王平貴 張 浩 周林卉 徐華蕾 李 焱 陳 宏劉晶營(yíng) 魏玉西,*

(1 青島大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266071；2 青島海之林生物科技開(kāi)發(fā)有限公司，山東 青島 266200)

海藻酸(alginic acid)是由β-D-甘露糖醛酸(M段)和α-L-古洛糖醛酸(G段)兩種結(jié)構(gòu)單元以GG、GM、MG和MM 4種方式按照α-1,4糖苷鍵連接形成的一種無(wú)規(guī)則線性聚合物[1]。海藻酸具有多種生理功能，如抗腫瘤[2]、免疫調(diào)節(jié)[3]、調(diào)節(jié)血脂和抗氧化[4]等，然而海藻酸在醫(yī)藥方面的應(yīng)用受其黏度的限制，需將海藻酸多糖降解，降低其凝膠特性，才能更好的發(fā)揮功效。海藻酸單糖具有良好的溶解性，且具有獨(dú)特的生理活性，如促進(jìn)角質(zhì)形成細(xì)胞[5]、抗凝血、降低血液粘度及改善微循環(huán)等[6]，而尋找適合海藻酸降解的方法，已成為制備海藻酸單糖的技術(shù)關(guān)鍵。

海藻酸在水溶液中易發(fā)生降解，常表現(xiàn)為粘度下降，還伴隨著相對(duì)分子質(zhì)量分布范圍不斷變化[7]。目前降解海藻多糖的方法主要有酶降解法[8-9]、物理降解法[10-11]和化學(xué)降解法[12-13]。酶降解法雖然高效，但是酶存在嚴(yán)格的專一性，每種酶只對(duì)特定的分子結(jié)構(gòu)起作用，因此酶降解法適合制備海藻酸寡糖[8-9]；物理降解法降解海藻酸效果不明顯，僅適合制備海藻酸寡糖[10-11]；化學(xué)降解法中的酸降解法和堿降解法易造成環(huán)境污染，而H2O2氧化降解海藻酸時(shí)，雖可自行降解成水和氧氣，但也難獲得單糖制品[12-13]。因此，為制備海藻酸單糖制品，需聯(lián)合使用兩種或多種降解方法。海藻酸制備寡糖的研究報(bào)道較多，但有關(guān)制備海藻酸單糖的研究鮮有報(bào)道。

海藻酸單糖含有的酸根離子可以與鈣結(jié)合制備海藻酸單糖鈣。鈣是人體內(nèi)含量最豐富的礦物質(zhì)元素之一，約占體重的1.5%～2.0%[14]，是維持人體生命活動(dòng)所必需的常量元素之一[15]。缺鈣是世界各國(guó)普遍存在的問(wèn)題[16]，膳食中鈣長(zhǎng)期攝入不足，不僅影響人們的生長(zhǎng)健康，而且不利于骨骼發(fā)育，尤其對(duì)兒童[17]、絕經(jīng)婦女[18]及老年人[19]影響更為嚴(yán)重。因此選擇有效的補(bǔ)鈣制劑是預(yù)防與治療鈣缺乏的有效手段。海藻酸單糖鈣作為一種有機(jī)酸鈣，相較于普通無(wú)機(jī)鈣具有良好的溶解度，因此海藻酸單糖鈣可以作為一種新型補(bǔ)鈣制劑，但目前關(guān)于海藻酸單糖鈣的制備及其活性的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。

本研究通過(guò)高溫降解海藻酸制備小分子海藻酸，再通過(guò)H2O2進(jìn)一步氧化降解制備海藻酸單糖；探索海藻酸單糖及結(jié)合鈣的制備工藝，并將結(jié)合鈣用于大鼠補(bǔ)鈣試驗(yàn)以檢驗(yàn)其補(bǔ)鈣效果，以期為海藻酸單糖的制備及應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)為貝殼資源的高值化利用提供新的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

海藻酸，大連美侖生物技術(shù)有限公司；扇貝殼，購(gòu)自青島市麥島市場(chǎng)；30%H2O2，萊陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠；α-萘酚，北京索萊寶科技有限公司；水合氯醛，大連美侖生物技術(shù)有限公司；葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯，成都格雷西亞化學(xué)技術(shù)有限公司；正丁醇、甲酸、硫酸鈰、鉬酸胺、濃硫酸，青島世紀(jì)星化學(xué)試劑有限公司。

