褐藻胶低聚糖的生物活性及其在水产制品中的应用研究进展

青岛明月海藻生物科技有限公司 海藻活性物质国家重点实验室 山东青岛 266400

褐藻胶(alginate)是褐藻细胞壁的填充物质，是由β-D-甘露糖醛酸(M)和α-L-古罗糖醛酸(G)，通过1→4糖苷键连接成直链线性高聚合物，整个分子由甘露糖醛酸片段(PolyM)、古罗糖醛酸片段(PolyG)和甘露糖醛酸-古罗糖醛酸杂合段(PolyMG)形成嵌段结构。自1881年英国人Stanford首次从褐藻中提取出褐藻酸钠以来，各国研究者对其原料及提取、纯化方法都进行了大量研究[1]。由于褐藻胶随着不同的藻种、生长地点、生长时期、藻体部位等因素的变化，其含量、相对分子质量及M/G比等各有不同，这给褐藻酸钠的应用，特别是对其结构与功能关系的研究带来不便。近年来研究发现，褐藻酸钠经降解后可获得相对分子质量确定和结构确切的低分子低聚糖，这些低聚糖显示了显著的抗肿瘤、增强免疫、促进生长等多种生理活性[2～6]。鉴于此，对褐藻胶低聚糖的研究引起了广泛兴趣。

1 褐藻酸钠低聚糖生理活性

褐藻胶低聚糖(Alginate oligosaccharides)，即海藻酸盐寡糖，是由褐藻中提取的大分子海藻酸盐通过不同工艺降解而成的一种小分子低聚糖，由β-D-甘露糖醛酸(M)和α-L-古罗糖醛酸(G)两种单体通过α-1,4糖苷键链接聚合而成，聚合方式主要有三种，即MM、GG和G/M[4]。与大分子海藻酸盐相比，褐藻胶低聚糖分子量低、易溶于水，而且其特殊的理化特性具有多种生物活性，如抗肿瘤、抗氧化、抑菌抗炎、免疫调节等，在食品、保健品、化妆品、生物医药、农林牧渔等领域越来越受到国内外学者的青睐，具有广阔的开发前景和巨大的应用价值[5]。

1.1 抑菌性

褐藻胶低聚糖对动植物的一些致病菌均表现出很强的抑菌作用。研究发现，在畜禽饲料中添加适量褐藻胶低聚糖，可有效抑制肠炎沙门氏菌感染[6]。在水产养殖上，褐藻胶低聚糖对常见的嗜水气单胞菌、白色念珠菌及鳗弧菌表现出较强的抑菌活性，且随寡糖浓度的升高而增强[7]。体外抑菌研究发现褐藻胶低聚糖对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌有直接的抑制作用，且呈量效关系[8]。

1.2 抗肿瘤活性

褐藻胶低聚糖具有良好的生物相容性，本身无细胞毒性，对生物细胞无损伤，因此用其开发抗肿瘤药物可以极大的降低药物潜在的毒副作用。大量研究表明，褐藻胶低聚糖与一般的抗肿瘤因子不同，它本身对肿瘤细胞无毒活性，但可以直接抑制一些肿瘤细胞的生长或通过调节机体免疫系统活性来间接发挥抗肿瘤作用[9]。

1.3 免疫调节活性

褐藻胶低聚糖能刺激各种免疫活性细胞(如巨噬细胞、T淋巴细胞、B淋巴细胞等)的分化、成熟、繁殖，使机体的免疫系统得到恢复和加强，并能通过免疫调节作用发挥多种生理活性。杨华(2004)等[10]指出，褐藻胶经降解的PolyM具有一定的免疫原性，能够刺激机体免疫应答，而且它能与一定的毒素、病毒和真菌细胞的表面结合而作为这些外源抗原的佐剂，减缓抗原的吸收，增加抗原的效价，从而增强动物体的细胞和体液免疫反应。Otterlei等报道了褐藻胶及其降解产物能激活人的单核细胞产生大量TNF-α、白介素IL-6和IL-1β，发现M是主要的激发因素，并认为M含量的高低与巨噬细胞的作用强弱有密切关系。TNF-α、白介素IL-6和IL-1β都是重要的免疫因子，在抗肿瘤、抗菌、抗病毒中发挥重要作用。由海带中提取的褐藻胶低聚糖是一种酸性寡聚糖，它是小鼠B淋巴细胞的有丝分裂原，对B细胞的增殖有激活作用，并能增强小鼠的体液免疫与腹腔巨噬细胞的吞噬功能，促进淋巴细胞转化，对大鼠红细胞凝集也有明显的促进作用。

