農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)す烟歉男缘膶?zhuān)利技術(shù)發(fā)展概述

湯懷武　王紅春　史愛(ài)民

摘要： 殼寡糖是指由2～10個(gè)2-氨基葡萄糖通過(guò)β-1，4-糖苷鍵連接而形成的直鏈或支鏈的低度聚合物，可以抑制多種植物病原真菌和細(xì)菌的生長(zhǎng)。殼寡糖分子中C3、C6位的羥基以及C2位的氨基是強(qiáng)親核基團(tuán)的活潑基團(tuán)，容易發(fā)生親核加成或親核取代反應(yīng)，C3、C6位的羥基還會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)生成羰基或羧基。對(duì)殼寡糖的化學(xué)修飾主要包括?；Ⅳ然?、羥基化、氰化、醚化、烷化、酯化、接枝化、交聯(lián)化、成鹽、螯合等反應(yīng)。通過(guò)化學(xué)修飾生成各種不同結(jié)構(gòu)和不同性能的衍生物，不但拓寬了殼寡糖的應(yīng)用范圍，而且可以提高殼寡糖的生物性能，是近年來(lái)殼寡糖研究的熱點(diǎn)，生成的殼寡糖衍生物具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 農(nóng)業(yè)；殼寡糖；改性；專(zhuān)利；綜述

中圖分類(lèi)號(hào)： S-1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）08-0444-03

殼聚糖（oligochitosan）是甲殼素（chitin）部分脫乙酰的產(chǎn)物，由β-1，4-糖苷鏈連接的2-氨基葡萄糖和2-乙酰氨基葡萄糖組成，其中前者含量一般超過(guò)80%。殼寡糖（oligochitosan）是殼聚糖經(jīng)水解生成的一類(lèi)低聚物，嚴(yán)格意義上，殼寡糖是指由2～10個(gè)2-氨基葡萄糖通過(guò)β-1，4-糖苷鍵連接而形成的直鏈或支鏈的低度聚合物，其分子中的糖度基數(shù)稱(chēng)為聚合度（DP） [1]。文獻(xiàn)中通常將聚合度在10～20之間的也稱(chēng)為殼寡糖。殼寡糖的結(jié)構(gòu)可用圖1所示通式表示。

殼寡糖及其衍生物被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中，在植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)及抗病等方面的應(yīng)用具有極大的潛力。

1 殼寡糖在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

1 1 作為植物病原菌生長(zhǎng)抑制劑

在植物病原真菌與寄生植物之間，殼寡糖對(duì)植物病原真菌的孢子發(fā)芽和生長(zhǎng)具有抑制作用，并對(duì)病原菌感染的防護(hù)機(jī)能具有誘導(dǎo)作用。孫輝等研究發(fā)現(xiàn)殼寡糖對(duì)黃瓜枯萎病菌等的生長(zhǎng)和萌發(fā)均有不同程度的抑制作用 [2]。胡健等研究發(fā)現(xiàn)不同分子量的殼寡糖對(duì)各種植物病原細(xì)菌的生長(zhǎng)及植物病原真菌孢子萌發(fā)形成菌絲體都有明顯的抑制作用 [3]。趙小明等發(fā)現(xiàn)殼寡糖可提高棉花對(duì)黃萎病的抵抗能力 [4]。白春微等發(fā)現(xiàn)殼寡糖對(duì)水稻紋枯病菌的菌核萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)沒(méi)有抑制作用，但可引發(fā)水稻對(duì)紋枯病的誘導(dǎo)抗病性 [5]。劉曉宇等研究發(fā)現(xiàn)殼寡糖對(duì)棉花炭疽病菌、稻瘟病等多種植物病原菌的生長(zhǎng)有明顯的抑制作用 [6]。黃磊等研究發(fā)現(xiàn)殼寡糖可以顯著抑制病菌孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)，對(duì)黃瓜黑星病具有明顯的防治作用 [7]。

1 2 作為生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑

殼寡糖還能調(diào)節(jié)植物基因的關(guān)閉與開(kāi)放，促進(jìn)植物細(xì)胞的活化，刺激植物生長(zhǎng)。張文清等研究殼聚糖在乳酸介質(zhì)中的氧化降解工藝，以制備分子量為2 000～3 000的殼寡糖，試驗(yàn)證明殼寡糖對(duì)黃瓜具有良好的促生長(zhǎng)作用 [8]。袁建平等研究發(fā)現(xiàn)一定濃度的殼寡糖能夠促進(jìn)玉米種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)，但其促進(jìn)作用隨殼寡糖濃度的不同而有較大的差異 [9]?？镢y近等研究發(fā)現(xiàn)殼寡糖水溶液能夠提高冷害水稻幼苗根系活力的作用，從而有效地提高水稻幼苗的抗冷能力。

