海洋大型藻类瓦伦提亚海萝（Turner）Montagne，1841 中硫酸化多糖（κ-角叉菜胶）的生物勘探

《Food Hydrocolloids》：“Bioprospecting of sulfated polysaccharides (κ-carrageenan) from marine macroalgae, Hypnea valentiae (Turner) Montagne, 1841”

　　

从海洋红藻 Valentiniae 中，采用热水提取法和超声辅助提取法在三种不同提取温度下提取了硫酸化多糖。在60°C时，HWE和UAE的最高提取率分别为16.92%和32.42%。通过UAE提取的硫酸化多糖含有高浓度的碳水化合物、硫酸盐、蛋白质和3,6-脱水半乳糖。通过阴离子交换色谱对UAE提取的硫酸化多糖进行了纯化，并通过1H和1H-1H COSY NMR结构解析确认了纯化组分中κ-卡拉胶的存在。半乳糖是提取的κ-卡拉胶中主要存在的单糖。对纯化的κ-卡拉胶进行了进一步表征，并与从 E. cottonii 中提取的参考κ-卡拉胶进行了比较。纯化的κ-卡拉胶对常见食品病原体——金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和枯草芽孢杆菌表现出优异的抗菌活性，并具有中等的超氧自由基清除潜力。提取的κ-卡拉胶表现出优异的凝胶特性，并且在K+离子存在下凝胶强度增加，因此可应用于食品和生物医学领域的可生物降解薄膜和水凝胶的开发。

硫酸化多糖包括卡拉胶、浒藻多糖、琼脂多糖和岩藻多糖，是海洋大型藻类中结构多样的多糖。由于这些多糖具有抗氧化、抗菌、抗炎、抗凝血和免疫调节等理化特性和生物学特性，引起了广泛的科学关注。海洋多糖的化学结构主要包括分子量、糖苷键、硫酸化的程度和位置、分支模式以及单糖组成。因此，获取具有所需结构特性和生物学活性的多糖组分需要开发有效的提取程序。传统上，热水提取、酸辅助提取和碱提取用于提取海洋多糖。尽管这些技术使用广泛且看似简单，但通常需要高提取温度、大量溶剂和较长的提取时间。长时间暴露于高温或低pH环境也可能促进多糖的降解、去聚合或结构改变，从而影响其分子量和生物学特性。常规提取还可能导致更高的能源消耗和提取效率降低。由于这些限制，开发出可能提高多糖回收率并减少处理时间和能源需求的替代提取技术。

超声辅助提取是从海洋生物质中回收多糖和生物活性化合物的有效方法。该过程利用高频声波在提取介质中传播时产生压缩和稀疏的交替循环。这些循环导致小气泡形成，然后在高声能级下内爆性崩溃，这一现象称为声空化。当随后产生的微射流、冲击波、局部剪切应力和湍流破坏了藻类组织的细胞和结构基质时，细胞内和细胞壁相关的多糖更容易释放并扩散到提取介质中。影响UAE效率的处理参数包括超声频率和功率、提取时间、温度、溶剂与固体比率和pH值。对于海洋多糖，适当调节这些参数尤为重要，因为长时间处理或高超声能可能导致分子链断裂和分子量降低。另一方面，受控的超声处理可以减少多糖回收所需的温度和时间，改善传质，并提高提取率。UAE在提高海洋生物质增值可持续性方面的潜力是另一个重要优势。尽管加工条件也可能影响其理化性质和结构性质，但使用超声可以改善传质，使多糖更容易从生物基质中释放。显著的是，单糖组成、分支程度、分子量和链构象等结构特性与多糖活性密切相关。

卡拉胶是从海洋红藻 Gigartinales目提取的一种硫酸化多糖。这些是线性阴离子杂多糖，自然存在于红藻的细胞壁中。卡拉胶主要由D-半乳糖和D-脱水半乳糖的长线性链组成，并带有酯硫酸基团。硫酸化多糖通常在金属离子或蛋白质存在下形成凝胶。κ-卡拉胶在阳离子存在下形成凝胶，并在冷却时固化为水凝胶。这些热可逆凝胶特性通过辅助其生物勘探提高了卡拉胶的商业价值。卡拉胶广泛应用于食品工业、制药和化妆品，尽管存在关于其摄入安全性的长期担忧。在食品工业中，卡拉胶被广泛用作各种食品产品中的凝胶剂、增稠剂、稳定剂和水结合成分。此外，κ-卡拉胶被用于啤酒和糖果行业，可以与肉类和乳制品中的蛋白质和淀粉等其他食品聚合物相互作用。κ-卡拉胶被用作载体，有效地将生物活性化合物包裹在基质、珠粒、微胶囊或微凝胶形式中。

