艾正文,桂 敏,于 鵬,王 輝,姜 雪,任 璐

(乳業(yè)生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海乳業(yè)生物工程技術(shù)研究中心, 光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)研究院,上海 200436)

巖藻多糖又名巖藻聚糖硫酸酯,是一種富含硫酸基的大分子多聚糖,廣泛存在于諸如墨角藻[1]、海帶[2]、馬尾藻[3]等褐藻細(xì)胞組織中。最近幾年，隨著人們對巖藻多糖研究的深入,巖藻多糖在抗氧化[4]、抗腫瘤[5]、抗凝血[6]、及提高免疫力[7]等方面的功能逐漸被發(fā)現(xiàn)。巖藻多糖作為一種復(fù)雜的高分子多聚糖,其生物活性功能受到分子內(nèi)糖的類型和連接方式、硫酸基團(tuán)含量以及分子量大小等多種因素的影響[8-9],逐漸成為各方研究的重點(diǎn)。本文著重闡述了巖藻多糖結(jié)構(gòu)對其功能特性的影響的最新研究情況,從而為后續(xù)相關(guān)研究提供思路。

1 巖藻多糖結(jié)構(gòu)

巖藻多糖是一種同型雜多糖,含有大量的巖藻糖和硫酸基團(tuán)。此外,根據(jù)巖藻多糖來源的不同,其分子結(jié)構(gòu)中還存在部分半乳糖、甘露糖以及鼠李糖等多種形式的單糖和多糖。這些單糖和多糖可通過不同比例的1,3-巖藻糖、1,3-半乳糖、1,4-半乳糖和1,6-半乳糖等糖鏈與硫酸基團(tuán)接合后形成不同形式的巖藻多糖[10],研究表明巖藻多糖硫酸基團(tuán)多位于3號或4號位。不同海藻中的巖藻多糖的結(jié)構(gòu)也不盡相同,但是大致可以分為2個(gè)類型,一是以(1-3)-α-L-吡喃巖藻糖為重復(fù)單元的主鏈,另一種主鏈以(1-3)-吡喃巖藻糖和(1-4)-α-L-吡喃巖藻糖為重復(fù)單元組成(圖1)[11]。但是目前對巖藻多糖分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識仍然不足,大多數(shù)海藻中巖藻多糖中半乳糖、甘露糖、鼠李糖、阿拉伯糖以及葡萄糖在主鏈上位置仍不清楚。研究發(fā)現(xiàn)從褐藻S.latissima提取的巖藻多糖的主要由在C-4/C-2位上的3-α-L-巖藻吡喃糖和在分支C-2位上的硫酸α-L-巖藻吡喃糖殘基組成[12]。

圖1 巖藻多糖結(jié)構(gòu)類型[11]Fig.1 The types of fucoidin structure[11]注:R代表α-L-吡喃巖藻糖、α-D-葡糖醛酸和硫酸基團(tuán),但是半乳糖、甘露糖、木糖、鼠李糖、阿拉伯糖以及葡萄糖在巖藻糖碳鏈上的位置目前仍不明確。

由于巖藻多糖是一種多聚糖,分子量從幾萬道爾頓到幾十萬道爾頓都有分布,然而較高的分子量的巖藻多糖在溶解性以及功能特性等方面會受到很大的影響,從而限制了其應(yīng)用范圍。巖藻多糖通過物理、化學(xué)和生物方法處理可以得到小分子量的巖藻多糖(LMWFs)。低分子量巖藻多糖(LMWFs)經(jīng)結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),巖藻糖上連有的硫酸基團(tuán)主要集中在2號位上,3號位上很少,而在4號位上幾乎沒有,而巖藻聚糖之間主要以α-1,4糖苷鍵相連。