1.4 促生长作用

Kawada(1997)等[11]研究了褐藻胶酶解低聚糖对角质细胞生长的影响，发现低聚糖可以显著提高角质细胞的生长率，效果与牛垂体提取物(BPE)相似。具有G末端的低聚糖作用更显著，可能是由于末端G对角质细胞上受体的亲和性或者对表皮生长因子(EGF)的激活作用而表现出对角质细胞的促生长作用。2001年，宫小黎等报道了褐藻胶降解产物寡聚甘露糖和铁生成的络合物寡聚甘露糖醛酸铁对外周血细胞和骨髓有核细胞的积极影响。寡聚甘露糖醛酸铁能够明显升高骨髓有核细胞、外周血红细胞核白细胞的数量，可以作为肿瘤化疗的辅助用药，对肿瘤化疗的临床治疗效果具有重要意义。此外，褐藻胶低聚糖对植物的促生长作用的研究也已引起了人们的广泛关注。据报道，褐藻胶低聚糖可以促进大麦、豌豆、高粱、水稻、花生、莴苣等作物的生长，提高植物的抗冻能力，促进植物的萌发和根部的生长；能够提高植物幼苗体内的POD、CAT等抗氧化酶的活性[12～15]。

1.5 抗氧化活性

研究表明，褐藻胶低聚糖不仅具有清除活性氧的作用，还能够显著降低脂质过氧化物的含量，提高过氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性，具有清除过多自由基与抗脂质过氧化的作用。孙丽萍(2005)等[16]采用化学发光法和大肠杆菌法研究了褐藻胶低聚糖A1、A2和A3对O2-、·OH和次氯酸3种自由基的清除作用。结果表明，褐藻胶低聚糖A1、A2和A3对3种自由基均有较好的清除作用，而且清除活性随糖浓度的增加而增强，分子量大小对褐藻胶清除自由基的活性亦有显著影响。

1.6 抗辐射

紫外辐射可引起DNA损伤，造成神经系统、内分泌系统调节障碍，同时还会增加生物体内氧自由基的形成，引起皮肤老化等诸多问题。目前，源自天然产物的低毒辐射防护剂逐渐成为新的研究热点，褐藻胶低聚糖就是近年来发现的一种具有优异抗辐射性能的糖类防护剂。研究发现，通过生物酶解工艺制备的褐藻胶低聚糖，其非还原末端会形成一个在230nm区域具有特征吸收峰的双键，因而表现出了非常好的抗紫外辐射作用。同时，褐藻胶低聚糖还可以通过清除氧化自由基来降低紫外辐射对细胞的损伤。这些研究对目前市场火爆的海洋化妆品的功效提供了一定的理论支撑，随着研究的深入，必将开发出更多具有防护肌肤、延缓衰老、美容养颜等功效的优质护肤品[17]。

1.7 其它活性及应用

褐藻胶低聚糖具有促进益生菌双歧杆菌增殖的作用，并且可以作为一种优质的膳食纤维，改善胃肠道健康[18]。褐藻胶低聚糖对重金属离子具有一定的吸附性，可用来开发排毒食品或保健品[19]。褐藻胶低聚糖及其衍生物具有很好的抗凝活性，且与肝素类抗凝血物质相比副作用极小[20]，藻酸双酯钠(PSS)就是管华诗院士利用褐藻胶低聚糖经过分子修饰而发明的一种抗凝血类药物。

