巖藻多糖制備及結構研究進展

王蕓，張淑平

(1.上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院，上海 200093;2.上海理工大學 理學院，上海 200093)

巖藻多糖是含有硫酸基團的水溶性多糖。巖藻多糖產(chǎn)品為淡黃色粉末，易溶于水，主要存在于褐藻和一些海洋無脊椎動物中。Kylin［1］于1913 年首次將從褐藻掌狀的海帶中提取的多糖命名為Fucoidin，現(xiàn)在已統(tǒng)一定名為巖藻多糖(Fucoidan)或巖藻聚糖硫酸酯(Sulfated Fucan)。由于來源的不同，提取的巖藻多糖的結構和分子量也會存在差異，其中巖藻多糖為含有以L-巖藻糖為主和多種單糖殘基以及硫酸基的水溶性多糖，具有抗氧化、抗凝血和抗病毒等多種生物活性［2-3］。近十年來，眾多專家研究巖藻多糖的結構、功能以及兩者之間的關系［4］。巖藻多糖的提取方法、低分子量巖藻多糖的制備和其結構特點、活性及應用一直是研究熱點。本文對國內外巖藻多糖研究狀況進行綜述，為將來巖藻多糖工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 巖藻多糖的提取

巖藻多糖是水溶性多糖，故巖藻多糖的提取多用水提、酸提取法，此外超聲波提取法、超濾膜提取法、酶輔助提取法等新型復合提取法也被深入研究，本節(jié)就巖藻多糖的提取方法進行簡單的概括。

1.1 傳統(tǒng)提取方法

水提法是利用巖藻多糖易溶于熱水、不溶于乙醇等有機溶劑的特點，分離得到巖藻多糖。Barros等［5］采用熱水提法從紅藻G. caudata 中提取巖藻多糖，以100 ℃水浴2 h，乙醇沉淀，巖藻多糖(PGC)得率為32.8%。Rodríguez-Jasso 等［6］采用水提法從褐藻F. vesiculosus 在180 ℃、20 min 獲得巖藻多糖，產(chǎn)率為16.5%。該方法作為一種傳統(tǒng)的方法具有成本低、操作簡單、耗時長的特點。與水提法相比，酸提法是利用巖藻多糖能夠溶于稀鹽酸的水溶液，褐藻酸在較低pH 值下難以溶解和部分鈉鹽溶于水的性質來分離提取巖藻多糖。Rabanal 等［7］采用酸法從海藻D. dichotoma 提取巖藻多糖的產(chǎn)率為7.2%。該方法提取率不高，容易破壞巖藻多糖的結構進而影響活性。

超聲波法是利用超聲波的能量破碎細胞，可以在常溫狀態(tài)下，以較短的時間使巖藻多糖溶出，減少褐藻膠等雜質溶出。曲桂燕等［8］響應面優(yōu)化超聲法提取巖藻多糖的最佳提取工藝條件為超聲時間11 min、溫度為100 ℃、液料比為1∶35、時間2 h。比同樣條件下未超聲巖藻多糖提取率提高了5.42%，同時實驗研究發(fā)現(xiàn)，超聲作用可以增加粗巖藻多糖提取率、降低褐藻膠含量而不會對多糖、硫酸根含量造成影響。

酶提取法則是利用酶來破壞細胞壁的骨架結構，促使細胞內的活性成分巖藻多糖的流出，其中纖維素酶作為一種用來破壞細胞壁的酶被廣泛使用，由于酶的高效性、專一性、反應條件溫和、可以提取胞內多糖，使得提取具有高效性。張換等［9］選用纖維素酶提取海帶多糖，并結合響應面法優(yōu)化得出最佳的提取條件是液料比為40，纖維素酶的用量為1.5%，提取的溫度44 ℃，pH 4.0，時間2 h，海帶多糖得率高達(11.62 ±0.03)%。

傳統(tǒng)提取方法經(jīng)過早些年實驗的證明，且生產(chǎn)設備容易制作和調整及操作步驟相對簡單，為在工業(yè)上大批量生產(chǎn)提供了便利。然而以上方法的效率卻不高，耗時長等缺點，新型方法的研究應運而生。