目前可通過輻照[13]、酶解[14]、酸解[15]、超聲波[16]以及動態(tài)高壓處理[17]實(shí)現(xiàn)巖藻多糖分子結(jié)構(gòu)的解聚。Choi等[18]利用伽馬射線對巖藻多糖進(jìn)行輻射處理,并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)輻照處理能夠顯著(p<0.05)提高巖藻多糖分子中羥基和不飽和鍵的含量,同時(shí)從電鏡照片中可以觀察到顆粒狀裂紋。相似的,Changotade等[19]通過輻照和酸水解得到了不同分子量的巖藻多糖,并對其功能特性進(jìn)行了研究,結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)巖藻多糖的功能與其結(jié)構(gòu)具有密切的聯(lián)系。

2 巖藻多糖結(jié)構(gòu)對其功能的影響

2.1 抗氧化活性

環(huán)境污染、紫外輻射以及自身機(jī)體代謝會產(chǎn)生大量的自由基。越來越多的研究表明,包括癌癥在內(nèi)相當(dāng)多的疾病與體內(nèi)過多的自由基產(chǎn)生有關(guān)。巖藻多糖是一種主要來源于海藻的天然高分子多糖,由于其良好的抗氧化活性正逐漸成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)從可食用的墨角藻中提取得到的巖藻多糖可防止超氧化物自由基、羥基自由基的生成,同時(shí)還能抑制脂質(zhì)的過氧化[20]。

熱處理是改變物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)最簡單的方法,Lahrsen等[21]分別比較了加熱和H2O2方式對從墨角藻中提取得到的巖藻多糖結(jié)構(gòu)的影響。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)H2O2對巖藻多糖的降解作用更加明顯,經(jīng)過H2O2處理后的巖藻多糖分子量降低了一半多,但是對巖藻多糖側(cè)鏈的影響較少,因此H2O2處理后的巖藻多糖在抗氧化和抗腫瘤活性方面與熱處理相比效果更加顯著。此外,由于動態(tài)超高壓處理過程中會產(chǎn)生空化、湍流以及剪切等強(qiáng)烈的物理現(xiàn)象,因此會對巖藻多糖的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響。研究顯示巖藻多糖在經(jīng)過超高壓均質(zhì)后,原本分子表面粗糙的結(jié)構(gòu)被高壓處理所破壞,但是100 MPa壓力下均質(zhì)對巖藻多糖分子結(jié)構(gòu)中硫酸根基團(tuán)的影響不大,說明100 MPa的均質(zhì)壓力不足以導(dǎo)致巖藻多糖分子結(jié)構(gòu)中的硫酸根基團(tuán)從主鏈上脫落,但是經(jīng)過70和100 MPa處理過的巖藻多糖與未經(jīng)處理的樣品相比具有更好的抗氧化功能,這可能與巖藻多糖在高壓力處理下,主鏈結(jié)構(gòu)斷裂,造成分子量降低有關(guān)[17]。

雖然巖藻多糖的分子結(jié)構(gòu)對其抗氧化活性具有明顯的影響,但是研究也表明不同海藻來源的巖藻多糖由于在化學(xué)組成以及結(jié)構(gòu)等方面的細(xì)微差別,所以其抗氧化活性也存在一定的差異[22]。張加幸等[23]對不同收獲時(shí)期和不同品種的海帶中巖藻多糖的抗氧化活性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明不同品種的海藻在巖藻多糖硫酸酯的組成上存在差異,硫酸基團(tuán)含量較高的海帶中的巖藻多糖抗氧化性能更加優(yōu)異。

通過對有關(guān)巖藻多糖抗氧化研究的梳理發(fā)現(xiàn),巖藻多糖抗氧化性能與其分子量和硫酸基團(tuán)含量有著密切地聯(lián)系。目前可以通過物理、化學(xué)和生物方法獲得較低分子量的巖藻多糖,但是化學(xué)改性目前存在較多的問題,物理和生物改性方法可能是未來的發(fā)展方向。

