{Introduction}

海藻是海洋中最丰富的资源之一，是海洋生态系统极其重要的组成部分，为海洋动物提供了主要的觅食场所，也是人类潜在的可再生资源。海洋藻类，包括大型藻类和微藻类，生活在各种不同的环境中，存在于地球上所有现有的生态系统中。中国是全球海藻生产大国，栽培海藻和野生海藻的年生产量分别占全球海藻年生产量的72%和27%。

海藻是结构多样的生物活性化合物的重要来源，根据藻体形态色素作用将其分为红藻、绿藻和褐藻三类，其中江蓠属、海带属、裙带菜属和石莼属海藻富含复合碳水化合物。海藻多糖和低聚糖具有多种生物活性(如抗菌、抗病毒、抗氧化、抗炎、抗癌和调节肠道微生物群)，在食品、营养和医药等领域具有巨大的应用潜力，引起人们的广泛关注。

寡糖由2-8个单糖单元组成，这些单糖单元由α-或β-糖苷键连接。与海藻多糖相比，海藻寡糖分子量更低、水溶性更高、吸收能力更强，近年来人们对其结构和生物活性进行了研究。海藻寡糖的无毒和理化生理特性有利于利用其生物活性带来的健康效益。例如，与海藻多糖相比，寡糖的粘度较低，水溶性较高，这可能促使其静脉给药以降低粘度和聚集问题。制备方法对海藻寡糖的得率、分子量、粘度、结构和生物活性都有很大影响。

因此，本文综述了海藻寡糖的主要化学分类、来源和主要生产方法(即物理、化学和生物方法)，并对这些方法的优缺点进行了讨论。本文还将重点讨论和总结海藻低聚糖的生物活性及其在食品、营养和制药方面的潜在应用。

{海藻寡糖的化学分类及海藻来源}

褐藻富含褐藻多糖、海藻酸和昆布多糖。褐藻糖胶是一种天然的硫酸化多糖，解聚后产生褐藻寡糖。褐藻糖胶由α-L-岩藻糖单糖组成，通过（1→3）或交替的（1→3）和（1→4）-糖苷键连接。海藻酸钠的降解产物是由β-D-甘露糖酸和α-L-谷氨酰胺通过1,4-糖苷键连接组成；而昆布多糖是由1,3-连接的β-D-葡萄糖单体和少量（≤10%）单一的β-D-葡萄糖的C-6分支构成的。

石莼聚糖是一种独特的水溶性硫酸化多糖，来源于绿藻，3-硫酸化鼠李糖醛酸是乌尔凡的主要成分之一。硫酸化鼠李多糖是另一种主要多糖，主要由交替的（1→2）和（1→3）糖苷键连接的α-L-鼠李多糖单体和重复的1,3-糖苷键连接的α-L-鼠李糖单体组成。

红藻多糖主要是卡拉胶和琼脂糖。卡拉胶是线性硫酸化多糖，主要有kappa、lambda和iota有三种类型，这三种类型的卡拉胶均为D-半乳糖单体的基本结构骨架，通过交替的α-（1→3）和β-（1→4）糖苷键连接。降解产生的琼脂糖由（1→4）连接的3,6-α-L-内醚半乳糖与（1→3）连接的β-D-半乳糖单体交替组成。

图1海藻寡糖的化学分类及其分子结构

{海藻寡糖的制备}

寡糖的制备方法会影响其理化性质和聚合度，从而影响其生物活性。一般来说，天然可获得的低聚糖数量有限。因此，海藻寡糖的制备方法必须得到一个可接受的得率。目前，制备寡糖法有三种：物理法、化学法和生物法。

