海藻酸鈉寡糖生物活性的研究進展

張玉娟，羅福文，姚子昂，李 倩，吳海歌*

（1.大連大學 生命科學與技術學院，遼寧 大連 116622；2.大連醫科大學 附屬第二醫院普外科，遼寧 大連 116027）

海藻酸鈉（sodium alginate）是1881年英國化學家STANFORD首次從窄葉海帶（Laminaria stenophylla）中加堿提取出的一種膠質[1]，海藻酸鈉主要由α-L-甘露糖醛酸（M單元）與β-D-古洛糖醛酸（G單元）以3種方式（MM段、GG段和MG段）通過α-1，4糖苷鍵鏈接，從而形成一種無支鏈的線性嵌段共聚物，分子式為（C6H7NaO6）n，結構式如下：

由于海藻酸鈉是一種高聚合度的多糖類物質，其具有凝膠性強、黏度大、水溶性差、不易被吸收等特點，因此限制了海藻酸鈉在生物醫藥等領域的應用。近年來隨著海洋科學研究的不斷深入，具有多種生理活性的海藻多糖降解產物——海藻酸鈉寡糖（alginate oligosaccharides，AOS）逐漸進入人們的視野[2]。

海藻酸鈉寡糖（AOS）是由海藻酸鈉降解而成的一種寡聚物，由甘露糖醛酸（M）、古羅糖醛酸（G）或二者雜合段組成。目前海藻酸鈉寡糖的制備方法主要有物理降解法、酸降解法、氧化降解法和酶解法等[3-6]。其中酶解法是一種條件溫和、可控性強和特異性高的生物降解方法，也是該領域的主要研究方向之一。海藻酸鈉裂解酶[7-9]是通過β消去機制降解海藻酸鈉，在寡糖制備方面明顯優于化學法和物理降解法。

近年來研究表明，海藻酸鈉寡糖具有多種生物活性（如具有抗腫瘤、抗凝血、降血壓、免疫調節、促進植物生長等[10-15]作用），本文就近幾年海藻酸鈉寡糖生物活性的研究進展進行綜述。

1 海藻酸鈉寡糖的生物活性

1.1 促進植物生長和誘導抗逆性的作用

目前研究表明，海藻酸鈉寡糖具有調節植物生長、誘導植物抗逆性和直接作用于植物病原菌的作用。ZHANG Y H等[16]研究發現，10～80mg/mL的AOS可以誘導小麥（Triticum aestivum L.）根系產生NO，促進小麥根的生長與延伸，并呈劑量依賴效應。NO抑制劑硝酸還原酶（nitrate reductase，NR）是根系形成必不可少的一種酶，目前發現AOS可以通過上調NR基因表達和活性來誘導小麥根系NO的產生，從而促進根系的生長和延伸。解剖學和逆轉錄-聚合酶鏈反應（reverse transcription-polymerase chain reaction，RT-PCR）結果也證明，AOS可以促進中柱細胞的分裂和生長，進而增加根部橫截面的中柱面積。ZHANG Y H等[17]研究發現，AOS作為激發子能誘導白菜葉肉細胞中Ca2+的釋放，提高氮代謝相關酶硝酸還原酶（nitrate reductase，NR）、谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase，GS）、谷氨酸脫氫酶（glutamate dehydrogenase，GDH）等的活性。KHAN ZH等[18]發現用物理方法Co-60輻照制得的AOS能夠促進罌粟的生長，提高植物產量，增加嗎啡和可卡因的含量。AOS作為一種內源性寡糖，在植物抗逆方面起到信號分子的作用，LIU R X等[19]用AOS溶液噴施番茄幼苗葉片，發現AOS通過減少丙二醛（methane dicarboxylic aldehyde，MDA）含量、降低電解質滲漏、增加超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（peroxidase，POD）、苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia lyase，PAL）、氧化氫酶（hydrogen peroxidase，CAT）的活性來增加脯氨酸和可溶性糖的含量，從而達到緩解干旱脅迫[20]的作用，提高植物的抗旱性能。劉瑞志等[21]研究發現，AOS能誘導煙草CAT、SOD和POD活力的提高，清除氧自由基、保護細胞膜和葉綠素機構，減少煙草葉片損傷，進而提高煙草耐低溫能力。綜上所述，AOS具有促進植物生長和誘導植物抗逆作用，在保護農作物方面發揮了極大的作用，具有開發為綠色農藥的前景。

