褐藻是生活在海洋中的大型藻类,属于褐藻门( Phaeophyta) , 是藻类中比较复杂和高等的一类真核生物,主要包括海带、马尾藻、巨藻等。多数褐藻含有色素墨角藻黄素( fucoxanthin) , 这使得它们呈现出特有的绿褐色4。褐藻细胞壁的主要成分是褐藻胶、岩藻糖胶和纤维素，其中褐藻胶 占比约为40%。

褐藻胶中的a-L-古罗糖醛酸能够与钙离子形成"egg-box" 结构,进而固化成纤维] ,被广泛应用于纺丝行业。褐藻寡糖是通过解聚褐藻胶产生的聚合度为2 ~ 25的直链寡糖,通常使用物理化学法、生物合成法、酶解法等方法制备。根据糖醛酸组成的不同,褐藻寡糖分为甘露糖醛酸寡糖( M-AOS)、古罗糖醛酸寡糖( G-AOS )和杂合糖醛酸寡糖( H-AOS);M-AOS和G-AOS都是由单一糖醛酸组成的寡糖,而H-AOS由于β-D-甘露糖醛酸与a-L-古罗糖醛酸比例( M/G )不同而结构有所差异。褐藻寡糖由于分子量小、水溶性好,克服了褐藻胶黏度大、不易被机体吸收的缺点。此外,褐藻寡糖还具有独特的保鲜、抑菌、抗肿瘤、抗氧化、促进植物生长、诱导植物抗性等多种生物活性,因此在食品、保健品、医药和植保等领域的研究和应用得到了极大的发展。

1.1褐藻寡糖主要制备方法

1.1.1酶解法

酶解法即利用褐藻胶裂解酶降解褐藻胶,褐藻胶裂解酶可来源于海洋藻类、软体动物、棘皮动物和多种微生物。褐藻胶裂解酶根据其氨基酸序列可分为14个裂解酶家族( PL)[16l:PL5、PL6、PL7、 PL8、PL14、PL15、 PL17、PL18、PL31、 PL32、 PL34、PL36、PL39和PL41 ;根据其对糖苷键的选择特异性,可分为G特异性( EC4.2.2.11)、M特异性( EC4.2.2.3 )和双功能(MG)裂解酶( EC4.2.2-。生物酶解法制备褐藻寡糖具有反应条件温和、催化效率高、底物聚合度可控、无污染等优点,且与其他制备方式相比,生物酶解法制备的褐藻寡糖可以完整地保留生物活性。HU等[18]通过模 块重组获得一种名为Aly7C的杂交裂解酶 ,其在40°C、pH 9.0下表现出最大活性，生成的寡 糖聚合度为2~ 5。SONG从耐盐微生物中筛选出具有耐盐能力的裂解酶,在35 ~ 55℃下相对活性保持在80% ,主要降解产物是聚合度为2的寡糖。然而,大多数裂解酶的最佳反应温度在30 ~ 40℃,不利于规模化生产。相比之下具有热稳定性的裂解酶在I业应用中有更大的潜力, ZHU使用嗜热褐藻胶裂解酶AlyRmB在70℃下酶解高浓度褐藻胶, 10h后,褐藻寡糖的产率为0.42 g/L，且主要成分的聚合度为2~6 ,有应用于工业生产的潜力。在规模生产中可尝试使用多种酶组合酶解,显著提升降解效果。由于纤维素也是海藻细胞壁的主要成分,因此纤维素酶有助于降解海藻，提到使用褐藻胶裂解酶和纤维素酶组合, 24 h内海带降解率高达97%;ZHANG使用褐藻胶裂解酶和纤维素酶组合,褐藻水解速率显著大于商业产品褐藻胶裂解酶。

1.1.2发酵法

发酵法是利用能自产褐藻胶裂解酶的微生物如弧菌、色杆菌属、假交替单胞菌属、刺孢小克银汉霉、芽孢杆菌发酵降解褐藻胶。李金梦利用从海带中筛选出的芽孢杆菌Baillus sp.NCU001发酵褐藻胶,褐藻寡糖产率为34% ,并且该菌株生产的褐藻胶裂解酶具有降解甘露糖醛酸片段的偏好性。蒋文俊从深海细菌中筛选出具有降解褐藻胶能力的芽孢杆菌用于发酵马尾藻，经过培养及优化后,尾藻平板透明圈直径可达2.8 cm ,且发酵液对于寄生曲霉NFRI-95孢子拥有较好的抑菌抑毒活性。

