寡糖在营养健康产业中的应用研究进展

李媛媛，胡雪芳*，王士奎，翟晓娜，裴海生，孙昊

农业农村部规划设计研究院，农业农村部农产品产后处理重点实验室（北京 100125）

寡糖，又称低聚糖。根据IUPAC-IUBMB生化命名联合委员会定义，寡糖是由3～10个单糖分子脱水通过α、β型等糖苷键连接形成的带有支链或直链的低度聚合糖[1]。寡糖广泛存在于植物、藻类、细菌和高等真菌中，其与多种生物过程有关，如抵抗细菌和病毒感染、抗氧化、抗诱变、抑制癌症转移等[2]。此外，部分研究发现寡糖可以通过调节肠道菌群延缓心血管疾病、肥胖和Ⅱ型糖尿病的发生和发展[3]。因此，寡糖在食品、农业、医药和环保等领域的应用愈加广泛，以寡糖为基础的食品及药物开发逐渐成为生物资源利用领域的重点发展方向。

国民营养健康已成为食品产业关注的问题，将寡糖作为功能性食品的成分应用在改善与消费者健康相关的食品质量方面具有巨大潜力。文章立足于糖胺寡糖、海洋寡糖的研究热点，综述近年来国内外食品开发及生物医学领域壳寡糖、透明质酸寡糖、肝素、硫酸软骨素、褐藻胶寡糖和岩藻寡糖相关研究现状，着重阐述其在营养健康领域的研究进展，探讨上述寡糖发挥其生物活性的作用机制，以期为生物寡糖在功能性食品及药品研发中应用提供理论基础。

1 壳寡糖

甲壳素是自然界中含量仅次于纤维素存在的天然有机化合物，广泛分布于甲壳类动物壳、酵母和真菌中[4]。壳寡糖是甲壳素通过物理、酶促或化学水解获得的降解产物，由葡糖胺通过β-（1→4）-糖苷键连接而成[5]。壳寡糖是天然的阳离子寡糖，链长较短，分子量在20万～100万之间不等[5]，具有无毒、黏度低和水溶性高的理化性质[6]。此外，壳寡糖因其生物相容性、生物降解性和胃肠道的吸收性，可在抗肿瘤、抗细菌、抗真菌、抗氧化、抗炎症和免疫调节等药理学和生物医学领域发挥重要作用[6-8]。

1.1 抗菌活性

壳寡糖的抑菌活性广泛，物理性质优良，现在已经作为一种新的抗微生物药剂，可用于食品、农业和医药领域。Mukhtar等[9]阐明壳寡糖的抗菌作用表现在其可以抑制部分革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌等）和革兰氏阴性菌（大肠杆菌、副溶血性弧菌、鼠伤寒沙门氏菌、铜绿假单胞菌等）的生长。Fernandes等[10]发现壳寡糖可抑制大肠杆菌的生长，并抑制大肠杆菌菌株产生志贺毒素，从而防止细菌感染。然而，分子量和聚合度是影响壳寡糖抗菌活性的重要因素，研究表明聚合度为1～8的壳寡糖，对致病菌的作用效果更显著[11]。Ganan等[12]研究发现中等聚合度（31～54）的壳寡糖对酵母菌发挥最强的抑制作用。此外，聚合度为26～40的壳寡糖对灰葡萄孢菌的抑制作用优于聚合度较小的壳寡糖[13]。壳寡糖的抗菌活性机制与壳聚糖相似，壳寡糖或其衍生物通过与微生物细胞壁上的受体结合，导致钾离子置换和K+从细胞膜流出；这种跨膜过程会扩大细胞外酸化，增加细胞对钙离子的吸收，最终导致细胞死亡[13]。此外，Kern等[14]发现具有正电荷的氨基葡萄糖单元也促进了壳寡糖与细菌细胞壁上带负电荷的羧基结合，从而抑制了细菌细胞的生长。

