海带多糖的生理活性及其在食品中的应用研究进展

程晓芳,袁丹丹,张余慧,王琤韦华

(江西科技师范大学,生命科学学院,江西南昌 330013)

海带(Laminariajaponica)属褐藻门、海带属植物,是一种大型的可食用藻类,主要生长于沿海地区,海带中含有多糖、碘、维生素、甘露醇、矿物元素等多种功能性物质[1],具有非常高的营养和药用价值。其中的多糖是海带中最主要的活性成分,存在于海带细胞间和细胞内,与细胞的分裂和分化、机体生长及代谢密切相关[2],它们结构复杂,性质不同,具有抗肿瘤、抗病毒、抗氧化、防辐射、降血糖、降血脂和排毒等多种生理活性[3],在研发新型保健食品方面具有良好的应用前景,如降脂茶、低糖饼干、防龋齿果冻等。同时,海带多糖也因其独特的物理和化学性质而得到广泛的应用,在食品行业中可作为稳定剂、保水剂、保鲜剂、风味剂、抑菌剂、降脂剂、降糖剂等用以延长食品储藏期限[4-6],改善食品各方面感官品质,使其具有更好的口感。为了更好的开发利用海带多糖,本文简述了海带多糖的主要生理活性以及其作为各种添加剂在食品中的具体应用,以期为海带多糖的进一步研究及其在食品中的开发利用提供一定的参考。

1 海带多糖概述

1.1 种类和结构

海带多糖是存在于海带细胞间和细胞内的天然生物大分子,主要有褐藻胶、褐藻糖胶和褐藻淀粉三种[7]。褐藻胶含量为19.7%,存在于海带细胞间,是由α-1,4-L-古罗糖醛酸(M)和β-1,4-D-甘露糖醛酸(G)构成的聚合物,如图1所示,褐藻胶包括水溶性的褐藻酸和水溶性以及水不溶性的褐藻酸盐类,比如褐藻酸钠、褐藻酸铵、褐藻酸钙等,其中水溶性褐藻胶溶于水呈粘稠状,具有凝结和增稠的作用且M/G的值影响着褐藻胶的凝胶性质[8-9]。褐藻糖胶又称岩藻胶,含量为0.3%～1.5%,由海带细胞分泌产生的一种粘性物质,主要存在于细胞壁中,由α-L-岩藻糖-4-硫酸酯单体聚合而成,如图2所示,另外还含有一定比例的半乳糖、甘露糖、阿拉伯糖、木糖、蛋白质、葡萄糖醛酸等物质[10]。褐藻淀粉又称昆布淀粉、岩藻淀粉,含量仅为1%,主要分布于海带细胞间,由β-1,3-D-葡萄糖构成,如图3所示,有水溶性和水不溶性两种,其溶解度由支链数目所决定,支链多的为水溶性昆布淀粉,可溶于冷水,支链少的为水不溶性昆布淀粉,只能溶于热水[11]。

图1 褐藻胶3种组成片段及2种衍生物的结构式

图2 褐藻糖胶化学结构式

图3 褐藻淀粉化学结构式

1.2 提取方法

海带多糖的提取方法很多,主要有水提法、酸提取法、碱提取法、复合酶提取法、超声波辅助提取法和微波法等[12],其提取的原理主要是通过破坏细胞壁和细胞膜而使海带多糖充分游离,其中水提法作为传统的提取方法操作简单、成本低但耗时,提取率也较低[13];酸提取法可得到较高的多糖含量,提取率高于水提法,但是容易使多糖分子降解[14];碱提取法的提取率最高,但是所提取的多糖不溶于热水,导致后续过滤操作比较困难,不经常采用[15];酶提取法具有专一、高效的特点,且与其他方法相比条件较温和,提取率较高,但是所用的酶多为商品化酶,价格昂贵,成本较高[16];超声辅助提取法利用超声波破碎细胞组织,具有高效、省时、省力的特点,且提取率和纯度都较高[17];微波法则是利用300 MHz～300 GHz的电磁波破坏细胞膜结构或者细胞间的氢键,而使多糖迅速浸出、扩撒,该法具有高效、准确,提取效果好及环保等优点[18]。

