红藻多糖的生物活性及应用研究进展

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(1.中国水产科学研究院南海水产研究所,国家水产品加工技术研发中心,农业部水产品加工重点实验室,广东广州 510300; 2.上海海洋大学食品学院,上海 201306)

多糖广泛存在于各种生物体内,是一种结构十分复杂的天然高分子碳水化合物,其除了起到支架作用外,还存在着极其广泛的生物活性。中国海域面积辽阔,红藻资源优质且丰富,据统计,中国沿海已有记录的海藻物种多达1277种,其中红藻门就有607种[1],由于生活环境高压高盐、低温缺氧,红藻多糖的合成过程与陆生动植物多糖存在着许多差异,也更易于形成具有特殊结构和生物活性的物质[2-3]。近年来,随着 “海洋强国”战略的提出,我国对海洋生物的研究和开发也越加深入,从红藻中提取活性多糖具有极大的资源优势和重要的研究价值,因此对红藻多糖的研究也成为热点。本文就近年来国内外有关红藻多糖的生物活性研究及应用进展进行综述,以期为进一步开发利用红藻多糖提供参考。

1 红藻多糖的主要成分

作为海洋生物资源的一大重要组成部分,海藻的种类繁多,主要可分为红藻、褐藻、绿藻和蓝藻四大类。近年来,有关海藻中生物活性多糖的研究成为热点,国内外科学家已从多种海藻中提取分离得到琼胶、卡拉胶、褐藻糖胶、紫菜多糖等多种生物活性广泛的多糖。

红藻多糖是红藻中含量最多的生物活性组分,主要包括红藻细胞壁内的半乳聚糖、细胞质内的葡聚糖(即红藻淀粉)、组成细胞壁的甘露聚糖和木聚糖等等,且以半乳聚糖含量最高、研究最广[4]。根据结构不同,红藻中的半乳聚糖可分为琼胶、卡拉胶以及同时具有前二者特性的半乳聚糖。

琼胶主要提取自江蓠科(Gracilariaceae)、石花菜科(Gelidiaceae)及鸡毛菜(Pterocladiaceae)等红藻,在红藻中起到类似于陆生植物所含半纤维素的生物学功能[5]。琼胶又可分为琼胶糖和琼胶酯。其中,琼脂糖指的是以1，3连接的β-D-Gal和1,4连接的3,6-内醚-α-Gal重复交替连接形成的长链中性多糖。琼胶酯也称硫琼脂,是带有硫酸基的酸性多糖,占琼脂总含量的20%～40%[6],通常作为琼胶糖生产的副产物而被弃用,但近年来有研究表明,琼胶酯不仅可以提高生命机体的免疫能力,还具有十分优异的抗氧化、抗肿瘤等生物活性[7]。

卡拉胶又称角叉菜胶,是一种D-Gal的硫化线性多糖,通常提取自角叉菜属、麒麟菜属、沙菜属等红藻中,根据其硫酸基团含量及位置的不同可分为κ、λ等7种类型,其中以κ-卡拉胶应用最为广泛,因其流变特性及凝胶性能优异,在食品、药品等行业都得到广泛应用[5]。

除琼胶和卡拉胶外,红藻多糖还包括一类含量较低的红藻淀粉,其主链为1,3-β-D-Glc,含有少量1,6-Glc分支。红藻淀粉与高等植物所含淀粉在物理、化学性质方面并无明显差异,但具有较好的耐热性能,不易胶化[4]。

2 红藻多糖的生物活性

对于多糖生物活性的研究始于20世纪50年代末,当时科学家通过研究发现真菌多糖具有抗癌的功效,自此开始了对动植物多糖生物活性的广泛探讨与研究。红藻多糖多为富硫酸基多糖,具有广泛的生物活性,其功能主要取决于其分子量大小、硫酸基含量、单糖组成及排序等因素,在抗炎、抗氧化、抗病毒、抗肿瘤、降脂、降血糖等多方面表现出良好的生物活性,极具开发前景[8]。本文重点就红藻多糖的抗病毒、抗炎、抗凝血、调节脂质代谢以及降血糖生物活性进行综述。

