腹膜注射700mg/kg的AOS后，G-CSF的血清水平迅速增加，2h后达到最高水平，这种高水平能持续4h，然后逐渐减少，而注入700mg/kg的海藻酸钠并没有影响。Bio-Plex实验同时检测了血清中23种细胞因子，发现AOS能够诱导20种细胞因子的增加。在细胞因子检测中G-CSF的水平是最高的，单核细胞趋化蛋白-1、IL-6、角化细胞派生趋化因子、IL-12（p40）和控制上调正常T细胞表达和分泌的趋化因子也相对较高，超出了血清峰值点5 000pg/mL。

1.3 抗菌活性

YAN G L等[24]向禽类饲料中分别添加0、0.04%、0.2%的AOS，一半幼禽用108cfu的肠炎沙门氏菌感染，另一半用无菌PBS作对照。喂食AOS组的幼禽体重下降、死亡率等情况都有所缓解。实验结果发现，0.2%的AOS能有效地抑制肠炎沙门氏菌的繁殖，并且能够增加幼禽盲肠中的乳酸菌数量，提高幼禽体内肠炎沙门氏菌特定抗体的含量。AN Q D等[25]研究发现聚合度为6.0的AOS具有抑制绿脓假单胞菌的抗菌活性。陈丽等[26]研究了酸解海藻酸钠获得的平均聚合度为5～23的AOS在体外对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制作用，结果表明，AOS对2种致病菌的生长均有直接的抑制作用，并且对大肠杆菌的抑制作用要强于金黄色葡萄球菌，且呈剂量依赖关系。陈丽等[27]研究了氧化法获得的AOS对3种常见水产致病菌的抑菌活性，结果表明，AOS对嗜水气单胞菌和白色念珠菌具有较强的抑菌活性，对鳗弧菌在指数后期表现出较强的抗菌活性，对3种致病菌的抗菌活性都随寡糖浓度升高而增强。AOS对动植物的一些致病菌表现出很强的抑菌作用，而AOS本身安全无毒、没有残留，因此可作为一种新型的微生物抑制剂，在动植物、水生产品保护等方面表现出广阔的应用前景。

1.4 抗氧化作用

氧自由基在癌症形成、血栓形成、动脉粥样硬化、糖尿病、肝炎等疾病的发生中都起了重要的作用，降低体内的过氧化状态对预防和治疗疾病具有重要的意义。包华芳等[28]研究了酶解方法制备的AOS的抗氧化作用，发现平均聚合度为2的AOS抗氧化能力最大，每克平均氧自由基吸收能力为1 374.25μmol 水溶性维生素E当量（trolox equivalents，TE），且随AOS含量的升高抗氧化能力增强。赵丹等[29]研究了酸解海藻酸钠制备的甘露醇醛酸寡糖和古罗糖醛酸寡糖的抗氧化能力，发现2种寡糖对超氧离子及羟自由基的清除效率都比海藻酸钠强，且随寡糖浓度的升高而增强，说明两种寡糖都是很好的抗氧化剂。孙丽萍等[30]采用化学发光法和大肠杆菌法研究了AOS对O—2·、·OH和次氯酸3种自由基的清除作用发现，分子量在1 000u以下的AOS在3种体系中均具有很好的清除作用，清除作用随AOS浓度的增加而增强，且分子量是影响自由基清除率的重要因素。AOS作为抗氧化剂可广泛应用于食品、医药、保健、化妆品等产品的开发，并且作为安全无毒的糖类物质必将受到人们的青睐。

1.5 抗肿瘤活性

HU X K等[31]将酶解制备的2种分子量的AOS及其硫酸化衍生物作用于tsFT210细胞，发现对其没有直接的细胞毒性作用，之后用这些寡糖及其衍生物直接作用于昆明鼠发现，分子量为3 798u、硫酸化程度为1.3的AOS表现出较好的抗肿瘤活性，100mg/kg和50mg/kg的AOS对S180细胞的抑制率分别达到70.4%和66.0%，因此，认为AOS及其硫酸化衍生物通过调节机体的免疫系统来间接起到抗肿瘤活性的。IWAMOTO Y等[10]发现，酶解获得的AOS对人白血病U-937细胞有较强的抑制作用，可以导致U-937细胞细胞核形态学上的变化，从而导致细胞凋亡。可以看出AOS抗肿瘤的机理是多样的，能够通过提高机体对肿瘤细胞的防御能力和增强宿主免疫系统功能来实现抗肿瘤作用[32]，或者能够直接抑制一些肿瘤细胞的生长。

