褐藻膠寡糖生物活性研究進展

劉 航，尹 恒，張運紅，趙小明，杜昱光*

1中國科學院大連化學物理研究所生物技術部，大連 116023;2中國科學院大學，北京 100049

海洋是地球上豐富的資源寶庫，褐藻膠是一種來源于海洋褐藻的陰離子酸性多糖，是其細胞壁的主要組成物質(zhì)［1］。它是一種高聚合度的多糖類物質(zhì)，凝膠性強、粘度大，水溶性較差，不容易被吸收，因此限制了其應用。隨著近年來海洋科學研究的不斷深入，具有多種生理活性的褐藻膠多糖降解產(chǎn)物---褐藻膠寡糖(Alginate Oligosaccharides，AOS)逐漸進入人們的視野。

褐藻膠寡糖AOS是褐藻膠在褐藻膠裂解酶的作用下降解而成的一種寡糖，由β-D-甘露糖醛酸(ManA)、α-L-古羅糖醛酸(GulA)或二者雜合段組成(圖1所示)，其寡糖是一類新型生物制劑，具有可自然降解、不污染環(huán)境和無殘留等優(yōu)點［2］。由于其多方面的生理活性和與內(nèi)源性寡糖的相似性而越來越受到關注［3］。文章對近年來褐藻膠寡糖在生物活性方面的研究進展進行了綜述。

1 褐藻膠寡糖在植物上的活性

1.1 促進植物生長

褐藻膠寡糖對植物的促生長作用近年報道較多，尤其是促進植物根系的生長。Guyen等［4］報道，利用γ-射線照射褐藻膠得到降解產(chǎn)物，相對分子質(zhì)量小于104Da的褐藻膠降解混合物顯示出對水稻和花生的促生長作用，適當控制混合物濃度可提高作用強度。2000年，Iwasaki等［5］對酶解褐藻膠寡糖促萵苣根生長活性研究表明，2-8糖的混合物在濃度200～3000 μg·mL-1的范圍內(nèi)萵苣根生長長度為空白組的2倍。分離各種聚合度的寡糖后，發(fā)現(xiàn)三糖、四糖、五糖及六糖(M或 G)具有較高的促根生長活性。褐藻膠寡糖對植物的促生長作用研究為其在植物培育方面的應用墊定了理論基礎。郭衛(wèi)華［6］采用酶解法獲得海藻酸鈉寡糖，應用不同濃度的海藻酸鈉寡糖處理煙草幼苗，結(jié)果表明0.5 mg/g海藻酸鈉寡糖對煙草幼苗生長有促進作用，幼苗株高、葉面積、根長等生長指標與對照相比均顯著增加;功能葉片的葉綠素含量比對照增加48.27%。ADO還能提高植物抗凍能力，促進大麥生長［7］，促進種子萌發(fā)和根部生長［8-10］。

圖1 β-D-甘露糖醛酸(Mannuronic Acid)、α-L-古羅糖醛酸(Guluronic Acid)的結(jié)構(gòu)Fig.1 The chemical structures of β-D-Mannuronic Acid and α-L-Guluronic Acid

除了在植物表觀上具有明顯的現(xiàn)象之外，在植物體內(nèi)的一些生理指標也受到AOS較為顯著的影響。褐藻膠寡糖不僅對豌豆種子發(fā)芽率、幼苗苗長、根長、生物量有明顯促進作用，而且還能使幼苗葉中葉綠素含量增高，提高葉片凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率、增加根系活和種子中和淀粉酶活性，其中以0.125%褐藻膠寡糖的效果最佳［11］。在高粱上也出現(xiàn)同樣的結(jié)果，低濃度的褐藻膠寡糖能夠促進高粱葉片合成葉綠素、提高根系活力［12］。0.0625%濃度的褐藻膠寡糖浸種處理對于提高根系活力、提高幼苗葉綠素含量影響最明顯;0.125%濃度的褐藻膠寡糖浸種處理有利于提高高粱幼苗發(fā)芽率、淀粉酶活力，苗高和根長也表現(xiàn)出最大優(yōu)勢。罌粟(Papaver somniferum L.)被認為是世界上古老的藥用植物［13］。其生物堿，如嗎啡、蒂巴因、可待因能作為醫(yī)學上外科用藥，緩解病人在手術以及術后恢復中的痛苦。印度學者Khan ZH等［14］，發(fā)現(xiàn)被Co-60輻照降解的褐藻膠寡糖能夠促進罌粟植物的生長，提高罌粟產(chǎn)量，增加嗎啡和可待因的含量。作者推測原因是，褐藻膠寡糖作為外源激發(fā)子能夠刺激罌粟中生物堿合成的信號通路，使得嗎啡和可待因含量提高。

