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海藻多酚生物活性、改性及应用研究进展

2018-01-18陈雨晴

渔业研究 2018年3期
关键词:海藻结果表明改性

陈雨晴,吕 峰

(福建农林大学食品科学学院,福建 福州 350002)

海藻是海洋生物资源的重要组成部分,是当前海洋和生命科学重点关注与研究的资源之一。根据色素成分,大型海藻可大致分为褐藻、红藻、绿藻三大类。海藻属于低等的海生植物,其代谢过程和代谢产物与陆生植物大相径庭。海藻中除富含多糖、蛋白质、氨基酸、多酚、萜类、多不饱和脂肪酸等营养与生物活性成分外[1],还可生成其独有的代谢化合物,如硫酸化多糖、褐藻多酚、岩藻黄质等[2-3]。植物多酚是一类广泛存在于陆生植物和海洋藻类中的次生代谢产物,但这两种不同来源多酚的化学结构存在根本性的差异。陆生植物中含有的多酚是没食子酸和鞣花酸的衍生物[4],而海藻多酚是由间苯三酚单体聚合衍生而来的[5]。植物多酚因其独特的化学结构,具有抑菌、抗氧化、抗癌、预防肥胖及糖尿病、抗辐射、抗过敏、抗哮喘和抗病毒等多种生物活性;但研究发现,褐藻多酚有多达8个相互连接的环,因而具有比陆生植物多酚更强的抗氧化、抑菌等活性[6-7]。本文对近年来国内外有关海藻多酚生物活性、改性与应用的研究现状予以综述,以期为海藻多酚的深层次开发利用提供参考依据。

1 海藻多酚的生物活性

1.1 抑菌活性

目前国内外关于海藻多酚抑菌活性的研究受到业内人士的高度关注并取得了积极的进展。杨会成等[8]采用超声波—微波联合浸提法提取海带多酚并研究其抑菌活性,结果显示采用85%的乙醇溶液为萃取剂,以料液比1∶7、温度70℃提取的海带多酚对7种细菌和2种真菌均有一定程度的抑制作用,且该多酚对受试菌的抑制效果均呈量-效关系。党法斌等[9]对海蒿子、角叉菜及鼠尾藻的多酚提取液进行抑菌试验,通过组间效应分析表明,三种海藻多酚对海洋弧菌的抑制效应依次为:角叉菜多酚>海蒿子多酚>鼠尾藻多酚,且不同来源的海藻多酚与其提取液的含量有显著的交互效应,但随着多酚含量的增加,不同来源的海藻多酚抑菌能力存在显著性差异。Sameeh等[10]比较了乙醇、丙酮、己烷3种萃取剂对浒苔、扇藻多酚提取液抑菌活性的影响,结果表明,采用乙醇和丙酮萃取的多酚提取液对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)、卡他莫拉菌(M.catarrhalis)和淋球菌(N.gonorrhoeae)均具有较强的抑制作用,而且萃取剂的极性对海藻多酚抑菌活性的影响显著。Alghazeer等[11]研究显示海藻多酚对革兰氏阳性菌(如金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌等)的抑制能力优于革兰氏阴性菌(如大肠杆菌、假单胞菌等),这可能是因为革兰氏阴性菌细胞壁周围受外膜包裹而具有较强的耐药性。通过研究人们发现,海藻的种类、酚类化合物的纯度、提取方法与溶剂的极性等因素直接影响海藻多酚抑菌活性[12];海藻多酚具有较为广谱抑菌效果,主要原因是其可破坏细菌细胞壁,导致细菌细胞溶解,并可抑制微生物体内的氧化磷酸化和生物大分子的合成、干扰核酸的转化及代谢等机制[13]。