1.1.3物理法

物理法主要分为辐射法、超声法、高温法。辐射法中最有效的是y射线法,随着辐射剂量增加,褐藻寡糖的分子会显著降低,但成本较高,通过加入化学引发剂可降低降解所需的剂量,有效控制成本。超声法利用空化现象产生的巨大剪切力破坏单糖单元间的共价键,获得分子量较小的褐藻寡糖，具有方便、快速、低成本、无副反应的优势,然而Andrea的研究中超声波降解得到的褐藻寡糖的分子量极限为100 kg/mol ,而使用较高浓度的乙醇作为介质能获得较低黏度和更小分子的褐藻寡糖,在96%乙醇中,能得到分子为50 kg/mol的褐藻寡糖,要获得更小分子量的褐藻寡糖,仍需进一步探索条件。有研究表明,在140℃的高温下对褐藻胶进行解聚,随着反应时间延长,反应产物表现出抗氧化能力越来越强的趋势。

1.1.4化学法

化学法通常有酸降解法、碱降解法和氧化降解法。目前酸降解法主要使用草酸、盐酸、硫酸或甲酸在沸水浴中进行。快速降解褐藻胶的方法是在0.1 ~ 1.0 mol/L(pH 2.8 ~ 4.5 )的盐酸中水解褐藻胶,但这种方法价格昂贵且对环境不友好。相比于盐酸降解,使用过氧化氢具有更多优势, ANNA等在研究中发现,使用过氧化氢氧化降解的水解产率远高于盐酸水解,且反应时间更短。亦有其他强氧化剂降解褐藻胶的研究, 利用臭氧处理褐藻胶,所得褐藻寡糖分子量显著降低,从972.3 kDa降低到76.7 kDa ,且不改变其化学结构; AI等同样利用臭氧降解褐藻胶,并提出了其降解机制,包括氧化和糖苷键的断裂,以及臭氧直接氧化形成o-二醇和0-二醛结构。

化学法制备最明显的缺点是反应的随机性、产物聚合度的复杂性以及难以获得具有特定聚合度的产物。尽管化学降解比较高效并且可以处理高浓度的底物,但是化学降解会产生大量副产品造成污染,并不适合褐藻寡糖的大规模生产。

1.2褐藻嘉糖的应用领域

1.2.1食品工业

褐藻寡糖因其独特的流变性质,可作为食品添加剂中的增稠剂、稳定剂和凝胶剂。值得注意的是褐藻寡糖具有低毒性、非免疫原性和生物降解性,因此可用于食品药物的递送载体, ZHOU开发出一种促玉米醇溶蛋白-褐藻寡糖复合材料用于传递营养物质,分散性、pH值、离子强度和长期储存稳定性都表现出优异性能。

1.2.2医疗行业

不同类型的褐藻寡糖具有不同的生物活性, H-AOS的主要特征与抗氧化、抗凋亡和抗肿瘤作用有关,而G- AOS的主要作用是免疫调节和防御病原体。相比之下, M-AOS及其衍生物主要通过调节肠道菌群和神经炎症发挥抗病毒、抗糖尿病和抗帕金森病药物的重要作用。UM-AOS和UG-AOS的生物活性主要与抗肥胖、抗氧化和脂质调节有关。此外, UM-AOS可以增强细胞自噬并发挥抗阿尔茨海默病的生物活性。

褐藻寡糖可以用于调节肠道菌群, ZHANG的研究表明补充褐藻寡糖可丰富潜在的益生菌并抑制有害细菌(如肠杆菌科、幽门杆菌科和消化链球菌科)的增殖; WANG等发现褐藻寡糖通过调节肠道菌群,对肥胖、糖尿病、高血压、免疫炎症、动脉粥样硬化和心血管疾病以及癌症等MetS相关疾病具有潜在的治疗作用,但其具体机制仍未阐明,需进一步深入研究。

1.2.3功能性饲料

褐藻寡糖是一类从海洋褐藻胶中提取的低聚糖类益生元, 具有调节动物消化道吸收功能、加快机体新陈代谢、促进动物快速生长、提高动物综合体质等作用。邓婉珍在大萎鲆和凡纳滨对虾饲料中添加不同比例的褐藻寡糖,发现添加0.07%和0.60%的褐藻寡糖显著提高大菱鲆的生长性能、免疫机能、增重率和饲料效率,添加0.07%褐藻寡糖能够改善凡纳滨对虾的肠道健康。YANG发现褐藻寡糖能增强草鱼肝脏的生长性能,促进脂肪代谢,提高肝脏抗氧化能力。YAN研究发现 ,在饲料中添加0.2%褐藻寡糖可明显降低沙门氏菌在肉鸡中的定植,改善鸡的肠道屏障功能和生产性能。