1.2 緩解植物非生物脅迫

植物在干旱、高鹽、寒冷等逆境脅迫中由于細胞失水，細胞膜發(fā)生氧化損傷，致使其生長受到抑制，導致農(nóng)作物減產(chǎn)。隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)褐藻膠寡糖AOS可以緩解非生物脅迫對植物造成的損害，對植物起到一定的保護作用。Liu［15］等人用褐藻膠寡糖噴施番茄幼苗葉片，發(fā)現(xiàn)褐藻膠寡糖通過減少MDA含量、減少電解質(zhì)滲漏，增加SOD、POD、PAL、CAT活性，增加脯氨酸和可溶性糖含量等達到緩解干旱脅迫的作用。Tang等［16］人從自然界中分離得到一株產(chǎn)褐藻膠裂解酶的菌株，利用該酶制備褐藻膠寡糖。研究中發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下高分子量寡糖會提高蕓薹屬植物的SOD、POD、CAT的活性，中等大小分子量的寡糖可以降低MDA的含量。同樣，將褐藻膠寡糖溶液均勻噴施到煙草葉面后進行低溫脅迫。0.05%，0.2%和0.3%褐藻膠寡糖均能夠清除體內(nèi)產(chǎn)生的氧自由基，保護細胞膜和葉綠素結(jié)構(gòu)，誘導煙草CAT、SOD和POD活力提高，提高煙草耐低溫能力，減少煙草葉片損傷，其中以0.2%褐藻寡糖誘導效果最好［17］。除此之外，作者還發(fā)現(xiàn)低濃度褐藻寡糖具有抗凍保護劑的作用，而高濃度褐藻寡糖具有毒副作用，在煙草細胞表面形成較強滲透勢，煙草細胞結(jié)構(gòu)受到破壞，加速低溫下煙草葉片損傷。

環(huán)境污染問題是制約農(nóng)作物生長、農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)的主要問題。其中重金屬污染是食品安全的重中之重。隨著我國工業(yè)化不斷發(fā)展，大量的工業(yè)廢水排入到湖泊、江河中。我國又是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物培養(yǎng)主要依靠灌溉，而污水灌溉占很大比例，污灌地區(qū)土壤中重金屬含量遠遠超過背景值。重金屬不僅使糧食作物減產(chǎn)，而且一旦通過食物進入人體后不易分解，對健康造成潛在的危害。金屬鎘能通過抑制細胞有絲分裂抑制植物生長，Ma［18］等人研究了褐藻膠寡糖對蠶豆根尖細胞鎘損傷的緩解作用。發(fā)現(xiàn)0.2%褐藻膠寡糖具有提高蠶豆根尖細胞有絲分裂指數(shù)，阻抑微核產(chǎn)生，降低染色體畸變的良好效果。同時，他們還發(fā)現(xiàn)褐藻膠寡糖可以增強小麥對重金屬鎘的耐受性［19］。褐藻膠寡糖緩解植物重金屬脅迫的研究將對提高農(nóng)作物產(chǎn)量以及鎘在農(nóng)作物污染防治方面具有一定的指導意義。

1.3 激發(fā)子活性

激發(fā)子是指能夠激發(fā)或誘導植物寄主產(chǎn)生防御反應的因子，寡糖、糖蛋白、蛋白質(zhì)或多肽都可成為激發(fā)子。隨著植物防御機理的研究向分子水平的深入，越來越多的實驗證明激發(fā)子可作為研究植物信號識別及胞內(nèi)信息傳遞的良好實驗對象。

