褐藻胶寡糖的功能特性研究进展

曾斌芬，时瑞，吴曼铃，胡锦鹏，陈丽娇，梁鹏，程文健

（福建农林大学食品科学学院，福建 福州 350002）

褐藻胶又称褐藻酸盐，主要由β-D-甘露糖醛酸（mannuronic acid，M）及与其C5差向异构体α-L-古洛糖醛酸（guluronic acid，G）两种单糖组成的酸性直链多糖，聚合度（degree of polymerization，Dp）一般在 160～250，其中包含3种不同的聚合片段：均聚β-D-甘露糖醛酸（poly mannuronic acid，PM）、均聚 α-L-古洛糖醛酸（poly guluronic acid，PG）以及由 G、M 以不同比例聚合的片段（poly mannuronic acid and guluronic acid，PMG）。褐藻胶大多来自于大型褐藻植物中的细胞壁与细胞质间，还有少部分由微生物如铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）合成[1]，而且细菌合成的褐藻胶结构与植物来源褐藻胶的结构有所不同。市面上的褐藻胶大部分是从海洋褐藻植物中提取的，性能稳定、无毒性，还易与Ca2+等二价离子形成凝胶，被广泛应用于食品添加剂[2-3]、生物医学应用[4]、饲料工业[5]等行业中。

褐藻胶寡糖也称褐藻胶低聚糖（alginate oligosaccharide，AOS），包括低聚甘露糖醛酸（mannuronic acid oligosaccharide，MOS）和低聚古罗糖醛酸（guluronic acid oligosaccharide，GOS），是由褐藻胶经过降解得到的小分子产物，Dp为2～25，喷雾干燥后呈白色或淡黄色粉末。褐藻胶的降解方法大致可分为3种：物理降解、化学降解、生物降解，物理降解和化学降解得到的产物均为饱和糖醛酸组成的寡糖，而生物降解就是通过褐藻胶裂解酶降解能够得到具有不饱和末端的寡糖[6]。褐藻胶裂解酶的来源广泛，目前一般都是从腐烂海带和从以海藻为食的动物内脏中提取，但是天然来源的酶存在活性低、稳定性差的缺点，现今有较多研究利用基因工程技术[7]得到更稳定和活力更高的褐藻胶裂解酶，已有众多研究表明，AOS的分子量、结构以及G/M的比值等因素对其理化特性和生物学活性有一定的影响。本文主要综述了褐藻胶寡糖及其衍生物的功能特性，包括理化特性、生物活性以及结构组成与功能的关系，以期更好地利用褐藻胶寡糖的功能特性并将其用于指导相应产品的开发。

1 褐藻胶寡糖的物理特性及其功能

1.1 一般理化性质

褐藻胶寡糖相对分子质量小，易溶于水，由于褐藻胶降解过程中暴露多个羟基使得褐藻胶寡糖的溶解性能得到很大的改善，其溶解度可达到20%，可提高机体吸收利用率[8]。Dp为20～30的PMG容易被酸水解，而PM和PG不易被水解，但当溶液的pH值为2.85时PG产生褐色沉淀，PM不产生沉淀。褐藻胶寡糖热稳定性好，Aida等[9]的研究表明，350℃～400℃的水热处理才能使褐藻胶完全降解得到琥珀酸、苹果酸、甘露糖醛酸和古洛糖醛酸等降解产物，表明组成AOS的两种单糖组分具有良好的热稳定性。

1.2 吸湿性和保湿性

吸湿性是指物质在空气湿度较高的情况下吸收水分的性质，保湿性是指物质在空气湿度较低条件下保持水分的性质。许雷等[10]以褐藻胶为原料酶解得到Dp为6、4、3的3种褐藻胶寡糖，在不同湿度的环境下，将其与丙三醇、聚乙二醇以及海藻胶的吸湿保湿性进行比较，在相对湿度为43%时，Dp为3的AOS吸湿性显著超过褐藻胶，与丙三醇的作用效果相近，而且其保湿作用甚至优于丙三醇和聚乙二醇。聚合度越低的AOS，其吸湿性与保湿性越好，其原因是由于酶解过程改变了单糖分子的空间结构，导致羟基基团暴露，增强了其亲水性，从而提高吸湿和保湿特性[11]。AOS的降解方式也会影响其吸湿与保水性能，采用酸水解从海带中提取GOS和MOS，在不同湿度环境下比较这两种寡糖与海藻酸钠的保湿作用，结果表明无论在低湿度还是高湿度的环境下，酸水解得到的AOS的吸湿性与保湿性不如海藻酸钠[12]。较多研究说明酶解得到的AOS拥有良好的吸湿性和保湿性，可用于食品保湿剂和易腐食品的保护剂，例如在柑橘类水果采后过程中涂抹酶解得到Dp为2～7的AOS不仅能减少水果表面的水分，还能显著地防止柑橘类果实发生青霉变，延缓果实的腐败[13]。