2.2 抑菌活性

研究表明海藻中萜烯、含硫雜環(huán)化合物和酚類化合物等物質(zhì)都具有抑菌活性[22]。巖藻多糖是一種主要來源于海藻中的復(fù)雜硫酸酯多糖,分子結(jié)構(gòu)中含有大量的硫酸根基團(tuán)。Marudhupandi等[24]研究發(fā)現(xiàn)從馬尾藻中提取的硫酸多糖對大腸桿菌、霍亂弧菌和沙門氏菌等人類致病菌具有明顯的抑制功能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明馬尾藻中的硫酸酯多糖是一種有效、安全的抑菌劑。最新研究結(jié)果表明,硫酸多糖抑菌功能不僅僅取決于巖藻糖的分子量以及硫酸根基團(tuán)的含量,而是主要受到硫酸多糖中單糖的構(gòu)成和比例,以及巖藻糖的分子構(gòu)象等多重因素的影響[25]。目前大多數(shù)研究人員認(rèn)為硫酸多糖抑菌主要通過兩條路徑,一是,硫酸多糖可以和細(xì)菌表面結(jié)合,從而破壞細(xì)胞膜,造成細(xì)胞膜內(nèi)的蛋白質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)泄漏,最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。另一條途徑則是,硫酸多糖表面攜帶了大量的負(fù)電荷,從而可以與培養(yǎng)基中礦物質(zhì)等陽離子結(jié)合,造成細(xì)菌營養(yǎng)素匱乏,從而導(dǎo)致細(xì)菌的死亡[26-27]。然而,關(guān)于硫酸多糖的抑菌機(jī)制仍然存在爭論。Liu等[25]對昆布(Laminariajaponica)中提取的巖藻多糖進(jìn)行了解聚,并對其抗菌活性進(jìn)行了研究,研究發(fā)現(xiàn),Laminariajaponica中巖藻多糖在解聚前幾乎沒有抗菌活性,但是通過高溫?zé)崴夂罂梢燥@著提高對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制作用。解聚后的巖藻多糖可以破壞細(xì)胞膜以及細(xì)胞膜膜上的膜蛋白,從而造成細(xì)胞膜的流動性發(fā)生變化或者激活自噬細(xì)胞以達(dá)到抑菌目的。此外,低分子量和較強(qiáng)陰離子性質(zhì)的巖藻多糖可以明顯的增加抗菌活性。Hwang等[28]同樣發(fā)現(xiàn)低分子量的巖藻多糖更容易滲透到細(xì)菌細(xì)胞內(nèi),從而導(dǎo)致細(xì)胞瓦解。然而,目前巖藻多糖作為抑菌劑應(yīng)用到商業(yè)中的案例還很少見,一方面是由于其抑菌機(jī)制還需要更加深入地研究,抑菌性能與目前應(yīng)用成熟的抑菌劑相比還存在一定差異,另一方面,其獨(dú)特的風(fēng)味還需更進(jìn)一步改善。

2.3 提高免疫力

脾臟和胸腺是人體內(nèi)重要的免疫器官,當(dāng)外源性異物進(jìn)入人體后,機(jī)體會啟動免疫應(yīng)答以對抗抗原物質(zhì)。因此,免疫力的強(qiáng)弱對人體抵抗外來病原體、預(yù)防腫瘤以及保持機(jī)體正常運(yùn)轉(zhuǎn)等方面發(fā)揮著巨大的作用。研究表明甘露糖、葡聚糖、果膠多糖、阿拉伯多糖、巖藻多糖、果糖以及木聚糖等糖類具有免疫刺激功能(圖2),因此這些糖類又稱之為免疫刺激性多糖[7]。巖藻糖作為一種天然存在的植物性多糖,石磊等[29]研究發(fā)現(xiàn)巖藻多糖可以增加免疫器官的重量以及單核-巨噬細(xì)胞的吞噬功能。Jin等[4]通過動物試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)巖藻多糖能夠顯著提高脾臟樹突狀細(xì)胞的成熟和功能,促進(jìn)脾臟樹突狀細(xì)胞中CD40、CD80以及CD86的表達(dá),同時(shí)還可以增強(qiáng)Th1免疫反應(yīng)。此外,巖藻多糖還具有一定調(diào)節(jié)腸道免疫的功能。Yuguchi等[30]研究表明巖藻多糖可以通過派爾集合淋巴結(jié)細(xì)胞(Peyer’s patch cells)刺激腸道免疫反應(yīng),同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)巖藻多糖主鏈上交替的(1→3)和(1→4)糖苷鍵對腸道免疫的調(diào)節(jié)能力至關(guān)重要。