Molish試劑，配制成5% α-萘酚乙醇溶液，備用。SD雄性大鼠(4周齡)，斯貝福(北京)生物技術(shù)有限公司，許可證號(hào)：SCXK(京)2016—0002，體重約為100.00±10.00 g。

1.2 主要儀器與設(shè)備

TJYF-A-GKCF-1微型反應(yīng)釜，上海越眾儀器設(shè)備有限公司；FD-1D-50真空冷凍干燥機(jī)，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；FT-IR紅外光譜儀，美國(guó)Nicolet公司；TD5M-WS多管架自動(dòng)平衡離心機(jī)，上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司；RE-52旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠；BC-2800全自動(dòng)動(dòng)物血液細(xì)胞分析儀，深圳Mindray醫(yī)療器械；GK99-UNIGAMMAX-RAYPLUS雙能X射線骨密度儀，意大利Lcan公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 鈣源貝殼粉的制備 扇貝殼清洗干凈，之后用0.05 mol·L-1鹽酸浸泡2 h，再以自來(lái)水沖洗后粉碎至60～80目，水飛法除去密度較大顆粒，之后烘干得鈣源貝殼粉，即為合成海藻酸單糖鈣的鈣源[6]。

1.3.2 海藻酸單糖的制備

1.3.2.1 海藻酸高溫降解的單因素試驗(yàn) 準(zhǔn)確稱取適量海藻酸，用蒸餾水溶解，混勻，置于微型高溫反應(yīng)釜中加熱降解。海藻酸高溫降解基本條件：料液比1∶25、 降解溫度120℃、降解時(shí)間150 min。改變其中一個(gè)條件以分別考察不同高溫降解溫度(100.0、110.0、120.0、122.5、125.0、127.5和130.0℃)、不同高溫降解時(shí)間(90、120、135、150、165和180 min)和料液比(1∶10、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35和1∶40)對(duì)海藻酸降解的影響。根據(jù)公式計(jì)算海藻酸降解率：

(1)。

1.3.2.2 海藻酸氧化降解的單因素試驗(yàn) 準(zhǔn)確稱取適量海藻酸，用蒸餾水溶解，混勻，置于恒溫水浴鍋中恒溫加熱，進(jìn)行海藻酸的氧化降解。海藻酸氧化降解的基本條件：海藻酸與30%H2O2之比為1∶4、降解溫度90℃、降解時(shí)間90 min。改變其中一個(gè)條件以分別考察不同氧化降解溫度(80.0、85.0、87.5、90.0、92.5和95℃)、不同氧化降解時(shí)間(30、60、90、120、150和180 min)及海藻酸與30%H2O2比例(1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6和1∶7)對(duì)海藻酸降解的影響。根據(jù)公式(1)計(jì)算海藻酸降解率。同時(shí)通過(guò)Molish反應(yīng)[20]，鑒定單糖結(jié)構(gòu)是否被破壞。

1.3.2.3 海藻酸降解正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以高溫降解海藻酸的降解溫度(A)、高溫降解時(shí)間(B)、海藻酸與水的料液比(C)及H2O2氧化降解海藻酸的降解溫度(D)、海藻酸與30%H2O2比例(F)、氧化降解時(shí)間(E)為因素，設(shè)計(jì)六因素五水平的正交試驗(yàn)(表1)，探究降解海藻酸的最佳組合。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Levels and factors of orthogonal experiment

1.3.3 海藻酸降解液預(yù)處理 參照文獻(xiàn)[21]的方法，略作修改，將最優(yōu)條件下制得的海藻酸溶液4 000 r·min-1離心10 min，去沉淀后加入2倍體積的95%乙醇，4℃過(guò)夜，于4 000 r·min-1離心10 min，去除沉淀后所得溶液即為海藻酸單糖溶液，于50℃條件下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去乙醇濃縮，然后冷凍干燥，所得產(chǎn)物即為海藻酸單糖。

