海洋生物多糖多肽聯(lián)產(chǎn)制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀

楊大俏，王錦旭，李來好*，楊賢慶，馬海霞

(1. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510300；2. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306)

海洋約占地球表面積的71%，含豐富的生物資源，近幾十年來，漁業(yè)資源的產(chǎn)量不斷增加[1]。世界水產(chǎn)品中，85%左右來源于海洋，2016年全球漁業(yè)捕撈量達(dá)到9.09×106t[2]，中國水產(chǎn)品產(chǎn)量約占世界水產(chǎn)品產(chǎn)量的1/3左右[3]。中國擁有豐富的海洋資源，但大多海產(chǎn)品是通過簡單加工后直接進(jìn)入食品市場，產(chǎn)品附加值不高，使得海產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到影響。且被丟棄的魚類加工副產(chǎn)品中含大量有效生物活性成分，其潛在應(yīng)用價(jià)值亟待開發(fā)利用，因此，研究海洋生物及其副產(chǎn)物高值化利用的技術(shù)十分迫切[4-5]。

海洋生物多糖是指海洋生物中含有的多聚糖及酸性黏多糖，包括海藻多糖、海洋動物多糖和海洋微生物多糖，因其具有多種藥用功能，已日漸成為研究熱點(diǎn)[6]。海洋生物多肽是指海洋生物中固有的天然生物多肽，具有較高的穩(wěn)定性，但對于海洋魚蝦貝類中的生物活性肽的研究仍處于起步階段[7]。海洋生物通常含有較高的蛋白質(zhì)及碳水化合物，脂肪含量較低，多作為多糖、多肽的可靠來源。海產(chǎn)品除了可作為藥物的豐富來源[8]外，海洋天然產(chǎn)品已逐漸成為功能食品和膳食補(bǔ)充的主要來源之一。其中，海參(Thelenataanax)[9]、海星(Pentacerasterchinenesis)[10]、海膽(Hemicentrotuspulcherrimus)[11]、牡蠣(Crassostreagigas)[12]、合浦珠母貝(Pinctadamartensii)[13]、藍(lán)圓鰺(Decapterusmaruadsi)[14]和海水螺旋藻(Spirulinaplatesis)[15]是較常見的富含營養(yǎng)活性成分的海洋生物。

對海洋生物活性成分提取分離的研究是當(dāng)前熱點(diǎn)課題之一[16]。目前關(guān)于海洋生物多糖或海洋生物多肽的提取工藝研究，多采用超聲輔助水提取法[17]和蛋白酶水解法[18]，但該類研究多集中在單獨(dú)提取多糖分子或單獨(dú)提取多肽分子上，關(guān)于海洋生物多糖活性分子和多肽活性分子聯(lián)產(chǎn)研究并未見報(bào)道。聯(lián)產(chǎn)制備技術(shù)是指利用物理或化學(xué)方法同時(shí)提取物料中多種有效成分的高效生產(chǎn)技術(shù)[19-20]。關(guān)于多種物質(zhì)同時(shí)提取或聯(lián)產(chǎn)制備的研究，國內(nèi)雖在油料作物[21]和中草藥[22]活性成分的提取方面取得突破性成果，但海洋生物資源的高效利用工藝研究尚屬空白。文章通過對海洋生物多糖及海洋生物多肽的活性成分及二者單獨(dú)制備工藝進(jìn)行梳理，并與陸生植物聯(lián)產(chǎn)制備工藝比較分析，同時(shí)對聯(lián)產(chǎn)制備海洋生物多糖及海洋生物多肽的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，以期為海洋生物多糖和多肽的聯(lián)產(chǎn)制備技術(shù)提供參考，為提高海洋生物資源利用率提供理論支持。

1 多糖多肽活性成分

海洋生物活性物質(zhì)主要包括生物信息物質(zhì)、海洋藥用物質(zhì)、海生毒素和生物功能材料，海洋生物活性代謝產(chǎn)物具有抗菌[23]、抗癌[24]、抗病毒[25]、抗腫瘤[26]和細(xì)胞毒素[27]等作用。迄今為止發(fā)現(xiàn)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的化合物包括生物堿、萜類化合物、類固醇、多肽、聚醚、大核素和多糖等[28]。研究生物活性物質(zhì)是海洋研究的主導(dǎo)方向，其中對海洋多糖和多肽的研究歷久彌新。