1.3 纯化方法

一般用上述方法所提取的海带多糖多为粗品,含有蛋白质、色素及一些小分子物质(无机盐、低聚糖)等杂质,需进一步分离纯化。

脱蛋白的方法一般有Sevag法、三氯乙酸法、三氟三氯乙烷法、酶法或酶与Sevag结合法、等电点沉淀法[19]。前两种方法是通过使蛋白质变性析出除去蛋白质;三氟三氯乙烷法的脱蛋白效果虽好,但是三氟三氯乙烷极易挥发[20];酶法或酶与Sevag结合法的原理是通过蛋白酶水解蛋白质成小分子物质,再利用透析方法去除[21];等电点沉淀法则是通过调节溶液pH,去除酸性蛋白质,该方法常在工业生产中应用[22]。

脱色的方法主要有醇洗法、活性炭吸附法、强氧化剂氧化脱色法和色谱柱吸附脱色法[23],醇洗法适合于色素含量较少的多糖提纯,活性炭吸附法操作简便但易造成多糖的损失,强氧化剂氧化脱色法也易使多糖降解,色谱柱吸附脱色法的脱色效果较好,且对多糖的破坏较小[24]。除去小分子物质的方法主要就是透析法,利用半透膜除去多糖溶液中的小分子化合物,其操作十分简便[25]。

经除蛋白和脱色处理后的多糖提取物包含许多不同种类、不同分子量的多糖混合物,还需要进一步分级纯化处理,一般有透析法、超速离心法和色谱法[26],其中比较常用的是色谱法,利用不同的色谱柱及洗脱剂进行洗脱分离,得到不同的组分。

2 海带多糖生理活性

2.1 降血糖

海带多糖可通过促进胰岛细胞分泌胰岛素、提高InsR蛋白和CrIR蛋白表达水平、调节蛋白质代谢、增强机体抗氧化作用以及降低体内游离脂肪酸水平等途径来降低机体血糖,是一种安全无毒的降糖因子。王美华等[27]在进行小鼠糖耐量试验时发现,模型组小鼠在30和60 min的血糖值为(15.791±3.269)、(15.769±4.485) mmol/L,而海带多糖处理组小鼠30和60 min的血糖值为(13.826±0.806)、(13.064±1.862) mmol/L,表明海带多糖有效降低小鼠的血糖值。姜文等[28]通过给患有2型糖尿病的小鼠进行昆布多糖灌胃治疗,结果发现经海带多糖处理的小鼠血清胰岛素含量在治疗前后分别为27.26、22.38 pmol/L,而模型组小鼠未做任何处理,血清胰岛素含量分别为10.28、8.46 pmol/L,低于海带多糖处理组,由此可见,海带多糖可有效提高小鼠体内胰岛素和胰淀素含量,显示出明显的降糖作用。

2.2 抗肿瘤

海带多糖可直接作用肿瘤细胞,抑制肿瘤细胞的增殖扩散,使其凋亡,另外还可通过抑制自由基产生和清除自由基等方式来预防癌症、肿瘤的发生[29]。姜艳霞等[30]通过培养多组肝癌bel-7402细胞,并分别加入不同浓度(5、10、20、30 g/L)的海带多糖,结果发现bel-7402细胞都出现固缩、变形和死亡的现象,且海带多糖浓度越高作用越明显,癌细胞存活率更低,30 g/L海带多糖效果最好,可使bel-7402细胞凋亡率达到14.8%±1.7%,坏死率为19.8%±2.3%,表明海带多糖在抑制bel-7402细胞的生长增殖、加速其凋亡方面的重要作用。Takeda等[31]也研究发现褐藻糖胶通过核因子-кB依赖的信号通路,刺激巨噬细胞产生更多的NO,从而实现抑制肉瘤 S-180细胞的增殖生长。

