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　　中国海洋大学食品科学与工程学院的黄友涛、李东钰*、牟海津*等人主要从AOS的制备方法和构效关系两个方面，系统阐述不同制备方法降解褐藻胶的机理以及所获得AOS的结构特征，并进一步深入解析AOS结构差异与所发挥功效之间的潜在关系，以期为AOS的研发与精准应用提供重要的理论支撑。

　　AOS的活性受其糖醛酸组成和DP的影响，不同制备方法所获得的AOS结构差异较大。AOS的制备方法主要有有机合成法和降解褐藻胶法。如图3所示，有机合成法是以L-抗坏血酸为前体，通过化学反应使其分别变成L-古罗吡喃糖基三氯乙酰亚胺酯和1,6-内醚-2,3-二-O-苄基-β-L-古罗吡喃糖。然后，以L-古罗吡喃糖基三氯乙酰亚胺酯作为起始物，1,6-内醚-2,3-二-O-苄基-β-L-古罗吡喃糖作为延伸物，按照非还原端到还原端的顺序制备得到AOS。降解褐藻胶法是采用化学法、物理法和生物法，将褐藻胶的糖苷键断裂，从而得到小分子的AOS。与有机合成法相比，降解褐藻胶法更易操作、成本较低，是目前最常用的制备AOS方法。

　　化学法是一种传统制备AOS的方法，主要包括酸解法、碱解法以及氧化降解法，其原理是通过化学试剂将褐藻胶降解为低分子质量的AOS片段（图4），该方法操作简单、成本较低，但是反应过程不易控制、产物分子质量分布较广，且副产物较多，使AOS分离纯化困难。

　　酸解法的主要特征是对多糖链的随机降解，并产生己糖醛酸残基未被修饰的AOS片段（图4A）。通常采用的酸有盐酸、甲酸等，其中盐酸是较早用来降解褐藻胶的酸。酸解法简单易操作，能稳定获得固有结构特征的AOS，缺点是需要用碱中和剩余的酸，酸碱中和产生大量的盐给后续AOS的分离纯化造成困难，此外，酸解法需要在较高的温度下进行，反应剧烈不易控制并且产物外观颜色较差。

　　碱解法的原理是在碱性环境中，通过β-消除反应使褐藻胶的糖苷键断裂，C-5上的质子被夺走，同时羧基诱导电子从C-4位上向C-5位转移，如图4B所示，产物的C-4和C-5位形成与羧基共轭的双键。Niemel等分别在95 ℃和135 ℃利用浓度为5 mol/L和2 mol/L的氢氧化钠溶液降解褐藻胶，发现在高浓度的碱液下褐藻胶会降解产生脱水异糖精酸、糖化异糖精酸等物质，而在低浓度碱液中褐藻胶降解为2,3-二脱氧戊糖酸。

　　与酸解法和碱解法相比，过氧化氢（H2O2）氧化法是一种更环保的制备方法，副产物主要是H2O。关于H2O2降解褐藻胶的确切机制尚不明晰，目前较为公认的是H2O2在反应过程中产生的羟自由基通过攻击糖残基上的C-1位的氢诱导糖苷键的降解（图4C）。氧化法制备的AOS在氧化降解过程中容易在还原端开环形成羧基，称为AOS-氧化降解产物（AOSOD）。杨钊等利用体积分数5%的H2O2溶液在90 ℃条件下和PM溶液反应2 h，制备得到了MAOS，与酸解法相比，氧化降解法制备的寡糖具有更洁白的色泽。氧化降解法同碱解法一样会得到具有特殊结构的AOS，但氧化降解法所得特殊结构单一且反应过程更稳定。

　　γ射线、紫外射线、微波辐射、水热法和超声法是主要的物理降解方法。如图5所示，物理法制备所得的AOS不会发生结构改变。物理法对褐藻胶的降解作用明显，但制备过程中需要消耗大量能源，成本较高。

