低聚糖是指2个～10个糖苷键聚合而成、分子量介于单糖和多糖之间的糖类化合物[1]。功能性低聚糖不仅具有糖类的一般性质，还具有特殊的生理活性，如抗肿瘤、抗炎、抗氧化、抑菌等功能[2]，有些功能性低聚糖还具有促进肠道内双歧杆菌增殖、调节肠道内菌群丰度等功能[3]。
大量的研究结果表明，低聚糖大多来源于植物。裴志勇等[4]从地黄中提取地黄低聚糖（rehmannia glutinosa oligosaccharides，RGOs）与脂肪组织来源的干细胞进行联合，探究其对小型猪急性心肌梗死的影响，结果表明RGOs能够改善小型猪的心功能，促进小型猪心肌梗死的治疗。周静[5]从党参中提取高抗氧化活性的低聚糖，并通过衰老大鼠模型对其抗衰作用及机制进行研究，结果表明党参低聚糖能够显著提高血清中的过氧化氢酶（catalase，CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSC-Px）和超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）的活性。综上所述，不同的植物含有各自特定的低聚糖组分，并且不同来源低聚糖的生理活性也有显著差异。
由于功能性低聚糖具有低甜度、高溶解性的特点，因此常被作为甜味剂添加至乳制品、烘焙食品、功能饮料中。此外，还有文献报道功能性低聚糖具有抗菌特性和抗氧化活性，因此可作为防腐剂、饲料和食用涂料的重要原料之一[6]。
本文以褐藻寡糖和果胶寡糖为例，从两种寡糖的分子结构、生物活性以及生物制造方法，汇总这两种寡糖的研究进展，并对其未来的发展方向进行展望。
1 褐藻寡糖
褐藻寡糖（aliginate oligosaccharide，AOS）是由褐藻胶降解得来的低聚糖，聚合度通常为2～25。褐藻寡糖作为一种典型的海洋寡糖，因其具有多种生物活性，近些年已成为功能性低聚糖的一大研究热点[7]。
1.1 褐藻寡糖的生物活性
目前的研究表明，褐藻寡糖可通过抗炎、抑菌、抗氧化等方式，达到促进植物生长、防治病虫害的功效。因此，需要对褐藻寡糖的生物活性进行系统研究汇总。
1.1.1 抗氧化活性
近年来，多项研究证实褐藻寡糖作为一种有效的自由基清除剂，可以通过降低机体脂质过氧化物的含量达到抗氧化的目的[8]。
包华芳等[9]利用酶解制备得到的褐藻寡糖来研究其抗氧化活性，结果表明褐藻寡糖的抗氧化活性与还原糖的含量密切相关；张明杰等[10]通过高效酶法制备了低分子量褐藻寡糖，评价其抗氧化活性，结果发现低分子量褐藻寡糖比高分子量褐藻寡糖具有更高的自由基清除活性；Yang等[11]研究了褐藻寡糖对草鱼肝脏脂肪代谢的改善能力及抗氧化活性，结果表明褐藻寡糖可以通过提高肝脏的抗氧化能力，进而减少脂肪积累和肝脏细胞的凋亡。
1.1.2 抗肿瘤活性
近年来，多项研究报道褐藻寡糖具有一定的抗肿瘤活性，因此明确褐藻寡糖和肿瘤分子的机制和结构-功能关系是十分有必要的。
Chen等[12]研究了聚合度为2～5的褐藻寡糖对抗骨肉瘤的作用。结果发现聚合度为5的褐藻寡糖显著抑制了骨肉瘤细胞的生长，血清中超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）的活性明显提高，而血清中的白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）和白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）的水平明显降低，说明褐藻寡糖的抗肿瘤活性与其结构密切相关。
