海带多糖的结构特征、生物活性及其应用

2021-03-05林晓娟苏志琛陈继承

现代食品 2021年24期

◎ 林晓娟，苏志琛，陈继承

（福建农林大学食品科学学院，福建福州 350000）

海带中含有丰富的多糖，且应用范围非常广泛，在食品、农业、膳食补充剂等领域都有涉及。在过去的几年里，人们对褐藻细胞壁中不同类型的多糖产生极大的兴趣[1]，尤其是海带多糖[2]。海带多糖是一种几乎无副作用且有着丰富生理活性的植物多糖，是一种活性成分，在维持人体健康、预防各类疾病方面意义重大，同时在食品领域具有广阔的前景。海带多糖是一种存在于褐藻中的开发相对不足的多糖，近些年来研究者们对其结构进行了研究，加大了对海带多糖的利用，市场前景非常广阔。

1 海带多糖的概述

1.1 海带多糖的分类

海藻多糖根据其来源不同主要划为褐藻多糖、绿藻多糖以及红藻多糖3大种类，而海带多糖是源于褐藻的多糖[3]。根据溶解性的不同，海带多糖可分为可溶性海带多糖和不溶性海带多糖，其中可溶性海带多糖主要有纤维素、半纤维素，不溶性海带多糖主要有褐藻胶、岩藻多糖硫酸酯和褐藻淀粉[4-5]；根据结构的不同，海带多糖一般可分为褐藻胶、岩藻多糖和褐藻淀粉3大类[6]。海带多糖是通过D-吡喃葡萄糖中的β-1,3糖苷键将其连接形成的一种β-葡聚糖[7]，由于海带多糖的硫酸化结构比较特殊，并且多糖含量较丰富，因而具有多种生物学功效，用途也非常广泛。

1.2 海带多糖的结构

岩藻多糖富含硫酸基，硫酸基团主要位于4号位，在褐色海藻中广泛存在。不同海藻含有的岩藻多糖结构不尽相同，大致分为两种类型：一种是以（1-3）α-L-吡喃岩藻糖为重复单元的主链，另一种是以（1-3）-吡喃岩藻糖和（1-4）-α-L-吡喃岩藻糖为重复单元的主链[8]。海带中的岩藻多糖多以1,4-键和1,3-键的方式存在，由α-L-岩藻糖-4-硫酸酯单体聚合而成。海带岩藻多糖提取物含有的均一多糖TC-1主要由岩藻糖构成，并且还具有结构极其复杂的硫酸酯多糖[9]、半乳糖以及少量的葡萄糖、木糖和甘露糖[10]。海带中岩藻多糖的含量一般为0.3%～1.5%。

褐藻胶主要由α-1,4-L-古罗糖醛酸（G）和β-1,4-D-甘露糖醛酸（M）构成，褐藻胶中M和G是以M-嵌段、G-嵌段和MG-嵌段存在[11]，在海带中，M/G的值在2.26左右，且海带基部＞中部＞尖部，M/G的比值不同不仅造成其结构具有差异，对其性质也会造成一定的影响[12]。褐藻胶包含LP-1、LP-2、LP-3以及LP-4 4个组分，其中LP-1组分含量较少，LP-3和LP-4都是均一多糖，而LP-2又包括了LP-21和LP-22两种均一多糖。褐藻胶包括了水不溶性的褐藻酸，各种水溶性和水不溶性的藻酸盐类，如褐藻酸钠、褐藻酸胺等[13]。海带中褐藻胶的含量一般在15%～25%。

褐藻淀粉是存在于细胞质中的多糖，主要由β-1,3-D-葡聚糖组成，还有少量的β-1,6链间糖苷键在其长链。褐藻淀粉包括水溶性和水不溶性两种：支链数目决定其溶解度，支链多的为水溶性，可溶于冷水；支链少的不可溶于水，只能溶于热水。褐藻淀粉在海带中的含量较少，约为1%。

2 海带多糖的生物学功效及其作用机制

2.1 调节肠道菌群

2.1.1 调节肠道菌群代谢物

海藻多糖由多糖代谢产生的短链脂肪酸（SCFAs）可以抑制肠道内有害物质生成，抑制有害菌生长，在维持宿主健康和预防疾病方面起着重要作用。海带多糖可通过微生物如乳酸菌、双歧杆菌等进行发酵，产生SCFAs，尤其是低聚糖更容易被酵解利用，产生更多的SCFAs，主要有乙酸、丙酸和丁酸等，被宿主细胞快速吸收和代谢，刺激相关基因表达，其中乙酸在结肠内被吸收，为肌肉提供能源以及促进脂肪组织的合成，丙酸通过抑制3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A的活性来调节机体胆固醇的含量[14]。

2.1.2 改变肠道微生物组成

益生菌具有很大的开发潜力，可以作为优势菌调节肠道微生态平衡、防治疾病。当机体自由基增多时会产生氧化应激，并造成肠道微生物的结构紊乱，而功能性膳食补充剂的摄入可以有效清除自由基，促进益生菌的增殖，提高抗氧化能力，从而维持机体健康[15]。多糖是膳食补充剂中的一种，具有改善机体肠道微生态的作用，具有益生元作用，是理想的微生态调节剂[16]。有研究表明羊栖菜多糖以及岩藻多糖可以使厚壁菌门和拟杆菌门的比值降低，促进有益菌的生长，可以预防乳腺癌[17]。

