寡糖在營養健康產業中的應用研究進展

李媛媛，胡雪芳*，王士奎，翟曉娜，裴海生，孫昊

農業農村部規劃設計研究院，農業農村部農產品產后處理重點實驗室（北京 100125）

寡糖，又稱低聚糖。根據IUPAC-IUBMB生化命名聯合委員會定義，寡糖是由3～10個單糖分子脫水通過α、β型等糖苷鍵連接形成的帶有支鏈或直鏈的低度聚合糖[1]。寡糖廣泛存在于植物、藻類、細菌和高等真菌中，其與多種生物過程有關，如抵抗細菌和病毒感染、抗氧化、抗誘變、抑制癌癥轉移等[2]。此外，部分研究發現寡糖可以通過調節腸道菌群延緩心血管疾病、肥胖和Ⅱ型糖尿病的發生和發展[3]。因此，寡糖在食品、農業、醫藥和環保等領域的應用愈加廣泛，以寡糖為基礎的食品及藥物開發逐漸成為生物資源利用領域的重點發展方向。

國民營養健康已成為食品產業關注的問題，將寡糖作為功能性食品的成分應用在改善與消費者健康相關的食品質量方面具有巨大潛力。文章立足于糖胺寡糖、海洋寡糖的研究熱點，綜述近年來國內外食品開發及生物醫學領域殼寡糖、透明質酸寡糖、肝素、硫酸軟骨素、褐藻膠寡糖和巖藻寡糖相關研究現狀，著重闡述其在營養健康領域的研究進展，探討上述寡糖發揮其生物活性的作用機制，以期為生物寡糖在功能性食品及藥品研發中應用提供理論基礎。

1 殼寡糖

甲殼素是自然界中含量僅次于纖維素存在的天然有機化合物，廣泛分布于甲殼類動物殼、酵母和真菌中[4]。殼寡糖是甲殼素通過物理、酶促或化學水解獲得的降解產物，由葡糖胺通過β-（1→4）-糖苷鍵連接而成[5]。殼寡糖是天然的陽離子寡糖，鏈長較短，分子量在20萬～100萬之間不等[5]，具有無毒、黏度低和水溶性高的理化性質[6]。此外，殼寡糖因其生物相容性、生物降解性和胃腸道的吸收性，可在抗腫瘤、抗細菌、抗真菌、抗氧化、抗炎癥和免疫調節等藥理學和生物醫學領域發揮重要作用[6-8]。

1.1 抗菌活性

殼寡糖的抑菌活性廣泛，物理性質優良，現在已經作為一種新的抗微生物藥劑，可用于食品、農業和醫藥領域。Mukhtar等[9]闡明殼寡糖的抗菌作用表現在其可以抑制部分革蘭氏陽性菌（金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌等）和革蘭氏陰性菌（大腸桿菌、副溶血性弧菌、鼠傷寒沙門氏菌、銅綠假單胞菌等）的生長。Fernandes等[10]發現殼寡糖可抑制大腸桿菌的生長，并抑制大腸桿菌菌株產生志賀毒素，從而防止細菌感染。然而，分子量和聚合度是影響殼寡糖抗菌活性的重要因素，研究表明聚合度為1～8的殼寡糖，對致病菌的作用效果更顯著[11]。Ganan等[12]研究發現中等聚合度（31～54）的殼寡糖對酵母菌發揮最強的抑制作用。此外，聚合度為26～40的殼寡糖對灰葡萄孢菌的抑制作用優于聚合度較小的殼寡糖[13]。殼寡糖的抗菌活性機制與殼聚糖相似，殼寡糖或其衍生物通過與微生物細胞壁上的受體結合，導致鉀離子置換和K+從細胞膜流出；這種跨膜過程會擴大細胞外酸化，增加細胞對鈣離子的吸收，最終導致細胞死亡[13]。此外，Kern等[14]發現具有正電荷的氨基葡萄糖單元也促進了殼寡糖與細菌細胞壁上帶負電荷的羧基結合，從而抑制了細菌細胞的生長。