1.1 海洋生物多糖

多糖指聚合度超過10的多聚糖[29]，其分子量通常在數(shù)十萬，最高可達(dá)百萬，具有增強(qiáng)免疫力[30]、抗凝血[31]、降脂[32]、抗腫瘤[33]、抗氧化[34]、降膽固醇[26]和降糖[26]等功能。按其來源可分為動物多糖、植物多糖和微生物多糖。

1.1.1 海洋動物多糖

目前報(bào)道的海洋動物多糖主要包括甲殼動物、軟體動物和棘皮動物等，甲殼動物多糖大多存在于其甲殼內(nèi)，如蝦、蟹等，具有降血脂、降血糖等功效[35-36]。研究發(fā)現(xiàn)，從海洋軟體動物提取得到的糖胺類酸性多糖是一種新型海洋糖胺類多糖[37]，具有抗增殖功效；低分子量的牡蠣多糖可通過調(diào)節(jié)樹突細(xì)胞增強(qiáng)機(jī)體免疫力[38]；水溶性的牡蠣多糖對高血壓大鼠模型具有降血壓功能[39]。分子結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，相對分子質(zhì)量為1 299 KDa的太平洋牡蠣多糖為D-吡喃型葡聚糖[12]。棘皮動物如海參、海膽等，體內(nèi)具有大量多糖，海參多糖[9]具有較強(qiáng)的體外抗腫瘤活性。蝦夷馬糞海膽(Strongylocentrotusintermedius)生殖腺多糖結(jié)構(gòu)是由多聚甘露糖與糖原相連接而構(gòu)成[40]。

1.1.2 海洋植物多糖

海洋植物多糖主要為海藻多糖，包括紅藻門(Rhodophyta)、褐藻門(Phaeophyta)、藍(lán)藻(Cyanobacteria)、綠藻門(Chlorophyta)和微藻門(Microalgae)。目前研究主要集中于紅藻及褐藻多糖、卡拉膠和瓊膠等物質(zhì)。海藻多糖具有抗衰老、抗腫瘤、抗病毒、降血糖和增強(qiáng)免疫力等功效。紅藻糖苷通過抑制酪氨酸酶活性而具有抑制細(xì)胞生成黑色素的能力[41]；南非紫菜(Porphyracapensis)多糖能顯著提高衰老小鼠脾臟和胸腺指數(shù)，并提高衰老小鼠的免疫機(jī)能[42]；小鼠腹腔注射海帶(Laminariajaponica)多糖能激活其腹腔巨噬細(xì)胞，增強(qiáng)小鼠體內(nèi)免疫調(diào)節(jié)[43]；海藻(Caulerpamexicana)中的硫酸化多糖對乙醇引起的胃損傷具有保護(hù)作用[44]；從海藻中提取出來的一種新型多糖化合物具刺激胰腺M(fèi)IN-6細(xì)胞分泌胰島素的功能[45]；海藻多糖則通過抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶活性而具降血糖功能[46]；南方團(tuán)扇藻(Padinaaustralis)多糖對肝細(xì)胞細(xì)胞膜脂質(zhì)氧化具有較高的抑制能力[47]。

1.1.3 海洋微生物多糖

目前關(guān)于海洋微生物多糖的研究較少，如Li等[34]從海洋真菌(Hansfordiasinuosae)中分離得到具有抗腫瘤特性的中性水溶多糖(HPA)。

1.2 海洋生物多肽

多肽[18]不同于多糖，其是氨基酸以肽鍵連接形成的化合物，分子量通常低于10 kDa，Mirzaei等[48]證實(shí)分子量小于3 kDa的多肽具有較高生物活性。多肽具有抗氧化[49]、抗菌[23]、抗腫瘤[50]、抗高血壓[4]和抗病毒[25]等功效。因多肽具有來源豐富、易制備及結(jié)構(gòu)鑒定簡易等特點(diǎn)，已逐漸成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，日本、美國和澳洲等地均有相應(yīng)功能食品及保健品推出。