1.1.3 抗炎活性
炎症是机体抵抗病原体入侵的重要防御机制，多项研究发现褐藻寡糖还具有抗炎活性，可以激活机体的先天免疫细胞。Wang等[13]通过断奶仔猪肠炎模型研究褐藻寡糖的抗炎效果，结果表明褐藻寡糖可通过抑制NOD1/NF-κB信号通路发挥抗炎功效。史旭阳[14]通过氧化降解法得到褐藻胶寡糖，并且通过细胞炎症模型发现褐藻寡糖能通过抑制细胞因子、一氧化氮以及环氧合酶、诱导型一氧化氮合酶的表达，发挥抗炎活性的功效。
1.1.4 抑菌活性
多项研究的结果表明褐藻寡糖具有抑菌活性。An等[15]通过褐藻酸裂解酶制备了聚合度为6～8的褐藻寡糖，结果表明褐藻寡糖对铜绿假单胞菌的生长具有抑制作用。窦勇等[16]主要研究聚合度为10以下的寡糖对7种常见细菌和真菌的抑菌作用，结果证明褐藻寡糖可以显著抑制细菌和真菌的生长繁殖。吴国锋等[17]通过过氧化氢法制备褐藻胶寡糖，并研究不同条件制备的寡糖对啤酒污染菌的抑制作用，结果表明褐藻胶寡糖可有效抑制啤酒污染菌的生长。
1.2 褐藻寡糖的生物制造
褐藻寡糖的制备方法主要有物理法、化学法及生物法。物理法是利用微波、超声或辐射法对褐藻胶进行降解，但该方法往往只能得到聚合度不一的褐藻寡糖混合物，导致降解物活性较差。化学法主要包括酸降解法、有机合成法等，但存在产物聚合度不均、化学残留的问题。生物法主要包括酶促降解法、酶促合成法、产酶微生物发酵法等，能够保护反应底物的活性基团，产生的褐藻寡糖聚合度可控、分子量小、安全，因此可以有效避免物理法、化学法的不足。
1.2.1 褐藻裂解酶的种类
褐藻胶裂解酶有多种分类方式[18]。根据作用方式分为内切酶和外切酶；根据分子质量分为20 kDa～35 kDa的褐藻胶裂解酶、40 kDa的褐藻胶裂解酶、60 kDa的褐藻胶裂解酶；根据序列相似性分为Poly-M特异性裂解酶、Poly-G特异性裂解酶、双功能裂解酶。根据底物特异性，可以分为1，4-β-D-聚甘露糖醛酸裂酶和1，4-α-L-聚古罗糖醛酸裂解酶。
1.2.2 褐藻裂解酶的改造研究
1.2.2.1 高产褐藻胶裂解酶菌株的筛选
微生物是褐藻胶裂解酶的重要来源之一，因此首先需要筛选出高产褐藻胶裂解酶菌株。孟青等[19]从海泥样品中筛选得到一株高产褐藻胶裂解酶的菌株，该菌株所产的褐藻胶裂解酶主要降解褐藻胶内古罗糖醛酸片段，且产物聚合度较单一；刘海超[20]使用透明圈法筛选出1株高酶活的褐藻胶降解菌株——弧菌属，通过优化发酵条件等方式将其酶活提高了38.5%；赵婉琳等[21]筛选到1株能降解褐藻胶的海科贝特氏菌，经优化后酶活提高至68.5 U/mL。
1.2.2.2 基因工程改造
采用基因工程技术对基因进行分子修饰及异源表达可以有效提高酶活力和产酶量，因此用基因工程技术构建裂解酶高产菌株也成为一个重要手段。李世昂[22]通过克隆溶藻弧菌内产褐藻胶裂解酶的基因构建出体外表达的重组菌株，再对其进行异丙基硫代半乳糖苷（isopropyl β-D-thiogalactoside，IPTG）诱导表达。Rahman等[23]从海螺消化道克隆表达了PL-14家族的海藻酸裂解酶LbAly28，并发现重组酶对海藻酸钠和聚镁嵌段底物都有很强的活性。陈琳等[24]通过聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）技术获得羊鲍肠道中弧菌的褐藻胶裂解酶基因val1，在大肠杆菌中进行异源表达，研究结果表明val1基因是PL7家族中一种具有较强耐冷性的褐藻胶裂解酶。
2 果胶寡糖