1.2 新型提取方法

除了以上的傳統(tǒng)提取方法，近年來在傳統(tǒng)提取方法的基礎上出現(xiàn)了許多新型的提取方法。

微波輔助提取法是利用微波射線的穿透性好、能量高，可以深入細胞內部促使巖藻多糖流出縮短提取時間來提高效率。張海艷等［10］通過正交實驗優(yōu)化得到微波功率為480 W，時間3 min，液料比20時，可得海帶多糖提取率為17.5%。Rodriguez-Jasso等［11］采用微波輔助法從褐藻F. vesiculosus 提取巖藻多糖，用響應面法優(yōu)化得出壓力為120 psi、時間為1 min、料液比為1∶25 時，得率高達18.22%。該方法大大縮短了提取時間，不使用有機溶劑減少能源浪費。

超聲輔助酶法提取是先利用酶來破壞細胞壁的結構，超聲波加快破壞細胞壁，促進巖藻多糖的溶出，大大的縮短提取時間。Xu 等［12］進行單因素實驗和正交實驗得出最佳提取條件為:酶解溫度50 ℃、pH 4.5、時間75 min、酶用量2.25%(纖維素酶∶中性蛋白酶=2∶1，w/w)，可以獲得提取率可達8.64%。該復合法作為一種新穎的方法可以有效提取巖藻多糖，同時保持它的結構和生物活性。因此未來應該加大研究促使該方法產(chǎn)業(yè)化。

超濾膜法是將提取出的巖藻多糖中小分子雜質除去，純度提高又不破壞巖藻多糖的生物活性，更重要的是對環(huán)境友好，但是對膜的要求大、成本較高。周奕等［13］在4 ℃下提取巖藻多糖經(jīng)過超濾可以分離得分子量＞50 kDa 的百分比含量為(84. 29 ±2.72)%，硫酸根含量為30.9%。在低溫環(huán)境下，巖藻多糖很少發(fā)生降解，這說明超濾能夠有效地脫除巖藻多糖水溶液中小分子物質。

以上研究顯示新型提取方法可大大縮短時間，提高效率。但設備要求高，花費大，阻礙新型方法的工業(yè)化進程。在開發(fā)新提取方法的同時，應該加大力度著力解決費用和優(yōu)化設備的問題，為產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)巖藻多糖提供保障。

2 巖藻多糖的降解

巖藻多糖作為天然高分子多糖，其分子量測定可以采用光散射法、粘度法和凝膠過濾法［22］等。研究表明巖藻多糖分子量大小與其生物活性相關，主要表現(xiàn)為低分子量的巖藻多糖的生物活性更高和多樣性［4，14］。因此降解成為研究熱點。

巖藻多糖分子量的降解可以使用鹽酸降解、酶法和自由基降解法等。Park 等［15］采用鹽酸降解法(1 mol/L，HCl)、酶法(1%，β-葡糖酶)和超高壓輔助酶法(UHP-enzyme，100 MPa，40，24 h)來降解巖藻多糖，獲得FUPS-HCl(HCl treated FUPS)、FUPS-T1(Enzyme treated FUPS)、FUPS-T1-U 和FUPS-T0.3-U(UHP-enzyme treated FUPS)平均分子量為15，722，711，687 kDa，較原來粗巖藻多糖的877 kDa 均有所下降。Yu 等［16］也采用酶法降解巖藻多糖，實現(xiàn)分子量由原來的1 284 kDa 降到98.7 kDa。其中硫酸根含量為(29.5 ±2.5)%。Chandia 等［17］將由氯化鈣法得到巖藻多糖1.00 g 和0.16 g 乙酸銅(II)單水合物溶解混合，加入9%H2O2后在pH 為7. 5，60 ℃的條件下可得產(chǎn)率為54.8%，其中硫酸根含量占33.7%，可以將巖藻多糖的分子量由320 kDa 降解到32 kDa。除此之外，Choi 等［18］采用新型方法γ輻照來降解巖藻多糖獲得低分子量的巖藻多糖。研究顯示，巖藻多糖的分子量隨著γ 輻照劑量的增加而下降。γ 輻照作為新的降解方法可以有效降解巖藻多糖，但是獲得的低分子量巖藻多糖的活性是否發(fā)生改變仍需進一步研究。

分析巖藻多糖的降解可知，由于巖藻多糖的活性呈現(xiàn)多樣性，應該首先確定低分子量巖藻多糖的分子量大小與不同活性之間的關系，進而選取合適的降解方法來確保多糖的高活性。

3 巖藻多糖的結構分析

多糖作為生物大分子，其結構層次分類沿用了蛋白質的分類法。巖藻多糖的糖基連接方式是多樣的，導致多糖的結構十分復雜?？梢圆捎眉t外光譜、氣質聯(lián)用等［19］方法來分析巖藻多糖的結構。進一步從不同角度來闡明結構與其生物活性的關系受到研究者的青睞。