1.2 誘導動物細胞因子的產生

AOS不僅可以調控植物發育和防御過程，還可誘導動物細胞分泌細胞生長因子，提高機體免疫的能力。KAWADAA等[22]研究發現，AOS可作為協同因子，激活表皮生長因子，進而顯著提高人角質細胞的生長。IWAMOTO M等[13]研究表明，酶解獲得的AOS可以誘導鼠巨噬細胞RAW264.7中TNF-α、IL-1a、IL-1b和IL-6等細胞因子的分泌，其中古羅糖醛酸寡糖G8和甘露糖醛酸寡糖M7的作用最明顯，具有刺激細胞因子分泌的最合適的分子大小和整體構象。YAMAMOTO Y等[23]檢測了小鼠腹腔注射AOS后，血清中細胞因子水平的變化。腹膜注射700mg/kg的AOS后，G-CSF的血清水平迅速增加，2h后達到最高水平，這種高水平能持續4h，然后逐漸減少，而注入700mg/kg的海藻酸鈉并沒有影響。Bio-Plex實驗同時檢測了血清中23種細胞因子，發現AOS能夠誘導20種細胞因子的增加。在細胞因子檢測中G-CSF的水平是最高的，單核細胞趨化蛋白-1、IL-6、角化細胞派生趨化因子、IL-12（p40）和控制上調正常T細胞表達和分泌的趨化因子也相對較高，超出了血清峰值點5 000pg/mL。

1.3 抗菌活性

YAN G L等[24]向禽類飼料中分別添加0、0.04%、0.2%的AOS，一半幼禽用108cfu的腸炎沙門氏菌感染，另一半用無菌PBS作對照。喂食AOS組的幼禽體重下降、死亡率等情況都有所緩解。實驗結果發現，0.2%的AOS能有效地抑制腸炎沙門氏菌的繁殖，并且能夠增加幼禽盲腸中的乳酸菌數量，提高幼禽體內腸炎沙門氏菌特定抗體的含量。AN Q D等[25]研究發現聚合度為6.0的AOS具有抑制綠膿假單胞菌的抗菌活性。陳麗等[26]研究了酸解海藻酸鈉獲得的平均聚合度為5～23的AOS在體外對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制作用，結果表明，AOS對2種致病菌的生長均有直接的抑制作用，并且對大腸桿菌的抑制作用要強于金黃色葡萄球菌，且呈劑量依賴關系。陳麗等[27]研究了氧化法獲得的AOS對3種常見水產致病菌的抑菌活性，結果表明，AOS對嗜水氣單胞菌和白色念珠菌具有較強的抑菌活性，對鰻弧菌在指數后期表現出較強的抗菌活性，對3種致病菌的抗菌活性都隨寡糖濃度升高而增強。AOS對動植物的一些致病菌表現出很強的抑菌作用，而AOS本身安全無毒、沒有殘留，因此可作為一種新型的微生物抑制劑，在動植物、水生產品保護等方面表現出廣闊的應用前景。

1.4 抗氧化作用

氧自由基在癌癥形成、血栓形成、動脈粥樣硬化、糖尿病、肝炎等疾病的發生中都起了重要的作用，降低體內的過氧化狀態對預防和治療疾病具有重要的意義。包華芳等[28]研究了酶解方法制備的AOS的抗氧化作用，發現平均聚合度為2的AOS抗氧化能力最大，每克平均氧自由基吸收能力為1 374.25μmol 水溶性維生素E當量（trolox equivalents，TE），且隨AOS含量的升高抗氧化能力增強。趙丹等[29]研究了酸解海藻酸鈉制備的甘露醇醛酸寡糖和古羅糖醛酸寡糖的抗氧化能力，發現2種寡糖對超氧離子及羥自由基的清除效率都比海藻酸鈉強，且隨寡糖濃度的升高而增強，說明兩種寡糖都是很好的抗氧化劑。孫麗萍等[30]采用化學發光法和大腸桿菌法研究了AOS對O—2·、·OH和次氯酸3種自由基的清除作用發現，分子量在1 000u以下的AOS在3種體系中均具有很好的清除作用，清除作用隨AOS濃度的增加而增強，且分子量是影響自由基清除率的重要因素。AOS作為抗氧化劑可廣泛應用于食品、醫藥、保健、化妝品等產品的開發，并且作為安全無毒的糖類物質必將受到人們的青睞。