1.3.4 海藻酸單糖鈣的制備 將凍干得到的海藻酸單糖按1∶8(m∶m)溶解于蒸餾水中，按照海藻酸單糖與Ca2+的反應(yīng)摩爾比2∶1添加鈣源貝殼粉，于30℃水浴攪拌12 h，抽濾去除沉淀，得海藻酸單糖鈣溶液。將所得溶液添加乙醇(95%)至乙醇濃度90%，于4℃冰箱過(guò)夜，再4℃、4 000 r·min-1離心20 min，收集沉淀、凍干，即制得海藻酸單糖鈣。使用乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid, EDTA)法測(cè)定海藻酸單糖鈣的含鈣率，并計(jì)算其結(jié)合率。

1.4 海藻酸單糖及結(jié)合鈣的結(jié)構(gòu)表征

1.4.1 傅里葉變換紅外光譜 參照文獻(xiàn)[22]的方法，采用KBr壓片法，測(cè)定海藻酸、海藻酸單糖及海藻酸單糖鈣的紅外光譜圖。分別取約2.00 mg樣品研磨，然后與100.00～200.00 mg干燥KBr粉末充分混合，并再次研磨1～2 min，壓片。以KBr空白，掃描范圍4 000～400 cm-1。

1.4.2 薄層色譜分析(thin-layer chromatography,TLC) 參照文獻(xiàn)[23]的方法，將已制備的海藻酸單糖和海藻酸單糖鈣，使用毛細(xì)管分別點(diǎn)樣到硅膠板上，在展開(kāi)劑(V正丁醇∶V甲酸∶V水=4∶6∶l)中展開(kāi)分離，于110℃顯色(顯色劑配方：20.00 mg 硫酸鈰、50.00 mg 鉬酸胺、5.00 mL 98% H2SO4溶于95.00 mL乙醇中)。以葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯標(biāo)準(zhǔn)品為對(duì)照。

1.5 動(dòng)物試驗(yàn)評(píng)價(jià)

1.5.1 動(dòng)物試驗(yàn) SD大鼠在溫度23±3℃，濕度50%±10%的動(dòng)物房中以12 h光照/12 h黑暗循環(huán)飼養(yǎng)。在自由進(jìn)食和進(jìn)水適應(yīng)飼養(yǎng)1周后，隨機(jī)分為6組，每組6只。試驗(yàn)以不同鈣離子濃度(50、75 和100 mg·mL-1) 設(shè)置3個(gè)劑量組，同時(shí)設(shè)置一個(gè)碳酸鈣對(duì)照組(75 mg·mL-1)、正常對(duì)照組以及一組低鈣模型組，具體分組如表2所示。試驗(yàn)過(guò)程中，正常對(duì)照組的大鼠喂食正常飼料，其他5個(gè)組大鼠喂食低鈣飼料，6個(gè)組均自由飲用去離子水。在為期4周的試驗(yàn)過(guò)程中，在給大鼠喂養(yǎng)飼料的同時(shí)灌胃樣品，每天上午10點(diǎn)給大鼠灌胃，每周記錄體重和攝食量。

表2 功能性動(dòng)物試驗(yàn)分組Table 2 Animal experiment grouping

試驗(yàn)進(jìn)行4周后，將大鼠禁食12 h后利用水合氯醛麻醉，立即通過(guò)腹主動(dòng)脈取血法收集血樣并以4 000 r·min-1離心10 min取血清，用于血清分析。同時(shí)摘取心、肝、脾、肺、腎臟器，用生理鹽水沖洗后稱量，記錄大鼠臟器重量，計(jì)算內(nèi)臟指數(shù)。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)。