1.2 抗癌和抗肿瘤活性

壳寡糖因其阳离子特性及免疫调节活性，在抑制肿瘤生长和转移中发挥重要的作用。Huang等[15]研究发现带正电荷的壳寡糖在宫颈癌细胞（HeLa）、人肝癌细胞（HepG2）和人结肠癌细胞（SW480）表现出优良的抗肿瘤活性，这与壳寡糖能选择性地吸附在带负电荷的肿瘤细胞上，改变肿瘤细胞的细胞膜通透性有关[15]。Liu等[16]发现壳寡糖通过增加Caspase-3蛋白的表达抑制HepG2细胞的生长，从而诱导癌细胞凋亡。Nam等[17]研究发现分子量为3～5 kDa的壳寡糖在人结肠癌细胞（HT-29）中通过调控谷胱甘肽、谷胱甘肽-S-转移酶、奎宁还原酶的增加，以及鸟氨酸脱羧酶和环氧化酶的减少，进而发挥抗肝癌的作用。此外，壳寡糖的抗转移作用功效显著。Yang等[18]发现壳寡糖下调基质金属蛋白酶-2（MMP-2）和分化簇147（CD147）的表达在人胃癌细胞系BGC823、MKN45和SGC7901中发挥抗癌细胞转移的作用，壳寡糖对癌细胞的抑制率与其浓度成正相关。

壳寡糖在不同的癌症阶段作用机制不同。在初始阶段，壳寡糖通过抑制坏氧合醇-2（COX-2）和NF-κB的基因表达，增加抗氧化酶和AMPK的活性介导炎症，防止正常细胞转化为癌细胞[15]。随着肿瘤的进展，壳寡糖通过抑制与细胞代谢相关的蛋白（包括mTOR、B-catenin、丙酮酸激酶和鸟氨酸脱羧酶）的表达，激活caspase-3通路、IL-12和IFN-α来限制癌细胞的生长[16-18]。在癌细胞侵袭和转移过程中，壳寡糖的抗肿瘤活性机制主要涉及下调金属蛋白醇-9（MMP-9）和CD147的表达，以及中和癌细胞中MMP-2，阻断肿瘤块的迁移[16-17]。基于上述分析，壳寡糖的抗肿瘤特性，使其有望成为新型的癌症治疗药物。

1.3 抗氧化活性

研究发现壳寡糖及其衍生物在抗氧化和抗炎方面的发挥出明显的优势。壳寡糖聚合度在3以上时具有较好的抗氧化活性，当聚合度达到10～12时抗氧化活性最高；随着壳寡糖乙酰化程度升高，其抗氧化活性也逐渐增强[19]。Qiao等[20]发现壳寡糖具有潜在的抗氧化活性，能够增加高脂诱导的肥胖小鼠胃、肝脏和血清中氧化氢酶，超氧化物歧化酶和谷胱甘过氧化物酶活性，保护小鼠免受高脂饮食导致的氧化应激损伤。壳寡糖通过多种机制发挥抗氧化作用。例如，它提高负责细胞内自由基清除过程的GSH水平[19]。另外，壳寡糖通过激活AMPK，促进下游途径如NF-κB转录、β-连环蛋白抑制和caspase-3激活，发挥清除自由基和抗氧化应激的作用[19-20]。

1.4 免疫调节活性

免疫系统是人体中至关重要的系统，壳寡糖具有潜在的免疫调节能力，能提升机体的免疫活力[2]。Zhang等[21]研究发现聚合度为3～8的壳寡糖显著增加巨噬细胞中NO和TNF-α的水平，提高TLR4和iNOS mRNA的水平。Moon等[22]研究发现在动物模型实验中，口服壳寡糖（0.5～2 mg/d）10 d显著地增加小鼠单核细胞数量。此外，IL-6和IFN-γ等各种细胞因子的水平均显著增加[22]。Kunanusornchai等[23]发现壳寡糖通过促进抑制炎症的细胞因子的分泌，增强小鼠的免疫活性。Mattaveewong等[24]研究表明壳寡糖能与巨噬细胞表面的Toll样受体4（TLR4）相互作用，抑制NF-κB以及激活AMPK，从而诱导级联活动，降低促炎因子的表达，从而发挥免疫活性[23]。

1.5 降脂活性

糖脂代谢紊乱是许多代谢性疾病包括肥胖、Ⅱ型糖尿病和非酒精性脂肪肝的重要诱因[25]。研究发现，壳寡糖具有改善糖脂代谢进而改善高脂引发代谢性疾病的作用，而其改善效果可能来源于壳寡糖带正电荷的氨基与体内脂肪代谢相关的阴离子物质，例如脂肪酸和胆汁酸相互作用，从而减少脂质的吸收和合成[25]。Mussatto等[1]系统总结壳寡糖能够抑制肥胖小鼠体内脂肪细胞分化，改善高脂饮食大鼠体内的高血脂症状而其降脂机制可能与壳寡糖改变脂肪组织特异性基因表达，改善血清和肝脏中的血脂异常有关。此外，壳寡糖还能与鱼精蛋白形成结合物，抑制高脂喂养SD大鼠体内肝脏中脂肪吸收代谢相关酶和胰脂肪酶的活性，降低血清中甘油三酯、总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平[2]，因此，壳寡糖有望成为一种新型的抗肥胖药物。