2.1 红藻多糖的抗病毒活性

病毒是一种个体微小、结构简单、必须在活体细胞内寄生、以复制形式增殖的非细胞生物。病毒如艾滋病毒(human immunodeficiency virus,HIV)、狂犬病毒等感染一直是威胁人类健康的世界性问题,目前市面上销售的抗病毒药物大多存在一定的副作用,因而开发天然、无毒副作用的抗病毒药物具有重要意义。红藻多糖的抗病毒作用最早报道于1958年,由Gerber等[9]研究发现,石花菜(Gelidiumcartilagenium)中提取的多糖具备抗流行性腮腺炎病毒和抗流感B病毒的活性,此后科学家们通过不断的研究,又逐渐发现红藻多糖对包括HIV、单纯疱疹病毒(herpes simplex virus,HSV)等在内的多种病毒都具有良好抗性,通常认为其抗病毒活性与其含有的硫酸化多糖有关。大量研究表明,红藻多糖不仅成分天然、使用安全,而且在抗病毒的同时还能起到抗炎作用,增强机体免疫,阻止病毒侵入细胞组织,极具研究开发价值。Mendes等[10]研究证实了海萝(Cryptonemiaseminervis)中的硫酸化半乳聚糖及其降解产物具有抗人类偏肺病毒(human metapneumovirus,HMPV)的活性,其作用机制主要是在病毒感染周期的早期阶段,通过与病毒粒子结合来抑制HMPV对细胞受体的识别和对宿主细胞的侵入;另有研究发现麒麟菜硫酸多糖具有显著的抗HSV-1型疱疹病毒和柯萨奇B3病毒(Coxsackie virus B3,CVB3)作用,且麒麟菜多糖(ESPA和ESPA2)不仅可以直接杀灭病毒,还可进入细胞或吸附在细胞表面发挥抑制病毒的作用,抗病毒活性均优于阿昔洛韦(acyclovir,ACV)[11];Zhang等[12]对包括红藻门的小石花菜、龙须菜和蜈蚣藻在内的七种南海藻类多糖抗病毒活性进行了研究,结果发现这些多糖均具有良好的抗HSV-1型疱疹病毒和CVB3病毒作用,且蜈蚣藻多糖能够明显抑制HSV-1型疱疹病毒,IC50约3.90 μg/mL,SI高达296.4,小石花菜多糖对CVB3病毒具有显著的抑制作用,IC50为7.81 μg/mL,SI为212.0,此外,通过理化实验结果发现上述红藻多糖均为硫酸酯多糖,其抗病毒效果与硫酸基含量密切相关。病毒侵入人体要经历吸附、侵入、合成、装配,释放这几个阶段,由上述研究结果可发现,红藻多糖的抗病毒作用机理主要在于其对于病毒生存周期的不同阶段进行干扰,通过抑制病毒在动物体内的不同感染阶段来清除病毒粒子。