果胶寡糖是由果胶通过果胶酶降解得到的产物，具有抗氧化、改善肠道健康、抗肿瘤等多种活性。
2.1 果胶寡糖的作用
2.1.1 抗氧化活性
果胶寡糖的抗氧化活性主要是通过清除DPPH自由基、羟自由基来保护血管和抑制血清中丙二醛的合成。丁鹏等[25]通过酶法制备了黑莓果胶寡糖，结果表明黑莓果胶寡糖对自由基有很好的清除作用。Li等[26]从山楂果胶中提取了聚合度为5的山楂果胶寡糖，结果表明这种山楂果胶寡糖具有显著的抗氧化活性。
近年来果胶寡糖的抗氧化活性也被应用于食品保鲜研究。陶璐等[27]探究了不同浓度的山楂果胶寡糖对香菇的保鲜效果，结果表明果胶寡糖能够显著减少香菇在储藏过程中维生素C、还原糖和总酚含量的损失。
2.1.2 肠道改善活性
果胶寡糖由半乳糖醛酸和中性糖组成，多项研究表明果胶寡糖可以通过改变肠道菌群进而改善肠道健康。
Hu等[28]探究柑橘果胶寡糖对胆固醇代谢和肠道菌群的调节作用，结果表明果胶寡糖能够显著降低小鼠血清总胆固醇（total cholesterol，TC），显著增加小鼠肠道内双歧杆菌的数量，并且低密度胆固醇（low-density lipoprotein cholesterol，LDL-C）的含量明显比对照组降低。由于果胶寡糖的种类较多，不同果胶酶降解的产物在甲基化程度、甲酯化程度、聚合度以及结构组成上均有很大的差异，不同类型的果胶寡糖对双歧杆菌的增殖作用也存在差异。
2.1.3 抗肿瘤活性
大量研究表明，果胶寡糖可能通过两种途径来抑制肿瘤的生长，一是改变细胞膜的通透性，二是增加半乳糖凝集素-3的分泌。Mallikarjuna等[29]从燕子根果胶多糖中提取出燕子根果胶寡糖，该种果胶寡糖通过减少半乳糖凝集素-3的凝集和抑制下游控制凋亡的关键蛋白survivin的mRNA表达，进而抑制肿瘤的生长。Kapoor等[30]从酸生番茄果胶中提取出果胶寡糖并研究其抗癌作用，结果表明酸生番茄果胶寡糖可通过抑制半乳糖-3的活性，进而抑制癌细胞的生长；Olano-Martin等[31]发现果胶寡糖可加速结肠癌细胞HT29萎缩和死亡进而抑制肿瘤的形成。
2.2 果胶寡糖的生物制造
果胶寡糖主要是通过酶法制造获取，主要途径有两种：酶合成法和酶降解法。
酶合成法主要通过选择特定的酶作为催化剂，将半乳糖醛酸糖单元以α-1，4-糖苷键连接，最终形成果胶寡糖。由于酶合成法所需的糖苷酶价格较高，制备过程繁琐、产率低，因此该方法不适用工业上大批量的生产。
酶降解法主要利用果胶酶的作用将果胶降解为果胶寡糖。该方法具有反应条件温和、寡糖分离纯化的工艺较简单等优点，被广泛应用于工业化生产中。
2.2.1 果胶酶的种类
降解果胶的果胶酶主要分类见表1。
表1 果胶酶的种类
Table 1 Pectinase species
种类 作用 分类 酶活力检测方法原果胶酶使非酯化半乳糖醛酸之间α-1，4-糖苷键的断裂A型果胶酶：作用于多聚半乳糖醛酸区域B型果胶酶：作用于连接细胞壁组分的多糖链和聚半乳糖醛酸链咔唑硫酸比色法果胶裂解酶通过反式消除反应裂解果胶聚合体，切断果胶C4位置，从C5处消去一个氢原子，得到不饱和产物①外切聚半乳糖醛酸裂解酶②内切聚半乳糖醛酸裂解酶③外切聚甲基半乳糖醛酸裂解酶④内切聚甲基半乳糖醛酸裂解酶以聚半乳糖醛酸为底物，在235 nm处测量吸光度的增加值果胶酯酶可去除半乳糖醛酸主链上的甲基Wood法测定
2.2.2 果胶酶的改造研究
目前果胶酶的改造主要有3种方法，高产果胶酶菌株的筛选、诱变育种、基因工程。
2.2.2.1 高产果胶酶的菌株