1.5.2 血清分析 在全自動(dòng)動(dòng)物血液細(xì)胞分析儀上分析各試驗(yàn)組大鼠血清中血鈣、血磷、血鎂及堿性磷酸酶的含量。

1.5.3 股骨骨密度測(cè)定 取出小鼠左側(cè)股骨，于室溫下平衡60 min，采用雙能X線骨密度儀掃描股骨，并使用配套軟件分析股骨密度。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，試驗(yàn)結(jié)果以mean±SD形式表示。通過(guò)單因素方差分析各組間數(shù)據(jù)差異性，P<0.05表明具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 海藻酸降解單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 海藻酸高溫降解單因素試驗(yàn)結(jié)果 由圖1-A可知，海藻酸的降解率隨著高溫降解溫度的升高而大幅度增加。且在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降解溫度升至125℃時(shí)，降解率增加緩慢，當(dāng)降解溫度升高至135℃后，海藻酸在高溫反應(yīng)釜中出現(xiàn)部分糊化，顏色加深，并伴有焦味，造成產(chǎn)率及品質(zhì)下降。由圖1-B可知，隨著高溫降解時(shí)間的延長(zhǎng)，海藻酸降解率逐漸增加，當(dāng)降解時(shí)間大于135 min時(shí)，海藻酸降解率緩慢上升；當(dāng)高溫降解時(shí)間達(dá)到180 min時(shí)，海藻酸降解率為65.74%。由圖1-C可知，當(dāng)海藻酸與水的料液比由1∶10 減小至1∶20時(shí)，海藻酸降解率增加明顯，而當(dāng)料液比小于1∶25時(shí)，海藻酸降解率增加緩慢；當(dāng)料液比為1∶40時(shí)，海藻酸降解率為71.20%。通過(guò)以上結(jié)果，選用降解海藻酸溫度為125℃、時(shí)間150 min、料液比為1∶25 進(jìn)行后續(xù)正交試驗(yàn)。

圖1 海藻酸高溫降解溫度(A)、時(shí)間(B)和料液比(C)對(duì)其降解率的影響Fig.1 Effect of high temperature degradation temperature(A), time(B) and ratio of material to liquid (C) of alginic acid on its degradation rate

2.1.2 海藻酸氧化降解單因素試驗(yàn)結(jié)果 由圖2-A可知，海藻酸在H2O2作用下，隨著氧化降解溫度的升高，海藻酸降解率先大幅度增加之后略有下降再緩慢增加，當(dāng)降解溫度升高到92.5℃，海藻酸降解率趨于平緩；降解溫度達(dá)到95℃時(shí)，海藻酸降解率達(dá)到70.85%。由圖2-B可知，海藻酸氧化降解時(shí)間為120 min時(shí)，其降解率達(dá)到最大值，為70.65%。由圖2-C可知，當(dāng)海藻酸∶30%H2O2為1∶5時(shí)，海藻酸的氧化降解率達(dá)到73.40%；當(dāng)海藻酸∶30%H2O2達(dá)到1∶8(數(shù)據(jù)未列出)時(shí)，所得溶液通過(guò)Molish反應(yīng)鑒定，單糖的結(jié)構(gòu)部分被破壞，而海藻酸∶30%H2O2為1∶7時(shí)，Molish反應(yīng)鑒定結(jié)果顯示單糖結(jié)構(gòu)并未破壞，此時(shí)海藻酸的降解率為73.65%。通過(guò)以上結(jié)果，選用氧化降解海藻酸溫度90℃，時(shí)間120 min，海藻酸與30% H2O2比例為1∶5進(jìn)行后續(xù)正交試驗(yàn)。

2.2 海藻酸降解正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表3可知，在高溫降解和氧化降解海藻酸的過(guò)程中，影響海藻酸降解速率的因素從大到小依次為高溫降解溫度>氧化降解時(shí)間>高溫降解時(shí)間>海藻酸∶30%H2O2>海藻酸∶H2O>氧化降解溫度。通過(guò)K值得出海藻酸降解的最佳條件組合為A5E4B5F5C3D4。然而，海藻酸∶30%H2O2的K3與K5值相近，為降低成本，海藻酸降解最佳組合為A5E4B5F3C3D4。通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)，此條件下海藻酸降解率為80.68%。

2.3 海藻酸單糖鈣結(jié)構(gòu)表征

2.3.1 傅里葉紅外光譜分析結(jié)果 由圖3可知，海藻酸的特征峰位于3 364.04 cm-1、海藻酸單糖的特征峰位于3 332.58 cm-1，海藻酸單糖鈣的特征峰位于3 347.21 cm-1，且3種物質(zhì)的峰型基本相似，是締合-OH的伸縮振動(dòng)吸收峰。但是海藻酸單糖與海藻酸單糖鈣吸收峰發(fā)生了偏移，這可能是海藻酸單糖與鈣結(jié)合產(chǎn)生特殊分子空間結(jié)構(gòu)造成的[24]。海藻酸在2 920.03 和2 631.34 cm-1處有特殊吸收峰，而海藻酸單糖及海藻酸單糖鈣在此處無(wú)吸收峰，說(shuō)明海藻酸在降解過(guò)程中，游離羥基發(fā)生內(nèi)部脫水而形成雙鍵，因此不再具有游離羥基的特殊吸收峰[25-26]。海藻酸的特征峰1 742.82 cm-1和海藻酸單糖的特征峰1 731.91 cm-1為游離-COOH 的-C=O的伸縮振動(dòng)吸收峰，而海藻酸單糖鈣中由于游離-COOH與鈣發(fā)生結(jié)合，這2個(gè)特征峰完全消失，偏移至1 601.09 cm-1處，說(shuō)明海藻酸單糖與鈣離子形成了海藻酸單糖鈣[20]。綜合分析，海藻酸、海藻酸降解形成的海藻酸單糖及海藻酸單糖鈣的結(jié)構(gòu)并未發(fā)生本質(zhì)變化，三者依然保持了單糖的基本結(jié)構(gòu)，且海藻酸單糖與Ca2+結(jié)合生成海藻酸單糖鈣。

