石莼屬綠藻多糖的生物活性研究進(jìn)展

高 鑫,山 珊,曾德永,熊 毅,劉夢(mèng)瑤,盧衛(wèi)紅

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院,哈爾濱工業(yè)大學(xué)極端環(huán)境營(yíng)養(yǎng)與防護(hù)研究所, 哈爾濱工業(yè)大學(xué)極端環(huán)境營(yíng)養(yǎng)分子合成轉(zhuǎn)化與分離技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150001)

石莼屬綠藻(Ulva)是一類可食用的海藻,主要分布在溫帶和亞熱帶海洋中,含有豐富的生物活性成分。不同的發(fā)展史和早期的傳統(tǒng)文化[1]對(duì)石莼屬(Ulva)和滸苔屬(Enteromorpha)這兩個(gè)屬的分類及定義并不明確,因此,目前兩者也沒有清晰的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn),所以在本文中將滸苔屬歸于石莼屬進(jìn)行統(tǒng)一討論。石莼屬綠藻中最主要的生物活性物質(zhì)為多糖,多糖是廣泛存在于植物、動(dòng)物和細(xì)菌中的天然大分子活性成分,又稱多聚糖。因其具有生物相容性,毒副作用小和來源豐富的特點(diǎn),被廣泛研究。石莼屬綠藻多糖是一類含有硫酸根的酸性多糖。它屬于綠藻細(xì)胞壁多糖,一般占綠藻干重的9%～36%,主要由硫酸化的鼠李糖、糖醛酸(包括葡萄糖醛酸和艾杜糖醛酸)和木糖組成。石莼屬綠藻中同時(shí)含有鼠李糖和糖醛酸的多糖稱為ulvan[2]。研究發(fā)現(xiàn)石莼屬綠藻多糖具有抗氧化、免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、抗凝血和降血脂等多種生物學(xué)功能[3-5]。石莼屬綠藻多糖在生物材料科學(xué)中也有廣泛應(yīng)用,如膜、水凝膠和納米纖維[6-7]。因此,本文介紹近些年來國(guó)內(nèi)外對(duì)石莼屬綠藻多糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)和生物活性的研究進(jìn)展,以期為石莼屬綠藻資源的深入開發(fā)和石莼屬綠藻多糖的進(jìn)一步利用提供參考依據(jù)。

1 石莼屬綠藻多糖的理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征

植物多糖的分子性質(zhì)及生物活性與其一級(jí)分子結(jié)構(gòu)存在密切聯(lián)系,如平均分子量、單糖組成、糖苷鍵類型、連接方式及官能團(tuán)等;這些結(jié)構(gòu)特征對(duì)石莼屬綠藻多糖的理化性質(zhì)和生理功能都有重要的影響。

1.1 理化性質(zhì)

石莼屬綠藻多糖為酸性多糖,易溶于水,不易溶于有機(jī)試劑。紫外吸收光譜在260和280 nm處均無吸收峰說明不含有蛋白質(zhì)和核酸,紅外光譜可檢測(cè)到3420和2950 cm-1處出現(xiàn)吸收峰,分別為O-H和C-H的伸縮振動(dòng),這兩個(gè)峰為多糖的特征吸收峰。石莼屬綠藻多糖中均含有硫酸根,De等[8]測(cè)得裂片石莼多糖中含有20.6%的硫酸根。Tian等[9]從中國(guó)南海的石莼中提取到兩種含硫酸根的多糖,硫酸根含量分別為12.0%和26.8%。綜合文獻(xiàn)報(bào)道,石莼屬綠藻多糖中硫酸根的含量的大致范圍為8%～27%[10-11]。

