海洋寡糖及在功能食品中的应用研究进展_李玲翠.pdf

综述与专题评论2023 年第49 卷第5 期(总第473 期)313DOI:10 13995/j cnki 11 1802/ts 032319引用格式:李玲翠，王培培，吴文惠，等 海洋寡糖及在功能食品中的应用研究进展 J 食品与发酵工业，2023，49(5):313 320LI Lingcui，WANG Peipei，WU Wenhui，et al esearch progress of marine oligosaccharides and their application in functionalfoods J Food and Fermentation Industries，2023，49(5):313 320海洋寡糖及在功能食品中的应用研究进展李玲翠1，王培培1，2，3*，吴文惠1，2，3，陈舜胜1，2，31(上海海洋大学 食品学院，上海，201306)2(上海海洋大学，上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海，201306)3(上海海洋大学，农业农村部水产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室(上海)，上海，201306)摘要海洋寡糖是指海洋生物中的多糖通过各种化学、物理及酶法降解得到的一系列聚合度主要为 2 10 的低聚糖片段，具有水溶性好、分子质量低、易吸收等优点。研究发现，海洋寡糖具有抗肿瘤、抗炎、抗氧化、抗肥胖、抗糖尿病、改善心血管疾病、改善阿尔茨海默症、促进皮肤组织愈合和再生等生物活性。该文综述了近年海洋寡糖来源、结构、生物活性及在功能食品及食品添加剂中的应用研究进展，以期为基于海洋寡糖的蓝色食物开发提供参考。关键词海洋寡糖;结构;活性;功能性食品开发第一作者:硕士研究生(王培培副教授为通信作者，E-mail:ppwang shou edu cn)基金项目:国家自然科学基金项目(82173731)收稿日期:2022-05-16，改回日期:2022-06-08海洋多糖广泛存在于海洋动植物及微生物中，且具有多种生物活性。通过化学、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称为海洋寡糖，具有水溶性好、分子质量低、易吸收等优点1，近年，逐渐成为研究热点。本文通过 CNKI 在线分析了近 10 年来与海洋寡糖研究相关度前 500 篇的文献，得到文献互引网络关系如图 1 所示。不同来源的海洋寡糖及其活性研究等是该领域的研究热点。海洋寡糖来源丰富，结构具有多样性，具有广泛的生物学活性，加之其独特的物理化学特性，近年来，作为添加剂在功能食品的开发中展现出巨大应用前景。基于此，本文从近年来海洋寡糖的来源、结构及生物活性出发，汇集分析了其在功能食品和食品添加剂中的应用研究进展，以期为基于海洋寡糖的蓝色食物开发提供参考。图 1国内近十年海洋寡糖相关文献引用及其共被引关系图Fig 1The citations and co-citations of domestic marine oligosaccharide related literature in the past 10 years食品与发酵工业FOOD AND FEMENTATION INDUSTIES3142023 Vol.49 No.5(Total 473)1海洋植物寡糖海藻是海洋植物的主体，主要包括红藻(rhodo-phyta)、褐藻(phaeophyta)和绿藻(chlorophyta)等。海藻多糖是海藻的重要组成物质。其中，褐藻胶寡糖(alginate oligosaccharides，AOS)是褐藻胶(alginate)通过物理、化学及生物学方法降解生成的聚合度为 2 10 的线性寡糖2，是目前研究较为广泛和成熟的一类海洋寡糖，其基本结构单元为 1，4-糖苷键链接的-L-古罗糖醛酸和-D-甘露糖醛酸3。