圖2 海藻酸氧化降解溫度(A)、時(shí)間 (B)和30%H2O2比值(C)對(duì)其降解率的影響Fig.2 Effect of oxidation degradation temperature(A),time(B) and 30%H2O2 ratio(C) of alginic acid on its degradation rate

圖3 海藻酸、海藻酸單糖與海藻酸單糖鈣的傅里葉紅外光譜比較Fig.3 FTlR spectra of alginic acid, alginic acid monosaccharide and conjugate complex with calcium

表3 海藻酸降解正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal test results of alginic acid degradation

2.3.2 薄層色譜分析結(jié)果 β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸兩種糖醛酸的分子式均為C6H10O7，其分子結(jié)構(gòu)、分子量及分子極性與葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯(C6H10O6)相近[27]。由圖4可知，TLC硅膠板上的葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯(泳道1)、海藻酸單糖(泳道2)出現(xiàn)比移(retardation facter，Rf)值相似的一個(gè)斑點(diǎn)，說(shuō)明這2個(gè)分子的極性和大小均相似，同時(shí)也說(shuō)明制備的海藻酸降解液中主要成分為單糖制品[26,28]，即為海藻酸單糖。海藻酸單糖與鈣結(jié)合生成的海藻酸單糖鈣(泳道3)，其物理性質(zhì)與海藻酸單糖相比發(fā)生一些改變，在TLC硅膠板顯示與海藻酸單糖的Rf值有差異性，即海藻酸單糖與鈣結(jié)合生成一種新的物質(zhì)——海藻酸單糖鈣。

表4 大鼠內(nèi)臟指數(shù)和血清指標(biāo)(n=6)Table 4 Rat visceral index and serum index (n=6)

注：1：葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯；2：海藻酸單糖；3：海藻酸單糖鈣。Note: 1: Glucono-δ-lactone. 2: Alginic acid monosaccharide. 3:Alginic acid monosaccharide calcium.圖4 葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯、海藻酸單糖和海藻酸單糖鈣薄層色譜分析圖譜Fig.4 TLC of glucono-δ-lactone and alginic acid monosaccharide and conjugate complex with calcium

2.4 補(bǔ)鈣功能動(dòng)物試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.4.1 海藻酸單糖鈣對(duì)大鼠體重的影響 由圖5可知，喂食4周后各組大鼠的體重均有所增加，且試驗(yàn)結(jié)束后各試驗(yàn)組大鼠體重均與正常大鼠體重?zé)o顯著差異(P<0.05)。

圖5 海藻酸單糖鈣對(duì)大鼠體重的影響Fig.5 The effect of alginic acid monosaccharide calcium on weekly body weight

2.4.2 大鼠內(nèi)臟指數(shù)及血清分析 由表4可知，與正常組相比，低鈣模型組、碳酸鈣組和海藻酸單糖鈣組的內(nèi)臟指數(shù)無(wú)明顯差異，表明海藻酸單糖鈣對(duì)大鼠的內(nèi)臟無(wú)損害。同時(shí)，低鈣模型組、碳酸鈣組和海藻酸單糖鈣組中血鈣、血鎂和血磷濃度與正常組相比也未見(jiàn)明顯差異。