1.6 神经保护

氧化应激是神经退行性疾病的一个主要的有害级联启动，TUSI S K等[33]研究了AOS在保护H2O2引起PC12神经细胞死亡的分子机制，发现AOS能抑制H2O2诱导PC12细胞依赖于内质网和线粒体的凋亡。其分子机制为AOS促进Bcl-2的表达，阻止Bax的表达，抑制H2O2诱导caspase-3的激活，阻断PARP的剪切。AOS在细胞凋亡通路中作为关键分子可减少p53、p38、c-June NH2末端激酶的磷酸化，抑制NF-kB的的表达，增强Nrf2的活性。这个结果表明，用AOS处理PC12细胞能够阻止H2O2诱导的氧化应激和起始于内质网和线粒体的半胱天冬酶依赖性凋亡级联，预示了AOS具有保护神经免受H2O2的损伤。体内实验进一步证实了AOS对Aβ诱导的神经损伤具有保护的潜能。董晓莉等[34]研究了AOS对帕金森病（parkinson disease，PD）导致的神经元损伤修复作用，结果表明，AOS能明显提高PD大鼠损毁侧纹状体、杏仁核的多巴胺释放量，而对其侧键无影响，说明海藻酸钠寡糖对预防与治疗神经损伤引起的疾病有重要的意义。

1.7 AOS的其他活性

低分子量的海藻酸钠寡糖衍生物具有很好的抗凝血作用[11]，且安全无毒，是抗凝药物开发的热点之一。大量研究还表明，AOS具有促进益生菌双歧杆菌的增殖作用，并且作为一种优质的膳食纤维，可促进胃肠蠕动，有效改善便秘的发生。AOS对重金属离子还有一定的吸附性，可以开发成为排毒保健产品。STATO R等[35]将AOS与鲤鱼肌原纤维蛋白配合起来研究发现，AOS能提高鱼肌肉蛋白的溶解性与热稳定性，并具有较好的乳浊液形成能力，且性质稳定，说明AOS与一些物质配合后能明显改善这些物质自身性能，提高其应用价值。海藻酸钠酸解获得的聚甘露糖醛酸段和聚古罗糖醛酸段经硫酸酯化和成盐修饰后还具有抗消化性溃疡的作用。因其独特的羧基结构，使得AOS在抗炎方面表现出很好的潜力。王鹏等[36]研究了褐藻低聚糖对提高大菱鲆的免疫机能发现，褐藻低聚糖能提高大菱鲆血液中酸性磷酸酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶活力和头肾淋巴细胞的吞噬率，说明褐藻低聚糖可以作为一种非特异性免疫调节剂，调节大菱鲆机体的免疫能力，为AOS在水产养殖中奠定了一定的理论基础。

2 前景与展望

自1929年美国的Kelco公司首次将海藻酸钠作为商品大规模生产以来，人们对海藻酸钠的理化性质进行了大量的研究，在食品领域有着广泛的应用。目前国际上已经把海藻酸钠规定为一种无需限量的食品添加剂。以海藻酸钠为原料制备的海藻酸钠寡糖表现出很多生理活性，因原料廉价易得、分子量低、水溶性好、易吸收、安全等优点，在食品、生物医药、农畜牧业等领域越来越受到国内外学者的青睐。因其安全性高，可被广泛应用于食品领域，如作为食品添加剂应用于功能食品、保健品及口感改良剂等；在医药方面可开发为抗肿瘤、抗凝血、神经保护类药物等；在农业方面海藻酸钠寡糖可被开发为安全无公害、无残留的绿色农药，既能起到传统农药应有的作用，又能解决农药残留问题。但是其很多生物活性作用机理及构效关系还不是很清楚，因此这将成为今后该领域研究的热点之一，为其在食品、医药卫生、农业、畜牧业等领域的应用提供科学依据。

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