郭建行，賈頌華，李博潤，李珊珊，冀曉龍，2，3*，劉延奇，2，3*

（1.鄭州輕工業(yè)大學食品與生物工程學院，河南 鄭州 450001；2.食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450001；3.河南省冷鏈食品質(zhì)量安全控制重點實驗室，河南 鄭州 450001）

地球表面大約70% 的面積被海洋覆蓋，海洋中擁有豐富的海洋生物資源。大型藻類是其中之一，被人們廣泛利用的主要有紅藻門、褐藻門以及綠藻門三大類[1]，在生產(chǎn)上具有很高的經(jīng)濟價值和發(fā)展?jié)摿2-3]。紅海藻（Bangia fusco-purpurea）主要生長在太平洋和大西洋的亞熱帶和溫帶海域，廣泛分布于我國福建等沿海地區(qū)。紅藻種類繁多，包括紫菜、麒麟菜、石花菜、角叉菜、龍須菜、江蘺、馬尾藻等屬植物，紅海藻含有豐富的營養(yǎng)成分，是海藻中營養(yǎng)價值最高的天然水產(chǎn)之一[4]。據(jù)農(nóng)業(yè)百科全書記載，紅海藻是一種兼具藥食兩用價值的物質(zhì)，具有滋陰祛火及預防疾病等作用[5]，是一種暢銷的海洋綠色植物。紅海藻中含有許多生物活性成分，如多酚、黃酮、多糖、多種維生素（VA、VC、VE等）、多不飽和脂肪酸等[6-8]。

近年來，對于紅海藻的研究主要集中在多酚、黃酮等活性物質(zhì)，但隨著糖化學和糖生物學技術(shù)的快速發(fā)展，紅海藻多糖也逐漸成為國內(nèi)外學者研究的熱點。由于紅海藻多糖具有特殊的結(jié)構(gòu)特征和生物學特性，使其成為功能性食品和保健食品的來源；其生物活性主要包含抗氧化、免疫調(diào)節(jié)、抗病毒、抗癌和調(diào)節(jié)腸道菌群等[2，9-10]。紅海藻多糖的生物活性與其理化結(jié)構(gòu)密切相關(guān)；因此，研究紅海藻多糖的結(jié)構(gòu)特性是探索生物活性的基礎[11]。本文以紅海藻多糖的國內(nèi)外近期的研究成果為基礎，綜述紅海藻多糖的提取、分離純化、理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征、生物活性的研究現(xiàn)狀，以期為紅海藻多糖構(gòu)效關(guān)系研究提供理論依據(jù)，為進一步開發(fā)紅海藻多糖生物制品提供參考。

1 紅海藻多糖的提取、分離純化

1.1 紅海藻多糖提取

提取紅海藻多糖前需要對原料進行預處理，即清洗紅海藻，對新鮮紅海藻進行脫水干燥處理（常用的干燥方法有熱風干燥、真空冷凍干燥、旋轉(zhuǎn)干燥以及輻射干燥[12]等），然后對干制品進行粉碎過篩得紅海藻粉[13-14]，紅海藻多糖的提取、純化、結(jié)構(gòu)特征及生物活性如圖1所示。

圖1 紅海藻多糖的提取、純化、結(jié)構(gòu)特征及生物活性示意圖Fig.1 Schematic diagram of extraction，purification，structural characteristics，and biological activity of polysaccharides from red seaweed

紅海藻的品種、生長條件、提取條件以及提取方法等因素都會影響紅海藻多糖的提取率，甚至對多糖結(jié)構(gòu)生物活性產(chǎn)生一定的影響[2，15]。紅海藻多糖的提取方法有很多，主要包括溶劑浸提法（熱水浸提法、堿浸提法、酸浸提法）、酶輔助提取法、超聲輔助提取法、微波輔助提取法等，主要相關(guān)方法的原理及評價見表1。

表1 紅海藻多糖提取方法及評價Table 1 Extraction method and evaluation of red seaweed polysaccharides