2 褐藻胶低聚糖的保水性在水产制品中的研究进展

在冷冻水产品生产加工中，水产品的水分含量和持水性将直接关系到水产品的组织状态、品质，甚至风味[21]。大量研究表明，添加剂对提高肉的保水性、嫩度，降低肉在蒸煮过程中的汁液损失有着显著的改善作用[22～24]。

褐藻胶是一种天然高分子多糖，溶于水可形成粘稠的溶液，含有大量的亲水性基团，具有良好的增稠、乳化、保水功能性；其低分子多糖具有更优良的乳化、保水性能。褐藻胶低聚糖在水产品中的应用主要是冷藏保鲜上，利用褐藻酸钠和氯化钙的成膜特性，涂抹于肉的表层，可以防止微生物生长和脂肪氧化，延长贮存时间。由于褐藻胶特殊的分子结构和物理性质，为其在冷冻水产品保水剂和抗冻剂的开发应用提供了条件。

褐藻酸钠裂解物的增重效果好，可能的原因其主要为不同分子量的多糖，多糖可能通过毛细管力等作用渗透到肌肉中，与蛋白质相互作用，增加肌肉纤维间的空间，使更多的水分进入到肌原纤维结构中；同时，大分子量的多糖可能在虾仁表面形成一层包裹膜，使渗入的水分更好地保留在肌肉中。褐藻酸钠裂解物能够防止解冻损失，保持较好的增重效果，其原因可能是：褐藻酸钠裂解物中存在不同分子量的多糖片段，其一方面自身吸附和保持水分；另一方面在冷冻阶段发挥抗冻剂的作用，使肌肉蛋白不会发生冷冻变性保持原来的结构，保持内部结合水；第三方面可能是不同分子量的多糖与Ca2+、Mg2+结合形成保护膜，保护了肌动球蛋白的原始空间结构[24,25]；而且在表面也形成了膜，阻止了内部水分的丢失[26,27]。

高瑞昌(2007)[28]研究发现:凡纳滨对虾虾仁经0.5%褐藻酸钠裂解物浸泡1h，增重效果达13%左右。褐藻酸钠裂解物处理的虾仁冻藏20d，仍能够有效的保持浸泡增重效果，防止了解冻损失，提高了产品出品率;陈丽娇(2003)等[29]采用3%的海藻酸钠溶液对大黄鱼进行涂膜后冰藏保鲜，以感官指标、细菌总数、TVB-N值、pH值等作为鲜度指标，并与普通冰藏保鲜进行对比，探索大黄鱼在冰藏条件下采用涂膜保鲜方法的可行性。试验结果表明:涂膜保鲜可以明显抑制细菌总数的增长，维持较低的TVB-N值，延长大黄鱼保鲜期3～4d，保鲜效果明显优于普通冰藏保鲜法;于功明(2008)等[30]选择不同凝胶强度的170目海藻酸钠、300目海藻酸钠、370目海藻酸钠，针对海藻酸盐对肉制品持水力及质构的影响进行了研究。结果表明:在相同工艺条件下，不同凝胶强度海藻酸钠对肉制品持水力的影响是有差别的。张丽(2010)等[31]研究发现粘度为55mPas褐藻胶低聚糖对中国对虾的保水效果与复合磷酸盐相当；冯慧(2008)[32]亦发现浓度为3%的褐藻酸钠裂解物对罗非鱼片以及凡纳滨对虾有一定的保水效果。

3 前景展望

聚甘露糖醛酸和聚古罗糖醛酸是褐藻酸分子中所特有的，在自然界中尚未发现有单独存在的此类化合物。因此，通过降解得到这类结构独特的酸性多糖片段及低聚糖具有独特生物活性，可开发成为特殊用途的功能性生物原料，具有重要的研究价值。尽管褐藻酸钠低聚糖已经广泛应用于生化领域，但是尚有很多生理特性需要研究。对褐藻酸钠低聚糖的制备方法、低聚糖的生理活性及低聚糖构象与功能间关系等研究具有重要意义。褐藻酸钠低聚糖在医药、食品、生物化学等方面有着良好的应用前景。