海洋寡糖及在功能食品中的應用研究進展

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 食品學院，上海，201306)2(上海海洋大學，上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海，201306) 3(上海海洋大學，農業農村部水產品貯藏保鮮質量安全風險評估實驗室(上海)，上海，201306)

海洋多糖廣泛存在于海洋動植物及微生物中，且具有多種生物活性。通過化學、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、分子質量低、易吸收等優點[1]，近年，逐漸成為研究熱點。本文通過CNKI在線分析了近10年來與海洋寡糖研究相關度前500篇的文獻，得到文獻互引網絡關系如圖1所示。不同來源的海洋寡糖及其活性研究等是該領域的研究熱點。海洋寡糖來源豐富，結構具有多樣性，具有廣泛的生物學活性，加之其獨特的物理化學特性，近年來，作為添加劑在功能食品的開發中展現出巨大應用前景?；诖?，本文從近年來海洋寡糖的來源、結構及生物活性出發，匯集分析了其在功能食品和食品添加劑中的應用研究進展，以期為基于海洋寡糖的藍色食物開發提供參考。

圖1 國內近十年海洋寡糖相關文獻引用及其共被引關系圖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。其中，褐藻膠寡糖(alginate oligosaccharides，AOS)是褐藻膠(alginate)通過物理、化學及生物學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，其基本結構單元為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的結構因其不同的降解方法而展現出顯著的差異性，結構如圖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(產率可高達71%)[4]；經酶水解可制備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]；化學降解法可得到飽和糖醛酸寡糖，酸水解是制備AOS的傳統方法[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。其結構復雜，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 褐藻來源的寡糖結構Fig.2 Oligosaccharide structure from brown algae

卡拉膠和瓊脂是紅藻細胞壁中基質多糖的主要成分?？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。其結構具有重復的α-(1→4)-D半乳吡喃糖-β-(1→3)-D-半乳吡喃糖(或36內醚-D-半乳吡喃糖)二糖骨架結構[8]。瓊脂的基本結構是由1,4糖苷鍵連結的3,6-脫水A-L-半乳呋喃糖和1,3糖苷鍵連結的B-D-半乳呋喃糖相間連結而成?？ɡz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]。常見不同結構的卡拉膠寡糖和瓊膠寡糖結構如圖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 紅藻來源的寡糖結構Fig.3 Structure of oligosaccharides derived from red algae

2 海洋動物寡糖

海洋動物多糖主要包括甲殼素(chitin)、糖原(glycogen)、硫酸軟骨素(chondroitin sulfate，CS)、硫酸角質素(keratan sulfate，KS)以及透明質酸(hyaluronic acid，HA)等。其中，來源于海洋甲殼類動物外殼的甲殼素是目前產量最高的一類海洋動物多糖，其分子結構是由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用。甲殼素完全或部分脫乙?；缮蓺ぞ厶?，殼聚糖的降解產物殼寡糖(chitooligosaccharide，COS)具備多種生物學功能和良好的水溶性。目前，通過物理法、化學法(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]比較了傳統制備方法、微波輻射和酶水解制備的3種COS，發現傳統方法所制備的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?；?。近年來，一些新型環保的預處理方法已應用于甲殼素轉化生產COS。HUSSON等[13]研究證明，小龍蝦殼可通過高壓均質化變成蓬松的網狀結構，經高壓均質處理的龍蝦殼能被殼聚糖酶降解，產生COS。

CS是從動物組織中提取制備的酸性黏多糖，主要重復二糖單元為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]對鯊魚軟骨的CS酸水解，經多級質譜分析，鑒定出了包括2糖、3糖和4糖在內的11種CS寡糖。此外，巖藻糖基化的硫酸軟骨素(fucosylated chondroitin sulfate，FCS或FuCS)是海參體壁中含有的1種結構獨特的糖胺聚糖，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 海洋動物來源的寡糖結構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制已有諸多研究。海洋寡糖可通過預防癌細胞增殖和轉移、免疫調節、抗氧化性和抗炎等多種途徑發揮抑癌作用。例如，對卡拉膠寡糖抗腫瘤潛在機制研究表明，ι卡拉膠寡糖可誘導骨肉瘤細胞(human osteoma cells，HOS)凋亡，并通過抑制Wnt/β-連環蛋白信號通路進而抑制HOS的增殖。此外，卡拉膠寡糖還可以競爭性抑制細胞外基質蛋白質和細胞膜表面蛋白聚糖的糖胺聚糖之間的相互作用，進而阻斷癌細胞與基質的黏附，從而有效抑制癌細胞轉移擴散[17]。體內實驗表明，CS寡糖可以有效地被吸收并傳遞到腫瘤部位，并通過抑制細胞增殖和誘導凋亡顯著抑制人結腸癌細胞HT-29異種移植瘤的生長，有望成為一種潛在的預防結直腸癌的營養物質[18]。與天然CS相比，經超聲處理的低分子質量硫酸化CS片段增強了對A549肺癌細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，其主要機制是海洋寡糖中含有的糖醛酸、硫酸根等酸性基團能與病毒表面的功能蛋白作用，進而影響病毒對宿主細胞的黏附。例如，MAZUMDER等[20]發現瓊膠寡糖可以阻止流感病毒B對宿主細胞的黏附作用；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胞中的繁殖[21]；此外，AOS具有抗病毒活性，可應用于植物疫苗。例如，研究發現AOS對煙草馬鈴薯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寡糖也被報道是一種潛在的抗病毒活性物質[23]。