1.2 平均分子

植物多糖的平均分子量與其自身的理化性質(zhì)存在密切的關(guān)系。石莼屬綠藻多糖的分子量主要是通過高效凝膠滲透色譜法進(jìn)行測(cè)定的。Chattopadhyay等[12]從印度扁滸苔中分離純化得到主要的多糖組分WE的分子量為55 kDa。Tian等[9]在石莼中分離純化出兩種主要多糖ULP1和ULP2,其分子量分別為189和230 kDa。石莼屬多糖的種類和提取工藝均能影響其分子量,石莼屬綠藻多糖的平均分子量大致范圍在10～103kDa[13]。

1.3 單糖組成

多糖的單糖組成是研究其生物功能的前提基礎(chǔ)。石莼屬綠藻多糖屬于陰離子雜多糖,一般由鼠李糖、葡萄糖醛酸、艾杜糖醛酸和木糖組成[14]。近期研究發(fā)現(xiàn),部分單糖如葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖和甘露糖等也可在石莼屬綠藻多糖中檢出。Shao等[15]對(duì)中國(guó)浙江海岸的裂片石莼提取多糖,并對(duì)其進(jìn)行單糖組成分析,確定裂片石莼多糖是由鼠李糖、木糖、葡萄糖和甘露糖組成的,其摩爾百分比分別為42.37%、36.25%、11.74%、9.64%。Gao等[16]對(duì)孔石莼多糖進(jìn)行純化并采用氣相分析其單糖組成,發(fā)現(xiàn)孔石莼多糖是主要是由鼠李糖和木糖組成,含有少量阿拉伯糖、葡萄糖和半乳糖。研究結(jié)果表明石莼屬綠藻多糖單糖組成的不同可能是與綠藻屬性、生長(zhǎng)環(huán)境、提取純化方法等多種因素相關(guān)。

1.4 化學(xué)結(jié)構(gòu)

石莼屬綠藻多糖一般具有較為復(fù)雜的分支結(jié)構(gòu),并沒有明確的主鏈或者簡(jiǎn)單的重復(fù)單元。石莼屬綠藻多糖的化學(xué)特異性導(dǎo)致了其具有無序構(gòu)象,且顯著依賴于綠藻的種類和生長(zhǎng)環(huán)境等因素。大量研究表明,不同來源的石莼屬綠藻多糖的主鏈主要由α-(1→4)和β-(1→4)糖苷鍵組成,分別為α-1,4-和α-1,2,4-L-鼠李糖、β-1,4-D-葡萄糖醛酸和β-1,4-L-木糖[17];硫酸化位點(diǎn)主要發(fā)生在鼠李糖的C-3或者是C-2和C-3上。此外,研究也發(fā)現(xiàn)部分硫酸化基團(tuán)也會(huì)出現(xiàn)在C-4位置上[18]。多糖的分支點(diǎn)主要在鼠李糖或糖醛酸的O-2位置[19]。也就是說,葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸和鼠李糖在石莼屬綠藻多糖中主要是以醛二糖酸的形式存在,形成典型的重復(fù)二糖單元。該二糖單元主要有兩種不同類型,分別為A類硫酸三丁酸酯(A3s)和B類硫酸三丁酸酯(B3s)。其中,A3s主要由葡萄糖醛酸和硫酸化鼠李糖組成,而B3s則主要由艾杜糖酸和硫酸鼠李糖組成,主要是通過(1→4)糖苷鍵連接。然而,在某些情況下,糖醛酸也可被木糖或硫酸化的木糖殘基代替,二糖重復(fù)單元被命名為U3s和U2’s,3s[20]。

2 石莼屬綠藻多糖的生理活性研究進(jìn)展

近年來,研究已發(fā)現(xiàn)石莼屬綠藻多糖具有多種體內(nèi)外生理活性,如抗氧化、抗腫瘤、抗凝血、抗病毒、降血脂和免疫調(diào)節(jié)等。石莼屬綠藻多糖因其來源和生長(zhǎng)環(huán)境的差異而具有不同的結(jié)構(gòu)特征,因而具有不同的生物活性。

