海洋寡糖及在功能食品中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李玲翠，王培培,2,3*，吳文惠,2,3，陳舜勝,2,3

1(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海，201306)2(上海海洋大學(xué)，上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海，201306) 3(上海海洋大學(xué)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室(上海)，上海，201306)

海洋多糖廣泛存在于海洋動(dòng)植物及微生物中，且具有多種生物活性。通過化學(xué)、物理和生物酶法等手段降解海洋多糖得到的一系列寡糖片段稱為海洋寡糖，具有水溶性好、分子質(zhì)量低、易吸收等優(yōu)點(diǎn)[1]，近年，逐漸成為研究熱點(diǎn)。本文通過CNKI在線分析了近10年來與海洋寡糖研究相關(guān)度前500篇的文獻(xiàn)，得到文獻(xiàn)互引網(wǎng)絡(luò)關(guān)系如圖1所示。不同來源的海洋寡糖及其活性研究等是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。海洋寡糖來源豐富，結(jié)構(gòu)具有多樣性，具有廣泛的生物學(xué)活性，加之其獨(dú)特的物理化學(xué)特性，近年來，作為添加劑在功能食品的開發(fā)中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用前景。基于此，本文從近年來海洋寡糖的來源、結(jié)構(gòu)及生物活性出發(fā)，匯集分析了其在功能食品和食品添加劑中的應(yīng)用研究進(jìn)展，以期為基于海洋寡糖的藍(lán)色食物開發(fā)提供參考。

圖1 國(guó)內(nèi)近十年海洋寡糖相關(guān)文獻(xiàn)引用及其共被引關(guān)系圖Fig.1 The citations and co-citations of domestic marine oligosaccharide related literature in the past 10 years

1 海洋植物寡糖

海藻是海洋植物的主體，主要包括紅藻(rhodophyta)、褐藻(phaeophyta)和綠藻(chlorophyta)等。海藻多糖是海藻的重要組成物質(zhì)。其中，褐藻膠寡糖(alginate oligosaccharides，AOS)是褐藻膠(alginate)通過物理、化學(xué)及生物學(xué)方法降解生成的聚合度為2～10的線性寡糖[2]，是目前研究較為廣泛和成熟的一類海洋寡糖，其基本結(jié)構(gòu)單元為1,4-糖苷鍵鏈接的α-L-古羅糖醛酸和β-D-甘露糖醛酸[3]。AOS的結(jié)構(gòu)因其不同的降解方法而展現(xiàn)出顯著的差異性，結(jié)構(gòu)如圖2所示。例如，通過控制微波降解，可獲得聚合度主要為2～10的甘露糖醛酸寡糖(產(chǎn)率可高達(dá)71%)[4]；經(jīng)酶水解可制備3種AOS，即古羅糖酸寡糖、甘露糖醛酸寡糖及雜合寡糖片段[4]；化學(xué)降解法可得到飽和糖醛酸寡糖，酸水解是制備AOS的傳統(tǒng)方法[5]。

褐藻糖膠(fucoidan)是廣泛存在于褐藻中的另一類活性聚糖，因其巖藻糖(Fuc)和硫酸基含量較高也稱為巖藻聚糖硫酸酯。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要可分為2類，一類為主要有不同鏈接方式的Fuc和硫酸根組成；另一類單糖成分較復(fù)雜，除Fuc外，還含有阿拉伯糖(Ara)、半乳糖(Gal)、甘露糖(Man)、葡萄糖醛酸(GlcA)及木糖(Xyl)等單糖。褐藻糖膠經(jīng)過酶降解或酸水解可獲得聚合度不同的褐藻糖膠寡糖(fuco-oligosaccharide)[6]。王培培等[7]從海蒿子中制備得到褐藻糖膠，進(jìn)一步采用三氟乙酸在60 ℃下水解2 h得到雜合寡糖，再用 Superdex Peptide HR 30凝膠色譜柱進(jìn)行分離純化，共得到6種寡糖組分，其單糖組成主要由Fuc、Xyl、和Gal組成。

a-褐藻膠的均聚片段均聚甘露糖醛酸polyM；b-褐藻膠的均聚片段均聚甘露糖醛酸均聚古洛糖醛酸polyG； c-雜聚片段polyM/G；d-α-1,3/1,4 交替連接的褐藻糖膠寡糖圖2 褐藻來源的寡糖結(jié)構(gòu)Fig.2 Oligosaccharide structure from brown algae

