褐藻胶寡糖生物活性研究进展

刘 航，尹 恒，张运红，赵小明，杜昱光*

1中国科学院大连化学物理研究所生物技术部，大连 116023;2中国科学院大学，北京 100049

海洋是地球上丰富的资源宝库，褐藻胶是一种来源于海洋褐藻的阴离子酸性多糖，是其细胞壁的主要组成物质［1］。它是一种高聚合度的多糖类物质，凝胶性强、粘度大，水溶性较差，不容易被吸收，因此限制了其应用。随着近年来海洋科学研究的不断深入，具有多种生理活性的褐藻胶多糖降解产物---褐藻胶寡糖(Alginate Oligosaccharides，AOS)逐渐进入人们的视野。

褐藻胶寡糖AOS是褐藻胶在褐藻胶裂解酶的作用下降解而成的一种寡糖，由β-D-甘露糖醛酸(ManA)、α-L-古罗糖醛酸(GulA)或二者杂合段组成(图1所示)，其寡糖是一类新型生物制剂，具有可自然降解、不污染环境和无残留等优点［2］。由于其多方面的生理活性和与内源性寡糖的相似性而越来越受到关注［3］。文章对近年来褐藻胶寡糖在生物活性方面的研究进展进行了综述。

1 褐藻胶寡糖在植物上的活性

1.1 促进植物生长

褐藻胶寡糖对植物的促生长作用近年报道较多，尤其是促进植物根系的生长。Guyen等［4］报道，利用γ-射线照射褐藻胶得到降解产物，相对分子质量小于104Da的褐藻胶降解混合物显示出对水稻和花生的促生长作用，适当控制混合物浓度可提高作用强度。2000年，Iwasaki等［5］对酶解褐藻胶寡糖促莴苣根生长活性研究表明，2-8糖的混合物在浓度200～3000 μg·mL-1的范围内莴苣根生长长度为空白组的2倍。分离各种聚合度的寡糖后，发现三糖、四糖、五糖及六糖(M或 G)具有较高的促根生长活性。褐藻胶寡糖对植物的促生长作用研究为其在植物培育方面的应用垫定了理论基础。郭卫华［6］采用酶解法获得海藻酸钠寡糖，应用不同浓度的海藻酸钠寡糖处理烟草幼苗，结果表明0.5 mg/g海藻酸钠寡糖对烟草幼苗生长有促进作用，幼苗株高、叶面积、根长等生长指标与对照相比均显著增加;功能叶片的叶绿素含量比对照增加48.27%。ADO还能提高植物抗冻能力，促进大麦生长［7］，促进种子萌发和根部生长［8-10］。

图1 β-D-甘露糖醛酸(Mannuronic Acid)、α-L-古罗糖醛酸(Guluronic Acid)的结构Fig.1 The chemical structures of β-D-Mannuronic Acid and α-L-Guluronic Acid

除了在植物表观上具有明显的现象之外，在植物体内的一些生理指标也受到AOS较为显著的影响。褐藻胶寡糖不仅对豌豆种子发芽率、幼苗苗长、根长、生物量有明显促进作用，而且还能使幼苗叶中叶绿素含量增高，提高叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率、增加根系活和种子中和淀粉酶活性，其中以0.125%褐藻胶寡糖的效果最佳［11］。在高粱上也出现同样的结果，低浓度的褐藻胶寡糖能够促进高粱叶片合成叶绿素、提高根系活力［12］。0.0625%浓度的褐藻胶寡糖浸种处理对于提高根系活力、提高幼苗叶绿素含量影响最明显;0.125%浓度的褐藻胶寡糖浸种处理有利于提高高粱幼苗发芽率、淀粉酶活力，苗高和根长也表现出最大优势。罂粟(Papaver somniferum L.)被认为是世界上古老的药用植物［13］。其生物碱，如吗啡、蒂巴因、可待因能作为医学上外科用药，缓解病人在手术以及术后恢复中的痛苦。印度学者Khan ZH等［14］，发现被Co-60辐照降解的褐藻胶寡糖能够促进罂粟植物的生长，提高罂粟产量，增加吗啡和可待因的含量。作者推测原因是，褐藻胶寡糖作为外源激发子能够刺激罂粟中生物碱合成的信号通路，使得吗啡和可待因含量提高。