2.3 防辐射

海带多糖可有效促进机体内放射性物质随粪便排出,减少其在体内的堆积,降低由放射性物质所引起的疾病发生率,另有研究表明,海带多糖可有效防治γ-射线的辐射损伤[32]。吴晓旻等[33]在探究海带多糖抗辐射可能的作用机理中,通过给各实验组小鼠进行不同剂量的LJP灌胃,再进行γ-射线照射,最后发现不同剂量LJP处理组(100、200、300、400 mg/kg)的小鼠淋巴细胞凋亡率分别为28.39%、24.71%、20.97%、18.68%,模型组小鼠淋巴细胞凋亡率为35.48%,进一步证实了海带多糖的防辐射功效,同时得出海带多糖防辐射的可能作用机理是抑制免疫细胞凋亡、提高机体免疫能力。刘军等[34]在研究海带多糖对电离辐射损伤后大鼠生殖器官的影响时发现,停止辐射后的14 d,模型组动物睾丸脏器系数从0.64%±0.06%降至0.4%±0.04%,而海带多糖干预组仅从0.66%±0.03%降至0.56%±0.02%,减小趋势明显小于模型组,表明海带多糖可降低大鼠生殖器官所受的辐射损伤,减少变异细胞产生,加快受损细胞的修复过程,具有显著的抗辐射作用。

2.4 抗衰老

海带多糖可缓解改善机体皮下胶原蛋白的减少,使皮肤真皮层厚度增加,提高皮肤中羟脯氨酸含量,从而达到延缓衰老的目的[35]。徐晓珍等[36]通过给小鼠背部涂抹相应药物,发现海带多糖还可提高小鼠组织皮肤中SOD、CAT、GSH-Px活性,降低皮肤MMP-1mRNA表达水平和丙二醛、过氧化氢含量,其中高剂量海带多糖处理组效果最好,其SOD、CAT、GSH-Px活性分别高达(121.697±7.518)、(312.824±25.203)、(117.566±10.401) ku/g Pro,丙二醛、过氧化氢含量为(23.179±3.866)、(13.159±1.471) umol/g Pro,说明海带多糖具有延缓衰老的作用。另外,杨伟丽等[37]研究发现海带多糖可缓解衰老小鼠脾脏和胸腺的萎缩,增强其免疫能力,具有显著的抗衰老作用。

2.5 排毒

褐藻胶、褐藻糖胶和褐藻淀粉可有效作为膳食纤维的代替品,不被肠道所吸收,进入大肠后被肠道菌群利用,增加肠道短链脂肪酸含量,降低肠道pH,从而调节肠道菌群平衡及其代谢产物等,促进机体肠道的运动,防止便秘[38]。海带多糖还可吸附铅、砷、镉等有毒重金属或与一些毒素结合,携带有毒物质和病原体一起排出体外,降低病原物和有毒有害物质在肠道停留和黏附的机会,减少对人体造成的危害[39]。

2.6 其他

海带多糖除了具有以上几点生理活性外,还有许多其他的生理功效,具体如下:①抗凝血作用。海带多糖的化学结构及硫酸基含量决定了其抗凝血活性,海带多糖中C2-硫酸基和C2,C3-二硫酸基的含量越高,其凝血活性就越强,其作用机理主要是通过抑制凝血酶活性[40]。②降血脂作用。海带多糖可有效降低血液中甘油三酯和胆固醇的含量,使血液中胆固醇含量降低13%～17%,低密度脂蛋白减少20%～25%,高密度脂蛋白上升16%[41]。③免疫调节作用。海带多糖与香菇多糖及枸杞多糖相似,具有调节免疫的功效,其直接作用于吞噬细胞、T细胞、淋巴细胞等免疫细胞进行机体免疫调节[42]。④抗病毒作用。海带多糖对HIV、HPV、IAV、HSV、TMV、CVB3、TMV等病毒都有抑制作用[43]。