1.5 抗腫瘤活性

HU X K等[31]將酶解制備的2種分子量的AOS及其硫酸化衍生物作用于tsFT210細胞，發現對其沒有直接的細胞毒性作用，之后用這些寡糖及其衍生物直接作用于昆明鼠發現，分子量為3 798u、硫酸化程度為1.3的AOS表現出較好的抗腫瘤活性，100mg/kg和50mg/kg的AOS對S180細胞的抑制率分別達到70.4%和66.0%，因此，認為AOS及其硫酸化衍生物通過調節機體的免疫系統來間接起到抗腫瘤活性的。IWAMOTO Y等[10]發現，酶解獲得的AOS對人白血病U-937細胞有較強的抑制作用，可以導致U-937細胞細胞核形態學上的變化，從而導致細胞凋亡。可以看出AOS抗腫瘤的機理是多樣的，能夠通過提高機體對腫瘤細胞的防御能力和增強宿主免疫系統功能來實現抗腫瘤作用[32]，或者能夠直接抑制一些腫瘤細胞的生長。

1.6 神經保護

氧化應激是神經退行性疾病的一個主要的有害級聯啟動，TUSI S K等[33]研究了AOS在保護H2O2引起PC12神經細胞死亡的分子機制，發現AOS能抑制H2O2誘導PC12細胞依賴于內質網和線粒體的凋亡。其分子機制為AOS促進Bcl-2的表達，阻止Bax的表達，抑制H2O2誘導caspase-3的激活，阻斷PARP的剪切。AOS在細胞凋亡通路中作為關鍵分子可減少p53、p38、c-June NH2末端激酶的磷酸化，抑制NF-kB的的表達，增強Nrf2的活性。這個結果表明，用AOS處理PC12細胞能夠阻止H2O2誘導的氧化應激和起始于內質網和線粒體的半胱天冬酶依賴性凋亡級聯，預示了AOS具有保護神經免受H2O2的損傷。體內實驗進一步證實了AOS對Aβ誘導的神經損傷具有保護的潛能。董曉莉等[34]研究了AOS對帕金森病（parkinson disease，PD）導致的神經元損傷修復作用，結果表明，AOS能明顯提高PD大鼠損毀側紋狀體、杏仁核的多巴胺釋放量，而對其側鍵無影響，說明海藻酸鈉寡糖對預防與治療神經損傷引起的疾病有重要的意義。

1.7 AOS的其他活性

低分子量的海藻酸鈉寡糖衍生物具有很好的抗凝血作用[11]，且安全無毒，是抗凝藥物開發的熱點之一。大量研究還表明，AOS具有促進益生菌雙歧桿菌的增殖作用，并且作為一種優質的膳食纖維，可促進胃腸蠕動，有效改善便秘的發生。AOS對重金屬離子還有一定的吸附性，可以開發成為排毒保健產品。STATO R等[35]將AOS與鯉魚肌原纖維蛋白配合起來研究發現，AOS能提高魚肌肉蛋白的溶解性與熱穩定性，并具有較好的乳濁液形成能力，且性質穩定，說明AOS與一些物質配合后能明顯改善這些物質自身性能，提高其應用價值。海藻酸鈉酸解獲得的聚甘露糖醛酸段和聚古羅糖醛酸段經硫酸酯化和成鹽修飾后還具有抗消化性潰瘍的作用。因其獨特的羧基結構，使得AOS在抗炎方面表現出很好的潛力。王鵬等[36]研究了褐藻低聚糖對提高大菱鲆的免疫機能發現，褐藻低聚糖能提高大菱鲆血液中酸性磷酸酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶活力和頭腎淋巴細胞的吞噬率，說明褐藻低聚糖可以作為一種非特異性免疫調節劑，調節大菱鲆機體的免疫能力，為AOS在水產養殖中奠定了一定的理論基礎。