1.2 抗癌和抗腫瘤活性

殼寡糖因其陽離子特性及免疫調節活性，在抑制腫瘤生長和轉移中發揮重要的作用。Huang等[15]研究發現帶正電荷的殼寡糖在宮頸癌細胞（HeLa）、人肝癌細胞（HepG2）和人結腸癌細胞（SW480）表現出優良的抗腫瘤活性，這與殼寡糖能選擇性地吸附在帶負電荷的腫瘤細胞上，改變腫瘤細胞的細胞膜通透性有關[15]。Liu等[16]發現殼寡糖通過增加Caspase-3蛋白的表達抑制HepG2細胞的生長，從而誘導癌細胞凋亡。Nam等[17]研究發現分子量為3～5 kDa的殼寡糖在人結腸癌細胞（HT-29）中通過調控谷胱甘肽、谷胱甘肽-S-轉移酶、奎寧還原酶的增加，以及鳥氨酸脫羧酶和環氧化酶的減少，進而發揮抗肝癌的作用。此外，殼寡糖的抗轉移作用功效顯著。Yang等[18]發現殼寡糖下調基質金屬蛋白酶-2（MMP-2）和分化簇147（CD147）的表達在人胃癌細胞系BGC823、MKN45和SGC7901中發揮抗癌細胞轉移的作用，殼寡糖對癌細胞的抑制率與其濃度成正相關。

殼寡糖在不同的癌癥階段作用機制不同。在初始階段，殼寡糖通過抑制壞氧合醇-2（COX-2）和NF-κB的基因表達，增加抗氧化酶和AMPK的活性介導炎癥，防止正常細胞轉化為癌細胞[15]。隨著腫瘤的進展，殼寡糖通過抑制與細胞代謝相關的蛋白（包括mTOR、B-catenin、丙酮酸激酶和鳥氨酸脫羧酶）的表達，激活caspase-3通路、IL-12和IFN-α來限制癌細胞的生長[16-18]。在癌細胞侵襲和轉移過程中，殼寡糖的抗腫瘤活性機制主要涉及下調金屬蛋白醇-9（MMP-9）和CD147的表達，以及中和癌細胞中MMP-2，阻斷腫瘤塊的遷移[16-17]。基于上述分析，殼寡糖的抗腫瘤特性，使其有望成為新型的癌癥治療藥物。

1.3 抗氧化活性

研究發現殼寡糖及其衍生物在抗氧化和抗炎方面的發揮出明顯的優勢。殼寡糖聚合度在3以上時具有較好的抗氧化活性，當聚合度達到10～12時抗氧化活性最高；隨著殼寡糖乙酰化程度升高，其抗氧化活性也逐漸增強[19]。Qiao等[20]發現殼寡糖具有潛在的抗氧化活性，能夠增加高脂誘導的肥胖小鼠胃、肝臟和血清中氧化氫酶，超氧化物歧化酶和谷胱甘過氧化物酶活性，保護小鼠免受高脂飲食導致的氧化應激損傷。殼寡糖通過多種機制發揮抗氧化作用。例如，它提高負責細胞內自由基清除過程的GSH水平[19]。另外，殼寡糖通過激活AMPK，促進下游途徑如NF-κB轉錄、β-連環蛋白抑制和caspase-3激活，發揮清除自由基和抗氧化應激的作用[19-20]。

1.4 免疫調節活性

免疫系統是人體中至關重要的系統，殼寡糖具有潛在的免疫調節能力，能提升機體的免疫活力[2]。Zhang等[21]研究發現聚合度為3～8的殼寡糖顯著增加巨噬細胞中NO和TNF-α的水平，提高TLR4和iNOS mRNA的水平。Moon等[22]研究發現在動物模型實驗中，口服殼寡糖（0.5～2 mg/d）10 d顯著地增加小鼠單核細胞數量。此外，IL-6和IFN-γ等各種細胞因子的水平均顯著增加[22]。Kunanusornchai等[23]發現殼寡糖通過促進抑制炎癥的細胞因子的分泌，增強小鼠的免疫活性。Mattaveewong等[24]研究表明殼寡糖能與巨噬細胞表面的Toll樣受體4（TLR4）相互作用，抑制NF-κB以及激活AMPK，從而誘導級聯活動，降低促炎因子的表達，從而發揮免疫活性[23]。

1.5 降脂活性

糖脂代謝紊亂是許多代謝性疾病包括肥胖、Ⅱ型糖尿病和非酒精性脂肪肝的重要誘因[25]。研究發現，殼寡糖具有改善糖脂代謝進而改善高脂引發代謝性疾病的作用，而其改善效果可能來源于殼寡糖帶正電荷的氨基與體內脂肪代謝相關的陰離子物質，例如脂肪酸和膽汁酸相互作用，從而減少脂質的吸收和合成[25]。Mussatto等[1]系統總結殼寡糖能夠抑制肥胖小鼠體內脂肪細胞分化，改善高脂飲食大鼠體內的高血脂癥狀而其降脂機制可能與殼寡糖改變脂肪組織特異性基因表達，改善血清和肝臟中的血脂異常有關。此外，殼寡糖還能與魚精蛋白形成結合物，抑制高脂喂養SD大鼠體內肝臟中脂肪吸收代謝相關酶和胰脂肪酶的活性，降低血清中甘油三酯、總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇水平[2]，因此，殼寡糖有望成為一種新型的抗肥胖藥物。