3 海带多糖在食品中的应用

3.1 稳定剂

海带多糖独特的凝胶、粘结性质使其可作为稳定剂添加应用于食品,尤其是饮料、乳品的生产加工中。饮料在生产和储存过程中,往往会因为一些外界因素(温度、光照、震荡)或者自身因素(蛋白质、脂肪、糖、盐、pH)而出现沉淀、分层的现象,严重影响产品后续的销售。但已有研究表明,海带多糖可有效改善上述情况,董雪敏等[44]利用海带制得多糖浓度高达3.297 mg/mL的提取液,研制出富含岩藻聚糖硫酸酯的功能性饮料,饮料在静置3个月后依然澄清,没有浑浊和沉淀,有效提高了饮料的稳定性。范素琴等[45]研究发现不同用量和粘度的海藻酸钠对植物蛋白饮料的稳定性有重要的影响,其中粘度为200～400 MPa海藻酸钠效果最佳,并且在该粘度下的一定范围内,随着海藻酸钠浓度的增加饮料的稳定效果越好,同时确定了复合稳定剂的最优配方为:CMC-Na 0.05%、黄原胶0.01%、海藻酸钠0.01%、蔗糖酯0.09%、单甘油酯0.06%。另外,海带多糖还可提高蛋黄酱的稳定性,杨述等[46]通过在蛋黄酱中添加褐藻胶而有效的改善了蛋黄酱流变性质和凝胶性质,且2%的褐藻胶添加量比2.5%的褐藻胶添加量所制得的蛋黄酱更接近全脂类蛋黄酱。

3.2 保水剂

水分是各食品不可缺少的成分之一,其含量直接影响着食品的质地、口感、外观甚至营养等。但是很多食品在生产加工过程中由于组织结构的破坏而容易出现水分流失的现象,利用海带多糖的吸湿性质,可有效的固定结合食品组织中的游离水,减少水分的流失。刘鑫等[47]在带鱼鱼糜中添加褐藻胶,结果发现褐藻胶可使带鱼鱼糜凝胶程度显著增强,持水力提高,当褐藻胶添加量为1.56%～1.75%时的带鱼鱼糜达到市售A级鱼糜标准。陆云飞等[48]以南美对虾虾仁为研究对象,发现经平均聚合度3、平均聚合度6的褐藻胶寡糖浸泡处理过的虾仁质量分别增加7.45%、6.54%,保水效果显著,另外经处理过的虾仁在明度、硬度、弹力、咀嚼性等方面也得到很大的改善。袁丽等[49]利用超声波降解褐藻胶后浸泡南美白对虾达到了显著的增重效果,当裂解物粘度为1530 mPa·s时,增重效果最佳,超声条件为功率800 W,超声时间20 min,工作时间2 s,间歇时间6 s时,对虾增重达到最大为14.4%,同时不破坏和影响虾的其他感官品质。

3.3 保鲜剂

果蔬在采摘后,由于其呼吸作用而导致了许多腐败变质现象的发生,为更好的保藏果蔬食品,保持其新鲜度,应该采取有效的措施及时抑制果蔬的呼吸强度。研究发现海带多糖的凝胶性质可使其在果蔬表面形成一层稳定的可食性薄膜,该种膜具有良好的耐热性、阻隔性、透明性以及机械强度,可减弱机体细胞呼吸作用,阻止水分散失,有较强的保鲜作用。程丽林等[50]通过用海带多糖复合涂膜处理辣椒,结果发现处理后的第24 d海带多糖复合涂膜处理组SOD酶活性为11.77 U/g,显著低于对照组(15.53 U/g),且1～24 d处理组辣椒失重率和腐烂率也始终远低于对照组,叶绿素和维生素C的含量始终远高于对照组,对辣椒的保鲜贮藏具有重要意义,同时还确定了最佳涂膜处理为2%海带多糖+0.4%壳聚糖+0.2%魔芋葡甘聚糖。李佳等[51]用不同浓度的褐藻胶和茶多酚混合溶液涂膜处理冬枣,发现1%、2%、3%褐藻胶处理7 d后冬枣的转红指数分别为75%、80%、82%,腐烂指数分别为38%、43%、36%,而空白组的转红指数和腐烂指数为85%及55%,可见褐藻胶有效降低了冬枣在保藏过程变红、腐烂现象发生的概率,使冬枣保持一个良好的感官品质,并且得出1%褐藻胶+0.6%茶多酚涂膜处理效果最佳。