研究表明果胶酶主要来源于细菌、真菌及放线菌。杨逸飞等[32]从来源于海南的土壤样品中筛选出一株枯草芽孢杆菌，所产的果胶酶具有较好的耐碱性和热稳定性。尹乐斌等[33]从湖南省武冈市脐橙果园土样中分离得一株尖孢镰刀菌BM201，所产果胶酶酶活高达421 U/L。张耀广等[34]从18份复烤烟草中分离出38株可降解果胶的细菌和9株可降解果胶的真菌，结果表明其中有5株细菌具有较强的果胶降解能力。
2.2.2.2 诱变育种
诱变育种具有操作简单、成本低的优点，因此被广泛用于果胶酶的改造。Hadj-Taieb等[35]使用亚硝酸诱变青霉菌后得到一株突变型菌株CT1，该株菌的酶活显著高于其他野生菌株。葛新宇[36]使用脉冲强光诱变黑曲霉，显著提高果胶酶的酶活并改变菌株产酶的性质。黄丹梅等[37]通过对黑曲霉进行紫外光照诱变，得到了高产果胶酶的黑曲霉菌株。此外，氮离子注入诱变技术也是目前的研究热点之一。陈丽娟等[38]对产复合酶黑曲霉菌注入氮离子能量，进行诱变处理后得到变异菌株，结果表明该变异菌株的果胶酶、纤维素酶和酸性蛋白酶的酶活力显著提高。诱变种类及优缺点见表2。
表2 诱变种类及优缺点
Table 2 Types and relative merits of mutagenesis
种类 机理 分类 优点 缺点化学诱变高效化学诱变剂少，需配合其他诱变方法辐照诱变使用化学物质改变DNA中的一个或多个碱基对，使其不正确配对，从而产生突变硫酸二乙酯（diethyl sulfate，DES）、亚硝酸、甲基磺酸乙酯（ethylmethylsulfone，EMS）等操作简单、用量少、成本低需要突变的生物体受到穿透性射线（如紫外线、微波等）的照射微波、紫外光线、He-Ne激光、60Co-γ射线等 效率高、安全简便 需处理大量材料，突变效果不易控制N+离子注入诱变产生菌的成熟孢子被注入一定剂量的离子束，会改变碱基的分子结构，直接或间接导致基因片段丢失或断裂，从而导致突变无诱变效率高、可大幅度提高菌种产酶能力成本高、对操作技术和设备要求高
2.2.2.3 基因工程技术
基因工程技术可以在分子水平上改变产物酶学性质。韩萌萌等[39]从黑曲霉中克隆出果胶甲酯酶基因pmeA，构建出能分泌表达果胶甲酯酶的纯合重组菌株TH-2，再敲除TH-2中能分泌α-淀粉酶的asaA基因，最后得到温度和pH值作用范围均较宽的高产果胶甲酯酶的黑曲霉工程菌。陈恩发等[40]通过PCR技术克隆果胶盐裂解酶基因，构建出原核表达载体，结果发现魔芋软腐中的两个致病基因pelD和pelE经诱导后酶活均明显升高。
综上所述，基因工程技术克服了传统育种的盲目性，不仅能提高菌株的产酶能力，还能改变酶的性质。
3 展望
功能性低聚糖的研究一直是近年来的热点，其多种功能活性在医药、农业、食品等方面都具有广阔的应用前景。褐藻寡糖作为典型海洋寡糖，对其功能活性的深入研究可以为开发其他功能性海洋寡糖有良好的借鉴作用。目前的研究结果表明，生物法是褐藻寡糖和果胶寡糖相对高效、安全、成本较低的制备方法。
就目前的技术手段、研究热点而言，突破功能性低聚糖高效制备的关键性难题仍需在以下几点做好攻关：一是融合跨学科的科学方法。结合人工智能技术，深入挖掘多种方法研究功能性低聚糖的作用，并开发优化低聚糖制备的新方法、新设备；二是继续加强基础研究的力度。利用多组学技术手段探明菌株产酶的分子机制和物质基础，设计新思路构建高效产酶菌株的筛选模型和方法，最终实现低聚糖研究的重要突破。
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