岩藻多糖制备及结构研究进展

王芸，张淑平

(1.上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093;2.上海理工大学 理学院，上海 200093)

岩藻多糖是含有硫酸基团的水溶性多糖。岩藻多糖产品为淡黄色粉末，易溶于水，主要存在于褐藻和一些海洋无脊椎动物中。Kylin［1］于1913 年首次将从褐藻掌状的海带中提取的多糖命名为Fucoidin，现在已统一定名为岩藻多糖(Fucoidan)或岩藻聚糖硫酸酯(Sulfated Fucan)。由于来源的不同，提取的岩藻多糖的结构和分子量也会存在差异，其中岩藻多糖为含有以L-岩藻糖为主和多种单糖残基以及硫酸基的水溶性多糖，具有抗氧化、抗凝血和抗病毒等多种生物活性［2-3］。近十年来，众多专家研究岩藻多糖的结构、功能以及两者之间的关系［4］。岩藻多糖的提取方法、低分子量岩藻多糖的制备和其结构特点、活性及应用一直是研究热点。本文对国内外岩藻多糖研究状况进行综述，为将来岩藻多糖工业生产提供参考。

1 岩藻多糖的提取

岩藻多糖是水溶性多糖，故岩藻多糖的提取多用水提、酸提取法，此外超声波提取法、超滤膜提取法、酶辅助提取法等新型复合提取法也被深入研究，本节就岩藻多糖的提取方法进行简单的概括。

1.1 传统提取方法

水提法是利用岩藻多糖易溶于热水、不溶于乙醇等有机溶剂的特点，分离得到岩藻多糖。Barros等［5］采用热水提法从红藻G. caudata 中提取岩藻多糖，以100 ℃水浴2 h，乙醇沉淀，岩藻多糖(PGC)得率为32.8%。Rodríguez-Jasso 等［6］采用水提法从褐藻F. vesiculosus 在180 ℃、20 min 获得岩藻多糖，产率为16.5%。该方法作为一种传统的方法具有成本低、操作简单、耗时长的特点。与水提法相比，酸提法是利用岩藻多糖能够溶于稀盐酸的水溶液，褐藻酸在较低pH 值下难以溶解和部分钠盐溶于水的性质来分离提取岩藻多糖。Rabanal 等［7］采用酸法从海藻D. dichotoma 提取岩藻多糖的产率为7.2%。该方法提取率不高，容易破坏岩藻多糖的结构进而影响活性。

超声波法是利用超声波的能量破碎细胞，可以在常温状态下，以较短的时间使岩藻多糖溶出，减少褐藻胶等杂质溶出。曲桂燕等［8］响应面优化超声法提取岩藻多糖的最佳提取工艺条件为超声时间11 min、温度为100 ℃、液料比为1∶35、时间2 h。比同样条件下未超声岩藻多糖提取率提高了5.42%，同时实验研究发现，超声作用可以增加粗岩藻多糖提取率、降低褐藻胶含量而不会对多糖、硫酸根含量造成影响。

酶提取法则是利用酶来破坏细胞壁的骨架结构，促使细胞内的活性成分岩藻多糖的流出，其中纤维素酶作为一种用来破坏细胞壁的酶被广泛使用，由于酶的高效性、专一性、反应条件温和、可以提取胞内多糖，使得提取具有高效性。张换等［9］选用纤维素酶提取海带多糖，并结合响应面法优化得出最佳的提取条件是液料比为40，纤维素酶的用量为1.5%，提取的温度44 ℃，pH 4.0，时间2 h，海带多糖得率高达(11.62 ±0.03)%。

传统提取方法经过早些年实验的证明，且生产设备容易制作和调整及操作步骤相对简单，为在工业上大批量生产提供了便利。然而以上方法的效率却不高，耗时长等缺点，新型方法的研究应运而生。