3.4 降脂剂

海带多糖具有降血脂的功效,将其添加于食品中,不仅可增加食品的营养价值,还使食品成为具有降脂效果的功能性食品。吴晓青等[52]利用复合酶法提取海带多糖,再以海带多糖浓缩液∶菊花甘草混合物=2∶1的质量比(其中菊花甘草混合物中菊花与甘草的质量比为5∶1)配制出茶汤清澈透明,甘甜鲜爽,具有菊花、甘草和海带清香和显著降血脂功效的保健茶饮品。石岩等[53]也利用海带中的多糖成分将海带、红曲、决明子、山楂、菊花和甜叶菊以10∶1∶1∶1∶1∶0.3的比例进行混合煮制30 min,再加入1.75%白砂糖,0.075%柠檬酸,0.0125%柠檬酸钠,研制出浅红色、低糖、低热量的具有降血压血脂功能的海带风味饮品。

3.5 降糖剂

许多食品比如饼干、面包、蛋糕等具有的独特风味和较长的贮藏期,深受广大消费者的喜爱,但由于具有较高的糖分而使许多患有高血糖的消费人群望而却步,但海带多糖的添加可有效降低食品中的糖量。王庆佳[54]研究发现在饼干制作中添加海带多糖可使饼干血糖生成指数由74.6显著下降至67.3,使其成为中等血糖生成指数产品,具有慢消化淀粉特性,更适合肥胖者和老年人食用。颜玉虾[55]利用海带中富含具有降血糖功效的海带多糖,以海带多糖10%、海带乳酸菌冻干粉25%、乳糖30%、麦芽糊精20%、β-环糊精15%、、和硬脂酸镁0.7%的配方压制出硬度适中、外观整洁、色泽良好、口感细密、香味宜人同时具有降糖作用的高营养海带乳酸菌咀嚼片。陈奇等[56]以40%海带粗多糖粉+58%糖粉+1%柠檬酸+1%硬脂酸镁的配方研制出降血糖口含片。

3.6 营养强化剂

海带多糖具有许多保健功能,在营养强化食品方面的研究具有重要意义,利用海带多糖研发的高营养食品不仅满足了人们对健康的需求,而且其天然、安全的成分因子使得其适合各个年龄范围的消费者食用。邓波胜等[57]利用褐藻酸钠为原料生产珍珠球并与冰淇淋混合,研制出光滑细腻、无冰晶感、风味独特的高营养新型冰淇淋产品。林国荣等[58]利用超声波辅助提取技术提取海带多糖,同时以14.95 mg/mL海带多糖,1.0%琼脂,4%白砂糖,0.08%香味剂的工艺配方研制出外形、口感、色泽、透明度、弹性、持水性和强度都最佳同时还具有防龋齿功效的高营养、低热量的新型保健果冻。王颖等[59]提取了海带多糖,再经风味调制,研制出了适合于体弱者及不爱食用海带者的集营养与美味于一体的海带口服液,具体配方为80%海带提取液+2.5%蜂蜜+4.0%白砂糖+0.3%柠檬酸。

3.7 风味剂

海带多糖中的褐藻胶属于典型的胶体,粘性大、持水力强,严密的胶状结构中含有大量的呈味物质,若在生产中添加适量海带多糖可在一定程度上增加食品的风味,提高饮料的爽口度,使其具备更均匀的口感。王秀娟等[60]利用复合酶法从海带中提取海带多糖,并研制出味感柔和、酸度适口并且具有独特香味的海带多糖饮料,同时确定了最佳配方为10%柑橘汁+0.3%柠檬酸+1.5%苹果香精+50%海带多糖提取液。罗丽萍[61]也研究发现将0.5%海带多糖添加于冰淇淋中可显著增强产品的乳香味,但是添加量超过1%时就会使海带多糖的风味掩盖住冰淇淋原本的乳香味。

