殼寡糖的理化特性及制備方法

楊蘇亮，閆冰雪，李海靜，夏夢芳，黃艷群，陳　文*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)飼料營養(yǎng)河南省工程實驗室，鄭州　450002；2.山東省濟寧市兗州區(qū)畜牧獸醫(yī)工作站，山東 濟寧　272000）

殼寡糖的理化特性及制備方法

楊蘇亮1，閆冰雪1，李海靜2，夏夢芳1，黃艷群1，陳文1*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)飼料營養(yǎng)河南省工程實驗室，鄭州450002；2.山東省濟寧市兗州區(qū)畜牧獸醫(yī)工作站，山東 濟寧272000）

殼寡糖是指由2～10個氨基葡萄糖組成的低聚糖，是一種功能性的食品和飼料添加劑，對于保持動物機體健康和提高動物生長性能具有重要影響。文章綜述了殼寡糖的理化特性及制備方法。

殼寡糖；理化特性；制備方法

殼寡糖（COS）是從蝦蟹類生物外殼的甲殼素中提取，是由2～10個氨基葡萄糖組成的低聚糖，學(xué)名β-（1-4）-2氨基-2-脫氧-D-葡萄糖。COS作為飼料添加劑具有益生素的功能，可減少抗生素的使用，改善動物腸道健康，提高動物生產(chǎn)性能［1］。COS作為一種新型功能性飼料添加劑，對其的應(yīng)用研究越來越廣泛。

COS的制備方法很多，近幾年常見的COS制備的方法有物理法、化學(xué)法、酶解法、復(fù)合降解法和糖基轉(zhuǎn)移法。這幾種制備方法都有其自身的優(yōu)缺點，其中，酶降解法以反應(yīng)條件溫和、所需反應(yīng)試劑少、環(huán)境污染小、產(chǎn)率高、反應(yīng)易控制、產(chǎn)物均一性好等優(yōu)點而成為制備COS的首選方法。

1　殼寡糖的結(jié)構(gòu)及理化特性

1.1殼寡糖的結(jié)構(gòu)

COS是殼聚糖的降解產(chǎn)物，又叫殼聚寡糖、幾丁寡糖、低聚殼聚糖，是由2～10個2-氨基葡萄糖以β-1，4-糖苷鍵連接而成，其基本組成單位是氨基葡萄糖殘基，糖殘基上有羥基和氨基兩種基團。其中，6位碳羥基可以在空間構(gòu)象上自由地旋轉(zhuǎn)，位阻較小，是一級羥基；也有3位碳上的羥基，在空間構(gòu)象上不能自由地旋轉(zhuǎn)，位阻較大，是二級羥基。COS糖殘基上的氨基屬于一級氨基，有一對孤對電子，具有很強的親和性。COS分子中含有的羥基、氨基，易進行化學(xué)反應(yīng)（如O-酰化和N-?；磻?yīng)、酯化反應(yīng)、醚化反應(yīng)、烷基化反應(yīng)、氧化反應(yīng)、共聚以及交聯(lián)反應(yīng)等）。在COS分子中引入不同性質(zhì)和功能的“官能團”，可獲得獨特功能的衍生物，從而進一步拓寬COS的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.2殼寡糖的理化特性

COS的聚合度在2～20范圍內(nèi)，相對分子質(zhì)量低，溶解度較高，極易吸潮，具有優(yōu)良的吸濕保濕性［2］。COS不具有殼聚糖的高分子化合物性質(zhì)，如成膜性、形成高黏度溶液等。但COS擁有良好的水溶性和低黏度，生理功能作用大，易被生物體吸收，生物活性高等優(yōu)勢［3］。

COS是自然界中唯一的堿性糖，也是天然多糖中唯一帶正電荷的小分子物質(zhì)［4］。由于存在氨基，呈堿性的COS可以吸附溶液中的H+，能與許多酸性物質(zhì)吸附結(jié)合。COS被吸收進入機體后，可以吸附體內(nèi)的酸性物質(zhì)，使體內(nèi)環(huán)境向偏堿性改變，從而改善體內(nèi)環(huán)境。

COS分子中含有游離氨基和半縮醛羥基，在高濃度及高溫條件下很容易發(fā)生縮合反應(yīng)，生成希夫堿；COS溶液具有較強的還原性，在有氧化劑存在或暴露在空氣中，會發(fā)生氧化反應(yīng)。這兩種反應(yīng)的發(fā)生，會使COS溶液顏色加深［5］。因此COS配成溶液后，應(yīng)密封保存于低溫處。COS成鹽后，會增強其穩(wěn)定性。COS的化學(xué)結(jié)構(gòu)與植物纖維非常相似，因此也被稱為可食性的動物纖維素。

