岩藻多糖结构对其功能的影响研究进展

艾正文,桂 敏,于 鹏,王 辉,姜 雪,任 璐

(乳业生物技术国家重点实验室,上海乳业生物工程技术研究中心, 光明乳业股份有限公司乳业研究院,上海 200436)

岩藻多糖又名岩藻聚糖硫酸酯,是一种富含硫酸基的大分子多聚糖,广泛存在于诸如墨角藻[1]、海带[2]、马尾藻[3]等褐藻细胞组织中。最近几年，随着人们对岩藻多糖研究的深入,岩藻多糖在抗氧化[4]、抗肿瘤[5]、抗凝血[6]、及提高免疫力[7]等方面的功能逐渐被发现。岩藻多糖作为一种复杂的高分子多聚糖,其生物活性功能受到分子内糖的类型和连接方式、硫酸基团含量以及分子量大小等多种因素的影响[8-9],逐渐成为各方研究的重点。本文着重阐述了岩藻多糖结构对其功能特性的影响的最新研究情况,从而为后续相关研究提供思路。

1 岩藻多糖结构

岩藻多糖是一种同型杂多糖,含有大量的岩藻糖和硫酸基团。此外,根据岩藻多糖来源的不同,其分子结构中还存在部分半乳糖、甘露糖以及鼠李糖等多种形式的单糖和多糖。这些单糖和多糖可通过不同比例的1,3-岩藻糖、1,3-半乳糖、1,4-半乳糖和1,6-半乳糖等糖链与硫酸基团接合后形成不同形式的岩藻多糖[10],研究表明岩藻多糖硫酸基团多位于3号或4号位。不同海藻中的岩藻多糖的结构也不尽相同,但是大致可以分为2个类型,一是以(1-3)-α-L-吡喃岩藻糖为重复单元的主链,另一种主链以(1-3)-吡喃岩藻糖和(1-4)-α-L-吡喃岩藻糖为重复单元组成(图1)[11]。但是目前对岩藻多糖分子结构的认识仍然不足,大多数海藻中岩藻多糖中半乳糖、甘露糖、鼠李糖、阿拉伯糖以及葡萄糖在主链上位置仍不清楚。研究发现从褐藻S.latissima提取的岩藻多糖的主要由在C-4/C-2位上的3-α-L-岩藻吡喃糖和在分支C-2位上的硫酸α-L-岩藻吡喃糖残基组成[12]。

图1 岩藻多糖结构类型[11]Fig.1 The types of fucoidin structure[11]注:R代表α-L-吡喃岩藻糖、α-D-葡糖醛酸和硫酸基团,但是半乳糖、甘露糖、木糖、鼠李糖、阿拉伯糖以及葡萄糖在岩藻糖碳链上的位置目前仍不明确。

由于岩藻多糖是一种多聚糖,分子量从几万道尔顿到几十万道尔顿都有分布,然而较高的分子量的岩藻多糖在溶解性以及功能特性等方面会受到很大的影响,从而限制了其应用范围。岩藻多糖通过物理、化学和生物方法处理可以得到小分子量的岩藻多糖(LMWFs)。低分子量岩藻多糖(LMWFs)经结构分析发现,岩藻糖上连有的硫酸基团主要集中在2号位上,3号位上很少,而在4号位上几乎没有,而岩藻聚糖之间主要以α-1,4糖苷键相连。

目前可通过辐照[13]、酶解[14]、酸解[15]、超声波[16]以及动态高压处理[17]实现岩藻多糖分子结构的解聚。Choi等[18]利用伽马射线对岩藻多糖进行辐射处理,并对其结构进行了分析,结果发现辐照处理能够显著(p<0.05)提高岩藻多糖分子中羟基和不饱和键的含量,同时从电镜照片中可以观察到颗粒状裂纹。相似的,Changotade等[19]通过辐照和酸水解得到了不同分子量的岩藻多糖,并对其功能特性进行了研究,结果同样发现岩藻多糖的功能与其结构具有密切的联系。