1.3 抗冻性

水产品最常用的贮藏方法是低温贮藏，但是低温条件下容易造成产品的冰晶损伤，有研究表明在低温贮藏过程中涂抹或浸泡于褐藻胶与褐藻寡糖溶液对海鲜类产品有显著的冷冻保护作用。将虾仁浸泡在Dp为2～4的AOS溶液后，在冷冻贮藏温度波动条件下，对虾仁的蛋白质含量、颜色以及组织状态有显著的改善作用[14]，并且优于用抗冻剂（Na4P2O7）处理的样品。Zhang等[15]深入探讨了AOS和海藻多糖对冰晶生长和重结晶的作用机制，特别是糖和冰晶在温度波动下冷冻保藏的关系，最后推论得到其作用机制为水置换机制，即AOS分子通过氢键和静电作用与氨基酸残基结合从而取代了蛋白质周围的水分子，可阻止蛋白质聚集的风险，并抑制了冰晶的生长与重结晶的发生，从而保护了肌肉蛋白免受大冰晶造成的机械损伤。

2 褐藻胶寡糖的生物学活性及其功能

褐藻胶寡糖具有良好的溶解性、吸湿性和保湿性等物理特性，同时也具有抗氧化性、抗炎症、抑菌性、降血脂、降血压以及调节肠道菌群等生物学活性。由于褐藻胶来源、降解模式的不同导致降解产物的分子量、空间构象以及G/M比例的差异，赋予了褐藻胶寡糖功能特性的多样性和不确定性。

2.1 抗氧化性

自由基是存在于人体内氧化反应的中间代谢产物，过多的自由基有可能会破坏人体细胞的结构使人体的组织器官功能降低，从而使人体免疫力系统功能下降导致各种疾病的发生。目前可以通过天然或者合成抗氧化剂来清除自由基，现有多个研究已经证明AOS具有显著的清除自由基（ABTS+·、·OH、DPPH·）的能力以及一定的还原能力，并表明抗氧化性是褐藻胶寡糖拥有其他生物活性的前提性质。酶解得到的AOS浓度为5.0 g/L时，其对ABTS+自由基的清除能力与维生素C有相近的清除效果，并且对多酚氧化酶有一定的抑制作用[16]。周绪霞等[17]研究3种不同分子量的AOS（分子量大于8 kDa、分子量小于8 kDa、分子量未进行分级）的抗氧化活性，结果表明在3种不同的抗氧化体系中，分子量较小的AOS表现出更强的抗氧化活性。张明杰等[18]将酶解的AOS按分子量分为4组（0.84、1.40、2.25、34.56 kDa），试验结果证明各组均具有一定的抗氧化活性，而且随着各组浓度的增大其抗氧化活性也逐渐增大，但相比于大分子的AOS，中低分子量的AOS具有更好的清除DPPH自由基和羟基自由基的能力。胡婷[19]研究酸降解、氧化降解、酶降解方式得到的不同分子量的GOS和MOS，其结论也佐证了褐藻胶寡糖分子量越小，其抗氧化活性越高，同时还得出了G系列寡糖与亚铁离子络合作用均强于相应结构及分子量段的M系列寡糖。此外还有研究用AOS处理猕猴桃，可以显著地抑制猕猴桃果实细胞壁降解以及诱导抗氧化基因与酶的表达[20]，增强果实的抗氧化能力。因此说明AOS不仅具有抗氧化性，还能强化抗氧化性能，其活性强度与其单糖组成、分子量与分子结构具有相关性。