卡拉膠和瓊脂是紅藻細(xì)胞壁中基質(zhì)多糖的主要成分?？ɡz是一種硫酸化線性多糖，主要分為κ卡拉膠，ι卡拉膠、λ卡拉膠等。其結(jié)構(gòu)具有重復(fù)的α-(1→4)-D半乳吡喃糖-β-(1→3)-D-半乳吡喃糖(或36內(nèi)醚-D-半乳吡喃糖)二糖骨架結(jié)構(gòu)[8]。瓊脂的基本結(jié)構(gòu)是由1,4糖苷鍵連結(jié)的3,6-脫水A-L-半乳呋喃糖和1,3糖苷鍵連結(jié)的B-D-半乳呋喃糖相間連結(jié)而成。卡拉膠和瓊脂的高黏度、低水溶性和低生物利用度極大地限制了其高附加值應(yīng)用。通過控制硫酸、鹽酸和乙酸等酸水解條件，可得到不同分子質(zhì)量的紅藻寡糖[9]。例如，宋日健[10]通過將卡拉膠脫硫從而制備出含不同硫酸酯基的κ/β-卡拉膠寡糖。采用自由基解聚法、微酸水解法、卡拉膠酶解法和部分還原水解法分別降解ι卡拉膠，可得到4種ι卡拉膠低聚糖[11]。常見不同結(jié)構(gòu)的卡拉膠寡糖和瓊膠寡糖結(jié)構(gòu)如圖3所示。

a-κ-卡拉膠；b-λ-卡拉膠；c-ι-卡拉膠；d-瓊膠寡糖圖3 紅藻來源的寡糖結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of oligosaccharides derived from red algae

2 海洋動(dòng)物寡糖

海洋動(dòng)物多糖主要包括甲殼素(chitin)、糖原(glycogen)、硫酸軟骨素(chondroitin sulfate，CS)、硫酸角質(zhì)素(keratan sulfate，KS)以及透明質(zhì)酸(hyaluronic acid，HA)等。其中，來源于海洋甲殼類動(dòng)物外殼的甲殼素是目前產(chǎn)量最高的一類海洋動(dòng)物多糖，其分子結(jié)構(gòu)是由2-乙酰氨基-2-脫氧-D-吡喃葡萄聚糖和2-氨基-2-脫氧-D-吡喃葡萄聚糖以β-1,4糖苷鍵連接而成的二元線型聚合物(圖4)，在酸性溶液中的高黏度和在中性pH下的低溶解性限制了其應(yīng)用。甲殼素完全或部分脫乙酰化可生成殼聚糖，殼聚糖的降解產(chǎn)物殼寡糖(chitooligosaccharide，COS)具備多種生物學(xué)功能和良好的水溶性。目前，通過物理法、化學(xué)法(包括酸解法和氧化法)以及酶解法(殼聚糖酶或纖維素酶)降解可制備COS。XING等[12]比較了傳統(tǒng)制備方法、微波輻射和酶水解制備的3種COS，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法所制備的COS主要由2糖和3糖組成，微波輻射法制備的寡糖主要由含或不含乙?；?～6糖組成，酶水解法制備的寡糖主要由3～5糖組成，不含乙酰基。近年來，一些新型環(huán)保的預(yù)處理方法已應(yīng)用于甲殼素轉(zhuǎn)化生產(chǎn)COS。HUSSON等[13]研究證明，小龍蝦殼可通過高壓均質(zhì)化變成蓬松的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)高壓均質(zhì)處理的龍蝦殼能被殼聚糖酶降解，產(chǎn)生COS。

CS是從動(dòng)物組織中提取制備的酸性黏多糖，主要重復(fù)二糖單元為D-葡萄糖醛酸和N-乙酰氨基半乳糖，在酸性、堿性及酶解條件下可制備CS寡糖。魯姣姣[14]對(duì)鯊魚軟骨的CS酸水解，經(jīng)多級(jí)質(zhì)譜分析，鑒定出了包括2糖、3糖和4糖在內(nèi)的11種CS寡糖。此外，巖藻糖基化的硫酸軟骨素(fucosylated chondroitin sulfate，F(xiàn)CS或FuCS)是海參體壁中含有的1種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的糖胺聚糖，主要由N-乙酰氨基半乳糖和D-葡萄糖醛酸組成的CS骨架以及硫酸化巖藻糖組成。TAMURA等[15]通過化學(xué)合成的方法獲得了巖藻糖2,4位硫酸化的FCS三糖。ZHANG等[16]利用酶降解得到基礎(chǔ)合成原料，通過12步線性步驟合成了FuCS 6糖和9糖。

a-殼寡糖；b-巖藻糖基化的硫酸軟骨素圖4 海洋動(dòng)物來源的寡糖結(jié)構(gòu)Fig.4 Oligosaccharide structures of animal origin