2 透明质酸寡糖

糖胺聚糖，包括透明质酸（HA）、硫酸软骨素（CS）、硫酸角质素（KS）和肝素（HS），是一类长的、无支链的线性多糖，普遍存在于细胞内部、细胞表面以及人体不同细胞类型的细胞外基质中。透明质酸是一种非硫酸化的糖胺聚糖，由交替的D-葡糖醛酸和N-乙酰基-d-葡糖胺残基组成[26]，其可被活性氧和透明质酸酶降解为低分子量的寡糖[27]。研究发现不同相对分子质量的透明质酸寡糖呈现不同的性质和功能，随着对于透明质酸寡糖的研究深入发现其在血管生成、伤口修复和肿瘤治疗过程中发挥重要作用[26-27]。

2.1 促血管生成

血管生成现象是许多生理和病理状况下常见或必需的，如胚胎生成、创伤愈合、关节炎、动脉粥样硬化、肿瘤生长和转移等过程中均可见血管生成现象[28]。D’agostino等[28]揭示透明质酸寡糖促进酪氨酸磷酸化并激活磷脂酶，由此激活蛋白激酶信号转导通路和丝裂原活化蛋白激酶信号转导系统，最终促使内皮细胞有丝分裂，这有助于毛细血管的生成。此外，该研究发现透明质酸寡糖可以对抗由于年龄衰老、放射治疗等引起的血管减少。

2.2 促进创伤愈合

创伤的愈合涉及到多种细胞的增殖、移动、分化等。Kavasi等[29]发现透明质酸寡糖能够有效地控制创伤修复过程，其主要作用如下：在伤口修复初期，相对分子质量高的透明质酸寡糖的含量迅速增加和积累，与纤维蛋白原结合后经过内在反应形成凝块，打开组织空间，促进中性粒细胞进入伤口部位切除坏死组织、碎片和细菌[29]；第二个阶段是炎症阶段，相对分子质量低的透明质酸寡糖增加，促进炎症细胞因子的表达。单核细胞包括淋巴细胞出现在伤口部位[29]；最后是修复阶段，相对分子质量低的透明质酸寡糖（聚合度3～10）加速成纤维细胞的增殖和胶原蛋白的合成，促进血管生成反应和伤口的修复[29]。此外，赵京玉等[30]发现透明质酸寡糖能够刺激内皮细胞识别受伤部位，该作用是通过在组织损伤过程中起信号转导作用的内毒素受体产生的，从而对受伤部位进行最初的保护和修复。

2.3 抑制肿瘤细胞增殖

大量研究表明透明质酸寡糖逆转肿瘤迁移过程[31-33]。尽管完整的透明质酸寡糖逆转肿瘤迁移的信号途径没有建立，然而研究表明透明质酸寡糖在肿瘤细胞包括细胞增殖、生存、耐药性和流动性等胞内信号传递途径中具有重要作用[31]。这些作用主要与透明质酸寡糖调控细胞表面的受体，如CD44、RMAMM、LYVE和Toll类受体2和4，从而阻断肿瘤进展信号传递过程[32]。然而一些研究表明在癌症细胞中，如神经胶质肿瘤细胞、乳腺癌细胞、结肠癌细胞、肺的非小细胞癌和卵巢癌细胞含有更多相对分子质量小的透明质酸寡糖，这些特定的透明质酸寡糖可能参与肿瘤细胞表面透明质酸受体蛋白（CD44）的水解，促使肿瘤细胞迁移[31-33]。这种不一致的作用可能是因为不同的肿瘤细胞具有不同的特性，即使同种肿瘤细胞在不同的时间也具有不同的特性。

