褐藻膠低聚糖的生物活性及其在水產(chǎn)制品中的應(yīng)用研究進(jìn)展

青島明月海藻生物科技有限公司 海藻活性物質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266400

褐藻膠(alginate)是褐藻細(xì)胞壁的填充物質(zhì)，是由β-D-甘露糖醛酸(M)和α-L-古羅糖醛酸(G)，通過(guò)1→4糖苷鍵連接成直鏈線性高聚合物，整個(gè)分子由甘露糖醛酸片段(PolyM)、古羅糖醛酸片段(PolyG)和甘露糖醛酸-古羅糖醛酸雜合段(PolyMG)形成嵌段結(jié)構(gòu)。自1881年英國(guó)人Stanford首次從褐藻中提取出褐藻酸鈉以來(lái)，各國(guó)研究者對(duì)其原料及提取、純化方法都進(jìn)行了大量研究[1]。由于褐藻膠隨著不同的藻種、生長(zhǎng)地點(diǎn)、生長(zhǎng)時(shí)期、藻體部位等因素的變化，其含量、相對(duì)分子質(zhì)量及M/G比等各有不同，這給褐藻酸鈉的應(yīng)用，特別是對(duì)其結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究帶來(lái)不便。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，褐藻酸鈉經(jīng)降解后可獲得相對(duì)分子質(zhì)量確定和結(jié)構(gòu)確切的低分子低聚糖，這些低聚糖顯示了顯著的抗腫瘤、增強(qiáng)免疫、促進(jìn)生長(zhǎng)等多種生理活性[2～6]。鑒于此，對(duì)褐藻膠低聚糖的研究引起了廣泛興趣。

1 褐藻酸鈉低聚糖生理活性

褐藻膠低聚糖(Alginate oligosaccharides)，即海藻酸鹽寡糖，是由褐藻中提取的大分子海藻酸鹽通過(guò)不同工藝降解而成的一種小分子低聚糖，由β-D-甘露糖醛酸(M)和α-L-古羅糖醛酸(G)兩種單體通過(guò)α-1,4糖苷鍵鏈接聚合而成，聚合方式主要有三種，即MM、GG和G/M[4]。與大分子海藻酸鹽相比，褐藻膠低聚糖分子量低、易溶于水，而且其特殊的理化特性具有多種生物活性，如抗腫瘤、抗氧化、抑菌抗炎、免疫調(diào)節(jié)等，在食品、保健品、化妝品、生物醫(yī)藥、農(nóng)林牧漁等領(lǐng)域越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的青睞，具有廣闊的開發(fā)前景和巨大的應(yīng)用價(jià)值[5]。

1.1 抑菌性

褐藻膠低聚糖對(duì)動(dòng)植物的一些致病菌均表現(xiàn)出很強(qiáng)的抑菌作用。研究發(fā)現(xiàn)，在畜禽飼料中添加適量褐藻膠低聚糖，可有效抑制腸炎沙門氏菌感染[6]。在水產(chǎn)養(yǎng)殖上，褐藻膠低聚糖對(duì)常見的嗜水氣單胞菌、白色念珠菌及鰻弧菌表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑菌活性，且隨寡糖濃度的升高而增強(qiáng)[7]。體外抑菌研究發(fā)現(xiàn)褐藻膠低聚糖對(duì)大腸桿菌及金黃色葡萄球菌有直接的抑制作用，且呈量效關(guān)系[8]。

1.2 抗腫瘤活性

褐藻膠低聚糖具有良好的生物相容性，本身無(wú)細(xì)胞毒性，對(duì)生物細(xì)胞無(wú)損傷，因此用其開發(fā)抗腫瘤藥物可以極大的降低藥物潛在的毒副作用。大量研究表明，褐藻膠低聚糖與一般的抗腫瘤因子不同，它本身對(duì)腫瘤細(xì)胞無(wú)毒活性，但可以直接抑制一些腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)或通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)體免疫系統(tǒng)活性來(lái)間接發(fā)揮抗腫瘤作用[9]。

1.3 免疫調(diào)節(jié)活性

褐藻膠低聚糖能刺激各種免疫活性細(xì)胞(如巨噬細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞等)的分化、成熟、繁殖，使機(jī)體的免疫系統(tǒng)得到恢復(fù)和加強(qiáng)，并能通過(guò)免疫調(diào)節(jié)作用發(fā)揮多種生理活性。楊華(2004)等[10]指出，褐藻膠經(jīng)降解的PolyM具有一定的免疫原性，能夠刺激機(jī)體免疫應(yīng)答，而且它能與一定的毒素、病毒和真菌細(xì)胞的表面結(jié)合而作為這些外源抗原的佐劑，減緩抗原的吸收，增加抗原的效價(jià)，從而增強(qiáng)動(dòng)物體的細(xì)胞和體液免疫反應(yīng)。Otterlei等報(bào)道了褐藻膠及其降解產(chǎn)物能激活人的單核細(xì)胞產(chǎn)生大量TNF-α、白介素IL-6和IL-1β，發(fā)現(xiàn)M是主要的激發(fā)因素，并認(rèn)為M含量的高低與巨噬細(xì)胞的作用強(qiáng)弱有密切關(guān)系。TNF-α、白介素IL-6和IL-1β都是重要的免疫因子，在抗腫瘤、抗菌、抗病毒中發(fā)揮重要作用。由海帶中提取的褐藻膠低聚糖是一種酸性寡聚糖，它是小鼠B淋巴細(xì)胞的有絲分裂原，對(duì)B細(xì)胞的增殖有激活作用，并能增強(qiáng)小鼠的體液免疫與腹腔巨噬細(xì)胞的吞噬功能，促進(jìn)淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化，對(duì)大鼠紅細(xì)胞凝集也有明顯的促進(jìn)作用。