2.2 红藻多糖的抗炎活性

炎症是机体免疫系统对有害刺激的非特异保护反应,通常情况下炎症是有益的,是人体的自我修复和保护措施,但长期发炎会引起一系列的健康危害,因此研究天然产物的抗炎作用十分有必要。Levy-Oshrat等[13]研究了红藻多糖在冠状动脉内皮细胞中的抗炎作用,发现红藻多糖可明显抑制肿瘤坏死因子(tumour necrosises factor-α,TNF-α)刺激的冠状动脉内皮细胞中核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)的活化,并降低炎症因子细胞间黏附蛋白-1(intercellular cell adhesion molecule-1,ICAM-1)及血管细胞黏附分子-1(vascular cell adhesion molecule-1,VCAM-1)的生成,与此同时,红藻多糖可增加NO的生成和抑制内皮素-1(endothelin-1,ET-1)的产生,使得内皮功能也得到明显改善;Nicolau等[14]对江蓠(Gracilariacaudata)中所提取的硫酸多糖的抗炎和镇痛作用进行了评估,采用角叉菜胶、右旋糖酐、缓激肽和组胺诱导瑞士系小鼠建立足肿胀和腹膜炎模型,并测定小鼠腹膜液和足爪局部炎症组织中髓过氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)活性以及TNF-α和白细胞介素1(interleukin-1,IL-1β)水平,以此来研究江蓠多糖的抗炎活性,测定结果显示,江蓠硫酸多糖能显著且剂量依赖性地抑制角叉菜胶诱导的足肿胀和腹膜炎,10 mg/kg的江蓠硫酸多糖对右旋糖酐、组胺引起的足肿胀同样具有抑制作用,但对缓激肽所致的足肿胀没有影响,最终结论表明,江蓠硫酸多糖可通过减少中性粒细胞迁移以及降低细胞因子浓度来降低小鼠的炎症反应和痛觉过敏;Araújo等[15]研究了红藻(Solieriafiliformis)硫酸酯多糖对福尔马林诱导的大鼠颞下颌关节炎性痛觉过敏的影响,结果表明该红藻硫酸酯多糖可显著抑制TNF-α和IL-1β的释放,与此同时还可显著提高大鼠炎症组织中β-内啡肽的含量,实现对大鼠的镇痛和消炎效应,其机制为激活炎症组织范围内的阿片受体,抑制关节周围组织炎症介质的释放。由上述研究结果可以看出,红藻多糖的抗炎生物活性很可能与其硫酸化多糖有关,目前关于红藻多糖中硫酸基团与炎症之间的关系还尚未有明确定论,但是市面上常见抗炎药物如阿司匹林等,其起到抗炎作用的重要基团就是羧酸基团,由此可作猜想,红藻多糖的抗炎作用机制可能是其在体内降解产生的酸性多糖片段与炎症相关受体结合,从而部分抑制或阻断炎症因子的表达。

2.3 红藻多糖的抗凝血活性

藻类硫酸多糖具有类似肝素的结构,因而具有抗凝血活性。其抗凝血机制也与肝素类似,主要是提高抗凝血酶Ⅲ的活性,抑制血液凝固过程中必需的丝氨酸蛋白酶、凝血酶及活化因子的活性[16]。相较肝素而言,藻类多糖具有天然、安全、无副作用的优势,因而成为新型抗凝血剂的研究材料广受关注。Pushpamali等[17]利用红藻门的链状节荚藻(Lomentariacatenata)本身存在的非选择性微生物发酵经冷冻干燥的藻体,从中获取具有抗凝活性的红藻多糖,通过活化部分凝血活酶时间(activated partial thromboplastin time,APTT)、凝血酶原时间(prothrombin time,PT)和凝血酶时间(thrombin time,TT)测定所得多糖的抗凝活性,并与肝素进行了比较,结果表明,该抗凝多糖可显著延长APTT和PT,且效果优于肝素;Lee等[18]对8种红藻中的共22种热水提取物的抗凝血活性进行了研究,结果表明这些提取物均可有效延长APTT,其中从红藻L.catenata和S.dubyi中提出的粗多糖的抗凝血活性最高;施松善等[19]发现,以尾静脉注射和口服两种方式给昆明种小鼠摄入长叶蜈蚣藻(Grateloupialongifolia)多糖,均可延长APTT、PT和TT,其作用效果弱于肝素的抗凝血效果,但作用时间长于后者,具有效果适中、时效延长的抗凝血作用。