2.2 降血脂

2.2.1 降低胆固醇和甘油三酯

海带多糖尤其是岩藻多糖的注入可以增加低密度脂蛋白受体（LDL-R）的表达，加速TC转化为胆汁酸的代谢过程，同时低密度脂蛋白（LDL）与LDL-R结合后分解成氨基酸和游离胆固醇，降低LDL的水平。TC和甘油三酯（TG）的合成代谢跟酶的活性有关，在TG的合成中，脂肪酸合成酶（FAS）和乙酰辅酶A羧化酶-1（ACC1）起着重要的作用，是脂肪酸合成的限速酶，它可以通过调整该因子的表达量来减少游离脂肪酸的量进而减少TG的积累。脂肪甘油三酯脂肪酶是水解TG的限速酶，可以通过提高甘油三酯脂酶的活性来加快TG的代谢速度[18]。有研究表明海带多糖不管是作为饲料的辅料给动物食用，还是作为溶液注入高脂动物体中，都会降低TC、TG的含量[19]。

2.2.2 降低脂质过氧化

游离的脂肪酸超载会诱导内质网应激，进而诱导促炎基因的表达并抑制抗氧化酶的表达，与长链脂肪酸氧化有关的过氧化物酶会产生过氧化物作为底物，从而产生额外的自由基。将海带多糖制成相关溶液灌入高脂动物体内，可提高SOD活性，增强SOD清除羟基自由基和超氧化自由基的能力。海带多糖的抗氧化活性主要依赖于多糖的结构，与分子结构、单糖单元数目、分支程度和长度等多种因素有关[20]，而低分子量海带多糖抗氧化活性的增强可能是由于海带多糖分子结构发生改变，如在辐照处理过程中，海带多糖结构中羰基的数量增加，这些带电基团可能与过渡金属离子相互作用，加强对脂质过氧化的保护。

2.3 降血糖

2.3.1 调节相关酶的活性

血糖的合成代谢与多种酶的活性有关，可以通过调节酶的活性来降低血糖。α-葡萄糖苷酶是一种重要的糖类消化酶，能够催化α-（1,4）-糖苷键水解，使寡糖水解生成葡萄糖，通过抑制α-葡萄糖苷酶的活性，能够降低餐后血糖水平，从而预防糖尿病。己糖激酶和葡萄糖激酶可以催化葡萄糖转化为6-磷酸葡萄糖，促使肝糖原的合成，多糖可以通过调节相关酶活性改善糖代谢，进而控制血糖含量。研究表明海带多糖可以降低α-葡萄糖苷酶的活性，且随着浓度的增加其抑制率越高，IC50仅为 38 μmol·L-1。

2.3.2 提高胰岛素水平

有研究表明褐藻多糖硫酸酯可通过提高血清胰岛素水平，降低血糖含量，且高剂量的褐藻多糖硫酸酯降血糖效果更明显。于竹芹等人研究了海带多糖对Ⅱ型糖尿病小鼠胰岛细胞（CrlR）表达的影响，将海带多糖溶液注入高脂小鼠中，经海带多糖治疗后，动物血清空腹血糖水平显著降低，肝脏和胰岛细胞CrlR mRNA以及蛋白表达水平得到大幅提升，实验结果得出海带多糖使肝脏和胰岛细胞CrlR表达有所提升，以此来使胰岛素抵抗受到一定程度的抑制，从而实现降糖功效。

3 海带多糖的应用

3.1 海带多糖在食品方面的应用

3.1.1 海带多糖在新型食品的应用

海带多糖具有多种生理功效，在食品领域的开发前景非常广阔。由于海带多糖和淮山粉具有不同的理化性状，可采用喷雾干燥技术研发出新型产品淮山-海带多糖固体饮料[21]，该产品为海带多糖的进一步开发利用提供了新思路。同时基于乳酸菌发酵的原理，以海带多糖为基质进行发酵，产生大量乳酸菌，海带可以利用乳酸菌的发酵作用改变本身的腥味，利用这一原理开发出具有安全性、高质量且能够延长冷藏货架期的增值型海藻产品，如海带泡菜，以此创造出高附加值的海藻产品。

3.1.2 海带多糖在贮藏保鲜方面的应用

海藻酸钠是一种天然多糖类化合物，由于其生物相容性好，可作为可食性涂膜，在果蔬表面起到调整气体的作用，通过抑制乙烯的生成和呼吸作用增加果蔬贮藏期[22]。海藻酸钠在微胶囊方面也有一定的应用，周莉等人将两歧双歧杆菌包埋在海藻酸钠和乳清蛋白中制成微胶囊，经过研究发现，经人工胃液处理后的菌体仍存在较高的存活率，在模拟肠液中60 min后能够完全释放出来，可以显著提高两歧双歧杆菌在模拟消化液处理后的存活率[23]。

3.2 海带多糖在医药保健方面的应用

海带多糖具有降血脂、降血糖、抗氧化、抗癌以及调节肠道菌群等功能。但海带多糖在医药保健中的应用未得到有力的推广，因此对海带多糖的深入研究和开发应围绕其生物活性和药理作用进行，开发出大众日常食用的保健品，满足人们对营养素的需求。从海带中分离提取的海藻酸PPS（藻酸双酯钠）在治疗缺血性心血管疾病方面具有显著的效果，被广泛应用于临床，但是还存在着不良反应，有待改善。从海带中提取的褐藻多糖硫酸酯，研究人员对其进行系统研究后，完成了二期临床试验，发现其对治疗肾病综合征和早、中期慢性肾衰效果显著[24]。