3 海洋寡糖的生物活性

3.1 抗腫瘤活性

海洋寡糖的抗腫瘤活性及作用機(jī)制已有諸多研究。海洋寡糖可通過預(yù)防癌細(xì)胞增殖和轉(zhuǎn)移、免疫調(diào)節(jié)、抗氧化性和抗炎等多種途徑發(fā)揮抑癌作用。例如，對(duì)卡拉膠寡糖抗腫瘤潛在機(jī)制研究表明，ι卡拉膠寡糖可誘導(dǎo)骨肉瘤細(xì)胞(human osteoma cells，HOS)凋亡，并通過抑制Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路進(jìn)而抑制HOS的增殖。此外，卡拉膠寡糖還可以競(jìng)爭(zhēng)性抑制細(xì)胞外基質(zhì)蛋白質(zhì)和細(xì)胞膜表面蛋白聚糖的糖胺聚糖之間的相互作用，進(jìn)而阻斷癌細(xì)胞與基質(zhì)的黏附，從而有效抑制癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移擴(kuò)散[17]。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，CS寡糖可以有效地被吸收并傳遞到腫瘤部位，并通過抑制細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)凋亡顯著抑制人結(jié)腸癌細(xì)胞HT-29異種移植瘤的生長(zhǎng)，有望成為一種潛在的預(yù)防結(jié)直腸癌的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[18]。與天然CS相比，經(jīng)超聲處理的低分子質(zhì)量硫酸化CS片段增強(qiáng)了對(duì)A549肺癌細(xì)胞的增殖抑制和遷移作用[19]。

3.2 抗病毒活性

海洋寡糖具有較好的抗病毒活性，其主要機(jī)制是海洋寡糖中含有的糖醛酸、硫酸根等酸性基團(tuán)能與病毒表面的功能蛋白作用，進(jìn)而影響病毒對(duì)宿主細(xì)胞的黏附。例如，MAZUMDER等[20]發(fā)現(xiàn)瓊膠寡糖可以阻止流感病毒B對(duì)宿主細(xì)胞的黏附作用；卡拉膠寡糖可以顯著抑制流感病毒(H1 N1)的增殖，其原因可能是卡拉膠寡糖抑制了病毒的吸附過程，從而阻斷了病毒在細(xì)胞中的繁殖[21]；此外，AOS具有抗病毒活性，可應(yīng)用于植物疫苗。例如，研究發(fā)現(xiàn)AOS對(duì)煙草馬鈴薯X病毒和煙草花葉病毒具有明顯的防治效果[22]。此外，從海參中分離出的FCS寡糖也被報(bào)道是一種潛在的抗病毒活性物質(zhì)[23]。

3.3 抗阿爾茨海默癥活性

阿爾茨海默癥(Alzheimer’s disease，AD)是一種與衰老相關(guān)的神經(jīng)退行疾病，其主要特征是智力和社會(huì)功能逐漸惡化、記憶喪失、認(rèn)知障礙、個(gè)性改變和自我照顧能力喪失。AD的形成與β淀粉樣蛋白(amyloid-β，Aβ)的神經(jīng)毒性相關(guān)?！案事豆烟嵌帷?GV-971)是一種已上市的抗AD藥物，該藥物可抑制Aβ纖絲的形成和解聚來發(fā)揮治療作用。此外，GV-971還能調(diào)節(jié)機(jī)體免疫失衡、重塑腸道菌群穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而降低腦神經(jīng)性炎癥，從而阻止AD病程進(jìn)展[24-25]。海洋動(dòng)物寡糖在改善AD方面也有顯著效果。CS寡糖可能通過改變淀粉樣前體蛋白代謝、阻斷神經(jīng)炎癥、抑制活性氧的產(chǎn)生和減輕tau蛋白異常來改善AD[26]。通過Aβ誘導(dǎo)的AD細(xì)胞和動(dòng)物模型評(píng)估N-乙酰殼寡糖(N-acetyl chitooligosaccharides，NACOS)的活性，發(fā)現(xiàn)NACOS顯著改善了AD大鼠在水迷宮任務(wù)中的獲得(學(xué)習(xí))和保持(記憶)能力。腦組織切片HE染色顯示，NACOS可改善Aβ誘導(dǎo)的海馬神經(jīng)退行性變，說明NACOS能減輕AD細(xì)胞和動(dòng)物模型中淀粉樣蛋白Aβ誘導(dǎo)的神經(jīng)損傷[27]。