COS的殘?zhí)腔贑2上有氨基，在C3上有一個羥基。從空間構(gòu)象上看都是平伏鍵。這種結(jié)構(gòu)特征，使得其對有一定離子半徑的金屬離子具有螯合作用。離子半徑較大的金屬離子與COS分子的螯合作用強度，隨著離子半徑的增大而逐漸加強。利用這種特性，可將COS作為機體內(nèi)某些重金屬離子的清除劑（如銅離子、鉛離子等），也可以預(yù)先將COS與某些金屬離子螯合（如鋅離子等），作為這些離子的補充劑，既補充了這些離子，又有COS的保健作用。而一些離子半徑較小的金屬離子（如堿金屬和堿土金屬離子）與COS沒有螯合作用。

2　殼寡糖的制備

2.1物理法

常見的物理降解法有超聲波、微波、輻射、光和機械降解法。物理法操作比較簡單，但降解效果差，很難得到聚合度為2～10個單糖的COS。原理是通過超聲波、微波和光波等方法造成殼聚糖分子內(nèi)化學(xué)鍵的斷裂來生產(chǎn)COS。但作用時間明顯影響超聲法和微波降解法的效果。Y射線降解COS時超過閾值，殼聚糖的相對分子質(zhì)量降低且反應(yīng)速率減緩［6］。紫外光照射能夠提高殼聚糖的降解程度［7］。紅外光譜照射能夠增加反應(yīng)物分子中的氨基數(shù)目［8］。應(yīng)用較少的物理方法還有高壓均質(zhì)技術(shù)，機械研磨技術(shù)［9-10］。

2.2化學(xué)法

主要的化學(xué)方法有酸降解法、氧化降解法和化學(xué)合成法。

2.2.1酸降解法

早在20世紀50～60年代，鹽酸和硫酸就被用來降解COS。酸降解法是利用殼聚糖分子中存在眾多的游離氨基能夠與溶液中氫離子結(jié)合的特點，致使殼聚糖分子間與分子內(nèi)部的氫鍵斷裂，分子結(jié)構(gòu)得以舒展，而長鏈部分發(fā)生糖苷鍵斷裂，形成許多聚合度不等的分子片段。Barker等早在1958年將殼聚糖溶解于鹽酸溶液中，在100℃條件下反應(yīng)，制備低聚殼聚糖。常用于降解殼聚糖生產(chǎn)COS的酸有鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、氫氟酸等［11］。鹽酸降解法工藝操作簡單，但降解條件較難控制，產(chǎn)率低，操作環(huán)境污染嚴重，降解產(chǎn)品主要為單糖和雙糖，要得到大量聚合度為5～9的COS較難。酸降解法生產(chǎn)COS要求反應(yīng)條件高，產(chǎn)率低，使用到大量無機酸，污染環(huán)境［12］。活性較高的寡糖含量較低。鑒于強酸對殼聚糖的降解過于劇烈，有人提出用醋酸、亞硝酸及磷酸等較弱的酸對殼聚糖進行降解，但是該方法控溫比較麻煩，制備過程中污染也比較嚴重，且產(chǎn)率也不高。

2.2.2氧化降解法

氧化降解法是近年來國內(nèi)外研究比較多的殼聚糖降解方法，其具有成本低，反應(yīng)效率高，污染小等優(yōu)點。常用的氧化劑有過氧化氫、臭氧、過硼酸鈉、過硫酸鉀等［13-16］。其中的H2O2氧化降解因成本低、降解速度快、產(chǎn)率高、對環(huán)境污染小等優(yōu)點而倍受關(guān)注。H2O2降解法得到的產(chǎn)物相對分子質(zhì)量與反應(yīng)條件密切相關(guān)。升高溫度和提高H2O2濃度既可縮短反應(yīng)時間，又可以提高收率，但過高的溫度和過高的H2O2濃度使水解反應(yīng)過度，產(chǎn)物中單糖和二糖的比例較大，寡糖收率降低；反應(yīng)體系的pH因影響殼聚糖的溶解情況，從而影響反應(yīng)速度。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)了H2O2降解法存在的問題，氨基的損失，溫度升高或反應(yīng)時間延長，都會引起氨基含量迅速下降，即COS的結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變；降解過程后期的褐變，溶液顏色變深，影響產(chǎn)品品質(zhì)。