　　γ射线、紫外射线和微波辐射统称为辐射法，原理是通过不同射线对褐藻胶进行照射使其糖苷键断裂，从而得到AOS。研究发现20～100 kGy的γ射线对褐藻胶进行辐射所产生的AOS化学结构没有显著影响。Mollah等研究发现当辐射剂量从12.5 kGy升至50 kGy时，产物的DP从50降到5。紫外照射法操作简单、产率高（90%），同时二氧化钛容易去除，这为食品行业制备AOS提供了新思路。用微波辐射褐藻胶可以制备DP为1～10的GAOS，与传统的酸水解方法相比，微波降解方法不仅操作方便、耗时短、环境友好、减少了脱盐过程，而且制备所得的GAOS产率高（71%）。

　　水热降解法也是一种常用的物理法。将水加热到超临界状态，超临界水可以溶解大量的氧气，具有黏度低、扩散系数高、表面张力低等性质。以超临界水为介质，能迅速将褐藻胶降解为AOS。 Aida 等 在 180 ～ 250 ℃条件下，采用水热降解法将褐藻胶溶液中 M-M 、 M-G 和 G-G 之间的糖苷键断裂并产生 AOS ，降解 过程反应迅速并表现出一定选择性， M-M 糖苷键优先断 裂，其次是 M-G 和 G-G 糖苷键。 根据不同温度下水解过程的动力学差异，通过改变温度选择性生产MAOS、GAOS和HAOS的方法有待进一步研究。 水热降解法具有快速、高效且无污染等优点，但对 反应条件要求较高，反应机理也有待深入探究。

　　超声降解的原理是物质的质点在超声波的作用下会产生极高的运动加速度，发生激烈的碰撞，从而导致大分子物质内部共价键的断裂。袁丽等利用超声波降解褐藻胶并用其降解产物浸泡南美白对虾，对虾的最终质量增加率为14.11%。通过改变超声波的频率，可以制备不同分子质量和M/G值的AOS，所以超声降解具有定向制备AOS的潜力。

　　生物法是直接通过微生物发酵或者利用褐藻胶裂解酶对褐藻胶进行酶解制备AOS的方法，此方法绿色环保、能定向制备AOS，但制备效率受褐藻胶裂解酶活力的影响。

　　目前，多糖利用位点（PUL）体系是研究较为透彻的微生物利用褐藻胶的代谢途径。PUL体系中PULs是褐藻胶降解的相关基因座，PULs编码相关褐藻胶裂解酶、SusC蛋白、SusD蛋白、MFS转运蛋白，细胞外膜的褐藻胶裂解酶先将大分子褐藻胶降解为AOS，SusC/SusD蛋白复合物将AOS转运到细胞外膜和内膜间隙，在间隙处被酶解成不饱和单糖，随后不饱和单糖被MFS转运蛋白转移至细胞质，不饱和单糖在细胞质中经过一系列反应最终生成三磷酸甘油醛（G-3-P）和丙酮酸，G-3-P和丙酮酸最终进入微生物的三羧酸循环，通过上述路径，褐藻胶可以为微生物的正常代谢提供原料，同时该途径中AOS和不饱和单糖生成的位点不一样，可以开发一些方法在不同位点获得所需产 物。在微生物发酵法制备AOS的过程中，微生物分泌表达褐藻胶裂解酶将褐藻胶降解为AOS，该方法受限于菌株所产褐藻胶裂解酶的活力，另外，微生物菌体和其他代谢产物等会有所残留，影响AOS的纯度。