1.2 抗氧化活性

抗氧化活性是海藻多酚最为突出而普遍的生物活性,因此海藻多酚常被开发成天然抗氧化剂,并被广泛应用于肉制品、水产品、果蔬等食品的保鲜领域[14]。目前国内外对海藻多酚抗氧化活性的研究与抗氧化剂的开发已取得了积极的进展。研究发现海藻多酚的酚羟基能释放氢离子,终止氧化链式反应;能捕获并清除活性能力极高且瞬间即逝的自由基;能与金属离子螯合,减少金属离子对氧化反应的催化作用,因而海藻多酚具有抗氧化活性[15]。杨小青等[16]研究不同分子质量和萃取剂对羊栖菜多酚抗氧化活性的影响,结果表明乙酸乙酯相多酚提取物的各项抗氧化指标均强于水相,其中相对分子质量大于30 000 Da的多酚组分对超氧阴离子和羟自由基的清除能力强于没食子酸、Vc和VE。李可[17]发现从多管藻和松节藻中分离出的溴酚类天然产物具有较强的清除DPPH自由基和ABTS自由基的性能;此外,初步的构效关系分析显示,邻位甲氧基、稠环分子和多羟基等结构特点能有效增强DPPH自由基的清除活性;而特殊取代基如脲基、吡咯烷酮等含有氮原子的基团,以及多羟基、溴代等结构特点均能使ABTS自由基清除活性有所增强。Rajauria等[18]研究了不同浓度对伸长海条藻(Himanthaliaelongata)多酚抗氧化活性的影响,结果表明60%甲醇溶液萃取的多酚提取液具有最强的还原能力,以及对DPPH自由基、金属离子、脂质过氧化氢和过氧化氢自由基的抗氧化能力。El-Aty等[19]比较甲醇、丙酮和水三种萃取剂对阿氏颤藻(Oscillatoriaagardhii)和鱼腥藻(Anabaenasphaerica)多酚提取的效果及其抗氧化活性的影响,证实不同极性的萃取剂对提取液中多酚含量和抗氧化活性有不同的影响,结果显示,阿氏颤藻甲醇提取液的多酚含量最高且抗氧化活性最强,但两种海藻多酚提取液的抗氧化活性均随着其多酚含量的增加而增强。

1.3 抗癌活性

癌症是严重威胁人类身体健康的三大疾病之一。现已证明,海藻多酚具有良好的抗癌活性,其作用机理主要表现为:抑制癌症基因表达;清除体内自由基;诱导癌细胞凋亡与提高机体免疫力[20]。李亚娴[21]的研究结果表明,羊栖菜多酚粗品与其纯化后的组分均表现出对肝癌细胞(Hep G2)、小鼠腹腔巨噬瘤细胞(RAW264.7)、结肠癌细胞(HT29)、人肺癌细胞系(A-549)有抑制作用,但效果各不相同;羊栖菜多酚粗品仅对RAW264.7有明显的抑制作用;基于水相的多酚组分抗癌活性并不显著;正丁醇相的多酚组分对Hep G2和RAW264.7的抑制活性较强;而乙酸乙酯相的多酚组分对四种癌细胞均有强烈的抑制作用。Aravindan等[22]探究了5种海藻多酚对胰腺癌细胞(MiaPaCa-2、Panc-1、BXPC-3、Panc-3.27)的抑制活性,研究结果显示5种海藻多酚均能有效抑制上述的胰腺癌细胞,促进DNA损伤,且对癌细胞增殖的抑制作用呈量-效关系。Namvar等[23]研究马尾藻多酚对MCF-7和MDA-MB-231乳腺癌细胞增殖的抑制作用,结果表明其IC50值分别为22 μg/mL、55 μg/mL;且随着马尾藻多酚含量的增加,MCF-7细胞凋亡率由13%上升至67%。

1.4 预防肥胖和糖尿病活性

高脂肪饮食是引起肥胖的重要因素之一,过度肥胖可能诱发糖尿病。海藻多酚具有抑制脂肪增生、降血糖的作用,从而预防肥胖与糖尿病的发生。Suzuki等[24]用褐藻多酚喂养高脂肪饮食的小鼠,发现该小鼠的体重与正常饮食小鼠无显著性差异,二者体内的脂肪细胞均维持在相似水平;组织病理学分析揭示褐藻多酚能够抑制脂肪细胞的分化,减少脂肪细胞过度生成。Eo等[25]研究结果表明,腔昆布(Eckloniacava)多酚能抑制小鼠体重增加,减少脂肪组织总重量,并降低肝组织的脂肪堆积,从而预防肥胖小鼠因血脂异常导致动脉粥样硬化;此外,腔昆布多酚能够改善小鼠的葡萄糖耐量,有益于提高其葡萄糖代谢,预防2型糖尿病。餐后高血糖是糖尿病的一大症状,Xu等[26]研究发现鹅掌菜(Eckloniakurome)多酚能抑制糖尿病小鼠体内α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的活性,从而降低其餐后高血糖现象;能显著抑制血糖水平的升高,改善葡萄糖耐量;还能减弱小鼠因糖尿病引起的肾小球系膜基质增加、胰岛细胞肥大等异常现象。