1.2.4植保领域

褐藻寡糖具有多种生物活性,对植物具有促生根生长、提高抗逆性、提质增产、抗病抗虫等作用,在植保领域中应用相当广泛,将在下文详细叙述。

生物刺激剂是能够通过分子层面的改变以及生理、生化和解剖结构的调节来调节植物生长行为的有机化合物。它们的作用方式多样,可以帮助植物应对各种环境压力, 如干旱、盐碱、和温度。 国内外众多研究证明,褐藻寡糖在植物生长过程中表现出广泛的生物活性。褐藻寡糖作为生物刺激剂的作用见图1。

图1 褐澡寡糖作为生物刺激剂的作用

2.1 促生根生长

褐藻寡糖对根系发育具有促进作用。在研究褐藻寡糖对小麦生根影响中发现,褐藻寡糖通过诱导植株上调硝酸还原酶的基因表达和酶活性,诱导小麦根系产生一氧化氬 ,同时加快了中柱细胞的分裂和生长,导致中柱面积与根横切面积比值增加;另一项对水稻的研究中发现,褐藻寡糖能够诱导生长素相关基因(如OsYUCCA1、OsYUCCA5、OsIAA11和OsPIN1 )的表达,加速生长素的生物合成和运输,并降低水稻根中的吲哚乙酸( IAA )氧化酶活性,从而促进根系发育;并且发现钙信号传导可能在褐藻寡糖诱导的根系发育中既作为上游信号分子,也作为下游信号分子,与生长素协同作用。在促进植株生长方面, SANGRAM等[49]研究发现褐藻寡糖处理甜叶菊后,其碳酸酐酶( CA )和硝酸还原酶( NR )活性显著提升。CA是植物中最常见的含锌蛋白之- , 存在于所有光合组织中,表明它在光合作用中起着积极的作用; NR是氮素同化的关键酶,也是植物营养状况的指示剂,可促进植株的鲜质量和干质量显著增加。近10年来褐藻寡糖对各种农作物促生根生长的研究见表1。

表1  褐藻寡糖对各种农作物促生根生长研究

2.2提高抗逆性

在自然界中,植物无时无刻受到生物和非生物胁迫的挑战,称为逆境,逆境包括干旱胁迫、盐胁迫、高温低温胁迫、病虫害胁迫和氧化胁迫等。褐藻寡糖不仅能促进植物生根生长,在植物抵抗逆境时也表现出巨大的潜力。徐常健研究发现褐藻寡糖与壳寡糖、γ-氨基丁酸为2 :1: 1时能够提高水稻幼苗的抗氧化酶活性,降低丙二醛和过氧化氢含量,增强幼苗的抗寒性。采用褐藻寡糖处理干旱胁迫下的黄瓜，显著提高了干旱胁迫下黄瓜的直径、鲜质量、光合速率、蒸腾速率、气孔导度和叶绿素含量,并阐明了其中机制,即通过刺激脱落酸合成,诱导脱落酸信号通路中涉及的抗氧化酶合成基因的表达,从而提高黄瓜的耐旱性。褐藻寡糖增加植物对盐碱胁迫的抵抗机制尚未明确, DU等62通过喷施褐藻寡糖来分析其对水稻幼苗在盐胁迫下的转录组和代谢物谱的影响,试图阐明作用机制,研究发现褐藻寡糖通过激活信号传导调节光合作用、促进细胞壁形成和多种抗氧化途径来应对盐胁迫,并为褐藻寡糖在水稻中缓解盐胁迫诱导的损伤提供了分子基础。YANG通过模拟酸雨和高温条件来研究褐藻寡糖对水稻幼苗的影响,褐藻寡糖处理能显著提高在高温和酸雨条件下的生物量,增加抗氧化酶活性,降低水稻叶片中活性氧浓度,并能保护叶绿素含量和叶片组织的完整性。