2.1 抗氧化活性

機(jī)體處于氧化應(yīng)激狀態(tài)時(shí),體內(nèi)產(chǎn)生的大量自由基會(huì)攻擊脂質(zhì)、DNA、蛋白質(zhì)和糖類,破壞細(xì)胞膜穩(wěn)定性,進(jìn)而引起細(xì)胞和組織的氧化損傷。氧化應(yīng)激會(huì)引發(fā)多種相關(guān)疾病,如炎癥反應(yīng)、心血管疾病和腫瘤等。多種食源性多糖都具有抗氧化功效,可作為體內(nèi)外抗氧化劑。石莼屬綠藻多糖的體外抗氧化活性主要體現(xiàn)在自由基清除能力和提高還原力。研究證實(shí),裂片石莼(Ulvafasciata)和石莼多糖具有體外抗氧化活性,能清除體外超氧化物自由基、羥自由基和ABTS自由基,并能提高還原力[21-22]。多糖的體內(nèi)抗氧化能力主要是通過測(cè)定血液或組織中的抗氧化酶如超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)等以及氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)等確定。Li等[23]發(fā)現(xiàn)孔石莼(Ulvapertusa)多糖能顯著增強(qiáng)抗氧化能力,提高小鼠肝臟組織中SOD、CAT、GSH-Px的含量,降低MDA含量。石莼(Ulvalactuca)中提取的多糖可提高SAMP8小鼠的抗氧化能力,并能降低炎癥因子干擾素-γ(IFN-γ),腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和白介素6(IL-6)的含量[24]。研究表明石莼屬綠藻多糖體內(nèi)外均具有抗氧化活性,但對(duì)于其影響抗氧化分子信號(hào)通路的具體作用機(jī)制卻鮮有報(bào)道,這一方面有待進(jìn)一步的研究。

2.2 免疫調(diào)節(jié)作用

免疫是生物體對(duì)外來細(xì)菌、病毒及其它有害物質(zhì)的一種保護(hù)作用[25],大量藻類多糖都具有免疫調(diào)節(jié)活性,也可調(diào)節(jié)先天免疫功能。目前,石莼屬綠藻多糖的體外免疫調(diào)節(jié)作用主要是通過RAW264.7巨噬細(xì)胞、小鼠腹膜細(xì)胞、腸上皮細(xì)胞等進(jìn)行研究。Tabarsa等[26]研究表明,腸滸苔(Ulvaintestinalis)中提取的ulvan可顯著促進(jìn)巨噬細(xì)胞RAW264.7增殖,分泌一氧化氮(NO)、瘤壞死因子-α(TNF-α),白介素6(IL-6),白介素1β(IL-1β)等細(xì)胞因子。Ulvarigida多糖也可以提高巨噬細(xì)胞RAW264.7的活性,顯著提高NO和前列腺素E2(PGE2)的分泌,并能增加iNOS和COX-2基因的表達(dá)[27]。Peasura等[28]研究表明腸滸苔(Ulvaintestinalis)多糖也可增強(qiáng)巨噬細(xì)胞J774A.1的免疫調(diào)節(jié)能力,刺激NO分泌,TNF-α和IL-1β等細(xì)胞因子的產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn),石莼屬綠藻多糖是通過調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞來發(fā)揮作用。主要是影響細(xì)胞因子的分泌及相關(guān)RNA的表達(dá)[29]。體內(nèi)免疫調(diào)節(jié)作用是通過Wistar大鼠模型和小鼠模型等加以探究。Bussy等[30]研究發(fā)現(xiàn),Ulvaarmoricana多糖可調(diào)節(jié)妊娠結(jié)束母豬的免疫能力,提高免疫球蛋白IgA和IgG的含量。此外,孔石莼多糖UPP也可顯著提高了環(huán)磷酰胺免疫缺陷鼠的免疫能力,增加脾淋巴細(xì)胞的增殖能力和腹腔巨噬細(xì)胞分泌NO和細(xì)胞因子的分泌,繼而顯著提高了血清溶血素和細(xì)胞因子的含量[31]。研究發(fā)現(xiàn),石莼屬綠藻多糖即可增強(qiáng)非特異性免疫,也可增強(qiáng)特異性免疫。此外,石莼屬綠藻多糖還可以通過增強(qiáng)巨噬細(xì)胞的吞噬活性而激活NK細(xì)胞,延緩中性粒細(xì)胞的凋亡而提高機(jī)體免疫機(jī)能[32]。