　　褐藻胶裂解酶主要来源于海藻、海洋软脊椎动物、海洋真菌、海洋细菌和陆地细菌。褐藻胶裂解酶通过β-消除反应催化褐藻胶的1,4-糖苷键的断裂以产生AOS，其中有些褐藻胶裂解酶催化反应过程中需要金属离子的参与，如图6所示，具体降解机制分为以下几步：1）带正电荷氨基酸或者金属离子中和底物C5的羧基负电荷并降低H-5质子的解离常数；2）催化碱吸走C-5上的质子，并形成羧酸根二价阴离子的中间体；3）催化酸提供质子，在C-4和C-5之间形成双键，导致4-O-糖苷键断裂并在非还原端生成4-脱氧-α-L-4-烯吡喃糖醛酸，最终生成不饱和褐藻胶寡糖（UAOS），需要金属离子参与的反应中，金属离子起到稳定底物带负电羧基的作用。基于一级结构的差异，碳水化合物活性酶数据库将褐藻胶裂解酶分类为不同的多糖裂解酶（PL）家族。根据褐藻胶裂解酶的底物偏好性，可以将其分为PM特异性裂解酶、PG特异性裂解酶和双功能裂解酶。褐藻胶裂解酶作用模式分为内切和外切型，内切型褐藻胶裂解酶作用位点在褐藻胶内部的糖苷键并产生具有不同DP的AOS，而外切型褐藻胶裂解酶通过从褐藻胶末端逐步催化糖苷键断裂产生单糖，有些褐藻胶裂解酶同时具有内/外切功能，可以同时产生单糖和寡糖。表1展示了不同来源的褐藻胶裂解酶的降解特征，这些酶均具有专一性强、反应条件温和且能定向制备不同结构AOS的特点，证实了褐藻胶裂解酶在定向制备AOS上具有良好应用前景。

　　产业化生产AOS能更好地推广其在食品领域的应用，目前，生物法是产业化制备AOS的主要手段。在大型反应容器中，将原料进行预处理，再用褐藻胶裂解酶降解加工后的原料，可以大规模地生产AOS。

　　通过不同方法制备所得的AOS多为混合物，为了获得组成单一、结构确定的AOS，需要借助分离纯化技术的帮助。

　　尺寸排阻层析是一种常用的分离纯化AOS的方法，SEC的填料由高分子交联而成，同时内部具有多孔网状结构，不同尺寸的物质通过填料的速度不一样，尺寸大的组分流出速度更快，可以通过不同组分流出时间的差异实现对AOS混合物的分离。

　　离子交换色谱中的固定相为一些带电荷的基团，流动相为待分离样品，根据固定相和样品之间发生离子交换能力的差异，可以将不同组分分离。半制备离子型IonPac AS4A柱对其进行纯化，可以获得纯度为96%的AOS。离子交换色谱法灵敏度高，但是分离样品量较少。

　　胶束电动毛细管色谱以表面活性剂形成的胶束作为准固定相，由于溶质在胶束相和水溶液相间的分配存在差异，从而分离不同组分。此方法分离能力强、分离速度快，但是也存在分离样品量较少的问题。

　　超高效液相色谱与传统高效液相色谱相比，其使用的是填充颗粒较小的小色谱柱，实现了更高的理论塔板数和更快的分离速度。超高效液相色谱可以高效地将样品分离，但是其需要较高泵压的工作泵，增加了使用成本。

　　膜分离法的原理是不同分子质量的组分体积有差异，大于滤膜孔径的物质会被截留而小于滤膜孔径的物质可以流出，利用滤膜两侧浓度差、压力差等推动力，使不同体积的组分选择性通过滤膜。膜分离法能处理大批量的混合液，但是分离效率易受到混合液浓度的影响，同时分离膜需要定期更换或清洗，成本较高。

　　沉降分离法根据物质在有机溶剂中的溶解度不同实现不同组分的分离。沉降分离法操作简单，但是可能会有杂质的残存。

　　在分离纯化AOS的过程中，可以根据所需目标产物，选择合适地纯化方法，并通过不同纯化方法的联用，达到最佳纯化效果。

　　AOS因其具有抑菌、抗炎、免疫调节、抗凋亡等多种生物活性受到广泛关注，这些生物活性与其结构多样性和复杂性密切相关，包括AOS糖醛酸组成、DP和特殊结构等。因此，通过对AOS结构与构效之间潜在关系的深入研究，为AOS在食品行业中的选择性制备和精准应用提供重要参考。

　　AOS是由G和M两种组分随机组合而成的寡糖，根据糖醛酸组成的不同可以将AOS分为GAOS、MAOS和HAOS，不同糖醛酸组成的AOS功效有所差异。

　　GAOS是由G单体通过β-1,4糖苷键连接而成的、糖醛酸组成单一的寡糖，G单体之间垂直排列（图2B）。GAOS展示出良好的调节凝胶特性、抑菌、益生元功效以及可作为微生物诱导剂等多种特殊功效。