江琳琳［20］分離到一株褐藻膠降解菌株AGN12，能夠分泌褐藻膠裂解酶，褐藻膠經(jīng)酶降解形成不同聚合度的寡糖。研究中發(fā)現(xiàn)聚合度為6.8的褐藻膠寡糖具有較高的激發(fā)子活性，以此褐藻膠寡糖處理水稻芽，能夠刺激水稻細胞產(chǎn)生植保素。植保素有利于植物抵抗病害的侵染，對控制植物病害有積極的作用。加強褐藻膠寡糖在植保素方面的研究，將為綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展做出新的貢獻。Olivior等［21］發(fā)現(xiàn)褐藻膠寡糖可以在煙草懸浮培養(yǎng)細胞中誘導H2O2釋放，并可激活苯丙氨酸解氨酶(PAL)的活性，累積特異性防御反應的化學物質(zhì)茉莉酸(JA)。褐藻膠寡糖還能通過刺激植物體內(nèi)的第二信使Ca2+進而活化與植物氮代謝有關的酶，參與植物生長調(diào)控。有研究報道表明［22］，褐藻膠寡糖作為激發(fā)子能誘導白菜葉肉細胞中Ca2+釋放，提高氮代謝相關酶的活性，如硝酸還原酶(NR)，谷氨酰胺合成酶(GS)，谷氨酸脫氫酶(GDH)等。褐藻膠寡糖在誘導植物抗性以及信號通路方面的研究還不夠深入，仍需要進一步研究。

2 褐藻膠寡糖在動物上的活性

近年來，褐藻膠寡糖在動物上的生物活性及應用研究也取得了重要進展，特別是在抗腫瘤、及神經(jīng)保護等方面取得很多研究成果。

2.1 抗腫瘤

Hu等人［23］對褐藻膠經(jīng)酶解獲得的兩種分子量范圍的寡糖及其硫酸化衍生物的抗腫瘤活性進行了研究。褐藻膠寡糖對tsFT210細胞沒有直接的細胞毒活性。在小鼠實驗中發(fā)現(xiàn)，抗腫瘤活性最強的是分子質(zhì)量為3798 Da的寡糖。當寡糖劑量為100 mg/kg和50 mg/kg時對固體肉瘤的抑制率分別達到70.4%和66%。作者認為褐藻膠寡糖及硫酸化衍生物是通過調(diào)節(jié)宿主的免疫防御系統(tǒng)而達到間接的抗腫瘤活性的。

2001年，宮曉黎等［24］報道了褐藻膠降解產(chǎn)物寡聚甘露糖醛酸和鐵生成的絡合物-寡聚甘露糖醛酸鐵對小鼠的骨髓有核細胞、外周血紅細胞和白細胞的影響。抗腫瘤藥物在殺傷腫瘤細胞的同時，也會損傷機體的正常細胞，其中受損最嚴重的是骨髓造血細胞，這會引起外周血細胞減少。而寡聚甘露糖醛酸鐵能明顯升高骨髓有核細胞數(shù)、外周血紅細胞白細胞的數(shù)量，對腫瘤具有輔助治療的效果。

2.2 神經(jīng)保護

氧化應激在神經(jīng)變性疾病中是最主要的有害啟動。Tusi等［25］發(fā)現(xiàn)用褐藻膠寡糖AOS保護的PC12細胞能抵抗H2O2誘導的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體依賴的細胞凋亡。AOS促進Bcl-2表達，而阻斷Bax的表達，抑制H2O2誘導的caspase-3活性;還能阻斷PARP的剪切作用。因此，AOS作為關鍵的分子在細胞凋亡通路中起作用，減少 p53，p38，c-June NH2-末端激酶的磷酸化，抑制NFkB的活性，提高Nrf2的活性。其體內(nèi)試驗也證明了AOS能抵抗活性氧誘導的神經(jīng)系統(tǒng)損傷。

2.3 誘導細胞因子

Yoshiko等［26］研究了古羅糖醛酸寡糖(G3-G6)和甘露糖醛酸寡糖(M3-M6)在RAW264.7細胞中誘導細胞因子的情況。研究中發(fā)現(xiàn)，腫瘤壞死因子α-JNF-α，粒細胞集落刺激因子(GCSF)，單核細胞引誘蛋白-1(MCP-1)，趨化因子RANTES，巨噬細胞等都會受到褐藻膠寡糖的誘導，而且能夠誘導低水平的白介素IL-1，IL-6，IL-9和 IL-13，甘露糖醛酸寡糖似乎比古羅糖醛酸寡糖具有更好的刺激細胞因子產(chǎn)生的效果。由此說明，寡糖的結(jié)構(gòu)與其活性可能具有很大的相關性。