3.8 抑菌剂

食品在生产加工过程中不可避免的会有细菌、真菌的污染,从而对食品的质量问题造成巨大的影响。研究表明,海带多糖中的褐藻酸和褐藻寡糖在一定程度上可直接或间接地作用微生物,从而起到抗菌的效果,在食品加工过程中加入一定量的海带多糖,可有效解决食品污染的问题,在延长食品保藏期及改善食品质量方面具有重要意义。吴国锋等[62]优化了过氧化氢法,发现在反应时间50 min、温度70 ℃、过氧化氢浓度5%(v/v)以及底物浓度1.5%(w/v)条件下制得的褐藻胶寡糖具有最佳得抑菌效果,且发现浓度为0.25%褐藻胶寡糖可完全抑制啤酒中污染菌的生长。周研等[63]利用1.5%海藻酸钠制成复合涂膜并作用于哈密瓜,结果发现在整个储藏期内,经涂膜处理的哈密瓜霉菌和酵母菌计数都低于对照组,在35 d时,海藻酸钠涂膜处理组及对照组霉菌和酵母菌总数分别为3.92、4.53 log CFU/g,表现出海藻酸钠显著的抑菌效果。

3.9 护色剂

色泽是影响食品感官的重要因素之一,良好的色泽外观会给予消费者强烈的购买欲望,有利于产品的销售,而海带多糖则具有明显的护色效果,可有效保持食品的新鲜色泽,改善其外观品质。孙协军等[64]利用海带多糖、盐藻多糖和螺旋藻多糖等研制出了一种护色剂,发现以上几种多糖的作用下,冷藏干虾的a*值(红绿程度)降低幅度远低于对照组,b*值(黄度)从初始值29.6降至25.1(对照组21.2),综合来看,复合多糖的处理大大降低了干制虾的褪色进度,体现出良好的护色作用,且在0.06%盐藻多糖+0.03%螺旋藻多糖+0.02%海带多糖条件下处理效果最佳。汤秋冶等[65]通过配制复合海藻酸钠涂膜处理冰鲜鸭,发现在储藏后期经涂膜处理的冰鲜鸭色泽亮度值和红度值都明显高于对照组,有效的保持了冰鲜鸭肉的鲜红色泽。

4 结语

目前,海藻中海带多糖的开发利用已经成为当前食品行业研究的热点之一,海带多糖独特的物理和化学性质以及降血糖、降血脂、抗肿瘤、抗病毒、抗菌等药理活性使其在食品中具有广泛的应用价值,尤其是保健食品的研发。

虽然海带多糖在提取、纯化方面已经有了一定的成果,但是大都是采用单一方法进行多糖的提取,在方法的复合使用方面研究较少,每种方法都有其各自的优缺点,若能将两种或以上的方法进行有机的结合即可取得更好的提取效果;对海带多糖生物活性的具体作用机理尚不明确;在实际应用时多为海带多糖粗品,对于进一步分级纯化的各种多糖的应用研究相对较少,它们虽然属于同一类海带多糖,但是分子质量的不同以及结构上的差异都可能使其在具体应用中产生不同的效果;在食品生产中应用的也多为单一品种的海带多糖,在与其它添加剂复合使用效果研究鲜有报道;这些都是海带多糖未来研究的面临的挑战。

今后,对海带多糖应加强以下几方面的研究:复合法提取海带多糖;海带多糖各生理活性具体作用机理;分级纯化后的海带多糖的应用;其他食品添加剂与海带多糖的复配应用。随着研究深入,相信海带多糖在食品业中将有更广泛的应用前景。