1.2 新型提取方法

除了以上的传统提取方法，近年来在传统提取方法的基础上出现了许多新型的提取方法。

微波辅助提取法是利用微波射线的穿透性好、能量高，可以深入细胞内部促使岩藻多糖流出缩短提取时间来提高效率。张海艳等［10］通过正交实验优化得到微波功率为480 W，时间3 min，液料比20时，可得海带多糖提取率为17.5%。Rodriguez-Jasso等［11］采用微波辅助法从褐藻F. vesiculosus 提取岩藻多糖，用响应面法优化得出压力为120 psi、时间为1 min、料液比为1∶25 时，得率高达18.22%。该方法大大缩短了提取时间，不使用有机溶剂减少能源浪费。

超声辅助酶法提取是先利用酶来破坏细胞壁的结构，超声波加快破坏细胞壁，促进岩藻多糖的溶出，大大的缩短提取时间。Xu 等［12］进行单因素实验和正交实验得出最佳提取条件为:酶解温度50 ℃、pH 4.5、时间75 min、酶用量2.25%(纤维素酶∶中性蛋白酶=2∶1，w/w)，可以获得提取率可达8.64%。该复合法作为一种新颖的方法可以有效提取岩藻多糖，同时保持它的结构和生物活性。因此未来应该加大研究促使该方法产业化。

超滤膜法是将提取出的岩藻多糖中小分子杂质除去，纯度提高又不破坏岩藻多糖的生物活性，更重要的是对环境友好，但是对膜的要求大、成本较高。周奕等［13］在4 ℃下提取岩藻多糖经过超滤可以分离得分子量＞50 kDa 的百分比含量为(84. 29 ±2.72)%，硫酸根含量为30.9%。在低温环境下，岩藻多糖很少发生降解，这说明超滤能够有效地脱除岩藻多糖水溶液中小分子物质。

以上研究显示新型提取方法可大大缩短时间，提高效率。但设备要求高，花费大，阻碍新型方法的工业化进程。在开发新提取方法的同时，应该加大力度着力解决费用和优化设备的问题，为产业化生产岩藻多糖提供保障。

2 岩藻多糖的降解

岩藻多糖作为天然高分子多糖，其分子量测定可以采用光散射法、粘度法和凝胶过滤法［22］等。研究表明岩藻多糖分子量大小与其生物活性相关，主要表现为低分子量的岩藻多糖的生物活性更高和多样性［4，14］。因此降解成为研究热点。

岩藻多糖分子量的降解可以使用盐酸降解、酶法和自由基降解法等。Park 等［15］采用盐酸降解法(1 mol/L，HCl)、酶法(1%，β-葡糖酶)和超高压辅助酶法(UHP-enzyme，100 MPa，40，24 h)来降解岩藻多糖，获得FUPS-HCl(HCl treated FUPS)、FUPS-T1(Enzyme treated FUPS)、FUPS-T1-U 和FUPS-T0.3-U(UHP-enzyme treated FUPS)平均分子量为15，722，711，687 kDa，较原来粗岩藻多糖的877 kDa 均有所下降。Yu 等［16］也采用酶法降解岩藻多糖，实现分子量由原来的1 284 kDa 降到98.7 kDa。其中硫酸根含量为(29.5 ±2.5)%。Chandia 等［17］将由氯化钙法得到岩藻多糖1.00 g 和0.16 g 乙酸铜(II)单水合物溶解混合，加入9%H2O2后在pH 为7. 5，60 ℃的条件下可得产率为54.8%，其中硫酸根含量占33.7%，可以将岩藻多糖的分子量由320 kDa 降解到32 kDa。除此之外，Choi 等［18］采用新型方法γ辐照来降解岩藻多糖获得低分子量的岩藻多糖。研究显示，岩藻多糖的分子量随着γ 辐照剂量的增加而下降。γ 辐照作为新的降解方法可以有效降解岩藻多糖，但是获得的低分子量岩藻多糖的活性是否发生改变仍需进一步研究。