2 透明質酸寡糖

糖胺聚糖，包括透明質酸（HA）、硫酸軟骨素（CS）、硫酸角質素（KS）和肝素（HS），是一類長的、無支鏈的線性多糖，普遍存在于細胞內部、細胞表面以及人體不同細胞類型的細胞外基質中。透明質酸是一種非硫酸化的糖胺聚糖，由交替的D-葡糖醛酸和N-乙酰基-d-葡糖胺殘基組成[26]，其可被活性氧和透明質酸酶降解為低分子量的寡糖[27]。研究發現不同相對分子質量的透明質酸寡糖呈現不同的性質和功能，隨著對于透明質酸寡糖的研究深入發現其在血管生成、傷口修復和腫瘤治療過程中發揮重要作用[26-27]。

2.1 促血管生成

血管生成現象是許多生理和病理狀況下常見或必需的，如胚胎生成、創傷愈合、關節炎、動脈粥樣硬化、腫瘤生長和轉移等過程中均可見血管生成現象[28]。D’agostino等[28]揭示透明質酸寡糖促進酪氨酸磷酸化并激活磷脂酶，由此激活蛋白激酶信號轉導通路和絲裂原活化蛋白激酶信號轉導系統，最終促使內皮細胞有絲分裂，這有助于毛細血管的生成。此外，該研究發現透明質酸寡糖可以對抗由于年齡衰老、放射治療等引起的血管減少。

2.2 促進創傷愈合

創傷的愈合涉及到多種細胞的增殖、移動、分化等。Kavasi等[29]發現透明質酸寡糖能夠有效地控制創傷修復過程，其主要作用如下：在傷口修復初期，相對分子質量高的透明質酸寡糖的含量迅速增加和積累，與纖維蛋白原結合后經過內在反應形成凝塊，打開組織空間，促進中性粒細胞進入傷口部位切除壞死組織、碎片和細菌[29]；第二個階段是炎癥階段，相對分子質量低的透明質酸寡糖增加，促進炎癥細胞因子的表達。單核細胞包括淋巴細胞出現在傷口部位[29]；最后是修復階段，相對分子質量低的透明質酸寡糖（聚合度3～10）加速成纖維細胞的增殖和膠原蛋白的合成，促進血管生成反應和傷口的修復[29]。此外，趙京玉等[30]發現透明質酸寡糖能夠刺激內皮細胞識別受傷部位，該作用是通過在組織損傷過程中起信號轉導作用的內毒素受體產生的，從而對受傷部位進行最初的保護和修復。

2.3 抑制腫瘤細胞增殖

大量研究表明透明質酸寡糖逆轉腫瘤遷移過程[31-33]。盡管完整的透明質酸寡糖逆轉腫瘤遷移的信號途徑沒有建立，然而研究表明透明質酸寡糖在腫瘤細胞包括細胞增殖、生存、耐藥性和流動性等胞內信號傳遞途徑中具有重要作用[31]。這些作用主要與透明質酸寡糖調控細胞表面的受體，如CD44、RMAMM、LYVE和Toll類受體2和4，從而阻斷腫瘤進展信號傳遞過程[32]。然而一些研究表明在癌癥細胞中，如神經膠質腫瘤細胞、乳腺癌細胞、結腸癌細胞、肺的非小細胞癌和卵巢癌細胞含有更多相對分子質量小的透明質酸寡糖，這些特定的透明質酸寡糖可能參與腫瘤細胞表面透明質酸受體蛋白（CD44）的水解，促使腫瘤細胞遷移[31-33]。這種不一致的作用可能是因為不同的腫瘤細胞具有不同的特性，即使同種腫瘤細胞在不同的時間也具有不同的特性。