1.2 缓解植物非生物胁迫

植物在干旱、高盐、寒冷等逆境胁迫中由于细胞失水，细胞膜发生氧化损伤，致使其生长受到抑制，导致农作物减产。随着研究的不断深入，人们发现褐藻胶寡糖AOS可以缓解非生物胁迫对植物造成的损害，对植物起到一定的保护作用。Liu［15］等人用褐藻胶寡糖喷施番茄幼苗叶片，发现褐藻胶寡糖通过减少MDA含量、减少电解质渗漏，增加SOD、POD、PAL、CAT活性，增加脯氨酸和可溶性糖含量等达到缓解干旱胁迫的作用。Tang等［16］人从自然界中分离得到一株产褐藻胶裂解酶的菌株，利用该酶制备褐藻胶寡糖。研究中发现，盐胁迫下高分子量寡糖会提高芸薹属植物的SOD、POD、CAT的活性，中等大小分子量的寡糖可以降低MDA的含量。同样，将褐藻胶寡糖溶液均匀喷施到烟草叶面后进行低温胁迫。0.05%，0.2%和0.3%褐藻胶寡糖均能够清除体内产生的氧自由基，保护细胞膜和叶绿素结构，诱导烟草CAT、SOD和POD活力提高，提高烟草耐低温能力，减少烟草叶片损伤，其中以0.2%褐藻寡糖诱导效果最好［17］。除此之外，作者还发现低浓度褐藻寡糖具有抗冻保护剂的作用，而高浓度褐藻寡糖具有毒副作用，在烟草细胞表面形成较强渗透势，烟草细胞结构受到破坏，加速低温下烟草叶片损伤。

环境污染问题是制约农作物生长、农产品开发的主要问题。其中重金属污染是食品安全的重中之重。随着我国工业化不断发展，大量的工业废水排入到湖泊、江河中。我国又是一个农业大国，农作物培养主要依靠灌溉，而污水灌溉占很大比例，污灌地区土壤中重金属含量远远超过背景值。重金属不仅使粮食作物减产，而且一旦通过食物进入人体后不易分解，对健康造成潜在的危害。金属镉能通过抑制细胞有丝分裂抑制植物生长，Ma［18］等人研究了褐藻胶寡糖对蚕豆根尖细胞镉损伤的缓解作用。发现0.2%褐藻胶寡糖具有提高蚕豆根尖细胞有丝分裂指数，阻抑微核产生，降低染色体畸变的良好效果。同时，他们还发现褐藻胶寡糖可以增强小麦对重金属镉的耐受性［19］。褐藻胶寡糖缓解植物重金属胁迫的研究将对提高农作物产量以及镉在农作物污染防治方面具有一定的指导意义。

1.3 激发子活性

激发子是指能够激发或诱导植物寄主产生防御反应的因子，寡糖、糖蛋白、蛋白质或多肽都可成为激发子。随着植物防御机理的研究向分子水平的深入，越来越多的实验证明激发子可作为研究植物信号识别及胞内信息传递的良好实验对象。