1.2.1 海洋動物多肽

已報(bào)道的海洋動物多肽涵蓋各種高蛋白海洋動物，尤以海參[9]、海星[10]、海膽[11]、牡蠣[12]、合浦珠母貝[13]、藍(lán)圓鰺[14]、金槍魚(Thunnusobesus)[51]和羅非魚(Oreochromisnioticus)[52]等海洋生物為代表，如提純得到的分子量小于1 kDa的魚蛋白水解物多肽，具有較高的抗高血壓能力[4]；Je等[53]使用不同蛋白酶水解金槍魚骨架蛋白以生產(chǎn)抗氧化多肽，并且研究了大眼金槍魚[51]的黑肌肽在自由基介導(dǎo)的氧化系統(tǒng)中的純化和抗氧化性質(zhì)；牡蠣多肽[54]可顯著抑制革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的生長，6.4 kDa的太平洋牡蠣多肽[55]同樣具有抗菌能力；You等[56]從合浦珠母貝中得到分子量約為11.6 kDa，含有95.1%蛋白質(zhì)和含4.92%糖蛋白的珍珠肌蛋白(PMP)，并發(fā)現(xiàn)PMP具有明顯的抗氧化能力；扇貝裙邊活性肽則具降血糖功能，可以改善正常小鼠對血糖濃度的調(diào)節(jié)能力[57]。

1.2.2 海洋植物多肽

目前對于海洋植物多肽的研究主要集中于海藻藻膽蛋白的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，而對海藻多肽的研究較少。研究發(fā)現(xiàn)，壇紫菜蛋白肽具有較好的降血壓、降膽固醇和抗氧化作用[58]；紫菜多肽能有效控制高血脂大鼠體質(zhì)量的增加，改善血脂水平，提高抗氧化酶活力，抑制脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，降低患動脈硬化疾病的風(fēng)險(xiǎn)[59]；麒麟菜(Eucheuma)多肽對小鼠血栓起到抑制作用，具有預(yù)防血栓形成的潛在功能[60]；海帶多肽則對小鼠急性輻射損傷具有防護(hù)作用[61]。

1.2.3 海洋微生物多肽

海洋微生物多肽作為水產(chǎn)動物免疫調(diào)節(jié)劑廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖中，具有促進(jìn)魚類生長，提高魚類的非特異性免疫能力，降低死亡率[62]等功效。其中，口服微生物免疫多肽可提高黑鯛(Sparusmacrocephalus)[63]免疫力，并促進(jìn)其生長。

綜上，海洋多糖、多肽具有抗腫瘤、抗病毒、抗菌、抗氧化、抗衰老、降血脂、降血糖和增強(qiáng)免疫力等多種藥用功能，對海洋多糖、多肽的深入研究及應(yīng)用將有益于人類健康水平的提高。

2 海洋生物多糖、多肽的單獨(dú)提取工藝

多糖、多肽因結(jié)構(gòu)特性不同，其提取制備工藝也有差異。多糖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分子質(zhì)量大，且由于海洋植物具有細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，因此，海洋植物多糖高產(chǎn)制備的前提是破碎細(xì)胞壁，使內(nèi)容物充分溶出；對海洋動物多糖而言，因其多與蛋白質(zhì)結(jié)合，故而達(dá)到高產(chǎn)制備的前提是利用多糖大分子物質(zhì)不溶于有機(jī)溶劑的特性，使其與蛋白質(zhì)充分解離。多肽則具備結(jié)構(gòu)簡單、分子質(zhì)量小的優(yōu)勢，選擇蛋白質(zhì)含量豐富的生物體且適當(dāng)解離其蛋白質(zhì)即可獲得。

2.1 多糖提取工藝

目前常用的多糖提取方法為水提取法[64]，為提高其提取效率，通常輔助采用微波、超聲波、高壓、高溫或加酸、加堿和加酶等手段，如酶提取法[9]、超聲提取法[17]、微波輔助提取法[65]、超高壓提取法[66]和膜分離技術(shù)[67]。近年來，酶提取法因其無毒、環(huán)境友好以及提取效率高的特性而被廣泛使用。海洋生物多為高蛋白生物，其多糖與蛋白質(zhì)連接復(fù)雜，故多采用堿提取法[68]和酶水解法[9]制備，以解離高分子蛋白質(zhì)。粗多糖中往往混雜著游離蛋白質(zhì)、多肽等，故單一制備海洋生物多糖時(shí)，多采用蛋白酶法[9]、Sevag 法[69]、等電點(diǎn)法[70]、三氟三氯乙烷法[71]和三氯乙酸沉淀法[72]去除蛋白，最后用乙醇等有機(jī)溶劑析出多糖大分子。如程婷婷等[73]以多糖得率為指標(biāo)，用6種蛋白酶酶解鮑(Haliotisdiscushannai)臟器，并利用膜分離技術(shù)去除蛋白，最后用乙醇醇析制備多糖，發(fā)現(xiàn)堿性蛋白酶制備效果最佳。