　　GAOS可以通过影响凝胶动力学、凝胶强度、黏度、弹性和溶液体系的平衡特性调节大分子褐藻胶溶液的流变特性。如图7所示，二价阳离子特别是Ca 2+ 可以在特定的配位相互作用下和一对相反的GAOS结合，这就是著名的蛋盒二聚体模型，可以作为黏合剂促进大分子褐藻胶溶液凝胶的形成。Liao Hua等发现较高Ca 2+ 浓度更容易与GAOS形成蛋盒二聚体，此外，GAOS的Ca 2+ 结合能力使其具有改善Ca 2+ 依赖性凝胶特性的作用。虽然GAOS显示出与Ca 2+ 的结合特性，但是并非所有阳离子都能和GAOS有效结合，镁离子与GAOS结合能力较 弱。GAOS这种调节溶液凝胶特性的功能，在改善酸奶、果冻等食品凝胶特性方面具有一定潜力，但在实际应用中需要考虑与GAOS结合的阳离子种类，在达到凝胶效果的同时确保食品安全。

　　抗生素的滥用导致了耐药性病原体的肆虐，对世界医疗保健系统产生了重大的影响，而GAOS能削弱病原体对抗生素的抗性，提高抗生素的效果。

　　短链脂肪酸对于维持人体大肠的正常功能具有重要作用。GAOS比MAOS、HAOS更难被人体降解，可能是因为G-G之间的连接是垂直轴向的，而M-M之间的连接是水平方向的，这导致GAOS的凝胶结构较硬，而MAOS倾向形成较软的凝胶。与MAOS和GAOS相比，GAOS更具有作为益生元并调节肠道健康的潜力。

　　GAOS还可以促进一些微生物功能蛋白的表达，比如地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）产生的杆菌肽对革兰氏阳性菌具有杀菌活性，添加GAOS之后发现菌体中控制杆菌肽表达的基因显著上调，同时杆菌肽产量分别增加了68%和29%。

　　古糖酯（PGS）是以GAOS为原料，经酯化试剂修饰得到的一种海洋硫酸多糖类化合物。研究发现PGS可以延长大鼠全血凝血时间并且能抑制大鼠棉球肉芽肿的形 成，还可以干扰HepG 2.2.15细胞中乙型肝炎病毒的转录，在治疗乙型肝炎病毒方面极具潜力。PGS还对免疫性肝损伤具有保护作用，PGS可以降低H2O2诱导的HepG2肝细胞氧化应激，抑制HepG2细胞中丙二醛、乳酸脱氢酶、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白介素（IL）-6的产生，同时上调超氧化物歧化酶（SOD）的活性。

　　MAOS是由M单体通过β-1,4糖苷键连接而成的、糖醛酸组成单一的寡糖，M 单体直接呈水平结构（图2A）。大量研究发现，MAOS具有保护神经系统的功能，以MAOS及其衍生物作为主要成分的保护神经系统药物也已研发成功，此外，MAOS衍生物还表现出了降血脂和降血糖等功效。

　　微管系统是神经细胞骨架成分，由微管蛋白和微管相关蛋白组成，其中Tau蛋白是人体含量最的微管相关蛋白，Tau蛋白的异常磷酸化会使神经元微观结构受到破坏，从而引发阿尔茨海默病（AD）等脑神经退行性疾病。此外，研究发现，MAOS还能够通过调节5-羟色胺、5-羟基吲哚乙酸和γ-氨基丁酸的含量改善帕金森病，并通过抑制肠道和大脑炎症调控帕金森病的发病机制。由此可见，MAOS具有保护神经系统作用，在食品、保健品和医药行业具有重要应用价值。