3 硫酸软骨素

硫酸软骨素是人体内含量最丰富的糖胺聚糖，它包含N-乙酰基-D-半乳糖胺和D-葡萄糖醛酸的重复二糖单元，天然存在的硫酸软骨素的分子量在50到100 kDa之间变化[34]。与其他糖胺聚糖类似，硫酸软骨素在多种生命活动中发挥重要的作用，包括衰老、骨关节炎、其他炎症性疾病等[35]。由于硫酸软骨素独特的生物学特性，其在骨骼和软骨相关疾病方面的应用得到了广泛的研究。在软骨细胞中，硫酸软骨素减少p38丝裂原活化蛋白激酶（p38MAPK）和细胞外信号调节激酶1/2（Erk1/2）磷酸化，从而减少NF-κB向细胞核的易位[36]；进一步减少了促炎细胞因子、白细胞介素（IL）-1b 、TNF-α的水平和降低了磷脂酶 A2（PLA2）、环氧合酶 2（COX-2）、诱导型一氧化氮合酶（iNOS）等促炎酶的形成[37]。此外，Liu等[38]充分证实了硫酸软骨素对软骨、滑膜及抵抗银屑病和动脉粥样硬化的有益作用。

硫酸软骨素兼具抗氧化特性，这与其具有螯合过渡金属离子（如Cu2+或Fe2+）的能力有关。金属离子螯合可以抑制参与氧化应激诱导的Haber-Weiss和Fenton 反应的启动[39]。此外，研究表明C-4-S具有抗氧化作用，而C-6-S则没有。已经提出这种变化背后的原因是因为在C-4-S的情况下，沿中心的阴离子密度较高，而在C-6-S中，它位于外围。此外，与C-6-S相比，C-4-S的硫酸根和羧酸根之间的距离更短，也可能导致更稳定的金属-离子-CS相互作用[40]。硫酸软骨素在抑制脂质过氧化方面的作用也很重要。研究发现硫酸软骨素在极低密度脂蛋白（VLDL）模型中具有可避免VLDL介导的脂质过氧化和apoE氧化[41]。此外，也有研究证明硫酸软骨素对细胞凋亡的调节作用。在软骨细胞中，硫酸软骨素通过保护线粒体、降低capsase-3和caspase-9的表达来降低细胞凋亡率，从而改善软骨基质分解[38]。

4 褐藻胶寡糖

海洋功能寡糖已成为海洋生物资源开发领域的研究热点。褐藻胶寡糖是海洋多糖褐藻胶多糖通过酸法或者酶法降解得到的产物，通常含有＜20个由糖苷键连接的单糖单元[42-43]。褐藻胶寡糖自1980年代开始商业化，由于其具有多种生物活性，包括抗氧化、免疫调节、抗菌和抗炎活性，目前广泛用于食品和制药行业。

4.1 褐藻胶寡糖的抗肥胖作用

肥胖是一个增长最快的全球公共卫生问题，与发病率、过早死亡率、生活质量受损和医疗保健费用的显着增加有关。尽管进行了大量的研究工作，但迄今为止只有少数抗肥胖药物进入了临床试验。有趣的是，Li等[43]在HFD诱导的小鼠模型中发现补充褐藻胶寡糖可抑制脂肪细胞的生长，表明其具有抗肥胖作用等。Tran等[44]研究表明，褐藻胶寡糖通过激活AMP活化蛋白激酶干预肥胖。在另一项研究中，据报道褐藻胶寡糖可通过调节脂质代谢、减少炎症、下调细胞凋亡相关基因以及通过抑制线粒体蛋白STOML2（促生长素样蛋白2）来改善免疫功能来抑制HFD喂养的斑马鱼的肥胖[42]。此外，Han等[45]发现褐藻胶寡糖可以通过调节肠道微生物的组成和促进短链脂肪酸（SCFAs）的增加来改善肥胖，这反过来调节营养获取、脂肪储存、能量稳态和炎症抑制。Wang等[46]发现褐藻胶寡糖干预促进了Akkermansia muciniphila的生长。Akkermansia muciniphila是一种降解粘蛋白的肠道微生物，与减轻肥胖和炎症有关。

