韩梓琪,李雨晴,任丹丹,2,3,何云海,2,3,周 慧,2,3,汪秋宽,2,3
( 1.大连海洋大学 食品科学与工程学院,辽宁 大连 116023; 2.国家海藻加工技术研发分中心, 辽宁 大连 116023; 3.辽宁水产品加工及综合利用重点实验室,辽宁 大连 116023 )
褐藻聚糖硫酸酯又称岩藻聚糖,主要来源于褐藻、海参和海胆等生物。不同来源的褐藻聚糖硫酸酯结构因来源不同而存在差异、且较复杂。即使同一特定褐藻中的褐藻聚糖硫酸酯也可能存在不同的结构[1]。近些年来褐藻聚糖硫酸酯的大部分结构及其骨架已经被逐渐揭示[2];随着结构的揭示其功效或构效研究逐渐增多。研究发现,褐藻聚糖硫酸酯具有良好的保肝护肝[3-6]、降血脂[7-8]、降血糖[9]、抗炎[10-11]、抗肿瘤[12-15]、调节免疫系统[16-17]等多种生物活性,是天然的高附加值生物活性物质。褐藻聚糖硫酸酯分子质量约为10~17 ku,分子质量较大,黏度大,不利于人体吸收[18],研究发现,褐藻聚糖硫酸酯的吸收功效可能与其分子质量分布有关[19],因此,将褐藻聚糖硫酸酯降解成分子质量小、活性高、易于吸收的褐藻聚糖硫酸酯寡糖已成为研究热点。
褐藻聚糖硫酸酯作为杂环糖,其单糖主要由岩藻糖、半乳糖、甘露糖、鼠李糖、葡萄糖等组成;由于其单糖组成结构不同,由此使褐藻聚糖硫酸酯酶的降解变得复杂;以岩藻糖与岩藻糖链接的糖苷键是褐藻聚糖硫酸酯典型的链接键,其降解专一酶特异性切断岩藻聚糖链上的糖苷键,酶解反应柔和且效率高,被认为是一种具有广阔应用前景的生物催化剂[20]。生物活性取决于分子结构,褐藻聚糖硫酸酯的低分子质量化需要高纯度的褐藻聚糖硫酸酯降解酶,而目前对褐藻聚糖硫酸酯降解酶的研究较少,尚未明确定量分析其活性的方法。因此对降解酶的探讨或产酶菌的筛选仍是挑战,需要更多学者的进一步研究。
笔者重点概述褐藻聚糖硫酸酯寡糖的制备方法,综述褐藻聚糖硫酸酯降解成低分子质量褐藻聚糖硫酸酯的研究进展,分析褐藻聚糖硫酸酯酶的主要来源,以期对褐藻聚糖硫酸酯降解酶的进一步研究提供参考。
褐藻聚糖硫酸酯的相对分子质量大多分布为10 000~170 000,降解后的寡糖相对分子质量小,更易于人体吸收,对体弱人群适应性更佳,具有更高的生物活性,因此降解褐藻聚糖硫酸酯的相关研究较多。降解方法主要有物理降解法、化学降解法和生物酶法,生物酶法降解专一性强、条件温和、寡糖重复性好、硫酸基团不受损失、结构破坏性最小[21-22],是公认的最理想方法。
物理降解法的安全性使研究者们拓展了研究范围。包括高温高压、辐射等方法,操作简便,不添加化学试剂,同时也不需要脱盐和脱重金属处理,技术绿色环保。石德玲等[23]利用高温高压工艺降解了海参褐藻聚糖硫酸酯,研究了不同pH、温度和加热时间对海参褐藻聚糖硫酸酯降解的影响,结果显示,pH越小,温度越高,加热时间越长,褐藻聚糖硫酸酯的降解程度越大,分子质量降解至10~40 ku,降解过程中硫酸基团没有明显脱落。Lahrsen等[24]利用高温高压降解了鱼腥草中的褐藻聚糖硫酸酯,研究发现,当温度升高至120 ℃时,随加热时间的延长,褐藻聚糖硫酸酯分子质量逐渐降低,由38.2 ku降解至4.9 ku,降解过程未引起硫酸基团的脱落。Aida等[25]在180~250 ℃下降解褐藻聚糖硫酸酯,结果表明,温度的升高促进褐藻聚糖硫酸酯的降解。