1 3 作為種子被膜劑

陸引罡等對(duì)殼寡糖油菜種衣劑劑型應(yīng)用效果進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)殼寡糖拌種可明顯抑制油菜菌核病的發(fā)生，3個(gè)油菜品種的防治率為34 19%～44 1% [10]。

基于殼寡糖在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域廣泛的用途，對(duì)殼寡糖的研究受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注。對(duì)殼寡糖的前期研究報(bào)道多見(jiàn)于非專(zhuān)利文獻(xiàn)，研究的方向在于殼寡糖自身聚合度以及殼寡糖的脫乙?；綄?duì)殼寡糖活性的影響。日本明治制藥株式會(huì)社在1988年就殼寡糖的制備申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利，專(zhuān)利文獻(xiàn)的公開(kāi)號(hào)為JP63216804，在該文獻(xiàn)中，研究人員從甲殼質(zhì)中經(jīng)過(guò)鹽酸溶解脫?；螅?2 ℃處理48 h，過(guò)濾掉不溶的成分，用陰離子交換樹(shù)脂進(jìn)行中和并除去氯離子等雜質(zhì)，濃縮得到殼寡糖濃縮液，得到的殼寡糖溶液被用于促進(jìn)植物的生長(zhǎng) [11]。

此后隨著研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)殼寡糖可以像殼聚糖一樣進(jìn)行改性，從而獲得更好的生物活性。然而，目前關(guān)于殼寡糖改性的綜述主要涉及非專(zhuān)利文獻(xiàn)，能夠系統(tǒng)體現(xiàn)技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)的專(zhuān)利文獻(xiàn)卻被忽視，至今尚無(wú)文獻(xiàn)系統(tǒng)報(bào)道關(guān)于殼寡糖改性技術(shù)的專(zhuān)利狀況?？梢?jiàn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域缺乏對(duì)殼寡糖改性技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)情況以及技術(shù)發(fā)展程度的系統(tǒng)梳理。本文以中國(guó)專(zhuān)利數(shù)據(jù)庫(kù)和德溫特專(zhuān)利數(shù)據(jù)庫(kù)為依托，選取有代表性的中外專(zhuān)利文獻(xiàn)，系統(tǒng)梳理了涉及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的殼寡糖改性技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)狀況，總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)殼寡糖的改性手段，以期為本領(lǐng)域研究人員提供更多殼寡糖改性思路，并為相關(guān)改性技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)峁┙梃b。

2 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)す烟歉男缘膶?zhuān)利技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

殼寡糖分子中C3、C6位的羥基以及C2位的氨基是強(qiáng)親核活潑基團(tuán)，容易發(fā)生親核加成或親核取代反應(yīng)，C3、C6位的羥基還會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)生成羰基或羧基。

目前對(duì)殼寡糖的改性手段主要是通過(guò)共價(jià)鍵將一些功能基團(tuán)引入殼寡糖。對(duì)殼寡糖進(jìn)行改性的目的可分為：在C2位的氨基上連入含有更多或更強(qiáng)的陽(yáng)離子基團(tuán)以提高殼寡糖對(duì)某些不敏感菌的抑菌活性；在C6位上引入一個(gè)可起中介作用的基團(tuán)，將殼寡糖連接到其他材料上以形成具有抗菌活性的功能材料。

[BT2+ 5]2 1 C2位的修飾

2 1 1 季銨鹽化反應(yīng) 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)す烟堑母男?，最早關(guān)注的是對(duì)其C2位的氨基進(jìn)行修飾。在殼寡糖C2位的氨基上引入季銨鹽陽(yáng)離子可顯著提高其抑菌活性。季銨鹽是一類(lèi)陽(yáng)離子表面活性劑，其自身即具有強(qiáng)烈的殺菌和防霉防蛀性能。在殼寡糖的氨基上引入季銨鹽陽(yáng)離子可大幅度提高其抑菌活性，并且殼寡糖衍生物的抑菌活性與季銨鹽的取代度成正比。

2006年8月23日，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所提出了“一種殼聚糖季銨鹽及其制備方法與應(yīng)用”的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng) [12]，反應(yīng)的原理是殼寡糖大分子上同時(shí)有氨基和羥基，利用氨基或羥基反應(yīng)活性，引入親水基團(tuán)與之反應(yīng)，既可以保持殼寡糖的親水性，又能通過(guò)破壞殼寡糖分子鍵的氫鍵相互作用，從而得到水溶性殼寡糖的衍生物。此技術(shù)通過(guò)對(duì)殼寡糖進(jìn)行化學(xué)改性，引入了親水性較強(qiáng)的羥丙基三甲基氯化銨基團(tuán)，制備出N-上取代的羥丙基三甲基氯化銨殼寡糖，改善了水溶性，提高了吸濕、保濕性能及其抑菌活性。endprint