3 硫酸軟骨素

硫酸軟骨素是人體內含量最豐富的糖胺聚糖，它包含N-乙?；?D-半乳糖胺和D-葡萄糖醛酸的重復二糖單元，天然存在的硫酸軟骨素的分子量在50到100 kDa之間變化[34]。與其他糖胺聚糖類似，硫酸軟骨素在多種生命活動中發揮重要的作用，包括衰老、骨關節炎、其他炎癥性疾病等[35]。由于硫酸軟骨素獨特的生物學特性，其在骨骼和軟骨相關疾病方面的應用得到了廣泛的研究。在軟骨細胞中，硫酸軟骨素減少p38絲裂原活化蛋白激酶（p38MAPK）和細胞外信號調節激酶1/2（Erk1/2）磷酸化，從而減少NF-κB向細胞核的易位[36]；進一步減少了促炎細胞因子、白細胞介素（IL）-1b 、TNF-α的水平和降低了磷脂酶 A2（PLA2）、環氧合酶 2（COX-2）、誘導型一氧化氮合酶（iNOS）等促炎酶的形成[37]。此外，Liu等[38]充分證實了硫酸軟骨素對軟骨、滑膜及抵抗銀屑病和動脈粥樣硬化的有益作用。

硫酸軟骨素兼具抗氧化特性，這與其具有螯合過渡金屬離子（如Cu2+或Fe2+）的能力有關。金屬離子螯合可以抑制參與氧化應激誘導的Haber-Weiss和Fenton 反應的啟動[39]。此外，研究表明C-4-S具有抗氧化作用，而C-6-S則沒有。已經提出這種變化背后的原因是因為在C-4-S的情況下，沿中心的陰離子密度較高，而在C-6-S中，它位于外圍。此外，與C-6-S相比，C-4-S的硫酸根和羧酸根之間的距離更短，也可能導致更穩定的金屬-離子-CS相互作用[40]。硫酸軟骨素在抑制脂質過氧化方面的作用也很重要。研究發現硫酸軟骨素在極低密度脂蛋白（VLDL）模型中具有可避免VLDL介導的脂質過氧化和apoE氧化[41]。此外，也有研究證明硫酸軟骨素對細胞凋亡的調節作用。在軟骨細胞中，硫酸軟骨素通過保護線粒體、降低capsase-3和caspase-9的表達來降低細胞凋亡率，從而改善軟骨基質分解[38]。

4 褐藻膠寡糖

海洋功能寡糖已成為海洋生物資源開發領域的研究熱點。褐藻膠寡糖是海洋多糖褐藻膠多糖通過酸法或者酶法降解得到的產物，通常含有＜20個由糖苷鍵連接的單糖單元[42-43]。褐藻膠寡糖自1980年代開始商業化，由于其具有多種生物活性，包括抗氧化、免疫調節、抗菌和抗炎活性，目前廣泛用于食品和制藥行業。

4.1 褐藻膠寡糖的抗肥胖作用

肥胖是一個增長最快的全球公共衛生問題，與發病率、過早死亡率、生活質量受損和醫療保健費用的顯著增加有關。盡管進行了大量的研究工作，但迄今為止只有少數抗肥胖藥物進入了臨床試驗。有趣的是，Li等[43]在HFD誘導的小鼠模型中發現補充褐藻膠寡糖可抑制脂肪細胞的生長，表明其具有抗肥胖作用等。Tran等[44]研究表明，褐藻膠寡糖通過激活AMP活化蛋白激酶干預肥胖。在另一項研究中，據報道褐藻膠寡糖可通過調節脂質代謝、減少炎癥、下調細胞凋亡相關基因以及通過抑制線粒體蛋白STOML2（促生長素樣蛋白2）來改善免疫功能來抑制HFD喂養的斑馬魚的肥胖[42]。此外，Han等[45]發現褐藻膠寡糖可以通過調節腸道微生物的組成和促進短鏈脂肪酸（SCFAs）的增加來改善肥胖，這反過來調節營養獲取、脂肪儲存、能量穩態和炎癥抑制。Wang等[46]發現褐藻膠寡糖干預促進了Akkermansia muciniphila的生長。Akkermansia muciniphila是一種降解粘蛋白的腸道微生物，與減輕肥胖和炎癥有關。