AOS 的结构因其不同的降解方法而展现出显著的差异性，结构如图 2 所示。例如，通过控制微波降解，可获得聚合度主要为 2 10 的甘露糖醛酸寡糖(产率可高达71%)4;经酶水解可制备 3 种 AOS，即古罗糖酸寡糖、甘露糖醛酸寡糖及杂合寡糖片段4;化学降解法可得到饱和糖醛酸寡糖，酸水解是制备 AOS 的传统方法5。褐藻糖胶(fucoidan)是广泛存在于褐藻中的另一类活性聚糖，因其岩藻糖(Fuc)和硫酸基含量较高也称为岩藻聚糖硫酸酯。其结构复杂，主要可分为 2类，一类为主要有不同链接方式的 Fuc 和硫酸根组成;另一类单糖成分较复杂，除 Fuc 外，还含有阿拉伯糖(Ara)、半乳糖(Gal)、甘露糖(Man)、葡萄糖醛酸(GlcA)及木糖(Xyl)等单糖。褐藻糖胶经过酶降解或酸水解可获得聚合度不同的褐藻糖胶寡糖(fuco-oligosaccharide)6。王培培等7 从海蒿子中制备得到褐藻糖胶，进一步采用三氟乙酸在60 下水解2 h得到杂合寡糖，再用 Superdex Peptide H 30 凝胶色谱柱进行分离纯化，共得到 6 种寡糖组分，其单糖组成主要由 Fuc、Xyl、和 Gal 组成。a 褐藻胶的均聚片段均聚甘露糖醛酸 polyM;b-褐藻胶的均聚片段均聚甘露糖醛酸均聚古洛糖醛酸 polyG;c 杂聚片段 polyM/G;d -1，3/1，4 交替连接的褐藻糖胶寡糖图 2褐藻来源的寡糖结构Fig 2Oligosaccharide structure from brown algae卡拉胶和琼脂是红藻细胞壁中基质多糖的主要成分。卡拉胶是一种硫酸化线性多糖，主要分为 卡拉胶，卡拉胶、卡拉胶等。其结构具有重复的-(14)-D 半乳吡喃糖-(13)-D-半乳吡喃糖(或 36 内醚-D-半乳吡喃糖)二糖骨架结构8。琼脂的基本结构是由 1，4 糖苷键连结的 3，6-脱水 A-L-半乳呋喃糖和 1，3 糖苷键连结的 B-D-半乳呋喃糖相间连结而成。卡拉胶和琼脂的高黏度、低水溶性和低生物利用度极大地限制了其高附加值应用。通过控制硫酸、盐酸和乙酸等酸水解条件，可得到不同分子质量的红藻寡糖9。例如，宋日健10 通过将卡拉胶脱硫从而制备出含不同硫酸酯基的/-卡拉胶寡糖。采用自由基解聚法、微酸水解法、卡拉胶酶解法和部分还原水解法分别降解 卡拉胶，可得到 4 种 卡拉胶低聚糖11。常见不同结构的卡拉胶寡糖和琼胶寡糖结构如图 3 所示。2海洋动物寡糖海洋动物多糖主要包括甲壳素(chitin)、糖原(glycogen)、硫酸软骨素(chondroitin sulfate，CS)、硫酸角质素(keratan sulfate，KS)以及透明质酸(hyalu-ronic acid，HA)等。其中，来源于海洋甲壳类动物外壳的甲壳素是目前产量最高的一类海洋动物多糖，其分子结构是由 2-乙酰氨基-2-脱氧-D-吡喃葡萄聚糖和 2-氨基-2-脱氧-D-吡喃葡萄聚糖以-1，4 糖苷键连接而成的二元线型聚合物(图 4)，在酸性溶液中的高综述与专题评论2023 年第49 卷第5 期(总第473 期)315a -卡拉胶;b -卡拉胶;c -卡拉胶;d 琼胶寡糖图 3红藻来源的寡糖结构Fig 3Structure of oligosaccharides derived from red algae黏度和在中性 pH 下的低溶解性限制了其应用。甲壳素完全或部分脱乙酰化可生成壳聚糖，壳聚糖的降解产物壳寡糖(chitooligosaccharide，COS)具备多种生物学功能和良好的水溶性。目前，通过物理法、化学法(包括酸解法和氧化法)以及酶解法(壳聚糖酶或纤维素酶)降解可制备 COS。XING 等 12 比较了传统制备方法、微波辐射和酶水解制备的 3 种 COS，发现传统方法所制备的 COS 主要由 2 糖和 3 糖组成，微波辐射法制备的寡糖主要由含或不含乙酰基的 2 6 糖组成，酶水解法制备的寡糖主要由 3 5 糖组成，不含乙酰基。近年来，一些新型环保的预处理方法已应用于甲壳素转化生产 COS。