1.2 分離純化

提取的紅海藻粗多糖通常含有蛋白質(zhì)、色素以及小分子化合物等雜質(zhì)，對多糖結(jié)構(gòu)分析和生物活性有較大的影響，所以雜質(zhì)的去除十分重要。去除紅海藻多糖中的蛋白質(zhì)通常采用Sevag法、三氯乙酸法、酶法。Sevag法除蛋白成本低、效果好，但經(jīng)過多次操作多糖損失大；三氯乙酸法操作簡單，但是會破壞多糖結(jié)構(gòu)；酶法除蛋白效果更好，雖不引入有機試劑，但耗時長、成本高，不適用于工業(yè)生產(chǎn)[25]。當紅海藻粗多糖有顏色時，需要進行脫色處理，常用的脫色方法有活性炭吸附法、過氧化氫氧化法、大孔樹脂吸附法。其中過氧化氫氧化法脫色效果最好，但須嚴格控制過氧化氫的用量，否則會導致多糖降解，目前應用范圍較廣的脫色技術(shù)是樹脂吸附法[2，26]。對于多糖中的小分子化合物一般會采用膜分離技術(shù)[27]，根據(jù)多糖分子量大小選取不同分子量截留膜，由于其操作簡單，易獲得膜材料，能夠用于未來工業(yè)化生產(chǎn)。

為了得到純度更高的多糖，還需對紅海藻粗多糖做進一步的分離純化，常用的分離純化方法主要有陰離子交換樹脂（DEAE Sepharose Fast Flow、DEAE Cellulose、DEAE Sephadex等）和凝膠過濾柱層析（Sephadex G、Sephacryl S、Sepharose CL等），它們是純化紅海藻多糖最有效的方法之一[28]，最后用不同濃度梯度的NaCl進行洗脫、收集、濃縮、透析、凍干得到純化的紅海藻多糖。Jiang等[29]采用Sephacryl S-400對提取的紅海藻多糖進行純化得到均一的紅海藻多糖。Geng等[30]采用Sephadex G-200對提取的粗多糖進行純化，得到兩種紅海藻多糖。通過柱層析純化可以獲得高純度的紅海藻多糖，能夠更進一步地對紅海藻多糖結(jié)構(gòu)進行解析，研究其生物學功能，以便深入挖掘紅海藻多糖構(gòu)效關(guān)系及其生物活性作用機理。

2 紅海藻多糖的理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征

紅海藻多糖生物活性與結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，探究紅海藻多糖結(jié)構(gòu)對研究生物活性及潛在構(gòu)效關(guān)系具有十分重要意義。紅海藻多糖的理化和結(jié)構(gòu)特征主要包括單糖組成、分子量、糖苷鍵的類型、糖苷鍵的構(gòu)型以及糖苷鍵的位置。目前主要采用化學分析、光譜分析以及色譜分析技術(shù)來確定多糖化學結(jié)構(gòu)，包括甲基化分析、Smith降解、氣相色譜、液相色譜、凝膠色譜、核磁共振等。紅海藻多糖種類、提取方法、分離純化方法都會對多糖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

2.1 理化特性

紅海藻多糖易溶于水，不溶于乙醇等有機試劑，純化后的多糖在260、280 nm處無紫外吸收峰，說明不含蛋白質(zhì)和核酸，在紅外光譜下檢測出多糖特征吸收峰。

2.2 平均分子量

紅海藻多糖理化性質(zhì)及生物活性與其分子量密切相關(guān)，通常采用高效液相凝膠色譜（high performance gel permeation chromatography，HPGPC） 結(jié)合多角度激光光散射折射率檢測器（multiangle laser light scattering-refractive index detector，MALLS-RID） 測定多糖分子量[31]。紅海藻多糖分子量一般分布在30kDa～610kDa，紅海藻多糖理化特性、化學結(jié)構(gòu)及藥理活性如表2所示[11，29，32-37]。

研究表明，一般植物多糖分子量在90 kDa以上時，基本上都能形成三股螺旋結(jié)構(gòu)并具有生物活性[38]。測定紅海藻水溶性組分及堿溶性組分分子量分布在6 kDa～2 400 kDa，且不同濃度的多糖分子量分布在10 kDa～1400 kDa，分子量分布廣泛與多糖組分復雜程度以及多糖溶解度有關(guān)[39]。從紫菜中提取的多糖分子量分布在7.86 kDa～600 kDa[40]，龍須菜多糖平均分子量為157 kDa[31]，這些多糖分子量的差異可能是由于不同生長環(huán)境因素、不同提取條件以及不同純化方式造成的。如超聲輔助提取馬尾藻多糖，經(jīng)過超聲處理后多糖分子量降低，這是因為長時間超聲波輔助提取會破壞多糖的分子鏈，使多糖主鏈斷裂進而導致分子量降低[41]。