2.2 多肽提取工藝

相比于多糖的提取工藝，多肽的提取工藝簡單許多，按多肽的來源可以分為3類： 1)從自然界中的生物體中提取其本身固有的各種天然活性肽類[74]； 2)通過降解大分子蛋白質(zhì)獲得具備各種生理功能特性的活性肽[75]； 3)通過合成方法制備生物活性肽，包括化學(xué)合成法、酶合成法和重組DNA技術(shù)合成法[76]。其中，酶解蛋白質(zhì)制備生物活性多肽的方式最為普遍[18]。如使用風(fēng)味蛋白酶酶解金槍魚肝臟[77]，得到具有活性肽的酶解液；利用菠蘿蛋白酶和堿性蛋白酶依次水解海地瓜(Acaudinamolpadioidea)的體壁蛋白質(zhì)[78]，使用超濾膜將水解產(chǎn)物分為大于2 kDa和小于2 kDa的兩部分；利用胰蛋白酶水解扇貝(Mimachlamysnobilis)肉[79]，得到2種分子量的抗氧化肽。國外研究人員普遍將重點(diǎn)放在酶解生物體蛋白質(zhì)得到具有特定功能特性的活性肽上，并對其活性進(jìn)行評價(jià)[55]。

3 陸生動植物生物活性物質(zhì)的聯(lián)產(chǎn)制備技術(shù)

國內(nèi)對于從同一物料中同時(shí)提取2種及2種以上成分的研究大多集中在陸生植物原料上，以油料作物和中草藥作物居多。而對于海洋生物，同時(shí)提取其內(nèi)有效成分或多組分聯(lián)產(chǎn)制備方法研究仍處于待開發(fā)階段，國外在聯(lián)產(chǎn)或同時(shí)提取方面的研究也不多見。

目前陸生植物聯(lián)產(chǎn)技術(shù)主要集中于二次發(fā)酵[80]、酶解法[81]、超聲輔助醇提法[82]、石油醚回流法[83]、堿提法[84]和堿溶酸提法[85]等方法，利用目標(biāo)組分的極性、溶解性和揮發(fā)性等性質(zhì)差異進(jìn)行分離。如利用小麥酒精發(fā)酵的廢液聯(lián)產(chǎn)制備小麥多糖和活性肽，其發(fā)酵廢液經(jīng)過二段發(fā)酵后，取醇沉發(fā)酵后的上清液得到小麥多糖，酶解沉淀得到活性肽[80]。利用水酶法同時(shí)提取油茶籽油及蛋白質(zhì)[81]，在最佳條件下，油茶籽油的得率可達(dá)到74.61%，蛋白質(zhì)的得率為82.28%。孫月川等[86]從生地黃中同時(shí)提取地黃多糖和梓醇。還有研究者利用超聲波輔助法同時(shí)提取了桑葉中的總黃酮和單寧，并利用正交試驗(yàn)優(yōu)化得到最佳工藝[87]。馬曉珂等[88]采用組合超聲輔助提取技術(shù)同時(shí)提取葛根黃酮與葛根多糖，提高了葛根資源的綜合開發(fā)效率和利用率。但以上方法特異性強(qiáng)，多應(yīng)用于特定生物的特定組分聯(lián)產(chǎn)提取，適用性不高。

4 海洋生物多糖、多肽聯(lián)產(chǎn)制備技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，海洋生物多糖和多肽的提取研究集中在單獨(dú)提取多糖分子或單獨(dú)提取多肽分子上，針對從一種海洋生物中同時(shí)提取活性多糖分子和多肽分子的研究甚少。海洋生物的多糖與多肽通常以糖鏈或肽鏈的方式連接于蛋白質(zhì)分子或碳水化合物上，形成糖蛋白或糖胺聚糖，由于不同蛋白酶作用位點(diǎn)不同，海洋生物經(jīng)過特定蛋白酶作用，可將糖復(fù)合物分解為糖鏈和肽鏈，或?qū)⒌鞍踪|(zhì)分解為肽段，選用合適的酶并在一定的添加量、料水比和作用時(shí)間條件下，使用合適的分離技術(shù)，即可得到具有特定生物活性及特定分子量的多糖分子以及多肽鏈。酶解工藝可有效地除去多糖產(chǎn)物中的蛋白質(zhì)，并分解為所需的多肽產(chǎn)物，更為高效地利用生物資源。