2010年11月9日，北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院提出了“一種O-季銨鹽低聚殼聚糖香草醛席夫堿抑菌劑及其制備方法”的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng) [13]，反應(yīng)原理同樣是利用殼寡糖分子結(jié)構(gòu)上的位點(diǎn)C2—NH2和C6—OH，C2—NH2與香草醛修飾形成席夫堿，再通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)中C6—OH接枝季銨鹽以增強(qiáng)制備產(chǎn)物的溶解性并同時(shí)增加抑菌活性中心，從而制備一種新型具有多抗菌活性中心的天然抑菌劑。

2011年3月22日，連云港?？瞪锟萍加邢薰咎岢隽恕耙环N殼寡糖季銨鹽及其合成方法”的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng) [14]，其方法是采用烷基化反應(yīng)，將C2上氨基季銨化。殼寡糖季銨鹽相比于殼寡糖，對(duì)辣椒疫霉菌及金黃色葡萄球菌的抑制作用更明顯。

2 1 2 酯化反應(yīng) 殼寡糖C2位的氨基上接入不飽和脂肪酸可制成植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑或誘導(dǎo)植物抗病性制劑。

2010年12月24日，大連中科格萊克生物技術(shù)有限公司提交了“一類(lèi)N-不飽和脂肪酸?；瘹す烟羌捌渲苽浜蛻?yīng)用”的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng) [15]，所得N-不飽和脂肪酸酰化殼寡糖以殼寡糖為主體，在每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的氨基上接不飽和脂肪酸，該化合物集合了2種活性分子的活性，具有促進(jìn)植物生長(zhǎng)和誘導(dǎo)植物抗病性的活性。

2012年3月9日拜耳公司申請(qǐng)了“酯化殼寡糖在保護(hù)種子安全中的應(yīng)用”的發(fā)明專(zhuān)利 [16]，所述酯化殼寡糖是通過(guò)在C2位接入不飽和芳香酸得到，所得酯化殼寡糖能夠提高種子發(fā)芽率。

2012年9月10日，Novozymes公司提交了“種子處理方法和組合物”的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)，C2位接入不飽和脂肪酸得到改性殼寡糖，能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng) [17]。此外，國(guó)外專(zhuān)利文獻(xiàn)WO2014049546A2、WO2013044214A1、WO2013044212A1、WO2013044211A1、WO2013044208A2、WO2013040366A1分別報(bào)道了C2位接入不飽和脂肪酸得到具有促進(jìn)植物生長(zhǎng)功能的改性殼寡糖 [18-23]。上述反應(yīng)也是利用殼寡糖C2位的—NH2與不飽和脂肪酸上的羧基反應(yīng)，得到不飽和脂肪酸?；臍す烟?。

隨著對(duì)殼寡糖研究的深入，C2位的修飾不局限于季銨鹽陽(yáng)離子，一些具有特殊性質(zhì)的復(fù)雜基團(tuán)同樣可以用于C2位的修飾。

2011年04月02日，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所申請(qǐng)了“一種殼聚糖縮脲代氨基脲衍生物及其制備方法” [24]，制備方法如圖2所示，反應(yīng)的機(jī)理是硫代胺基脲殼寡糖結(jié)構(gòu)中含有肼基，可與醛縮合在殼寡糖結(jié)構(gòu)中引入縮脲代氨基脲活性基團(tuán)，進(jìn)而與殼寡糖產(chǎn)生協(xié)同作用，顯著提高衍生物的生物活性。

2 2 C2—C3位的修飾

殼寡糖的糖殘基在C2位上有一個(gè)氨基，在C3上有一個(gè)羥基，都是平伏鍵，這種特殊的結(jié)構(gòu)使得它們對(duì)具有一定離子半徑的一些金屬在一定pH值條件下具有螯合作用，可以與抑菌活性的金屬離子形成殼寡糖-金屬配合物。殼寡糖螯合金屬離子可作為生物肥為植物提供所需的金屬元素，同時(shí)又能誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗病性。

2009年4月1日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所提出了“一種殼寡糖-稀土配合物及制備和應(yīng)用”的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng) [25]，由稀土離子與殼寡糖上的氨基和/或羥基配位鍵合而成，稀土元素配合物上的鍵合總質(zhì)量0 1%～18%，結(jié)構(gòu)如圖3所示，R=H或CH3CO—，n=0～8，所述稀土元素M通常為鈰、鑭、釹、鐠、釤中的一種或多種。所得到的殼寡糖-稀土配合物能顯著降解有機(jī)磷農(nóng)藥，具有誘導(dǎo)植物抗病性的活性，能