由此可见,温度和加热时间是物理降解的关键因素,温度越高,加热时间越长,褐藻聚糖硫酸酯的降解程度越大,因此通过控制温度和加热时间,可制备一定分子质量的褐藻聚糖硫酸酯寡糖。物理降解的另一方法为辐照降解。Choi等[26-27]通过γ射线辐照制备了低分子质量褐藻聚糖硫酸酯,以照射剂量为10 kGy的γ射线辐照褐藻聚糖硫酸酯,其分子质量快速由217 ku降至38 ku,逐渐降至7 ku;经紫外线吸收和傅里叶变换红外光谱分析结果证明,γ射线使羧基和碳双键增加,硫酸基团含量不变;γ射线辐照产生自由基,使褐藻聚糖硫酸酯糖苷键分解,降为小分子低聚糖,进而增强了褐藻聚糖硫酸酯的抗氧化活性。
超声法是利用频率大于20 Hz的机械波,高强度低频超声使局部温度和压力升高,形成的空化气泡和水解离的自由基形成崩溃而产生的剪切力发生机械效应,进而将大分子褐藻聚糖硫酸酯降解为小分子寡糖,也是降解褐藻聚糖硫酸酯的一个主要的物理降解法。Guo等[28]通过超声波制备低分子质量褐藻聚糖硫酸酯,其平均分子质量在30 min内由338 ku降至182 ku,经220 min降至91 ku;随着超声时间的延长,分子质量不再降低;FTIR和NMR的结构分析表明,超声处理保留了褐藻聚糖硫酸酯线性四糖重复单元,中间非硫酸化岩藻糖单元少量被破坏。Zhou等[29-30]研究发现,当降解条件为超声波功率800 W、温度30 ℃、超声时间4 h,降解得到分子质量为21 ku的低分子质量褐藻聚糖硫酸酯,同时发现超声波功率和反应温度与降解速率呈正相关。物理降解法无环境污染,适合于工业化生产,但研究发现其降解效率还比较有限,反应机理仍需进一步研究。
褐藻聚糖硫酸酯的化学降解研究探讨较多。薛勇等[31]利用稀硫酸(0.01 mol/L)在100 ℃下降解褐藻聚糖硫酸酯获得3个组分的低分子质量寡糖,分子质量分别为小于1 ku、1~5 ku和大于5 ku。蔡璐[32]对纯化制得的马尾藻(Sargassum)褐藻聚糖硫酸酯组分(F1、F2),分别采用稀硫酸进行降解,得到4个低分子质量组分,分子质量降至7.21 ku,总糖含量、硫酸基团含量变化较明显,分析表明硫酸能够断裂褐藻聚糖硫酸酯中的糖苷键,将褐藻聚糖硫酸酯切割成低分子片段,褐藻聚糖硫酸酯低聚糖的硫酸基团出现部分脱落现象。Hemmingson等[33]将风干裙带菜(Undariapinnatifida)叶片作为原料,将20 g原料添加至1 L 1%的硫酸溶液中,经80 ℃水浴加热2 h获得分子质量为19 ku的褐藻聚糖硫酸酯低分子糖,进一步分析发现,褐藻聚糖硫酸酯低分子糖的总糖含量、硫酸基含量、糖醛酸含量均降低。耿丽华等[34-35]利用稀酸水解降解褐藻聚糖硫酸酯,经Bio-Gel P4低压凝胶渗透色谱分离纯化,得到4种低聚合度硫酸化寡糖,其分子质量由100 ku降至2 ku,单糖组成分析发现,寡糖组成主要以岩藻糖为主(质量分数>55%),水解时间对甘露糖、鼠李糖、半乳糖和木糖的含量基本无影响,葡萄糖含量随着水解时间的延长而升高。Haug等[36]利用草酸(1 mol/L)在100 ℃降解褐藻聚糖硫酸酯得到聚合度10~30不等的寡糖。Niemelä等[37]利用碱液在95 ℃和135 ℃降解褐藻聚糖硫酸酯,发现有类似于糖精酸的二元酸和一元酸生成,说明褐藻聚糖硫酸酯结构受到损坏。酸降解反应相对剧烈,降解产物分子质量较大,反应过程伴随高温高压,很难将褐藻聚糖硫酸酯中的糖苷键全部水解,因此利用酸降解的方法只能降解一部分褐藻聚糖硫酸酯。碱降解主要利用β-消除反应,使糖苷键断裂,反应会导致多糖结构发生变化,因此碱降解很少被应用。