表2 紅海藻多糖理化特性、化學結(jié)構(gòu)及藥理活性Table 2 Physicochemical properties，chemical structure，and pharmacological activity of red seaweed polysaccharides

2.3 單糖組成

多糖主要由單糖和糖醛酸組成，分析紅海藻多糖、單糖組成是研究結(jié)構(gòu)與生物活性的前提。紅海藻多糖經(jīng)過三氟乙酸水解糖苷鍵和衍生化后，通常用氣相色譜、高效液相色譜和質(zhì)譜技術(shù)聯(lián)用研究紅海藻多糖單糖組成。Malafronta等[42]采用不同的方式處理方式紅海藻多糖，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過處理后果糖、半乳糖、木糖、甘露糖、葡萄糖醛酸含量下降，而甘露糖醛酸、半乳糖醛酸含量升高，表明經(jīng)過高壓均質(zhì)和超濾處理后單糖含量增多。Yu等[11]從不同海域收集提取紅海藻多糖，它們主要由半乳糖、葡萄糖、木糖、果糖、阿拉伯糖和甘露糖組成，但不同海域單糖含量比例不同。Cui等[34]對紅海藻多糖進行純化，并對純化組分進行單糖分析，研究發(fā)現(xiàn)中性糖主要由半乳糖和木糖組成。紅海藻多糖的單糖組成主要受多種因素影響，如不同來源、提取純化方法以及生長條件等因素。

2.4 一級結(jié)構(gòu)

關(guān)于紅海藻多糖的一級結(jié)構(gòu)通常采用高碘酸氧化、甲基化、Smith降解、核磁共振技術(shù)來確定多糖骨架和分支結(jié)構(gòu)（表2）。另外采用DEAE-Cellulose離子交換色譜以及Sephacryl凝膠滲透色譜對紅海藻多糖進行分離純化，利用甲基化反應、紅外光譜、核磁共振技術(shù)對純化組分進行結(jié)構(gòu)解析，推斷多糖主鏈以及重復單元。 LJP-11 主鏈主要包含 1，3，6-Manp、1，4-Glcp；LJP-12 主鏈主要包含 1，4-Manp、1-α-D-Galp、1，3，6-Manp、1，6-Glup；LJP-31 主鏈主要包含 1，3，6-Manp、1，4-Glcp、1-β-L-Araf、1-α-D-Glap、1，4-Manp[43-44]。Jiang等[29]采用Sephacryl-400分離純化紅海藻多糖，利用Smith降解、甲基化分析、高碘酸鹽氧化、核磁共振技術(shù)對純化組分進行結(jié)構(gòu)解析，BFP主鏈主要由（1→3）-β-D-Galp、（1→3）-β-D-Galp6S-（1→ 4）-α-DGalp、（1→4）-α-D-Galp-（1→ 4）-α-L-Galp-（1 → 3）-β-D-Galp、（1→4）-α-D-Galp 組成。 采用強陰離子交換色譜和凝膠滲透色譜對海藻多糖進行分離純化，對純化組分HP2S進行主鏈結(jié)構(gòu)解析，HP2S主鏈主要由（1→2）-Rhap、（1→3）-Rhap 和（1→2，3）-Rhap 構(gòu)成，且硫酸根也位于碳鏈上組成硫酸化多糖[45]。通過研究紅海藻多糖的結(jié)構(gòu)，以探索它們的構(gòu)效關(guān)系及生物差異是至關(guān)重要的。

2.5 高級結(jié)構(gòu)特征

植物多糖空間結(jié)構(gòu)復雜，現(xiàn)有關(guān)海藻多糖高級結(jié)構(gòu)研究主要有掃描電鏡、原子力顯微鏡、X-射線衍射等方法對多糖高級結(jié)構(gòu)進行表征[46]。海藻多糖作為生物抑菌膜，在掃描電鏡下呈連續(xù)、無孔、光滑、無裂紋的形貌，且有擴散寬的衍射峰，表明多糖形成的膜是高結(jié)晶度的非晶態(tài)性質(zhì)[47]。Lakshmi等[48]從海藻中提取的海藻多糖在掃描電鏡下呈現(xiàn)較小微孔的海綿狀結(jié)構(gòu)，在X-射線衍射中有3個彌散峰。而且高濃度的多糖在原子力顯微鏡中呈現(xiàn)多個分子相互纏繞、折疊，形成緊密穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。多糖生物活性與空間結(jié)構(gòu)密不可分，對多糖高級結(jié)構(gòu)的研究有助于闡明多糖的構(gòu)效關(guān)系。