分析岩藻多糖的降解可知，由于岩藻多糖的活性呈现多样性，应该首先确定低分子量岩藻多糖的分子量大小与不同活性之间的关系，进而选取合适的降解方法来确保多糖的高活性。

3 岩藻多糖的结构分析

多糖作为生物大分子，其结构层次分类沿用了蛋白质的分类法。岩藻多糖的糖基连接方式是多样的，导致多糖的结构十分复杂。可以采用红外光谱、气质联用等［19］方法来分析岩藻多糖的结构。进一步从不同角度来阐明结构与其生物活性的关系受到研究者的青睐。

不同种褐藻采用不同的提取分级方法，植物部位不同，所提取的岩藻多糖成分也是各色各样的，结构上更是呈现多样性。张文清等［20］使用DEAE-纤维素等方法分离得到均一岩藻多糖组分TC-1，分析表明，岩藻多糖基多以1，4-和1，3-键的方式存在，这说明以上方法分离得到的组分包含多种结构，并非单一结构，要想分离单一结构非常困难。Synytsya等［21］采用红外-拉曼光谱和13NMR 对从U. pinatifida 中提取出的岩藻多糖分析得到，该岩藻多糖主要包含β-D-吡喃半乳糖和α-L-岩藻吡喃糖分别占44.6% 和50.9%。2010 年，Bilan 等［22］从褐藻S.latissima 提取的岩藻多糖的主要由在C-4/C-2 位上的3-α-L-岩藻吡喃糖和在分支C-2 位上的硫酸α-L-岩藻吡喃糖残基组成。

以上研究显示岩藻多糖结构呈现多样性，这给研究者带来研究困难。进一步研究岩藻多糖结构有助于了解岩藻多糖活性机理，进而为岩藻多糖的应用提供理论支持。

4 岩藻多糖的生物活性及应用

值得关注的是岩藻多糖的抗氧化、抗肿瘤、降血糖、抗病毒等［23］活性。现如今，发现了岩藻多糖更多的生物活性。Wang 等［24］研究发现岩藻多糖在一定程度上可以保护肾脏。而Benlier 等［25］用岩藻多糖治疗电伤小鼠实验结果显示岩藻多糖可以抑制电烧伤小鼠引起的组织损伤，减少坏死区域，水肿和中性粒细胞的数量。此外岩藻多糖被发现在其他方面也有进一步研究进展。Song 等［26］研究发现低分子量的岩藻多糖可以有效治疗顺铂引起的慢性胃肠道疾病。Immanuel 等［27］研究显示岩藻多糖来补充饮食可以增强先天免疫力和抵抗白斑综合症病毒的感染。Kang 等［28］研究发现，在早期使用岩藻多糖治疗可以显著降低由脂多糖(LPS)治疗引起的加速缺血性损伤脑梗死面积，起到保护神经的作用。

除了岩藻多糖的药理作用，最近有新的研究发现。Moroney 等［29］发现岩藻多糖添加到饲料中不会影响猪的色泽，可以保持猪肉的新鲜性。但岩藻多糖的添加量与鲜肉的货架期、质量的关系仍需进一研究。此外，陈西英等［30］在对绵羊精液冷冻效果的研究发现，1.0 mg/mL 的海带多糖在精子活率、顶体完整率和质膜完整性方面表现效果理想，可为绵羊改良增产做贡献。易静楠等［31］将岩藻多糖和胶原制备出复合支架材料，性能测定显示该支架材料无明显细胞毒性，岩藻多糖可以降低材料的降解速度，作为一种新型的组织工程支架材料有望使用在皮肤修复上，但仍需进一步研究。