3.3 抗阿爾茨海默癥活性

阿爾茨海默癥(Alzheimer’s disease，AD)是一種與衰老相關的神經退行疾病，其主要特征是智力和社會功能逐漸惡化、記憶喪失、認知障礙、個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)的神經毒性相關?！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揮治療作用。此外，GV-971還能調節機體免疫失衡、重塑腸道菌群穩態，進而降低腦神經性炎癥，從而阻止AD病程進展[24-25]。海洋動物寡糖在改善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、阻斷神經炎癥、抑制活性氧的產生和減輕tau蛋白異常來改善AD[26]。通過Aβ誘導的AD細胞和動物模型評估N-乙酰殼寡糖(N-acetyl chitooligosaccharides，NACOS)的活性，發現NACOS顯著改善了AD大鼠在水迷宮任務中的獲得(學習)和保持(記憶)能力。腦組織切片HE染色顯示，NACOS可改善Aβ誘導的海馬神經退行性變，說明NACOS能減輕AD細胞和動物模型中淀粉樣蛋白Aβ誘導的神經損傷[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，已成為全球公共衛生的重大挑戰。心血管疾病的發生與高脂飲食和腸道微生物之間存在密切關系。AOS可通過改善脂質代謝、減少脂肪積累和調節腸道微生物菌群的失調而發揮降血脂作用[28]。此外，王珊[29]研究發現AOS能通過調控miR-34a改善線粒體功能和氧化應激作用延緩D-半乳糖誘導的心肌細胞衰老。藻酸雙酯鈉(propylene glycol alginate sodium sulfate，PSS)是我國第一代海洋糖類寡糖藥物，可以高效抑制凝血酶介導的纖維蛋白的形成，進而發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，如保護受損組織免受感染、增強滲透性、支持細胞黏附和促進細胞增殖[30]。裴彤[31]通過建立新西蘭大白兔膝關節軟骨缺失模型，發現CS寡糖能夠更好地促進軟骨修復和傷口愈合, 其原因可能是小分子質量的CS寡糖更易于機體吸收，因而使得軟骨修復和傷口愈合的效果更為顯著。李南等[32]研究發現，CS寡糖能促進大鼠受損心肌細胞的增殖進而加快其受損心肌組織的修復。

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，有些不良反應甚至會給部分患者造成傷害。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。寡糖能與膽固醇、脂肪酸等結合，減少人體對脂肪的吸收。因此，可將寡糖添加到食品中，以期達到減肥效果。

研究表明，如圖5所示，在HFD誘導的小鼠模型中，添加AOS能抑制脂肪細胞的生長，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的的肥胖癥小鼠飼料中添加新瓊寡糖，發現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制成滴丸后對肥胖大鼠進行給藥，結果表明在不影響食欲的條件下，COS能抑制高脂飲食誘導的SD肥胖大鼠體重增加及減緩大鼠體內的脂肪含量增加。低分子質量COS抑制小鼠長期高脂飲食誘導的肥胖癥狀，其降脂作用可能是通過膽汁酸結合引起的糞便脂肪或膽汁酸排泄增加介導的。由于胰腺脂肪酶活性的抑制，小腸對膳食脂質(TC和TG)的吸收減少[39]。目前，市面上已經出現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是開發抗衰老食品原料的重要來源。海洋生物活性物質對衰老的干預機制主要有：(1)增加端粒酶活性延緩衰老；(2)調控AMPK-mTOR-ULK1信號通路干預衰老；(3)調節抗氧化酶活性減輕氧化損傷；(4)清除自由基減緩細胞凋亡；(5)恢復腸道穩態調控衰老相關代謝紊亂[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，同時有助于機體調節腸道菌群、抗氧化和調控衰老相關基因表達等活性，因此可作為開發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，AOS可以延緩D-半乳糖誘導的小鼠心臟老化從而延長壽命[42]。COS通過調控巨噬細胞的細胞因子分泌，間接促進卵巢生殖干細胞的增殖，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物的水平，提高了小鼠體內谷胱甘肽、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

傳統的食品添加劑只是改善了食品的風味、外觀和組織結構，不具備營養保健功能，而功能性食品添加劑同時具備了以上2種功能以滿足特定消費者的需求。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用于食品中。例如，將寡糖添加到健康營養飲料中，既起到了改善風味和穩定的作用，又賦予該飲品一定的營養強化功能。COS可以作為食品工業中的添加劑[45]。如圖5所示，添加COS可抑制蛋白質巰基氧化，從而抑制食品冷凍儲存期間蛋白質巰基含量降低[46]。涂抹COS能更好地降低果實的呼吸強度，從而對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揮抗氧化功能且防止出現褐變問題，低分子CS還能通過改善魚肉風味和提高魚肉的持水性，從而提高魚肉品質[48]。

5 結論與展望

海洋生物資源是一類有待深入開發的具有巨大潛力的生物資源。環境多樣性決定了生物多樣性，進而決定了化合物的多樣性。海洋生物多糖有異于陸上動植物多糖，大多屬雜多糖，且其構成的單糖種類多，因而海洋寡糖種類繁多，結構與功能更為復雜。海洋寡糖作為一個重要的海洋資源，因其優異的生物活性受到越來越多的關注，已成為海洋食品研究的一個重要發展趨勢，也是潛在的經濟增長點。目前，海洋寡糖主要是通過物理、化學等方法從海洋多糖中獲得。如何高效、經濟、快速大量制取海洋寡糖是當前迫切需要解決的關鍵技術問題。此外，海洋寡糖生物活性廣泛且安全性高，可應用于功能性食品的開發，但仍需要加強這些功能性食品的質量與安全評價，建立更加完善的質量評價體系，從而提升海洋寡糖類功能食品的品質。