2 前景與展望

自1929年美國的Kelco公司首次將海藻酸鈉作為商品大規模生產以來，人們對海藻酸鈉的理化性質進行了大量的研究，在食品領域有著廣泛的應用。目前國際上已經把海藻酸鈉規定為一種無需限量的食品添加劑。以海藻酸鈉為原料制備的海藻酸鈉寡糖表現出很多生理活性，因原料廉價易得、分子量低、水溶性好、易吸收、安全等優點，在食品、生物醫藥、農畜牧業等領域越來越受到國內外學者的青睞。因其安全性高，可被廣泛應用于食品領域，如作為食品添加劑應用于功能食品、保健品及口感改良劑等；在醫藥方面可開發為抗腫瘤、抗凝血、神經保護類藥物等；在農業方面海藻酸鈉寡糖可被開發為安全無公害、無殘留的綠色農藥，既能起到傳統農藥應有的作用，又能解決農藥殘留問題。但是其很多生物活性作用機理及構效關系還不是很清楚，因此這將成為今后該領域研究的熱點之一，為其在食品、醫藥衛生、農業、畜牧業等領域的應用提供科學依據。

[1]紀明候.海藻化學[M].北京：科學出版社，2004.

[2]劉 航，尹 恒，杜昱光，等.褐藻膠寡糖生物活性研究進展[J].天然產物研究與開發，2012，24（228）：201-204.

[3]YANAKI T,NISHII K,TABATA K,et al.Ultrasonic degradation of schizophyllum commune polysaccharide in dilute aqueous solution[J].J Appl PolymSci,1983,28(2):873-878.

[4]DONATI I,GAMINI A,SKJK-BRAEK G,et al.Determination of the diadic composition of alginate by means of circular dichroism:a fast and accurate improved method[J].Carbohyd Res,2003,338,10(1):1139-1142.

[5]楊 釗，李金平，管華詩，等.一種新的褐藻膠寡糖制備方法-氧化降解法[J].海洋科學，2004，28（7）：19-21.

[6]WONG T Y,PRESTON L A,SCHILLER N L.Alginate lyase:review of major sources and enzyme characteristics,structure-function analysis,biological roles,and applications[J].Acta Phys Hung Ns-H,2000,54(1):289-340.

[7]陳俊帆，石 波，范紅玲，等.褐藻膠裂解酶的研究進展[J].食品工業科技，2011，32（8）：428-431.

[8]陳俊帆，聶 瑩，石 波，等.紫紅鏈霉菌Streptomyce violaceoruber IFO 15732 產褐藻膠裂解酶的培養條件優化[J].中國食物與營養，2013，19（4）：48-51.

[9]李悅明，韓建友，管 斌，等.利用芽孢桿菌發酵生產褐藻膠裂解酶的研究[J].中國釀造，2010，29（4）：79-81.

[10]IWAMOTO Y,XU X,TAMURA O T,et al.Enzymatically depolymerized alginate oligomers that cause cytotoxic cytokine production in human mononuclear cells[J].Biosci,Biotech Bioch,2003,67(2):258-263.

[11]LIN C Z,GUAN H S,LI H H,et al.The influence of molecular mass of sulfated propylene glycol ester of low-molecular-weight alginate on anticoagulant activities[J].Eur Polym J,2007,43(7):3009-3015.

[12]UENO M,TAMURA Y,TODA N,et al.Sodium alginate oligosaccharides attenuate hypertension in spontaneously hypertensive rats fed a low-salt diet[J].Clin Exp Hypertens,2012,34(5):305-310.

[13]IWAMOTO M,KURACHI M,NAKASHIMA T,et al.Structure-activity relationship of alginate oligosaccharides in the induction of cytokine production from RAW264.7 cells[J].FEBS Lett,2005,579(20):4423-4429.

[14]LUAN L Q,NAGASAWA N,HA V T T,et al.Enhancement of plant growth stimulation activity of irradiated alginate by fractionation[J].Radiat Phys Chem,2009,78(9):796-799.

[15]POWELL L C,SOWEDAN A,KHAN S,et al.The effect of alginate oligosaccharides on the mechanical properties of Gram-negative biofilms[J].Biofouling,2013,29(4):413-421.

[16]ZHANG Y H,LIU H,YIN H,et al.Nitric oxide mediates alginate oligosaccharides-induced root development in wheat (Triticum aestivum L.)[J].Plant Physiol Bioch,2013,71:49-56.