2 岩藻多糖结构对其功能的影响

2.1 抗氧化活性

环境污染、紫外辐射以及自身机体代谢会产生大量的自由基。越来越多的研究表明,包括癌症在内相当多的疾病与体内过多的自由基产生有关。岩藻多糖是一种主要来源于海藻的天然高分子多糖,由于其良好的抗氧化活性正逐渐成为人们关注的重点。研究发现从可食用的墨角藻中提取得到的岩藻多糖可防止超氧化物自由基、羟基自由基的生成,同时还能抑制脂质的过氧化[20]。

热处理是改变物质化学结构最简单的方法,Lahrsen等[21]分别比较了加热和H2O2方式对从墨角藻中提取得到的岩藻多糖结构的影响。试验结果发现H2O2对岩藻多糖的降解作用更加明显,经过H2O2处理后的岩藻多糖分子量降低了一半多,但是对岩藻多糖侧链的影响较少,因此H2O2处理后的岩藻多糖在抗氧化和抗肿瘤活性方面与热处理相比效果更加显著。此外,由于动态超高压处理过程中会产生空化、湍流以及剪切等强烈的物理现象,因此会对岩藻多糖的分子结构产生很大的影响。研究显示岩藻多糖在经过超高压均质后,原本分子表面粗糙的结构被高压处理所破坏,但是100 MPa压力下均质对岩藻多糖分子结构中硫酸根基团的影响不大,说明100 MPa的均质压力不足以导致岩藻多糖分子结构中的硫酸根基团从主链上脱落,但是经过70和100 MPa处理过的岩藻多糖与未经处理的样品相比具有更好的抗氧化功能,这可能与岩藻多糖在高压力处理下,主链结构断裂,造成分子量降低有关[17]。

虽然岩藻多糖的分子结构对其抗氧化活性具有明显的影响,但是研究也表明不同海藻来源的岩藻多糖由于在化学组成以及结构等方面的细微差别,所以其抗氧化活性也存在一定的差异[22]。张加幸等[23]对不同收获时期和不同品种的海带中岩藻多糖的抗氧化活性进行了研究,结果表明不同品种的海藻在岩藻多糖硫酸酯的组成上存在差异,硫酸基团含量较高的海带中的岩藻多糖抗氧化性能更加优异。

通过对有关岩藻多糖抗氧化研究的梳理发现,岩藻多糖抗氧化性能与其分子量和硫酸基团含量有着密切地联系。目前可以通过物理、化学和生物方法获得较低分子量的岩藻多糖,但是化学改性目前存在较多的问题,物理和生物改性方法可能是未来的发展方向。

2.2 抑菌活性

研究表明海藻中萜烯、含硫杂环化合物和酚类化合物等物质都具有抑菌活性[22]。岩藻多糖是一种主要来源于海藻中的复杂硫酸酯多糖,分子结构中含有大量的硫酸根基团。Marudhupandi等[24]研究发现从马尾藻中提取的硫酸多糖对大肠杆菌、霍乱弧菌和沙门氏菌等人类致病菌具有明显的抑制功能,实验结果表明马尾藻中的硫酸酯多糖是一种有效、安全的抑菌剂。最新研究结果表明,硫酸多糖抑菌功能不仅仅取决于岩藻糖的分子量以及硫酸根基团的含量,而是主要受到硫酸多糖中单糖的构成和比例,以及岩藻糖的分子构象等多重因素的影响[25]。目前大多数研究人员认为硫酸多糖抑菌主要通过两条路径,一是,硫酸多糖可以和细菌表面结合,从而破坏细胞膜,造成细胞膜内的蛋白质和营养物质泄漏,最终导致细胞死亡。另一条途径则是,硫酸多糖表面携带了大量的负电荷,从而可以与培养基中矿物质等阳离子结合,造成细菌营养素匮乏,从而导致细菌的死亡[26-27]。然而,关于硫酸多糖的抑菌机制仍然存在争论。Liu等[25]对昆布(Laminariajaponica)中提取的岩藻多糖进行了解聚,并对其抗菌活性进行了研究,研究发现,Laminariajaponica中岩藻多糖在解聚前几乎没有抗菌活性,但是通过高温热水解后可以显著提高对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制作用。解聚后的岩藻多糖可以破坏细胞膜以及细胞膜膜上的膜蛋白,从而造成细胞膜的流动性发生变化或者激活自噬细胞以达到抑菌目的。此外,低分子量和较强阴离子性质的岩藻多糖可以明显的增加抗菌活性。Hwang等[28]同样发现低分子量的岩藻多糖更容易渗透到细菌细胞内,从而导致细胞瓦解。然而,目前岩藻多糖作为抑菌剂应用到商业中的案例还很少见,一方面是由于其抑菌机制还需要更加深入地研究,抑菌性能与目前应用成熟的抑菌剂相比还存在一定差异,另一方面,其独特的风味还需更进一步改善。