1.5 其他生物活性

除了上述生物活性外,海藻多酚还具有其他的生物活性。甘育鸿等[27]研究发现海发菜多酚能有效抑制紫外照射的小鼠皮肤老化,具有抗辐射活性。Yu等[28]研究海带、紫菜、萱藻、小球藻和螺旋藻的抗过敏活性,结果表明萱藻的乙醇提取物总酚含量最高,抗过敏性最强。Jung等[29]报道了红藻多酚对哮喘小鼠具有良好的治愈效果。相关研究发现褐藻多酚能有效抑制冠状病毒、疱疹病毒、杆状DNA病毒,具有抗病毒活性[30]。

2 海藻多酚改性的研究进展

植物多酚具有广泛的生物活性和良好的生物相容性,安全、可再生,在许多行业中拥有广阔的应用前景,因而深受业内人士的青睐。改性是人们对天然活性成分进行原有生理功能的改善或增加新功能的重要手段,以提高其应用价值和拓宽其应用渠道。目前已有许多关于其他植物多酚通过改性增强生物活性的研究,如张智等[31]研究发现落叶松多酚与Zn2+螯合物的抗氧化活性强于落叶松多酚;陶永元等[32]研究结果显示茶多酚与壳聚糖复合物对草莓具有明显的保鲜效果。有报道称,褐藻多酚能自发氧化并与蛋白质发生反应,生成深色的复合物,但在相同的条件下,陆生植物单宁则明显不与蛋白质形成共价化合物[33]。最近几项研究结果表明,褐藻多酚具有比陆生植物多酚更优越的抗氧化性、抑菌性以及更佳的糖尿病治疗效果[34-35],可见针对海藻多酚的改性具有积极的现实意义。

2.1 海藻多酚与金属离子的螯合改性

金属元素在整个生命体系中起着重要的作用,如锌可作为生物抗氧化剂,银及其化合物可作为严重烧伤的抗菌剂[36]。海藻多酚是天然的有机螯合剂[37],能与金属离子螯合并增强其功能活性。Santoso等[38]研究表明七种海藻多酚与亚铁离子的螯合能力依次为:石莼(Ulvareticulata)>拟刚毛藻(Cladophoropsisvaucheriaeformis)>仙掌藻(Halimedamacroloba)>扇藻(Padinaaustralis)>蕨藻(Caulerpasertularoides)>小叶喇叭藻(Turbinariaconoides),且螯合物均能显著降低鱼油的过氧化值(POV),起到抗氧化的效果;但在鱼油体系中有些海藻多酚与亚铁离子的螯合能力有所下降,结果表明,蕨藻多酚与亚铁离子螯合物的抗氧化性最强。Yoshie-Stark等[39]将羊栖菜(Hizikiafusiformis)多酚与亚铁离子和铜离子进行螯合反应,发现羊栖菜多酚与两种金属离子均具有良好的螯合效应;但与亚铁螯合物相比,铜螯合物能显著降低鱼油的过氧化值,表明金属离子的类型会影响海藻多酚的螯合改性。

2.2 海藻多酚与蛋白质、多糖的复合改性

海藻多酚作为重要的次生代谢产物,具有广泛的生物活性;而蛋白质有丰富的营养价值,可提供人体所需的氨基酸。将多酚与蛋白质进行复合改性,综合二者的优势,以满足人们对其营养性和功能性的需求[40]。多酚与蛋白质相互作用包括非共价和共价两种方式。一般来说,非共价相互作用通常是可逆的复合过程,其非共价键包括疏水相互作用、氢键、范德华力等;通过共价键进行共价相互作用则是不可逆的过程[41]。Vissers等[42]通过非共价相互作用制备海带多酚-蛋白质复合物,结果表明海带多酚对β-酪蛋白和牛血清白蛋白(BSA)均有结合亲和力;且海带多酚-蛋白质复合物在pH较低的环境下能阻止蛋白质再溶解,从而保护饲料蛋白质免受瘤胃发酵的影响。