圖2 免疫刺激性多糖調(diào)節(jié)免疫力的機(jī)制[9]Fig.2 Mechanism of immunostimulatory polysaccharides regulating immunity[9]

綜合體內(nèi)和體外試驗(yàn)結(jié)果表明巖藻多糖免疫刺激作用與巖藻多糖分子中硫酸根基團(tuán)以及乙?；鶊F(tuán)有關(guān),研究人員通過技術(shù)手段將分子結(jié)構(gòu)中硫酸根基團(tuán)去除后,巖藻多糖免疫刺激作用顯著降低[31]。這與Yuguchi等[30]的研究結(jié)果基本相一致。

2.4 抗腫瘤活性

癌癥是導(dǎo)致發(fā)展中國家人口死亡的第二大疾病,僅次于心血管疾病。如何預(yù)防和治療癌癥成為各國研究人員研究的重點(diǎn)。目前,化療和放療是治療癌癥的主要方式,然而由此帶來的對身體的副作用卻不容小視。最近幾年,從海洋資源中分離出來的具有抗腫瘤作用的天然化合物引起了保健品行業(yè)和制藥工業(yè)的高度關(guān)注。隨著研究的深入,研究人員發(fā)現(xiàn)從褐藻中提取的巖藻多糖具有潛在的抑制腫瘤的作用。Vishchuk等[32]對從俄羅斯遠(yuǎn)東海域褐藻中提取的巖藻多糖的抗腫瘤活性進(jìn)行了研究,研究表明巖藻多糖對人結(jié)腸癌DLD-1、乳腺癌T-47D和黑色素瘤RPMI-7951細(xì)胞系均有不同的抑制作用,且抗腫瘤活性與巖藻多糖的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。波利團(tuán)扇藻(Padinaboryana)是一種廣泛生活在各地海域的褐色海藻,Usoltseva等[33]對波利團(tuán)扇藻中的巖藻多糖進(jìn)行改性,得到了3個(gè)巖藻多糖片段(PbF,PbFDA和PbFDADS),并對其抗腫瘤活性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明200 μg/mL濃度的巖藻多糖片段就可以對人結(jié)直腸腺癌上皮細(xì)胞(DLD-1)和人結(jié)腸癌細(xì)胞(HCT-116)實(shí)現(xiàn)抑制作用,其中PbF對這兩種腫瘤細(xì)胞抑制效率均超過70%。相似的,Silchenko等[34]利用巖藻多糖酶對天然墨角藻中的巖藻多糖進(jìn)行酶解,得到分子量為50.8 kDa的片段HMP,并分別加入到HTC-116、HT-29和DLD-1細(xì)胞中。體外試驗(yàn)結(jié)果表明HMP對腫瘤細(xì)胞具有一定的抑制作用,其中對DLD-1的抑制率接近70%,但是與未經(jīng)酶解的巖藻多糖相比,HMP抑制率相對較低。目前部分巖藻多糖分子片段表現(xiàn)出一定的腫瘤抑制作用,但是有效片段的篩選和定向獲取仍存在較大的困難。