4.2 褐藻胶寡糖的抗糖尿病作用

现今，褐藻胶寡糖已被建议作为调节Ⅱ型糖尿病患者血糖水平的安全替代品。Kato等[46]研究发现褐藻胶寡糖对糖尿病动物模型的干预增加了有益微生物的丰度，例如罗伊氏乳杆菌和加氏乳杆菌，它们能够增强胰岛素分泌和改善葡萄糖耐量受损。此外，褐藻胶寡糖富集产生SCFAs的细菌，例如Akkermansia、Alloprevotella、Parasutterella和Allobaculum，从而增加了短链脂肪酸的浓度，例如乙酸、丙酸和丁酸。据报道，SCFAs可以作为G蛋白偶联游离脂肪酸受体FFAR2/GPR43和FFAR3/GPR41的配体，它们与影响胰岛素抵抗的食欲和能量代谢调节有关[42]。因此，褐藻胶寡糖调节肠道微生物组为将其用作功能性食品成分以对抗饮食引起的代谢紊乱开辟了新途径。

4.3 其他作用

褐藻胶寡糖抗癌作用也有科学证据，因为它可以用作治疗致命肿瘤和抵消化疗副作用的营养成分。最近，褐藻胶寡糖已成为治疗慢性肺病、囊性纤维化和生物膜感染的一种创新方法。

5 岩藻寡糖

作为岩藻多糖的降解产物，岩藻寡糖具有分子量小、水溶性和吸收性好、生物利用度高等多种岩藻多糖所不具备的优点，克服了多糖在应用过程中受到的种种限制，在功能食品开发、新型保健品开发等领域具有很好的应用前景。

5.1 抗炎活性

Enoki等[47]基于体外实验发现岩藻寡糖抑制LPS诱导的单核细胞/巨噬细胞中前列腺素E2（PGE2）、TNF-α和NO等促炎介质的增加，进一步促进血红素加氧酶-1（HO-1）的增加。HO-1是一种存在于哺乳动物中的诱导型蛋白酶，可被NO、重金属、炎性细胞因子、脂质和氧化应激等一系列刺激上调。此外，HO-1作为血红素降解过程中的主要限速酶和细胞保护酶，不仅可以限制血红素的分解，还可以产生一系列在抗细胞损伤、凋亡和抗炎中发挥重要作用的产物。此外，Enoki等[48]发现聚合度为2～8的岩藻寡糖可以通过诱导HO-1表达来预防2, 4, 6-三硝基苯磺酸诱导的小鼠肠道炎症，表现出TNF-α表达显著降低。

5.2 益生元效应

近年来，岩藻寡糖已经成为了潜在的益生元。Hu等[49]基于体外实验研究发现岩藻寡糖降低培养基pH促进肠道有益细菌（包括乳酸杆菌和双歧杆菌）的生长；进一步研究发现喂食2.5%（w/v）的岩藻寡糖7 d的小鼠比喂食5%（w/v）菊粉14天的小鼠显著增加结肠中有益菌的绝对丰度。Zhang等[50]发现岩藻寡糖可以通过增加厚壁菌和放线菌的丰度并减少潜在的致病菌的丰度，增加短链脂肪酸的水平并调节肠道微生物的组成和多样性。最近的研究表明，岩藻寡糖的益生元作用优于其他不易消化的低聚糖，此外，有报道称聚合度较高的岩藻寡糖表现出更好的益生元作用。在医药保健品方面，国内外以岩藻多糖为原料开发上市的商品中，日本“Power Fucoidan Gold”产品对抗肿瘤效果较佳，Doctor Best公司生产的“Best Fucoidan”具有强抗氧化/增强免疫的功能。

6 结语及展望

近年来，功能性寡糖在食品、农业、医药、环保等领域的应用愈加广泛，尤其是以糖胺聚糖、海洋藻类寡糖为基础的食品及药物开发已成为重点发展方向。以褐藻胶寡糖为例：日本大正制药株式会社将褐藻胶寡糖添加到饮料中，开发出一系列褐藻胶寡糖功能饮料，可有效抑制对胆固醇的吸收；青岛博智汇力生物科技有限公司利用褐藻胶寡糖开发出一款功能食品“海洋天使”褐藻胶寡糖片剂。此外，新型药物开发也是海藻寡糖应用的重要发展方向，现今，以褐藻来源的甘露醛酸二糖为前体研制出抑制轻度至中度阿尔茨海默病的新药。但是目前功能性寡糖开发还存在一些技术瓶颈，极大地限制了糖胺聚糖、海洋寡糖的深度开发和精细化应用，如寡糖的具体作用机制仍不明确、高效分离制备方法的缺乏等，因此未来的发展方向主要集中在从分子水平上阐明功能寡糖的作用机制、发展连续高效的制备方法上，从而推动我国生物资源的开发和寡糖资源的利用。