3 紅海藻多糖生物活性

近年來，隨著對紅海藻多糖研究的不斷深入，對其生物活性有了更全面的發(fā)現(xiàn)，免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、抗氧化、調(diào)節(jié)腸道菌群等生物活性對人類健康有不同程度的促進作用。

3.1 抗氧化

在生物體內(nèi)會產(chǎn)生各種活性氧自由基，導致細胞氧化損傷，從而導致機體各種疾病的發(fā)展，如心血管疾病、神經(jīng)性疾病、癌癥、腎臟疾病、動脈硬化以及糖尿病等，這是由于過多的氧自由基破壞了活性氧水平和自由基清除之間的平衡[49]。植物中含有許多天然活性成分被篩選出來作為抗氧化劑，尤其是多糖，具有很高的抗氧化能力。

體外自由基清除試驗是測定紅海藻多糖清除自由基能力的方法，包括ABTS＋自由基清除率、DPPH自由基清除率、還原力、超氧陰離子自由基清除能力、鐵離子還原能力等都被用于測定紅海藻多糖抗氧化能力。Jaballi等[33]采用DPPH法測定從紅海藻多糖分離CCP組分的抗氧化能力，在濃度為2 mg/mL時，紅海藻多糖分離組分具有幾乎和沒食子酸相同的抗氧化活性。從江蘺中提取純化的多糖組分對超氧陰離子自由基和ABTS＋自由基具有很強的清除能力，IC50為2.5 mg/mL，同時還能抑制脂質(zhì)氧化[50]。從龍須菜中分離出不同組分的多糖，它們抗氧化能力和濃度呈正相關(guān)，其中龍須菜多糖分離組分抗氧化活性最強。在體內(nèi)抗氧化實驗中，以江蘺中分離出的硫酸多糖，對大鼠進行腹腔注射，氧化應激反應有明顯效果，且各劑量均能提高過氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性[51]。紅海藻多糖在體內(nèi)外都顯示出了良好的清除自由基能力，因此可以作為食品添加劑或功能性保健產(chǎn)品原料。

3.2 抗腫瘤

目前植物多糖發(fā)揮抗癌作用的機制是通過激活宿主免疫反應發(fā)揮抗癌活性，誘導癌細胞凋零，直接作用于癌細胞將其殺死或抑制其生長[52]。He等[53]從條斑紫菜中分離出的兩種多糖PYP-20、PYP-50對正常人肝細胞HL-7702沒有毒性，但可以抑制Hep3B、HeLa和MDA-MB-231等癌細胞的增殖。朱正日等[54]探討海藻多糖對H22肝癌小鼠抗腫瘤作用機理時發(fā)現(xiàn)海藻多糖能夠抑制癌細胞生長，增強機體免疫能力，同時下調(diào)Bcl-2基因表達，達到抑癌效果。通過對比分離后多糖的分子量及結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)低分子量多糖片段對腫瘤細胞的抑制效果最好。

3.3 免疫調(diào)節(jié)

紅海藻多糖具有獨特的生物活性，尤其是免疫調(diào)節(jié)活性，不僅可以保護相關(guān)免疫器官，還可以增強巨噬細胞、淋巴細胞、自然殺傷細胞等免疫細胞功能[55]。巨噬細胞是主要的免疫細胞之一，主要通過吞噬功能發(fā)揮免疫活性。紅海藻多糖通過激活NF-κB和p38MAPK信號通路增強RAW264.7細胞的吞噬功能[56]。

研究發(fā)現(xiàn)，紅海藻多糖的免疫調(diào)節(jié)活性與多糖分子量大小以及多糖取代度有關(guān)。從紅藻中提取純化了4 種多糖組分 PHPD-Ⅰ、PHPD-Ⅱ、PHPD-Ⅲ、PHPD-Ⅳ并對其進行免疫活性比較，發(fā)現(xiàn)最低分子量組分（PHPD-Ⅳ）具有最高的免疫調(diào)節(jié)活性。對活性最高的組分PHPD-Ⅳ進行純化，純化組分PHPD-Ⅳ-4能明顯上調(diào)ERK1/2、JNK和p38的磷酸化水平，并呈劑量依賴性[57]。利用硫酸鹽修飾龍須菜多糖可以顯著提高吞噬細胞RAW264.7的吞噬增殖能力，并通過激活誘導型一氧化氮合酶、白細胞介素-6和腫瘤壞死因子-α基因表達，促進活性氧、一氧化氮、白細胞介素-6和腫瘤壞死因子-α的產(chǎn)生[56]。綜上所述，紅海藻多糖的免疫調(diào)節(jié)能力主要是抑制MAPK、ERK1/2、NF-κB的活性，促進細胞因子的分泌和巨噬細胞的吞噬作用來實現(xiàn)的，但是對紅海藻多糖的免疫活性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系缺乏系統(tǒng)的研究。