[ （W5][TPTHW3 tif]

夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)、提高產(chǎn)量。

2011年12月13日，福州超大現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司提出了“一種用鹽析工藝制備有機(jī)鈦-殼寡糖銨鹽生物肥的方法”的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng) [26]，制得有機(jī)鈦-殼寡糖銨鹽生物肥，該肥料既具備有機(jī)鈦的所有功能，又兼?zhèn)錃す烟堑乃泄δ?，使有機(jī)鈦、殼寡糖多種功能相疊加。

2011年12月28日，遼寧師范大學(xué)提出了“殼六糖鉻配合物及其制備方法”的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng) [27]，利用殼寡糖分子中含有大量游離—NH2，且—NH2鄰位是—OH，可借氫鍵，也可借鹽鍵形成具有類(lèi)似網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的籠形分子，從而對(duì)金屬離子有著穩(wěn)定的配位作用。

2013年9月2日，中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所提交了“寡糖及其衍生物釩配合物的制備方法及其應(yīng)用”的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng) [28]，首先將多糖水解得到寡糖（包括殼寡糖），再將寡糖或其衍生物與VO 2+進(jìn)行絡(luò)合反應(yīng)，形成配合物，寡糖釩配合物可以充分發(fā)揮微量元素釩的生理活性，使兩者的作用相互協(xié)調(diào)并增強(qiáng)，提高釩在生物體內(nèi)的可利用性。

2008年10月13日至2011年12月28日，遼寧師范大學(xué)提交了一系列殼寡糖螯合金屬離子的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)，分別為“殼寡糖螯合釩及其制備方法”（CN102443076）、 “殼寡糖螯合銅及其制備方法”（CN101724094）、“殼寡糖螯合錳及其制備方法”（CN101849679）、“殼寡糖螯合亞鐵及其制備方法”（CN101849677）、“殼寡糖螯合鋅及其制備方法”（CN101849678） [29-33]。上述殼寡糖螯合金屬離子的反應(yīng)機(jī)理不盡相同。殼寡糖螯合釩的機(jī)理是殼寡糖與釩酸根發(fā)生酯化反應(yīng)，形成配合物。殼寡糖螯合銅、鋅、亞鐵和錳離子的機(jī)理是利用殼寡糖分子中含有大量游離—NH2，且—NH2鄰位是 —OH，可借氫鍵，也可借鹽鍵形成具有類(lèi)似網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的籠形分子，從而對(duì)金屬離子有著穩(wěn)定的配位作用。

2 3 C6位的修飾

殼寡糖C6位上引入N-羥甲基丙烯酰胺可將殼寡糖的抑菌活性“嫁接”到海藻酸鈉等其他材料上，制成天然的抗菌材料。

2012年3月13日，中國(guó)海洋大學(xué)生物工程開(kāi)發(fā)有限公司提交了“一種碘化殼寡糖海藻生物肥料的制備方法”的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng) [34]，酶解方法制備的海藻提取液與碘化殼寡糖溶液按一定比例進(jìn)行螯合反應(yīng)，得到碘化殼寡糖海藻生物肥料，其對(duì)增強(qiáng)作物抗性、防治病毒性侵害等有明顯的效果。endprint

3 總結(jié)與展望

通過(guò)現(xiàn)有的專(zhuān)利文獻(xiàn)報(bào)道的改性技術(shù)來(lái)看，對(duì)殼寡糖的改性主要基于殼寡糖特殊的分子結(jié)構(gòu)，殼寡糖分子中C2位連接氨基，C3、C6位連接羥基，上述基團(tuán)都是強(qiáng)親核的活潑基團(tuán)，容易發(fā)生親核加成或親核取代反應(yīng)。C3、C6位的羥基還會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)生成羰基或羧基。C2位上的氨基和C3位上的羥基都是平伏鍵，這種特殊的結(jié)構(gòu)使得它們對(duì)具有一定離子半徑的一些金屬在一定pH值條件下具有螯合作用，可以與具有抑菌活性的金屬離子形成殼寡糖-金屬配合物。

后期研究可基于C2位的氨基，選擇具有特定生物活性的基團(tuán)進(jìn)行成鹽、?；蛑氐磻?yīng)；也可基于C3、C6位的羥基，選擇相應(yīng)的功能基團(tuán)進(jìn)行酯化或脫水縮合反應(yīng)。此外還可以充分挖掘殼寡糖分子中可被修飾的其他位點(diǎn)，豐富改性手段，從而使殼寡糖具備更廣泛的生物活性。

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