2.4.3 骨堿性磷酸酶測(cè)定結(jié)果 骨堿性磷酸酶是評(píng)價(jià)骨質(zhì)疏松與鈣攝入不足的重要指標(biāo)之一[29]。當(dāng)體內(nèi)鈣營(yíng)養(yǎng)不足時(shí)，生成的內(nèi)骨組織不能鈣化，骨細(xì)胞不能正常形成，導(dǎo)致成骨細(xì)胞分泌大量骨堿性磷酸酶入血，使其在血中的含量升高[30]。由圖6可知，低鈣模型組大鼠的骨堿性磷酸酶活性顯著高于正常組；當(dāng)喂食低鈣飼料同時(shí)灌胃碳酸鈣和海藻酸單糖鈣后，堿性磷酸酶活性均較低鈣模型組有不同程度的降低，其中中劑量和高劑量組大鼠堿性磷酸酶活性與低鈣模型組相比顯著降低。表明海藻酸單糖鈣的補(bǔ)鈣效果良好，在鈣離子含量相同的情況下效果優(yōu)于碳酸鈣。

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level. The same as following.圖6 大鼠中骨堿性磷酸酶含量Fig.6 Bone alkaline phosphatase content in rats

2.4.4 股骨骨密度 由圖7可知，與正常組相比，低鈣模型組大鼠股骨骨密度顯著降低，說(shuō)明大鼠由于鈣攝入不足導(dǎo)致股骨骨密度降低。在攝入碳酸鈣和海藻酸單糖鈣后，其骨密度均有不同程度的增加。與低鈣模型組相比，碳酸鈣組和海藻酸單糖鈣中劑量及高劑量組均顯著增加了大鼠股骨骨密度，而且海藻酸單糖鈣增加骨密度的效果呈劑量依賴性。中劑量組與高劑量組的骨密度相比差異不顯著，說(shuō)明中劑量海藻酸單糖鈣就能達(dá)到良好的補(bǔ)鈣效果。同時(shí)，海藻酸單糖鈣中劑量與碳酸鈣組相比具有顯著增加骨密度的效果，說(shuō)明海藻酸單糖鈣比碳酸鈣的補(bǔ)鈣效果更好。

圖7 大鼠股骨骨密度Fig.7 Femur bone density in rats

3 討論

海藻酸結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定，無(wú)論是在水溶液中還是干燥狀態(tài)的海藻酸，均會(huì)發(fā)生不同程度的降解[7]，這是由于組成海藻酸的兩種單糖β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸是以糖苷鍵結(jié)合而成的，而海藻酸的降解發(fā)生在1,4糖苷鍵處[31]。本研究發(fā)現(xiàn)隨著高溫降解溫度的升高，降解時(shí)間的延長(zhǎng)，料液比的降低，海藻酸降解率整體呈上升趨勢(shì)，這與席國(guó)喜等[26]以干燥的海藻酸進(jìn)行熱降解處理，并通過(guò)熱重法(thermogravimetry, TG)和差示掃描量熱法(differential scaning calorimetry, DSC)等研究海藻酸的降解過(guò)程，發(fā)現(xiàn)海藻酸在60～170℃范圍內(nèi)，只脫去內(nèi)部結(jié)合水的變化結(jié)果不一致，可能是由于干燥的海藻酸在60～170℃降解時(shí)并未發(fā)生糖苷鍵的斷裂；但是李博等[31]和馬成浩等[7]的研究結(jié)果顯示海藻酸在60～140℃加熱降解，不僅脫去內(nèi)部水，而且表現(xiàn)為分子量減小，這與本研究結(jié)果一致，即海藻酸在水溶液中加熱至60～140℃時(shí)，發(fā)生糖苷鍵的斷裂，形成更小分子的糖。本研究中，溫度升高至135℃時(shí)或降解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，海藻酸降解產(chǎn)物的顏色加深，并伴有焦味，影響產(chǎn)品品質(zhì)。