2.3 抗腫瘤活性

癌癥作為一種嚴(yán)重疾病,是全球高發(fā)病率和高死亡率的主要原因之一。近年來研究發(fā)現(xiàn),從植物中分離出的多種多糖都具有抗腫瘤活性[33]。不同來源的石莼屬綠藻多糖的抗腫瘤活性也存在顯著差異。Thanh等[34]研究發(fā)現(xiàn),石莼多糖可以顯著抑制肝癌細(xì)胞HepG2、人乳腺癌細(xì)胞MCF7和宮頸癌細(xì)胞Hela細(xì)胞的增殖,作用濃度為100 μg/mL條件下,三種癌細(xì)胞的存活率幾乎為0%。滸苔多糖僅對(duì)人胃癌細(xì)胞AGS和人結(jié)腸癌細(xì)胞DLD-1具有抗癌活性,在多糖濃度為200～1000 μg/mL時(shí),滸苔多糖可顯著抑制AGS細(xì)胞增殖,且呈現(xiàn)劑量依賴性,細(xì)胞增殖率僅為10%～26%[11]。Shao等[35]指出,裂片石莼多糖也能抑制腸癌細(xì)胞DLD的增殖?？偨Y(jié)文獻(xiàn)可以看出,石莼屬綠藻多糖主要是通過兩個(gè)方面來抗腫瘤的,一方面可抑制腫瘤細(xì)胞增殖,另一方面也可促進(jìn)癌細(xì)胞的凋亡。并且有文獻(xiàn)報(bào)道石莼屬綠藻多糖處理后癌癥小鼠的重要免疫器官指數(shù)均有明顯提高,表明石莼屬綠藻多糖的抗腫瘤活性可能與其免疫調(diào)節(jié)作用存在密切聯(lián)系。總之,石莼屬綠藻多糖的抗腫瘤作用并非是單一途徑起作用的,而是多種途徑共同作用的結(jié)果,可能包括腫瘤細(xì)胞凋亡、抑制腫瘤細(xì)胞增殖、刺激免疫應(yīng)答和調(diào)節(jié)腸道菌群等。

2.4 抗凝血活性

凝血功能是血漿中的可溶性纖維蛋白原轉(zhuǎn)變不溶性的纖維蛋白的一種功能[36]。研究發(fā)現(xiàn),石莼屬綠藻多糖具有抗凝血作用,其抗凝作用主要是通過測(cè)定凝血活酶時(shí)間,凝血酶時(shí)間和凝血酶原時(shí)間等而評(píng)價(jià)。分別代表內(nèi)在和共同途徑,共同途徑和外在途徑[37]。研究發(fā)現(xiàn),裂片石莼多糖具有抗凝血活性,在凝血級(jí)聯(lián)的過程中可延長(zhǎng)凝血活酶時(shí)間和凝血酶時(shí)間,避免了樣品血液的凝固。且其對(duì)細(xì)胞沒有毒性,可作為未來抗凝血?jiǎng)┑纳飦碓碵38-39]。Mao等[40]研究表明,從Ulvaconglobata中提取的多糖可增加凝血活酶時(shí)間(APTT),且與肝素相比,多糖的抗凝血活性更好,其抗凝血機(jī)制是直接抑制凝血酶和增強(qiáng)肝素輔因子II。Guerra-Rivas等[41]也指出,Ulvaneumatoidea多糖具有抗凝血活性,且與其他藻類相比,表現(xiàn)出最高的APTT指數(shù)。總結(jié)可以看出石莼屬綠藻多糖的抗凝血作用主要是增加凝血活酶時(shí)間(APTT),這表明石莼屬綠藻多糖主要是通過內(nèi)在和共同途徑來提高抗凝血活性。且其沒有細(xì)胞毒性,并不會(huì)像肝素納等抗凝劑,會(huì)引起血小板減少和血栓綜合征的副作用[42]。因此,石莼屬綠藻多糖可作為一種新型抗凝劑。