3.4 改善心腦血管疾病

心血管疾病是一類涉及心臟或血管的慢性代謝綜合征，已成為全球公共衛(wèi)生的重大挑戰(zhàn)。心血管疾病的發(fā)生與高脂飲食和腸道微生物之間存在密切關(guān)系。AOS可通過改善脂質(zhì)代謝、減少脂肪積累和調(diào)節(jié)腸道微生物菌群的失調(diào)而發(fā)揮降血脂作用[28]。此外，王珊[29]研究發(fā)現(xiàn)AOS能通過調(diào)控miR-34a改善線粒體功能和氧化應(yīng)激作用延緩D-半乳糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞衰老。藻酸雙酯鈉(propylene glycol alginate sodium sulfate，PSS)是我國(guó)第一代海洋糖類寡糖藥物，可以高效抑制凝血酶介導(dǎo)的纖維蛋白的形成，進(jìn)而發(fā)揮較好的抗凝血作用。

3.5 改善組織損傷和傷口愈合

殼寡糖在組織損傷和傷口愈合方面顯示出潛在的治療效果，如保護(hù)受損組織免受感染、增強(qiáng)滲透性、支持細(xì)胞黏附和促進(jìn)細(xì)胞增殖[30]。裴彤[31]通過建立新西蘭大白兔膝關(guān)節(jié)軟骨缺失模型，發(fā)現(xiàn)CS寡糖能夠更好地促進(jìn)軟骨修復(fù)和傷口愈合, 其原因可能是小分子質(zhì)量的CS寡糖更易于機(jī)體吸收，因而使得軟骨修復(fù)和傷口愈合的效果更為顯著。李南等[32]研究發(fā)現(xiàn)，CS寡糖能促進(jìn)大鼠受損心肌細(xì)胞的增殖進(jìn)而加快其受損心肌組織的修復(fù)。

除此以外，海洋寡糖還具有其他生物活性，如表1所示。

表1 常見海洋動(dòng)植物來源寡糖及其生理活性Table 1 Bioactivities of oligosaccharides from marine animals and plants

4 在功能性食品中的應(yīng)用

4.1 減肥食品

肥胖癥是一種常見代謝性疾病。目前，在臨床使用的大部分化學(xué)減肥藥物雖然有著明顯效果，但是所帶來的副作用仍然困擾著患者，有些不良反應(yīng)甚至?xí)o部分患者造成傷害。因此，具有減肥作用且安全性高的寡糖被越來越多的科研人員作為新的研究目標(biāo)。寡糖能與膽固醇、脂肪酸等結(jié)合，減少人體對(duì)脂肪的吸收。因此，可將寡糖添加到食品中，以期達(dá)到減肥效果。

研究表明，如圖5所示，在HFD誘導(dǎo)的小鼠模型中，添加AOS能抑制脂肪細(xì)胞的生長(zhǎng)，表明其具有潛在的抗肥胖作用[36]。研究人員給高脂飲食誘導(dǎo)的的肥胖癥小鼠飼料中添加新瓊寡糖，發(fā)現(xiàn)其可抑制肥胖癥小鼠體重增加和血清總膽固醇(total cholesterol，TC)和甘油三酯(triglycerides，TG)含量升高[37]。傅楚涵[38]將COS制成滴丸后對(duì)肥胖大鼠進(jìn)行給藥，結(jié)果表明在不影響食欲的條件下，COS能抑制高脂飲食誘導(dǎo)的SD肥胖大鼠體重增加及減緩大鼠體內(nèi)的脂肪含量增加。低分子質(zhì)量COS抑制小鼠長(zhǎng)期高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖癥狀，其降脂作用可能是通過膽汁酸結(jié)合引起的糞便脂肪或膽汁酸排泄增加介導(dǎo)的。由于胰腺脂肪酶活性的抑制，小腸對(duì)膳食脂質(zhì)(TC和TG)的吸收減少[39]。目前，市面上已經(jīng)出現(xiàn)了一些添加一定量寡糖的咀嚼片、飲料以及糖果等減肥保健食品[40]。