总而言之，近年来岩藻多糖在各个领域的研究都取得了突破性进展，但是在人体临床应用上亟需进一步验证，边缘性研究需要更多实验来证明其可行性。

5 展望

岩藻多糖具有的抗氧化、抗肿瘤等多种生物活性在医药、食品和工业等方面有着广泛的应用。纵观近年来研究，岩藻多糖的提取方法、低分子量岩藻多糖的制备和结构分析等研究均与其生物活性有一定关系，由于生物活性的多样性，应采取怎样的提取方法、分子量的大小及结构特点与特定的生物活性的关系还需得到更深入的研究，为岩藻多糖在未来各方面的应用提供理论基础。从国内外的研究可以看出，国外关于岩藻多糖结构和生物活性及应用的研究仍领先于国内。纵向系统的研究分析岩藻多糖的提取，低分子量岩藻多糖制备，结构分析将有利于其工业上发展，同时着重研究克服大批量生产的困难也将使得岩藻多糖的应用进一步扩大。

［1］ Sugawara Isamu，Ishizaka Shigeaki. Polysaccharides with sulfate groups are human t-cell mitogens and murine polyclonal b-cell activators (pbas):I. Fucoidan and heparin［J］.Cellular Immunology，1982，74(1):162-171.

［2］ Murphy Catherine，Hotchkiss Sarah，Worthington Jenny，et al.The potential of seaweed as a source of drugs for use in cancer chemotherapy［J］.Journal of Applied Phycology，2014，26:1-54.

［3］ Dong Xiaodi，Pan Rujia，Deng Xiangyuan，et al. Separation，purification，anticoagulant activity and preliminary structural characterization of two sulfated polysaccharides from sea cucumber acaudina molpadioidea and holothuria nobilis［J］. Process Biochemistry，2014，49(8):1352-1361.

［4］ Hlawaty H，Suffee N，Sutton A，et al.Low molecular weight fucoidan prevents intimal hyperplasia in rat injured thoracic aorta through the modulation of matrix metalloproteinase-2 expression［J］.Biochem Pharmacol，2011，81(2):233-243.

［5］ Barros Francisco C N，da Silva Draulio C，Sombra Venicios G，et al.Structural characterization of polysaccharide obtained from red seaweed gracilaria caudata(J Agardh)［J］.Carbohydrate polymers，2013，92(1):598-603.

［6］ Rodríguez-Jasso Rosa M，Mussatto Solange I，Pastrana Lorenzo，et al.Extraction of sulfated polysaccharides by autohydrolysis of brown seaweed fucus vesiculosus［J］.Journal of Applied Phycology，2013，25(1):31-39.

［7］ Rabanal Melissa，Ponce Nora，Navarro Diego A，et al.The system of fucoidans from the brown seaweed dictyota dichotoma:Chemical analysis and antiviral activity［J］.Carbohydrate Polymers，2014，101:804-811.

［8］ 曲桂燕.五种褐藻岩藻聚糖硫酸酯提取纯化及其功能活性的比较研究［D］.青岛:中国海洋大学，2013.

［9］ 张换，曾艳，管于平，等. 响应面法优化海带多糖的酶法提取工艺及其抗氧化研究［J］. 食品科技，2013，38(5):197-202.

［10］张海艳，崔海萍.微波提取海带多糖的工艺研究［J］.江苏农业科学，2009(6):360-361.

［11］Rodríguez-Jasso Rosa M，Mussatto Solange I，Pastrana Lorenzo，et al.Microwave-assisted extraction of sulfated polysaccharides (fucoidan)from brown seaweed［J］.Carbohydrate Polymers，2011，86(3):1137-1144.

［12］ Xu Yang，Yang Baowei，Chai Bohua，et al. Extraction of polysaccharides from laminaria japonica by ultrasonic-associated enzyme method and its antimicrobial activity［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2010，26(Supplement 1):356-362.

［13］周奕，吴永沛，于立国.海带岩藻聚糖硫酸酯纯化去除重金属砷和铅的研究［J］. 水产科学，2012，31(2):102-106.

［14］史大华，刘玮炜，刘永江，等. 低分子量海带岩藻多糖的制备及其抗肿瘤活性研究［J］. 时珍国医国药，2012，23(1):53-55.