2.3 提高免疫力

脾脏和胸腺是人体内重要的免疫器官,当外源性异物进入人体后,机体会启动免疫应答以对抗抗原物质。因此,免疫力的强弱对人体抵抗外来病原体、预防肿瘤以及保持机体正常运转等方面发挥着巨大的作用。研究表明甘露糖、葡聚糖、果胶多糖、阿拉伯多糖、岩藻多糖、果糖以及木聚糖等糖类具有免疫刺激功能(图2),因此这些糖类又称之为免疫刺激性多糖[7]。岩藻糖作为一种天然存在的植物性多糖,石磊等[29]研究发现岩藻多糖可以增加免疫器官的重量以及单核-巨噬细胞的吞噬功能。Jin等[4]通过动物试验发现岩藻多糖能够显著提高脾脏树突状细胞的成熟和功能,促进脾脏树突状细胞中CD40、CD80以及CD86的表达,同时还可以增强Th1免疫反应。此外,岩藻多糖还具有一定调节肠道免疫的功能。Yuguchi等[30]研究表明岩藻多糖可以通过派尔集合淋巴结细胞(Peyer’s patch cells)刺激肠道免疫反应,同时研究还发现岩藻多糖主链上交替的(1→3)和(1→4)糖苷键对肠道免疫的调节能力至关重要。

图2 免疫刺激性多糖调节免疫力的机制[9]Fig.2 Mechanism of immunostimulatory polysaccharides regulating immunity[9]

综合体内和体外试验结果表明岩藻多糖免疫刺激作用与岩藻多糖分子中硫酸根基团以及乙酰基基团有关,研究人员通过技术手段将分子结构中硫酸根基团去除后,岩藻多糖免疫刺激作用显著降低[31]。这与Yuguchi等[30]的研究结果基本相一致。

2.4 抗肿瘤活性

癌症是导致发展中国家人口死亡的第二大疾病,仅次于心血管疾病。如何预防和治疗癌症成为各国研究人员研究的重点。目前,化疗和放疗是治疗癌症的主要方式,然而由此带来的对身体的副作用却不容小视。最近几年,从海洋资源中分离出来的具有抗肿瘤作用的天然化合物引起了保健品行业和制药工业的高度关注。随着研究的深入,研究人员发现从褐藻中提取的岩藻多糖具有潜在的抑制肿瘤的作用。Vishchuk等[32]对从俄罗斯远东海域褐藻中提取的岩藻多糖的抗肿瘤活性进行了研究,研究表明岩藻多糖对人结肠癌DLD-1、乳腺癌T-47D和黑色素瘤RPMI-7951细胞系均有不同的抑制作用,且抗肿瘤活性与岩藻多糖的分子结构有关。波利团扇藻(Padinaboryana)是一种广泛生活在各地海域的褐色海藻,Usoltseva等[33]对波利团扇藻中的岩藻多糖进行改性,得到了3个岩藻多糖片段(PbF,PbFDA和PbFDADS),并对其抗肿瘤活性进行了研究。研究结果表明200 μg/mL浓度的岩藻多糖片段就可以对人结直肠腺癌上皮细胞(DLD-1)和人结肠癌细胞(HCT-116)实现抑制作用,其中PbF对这两种肿瘤细胞抑制效率均超过70%。相似的,Silchenko等[34]利用岩藻多糖酶对天然墨角藻中的岩藻多糖进行酶解,得到分子量为50.8 kDa的片段HMP,并分别加入到HTC-116、HT-29和DLD-1细胞中。体外试验结果表明HMP对肿瘤细胞具有一定的抑制作用,其中对DLD-1的抑制率接近70%,但是与未经酶解的岩藻多糖相比,HMP抑制率相对较低。目前部分岩藻多糖分子片段表现出一定的肿瘤抑制作用,但是有效片段的筛选和定向获取仍存在较大的困难。