2.5 其他活性

巖藻多糖作為一種新興的天然活性海藻多糖除了具有抗氧化、提高免疫力以及抗腫瘤等活性以外,還具有抗凝血、抗炎等功能。目前大量研究表明,巖藻多糖抗凝血活性與硫酸基團(tuán)和碳水化合物含量有關(guān)。巖藻多糖中果糖和硫酸基團(tuán)含量越高其抗凝血作用越強(qiáng)。此外,巖藻多糖鏈上的硫酸根基團(tuán)的位置對巖藻多糖的抗凝血作用影響也很大[35]。除此之外,巖藻多糖的分子量對其功能特性也有一定的影響,但是目前巖藻多糖分子量大小與抗凝血活性之間的關(guān)系還沒有完全確定[36-37]。

巖藻多糖除了在抗凝血方面有一定功能外,其在抗炎方面也具有潛在的作用。研究發(fā)現(xiàn),巖藻多糖可以通過抑制NO合成酶和環(huán)氧酶(COX-2)的表達(dá),從而降低體內(nèi)NO和前列腺素E2(PGE2)的含量,而試驗(yàn)現(xiàn)已證明NO和PGE2與某些炎癥密切相關(guān)[38]。Park等[39]以膠原誘導(dǎo)性關(guān)節(jié)炎小鼠為模型,研究不同分子量的巖藻多糖對關(guān)節(jié)炎小鼠的影響。試驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)高分子量的巖藻多糖會增強(qiáng)炎癥反應(yīng),而較低分子量的巖藻多糖則會通過抑制TH1介導(dǎo)的免疫反應(yīng)而減少關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。由此可以發(fā)現(xiàn),巖藻多糖的抗炎特性與其分子量大小緊密相關(guān)。

此外,巖藻多糖在體內(nèi)和體外試驗(yàn)中也表現(xiàn)出一定的抗病毒活性。目前現(xiàn)有研究表明巖藻多糖可以有效保護(hù)細(xì)胞,抑制皰疹病毒、單純性病毒(HSV)和免疫缺陷病毒的復(fù)制[40]。Sinha等[41]研究表明巖藻多糖抗病毒活性與其分子結(jié)構(gòu)中的硫酸根基團(tuán)和側(cè)鏈上單糖類型密切相關(guān),經(jīng)常攝入富含巖藻多糖的褐藻能夠顯著抑制HSV病毒活性。Mandal等[42]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),巖藻多糖主鏈4號C位置上的(1→3)吡喃巖藻糖對病毒的抑制能力十分關(guān)鍵。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)巖藻多糖分子結(jié)構(gòu)中富含果糖且硫酸根基團(tuán)含量較低時(shí)對HIV逆轉(zhuǎn)錄酶活性有明顯的抑制作用[22]。

3 結(jié)語

巖藻多糖作為一種新興的天然高分子多糖,由于其在抗氧化、提升免疫力、抑制腫瘤和抗病毒等方面均具有潛在的應(yīng)用價(jià)值,市場前景廣闊,因此受到了廣泛的關(guān)注。然而,巖藻多糖的分子結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,同時(shí)不同來源的巖藻多糖在組成、硫酸根基團(tuán)位置等方面仍有細(xì)微的差別,所以目前巖藻多糖在食品或者藥品中的應(yīng)用受到一定的限制?，F(xiàn)有研究表明巖藻多糖的功能與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān),然而目前對巖藻多糖分子結(jié)構(gòu)的研究仍然不夠深入,特別是對巖藻多糖分子結(jié)構(gòu)解析等方面仍面臨著較大的挑戰(zhàn)。目前針對巖藻多糖結(jié)構(gòu)的研究主要集中在相關(guān)官能團(tuán)含量的分析層面,針對巖藻多糖更高層次的結(jié)構(gòu)和空間構(gòu)象等領(lǐng)域仍缺乏研究。

此外經(jīng)過改性后巖藻多糖分子結(jié)構(gòu)的變化情況以及對其功能特性的影響還不明確,尤其目前在巖藻多糖發(fā)揮生物活性功能機(jī)制層面的相關(guān)研究仍較少,因此還需進(jìn)一步深入的探索。