2.5 抗病毒活性

大量研究表明,石莼屬綠藻多糖具有抗病毒活性[43]。Kevin等[44]研究報(bào)道,從Ulvaarmoricana中提取的多糖對(duì)單純皰疹1型病毒的活性具有較強(qiáng)的抑制作用。José等[45]通過體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)條滸苔多糖對(duì)雞新城疫病毒NDV有抗病毒作用,比先前的巖藻聚糖具有更好的抗細(xì)胞擴(kuò)散作用,并可以直接抑制細(xì)胞的融合,但沒有殺病毒的作用。此外,石莼多糖可以抑制Vero細(xì)胞中日本腦炎病毒(JEV)的感染,石莼多糖可阻止病毒吸附,從而使病毒無法進(jìn)入細(xì)胞,還可以有效減少JEV感染的原代神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中促炎因子的產(chǎn)生,且用多糖預(yù)處理的JEV感染小鼠可以延遲后肢麻痹的發(fā)作,從而延緩小鼠死亡[46]。綜上，石莼屬綠藻多糖的抗病毒作用是抑制病毒活性和抑制病毒與細(xì)胞融合,而不是直接殺滅病毒。石莼屬綠藻多糖的抗病毒作用機(jī)制研究較少,有待進(jìn)一步研究。

2.6 降血脂活性

高血脂癥是一種常見的內(nèi)分泌疾病,其可誘發(fā)腦血管,心血管和動(dòng)脈粥樣硬化等多種疾病[47]。盡管降血脂藥如他汀類藥物可預(yù)防和治療高血脂癥,但在臨床上仍具有很強(qiáng)的副作用。大量研究已經(jīng)證明,石莼屬綠藻多糖具有體內(nèi)外降脂活性,且不具有副作用。孔石莼多糖就可以顯著降低高脂小鼠的血清總膽固醇(TC)、血漿三酰甘油(TG)和低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C),并且顯著增加高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)水平[48-49]。此外,大量研究也證實(shí)石莼多糖可以顯著降低肝炎大鼠血清TC、TG和LDL-C,提高HDL-C的含量,具有降血脂的作用[50-51]。滸苔多糖同樣具有降血脂活性[52]，且部分研究指出,多糖的抗氧化活性可能有助于其降血脂效果[53]。因而,石莼屬綠藻多糖的降血脂活性可能是由多種機(jī)制共同作用而得以實(shí)現(xiàn)。但相關(guān)抗血脂機(jī)制研究較少,有待進(jìn)一步研究。

2.7 其他生物學(xué)活性

除上述的生物活性外,石莼屬綠藻多糖還具有多種其他生物活性,如抗菌、降血糖和抗輻射等活性。研究發(fā)現(xiàn),裂片石莼多糖可對(duì)枯草芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出明顯的抗菌活性[54]。林龍等[55]也發(fā)現(xiàn),500 mg/kg的孔石莼多糖對(duì)四氧嘧啶高血糖小鼠有顯著的降血糖作用,高劑量多糖降血糖效果最佳,且作用效果優(yōu)于二甲雙胍。Shi等[56]的研究表明,低于30 kDa的孔石莼多糖對(duì)輻射小鼠有防護(hù)作用,可顯著改善輻射小鼠的骨髓細(xì)胞和免疫系統(tǒng)。