自由基氧化降解法[38-39]经常用来降解褐藻聚糖硫酸酯。齐俊华等[40]利用自由基氧化(H2O2)降解海参中的褐藻聚糖硫酸酯,其分子质量由658.16 ku降至9.37 ku;经高效凝胶排阻色谱分析,自由基氧化降解后的褐藻聚糖硫酸酯低聚糖的单糖组成变化较小,作者还发现低分子量褐藻聚糖硫酸酯可用于预防血栓、冠心病、心绞痛等疾病。赵雪等[41]采用H2O2-Cu2+自由基氧化结合分步超滤法,制备了分子质量为7.68、3.89 ku和1.55 ku的3个低分子组分,分子质量7.68 ku的组分主要由岩藻糖和半乳糖以2∶1的比例组成,分子质量3.89 ku的组分其岩藻糖含量明显低于7.68 ku的组分,硫酸基团含量超过30%,均高于原糖,糖环上的硫酸基团主要在4位,而1.55 ku组分硫酸基团含量低于原糖,说明出现硫酸基团的脱落。Ouyang等[42]利用30%的H2O2在90 ℃降解海带(Saccharinajaponica)中褐藻聚糖硫酸酯2 h,平均分子质量由172 ku降至9.550 ku,岩藻糖含量升高,硫酸基团含量降低。自由基氧化降解法反应过程比较简单,但反应相对剧烈,且对降解后的寡糖还原基有一定的破坏作用。
此外,部分研究利用自由基氧化降解和物理降解法相结合[43]的方式降解褐藻聚糖硫酸酯。Jo等[44]利用5% H2O2结合2.5 kGy的辐射降解了马尾藻中的褐藻聚糖硫酸酯,在超声波(US)或电子束(EB)的处理下,H2O2会发生离解,形成反应性羟基导致了降解。总之,化学降解法虽操作简便,技术成熟,反应机制明确,但反应剧烈,不易被控制,降解产物少,因此越来越多的研究者选择开发其他降解法。
生物酶法因其具有特异性强、对寡糖结构破坏少等优势成为研究热点[45-46]。Chen等[47]将从海带中分离的褐藻聚糖硫酸酯酶RC2-3对褐藻聚糖硫酸酯进行降解,研究结果表明,随着降解时间的增加,53.7%的褐藻聚糖硫酸酯分子质量低于2 ku,其平均分子质量由819 ku降至4.3 ku,单糖组成及硫酸基团含量无明显变化,从而证明酶降解对寡糖结构没有损坏。Kim等[48-49]利用源自鞘氨醇单胞菌PF-1的褐藻聚糖硫酸酯降解酶降解褐藻聚糖硫酸酯,得到分子质量为305~3749 u的7种半乳糖寡糖,经鉴定该菌株所释放的酶可能是具有内切作用的褐藻聚糖硫酸酯降解酶,该酶纯化后活性较其粗酶高约112倍,降解后的半乳糖寡糖主要由岩藻糖和半乳糖组成,硫酸基团含量无明显变化。Yu等[50-51]利用生物酶法降解海参褐藻聚糖硫酸酯,其分子质量由290 ku降至97.5 ku;降解后的低分子质量寡糖是一个由1→3键的四糖重复单元组成的低聚糖,硫酸盐含量为(26.9±3.5)%,与原褐藻聚糖硫酸酯的硫酸盐含量无显著差异,说明生物酶法具有对寡糖结构破坏小的优点。Charoensiddhi等[52]分别使用6种商业酶(Viscozyme、Celluclast、Ultraflo、Alcalase、Neutrase、Flavourzyme)降解褐藻聚糖硫酸酯,分子质量由1050 ku降至65 ku,酶降解效果显著。研究发现,生物酶法降解反应条件温和,特异性高,因此酶作为温和安全的催化剂已广泛应用于食品、医学等各个工业生产中, 在药物研发中优势也越来越大,是一种很有前途的降解方式。由于酶的特异性高,不同酶的作用机理不同,通过基因重组,合成一种全新的降解酶,对褐藻聚糖硫酸酯降解有待进一步研究。