圖5 海洋寡糖在功能性食品中的應(yīng)用Fig.5 Application of marine oligosaccharides in functional foods

4.2 抗衰老食品

目前，高效且毒副作用小的天然活性物質(zhì)是開發(fā)抗衰老食品原料的重要來源。海洋生物活性物質(zhì)對(duì)衰老的干預(yù)機(jī)制主要有：(1)增加端粒酶活性延緩衰老；(2)調(diào)控AMPK-mTOR-ULK1信號(hào)通路干預(yù)衰老；(3)調(diào)節(jié)抗氧化酶活性減輕氧化損傷；(4)清除自由基減緩細(xì)胞凋亡；(5)恢復(fù)腸道穩(wěn)態(tài)調(diào)控衰老相關(guān)代謝紊亂[41]。海洋寡糖具有易吸收、低毒性以及良好的生物相容性等特點(diǎn)，同時(shí)有助于機(jī)體調(diào)節(jié)腸道菌群、抗氧化和調(diào)控衰老相關(guān)基因表達(dá)等活性，因此可作為開發(fā)抗衰老功能性食品的原料來源。

研究表明，如圖5所示，D-半乳糖與體內(nèi)活性氧含量升高、線粒體功能受損、白介素水平升高及DNA損傷有關(guān)，AOS可以延緩D-半乳糖誘導(dǎo)的小鼠心臟老化從而延長(zhǎng)壽命[42]。COS通過調(diào)控巨噬細(xì)胞的細(xì)胞因子分泌，間接促進(jìn)卵巢生殖干細(xì)胞的增殖，抑制其衰老[43]。滸苔和石莼來源的綠藻寡糖可降低丙二醛和晚期糖基化終產(chǎn)物的水平，提高了小鼠體內(nèi)谷胱甘肽、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶和端粒酶水平以及總抗氧化能力，在小鼠衰老方面具有潛在的治療作用[44]。

4.3 功能性食品添加劑

傳統(tǒng)的食品添加劑只是改善了食品的風(fēng)味、外觀和組織結(jié)構(gòu)，不具備營(yíng)養(yǎng)保健功能，而功能性食品添加劑同時(shí)具備了以上2種功能以滿足特定消費(fèi)者的需求。海洋寡糖安全性高，具有多種生物活性，因此可將寡糖作為一種添加劑應(yīng)用于食品中。例如，將寡糖添加到健康營(yíng)養(yǎng)飲料中，既起到了改善風(fēng)味和穩(wěn)定的作用，又賦予該飲品一定的營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化功能。COS可以作為食品工業(yè)中的添加劑[45]。如圖5所示，添加COS可抑制蛋白質(zhì)巰基氧化，從而抑制食品冷凍儲(chǔ)存期間蛋白質(zhì)巰基含量降低[46]。涂抹COS能更好地降低果實(shí)的呼吸強(qiáng)度，從而對(duì)冷藏水蜜桃起到一定的保鮮效果[47]。將低分子CS加入肉類食品中可發(fā)揮抗氧化功能且防止出現(xiàn)褐變問題，低分子CS還能通過改善魚肉風(fēng)味和提高魚肉的持水性，從而提高魚肉品質(zhì)[48]。

5 結(jié)論與展望

海洋生物資源是一類有待深入開發(fā)的具有巨大潛力的生物資源。環(huán)境多樣性決定了生物多樣性，進(jìn)而決定了化合物的多樣性。海洋生物多糖有異于陸上動(dòng)植物多糖，大多屬雜多糖，且其構(gòu)成的單糖種類多，因而海洋寡糖種類繁多，結(jié)構(gòu)與功能更為復(fù)雜。海洋寡糖作為一個(gè)重要的海洋資源，因其優(yōu)異的生物活性受到越來越多的關(guān)注，已成為海洋食品研究的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，也是潛在的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。目前，海洋寡糖主要是通過物理、化學(xué)等方法從海洋多糖中獲得。如何高效、經(jīng)濟(jì)、快速大量制取海洋寡糖是當(dāng)前迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。此外，海洋寡糖生物活性廣泛且安全性高，可應(yīng)用于功能性食品的開發(fā)，但仍需要加強(qiáng)這些功能性食品的質(zhì)量與安全評(píng)價(jià)，建立更加完善的質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，從而提升海洋寡糖類功能食品的品質(zhì)。