卡拉胶结构的平均分子量为100至1000 kDa。其结构框架由交替重复的D-半乳糖和3,6-脱水半乳糖单元通过α-(1→3)和β-(1→4)糖苷键连接组成的线性链构成，且这些基团可能被硫酸化或不被硫酸化。然而，卡拉胶是一种阴离子生物聚合物，硫酸化赋予多糖整体负电荷。此外，硫酸酯在多阴离子骨架上的有序存在极大地增强了溶解特性、金属离子相互作用潜力和凝胶行为。此外，由于从不同海藻来源提取的卡拉胶结构异质性，硫酸含量也可能存在差异。此外，不同卡拉胶亚单位（如μ和ν-卡拉胶）前体的微量存在也增加了卡拉胶的结构复杂性。

根据大型藻类来源和种类的不同，卡拉胶的提取涉及不同的步骤，随后进行过滤、浓缩、干燥和纯化。在商业规模上，卡拉胶主要从Kappaphycus alvarezii中提取。尽管Hypnea属也是一种产卡拉胶的红藻，但在工业规模上尚未被广泛开发用于卡拉胶的提取。海洋红藻 Hypnea valentiae 在印度Rameswaram海岸大量存在。因此，我们使用具有成本效益和环保的方法来提取 Hypnea valentiae 中的硫酸化多糖，并通过响应面法优化提取率，以用于商业规模的应用。卡拉胶的工业应用受到其高分子量和粘度的限制，这使得其在生物系统中难以被吸收和代谢。本研究中调节了卡拉胶的凝胶特性，使提取的卡拉胶能在包括食品包装和可食用薄膜开发在内的工业应用中找到潜力。在这项研究中，κ-卡拉胶通过热水提取和超声辅助提取方法提取，随后进行纯化和表征。采用Box-Behnken模型优化了UAE方法的κ-卡拉胶提取参数。此外，纯化的κ-卡拉胶被发现具有生物相容性，这拓宽了其在工业应用中的范围。

κ-卡拉胶通过热水提取和超声辅助提取方法从海洋大型藻类 Hypnea valentiae 中提取，提取率分别为16.92%和32.42%。采用Box-Behnken模型优化了κ-卡拉胶的UAE提取方法，以评估提高提取率所需的最佳参数。提取的κ-卡拉胶经阴离子交换色谱纯化，并进行了进一步表征以评估其全部潜力。

作者贡献声明：Samanta Sekhar Khora负责写作-审阅与编辑、监督、调查、正式分析、数据整理、概念化；Raja Priya Rajamani负责写作-原稿、验证、方法学、正式分析、数据整理、概念化；Deepankumar Kanagavel负责写作-审阅与编辑、验证、监督、项目管理、调查、资金获取、正式分析、数据整理、概念化。

未引用参考文献：Hu et al., 2016。

利益冲突声明：作者声明他们不存在已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文中报告的工作。

数据可用性：应要求提供数据。

缩写说明：
UAE：超声辅助提取
HWE：热水提取
3,6-AG：3,6-脱水-D-半乳糖含量
1H NMR：质子核磁共振波谱
1H-1H COSY NMR：相关波谱
EDTA：乙二胺四乙酸
DPPH：2,2-二苯基-1-苦肼基
NBT：氮蓝四氮唑
PMS：吩嗪甲磺酸
BHA：丁基羟基茴香醚
MTCC：微生物类型培养物收藏中心
RSM：响应面法
AEC：阴离子交换色谱
HPLC：高效液相色谱

利益冲突声明：? 作者声明他们不存在已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢：作者感谢印度泰米尔纳德邦Vellore的Vellore Institute of Technology (VIT) 为顺利实施本研究提供的必要基础设施和便利条件。

Raja Priya Rajamani | Samanta Sekhar Khora | Kanagavel Deepankumar
生物技术与生物科学和技术学院，印度泰米尔纳德邦Vellore，Vellore Institute of Technology，Vellore，Tamil Nadu - 632014, India