褐藻聚糖硫酸酯酶的来源不同,特性各异,主要来源于海水、海藻植物体表面、进食海洋植物的动物消化道、土壤等,研究表明,该酶主要来源于微生物。不同的褐藻聚糖硫酸酯酶水解糖苷键的类型不同,水解底物存在特异性,因此,褐藻聚糖硫酸酯酶的多样性与褐藻聚糖硫酸酯的复杂结构相关。由于褐藻聚糖硫酸酯种类繁多,结构多样,硫酸化方式复杂,可将该酶根据微生物来源分为海洋、海藻体表面、海洋动物消化道。
来自海洋的褐藻聚糖硫酸酯降解酶主要来源于海洋环境中的产酶微生物。产酶微生物因其栖息地、生态作用的不同可以分泌不同的酶[53]。目前海洋微生物来源的褐藻聚糖硫酸酯酶主要是从区域性海水或海泥中分离出来的。霍立华[54]对青岛近郊海域采集的海藻、海水、鱼等180多种野生菌株样品进行研究得到形态各异的21株产褐藻聚糖硫酸酯酶菌种,其中海泥中分离得到的菌株数占比超过75%,诱变筛选出高酶活菌株ErysipelothrixRosenbach OU-A。王莹等[55]从青岛麦岛海域分离出副球菌(Paracoccussp. MD2),其分泌的胞内酶可有效降解褐藻聚糖硫酸酯。董书君等[56]从海泥中筛选出海洋细菌Flavobacteriaceaesp. CZ1127,可分离胞内褐藻聚糖硫酸酯酶,研究比较了超声破碎法、化学试剂法、溶菌酶法、渗透压作用、反复冻融等方法对Flavobacteriaceaesp. CZ1127胞内褐藻聚糖硫酸酯酶的提取效果,确定了超声破碎法为最优方法。Li等[57]从海水中发现一种海洋细菌DPE降解浒苔(Enteromorphaprolifera)中褐藻聚糖硫酸酯酶,研究通过优化海洋细菌DPE的培养使其活性由0.391 U/mL升至0.744 U/mL。
近些年,来自于海藻体表面的具有降解褐藻聚糖硫酸酯的微生物酶的相关研究较多。王莹[58]从荣成海域海带中筛选出一株产酶细菌RC2,属黄杆菌科,能够稳定产褐藻聚糖硫酸酯酶,该酶属于胞内酶,降解效果显著。Chen等[47]从海带中筛选出产酶细菌RC2-3,属黄杆菌科,研究发现,降解时间越长,该酶的降解效果越好,分子质量能够由819 ku降至1.5 ku。Gomaa等[59]从海藻表面分离了褐藻聚糖硫酸酯酶,研究发现,在产酶最佳条件下其酶活性为(4.05±0.3) U/mL。黄慧琴等[60]从海藻中筛选出产褐藻聚糖硫酸酯降解酶菌株HB12274,芽胞杆菌,该菌株产酶酶解液的TLC结果显示,经酶降解后可形成聚合度为2~7的褐藻聚糖硫酸酯寡糖。
动物内脏是褐藻聚糖硫酸酯微生物降解酶的另一来源。自鲍、海参、虾等动物的胰腺中均可提取到降解褐藻聚糖硫酸酯的酶。闫相勇等[61]以九孔鲍(Haliotisdiversicolor)肝胰腺为原料,分离纯化出褐藻聚糖硫酸酯降解酶和α-L-岩藻糖苷酶,这2种总酶活性分别为0.43 U/mL和0.27 U/mL,分离纯化后的褐藻聚糖硫酸酯裂解酶降解能力显著提高,降解率从2%~3%升至8%~15%。Kitamura等[62]从虾夷扇贝(Patinopectenyessoensis)的肝胰腺中分离纯化出褐藻聚糖硫酸酯酶,褐藻聚糖硫酸酯在24 h内其分子质量由480 ku降至50 ku,得到质量分数为29.9%的低聚糖。Bilan等[63]从Littorinakurila的肝胰腺中分离纯化出褐藻聚糖硫酸酯酶,研究发现,酶解反应过程中褐藻聚糖硫酸酯的结构、分子质量、化学键等特征均会影响褐藻聚糖硫酸酯酶的降解能力。