海藻寡糖的化学法包括酸降解法、碱提取法、氧化降解法和有机合成法。多糖水解法具有操作简单、成本低、重复性好、产率高等优点，是一种广泛应用于低聚糖生产的可靠方法。总的来说，化学方法可以得到高纯度均相低聚糖，但化学方法的主要缺点是操作繁琐、条件恶劣和化学污染。由于水解酶具有高度的位点特异性，酶解法已成为一种极好的、环境友好的化学解聚方法。在温和的反应条件下，生物法是制备海藻寡糖的首选方法。物理降解海藻多糖到寡糖法绿色、简单、高效，包括水热降解法、微波辅助降解法、超声波辅助降解法、紫外辐照法和伽玛辐照法是海藻多糖制备寡糖的常用物理方法。物理方法具有简单、经济、无毒等优点，但为了提高降解产物的纯度和底物的降解率，需要进一步优化。

{海藻寡糖的益生活性}

多年来，种类繁多的海洋生物被认为是生物活性成分的潜在来源。作为潜在的生物活性成分，海藻寡糖具有多种益生活性。寡糖的浓度、分子量和单糖的组成以及单糖的排列会影响生物活性。高分子量的海藻寡糖具有较差的溶解度，阻碍它穿过细胞膜并发挥其生物活性。

在氧化应激下，人体细胞自然产生活性氧，如羟基、过氧和超氧自由基，这些活性氧与癌症、糖尿病和心脏病等疾病有关。海藻寡糖的抗氧化活性可以抑制活性氧的产生，发挥益生活性。

在宿主防御系统中，炎症具有抵御外部伤害和病原体入侵的作用，但持续的炎症反应会导致慢性炎症性疾病，海藻寡糖可以通过调节免疫反应来抑制炎症。由于脂多糖（LPS）与巨噬细胞中的toll样受体4（TLR4）-MD2复合物结合，在CD14和脂多糖结合蛋白（LBP）的推动下，免疫和炎症反应被激活。硫酸化的kappa-卡拉胶六聚体通过与LPS一起竞争和CD14的结合，抑制CD14/REL依赖的NF-κB炎症途径。此外，kappa和iota-卡拉胶低聚糖具有良好的剂量依赖性抗炎作用，它能显著减少LPS处理的BV-2细胞分泌的TNF-α。表明海藻寡糖在调节免疫方面发挥了良好的作用。

益生元可以在上消化道中抵抗酶的水解，并选择性地促进结肠中的益生菌如双歧杆菌和乳酸菌的生长。据报道，从日本海带中提取的多糖和寡糖在选择性地促进肠道有益微生物群的生长中的作用。Li等人报道了从红藻中提取的琼脂寡糖被加入到人体粪便中分离的均质拟杆菌L8的促生长底物中，可以缓解高脂肪饮食引起的代谢紊乱，改善肠道菌群。而肠道微生物群可以发酵海藻酸盐及其衍生物，产生短链脂肪酸（SCFA），具有有益的生理和免疫学作用。短链脂肪酸的产生和有害细菌（如大肠杆菌）数量的减少，可以减轻了结肠炎症状和胃肠道运动障碍。

图2海藻寡糖的健康益处

{海藻寡糖的潜在应用}

食品

根据国际生命科学研究所(ILSI)的定义，功能食品是指在传统的营养效益之外表现出有益健康效果的食品。作为一种功能性食品，海藻寡糖可作为干生物质、膳食补充剂或营养补充剂。对能够有效维持肠道健康的益生元的需求支持了对海藻寡糖在膳食功能成分中的应用的研究。体外研究表明，来自红藻石蒜的低分子量琼脂和海藻酸盐显著增加了双歧杆菌种群数量和总短链脂肪酸产量，而体内研究中，从琼脂糖中提取的新琼脂寡糖增加了粪便中乳酸杆菌和双歧杆菌的数量，降低了粪便中腐败菌的数量。

食用海藻寡糖作为食品补充剂，可以有效地改善生理功能，降低炎症、肿瘤、2型糖尿病和肥胖症等疾病的风险。Raman等报道了从麒麟菜中提取的低分子量卡拉胶在防止结肠致癌的功能食品中的应用。报道中，与高分子量卡拉胶对应物相比，低分子量卡拉胶表现出更强的溶解性和对人类结肠癌细胞的生理性吸收。低分子量的卡拉胶通过诱导细胞死亡、核分裂和凋亡体的形成，将结肠癌的风险降至最低。肥胖会大大增加高血压、2型糖尿病和血脂异常的风险，因此控制日常能量摄入很重要。海藻酸具有强胶凝性，在被摄入体内后，可以通过减缓胃部消化和肠道吸收来调节食欲。除了在功能食品配方中加入海藻寡糖作为胶凝剂，它也作为黏度调节剂和稳定剂被添加到功能食品中。