［15］Park Keunhyoung，Cho Eunhye，In Man-Jin，et al. Physicochemical properties and bioactivity of brown seaweed fucoidan prepared by ultra high pressure-assisted enzyme treatment［J］. Korean Journal of Chemical Engineering，2012，29(2):221-227.

［16］Yu L，Xue C，Chang Y，et al.Structure elucidation of fucoidan composed of a novel tetrafucose repeating unit from sea cucumber thelenota ananas［J］. Food Chem，2014，146:113-119.

［17］Chandía N P，Matsuhiro B.Characterization of a fucoidan fromlessonia vadosa(phaeophyta)and its anticoagulant and elicitor properties［J］.International Journal of Biological Macromolecules，2008，42(3):235-240.

［18］Choi J I，Kim H J.Preparation of low molecular weight fucoidan by gamma-irradiation and its anticancer activity［J］.Carbohydr Polym，2013，97(2):358-362.

［19］ Zhu Yang，Li Qian，Mao Guanghua，et al.Optimization of enzyme-assisted extraction and characterization of polysaccharides from hericium erinaceus［J］. Carbohydrate Polymers，2014，101:606-613.

［20］张文清，左萍萍，徐辰，等. 海带中岩藻多糖的分离纯化与结构分析［J］.食品科学，2012，33(1):68-71.

［21］ Synytsya Andriy，Kim Woo-Jung，Kim Sung-Min，et al.Structure and antitumour activity of fucoidan isolated from sporophyll of korean brown seaweed undaria pinnatifida［J］.Carbohydrate Polymers，2010，81(1):41-48.

［22］ Bilan M I，Grachev A A，Shashkov A S，et al. Further studies on the composition and structure of a fucoidan preparation from the brown alga saccharina latissima［J］.Carbohydr Res，2010，345(14):2038-2047.

［23］Lim Seng Joe，Wan Aida Wan Mustapha，Maskat Mohamad Yusof，et al. Isolation and antioxidant capacity of fucoidan from selected malaysian seaweeds［J］. Food Hydrocolloids，2014，36:1-9.

［24］Wang Jing，Wang Feng，Yun Hou，et al.Effect and mechanism of fucoidan derivatives fromlaminaria japonica in experimental adenine-induced chronic kidney disease［J］.Journal of Ethnopharmacology，2012，139(3):807-813.

［25］Benlier E，Eskiocak S，Puyan F O，et al.Fucoidin，a neutrophil rolling inhibitor，reduces damage in a rat electrical burn injury model［J］.Burns，2011，37(7):1216-1221.

［26］ Song M Y，Ku S K，Han J S. Genotoxicity testing of low molecular weight fucoidan from brown seaweeds［J］.Food Chem Toxicol，2012，50(3/4):790-796.

［27］ Immanuel Grasian，Sivagnanavelmurugan Madasamy，Marudhupandi Thangapandi，et al. The effect of fucoidan from brown seaweedsargassum wightii on wssv resistance and immune activity in shrimppenaeus monodon(fab)［J］. Fish ＆ Shellfish Immunology，2012，32(4):551-564.

［28］Kang G H，Yan B C，Cho G S，et al.Neuroprotective effect of fucoidin on lipopolysaccharide accelerated cerebral ischemic injury through inhibition of cytokine expression and neutrophil infiltration［J］. J Neurol Sci，2012，318(1/2):25-30.

［29］Moroney N C，O＇Grady M N，O＇Doherty J V，et al.Addition of seaweed (laminaria digitata)extracts containing laminarin and fucoidan to porcine diets:Influence on the quality and shelf-life of fresh pork［J］. Meat Science，2012，92(4):423-429.

［30］陈西英.海带多糖对绵羊精液冷冻效果的作用［J］.黑龙江畜牧兽医:下半月，2011(7):85-86.

［31］易静楠，曹佳琳，毛萱，等.岩藻聚糖硫酸酯-胶原复合支架的制备及其性能研究［J］.材料科学与工程学报，2014，32(4):480-483.