2.2 减轻炎症

炎症反应是临床常见的一个病理过程，可见于人体各部位的组织和各器官中，许多研究说明了炎症与很多慢性疾病的发生有关联，如高血压、肥胖、心血管疾病等。许多研究表明AOS具有减轻炎症的生物活性，在治疗癌症的过程中，化学药物容易引发肠道黏膜炎，研究发现用10 mg/kg AOS喂养ICR小鼠可以恢复由抗肿瘤物质白消安引起的肠黏膜炎[21]，进一步研究得到10 μg/mg AOS显著改善猪空肠上皮细胞系的完整性，提高小肠细胞的迁移能力，增强小肠的屏障功能，可预防化疗或其他疾病引起的炎症[22]。Wan等[23]研究得到AOS（600 g/mL）对肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）诱导的小肠上皮细胞损伤有改善作用，同样表明AOS可以减少TNF受体介导的细胞凋亡，从而减轻TNF受体诱导的肠上皮细胞炎症损伤。

褐藻胶寡糖不仅对抗癌症药物引起的炎症有缓解作用，对其他炎症也有显著的延缓作用。P-选择素蛋白是急性炎症早期的一个重要指标，同时也是评价肺动脉高压严重程度的重要参考因子，冯喆等[24]发现高剂量的AOS能有效减缓动脉血管周围的炎症，降低野百合碱诱导的大鼠肺动脉高压模型P-selectin蛋白的表达，并推测褐藻胶寡糖能抑制肺组织中P-selectin通路的表达，从而达到减轻炎症的作用。D-半乳糖可导致小鼠心脏功能老化现象以及影响心肌组织中TNF-α、白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）等促炎症因子mRNA的表达增加，用高剂量[150 mg/（kg·d）]AOS灌胃D-半乳糖诱导的小鼠4周，结果表明其能显著减缓小鼠心脏老化现象，降低促炎症因子IL-6、TNF-k蛋白的表达[25]。不同降解方式得到AOS的抗炎活性有差异，有报道说明氧化降解得到的AOS具有抑制脂多糖激活的RAW264.7巨噬细胞的炎症反应，而通过酶水解和酸解获得的则没有这种活性[26]。对比前期研究发现氧化得到的AOS具有更好地延缓炎症的功能，可能由于其特有的还原端羧基的存在或者别的结构会对其抗炎活性产生影响，而且这些寡糖的抗炎活性与促炎症因子的表达通路有关，这为开发褐藻胶寡糖抗炎功能提供了研究思路。

2.3 抑菌活性

随着抗生素的广泛使用，出现了多种耐药性的细菌，为了既能抑制细菌生长又不引起细菌突变产生耐药性，人们转向寻找新的细菌抑制剂。褐藻胶寡糖被证明了具有很好地抑制细菌和真菌活性的功能特性，目前研究较多的是GOS抑制细菌生长的作用机制。Ertesvågh 等[27]研究发现酶解得到的MOS（4.2 kDa）对大肠杆菌（Escherichia coli）、副伤寒沙门氏菌（Salmonella paratyphi）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）有显著的抑制效果，此外还有研究发现含有85%及以上的古罗糖醛酸片段的寡糖（Dp：16，浓度2%）能够抑制革兰氏阴性菌的生长，并增强抗生素对铜绿假单胞菌的活性，可以开发成用于协同抗生素治疗囊性纤维化（cystic fibrosis，CF）患者的药物[28-30]。生物膜胞外多糖基质和黏液提供了感染细菌的额外保护，这个现象促使Ahonen等[31]提出一个将胺前体接枝到AOS上组合成能释放一氧化氮的褐藻寡糖衍生物的试验方案，一氧化氮与AOS都具有改变生物膜形态和黏液组成的能力，因此这种物质对铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌以及囊性纤维化相关病原体具有很强的杀灭作用。

褐藻胶寡糖中G/M比对其抑菌作用有所影响，研究表明G含量在85%以上的抑菌效果更好，可能是GOS与细菌的相互作用更强，但是其作用机制仍存在争议。Powell等[32]借助纳米技术分析了GOS对革兰氏阴性菌的抑菌机制，结果表明GOS的作用机制不是直接破坏铜绿假单胞菌的细胞壁，而是与胞外脂多糖发生相互作用。Alison等[33]认为GOS会破坏铜绿假单胞菌的群体感应信号，从而影响到细菌毒力因子的产生和生物膜的形成。另外，GOS也被证明对真菌念珠菌具有抑制作用，其作用机制主要是GOS能够抑制真菌菌丝的生长，并且能够显著破坏真菌细胞膜的形成[34]。除了GOS具有显著的抑菌性，AOS也表现了一定的抑菌活性，从褐藻中提取的AOS可减轻肠炎沙门氏菌对肉鸡生产性能的负面影响，并可通过促进乳酸菌生长和调节黏膜中细胞因子表达和抗体产生来抑制盲肠中的沙门氏菌定植[35]，浓度为2%AOS不仅延长酸奶中酵母菌的生长活性，还能抑制霉菌的增殖生长[36]。上述研究表明，AOS具有显著的抑菌作用，可应用于开发治疗人与动物相关药品以及食品类防腐保鲜剂。