不同種褐藻采用不同的提取分級方法，植物部位不同，所提取的巖藻多糖成分也是各色各樣的，結構上更是呈現(xiàn)多樣性。張文清等［20］使用DEAE-纖維素等方法分離得到均一巖藻多糖組分TC-1，分析表明，巖藻多糖基多以1，4-和1，3-鍵的方式存在，這說明以上方法分離得到的組分包含多種結構，并非單一結構，要想分離單一結構非常困難。Synytsya等［21］采用紅外-拉曼光譜和13NMR 對從U. pinatifida 中提取出的巖藻多糖分析得到，該巖藻多糖主要包含β-D-吡喃半乳糖和α-L-巖藻吡喃糖分別占44.6% 和50.9%。2010 年，Bilan 等［22］從褐藻S.latissima 提取的巖藻多糖的主要由在C-4/C-2 位上的3-α-L-巖藻吡喃糖和在分支C-2 位上的硫酸α-L-巖藻吡喃糖殘基組成。

以上研究顯示巖藻多糖結構呈現(xiàn)多樣性，這給研究者帶來研究困難。進一步研究巖藻多糖結構有助于了解巖藻多糖活性機理，進而為巖藻多糖的應用提供理論支持。

4 巖藻多糖的生物活性及應用

值得關注的是巖藻多糖的抗氧化、抗腫瘤、降血糖、抗病毒等［23］活性?，F(xiàn)如今，發(fā)現(xiàn)了巖藻多糖更多的生物活性。Wang 等［24］研究發(fā)現(xiàn)巖藻多糖在一定程度上可以保護腎臟。而Benlier 等［25］用巖藻多糖治療電傷小鼠實驗結果顯示巖藻多糖可以抑制電燒傷小鼠引起的組織損傷，減少壞死區(qū)域，水腫和中性粒細胞的數(shù)量。此外巖藻多糖被發(fā)現(xiàn)在其他方面也有進一步研究進展。Song 等［26］研究發(fā)現(xiàn)低分子量的巖藻多糖可以有效治療順鉑引起的慢性胃腸道疾病。Immanuel 等［27］研究顯示巖藻多糖來補充飲食可以增強先天免疫力和抵抗白斑綜合癥病毒的感染。Kang 等［28］研究發(fā)現(xiàn)，在早期使用巖藻多糖治療可以顯著降低由脂多糖(LPS)治療引起的加速缺血性損傷腦梗死面積，起到保護神經(jīng)的作用。

除了巖藻多糖的藥理作用，最近有新的研究發(fā)現(xiàn)。Moroney 等［29］發(fā)現(xiàn)巖藻多糖添加到飼料中不會影響豬的色澤，可以保持豬肉的新鮮性。但巖藻多糖的添加量與鮮肉的貨架期、質量的關系仍需進一研究。此外，陳西英等［30］在對綿羊精液冷凍效果的研究發(fā)現(xiàn)，1.0 mg/mL 的海帶多糖在精子活率、頂體完整率和質膜完整性方面表現(xiàn)效果理想，可為綿羊改良增產(chǎn)做貢獻。易靜楠等［31］將巖藻多糖和膠原制備出復合支架材料，性能測定顯示該支架材料無明顯細胞毒性，巖藻多糖可以降低材料的降解速度，作為一種新型的組織工程支架材料有望使用在皮膚修復上，但仍需進一步研究。

總而言之，近年來巖藻多糖在各個領域的研究都取得了突破性進展，但是在人體臨床應用上亟需進一步驗證，邊緣性研究需要更多實驗來證明其可行性。

5 展望

巖藻多糖具有的抗氧化、抗腫瘤等多種生物活性在醫(yī)藥、食品和工業(yè)等方面有著廣泛的應用?？v觀近年來研究，巖藻多糖的提取方法、低分子量巖藻多糖的制備和結構分析等研究均與其生物活性有一定關系，由于生物活性的多樣性，應采取怎樣的提取方法、分子量的大小及結構特點與特定的生物活性的關系還需得到更深入的研究，為巖藻多糖在未來各方面的應用提供理論基礎。從國內外的研究可以看出，國外關于巖藻多糖結構和生物活性及應用的研究仍領先于國內?？v向系統(tǒng)的研究分析巖藻多糖的提取，低分子量巖藻多糖制備，結構分析將有利于其工業(yè)上發(fā)展，同時著重研究克服大批量生產(chǎn)的困難也將使得巖藻多糖的應用進一步擴大。

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