Silchenko等[64]从海洋软体动物Lambissp.的消化腺中分离纯化出褐藻聚糖硫酸酯酶,该酶属于内切酶,能有效降解褐藻聚糖硫酸酯,其分子质量约为50 ku;最佳pH和温度分别为4.9和37 ℃;54 ℃下水浴20 min即可被灭活;Km值为1.3 mg/mL;Hg2+、Zn2+、Cu2+对该酶有抑制作用,Mg2+、Ba2+、Ca2+对该酶有促进作用(表1)。
褐藻聚糖硫酸酯的复杂结构为其降解增加了较大的难度。由于其主要来源于褐藻,因此目前大量的降解酶研究主要集中在海洋环境中的产降解酶微生物;但至今仍未发现高效降解褐藻聚糖硫酸酯的降解酶及其产酶微生物。由此,对褐藻聚糖硫酸酯降解酶的发现、作用机理和降解产物等研究还有待进一步深入。
表1 褐藻聚糖硫酸酯酶来源汇总Tab.1 Summary of sources of fucoglycan sulfate esterase
褐藻聚糖硫酸酯具有广泛的生物活性,与其特征性硫酸化岩藻糖骨架有关[65],主要的生物活性集中在抗氧化[66]、抗凝血[67]、降血糖[68]、降血脂[69]、降血压、抗肿瘤[70-71]等方面,另外还具有预防治疗风湿关节炎、肌细胞分化、肠道免疫[72-74]等作用。
续晓琪等[75]以海地瓜(Acaudinamolpadioides)褐藻聚糖硫酸酯为原料,用自主筛选的海洋细菌Flavobacteriaceaesp. CZ1127产生的FUCase酶解制备低分子质量产物(Am-LMF),结果表明,不同分子质量的低分子质量产物对超氧阴离子的清除能力具有显著差异。Mak等[76]研究发现,从新西兰裙带菜中提取的褐藻聚糖硫酸酯,经分离纯化降解后得到3个组分,均显示出强大的抗氧化活性,可能是天然抗氧化剂的良好资源。Xue等[77]通过轻度酸水解海带中的褐藻聚糖硫酸酯(F-A),得到低分子质量硫酸化多糖(L-A),比较发现,低分子质量硫酸化多糖具有更强的抗氧化作用。Wang等[78]研究发现,低分子质量褐藻聚糖硫酸酯通过减少细胞外基质的积累抑制肾纤维化和肾小球硬化,降低炎症反应和P-选择素的表达,维持肾小球基底膜和肾小球的结构完整性,改善肾小球的滤过功能。由于褐藻聚糖硫酸酯具有高抗氧化性和抗炎活性,可将其应用于化妆品、食品和药物工业中,用作抗氧化剂以及抗炎剂。
Jeong等[79]利用动物试验研究发现,低分子质量褐藻聚糖硫酸酯可有效抑制肥胖,维持db/db糖尿病小鼠体内的血脂和葡萄糖平衡,为了改善ERS诱导的胰岛素抵抗,从体内外激活AMPK,进而缓解2型糖尿病引起的代谢失衡。Chen等[80]利用GK大鼠模型研究发现了低分子质量褐藻聚糖硫酸酯对糖尿病性肾病(DN)具有预防保护作用,显著降低了糖尿病大鼠模型中血液肌酐和尿素氮,H·E、PAS和Masson染色的肾组织间质纤维化明显减少。Yu等[81]利用2型糖尿病Goto-Kakizaki大鼠模型研究发现,低分子质量褐藻聚糖硫酸酯能有效抑制心脏中活性氧的产生和肌细胞的凋亡,对糖尿病大鼠心脏功能障碍具有保护作用。付雪艳等[82]采用两肾一夹型建立肾血管性高血压大鼠的模型,研究发现,褐藻聚糖硫酸酯低聚糖能显著降低肾血管性高血压大鼠的动脉血压,高剂量(50 mg/kg)的低聚糖降压效果与14 mg/kg的卡托普利相当。随着褐藻聚糖硫酸酯降血糖、降血压活性研究的不断增多,可将其作为潜在的营养药物来调节体内血脂及葡萄糖的平衡以及动脉血压的稳定,而褐藻聚糖硫酸酯可作为制备功能性食品的潜在来源。