1.4 促生長(zhǎng)作用

Kawada(1997)等[11]研究了褐藻膠酶解低聚糖對(duì)角質(zhì)細(xì)胞生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)低聚糖可以顯著提高角質(zhì)細(xì)胞的生長(zhǎng)率，效果與牛垂體提取物(BPE)相似。具有G末端的低聚糖作用更顯著，可能是由于末端G對(duì)角質(zhì)細(xì)胞上受體的親和性或者對(duì)表皮生長(zhǎng)因子(EGF)的激活作用而表現(xiàn)出對(duì)角質(zhì)細(xì)胞的促生長(zhǎng)作用。2001年，宮小黎等報(bào)道了褐藻膠降解產(chǎn)物寡聚甘露糖和鐵生成的絡(luò)合物寡聚甘露糖醛酸鐵對(duì)外周血細(xì)胞和骨髓有核細(xì)胞的積極影響。寡聚甘露糖醛酸鐵能夠明顯升高骨髓有核細(xì)胞、外周血紅細(xì)胞核白細(xì)胞的數(shù)量，可以作為腫瘤化療的輔助用藥，對(duì)腫瘤化療的臨床治療效果具有重要意義。此外，褐藻膠低聚糖對(duì)植物的促生長(zhǎng)作用的研究也已引起了人們的廣泛關(guān)注。據(jù)報(bào)道，褐藻膠低聚糖可以促進(jìn)大麥、豌豆、高粱、水稻、花生、萵苣等作物的生長(zhǎng)，提高植物的抗凍能力，促進(jìn)植物的萌發(fā)和根部的生長(zhǎng)；能夠提高植物幼苗體內(nèi)的POD、CAT等抗氧化酶的活性[12～15]。

1.5 抗氧化活性

研究表明，褐藻膠低聚糖不僅具有清除活性氧的作用，還能夠顯著降低脂質(zhì)過(guò)氧化物的含量，提高過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性，具有清除過(guò)多自由基與抗脂質(zhì)過(guò)氧化的作用。孫麗萍(2005)等[16]采用化學(xué)發(fā)光法和大腸桿菌法研究了褐藻膠低聚糖A1、A2和A3對(duì)O2-、·OH和次氯酸3種自由基的清除作用。結(jié)果表明，褐藻膠低聚糖A1、A2和A3對(duì)3種自由基均有較好的清除作用，而且清除活性隨糖濃度的增加而增強(qiáng)，分子量大小對(duì)褐藻膠清除自由基的活性亦有顯著影響。

1.6 抗輻射

紫外輻射可引起DNA損傷，造成神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)調(diào)節(jié)障礙，同時(shí)還會(huì)增加生物體內(nèi)氧自由基的形成，引起皮膚老化等諸多問(wèn)題。目前，源自天然產(chǎn)物的低毒輻射防護(hù)劑逐漸成為新的研究熱點(diǎn)，褐藻膠低聚糖就是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種具有優(yōu)異抗輻射性能的糖類防護(hù)劑。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)生物酶解工藝制備的褐藻膠低聚糖，其非還原末端會(huì)形成一個(gè)在230nm區(qū)域具有特征吸收峰的雙鍵，因而表現(xiàn)出了非常好的抗紫外輻射作用。同時(shí)，褐藻膠低聚糖還可以通過(guò)清除氧化自由基來(lái)降低紫外輻射對(duì)細(xì)胞的損傷。這些研究對(duì)目前市場(chǎng)火爆的海洋化妝品的功效提供了一定的理論支撐，隨著研究的深入，必將開發(fā)出更多具有防護(hù)肌膚、延緩衰老、美容養(yǎng)顏等功效的優(yōu)質(zhì)護(hù)膚品[17]。

1.7 其它活性及應(yīng)用

褐藻膠低聚糖具有促進(jìn)益生菌雙歧桿菌增殖的作用，并且可以作為一種優(yōu)質(zhì)的膳食纖維，改善胃腸道健康[18]。褐藻膠低聚糖對(duì)重金屬離子具有一定的吸附性，可用來(lái)開發(fā)排毒食品或保健品[19]。褐藻膠低聚糖及其衍生物具有很好的抗凝活性，且與肝素類抗凝血物質(zhì)相比副作用極小[20]，藻酸雙酯鈉(PSS)就是管華詩(shī)院士利用褐藻膠低聚糖經(jīng)過(guò)分子修飾而發(fā)明的一種抗凝血類藥物。