江琳琳［20］分离到一株褐藻胶降解菌株AGN12，能够分泌褐藻胶裂解酶，褐藻胶经酶降解形成不同聚合度的寡糖。研究中发现聚合度为6.8的褐藻胶寡糖具有较高的激发子活性，以此褐藻胶寡糖处理水稻芽，能够刺激水稻细胞产生植保素。植保素有利于植物抵抗病害的侵染，对控制植物病害有积极的作用。加强褐藻胶寡糖在植保素方面的研究，将为绿色农业的发展做出新的贡献。Olivior等［21］发现褐藻胶寡糖可以在烟草悬浮培养细胞中诱导H2O2释放，并可激活苯丙氨酸解氨酶(PAL)的活性，累积特异性防御反应的化学物质茉莉酸(JA)。褐藻胶寡糖还能通过刺激植物体内的第二信使Ca2+进而活化与植物氮代谢有关的酶，参与植物生长调控。有研究报道表明［22］，褐藻胶寡糖作为激发子能诱导白菜叶肉细胞中Ca2+释放，提高氮代谢相关酶的活性，如硝酸还原酶(NR)，谷氨酰胺合成酶(GS)，谷氨酸脱氢酶(GDH)等。褐藻胶寡糖在诱导植物抗性以及信号通路方面的研究还不够深入，仍需要进一步研究。

2 褐藻胶寡糖在动物上的活性

近年来，褐藻胶寡糖在动物上的生物活性及应用研究也取得了重要进展，特别是在抗肿瘤、及神经保护等方面取得很多研究成果。

2.1 抗肿瘤

Hu等人［23］对褐藻胶经酶解获得的两种分子量范围的寡糖及其硫酸化衍生物的抗肿瘤活性进行了研究。褐藻胶寡糖对tsFT210细胞没有直接的细胞毒活性。在小鼠实验中发现，抗肿瘤活性最强的是分子质量为3798 Da的寡糖。当寡糖剂量为100 mg/kg和50 mg/kg时对固体肉瘤的抑制率分别达到70.4%和66%。作者认为褐藻胶寡糖及硫酸化衍生物是通过调节宿主的免疫防御系统而达到间接的抗肿瘤活性的。

2001年，宫晓黎等［24］报道了褐藻胶降解产物寡聚甘露糖醛酸和铁生成的络合物-寡聚甘露糖醛酸铁对小鼠的骨髓有核细胞、外周血红细胞和白细胞的影响。抗肿瘤药物在杀伤肿瘤细胞的同时，也会损伤机体的正常细胞，其中受损最严重的是骨髓造血细胞，这会引起外周血细胞减少。而寡聚甘露糖醛酸铁能明显升高骨髓有核细胞数、外周血红细胞白细胞的数量，对肿瘤具有辅助治疗的效果。

2.2 神经保护

氧化应激在神经变性疾病中是最主要的有害启动。Tusi等［25］发现用褐藻胶寡糖AOS保护的PC12细胞能抵抗H2O2诱导的内质网和线粒体依赖的细胞凋亡。AOS促进Bcl-2表达，而阻断Bax的表达，抑制H2O2诱导的caspase-3活性;还能阻断PARP的剪切作用。因此，AOS作为关键的分子在细胞凋亡通路中起作用，减少 p53，p38，c-June NH2-末端激酶的磷酸化，抑制NFkB的活性，提高Nrf2的活性。其体内试验也证明了AOS能抵抗活性氧诱导的神经系统损伤。

2.3 诱导细胞因子

Yoshiko等［26］研究了古罗糖醛酸寡糖(G3-G6)和甘露糖醛酸寡糖(M3-M6)在RAW264.7细胞中诱导细胞因子的情况。研究中发现，肿瘤坏死因子α-JNF-α，粒细胞集落刺激因子(GCSF)，单核细胞引诱蛋白-1(MCP-1)，趋化因子RANTES，巨噬细胞等都会受到褐藻胶寡糖的诱导，而且能够诱导低水平的白介素IL-1，IL-6，IL-9和 IL-13，甘露糖醛酸寡糖似乎比古罗糖醛酸寡糖具有更好的刺激细胞因子产生的效果。由此说明，寡糖的结构与其活性可能具有很大的相关性。