HUSSON 等 13 研究证明，小龙虾壳可通过高压均质化变成蓬松的网状结构，经高压均质处理的龙虾壳能被壳聚糖酶降解，产生 COS。CS 是从动物组织中提取制备的酸性黏多糖，主要重复二糖单元为 D-葡萄糖醛酸和 N-乙酰氨基半乳糖，在酸性、碱性及酶解条件下可制备 CS 寡糖。鲁姣姣14 对鲨鱼软骨的 CS 酸水解，经多级质谱分析，鉴定出了包括 2 糖、3 糖和 4 糖在内的 11 种 CS 寡糖。此外，岩藻糖基化的硫酸软骨素(fucosylatedchondroitin sulfate，FCS 或 FuCS)是海参体壁中含有的 1 种结构独特的糖胺聚糖，主要由 N-乙酰氨基半乳糖和 D-葡萄糖醛酸组成的 CS 骨架以及硫酸化岩藻糖组成。TAMUA 等15 通过化学合成的方法获得了岩藻糖 2，4 位硫酸化的 FCS 三糖。ZHANG 等16 利用酶降解得到基础合成原料，通过 12 步线性步骤合成了 FuCS 6 糖和 9 糖。a 壳寡糖;b 岩藻糖基化的硫酸软骨素图 4海洋动物来源的寡糖结构Fig 4Oligosaccharide structures of animal origin3海洋寡糖的生物活性3 1抗肿瘤活性海洋寡糖的抗肿瘤活性及作用机制已有诸多研究。海洋寡糖可通过预防癌细胞增殖和转移、免疫调节、抗氧化性和抗炎等多种途径发挥抑癌作用。例如，对卡拉胶寡糖抗肿瘤潜在机制研究表明，卡拉胶寡糖可诱导骨肉瘤细胞(human osteoma cells，HOS)凋亡，并通过抑制 Wnt/-连环蛋白信号通路进而抑制 HOS 的增殖。此外，卡拉胶寡糖还可以竞争性抑制细胞外基质蛋白质和细胞膜表面蛋白聚糖的糖胺聚糖之间的相互作用，进而阻断癌细胞与基质的黏附，从而有效抑制癌细胞转移扩散17。体内实验表明，CS 寡糖可以有效地被吸收并传递到肿瘤部位，并通过抑制细胞增殖和诱导凋亡显著抑制人结肠癌细胞 HT-29 异种移植瘤的生长，有望成为一种潜在的预防结直肠癌的营养物质18。与天然 CS 相比，经超声处理的低分子质量硫酸化 CS 片段增强了对A549 肺癌细胞的增殖抑制和迁移作用19。3 2抗病毒活性海洋寡糖具有较好的抗病毒活性，其主要机制是海洋寡糖中含有的糖醛酸、硫酸根等酸性基团能与病毒表面的功能蛋白作用，进而影响病毒对宿主细胞的黏附。例如，MAZUMDE 等20 发现琼胶寡糖可以阻止流感病毒 B 对宿主细胞的黏附作用;卡拉胶寡糖食品与发酵工业FOOD AND FEMENTATION INDUSTIES3162023 Vol.49 No.5(Total 473)可以显著抑制流感病毒(H1 N1)的增殖，其原因可能是卡拉胶寡糖抑制了病毒的吸附过程，从而阻断了病毒在细胞中的繁殖21;此外，AOS 具有抗病毒活性，可应用于植物疫苗。例如，研究发现 AOS 对烟草马铃薯 X 病毒和烟草花叶病毒具有明显的防治效果22。此外，从海参中分离出的 FCS 寡糖也被报道是一种潜在的抗病毒活性物质23。3 3抗阿尔茨海默症活性阿尔茨海默症(Alzheimer s disease，AD)是一种与衰老相关的神经退行疾病，其主要特征是智力和社会功能逐渐恶化、记忆丧失、认知障碍、个性改变和自我照顾能力丧失。AD 的形成与 淀粉样蛋白(amy-loid-，A)的神经毒性相关。“甘露寡糖二酸”(GV-971)是一种已上市的抗 AD 药物，该药物可抑制 A纤丝的形成和解聚来发挥治疗作用。此外，GV-971还能调节机体免疫失衡、重塑肠道菌群稳态，进而降低脑神经性炎症，从而阻止 AD 病程进展24 25。海洋动物寡糖在改善 AD 方面也有显著效果。CS 寡糖可能通过改变淀粉样前体蛋白代谢、阻断神经炎症、抑制活性氧的产生和减轻 tau 蛋白异常来改善AD26。通过 A 诱导的 AD 细胞和动物模型评估 N-乙酰壳寡糖(N-acetyl chitooligosaccharides，NACOS)的活性，发现 NACOS 显著改善了 AD 大鼠在水迷宫任务中的获得(学习)和保持(记忆)能力。脑组织切片 HE 染色显示，NACOS 可改善 A 诱导的