　　MAOS可以通过硫酸化修饰、硒化修饰和金属络合等化学反应形成多种衍生物，这些衍生物同样具有多种生物学活性，包括抗病毒、神经保护、降血糖和降血脂、免疫调节等。MAOS在C-2和C-3位置一定程度硫酸化后，可以形成硫酸化甘露糖醛酸（SPMG）（图8A）。SPMG显示出与肝素类似的人体免疫缺陷病毒（HIV）壳膜蛋白结合效果，能够通过与HIV壳膜蛋白的高亲和力结合对抗HIV感染人体，由于肝素也是高度硫酸化的，这证实了硫酸基团在与HIV壳膜蛋白结合中发挥关键作用。甘露特钠胶囊（GV-971）是DP为2～11的MAOS衍生物（图8B），口服GV-971能够通过降低肠道神经炎症患病风险抑制AD的发展，需要注意的是，GV-971的多种C-5差向异构体并未显示出抑制AD的作用，说明M结构对GV-971发挥作用至关重要，所以在应用AOS时要关注其结构，使AOS更充分发挥功效。MAOS硒化衍生物甘露聚糖可以减少一氧化氮（NO）、地诺前列酮、TNF-α、IL-β和IL-6的产生，可作为功能性食品调节神经免疫。

　　HAOS是由M和G单体随机聚合而成的寡糖，由于糖醛酸组成的不同，HAOS的结构具有多样性（图2C）。HAOS显示出多种生物活性，包括抑菌、免疫调节、抗炎、抗氧化、降血脂等。

　　细菌生物膜提高了细菌对宿主的免疫防御和抗生素的耐受力，保护细菌在宿主体内生存和繁衍。HAOS能抑制和破坏铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）生物膜的形成，从而预防和减弱P. aeruginosa对人体呼吸道 的感染。以上所研究HAOS结构的共同点是G组分的含量远大于M组分的含量，且有研究表明G含量占总体的85%以上时，HAOS的抑菌效果更强。GAOS也显示出抑菌活性，进一步证实G组分对AOS的抑菌活性至关重要。M/G值影响HAOS的抑菌作用，可能是因为G组分与细菌的相互作用更强，但是具体机制还有待进一步论证。

　　大量研究发现AOS具有调节免疫反应的潜力，其关键功能之一是诱导细胞因子（TNF-α、IL-1β和IL-6等）的活 性。M/G值比较高的HAOS可能具有更强的促细胞因子分泌作用，从而增强宿主免疫系统的功能。

　　肠道屏障结构受损会导致肠道的通透性增加，肠道中的细菌和内毒素等能够穿过肠道屏障进入血液中，从而诱发一系列的炎症反应。Wan Jin等发现HAOS（M/G＝1.5）可以改善由大肠杆菌（Escherichia coli）诱发的肠上皮细胞损伤，阻止内毒素与肠上皮细胞的结合，从而减少促炎细胞因 子的产生。HAOS能作为抗炎剂应用在哺乳动物肠道疾病治疗中。

　　活性氧是机体各类生化反应的中间代谢产物，包括超氧化物、H 2 O 2 、羟自由基等。活性氧过度生成和累积会导致有害的氧化应激，诱导分子损伤和细胞凋亡等，可能会导致各种疾病的发生。张明杰发现HAOS可以有效地清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）自由基和羟自由基，其中分子质量为0.84 kDa的组分抗氧化活性最为显著，清除羟自由基的能力和VC相近，同时还发现分子质量较小的HAOS具有更强的抗氧化活性。

　　低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）是一种运载胆固醇进入外周组织细胞的脂蛋白颗粒，体内LDL-C的浓度过高会导致心血管疾病。低密度脂蛋白（LDL）和低密度脂蛋白受体（LDL-R）能够降低LDL-C的含量，在胆固醇代谢中起着至关重要的作用。LDL-R基因表达受固醇调节元件结合蛋白的调控，而前蛋白转化酶枯草溶菌素/Kexin 9型能降解LDL-R，HAOS的添加在增强人体细胞固醇调节元件结合蛋白表达的同时抑制前蛋白转化酶枯草溶菌素/Kexin 9型的合成，从而增加LDL-R的表达，使体内LDL-C趋于正常。目前，还没有研究明确表明HAOS的结构对其降血脂活性的影响，需要进行更多研究找出降血脂效果较强的HAOS结构。

　　由于褐藻胶在降解过程中β-1,4糖苷键断裂位置不同，所产生的AOS DP不同，AOS发挥的功效也有所差异，特定DP的AOS具有更显著的抗炎、抗氧化、免疫调节、抗感染等功效。