3 褐藻胶寡糖的抑菌活性

陈丽等［27］从新鲜海带中提取得到褐藻胶，采用酸水解法降解褐藻胶制备平均聚合度为5～23的褐藻胶寡糖，研究水溶性褐藻胶寡糖在体外培养中对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生长的影响。结果表明，一定浓度的褐藻胶寡糖在体外对两种菌均有不同程度的抑制作用，并且褐藻寡糖浓度越高，其抑制作用越强。这为研究海藻寡糖对致病微生物的作用机理及开发新型海藻饲料添加剂提供了一条新思路。褐藻胶寡糖对3种常见水产致病菌也具有一定的抗菌活性［28］。研究表明，褐藻胶寡糖对嗜水气单胞菌、白色念珠菌有较强的抗菌活性，对鳗弧菌在指数期前期几乎没有抗菌活性，但指数期后期表现出较强的抗菌活性，且随着寡糖浓度增大抗菌活性增强。这一研究为海洋寡糖取代抗生素，成为新一代安全高效、无毒副作用的水产养殖用饲料添加剂提供了一定的依据，在水产饲料中的发展应用前景十分广阔。铜绿假单胞杆菌是一种常见的条件致病菌，属于非发酵革兰氏阴性杆菌。经常引起术后伤口感染，可血行散播而发生菌血症和败血症，烧伤后感染了铜绿色假单胞菌可造成死亡。而治疗手段常用为抗生素治疗，但容易引起耐药性。因此，寻找一类无害的、高效的治疗药物迫在眉睫。An［29］从腐烂海带中分离得到的一株黄杆菌Flavobacterium sp.LXA，其产生的褐藻胶裂解酶降解褐藻胶得到寡糖。研究中发现，制备的寡糖可以刺激大豆子叶积累抗毒素，诱导苯丙氨酸解氨酶PAL活性，而且还能抑制铜绿假单胞杆菌。褐藻胶寡糖浓度在0.1 mg·ml-1时抑菌圈达到最大。作者认为褐藻胶寡糖具有抑菌活性，是因为一些细菌多糖降解产物可以作为毒性因子，抑制细胞生长。因此，褐藻胶寡糖是一种安全可靠的生物制剂，用于预防植物和人类疾病。其抑菌活性对于减少和控制畜牧业、水产养殖业以及医疗卫生行业中的有害微生物具有重要的现实意义。

4 褐藻胶寡糖的其它活性

由于生活压力以及各种外界环境因素的影响，处于亚健康状态的人群越来越多，因此健康问题越发引起人们的关注。肠道菌群失衡则是亚健康一个重要表现。双歧杆菌是一类重要肠道正常菌群的优势菌，具有改善维生素代谢、增强机体免疫功能、调节肠道内的微生态平衡、抑制肠道内病原菌生长和腐败菌发育、防止便秘、延缓衰老等多方面的生理作用。李淼［30］采用光电比浊法研究褐藻胶寡糖在体外培养中对双歧杆菌生长的影响。褐藻胶寡糖在10～0.3125 g/L下，可以明显地缩短双歧杆菌生长的适应期，使双歧杆菌大量增生。因此，褐藻胶寡糖在双歧杆菌增殖、功能性保健食品开发方面有较好的应用前景。

5 结论与展望

综上所述，目前对于褐藻胶寡糖在动物、植物以及微生物方面的生物活性研究已经取得初步进展。然而，对于其广泛的生物活性机理研究仍不是十分系统，如褐藻胶寡糖在促进植物生长、缓解环境胁迫方面的机理亟待研究;且其构效关系的研究仍需进一步探索。相信随着科研技术水平的发展，人们对褐藻胶寡糖的研究会日益深入，对其活性机理的了解也会更上一层楼，这将为褐藻胶寡糖在绿色农业、养殖业、医疗卫生等领域更加广泛的开发和应用提供坚实的基础。因此，开展对褐藻胶寡糖的理论和应用研究对于合理利用生物资源具有重要的意义。

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