多糖、多肽具有不同的理化性質(zhì)，一般可以利用兩者間的極性(溶解度)、電荷和分子量等差異進(jìn)行分離，如水提醇沉法[89]、電泳[90]、季銨鹽絡(luò)合[91]、大孔樹脂[92]、膜分離[67]、離子交換色譜[93]和液相色譜[93]等方法。水提醇沉法、季銨鹽絡(luò)合法操作簡單，但試劑損耗大。柱色譜法(離子交換色譜、大孔樹脂色譜等)是利用不同物質(zhì)間體積大小、電荷、附著力和極性等特性的差異，造成其與固定相結(jié)合力不同，而被分別洗脫分離，但該方法耗時(shí)長，分離效率低[94]。高效液相色譜的特點(diǎn)是采用了高壓輸液泵、高靈敏度檢測器和高效微粒固定相，可將液體混合物中的成分高效分離并進(jìn)行定性及定量分析，適于分析不易揮發(fā)、分子量大及不同極性的有機(jī)化合物[95]，但是該方法對樣品要求較高，且單次分離量低。膜分離中使用的膜是具有選擇性分離功能的材料，以液體的壓力差為動力，通過膜孔篩除作用進(jìn)行分離，根據(jù)物料分子量差異，膜可實(shí)現(xiàn)選擇性分離、純化和濃縮，此過程是物理過程，期間無化學(xué)相變且無需添加化學(xué)助劑。膜分離方法相較于其他方法，因同時(shí)具有提取效率高、設(shè)備簡單、低能耗、無污染和無相變的優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛采用。

研究發(fā)現(xiàn)，2種不同超濾膜材料可分別得到不同的牡蠣多肽[96]，且超濾的溫度、壓力和pH等條件對超濾牡蠣多糖均有影響[67]，該研究為材料特性相似的海洋生物膜分離聯(lián)產(chǎn)制備多糖多肽提供了理論依據(jù)。如陳發(fā)河等[97]通過選用不同截留分子量的超濾膜分離出4種海參多糖和3種海參多肽，研發(fā)了一種海參巖藻聚糖硫酸酯和海參糖蛋白的聯(lián)產(chǎn)制備方法。翁武銀[98]利用復(fù)合酶解、膜分離、水提醇沉和離心分離等手段分離得到鮑多糖、脂質(zhì)和蛋白肽，通過1個工藝流程同時(shí)得到3種物質(zhì)。除此之外，國內(nèi)外對海洋生物聯(lián)產(chǎn)制備多糖多肽的研究未見報(bào)道。

5 小結(jié)

多糖、多肽因其獨(dú)特的功能特性已逐漸成為研究熱點(diǎn)，多糖、多肽提取技術(shù)都有了較成熟的工藝，但是針對多糖多肽聯(lián)產(chǎn)制備工藝仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，導(dǎo)致目前對海洋資源的利用率不高。海洋生物資源豐富且具有高蛋白、高碳水化合物和低脂的特點(diǎn)，采用酶解-膜分離工藝能更好地同時(shí)制備海洋生物多糖及多肽，但國內(nèi)研究多處于實(shí)驗(yàn)室階段，國外對海洋生物資源高值化利用的研究也較少。關(guān)于多種物質(zhì)同時(shí)提取或聯(lián)產(chǎn)的研究，國內(nèi)主要集中于油料作物和中草藥活性成分的提取研究，針對更高效地利用海洋生物資源的工藝研究還較少；國外研究在這一方面幾乎還是空白，尤其是對于高蛋白海洋生物而言，其多糖多肽聯(lián)產(chǎn)工藝還未引起廣泛關(guān)注。因此，重視對海洋生物多糖多肽聯(lián)產(chǎn)制備技術(shù)的研究，可為有效利用海洋資源和魚類加工副產(chǎn)物提供理論技術(shù)支持，海洋生物資源的高值化利用及工業(yè)化生產(chǎn)將有助于為醫(yī)藥、功能輔助食品、保健品等行業(yè)的發(fā)展拓展更廣闊的空間。