与海藻多酚-蛋白质复合改性类似,海藻多酚还能与多糖复合。通过多酚与多糖的相互作用可以改善多酚的水溶性和稳定性,进而影响其生物活性,起到协同增效的作用[43-44]。研究显示,影响多酚-多糖相互作用的因素包括多酚与多糖的结构、二者相对浓度,溶剂组成、离子强度、温度和pH值等[45]。Li等[46]将紫菜多酚与紫菜多糖的复合物作用于太平洋白虾,结果表明与紫菜多酚相比,紫菜多酚-多糖复合物能更有效地保持太平洋白虾的品质,延长货架期。

除了上述的两元复合改性外,海藻多酚-多糖-蛋白质三元复合物也受到研究学者的关注。由于三元复合物具备三种组分的功能特性与理化性质,因此更具优势。Sellimi等[47]将囊叶藻(Cystoseirabarbata)多酚与蛋白质、多糖进行复合改性,研究发现该复合物具有强大的抗氧化活性,包括自由基清除活性、螯合能力和还原力;此外,还具有显著的抑菌活性,其对金黄色葡萄球菌的抑制作用最为明显,这为海藻多酚-蛋白质-多糖三元复合物发展成为天然防腐剂提供了理论依据。

2.3 海藻多酚与其他物质的复合改性

海藻多酚还能与其他物质进行复合改性提高功能性质。亓明秀[48]研究海藻多酚与半胱氨酸盐复合物对油脂的影响,结果表明复合物能够达到延长油脂保质期、保持油脂正常色泽的效果。Lee等[49]研究爱森藻(Eiseniabicyclis)多酚与红霉素或林可霉素形成复合物的抑菌效果,结果表明两种复合物均能有效抑制痤疮丙酸杆菌的活性。

3 海藻多酚的应用前景

3.1 海藻多酚在食品中的应用

3.1.1 食品的保鲜

食品在加工、贮藏、流通过程中容易受到环境生物、化学和物理因素的影响,导致其颜色、质地、风味等发生变化而变质。目前采用保鲜剂进行食品防腐已成为当今食品保鲜的重要手段之一。基于天然无毒、来源广泛等优势,利用海藻多酚的抑菌、抗氧化等生物活性开发天然抑菌剂、抗氧化剂,从而取代人工合成剂,已成为食品防腐保鲜的发展方向。

水产品保鲜:水产品的收获期相对集中,且易发生脂质氧化、酶促反应、微生物腐败等现象,生成威胁人体健康的有害物质,因此对其在捕捞、运输、贮藏、加工过程中的保鲜技术研究与开发尤为重要[50]。Li等[46]探究了紫菜多酚对冷藏库中太平洋白虾品质的影响,结果表明紫菜多酚能显著降低菌落总数(TVC),抑制其挥发性盐基氮(TVB-N)、硫代巴比妥酸(TBA)含量的增加,抑制多酚氧化酶(PPO)的活性,有效延长太平洋白虾的保鲜期。

肉及肉制品保鲜:肉及肉制品营养丰富,但在贮藏时易自发进行氧化反应,从而影响其食用与营养价值。孟彤[51]提出将海带多酚作为天然抗氧化剂添加到肉糜与乳化肠中,结果表明海带多酚能降低猪肉糜和乳化肠的脂质过氧化值,抑制蛋白质氧化(降低羰基含量和减少巯基损失);且对乳化肠在贮藏过程中的品质(颜色、质构、气味、滋味)无不良影响。

果蔬保鲜:果蔬富含水分和营养物质,采后易受微生物的污染,且自身呼吸代谢会不断消耗营养物质,因此采后果蔬的保鲜一直是研究学者与业内人士的关注重点[52]。李会丽等[53]研究鼠尾藻多酚抗果蔬病原菌的活性,结果表明鼠尾藻多酚能有效控制采后草莓灰霉菌的生长,降低发病率和腐烂率,保持草莓的良好品质。