2.4 红藻多糖调节脂质代谢活性

近年来随着人们生活水平的提高,高血脂、肥胖以及由此引起的相关疾病患病率呈迅速增加态势,且发病人群趋于年轻化,已逐渐成为世界各国人民健康的一大威胁[20-21]。据国家卫生和计划生育委员会在其官网发布的《中国居民营养与慢性病状况报告(2015年)》显示,我国18岁及以上成人超重率高达30.1%,肥胖率高达11.9%,全国6～17岁青少年超重率、肥胖率分别高达9.6%、6.4%[22]。由此可见研究天然无毒、疗效稳定且可长期应用的脂质代谢调控产品具有十分巨大的市场需求。多项研究表明,红藻多糖可促进肠道蠕动、减少脂肪吸收、改善脂质代谢,近期已有学者对相关研究进行详细综述[21,23-24]。Jin等[25]以条斑紫菜为实验原料,对条斑紫菜中所提紫菜多糖的降血脂生物活性进行了研究,在对ICR小鼠给药28 d后,发现小鼠体内的甘油三酯(triglyceride,TG)、总胆固醇(total cholesterol,TC)及低密度脂蛋白胆固醇(low density lipoprotein cholesterol,LDL-C)/高密度脂蛋白胆固醇(high density lipoproteincholesterol,HDL-C)值明显降低,同时对于高脂饮食引起的肝损伤具有一定的减轻作用,可促进小鼠肝损伤修复;Wang等[26]研究了坛紫菜多糖作为膳食补充剂在小鼠体内的降血脂和抗氧化作用,结果同样表明,坛紫菜多糖对于急性高脂血症小鼠的肝脏具有一定的保护作用,其机制可能是通过抗氧化作用改善了肝脏的脂质调节功能,提高了肝脏中抗氧化酶水平;作为生产琼脂的主要原料,石花菜的降脂功能也不容小觑,其所含的水溶性膳食纤维可有效降低糖尿病大鼠的血浆、肝脏中总胆固醇和甘油三酯含量[27-28],其作用机制可能为激活脂肪分解作用,增加粪便中胆固醇和甘油三酯的排出量。由上述研究结果可知,红藻多糖对于脂质代谢的调节一方面体现在对于胆固醇合成的调控,主要表现为抑制胆固醇的合成;另一方面还可通过抗氧化作用降低体内脂质的过氧化水平,促进胆固醇的排出。综上,红藻多糖具有良好的改善脂质代谢功效,因而在预防高血脂症及肥胖症等由脂质代谢紊乱引起的疾病方面具有很大的潜力。

2.5 红藻多糖降血糖活性

糖尿病是最常见的慢性代谢性疾病之一,据国际糖尿病联盟数据报道,2014年全球糖尿病患者数量为3.87亿,而最新数据显示,2017年全球糖尿病患病人数已增长至4.25亿,其中我国患病人数最多,为1.14亿[29]。糖尿病不仅严重危害人类身体健康,而且长期治疗而产生的巨额费用也给患者带来生活上的负担。开发天然降糖药物,一方面药物安全性得到保障,另一方面也可降低糖尿病治疗成本,其重要性显而易见[30-32]。多数红藻中都含有较高可溶性膳食纤维,如卡拉胶、琼脂等,可延缓胃排空,有效降低葡萄糖吸收[33]。Liao等[34]对龙须菜多糖及其降解产物的降血糖功效进行了研究,结果显示龙须菜多糖(分子量121.89 kDa)及其降解片段(分子量57.02和14.29 kDa)均可使四氧嘧啶致糖尿病小鼠的血糖水平明显降低,此外小鼠肝脏谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性及总抗氧化能力((total antioxidant capacity,T-AOC)均得到明显提高;龙须菜多糖(分子量21.2 kDa)对链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠同样具有显著的降糖功效,且其在调节胰岛素水平、血脂参数和血尿素氮水平方面的效果优于二甲双胍[35];Kitano等[36]以条斑紫菜为原料,研究了紫菜多糖对KK-Ay 2型糖尿病小鼠糖代谢的影响,结果显示,与对照组相比,饲喂紫菜多糖的小鼠血浆胰岛素水平及胰岛素抵抗指数(homeostasis model assessment-insulin resistance index,HOMA-IR)均明显下降,而血浆脂联素水平明显升高,说明紫菜多糖可能是通过上调血浆脂联素水平改善糖代谢的;Chakraborty等[37]研究了卡帕藻(Kappaphycusalvarezii)和江蓠(Gracilariaopuntia)中提取的硫酸多糖的抗炎及抗糖尿病活性,结果表明所提红藻硫酸多糖具有预防和治疗2型糖尿病的生物活性,酶活性测定结果显示,这两种红藻多糖对α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶和二肽基肽酶-4(DPP-4)的活性均有抑制作用;Yang等[27]通过研究发现石花菜(Gelidiumamansii)多糖同样具有调节糖脂代谢的效用,其降血糖活性可能与其高水溶性纤维含量有关。综上所述,红藻多糖在糖尿病的预防和治疗方面的有益作用已从动物实验结果中得到证实,其作用机制可以总结为对参与糖代谢的酶的活力进行调节以及对糖代谢相关激素水平的调控。然而对于其防治糖尿病的有效性和安全性尚无可靠的临床数据,仍需进行深入和系统的研究。