由于海藻寡糖的抗菌和抗病毒活性，一种基于海藻寡糖的鼻腔喷雾剂被开发出来。Koenighofer等的临床试验表明，基于iota-卡拉胶的鼻腔喷雾剂可以缓解和防止普通感冒的复发。另一份报道也描述了iota-carrageenan和盐酸羟甲唑啉在配制的新型鼻腔喷雾剂中的协同作用。囊性纤维化是一种非感染性的遗传性疾病，其特点是影响多个器官的厚重难耐的黏液。Draget等认为，由于琼脂寡糖的分子量比海藻多糖低，而且琼脂寡糖之间没有分子间交联，因此琼脂寡糖对囊性纤维化的黏液有更高的调节功效。

由于海藻寡糖良好的生物相容性和抗菌性，鼓励将海藻寡糖应用于牙科和抗生物膜材料。Roberts等配制了一种牙科护理，其中包含了海藻酸低聚物的无毒抗生物膜佐剂，并评估了该牙科护理对口腔生物膜形成的病原体的体外效力。与公认的抗菌剂结合使用时，低聚物能增强抗菌剂（如三氯生）对口腔生物膜的活性。另一方面，当它们是唯一的活性成分时，海藻酸盐低聚物抑制牙龈卟啉菌和变异链球菌的附着，这两种细菌都与牙齿龋齿病变和牙周炎有关。

海藻寡糖与其他药物的结合应用已成为医药和生物医学领域的研究方向。在一项临床试验中，Tsai等评估了低分子褐藻糖胶作为化疗靶向药物辅助治疗的疗效，结果表明低分子褐藻糖与药物的组合能明显改善对转移性结直肠癌的控制。此外，卡拉胶已与聚乙烯吡咯烷酮结合，用于配制伤口敷料，显示出更好的物理机械性能，如胶凝性、膨胀能力和拉伸强度。同样，Afjoul等将海藻酸盐和明胶混合，并将混合物进行冷冻凝胶化处理，产生一种三维多孔矩阵的新型海藻酸盐水凝胶，具有良好的生物相容性和伤口愈合特性。

农林和渔业

海藻寡糖可以促进植物和海洋动物的生长。在水培条件下，iota-卡拉胶和kappa-卡拉胶降解得到的短寡糖片段对水稻幼苗的促生长效果有所改善；而酶解法制得的琼脂寡糖对莱茵衣藻的生长有促进作用，且呈浓度依赖性，而酸解法制得的琼脂寡糖则相反。因此，寡糖结构中的分子大小和不饱和双键可能是海藻寡糖具有积极作用的潜在因素。此外，海藻寡糖通过发挥抗氧化活性，调节免疫系统，促进海洋动物的生长。海藻寡糖作为饲料时，具有抗氧化活性和益生元活性，能够显著促进原螯虾的生长。

除了在动物饲料中加入海藻寡糖外，还研究了它作为冷冻保护剂提高冷冻食品货架期的效率。Zhang等报道了kappa-卡拉胶寡糖对去皮南美对虾(Litopenaeus vannamei)冷冻贮藏期间的保护作用。冻存前用海藻寡糖预处理可显著抑制肌原纤维蛋白的降解，从而提高虾的贮藏稳定性。该团队还进一步证明了角叉菜胶低聚糖对冷冻食品的低温保护作用。结果表明卡拉胶寡糖能抑制冰晶的生长和重结晶，从而减缓大冰晶对肌原纤维蛋白的损伤。