油脂保鲜:油脂在贮藏过程中易发生自动氧化而导致油脂酸败,长期食用酸败的油脂可导致人体自由基水平升高而引发各种疾病[54]。Kindleysides等[55]将两种褐藻[昆布(Eckloniaradiata)、巨藻(Macrocystispyrifera)]和两种红藻(环节藻Champiasp.、紫菜Porphyrasp.)中提取的多酚化合物添加到鳕鱼鱼油中,并检测其抗氧化性,结果表明所有受试的海藻多酚均具有一定的抗氧化能力,且褐藻优于红藻;其中昆布多酚的DPPH自由基清除能力最强,并优于抗氧化剂BHT,证实了海藻多酚对鱼油产品的抗氧化有显著的效果。

3.1.2 功能食品的开发应用

随着生活水平的提高,人们对疾病的防治,除了药物治疗外,还可食用功能性保健食品加以预防和改善。因此,结合现今所提倡的海洋生物资源开发利用,研发含有海藻多酚的功能食品,预防疾病,促进健康,是当前海藻多酚开发应用的研究方向。海藻多酚在食品中所产生的有益作用可归因于其广泛的生物活性,如抗高血压、抗高尿酸血症等。高血压是一种危险的多发病,可能引发心血管疾病、肾病、中风等其他疾病。血管紧张素转换酶(ACE)可引起人体血压升高,若能抑制其活性,则可实现降压作用[56]。Jung等[57]研究发现多种海藻(包括褐藻、红藻、绿藻)所提取的多酚化合物对ACE具有抑制作用,其中黑藻(Eckloniastolonifera)、腔昆布(E.cava)、鹿角菜(Pelvetiasiliquosa)、嫩杉藻(Gigartinatenella)的抑制效果最为显著,该研究结果表明,海藻多酚具有开发抗高血压药物和功能性食品的潜质。高尿酸血症是因尿酸生成量过多,排泄减少而引起的一种代谢性疾病[58]。李晶[59]的研究表明,鼠尾藻多酚和海带多酚可通过抑制黄嘌呤氧化酶(XOD)活性来降低尿酸,提示这两种海藻多酚有望成为高尿酸血症的保健食品和药物研发的新材料。目前人们在利用海藻多酚生产出与治疗相关疾病的新型功能食品上已付出诸多努力,虽然市场收益并不显著,但随着消费者对天然活性成分的深入认识,海藻多酚在功能食品应用领域将会有更广阔的发展前景[60]。

3.2 海藻多酚在化妆品中的应用

紫外线(UV)可对人体皮肤造成紫外损伤,激发黑素细胞的生长,导致肤色变化,因此抗紫外线是护肤化妆品研发中的重要关注点[61-62]。海藻多酚具有显著的抗辐射、抗氧化、抗衰老及抗炎症等生物活性,因而亦被广泛地运用于化妆品行业,并占据极为重要的地位,具有强大的商业潜力。Heo等[63]从腔昆布海藻(Eckloniacava)中分离出多酚类化合物,其主要成分包括间苯三酚、鹅掌菜酚和二鹅掌菜酚,研究发现这些多酚类化合物均能抑制紫外线B辐射所引起的细胞活性降低和DNA损伤,其中二鹅掌菜酚的抑制作用最为明显;并能有效抑制酪氨酸酶活性从而防止黑色素生成。Na等[64]证实腔昆布多酚能减弱小鼠B16F10黑色瘤细胞的黑色素生成,实现肤色美白的效果。曾帅[65]研究发现羊栖菜多酚能增强经紫外线辐射后的小鼠的成纤维细胞中超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)的活性,并降低丙二醛(MDA)的含量,具有修复细胞的功效。

4 展望

近几年,国内外关于海藻多酚的研发与综合利用取得了重大的进展。利用海藻多酚的生物活性,开发天然的食品添加剂并应用于食品、功能性食品、化妆品等领域,已受到业内人士的广泛关注。随着研究广度和深度的不断拓展,海藻多酚的改性研究已逐渐引起人们的兴趣,但目前人们对海藻多酚的改性研究、改性产物的形成机理及结构特点的探讨还停留在较为粗浅的层面,相信这方面的研究将成为海藻多酚未来研究的重点方向。

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