Delma等[83]分离提取出褐藻聚糖硫酸酯的5种组分,均对胰腺癌细胞有抑制作用,分子质量最低的F5组分能有效抑制胞浆中IκB水平的上调和NF-κB依赖性荧光素酶的活性,进一步证实了低分子质量褐藻聚糖硫酸酯可调节胰腺癌进程,靶向p53-NF-κB串扰使胰腺癌细胞凋亡。Hsu等[84]研究发现,低分子褐藻聚糖硫酸酯对三阴性乳腺癌(TNBC)细胞具有抗增殖活性,可有效降低乳腺癌细胞迁移和侵袭能力,抑制三阴性乳腺癌细胞中MAPK和PI3K的激活、AP-1和NF-κB信号传导,表现出显著的抗肿瘤活性。史大华等[85]利用MTT法检测褐藻聚糖硫酸酯的抗肿瘤活性,经酸水解法和自由基降解法制备低分子质量褐藻聚糖硫酸酯,其抗肿瘤活性不同,结果显示,活性与降解程度有关,轻度降解可提高抗肿瘤活性,过度降解会使活性降低,甚至丧失。目前,恶性肿瘤是威胁人类生命的重大疾病之一,仅依靠手术、化疗等方式治疗副作用大,使得研究逐渐转向具有此生物活性的天然化合物疗法,而褐藻聚糖硫酸酯是一种纯天然的抗肿瘤的药物,褐藻聚糖硫酸酯寡糖能够更有效地治疗相关疾病,但这部分研究相对较缺乏,因此低分子褐藻聚糖硫酸酯的抗肿瘤活性还有待进一步研究。
已有研究表明,褐藻聚糖硫酸酯降解后的低聚糖已被应用于医疗、工业、功能性食品等领域。Clément等[86]研究发现,含有支链的褐藻聚糖硫酸酯寡糖比线性结构的抗补体活性更高,核磁共振图谱显示与蛋白C4相互作用,可降低寡糖骨架的韧性,使其构象与蛋白C4识别的构象更接近,由此结果表明,褐藻聚糖硫酸酯寡糖的支链决定了其构象,对其抗补体活性有重要作用,为医疗领域的发展作了铺垫。Wu等[87]研究发现,低分子褐藻聚糖硫酸酯(LMF)对辐照NIH3T3细胞的代谢活性有影响,结果表明,低分子褐藻聚糖硫酸酯是一种预防或抑制辐射诱导的细胞组织纤维化(RIF)的候选药物。Suprunchuk[88]研究发现,开发高分子质量褐藻聚糖硫酸酯解聚或其低聚元素合成的方法势在必行。其提出2种方式得到低聚糖:(1)在天然多糖结构中引入额外的官能团,如硫酸盐、酰基、磷酸盐等;(2)靶向合成多糖片段,可在预先确定的硫酸化度、分子质量、控制得率和一定的纯化度的条件下生成链。这两种方式都将扩大低聚糖在制药工业中的应用范围。Charoensiddhi等[89]研究发现,降解大分子多糖可提高生物活性化合物的产量和回收率,增强其在抗氧化、抗炎和抗病毒方面的生物特性,这些化合物为开发新型食品提供了重要的新机遇。
褐藻聚糖硫酸酯低分子寡糖的制备研究已成为热点,为获得其低分子寡糖,研究者们已经利用高温高压、酸碱降解、生物酶法降解等途径寻求技术方法,结果发现,只有生物酶法降解对低聚糖或寡糖的破坏最小;由于褐藻聚糖硫酸酯杂环糖的特殊结构,使专一性强、保护低分子寡糖结构的高活性降解酶较难获得,因此未来大量探索褐藻聚糖硫酸酯酶的来源、分析降解酶的酶学性质及其降解位点的研究、低分子寡糖的构效研究势在必行;目前研究发现,褐藻聚糖硫酸酯酶来源主要来自海水、海藻体表面、海洋动物消化道,进一步探索海洋其他动植物,以期发现目标低分子寡糖的高效专一性强降解酶;同时探讨复合酶降解褐藻聚糖硫酸酯产生目标低分子寡糖的研究也有待进行。利用低聚糖或寡糖的功能性作用,为褐藻聚糖硫酸酯的高值化利用提供理论依据和技术支撑。