2.4 降血压活性

高血压是一种普遍存在于中老年的慢性心血管疾病，AOS被证明是一种具有显著降低血压作用的寡糖。用酶解的AOS（500 Da）喂养高盐饮食、对盐敏感Dahl大鼠，能够以剂量依赖的方式减轻大鼠收缩压的增加，显著减轻高血压肾小球硬化和肾动脉损伤[37]。Moriya等[38]采用皮下途径注射褐藻酸钠治疗（摄入量60 mg/d）Dahl大鼠的盐诱导高血压，尽管在治疗过程中粪便和尿液中钠的排泄水平没有显著变化，但是实验14 d后基本治愈了大鼠的高血压症。

研究表明褐藻胶寡糖具有良好的降血压活性，但其作用机制还存在很多争议。有人认为高分子量褐藻胶寡糖不易被人体肠道吸收，而且其糖环上有羧基可以与肠道中的盐离子相互结合，减少机体对盐离子的吸收从而降低血压[37]。但是冀为等[39]证明了低分子量海藻酸钾（1 800 Da，摄入量 250 mg/kg～500 mg/kg）同样能显著降低自发性高血压模型大鼠的血压，这与前面提出的推论完全相反，由此说明还存在其他的代谢机制。因此，不管是自发性高血压还是高盐引起高血压，AOS都对其有一定的降低效果，但是其作用机制还需要更深入研究与探讨。

2.5 调节免疫活性

AOS的免疫调节与抗肿瘤特性是密不可分的，研究表明AOS能诱导细胞分泌细胞因子从而调节免疫系统。肿瘤坏死因子-α、粒细胞集落刺激因子（granulocyte colony-stimu1ating factor，G-CSF）、单核细胞趋化蛋白-1、活化调节、正常T细胞表达、分泌受激活调节正常T细胞表达和分泌因子、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子和嗜酸性粒细胞趋化因子都可以由AOS在不同程度上诱导，这取决于寡糖分子结构。此外，AOS还能激活显著水平的白细胞介素（IL）1-α、IL1-β、IL-6、IL-9 和IL-13的形成[40]。酶解的AOS（Dp：3～9，529 Da～1 585 Da，70 mg/kg）也能激活小鼠体内多种免疫反应性细胞因子的合成，这些结果共同证明了AOS激活巨噬细胞从而提高宿主免疫系统的能力[41]。酶解得到的GOS相比于其他寡糖分子在RAW264.7细胞中表现出显著的一氧化氮诱导活性，例如，酶促解聚所得的GOS（浓度 1 000 μg/mL），可诱导 RAW264.7 细胞分泌肿瘤坏死因子和活性氧，并可通过增加诱导型一氧化氮合酶的表达来增加一氧化氮的产生，因此GOS被认为是有效的巨噬细胞激活剂[42]。海藻酸钒寡糖（vanadate alginate oligosaccharide，VAOS）是一种新型的海藻酸钒配合物，其在非小细胞肺癌的治疗中起着显著的重要，Zhou等[43]在研究过程中发现VAOS对蛋白酪氨酸磷酸酶去磷酸化活性有显著的抑制作用，而且这种酶会促进非小细胞肺癌的发展，VAOS能够显著抑制蛋白酪氨酸磷酸酶的活性，从而减轻肿瘤细胞负荷。