4.2 褐藻膠寡糖的抗糖尿病作用

現今，褐藻膠寡糖已被建議作為調節Ⅱ型糖尿病患者血糖水平的安全替代品。Kato等[46]研究發現褐藻膠寡糖對糖尿病動物模型的干預增加了有益微生物的豐度，例如羅伊氏乳桿菌和加氏乳桿菌，它們能夠增強胰島素分泌和改善葡萄糖耐量受損。此外，褐藻膠寡糖富集產生SCFAs的細菌，例如Akkermansia、Alloprevotella、Parasutterella和Allobaculum，從而增加了短鏈脂肪酸的濃度，例如乙酸、丙酸和丁酸。據報道，SCFAs可以作為G蛋白偶聯游離脂肪酸受體FFAR2/GPR43和FFAR3/GPR41的配體，它們與影響胰島素抵抗的食欲和能量代謝調節有關[42]。因此，褐藻膠寡糖調節腸道微生物組為將其用作功能性食品成分以對抗飲食引起的代謝紊亂開辟了新途徑。

4.3 其他作用

褐藻膠寡糖抗癌作用也有科學證據，因為它可以用作治療致命腫瘤和抵消化療副作用的營養成分。最近，褐藻膠寡糖已成為治療慢性肺病、囊性纖維化和生物膜感染的一種創新方法。

5 巖藻寡糖

作為巖藻多糖的降解產物，巖藻寡糖具有分子量小、水溶性和吸收性好、生物利用度高等多種巖藻多糖所不具備的優點，克服了多糖在應用過程中受到的種種限制，在功能食品開發、新型保健品開發等領域具有很好的應用前景。

5.1 抗炎活性

Enoki等[47]基于體外實驗發現巖藻寡糖抑制LPS誘導的單核細胞/巨噬細胞中前列腺素E2（PGE2）、TNF-α和NO等促炎介質的增加，進一步促進血紅素加氧酶-1（HO-1）的增加。HO-1是一種存在于哺乳動物中的誘導型蛋白酶，可被NO、重金屬、炎性細胞因子、脂質和氧化應激等一系列刺激上調。此外，HO-1作為血紅素降解過程中的主要限速酶和細胞保護酶，不僅可以限制血紅素的分解，還可以產生一系列在抗細胞損傷、凋亡和抗炎中發揮重要作用的產物。此外，Enoki等[48]發現聚合度為2～8的巖藻寡糖可以通過誘導HO-1表達來預防2, 4, 6-三硝基苯磺酸誘導的小鼠腸道炎癥，表現出TNF-α表達顯著降低。

5.2 益生元效應

近年來，巖藻寡糖已經成為了潛在的益生元。Hu等[49]基于體外實驗研究發現巖藻寡糖降低培養基pH促進腸道有益細菌（包括乳酸桿菌和雙歧桿菌）的生長；進一步研究發現喂食2.5%（w/v）的巖藻寡糖7 d的小鼠比喂食5%（w/v）菊粉14天的小鼠顯著增加結腸中有益菌的絕對豐度。Zhang等[50]發現巖藻寡糖可以通過增加厚壁菌和放線菌的豐度并減少潛在的致病菌的豐度，增加短鏈脂肪酸的水平并調節腸道微生物的組成和多樣性。最近的研究表明，巖藻寡糖的益生元作用優于其他不易消化的低聚糖，此外，有報道稱聚合度較高的巖藻寡糖表現出更好的益生元作用。在醫藥保健品方面，國內外以巖藻多糖為原料開發上市的商品中，日本“Power Fucoidan Gold”產品對抗腫瘤效果較佳，Doctor Best公司生產的“Best Fucoidan”具有強抗氧化/增強免疫的功能。

6 結語及展望

近年來，功能性寡糖在食品、農業、醫藥、環保等領域的應用愈加廣泛，尤其是以糖胺聚糖、海洋藻類寡糖為基礎的食品及藥物開發已成為重點發展方向。以褐藻膠寡糖為例：日本大正制藥株式會社將褐藻膠寡糖添加到飲料中，開發出一系列褐藻膠寡糖功能飲料，可有效抑制對膽固醇的吸收；青島博智匯力生物科技有限公司利用褐藻膠寡糖開發出一款功能食品“海洋天使”褐藻膠寡糖片劑。此外，新型藥物開發也是海藻寡糖應用的重要發展方向，現今，以褐藻來源的甘露醛酸二糖為前體研制出抑制輕度至中度阿爾茨海默病的新藥。但是目前功能性寡糖開發還存在一些技術瓶頸，極大地限制了糖胺聚糖、海洋寡糖的深度開發和精細化應用，如寡糖的具體作用機制仍不明確、高效分離制備方法的缺乏等，因此未來的發展方向主要集中在從分子水平上闡明功能寡糖的作用機制、發展連續高效的制備方法上，從而推動我國生物資源的開發和寡糖資源的利用。