氧化劑H2O2能夠在溶液中產(chǎn)生羥自由基，羥基自由基會(huì)隨機(jī)奪取糖苷鍵上的H原子，從而導(dǎo)致海藻酸的糖苷鍵斷裂，產(chǎn)生更小分子量的糖[32]。曹柳[27]認(rèn)為H2O2氧化降解海藻酸鈉主要發(fā)生在前30 min，2 h后降解速率趨于平緩，而且H2O2濃度越高及溫度越高，海藻酸降解越快，更容易得到相對(duì)分子量小的寡糖。隨著氧化降解溫度的升高，可以使H2O2產(chǎn)生更多的羥基自由基，同時(shí)高溫也能夠促進(jìn)海藻酸寡糖進(jìn)一步降解，促進(jìn)海藻酸降解產(chǎn)生更多的單糖[27-28]。在H2O2氧化降解海藻酸的研究中H2O2都是按照溶液體系的百分比添加[27-28]，不能夠明確H2O2與海藻酸的用量比例，本研究首次明確了降解海藻酸使用30%H2O2的用量，使H2O2氧化降解海藻酸的用量更加科學(xué)。同時(shí)，H2O2在92.5℃加熱2 h完成對(duì)海藻酸的降解后，使用淀粉碘化鉀試紙未檢測(cè)到溶液中有H2O2，說(shuō)明H2O2能夠自行降解，因而不會(huì)造成H2O2殘留的問(wèn)題。

海藻酸經(jīng)高溫降解和H2O2氧化降解得到的單糖并未發(fā)生結(jié)構(gòu)的改變，而且能夠與鈣結(jié)合制成海藻酸單糖鈣。從海藻酸、海藻酸單糖及海藻酸單糖鈣的傅里葉變換紅外光譜比較可知，海藻酸單糖鈣是一種不同于海藻酸多糖和單糖的新物質(zhì)，同時(shí)關(guān)鍵的官能團(tuán)并沒(méi)有變化。張真慶等[23]和劉億婕[28]通過(guò)薄層色譜研究甘露糖醛酸、葡萄糖醛酸和古洛糖醛酸等單糖及其各自寡糖時(shí)發(fā)現(xiàn)，薄層色譜能夠很好地分離不同分子量的寡糖，且相同分子量寡糖的Rf值相同。葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯、海藻酸單糖及結(jié)合鈣都能夠在硅膠板上形成單一的斑點(diǎn)，說(shuō)明所制備的海藻酸降解液及鈣鹽都為單糖制品，且古洛糖醛酸和甘露糖醛酸的極性是相似的。因此，通過(guò)高溫降解、氧化降解及醇沉后的海藻酸降解產(chǎn)物都為單糖，這也為制備海藻酸單糖提供了一種新的方法。

骨堿性磷酸酶是評(píng)價(jià)骨形成和骨轉(zhuǎn)換的重要指標(biāo)，可直接反映成骨細(xì)胞活性，促進(jìn)骨鹽形成，增加成骨活性，從而增加骨密度[30]。為期4周的動(dòng)物試驗(yàn)表明，海藻酸單糖鈣能夠有效降低低鈣大鼠模型血清內(nèi)的骨堿性磷酸酶活性，而骨堿性磷酸酶活性與骨密度成反比，因此海藻酸單糖鈣能夠增加成骨細(xì)胞活性，這一結(jié)果在檢測(cè)股骨骨密度時(shí)得到了證實(shí)，而且海藻酸單糖鈣不會(huì)對(duì)大鼠產(chǎn)生不良影響。中劑量組的海藻酸單糖鈣和碳酸鈣都能夠降低骨堿性磷酸酶的活性，通過(guò)檢測(cè)大鼠股骨骨密度發(fā)現(xiàn)海藻酸單糖鈣增加骨密度的效果顯著優(yōu)于碳酸鈣組。因此在鈣濃度相同的情況下，海藻酸單糖鈣比碳酸鈣更容易被機(jī)體利用。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，相對(duì)于單一方法，高溫與氧化降解相結(jié)合的方法能夠高效地得到海藻酸單糖，且海藻酸單糖能夠與鈣源貝殼粉反應(yīng)合成海藻酸單糖鈣。海藻酸單糖鈣的補(bǔ)鈣功能動(dòng)物試驗(yàn)結(jié)果表明，海藻酸單糖鈣能在動(dòng)物體內(nèi)顯著發(fā)揮其補(bǔ)鈣效果且對(duì)內(nèi)臟器官無(wú)明顯損傷。本研究為海藻酸單糖及其結(jié)合鈣的制備提供了新的方法，同時(shí)海藻酸單糖鈣有望為骨質(zhì)疏松人群提供一種新的、安全性高的高效補(bǔ)鈣制劑。但是，海藻酸單糖鈣在人體內(nèi)如何影響人體骨密度的機(jī)制還有待考證，糖醛酸能否在人體內(nèi)發(fā)揮其特有活性也有待進(jìn)一步研究。