　　在DP为2～5的AOS中，DP为5的AOS可以更有效地增加血清中SOD、谷胱甘肽、高密度脂蛋白胆固醇含量，提高人体抗氧化能力并抑制炎症细胞因子IL-1β和IL-6的产生。胡婷等制备得到了M1～M7，发现MAOS清除DPPH自由基、超氧阴离子自由基及络合亚铁离子的能力随着MAOS的DP增加而降低，而MAOS清除羟自由基能力随着DP增加而升高。

　　相比于DP为3～6的GAOS，DP为3～6的MAOS诱导TNF-α的能力更强，其中DP为3的MAOS诱导活性最强，说明AOS的糖醛酸组成和DP都对其诱导细胞因子功效有影响。

　　不同DP的AOS功效有所差异，筛选出特定DP的AOS，能更好地满足实际需求并提高AOS的应用效果。

　　一些制备方法可以将褐藻胶降解并生成特殊结构的AOS，氧化降解法可以生成开环含羧基结构的AOSOD，褐藻胶裂解酶酶解法可以制备得到含不饱和端的UAOS，特殊的结构赋予了AOS更多的功效。

　　如图4C所示，AOS-OD是通过氧化法降解褐藻胶制备得到的含羧基开环结构化合物，羧基结构使AOS-OD具有特殊生物活性。Zhou Rui等发现相较于酸解法制备得到的AOS，氧化法制备而得的AOS-OD显著减少了脂多糖胁迫下RAW 264.7细胞中NO的过量产生，从而发挥抗炎作用。Bouhadir等利用AOS-OD水凝胶将软骨细胞包埋并注射到小鼠背侧区域，发现小鼠体内有新的软骨组织生成，说明AOS-OD可以用于体内注射细胞递 送系统。目前对AOS-OD的功效研究还较少，对其功效的深入研究能更好地将AOS-OD应用于食品行业。

　　UAOS是褐藻胶裂解酶降解褐藻胶过程中产生的具有不饱和端的特殊结构（图6）。Jonathan等分别用酸解法制备的AOS和酶解制备的UAOS喂食猪后，发现猪肠道微生物能更有效地利用酶解制备的UAOS。进一步研究发现，UAOS可以增加小鼠肠道中乳杆菌（Lactobacillus）、阿克曼菌（Akkermansia）等有益菌的相对丰度并减少了拟杆菌（Bacteroides）、副杆菌（Parabacteroides）等致炎细菌的相对丰度，通过调节肠道微生物群减轻高脂饮食引起的 肥胖。这些结果表明，UAOS可以有效地被机体吸收并作为治疗肥胖和相关代谢疾病的益生元。

　　UAOS还可以调节免疫。如表2所示，AOS和UAOS都具有降血脂、免疫调节的活性，但是具有不饱和结构的UAOS展示出比AOS更强的功效，所以UAOS极具开发应用价值。

　　AOS展现出非常优秀的生物活性，具有广阔的应用前景。不同制备方法所得到的AOS具有不同的糖醛酸组成、DP和特殊结构。AOS的活性与其结构组成密切相关，因此，阐明AOS的结构与活性之间的关系有助于选取合适的方法靶向制备特定结构的AOS。制备特定结构的AOS的意义在于提升AOS的应用价值，比如GV-971的多种C-5差向异构体并没有治疗AD的活性，G占总体含量85%以上的AOS具有更强的抑菌效果，特定结构的AOS能更好地满足相关行业的需求。目前，对于AOS的研究大多基于结构不明确的AOS，且与功效之间的关系尚不明晰，大多数研究集中在混合AOS的生物活性上，这制约着AOS的开发与应用，所以需要通过合适的方法获得结构明确的AOS。目前制备AOS的难点在于如何定向获得所需结构的AOS并且具有较高的纯度，可以通过不同制备手段联用并借助合适的纯化方法获得目标AOS，并对特定结构AOS的功效进行深入挖掘，对于AOS在食品、医药等领域的精准应用具有重要的实际意义。

　　本文《不同结构褐藻胶寡糖的制备与功效研究进展》来源于《食品科学》2024年45卷1期312-325页. 作者：黄友涛，梁青平，高筱雅，李东钰，牟海津. DOI:10.7506/spkx0112-096. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

　　实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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