3.4 抗肥胖

長期使用抗肥胖藥物會引起嚴重的副作用，如胃腸道不良反應、肝腎功能損傷等，對身體產(chǎn)生嚴重危害[58]。因此，探索更加安全有效的藥物或功能性食品預防和治療肥胖已成為新的研究熱點。抑制脂質(zhì)的合成是有效的抗肥胖方法，高脂飲食會導致體重、體脂、膽固醇水平異常。在高脂食品中添加紅海藻多糖可以降低小鼠體重、肝臟脂肪以及血漿中膽固醇含量，多糖通過抑制SREBP-2和HMGR基因表達，使膽固醇轉(zhuǎn)化為膽汁，從而抑制膽固醇合成；（1→4）-β-D-Glu 單元通過抑制甘油三酯轉(zhuǎn)移蛋白基因、肝臟脂肪酸結(jié)合蛋白基因以及腸道脂肪酸結(jié)合蛋白基因的表達來降低脂肪含量[59]。硫酸化海藻多糖和龍須菜多糖通過抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶活性來達到抗肥胖作用[60]。將紅海藻多糖作為食品添加劑，研發(fā)抗肥胖和抗糖尿病的食品，以達到減脂的效果。

3.5 調(diào)節(jié)腸道菌群

植物多糖通過調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)功能、維護腸道屏障完整性來改善腸道微生物菌群穩(wěn)定，并為機體提供能量以及代謝產(chǎn)物。紅海藻多糖在唾液、胃以及小腸中的消化系統(tǒng)中缺乏相應的酶無法被消化吸收，但被盲腸和結(jié)腸中的微生物群代謝吸收[61]。短鏈脂肪酸是結(jié)腸細菌發(fā)酵代謝的主要產(chǎn)物，對宿主胃腸上皮細胞完整性、免疫功能、食欲調(diào)節(jié)和葡萄糖穩(wěn)態(tài)有重要影響。喂食高脂飼料小鼠體內(nèi)的短鏈脂肪酸水平顯著下降，而在添加紅海藻多糖時短鏈脂肪酸水平上升[62-63]。紅海藻多糖還能夠改善腸道微生物區(qū)系的組成和豐度，例如龍須菜中提取的硫酸化多糖能增加類桿菌、雙歧桿菌、乳酸菌等有益菌的豐度，降低厚壁菌、薩特氏菌等有害菌的豐度，調(diào)節(jié)腸道微生物菌群比例，增加有益菌群比例[64]。在未來還需對腸道微生物進行代謝組學研究，使其對紅海藻多糖的降解朝著對人體有益的方向進行。

4 結(jié)論與展望

對紅海藻多糖提取、分離純化、結(jié)構(gòu)特性及生物活性進行綜述，探討了紅海藻多糖構(gòu)效關(guān)系。目前紅海藻多糖的研究受到國內(nèi)外學者廣泛的關(guān)注，也取得了一定的成果，但對紅海藻多糖的研究還缺乏廣度和深度。紅海藻多糖的提取純化僅限于實驗室研究，未達到工業(yè)應用的要求；紅海藻多糖結(jié)構(gòu)多樣且復雜，而目前對其研究主要集中在一級結(jié)構(gòu)，未能深入挖掘多糖生物活性的構(gòu)效關(guān)系、量效關(guān)系；關(guān)于紅海藻多糖抗氧化、抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)等生物活性的研究多為體外研究，少有體內(nèi)研究和臨床試驗。未來，應圍繞創(chuàng)新高效的提取純化工藝，深入開展紅海藻多糖生物活性和臨床應用研究，明確作用機理、構(gòu)效關(guān)系和量效關(guān)系，為紅海藻多糖的開發(fā)應用提供理論依據(jù)。