[17]ZHANG Y H,ZHANG G,LIU L Y,et al.The role of calcium in regulating alginate-derived oligosaccharides in nitrogen metabolism of Brassica campestris L.var.utilis Tsen et Lee[J].Plant Growth Regul,2011,64(2):193-202.

[18]KHAN Z H,KHAN M M A,AFTAB T,et al.Influence of alginate oligosaccharides on growth,yield and alkaloid production of opium poppy (Papaver somniferum L.)[J].Front Agric China,2011,5(1):122-127.

[19]LIU R Z,JIANG X L,GUAN H S,et al.Promotive effects of alginate-derived oligosaccharides on the inducing drought resistance of tomato[J].J Ocean U China,2009,8(3):303-311.

[20]LIU H,ZHANG Y H,DU Y G,et al.Alginate oligosaccharides enhanced Triticum aestivum L.tolerance to drought stress[J].Plant Physiol Bioch,2013,62:33-40.

[21]劉瑞志，江曉路，管華詩.褐藻寡糖激發子誘導煙草抗低溫作用研究[J].中國海洋大學學報，2009，39（2）：243-248.

[22]KAWADA A,HIURA N,SHIRAIWA M,et al.Stimulation of human keratinocyte growth by alginate oligosaccharides,a possible co-factor for epidermal growth factor in cell culture[J].FEBS Lett,1997,408(1):43-46.

[23]YAMAMOTO Y,KURACHI M,YAMAGUCHI K,et al.Stimulation of multiple cytokine production in mice by alginate oligosaccharides following intraperitoneal administration[J].Carbohyd Res,2007,342(8):1133-1137.

[24]YAN G L,GUO Y M,YUAN J M,et al.Sodium alginate oligosaccharides from brown algae inhibit Salmonella enteritidis colonization in broiler chickens[J].Poultry Sci,2011,90(7):1441-1448.

[25]AN Q D,ZHANG G L,WU H T,et al.Alginate-deriving oligosaccharide production by alginase from newly isolated Flavobacterium sp.LXA and its potential application in protection against pathogens[J].J Appl Microbiol,2009,106(1):161-70.

[26]陳 麗，張林維，薛婉立.褐藻寡糖的制備及抑菌性研究[J].中國飼料，2007（9）：34-36.

[27]陳 麗，王淑軍，劉 泉，等.褐藻寡糖對3 種水產致病菌抗菌活性研究[J].淮海工學院學報，2009，18（1）：90-92.

[28]包華芳，劉 璘，丁玉庭.酶解制備褐藻膠寡糖及其抗氧化活性研究[J].中國釀造，2010，29（4）：82-84.

[29]趙 丹，汪秋寬，張慧儀，等.海帶粗提物及褐藻酸鈉寡糖的保濕與抗氧化作用研究[J].水產科學，2012，31（6）：358-362.

[30]孫麗萍，薛長湖，許家超，等.褐藻膠寡糖體外清除自由基活性的研究[J].中國海洋大學學報，2005，35（5）：811-814.

[31]HU X K,JIANG X L,GUAN H S,et al.Antitumour activities of alginate-derived oligosaccharides and their sulphated substitution derivatives[J].Eur J Phycol,2004,39(1):67-71.

[32]王媛媛，郭文斌，宋存江，等.褐藻寡糖的生物活性與應用研究進展[J].食品與發酵工業，2010，36（10）：122-126.

[33]TUSI S K,KHALAJ L,ASHABI G,et al.Alginate oligosaccharide protects against endoplasmic reticulum-and mitochondrial-mediated apoptotic cell death and oxidative stress[J].Biomaterials,2011,32(23):5438-5458.

[34]董曉莉，耿美玉，管華詩，等.褐藻酸性寡糖對帕金森病大鼠紋狀體、杏仁核多巴胺釋放的影響[J].中國海洋藥物，2003（5）：9-12.

[35]STATO R,KATAYAMA S,SAWABE T,et al.Stability and emulsion-forming ability of water-soluble fish myofibrillar protein prepared by conjugation with alginate oligosaccharide[J].J Agr Food Chem,2003,51(15):4367-4381.

[36]王 鵬，江曉路，江艷華，等.褐藻低聚糖對提高大菱鲆免疫機能的作用[J].海洋科學，2006，30（8）：6-9.