2 褐藻膠低聚糖的保水性在水產(chǎn)制品中的研究進(jìn)展

在冷凍水產(chǎn)品生產(chǎn)加工中，水產(chǎn)品的水分含量和持水性將直接關(guān)系到水產(chǎn)品的組織狀態(tài)、品質(zhì)，甚至風(fēng)味[21]。大量研究表明，添加劑對(duì)提高肉的保水性、嫩度，降低肉在蒸煮過(guò)程中的汁液損失有著顯著的改善作用[22～24]。

褐藻膠是一種天然高分子多糖，溶于水可形成粘稠的溶液，含有大量的親水性基團(tuán)，具有良好的增稠、乳化、保水功能性；其低分子多糖具有更優(yōu)良的乳化、保水性能。褐藻膠低聚糖在水產(chǎn)品中的應(yīng)用主要是冷藏保鮮上，利用褐藻酸鈉和氯化鈣的成膜特性，涂抹于肉的表層，可以防止微生物生長(zhǎng)和脂肪氧化，延長(zhǎng)貯存時(shí)間。由于褐藻膠特殊的分子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，為其在冷凍水產(chǎn)品保水劑和抗凍劑的開發(fā)應(yīng)用提供了條件。

褐藻酸鈉裂解物的增重效果好，可能的原因其主要為不同分子量的多糖，多糖可能通過(guò)毛細(xì)管力等作用滲透到肌肉中，與蛋白質(zhì)相互作用，增加肌肉纖維間的空間，使更多的水分進(jìn)入到肌原纖維結(jié)構(gòu)中；同時(shí)，大分子量的多糖可能在蝦仁表面形成一層包裹膜，使?jié)B入的水分更好地保留在肌肉中。褐藻酸鈉裂解物能夠防止解凍損失，保持較好的增重效果，其原因可能是：褐藻酸鈉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；另一方面在冷凍階段發(fā)揮抗凍劑的作用，使肌肉蛋白不會(huì)發(fā)生冷凍變性保持原來(lái)的結(jié)構(gòu)，保持內(nèi)部結(jié)合水；第三方面可能是不同分子量的多糖與Ca2+、Mg2+結(jié)合形成保護(hù)膜，保護(hù)了肌動(dòng)球蛋白的原始空間結(jié)構(gòu)[24,25]；而且在表面也形成了膜，阻止了內(nèi)部水分的丟失[26,27]。

高瑞昌(2007)[28]研究發(fā)現(xiàn):凡納濱對(duì)蝦蝦仁經(jīng)0.5%褐藻酸鈉裂解物浸泡1h，增重效果達(dá)13%左右。褐藻酸鈉裂解物處理的蝦仁凍藏20d，仍能夠有效的保持浸泡增重效果，防止了解凍損失，提高了產(chǎn)品出品率;陳麗嬌(2003)等[29]采用3%的海藻酸鈉溶液對(duì)大黃魚進(jìn)行涂膜后冰藏保鮮，以感官指標(biāo)、細(xì)菌總數(shù)、TVB-N值、pH值等作為鮮度指標(biāo)，并與普通冰藏保鮮進(jìn)行對(duì)比，探索大黃魚在冰藏條件下采用涂膜保鮮方法的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明:涂膜保鮮可以明顯抑制細(xì)菌總數(shù)的增長(zhǎng)，維持較低的TVB-N值，延長(zhǎng)大黃魚保鮮期3～4d，保鮮效果明顯優(yōu)于普通冰藏保鮮法;于功明(2008)等[30]選擇不同凝膠強(qiáng)度的170目海藻酸鈉、300目海藻酸鈉、370目海藻酸鈉，針對(duì)海藻酸鹽對(duì)肉制品持水力及質(zhì)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:在相同工藝條件下，不同凝膠強(qiáng)度海藻酸鈉對(duì)肉制品持水力的影響是有差別的。張麗(2010)等[31]研究發(fā)現(xiàn)粘度為55mPas褐藻膠低聚糖對(duì)中國(guó)對(duì)蝦的保水效果與復(fù)合磷酸鹽相當(dāng)；馮慧(2008)[32]亦發(fā)現(xiàn)濃度為3%的褐藻酸鈉裂解物對(duì)羅非魚片以及凡納濱對(duì)蝦有一定的保水效果。

3 前景展望

聚甘露糖醛酸和聚古羅糖醛酸是褐藻酸分子中所特有的，在自然界中尚未發(fā)現(xiàn)有單獨(dú)存在的此類化合物。因此，通過(guò)降解得到這類結(jié)構(gòu)獨(dú)特的酸性多糖片段及低聚糖具有獨(dú)特生物活性，可開發(fā)成為特殊用途的功能性生物原料，具有重要的研究?jī)r(jià)值。盡管褐藻酸鈉低聚糖已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生化領(lǐng)域，但是尚有很多生理特性需要研究。對(duì)褐藻酸鈉低聚糖的制備方法、低聚糖的生理活性及低聚糖構(gòu)象與功能間關(guān)系等研究具有重要意義。褐藻酸鈉低聚糖在醫(yī)藥、食品、生物化學(xué)等方面有著良好的應(yīng)用前景。