2.6 红藻多糖的其他生物活性

除上述活性,文献报道藻类多糖还具有抗氧化、抗辐射、抗肿瘤等多种生物活性。新的研究表明,包括麒麟菜在内的多种藻类的硫酸化多糖可有效预防肾结石,其作用机制为抑制草酸钙的成核、生长和聚集,防止肾小管细胞受损,从而防止晶体的附着和内化[38];聂磊等[39]对深圳海滨潮间带常见的藻类多糖活性进行了研究,结果表明,与褐藻和绿藻相比,红藻胞外多糖不仅含量高,且自由基清除能力和总抗氧化能力同样高出其他藻类,其中以蜈蚣藻和江蓠胞外多糖抗氧化能力最为突出;此外,红藻中的硫酸多糖还具有一定的止泻作用,对急性和分泌性腹泻有着显著的疗效,可作为治疗腹泻的天然替代药物应用[40]。红藻多糖种类繁多且具有多种生物活性功能,广泛参与细胞分化、胚胎发育等各种生命活动,已成为现代医学领域、食品营养学领域共同关注的热点,具有很大的发展潜力。

3 红藻多糖的应用

红藻多糖是自然界中含量最丰富的生物大分子之一,由于其生物相容性、生物降解性、高含水性和优良的膜特性,可作为分散剂、涂料、稳定剂、包装和增稠剂广泛用于食品行业。由于红藻多糖存在广泛的药理作用,尤其在降血脂、降血压、抗氧化等方面效果明显,因而也在医疗保健领域得到越来越多的关注,近年来,添加有红藻多糖成分的医疗保健品的不断问世正验证了这一点。除了用于食品和医疗保健外,红藻多糖还可扩大其应用领域,作为良好的润滑、保湿剂应用于石油、化妆品行业,以及作为绿色安全的饲料添加剂应用于动物养殖业等。本文将重点论述红藻多糖在食品、医药以及化妆品领域中的应用。

3.1 食品领域的应用

红藻多糖在食品工业中的应用主要基于其凝胶性、乳化性和稳定性,可作为食品添加剂广泛应用于糖果、果冻、冰淇淋、乳制品等食品中,以改善及稳定产品的质构。此外,红藻多糖还可作为涂膜或可食性薄膜用于食品包装,具有很好的应用价值和开发潜力。