2.6 改善肠道功能

研究表明AOS是一种潜在的益生元，可通过促进益生菌成为优势菌群，抑制有害菌的生长，最后被分解为各种短链脂肪酸来调节肠道微生态平衡。利用体外模拟人体内发酵试验研究褐藻胶来源的AOS与假单铜绿细菌来源的AOS对肠道菌群的相互作用，两者发酵后的菌群结构相似，均能增加发酵液中乳杆菌和拟杆菌的菌数，减少一些条件致病菌的数量[44]。AOS的制备方法、大小与结构组成均对益生作用有一定的影响，武敏[45]研究了不同浓度的AOS对保加利亚乳杆菌（Lactobacillus bulgaricus）与双歧杆菌（Bifidobacterium）生长的影响，通过对比与分析得到2 g/L为最优的添加量。王海松等[46]研究了不同组分的低聚糖对肠道菌群的作用，发现由甘露糖组成的低聚糖更有利于抑制瘤胃球菌属（Ruminococcus）的生长。由于酶解得到的AOS存在不饱和结构，其对肠道菌群的作用优于饱和的AOS，在体外用来源于猪体内的微生物发酵24 h，对比琼脂寡糖（0.4 kDa～1.4 kDa）与卡拉胶寡糖（1.0 kDa～7.0 kDa），酶解得到的褐藻胶寡糖（1.0kDa～5kDa）能显著地抑制埃希氏菌属（Escherichia）、志贺氏菌属（Shigella）和嗜胨菌属（Peptoniphilus）等致病菌的生长[47]。将2.5%低聚褐藻酸钠添加到欧洲鲈鱼的日常饲料里，能显著提高营养物质的利用率，进一步分析表明是由于褐藻胶寡糖能显著增强肠前壁酶的活性与肠绒毛的宽度，从而改善肠道功能[48]。

2.7 其他生物活性

褐藻胶寡糖还具有抗肿瘤、保护神经活性、促进细胞生长、降低血脂、抗糖尿病等功能。AOS的抗肿瘤主要作用机制是基于抗氧化作用、抗炎作用与免疫调节相结合的一种机制，在已经证明AOS有显著的抗氧化活性与协助抗肿瘤治疗的前提下，将AOS（Dp：5，10 mg/d）给手术治疗后的骨肉瘤患者服用2年，结果发现AOS协助治疗的患者平均肿瘤体积和复发率显著减少，降低了患者的IL-1β和IL-6水平，提高了体内的超氧化物歧化酶、谷胱甘肽和血清高密度脂蛋白胆固醇水平[49]。研究表明AOS不仅能防止氧化过激反应引起的神经损伤，还能改善自发性神经衰退的症状，Bi等[50]发现了MOS能显著地抑制淀粉样蛋白β1-42寡聚体的聚集，降低蛋白β1-42的表达，从而降低淀粉样前体蛋白和BACE1的水平，并说明不饱和甘露寡糖通过参与自噬改善阿尔茨海默病。AOS可以刺激血管内皮生长因子来促进人类角质形成细胞的增殖，Zhang等[51]分析了AOS促进植物组织生长的机制及研究进展，结果表明AOS可以通过刺激生长因子来调节细胞的生长。

天然来源的AOS已被证明具有显著的降血脂活性，通过初步的研究得到其可通过抑制胆固醇的摄入从而降低血脂水平，另外AOS的衍生物硫化多糖丙二醇古罗糖醛酸（propylene glycol guluronate sulfate，PGGS）被证明具有以剂量依赖的方式降低甘油三酯和总胆固醇的能力，主要是通过腺苷酸激活蛋白激酶（adenine monophosphate activated protein kinase，AMPK） 信号介导的[52]。褐藻酸钠被证明能调节结肠转录，有效地抑制肥胖和肥胖相关代谢综合征[53]，因此表明不同的褐藻胶多糖的降血脂机制不同，由于其结构与分子的多样性，其作用机制也呈现了多样化。新型低聚甘露糖酸铬被发现能有效地改善骨骼肌细胞的胰岛素敏感性，可通过上调AMPK相关信号通路与线粒体代谢功能进而改善2型糖尿病[54]。

3 展望

褐藻胶寡糖的功能特性研究为其加工功能性食品以及药物的开发提供了很多新思路，研究表明，褐藻胶寡糖功能特性的多样性与其结构多样性密切相关。这种联系促进了研究者对影响褐藻胶寡糖功能特性的多种基本因素的研究，包括降解模式、分子量、G/M比、空间构象及其衍生物。然而目前对褐藻胶寡糖的功能活性机制的研究尚不全面，因此对不同结构褐藻胶寡糖的制备及其结构与功能之间的关系有待研究。由于技术与资源的局限，目前很多研究只集中在AOS混合物功能特性的研究，针对单一结构、单一分子量的AOS的研究较少。在未来的研究中，不仅需要寻找更高效快速的方法分离纯化AOS，还需要深入研究其中结构-功能的构效关系。