2.3提质增产

大量研究证明施用褐藻寡糖能使作物增产。ANISH研究发现在500 kGy剂量下的y射线产生的分子量为28.1 kDa的褐藻寡糖,以质量分数0.02%的溶液喷施,可使水稻产量提高13% ,并改善种子质量。RAJIB利用褐藻 寡糖处理花椰菜,与对照组相比,褐藻寡糖处理的花椰菜在早期和中期的种子产量分别提高了56.8%和64.5%。LIU使用不同M/G比例的褐藻 寡糖处理白熟期的草莓果实,代谢组分析显示褐藻寡糖主要影响黄酮类化合物,特别是花青素的生物合成,较高的M/G比例有利于褐藻寡搪的着色促进作用。

2.4抗病菌、抗病毒

褐藻寡糖对各植物病害的抑制情况见表2。许多研究报道指出,褐藻寡糖不仅本身具有抑制病菌的能力, 还能诱导提高植物抗病性。学者HAN研究褐藻寡糖联合酵母Meyerozyma guillermondii防治梨果青霉病,发现联合处理能显著降低梨果青霉病的发病率和病变直径且能增加梨果中多种酶活性,提高总酚和黄酮类物质含量。同样的方法, L等采用褐藻寡糖联合酵母Sporidioboulus pararoseus控制桃果褐腐病,发现当褐藻寡糖单独使用时即可减少桃果实褐腐病的发病率和病变直径,但联合使用的效果更为显著。研究表明,褐藻寡糖和S.pararoseus联合应用是控制桃果实褐腐病的有效方法,可以提高果实的抗病性和保持果实品质。ZHUO施用不同浓度的褐藻寡糖处理猕猴桃,探究褐藻寡糖对猕猴桃采后品质和病害的影响,研究表明处理后的猕猴桃储存期间灰霉病发病率和病斑直径均降低,同时提高了猕猴桃的硬度,降低了可溶性固形物含量,从而延长采后储存时间。ZHANG研究褐藻寡糖对水稻稻瘟病的作用,发现褐藻寡糖能够诱导水稻发芽种子中多种植物防御素的积累,激活水稻的防御反应,显著降低由稻瘟病菌引起的病害指数(从17.74%降低到10.81%) , 保护效果达到39.06%。

表2  褐澡寡糖对各植物病害的抑制情况

2.5提高营养成分

各研究中不同植物施用褐藻寡糖后的效果见表3。营养成分的提高是多方面因素作用的结果,首先褐藻寡糖能够增强植物的光合作用,提高叶绿素合成速率及稳定性 ,促进生长;其次是褐藻寡糖能够诱导相关产物合成基因的表达,增加了产物的积累量;最后，褐藻寡糖处理能增加植物的相对水含量,提高气孔导度,从而保证叶片对CO2的充分吸收。

表3 褐藻寡糖对各植物的营养成分增加效果

2.6抗氧化、耐储存

褐藻寡糖具有抗氧化、保鲜、抗腐的作用,可延长采后果实的储存时间,降低运输、储存成本。ZHUO使用质 量浓度50 ~ 500 mg/L的褐藻寡糖处理采后猕猴桃,研究发现褐藻寡糖能够提高猕猴桃的果实硬度,降低灰霉病发生率及发病后的病灶直径,提高总抗氧化能力,提升果实品质; XIONG同样使用褐藻寡糖处理采后猕猴桃,得出相似的结论,但所用褐藻寡糖的质量浓度是80mg/L。BOS使用褐藻寡糖处理 草莓果实,阐明了延长储存时间的机制,褐藻寡糖能够减少脱落酸和脱落酸偶联物的积累并抑制脱落酸信号基因表达,从而保持果实品质延长储存时间。

褐藻寡糖的使用方式不局限于直接喷洒,还可与含苯丙素物质的银杏叶提取物复合,制成绿色防腐剂用于桃的保鲜，具有降低果实呼吸频率,抑制腐败,减少对黑腹果蝇吸引力的作用。

2.7提高土壤细菌群落多样性

土壤微生物在植物生长、发育、抗逆性、抗病性等方面起着关键作用 ,而施用褐藻寡糖有利于提升土壤细菌群落的多样性。胡静等对小麦根部浇灌褐藻寡 糖,研究褐藻寡糖对根际微生物群落的影响,结果表明与对照组相比,处理组中的嗜酸菌属、Simplicispira、固氮螺菌属( Azospira )相对丰度有所增加,固氮螺菌属中包含了多个参与氮素固定、代谢的菌种，提高土壤养分的转化。WANG通过对土壤施用不同浓度的褐藻寡糖,对0 d和60 d的结果进行细菌16s rRNA基因扩增深度测序,处理60 d后的样本chao1指数和shannon指数与处理0 d相比差异显著,增加了细菌多样性和丰度,且可激活土壤酶活性和微生物活性,从而促进土壤质量改善。