为了进一步研究海藻寡糖对冷冻食品的低温保护作用，还观察了寡糖对水果采后货架期延长的影响。Bose和Liu等利用琼脂寡糖对果实进行采后处理，发现海藻寡糖抑制了脱落酸信号转导和细胞壁变性相关基因的表达，从而提高了果实品质和货架期。

化妆品

近年来，对安全、高品质化妆品的需求持续增长，海藻寡糖具有优良的生物相容性、抗氧化活性和抗紫外线性能，是潜在的化妆品成分。在化妆品中，海藻寡糖的潜在有益作用包括多种功能，如抗痤疮、伤口愈合、化妆品稳定和美白效果。Capitanio等报道了海藻寡糖作为一种抗痤疮剂在药妆中的应用。作者将海带中提取的寡糖与0.1%吡咯烷酮锌结合，建立了抑制痤疮丙酸杆菌生长的实验；而Johnson等描述了α-L-古罗糖醛酸和海藻酸钙组合的能够加速创面愈合，减少疤痕的形成。此外，海藻寡糖还能用于化妆品增白剂和化妆品油水乳液的稳定剂。

图3海藻寡糖的潜在应用

{Conclusion}

海洋藻类是可再生健康活性分子资源。在这些分子中，海藻寡糖由海藻多糖降解所得，因具有无毒、分子量低、更好的水溶性和更易吸收等特性，受到越来越多的关注。除改善其物理力学性能外，越来越多的研究表明海藻寡糖具有多种生物活性，如抗氧化、抗炎、益生元、抗病毒和抗糖尿病等，这些生物活性支持了海藻寡糖在食品和功能性食品、医药和生物医学、农林渔业以及化妆品相关领域的潜在应用。

作者简介

第一作者

郑莉欣，女，汕头大学研究生在读，主要研究方向为海藻多糖的提取、分离、鉴定及生物活性测定。

通信作者

Cheong Kit Leong，男，博士，现为汕头大学理学院生物系副教授，硕士导师，近年来主要研究保健食品及其原料中功能因子（多糖）的提取、分离、鉴定及其生物活性测定；新型食品添加剂及其在食品中的功能性。目前主持国家级项目2项，省部级项目3项，研究论文发表在Food Chemistry, Carbohydrate Polymers, Critical Reviews In Food Science & Nutrition, Food & Function, Marine Drugs等SCI期刊。

Preparation methods, biological activities, and potential applications of marine algae oligosaccharides: a review

LiXin Zhenga, Yang Liua, Shijie Tangb, Wancong Zhangb,*, Kit-Leong Cheonga,*

a Guangdong Provincial Key Laboratory of Marine Biotechnology, Department of Biology, College of Science, Shantou University, Shantou 515063, China

b Department of Plastic Surgery and Burn Center, The Second Affiliated Hospital, Shantou University Medical College, Shantou 515063, China

*Corresponding author.

Abstract

Marine algae are valuable sources of health-promoting molecules that have been consumed by Asians for decades. Among aquatic flora, marine algae stand out in terms of high content of marine algae polysaccharides (MAP) such as carrageenan, alginate, fucoidan, laminaran, agarose, rhamnan, and ulvan. When hydrolyzed, MAP generate marine algae oligosaccharides (MAO), which have attracted interest in recent years due to their superior solubility compared with MAP. Besides, MAO have been demonstrated numerous biological activities including antioxidant, antidiabetic, anti-inflammatory, antimicrobial, and prebiotic activities. Thus, this review summarizes the main chemical classes of MAO, their sources, and the main processes used for their production (i.e., physical, chemical, and biological methods), coupled with a discussion of the advantages and disadvantages of these methods. Highlights of the biological activities of MAO and their potential applications in food, nutraceutical, and pharmaceuticals would also be discussed and summarized.

Reference:

ZHENG L X, LIU Y, TANG S J, et al., Preparation methods, biological activities, and potential applications of marine algae oligosaccharides: a review[J]. Food Science and Human Wellness, 2023, 12(2): 359-370. DOI:10.1016/j.fshw.2022.07.038.

翻译/编辑：王佳红；责任编辑：张睿梅

封面图片来源：图虫创意

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