2.5 其他活性

岩藻多糖作为一种新兴的天然活性海藻多糖除了具有抗氧化、提高免疫力以及抗肿瘤等活性以外,还具有抗凝血、抗炎等功能。目前大量研究表明,岩藻多糖抗凝血活性与硫酸基团和碳水化合物含量有关。岩藻多糖中果糖和硫酸基团含量越高其抗凝血作用越强。此外,岩藻多糖链上的硫酸根基团的位置对岩藻多糖的抗凝血作用影响也很大[35]。除此之外,岩藻多糖的分子量对其功能特性也有一定的影响,但是目前岩藻多糖分子量大小与抗凝血活性之间的关系还没有完全确定[36-37]。

岩藻多糖除了在抗凝血方面有一定功能外,其在抗炎方面也具有潜在的作用。研究发现,岩藻多糖可以通过抑制NO合成酶和环氧酶(COX-2)的表达,从而降低体内NO和前列腺素E2(PGE2)的含量,而试验现已证明NO和PGE2与某些炎症密切相关[38]。Park等[39]以胶原诱导性关节炎小鼠为模型,研究不同分子量的岩藻多糖对关节炎小鼠的影响。试验研究结果发现高分子量的岩藻多糖会增强炎症反应,而较低分子量的岩藻多糖则会通过抑制TH1介导的免疫反应而减少关节炎的发生。由此可以发现,岩藻多糖的抗炎特性与其分子量大小紧密相关。

此外,岩藻多糖在体内和体外试验中也表现出一定的抗病毒活性。目前现有研究表明岩藻多糖可以有效保护细胞,抑制疱疹病毒、单纯性病毒(HSV)和免疫缺陷病毒的复制[40]。Sinha等[41]研究表明岩藻多糖抗病毒活性与其分子结构中的硫酸根基团和侧链上单糖类型密切相关,经常摄入富含岩藻多糖的褐藻能够显著抑制HSV病毒活性。Mandal等[42]研究结果发现,岩藻多糖主链4号C位置上的(1→3)吡喃岩藻糖对病毒的抑制能力十分关键。同时研究发现岩藻多糖分子结构中富含果糖且硫酸根基团含量较低时对HIV逆转录酶活性有明显的抑制作用[22]。

3 结语

岩藻多糖作为一种新兴的天然高分子多糖,由于其在抗氧化、提升免疫力、抑制肿瘤和抗病毒等方面均具有潜在的应用价值,市场前景广阔,因此受到了广泛的关注。然而,岩藻多糖的分子结构十分复杂,同时不同来源的岩藻多糖在组成、硫酸根基团位置等方面仍有细微的差别,所以目前岩藻多糖在食品或者药品中的应用受到一定的限制。现有研究表明岩藻多糖的功能与其结构密切相关,然而目前对岩藻多糖分子结构的研究仍然不够深入,特别是对岩藻多糖分子结构解析等方面仍面临着较大的挑战。目前针对岩藻多糖结构的研究主要集中在相关官能团含量的分析层面,针对岩藻多糖更高层次的结构和空间构象等领域仍缺乏研究。

此外经过改性后岩藻多糖分子结构的变化情况以及对其功能特性的影响还不明确,尤其目前在岩藻多糖发挥生物活性功能机制层面的相关研究仍较少,因此还需进一步深入的探索。