3.1肥料利用现状

自2006年以来,我国一直是世界上最大的化肥生产国和消费国,化肥产量占世界的四分之一以上,每年消费量占比超过30%化肥类型主要有氮肥、磷肥、钾肥和复合肥。氮、磷、钾是植物生长过程中最重要的元素。氮缺乏会导致植物光合效率降低 ,减少氨基酸和蛋白质的生物合成，进而降低植物生长和产量。于土壤中速效磷的浓度低且流动性差 ,磷成为植物生长的主要限制因素,磷是核酸、磷脂、三磷酸腺苷( ATP )的组成成分,磷缺乏会导致植物水分利用效率降低,降低耐旱能力,根系生长发育受阻 ,且根际抗病能力降低。钾在提高农作物产量和质量中起着至关重要的作用,钾充足能促进蛋白质合成、提高氨基酸及其他营养物质含量。施用化肥是目前提高土壤中氮、磷、钾元素的主要方法,但植物对于氮元素的利用率只占施用的30%-40% ,磷利用率更是仅有10%-20% ,过度施用化肥导致土壤酸化、土壤传播病害加剧、土壤微生物多样性、地下水污染,甚至危害人体健康。提高肥料利用率减少施肥量能从根本解决过度使用化肥引发的一系列问题。

3.2褐藻寡糖在肥料增效中的应用

褐藻寡糖分子结构中的羧基含有负电荷,结合氮肥中的氨和铵态氮,在特定条件下形成络合物,缓慢释放氮养分,抑制其向硝态氮及亚硝态氮的转化,减少氮素损失,提高氮肥的利用率。多个报道指出添加褐藻寡糖能增加化肥的利用率(见表4)。

此外,褐藻寡糖能与各种生物质共混开发出缓释化肥的涂层材料,延长养分释放的时间,极大增加肥料利用率的同时增强土壤保水能力,FIRMANDA利用油棕空果串与褐藻寡糖开发缓释材料; MENG使用硫和褐藻寡糖双层包衣制备大颗粒缓控释肥,氮利用率提高22.9%;BOUCHTAOUI利用木质素和褐藻寡糖开发新型涂层材料用于控释氮磷肥，当木质 素与褐藻寡糖的比例为75: 25时,在第16天释放的氮磷肥占总量的80% ,与不添加涂层的4 d相比极大延长了释放时间,且能抑制土壤微生物对肥料的水解和硝化作用,减少肥料损失; TEIXEIRA等1120]利用马黛茶粉与褐藻寡糖结合开发用于尿素肥缓释的可降解封装材料,尿素基肥料养分释放量在第5天达到总量的80%;SATHISARAN利用明胶与褐藻寡糖制成复合微珠用于实现尿素基肥料缓释,控释遵循fickian扩散动力学。相比于相同成分肥料,缓释肥料更有利于提高农作物产量并增加土壤微生物多样性。

表4 褐藻寡糖增加化肥利率

系统地探讨褐藻寡糖的生产方式、各领域功能、作为生物刺激剂的应用服其作用机制,并分析了褐藻寡糖在肥料增效中的应用及其作用机制。褐藻寡糖作为一种新型生物活性物质,其独特的结构和功能使其在农业领域展现出巨大的潜力和价值。

尽管褐藻寡糖在农业领域中展现出积极的效果,但仍存在一些问题和挑战需 要进一步研究和解决, 一方面是生产工艺,以目前可查阅的资料来看,能做到工业化生产且具有优异生物活性的最佳方法是酶解法,但现有的酶大多为中低温酶,热稳定性差,无法规模化生产,需要继续探索挖掘出热稳定性强且高效的褐藻胶裂解酶,提高生产效率;另一方面需要进一步探究褐藻寡糖与植物互作的分子机制,以及其在不同作物和环境条件下的作用差异。

总的来说,褐藻寡糖作为一种多功能的生物刺激剂,在肥料增效领域具有广阔的应用前景。未来的研究应聚焦于其作用机制的深入解析、生产工艺的优化、以期实现褐藻寡糖在农业可持续发展中的更大贡献。