2.2.3化學(xué)合成法

化學(xué)合成法是可以根據(jù)需要來制備寡糖。優(yōu)勢在于可以按需要能夠合成特殊結(jié)構(gòu)的COS及其衍生物，缺點是基質(zhì)選擇不易，目前該方法報道較少。

2.3酶解法

酶解法是利用酶的專一性或非專一性的特點來降解殼聚糖制備COS的方法，屬于生物降解的方法。該方法自20世紀80年代出現(xiàn)以來，得到了廣泛重視，國內(nèi)外研究十分活躍。同化學(xué)降解法相比具有明顯的優(yōu)勢：反應(yīng)條件溫和，對設(shè)備要求不苛刻；降解過程及降解產(chǎn)物相對分子質(zhì)量分布易于控制，COS產(chǎn)率高，不造成環(huán)境污染；結(jié)合一些生物工程的技術(shù)，如固定化酶技術(shù)、超濾技術(shù)等，可以實現(xiàn)經(jīng)濟的大規(guī)模的COS連續(xù)生產(chǎn)，屬于理想的降解方法。因此，酶降解法制備COS是最有前途的方法。大致分為專一性酶解法和非專一性酶解法。

2.3.1專一性酶解法

專一性酶解法是利用以殼聚糖為專一性底物的酶，能夠高效的通過選擇性切斷殼聚糖分子中的β-1，4-糖苷鍵使其水解為聚合度為2～8的低聚物［17］。專一性酶主要有甲殼素酶、殼聚糖酶、葡聚糖酶等，來源于細菌、真菌等微生物細胞［18］。因為來源的局限性，目前還不能大批量獲取，價格昂貴，難以商品化。

2.3.2非專一性酶解法

非專一性酶的數(shù)量較多，已知有30多種，較為理想的有溶菌酶、蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、纖維素酶等［19］。周孫英等對4種不同類型酶降解殼聚糖的效果作比較，分別在其最適宜條件下反應(yīng)，水解速度為蛋白酶＞纖維素酶＞脂肪酶＞溶菌酶［20］。

2.4綜合法

運用新技術(shù)通過結(jié)合物理、化學(xué)和酶的多種方法，提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)COS的規(guī)?；a(chǎn)。杜昱光等將膜分離技術(shù)和酶降解技術(shù)結(jié)合，明顯提高反應(yīng)速率和縮短生產(chǎn)時間［21］。王紅衛(wèi)在用纖維素酶降解殼聚糖的過程中，為進一步降解殼聚糖，于反應(yīng)后期加入過氧化氫，顯著縮短了降解時間，同時也減少了纖維素酶和過氧化氫的消耗量［17］。研究表明，在用氧化法生產(chǎn)COS時，采用物理輻射能夠有效地加快殼聚糖的降解速度［22］。王振偉等采用超聲波輔助果膠酶方法制備COS，得到了很好的效果［23］。鄭瀚等通過溶菌酶和甲殼質(zhì)酶將聚合度低的寡糖糖鏈延長的方法生產(chǎn)高聚度的寡糖，多為六糖和七糖［24］。紀瑩等用酶解法水解得到殼聚糖，用有機溶劑法提取COS，再用色譜法分離純化得到6～7聚COS［25］。

3　小結(jié)

作為一種新型飼料添加劑，COS的應(yīng)用日漸廣泛?？萍脊ぷ髡邞?yīng)進一步研究COS的結(jié)構(gòu)、理化特性、制備方法，簡化制備工藝，降低生產(chǎn)成本、提高COS生理功效、促進COS在畜牧生產(chǎn)中的應(yīng)用。

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The Physiochemical Properties and Preparation Methods of Chitooligosaccharides

YANG Suliang1，YAN Bingxue1，LI Haijing2，XIA Mengfang1，HUANG Yanqun1，CHEN Wen1*
（1.Nutrition Engineer Laboratory of Henan，Henan Agriculture University，Zhengzhou 450002，China；2.Animal Husbandry and Veterinary Work Stations of Yanzhou Area，Jining 272000，Shandong China）

Chitooligosaccharide is a member of the oligosaccharides，composed of 2～10 amino glucose，and one kind of functional foods and supplement.It can sustain the health of animal and improve the growth perfor?mance.This article reviewed the physiochemical properties and the preparation methods of chitooligosaccharide.

chitooligosaccharide；physiochemical property；preparation method

S816.7；Q53

A

1001-0084（2016）07-0027-04

2016-05-11

鄭州市國際科技合作與交流項目（141PGJHZ543）

楊蘇亮（1992-），男，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向為家禽營養(yǎng)學(xué)與飼料科學(xué)。
*

教授，碩士生導(dǎo)師，E-mail:cchenwen@aliyun.com。