3 石莼屬綠藻多糖結(jié)構(gòu)對(duì)活性的影響

3.1 石莼屬綠藻多糖分子量對(duì)活性的影響

多糖分子量的大小是影響多糖生物活性的重要因素,研究表明,石莼屬綠藻多糖中分子量較大的多糖具有更好的免疫調(diào)節(jié)活性和抗病毒活性。Tabarsa等[13]從孔石莼中提取了三個(gè)多糖組分F1、F2和F3,其中分子量較高的F1和F2(1450和1690 kDa)對(duì)巨噬細(xì)胞的免疫調(diào)節(jié)能力顯著高于F3(365 kDa)。Lopes等研究發(fā)現(xiàn),扁滸苔中分子量較高的多糖(34 kDa)的抗病毒活性是分子量小于5 kDa多糖的2～5倍[57]。也有研究表明低分子量的石莼屬綠藻多糖的抗氧化活性優(yōu)于高分子量的多糖[58]。綜上，石莼屬綠藻多糖分子量的大小對(duì)不同活性的影響是不同的,這可能是因?yàn)槭粚倬G藻多糖的生物活性不僅與分子量相關(guān),也與單糖組成和硫酸根含量相關(guān)。

3.2 石莼屬綠藻多糖硫酸根含量對(duì)活性的影響

石莼屬綠藻多糖是一種含有硫酸根的酸性多糖,大量的文獻(xiàn)證明石莼屬綠藻多糖硫酸根含量的多少是影響其生物活性的主要因素。Qi等[59]的研究發(fā)現(xiàn)硫酸化修飾后的孔石莼多糖組分HU比未修飾的多糖組分U表現(xiàn)出更好的抗氧化活性,在250 mg/kg給藥劑量的條件下,HU組高血脂大鼠體內(nèi)SOD和GSH-Px的活性明顯高于U組。Wang等[60]在緣管滸苔中提取的多糖組分中,高硫酸鹽含量的SEP多糖組分表現(xiàn)出更好的抗凝血活性。綜合所有的文獻(xiàn)表明,硫酸根含量高的石莼屬綠藻多糖可以提高其生物活性,如抗氧化、免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、抗凝血和降血脂活性[61-62]。且有文獻(xiàn)報(bào)道對(duì)石莼屬綠藻多糖進(jìn)行去硫酸化則可能會(huì)降低對(duì)巨噬細(xì)胞的免疫調(diào)節(jié)能力[27]。這表明石莼屬綠藻多糖中硫酸根的含量是影響其生物活性的重要因素。

3.3 石莼屬綠藻多糖單糖組成對(duì)活性的影響

石莼屬綠藻多糖具有的生物活性可能與其單糖組成的差異性相關(guān)。石莼屬綠藻多糖主要是有鼠李糖、葡萄糖醛酸、艾杜糖醛酸和木糖組成。研究表明具有更高糖醛酸含量的石莼屬綠藻多糖具有更好的抗腫瘤活性,Shao等[35]的研究發(fā)現(xiàn)裂片石莼提取的多糖中,含有最高糖醛酸含量的多糖組分DS-UFP3具有最強(qiáng)的抗腫瘤活性。石莼屬綠藻多糖對(duì)于單糖組成對(duì)生物活性的研究較少,有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

綜上所述,石莼屬綠藻多糖具有許多生物學(xué)功能,如抗氧化、免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、抗凝血等生物學(xué)功能,在食品和制藥行業(yè)中可廣泛應(yīng)用,具有廣闊的市場(chǎng)前景。但目前仍存在著很多需要解決的問題:其一,石莼屬綠藻多糖生物活性具體的作用機(jī)制及與結(jié)構(gòu)之間的構(gòu)效關(guān)系研究較少,有待進(jìn)一步研究;其二,石莼屬綠藻多糖的結(jié)構(gòu)研究還處于一級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究,還需深入研究其空間構(gòu)象等高級(jí)結(jié)構(gòu),為揭示多糖的構(gòu)效關(guān)系提供理論依據(jù)和參考基礎(chǔ);其三,鑒于石莼屬綠藻多糖的多種生物學(xué)功能和開發(fā)價(jià)值,其在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和健康食品領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>