3 褐藻膠寡糖的抑菌活性

陳麗等［27］從新鮮海帶中提取得到褐藻膠，采用酸水解法降解褐藻膠制備平均聚合度為5～23的褐藻膠寡糖，研究水溶性褐藻膠寡糖在體外培養(yǎng)中對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌生長的影響。結(jié)果表明，一定濃度的褐藻膠寡糖在體外對兩種菌均有不同程度的抑制作用，并且褐藻寡糖濃度越高，其抑制作用越強。這為研究海藻寡糖對致病微生物的作用機理及開發(fā)新型海藻飼料添加劑提供了一條新思路。褐藻膠寡糖對3種常見水產(chǎn)致病菌也具有一定的抗菌活性［28］。研究表明，褐藻膠寡糖對嗜水氣單胞菌、白色念珠菌有較強的抗菌活性，對鰻弧菌在指數(shù)期前期幾乎沒有抗菌活性，但指數(shù)期后期表現(xiàn)出較強的抗菌活性，且隨著寡糖濃度增大抗菌活性增強。這一研究為海洋寡糖取代抗生素，成為新一代安全高效、無毒副作用的水產(chǎn)養(yǎng)殖用飼料添加劑提供了一定的依據(jù)，在水產(chǎn)飼料中的發(fā)展應用前景十分廣闊。銅綠假單胞桿菌是一種常見的條件致病菌，屬于非發(fā)酵革蘭氏陰性桿菌。經(jīng)常引起術后傷口感染，可血行散播而發(fā)生菌血癥和敗血癥，燒傷后感染了銅綠色假單胞菌可造成死亡。而治療手段常用為抗生素治療，但容易引起耐藥性。因此，尋找一類無害的、高效的治療藥物迫在眉睫。An［29］從腐爛海帶中分離得到的一株黃桿菌Flavobacterium sp.LXA，其產(chǎn)生的褐藻膠裂解酶降解褐藻膠得到寡糖。研究中發(fā)現(xiàn)，制備的寡糖可以刺激大豆子葉積累抗毒素，誘導苯丙氨酸解氨酶PAL活性，而且還能抑制銅綠假單胞桿菌。褐藻膠寡糖濃度在0.1 mg·ml-1時抑菌圈達到最大。作者認為褐藻膠寡糖具有抑菌活性，是因為一些細菌多糖降解產(chǎn)物可以作為毒性因子，抑制細胞生長。因此，褐藻膠寡糖是一種安全可靠的生物制劑，用于預防植物和人類疾病。其抑菌活性對于減少和控制畜牧業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)以及醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)中的有害微生物具有重要的現(xiàn)實意義。

4 褐藻膠寡糖的其它活性

由于生活壓力以及各種外界環(huán)境因素的影響，處于亞健康狀態(tài)的人群越來越多，因此健康問題越發(fā)引起人們的關注。腸道菌群失衡則是亞健康一個重要表現(xiàn)。雙歧桿菌是一類重要腸道正常菌群的優(yōu)勢菌，具有改善維生素代謝、增強機體免疫功能、調(diào)節(jié)腸道內(nèi)的微生態(tài)平衡、抑制腸道內(nèi)病原菌生長和腐敗菌發(fā)育、防止便秘、延緩衰老等多方面的生理作用。李淼［30］采用光電比濁法研究褐藻膠寡糖在體外培養(yǎng)中對雙歧桿菌生長的影響。褐藻膠寡糖在10～0.3125 g/L下，可以明顯地縮短雙歧桿菌生長的適應期，使雙歧桿菌大量增生。因此，褐藻膠寡糖在雙歧桿菌增殖、功能性保健食品開發(fā)方面有較好的應用前景。

5 結(jié)論與展望

綜上所述，目前對于褐藻膠寡糖在動物、植物以及微生物方面的生物活性研究已經(jīng)取得初步進展。然而，對于其廣泛的生物活性機理研究仍不是十分系統(tǒng)，如褐藻膠寡糖在促進植物生長、緩解環(huán)境脅迫方面的機理亟待研究;且其構(gòu)效關系的研究仍需進一步探索。相信隨著科研技術水平的發(fā)展，人們對褐藻膠寡糖的研究會日益深入，對其活性機理的了解也會更上一層樓，這將為褐藻膠寡糖在綠色農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領域更加廣泛的開發(fā)和應用提供堅實的基礎。因此，開展對褐藻膠寡糖的理論和應用研究對于合理利用生物資源具有重要的意義。

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