在肉糜制品加工过程中加入适量κ-卡拉胶能够明显提高肉糜制品的品质,改善产品的凝胶性能[41-42];Ramu等[43]利用半精制卡拉胶和石莼聚糖生产新型食用膜,结果表明海藻多糖与甘油结合制成的复合薄膜能显著改善膜的理化和力学性能,甘油作为增塑剂显著升高了薄膜的断裂伸长率,这为开发食品包装可食性薄膜提供了新的思路;此外,卡拉胶还可用于啤酒酿造工业,有多项研究表明卡拉胶可改善麦汁质量,加快麦汁过滤速度,是一种理想的天然啤酒澄清剂[44-45]。红藻中提取出的琼脂具有与卡拉胶相似的性能,在糖果、果冻等食品生产中广泛应用,依靠琼脂的凝胶性能所制成的软糖、果冻等产品具有透明、弹性好、货架期长的特点,广受消费者喜爱[46]。

3.2 医药领域的应用

红藻多糖具有广泛的生物活性,在药物制剂方面具有巨大的开发潜力。在国内市面上售有名为“感愈乐”的红藻多糖提取物鼻喷剂,该药物安全性高、疗效确切、无副作用,孕妇和儿童均可放心使用;由红藻中提取的卡拉胶制成的阴道杀菌剂,可有效阻止人乳头状瘤病毒(human papillomavirus,HPV)引发的性病的传播,还可在无保护性行为中防止性病传播[47-48];红藻中的硫酸多糖在药物输送系统设计中也发挥着重要的作用,由卡拉胶制成的软胶囊囊皮在耐高湿、耐高温性能方面甚至优于传统动物明胶胶囊[49],在体内还可激活巨噬细胞,发挥免疫调节作用[50]。

近十年来,虽然关于红藻多糖生物活性的报告层出不穷,但临床试验研究较少,极大限制了红藻多糖在医学领域的应用,未来应加强对红藻多糖药物研究的重视,深入研究红藻多糖生物活性的作用机理,以求研发出更多天然药物造福人类。

3.3 化妆品领域的应用

红藻多糖所具有的保湿、抗氧化作用使其在化妆品领域也占有一席之地,通常会作为增稠剂、水结合剂及抗氧化剂加入到化妆品中。杨亚云[51]以条斑紫菜、坛紫菜、铜藻和浒苔为研究对象,对其含有的多糖在化妆品中的应用进行了研究,结果表明,这些藻类多糖都具有一定的紫外线防护效果,且以上述四种藻类多糖为功能原料复配制成的护肤霜具有良好的护肤效果;紫菜中的多糖、多肽类物质对皮肤和毛发有很强的亲和力,能对头发起到保湿、柔顺的作用,并可有效减少静电对头发产生的损伤[52];由于红藻多糖具有良好的抗氧化性能,在化妆品配方中添加红藻多糖可起到促进胶原蛋白生成、防止皮肤老化的作用[53];此外,红藻多糖还具有良好的抑菌生物活性,使得配方中含有红藻多糖成分的化妆品具有了一定的抗菌消炎功效。我国红藻资源丰富,以质优价廉的红藻多糖为物质基础生产护肤、护发、化妆产品,具有极大的市场价值和应用价值。

4 展望

近年来,红藻多糖因其种类繁多、资源丰富、生物活性广泛受到国内外科学家的高度关注,并针对其提取、分离纯化、生物活性等方面开展了大量的研究。以红藻多糖为物质基础,利用新技术新工艺生产大批量具有重要价值的医药用品、食品、化妆品,已成为学术界和产业界共同的奋斗目标。虽然关于红藻多糖的研究已取得很大进展,但仍然存在一些亟待解决的问题:红藻多糖的提取方法虽然渐趋多样化,但多数方法仍仅停留于实验室阶段,工业化生产的可能性不大;对红藻多糖的结构研究主要集中在单糖组成、分子量等,但对其高级结构的报道仍为罕见;关于红藻多糖生物活性的研究虽多,但缺乏深入的药理研究及临床研究报道。总之,要实现红藻多糖的进一步开发和应用,就必须先解决目前面临的这些问题和挑战。随着现代分析技术、生物技术和酶工程的快速发展,相信在不久的将来,藻类多糖的快速高效提取、高级结构的解析以及生物活性作用机理都将不是难题,相信未来可以制造出工业规模的红藻多糖产品。