功能性殼寡糖在食品領域的應用研究進展

宋雪娜，李莉*，趙奎，張娜，王尚龍，王杰，李鑫，王圓圓*

（1.青島琛藍健康產業(yè)集團有限公司，山東 青島 266000；2.南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室，江西 南昌 330000；3.琛藍研究所，山東 青島 266000）

殼寡糖（chitooligosaccharides，COS）作為一種功能性低聚糖，以氨基葡萄糖和（或）N-乙酰氨基葡萄糖經β-（1，4）糖苷鍵連接而成，聚合度（degree of polymerization，DP） 在2～10 之間，由殼聚糖經酶解或水解制得，是自然界中唯一的堿性低聚糖[1]。與傳統(tǒng)的低聚果糖等功能性低聚糖相比，殼寡糖具有可直接在腸道內被消化吸收的優(yōu)勢。由于分子間弱相互作用力（包括范德華力），殼寡糖在較寬的pH 值范圍內均可溶于水，部分溶于甲醇和二甲基亞砜，不溶于丙酮和乙醇，其中聚合度為2～4 的殼寡糖可溶于甲醇[2]。

殼寡糖的生物活性與其物理特性關聯(lián)度較高，其具有的多種生物學效應與平均分子量（average molecular weight，Mw）、脫乙?；龋╠egree of deacetylation，DD）、聚合度和N-氨基葡萄糖單元上的電荷分布模式直接相關[3]。殼寡糖可通過腸道上皮細胞吸收，且在腸道的吸收比例隨分子量的減小而增大，其中大、小分子量的殼寡糖進入血液和腸道比例分別為5.68∶1 和9.84∶1[4]，是一種極為理想的生物活性寡糖。殼寡糖分子量的大小可影響其在腸道或血液發(fā)揮的作用，確定靶向器官后，殼寡糖的獨特分子結構中的氨基和羧基與炎癥因子或者蛋白質等物質發(fā)揮作用，進而產生一系列的生物活性，如調節(jié)腸道菌群、抗腫瘤、保護肝臟、降尿酸、降血糖等。體外靜態(tài)模型研究表明DP 6～10 的殼寡糖在胃和腸中會被部分消化降解成DP 2～5的殼寡糖[5]。動物研究表明，DP 2～5 的殼寡糖均可以透過小腸壁吸收入血，且能在人體內被完全吸收。殼寡糖可在腸道中直接或間接作用于微生物，抑制腸道致病菌和促進腸道有益菌的生長[6]，被吸收入血的殼寡糖還可以調節(jié)炎癥因子，增強機體免疫力，抑制腫瘤細胞的轉移和生長，促進腫瘤細胞凋亡[7]，以及調節(jié)瘦素基因表達和血糖、血脂和尿酸的代謝等。

2014 年，殼寡糖在我國被批準為新資源食品原料，目前已被廣泛應用于多個領域，包括生物醫(yī)藥、保健食品、化妝品、農業(yè)和畜牧業(yè)等，但在食品領域的應用并不普遍。近幾年，隨著腸道調節(jié)、免疫健康、代謝管理和口服美容等健康領域的興起，殼寡糖作為一種可溶于水、可被腸道吸收且生物活性豐富的功能性食品原料，引起了廣泛關注。本文結合近年來國內外相關研究報道，對殼寡糖的不同功能活性、作用機制及其應用前景進行綜述，旨在為殼寡糖在食品領域的進一步研究與開發(fā)利用提供參考。

1 殼寡糖對腸道菌群的調節(jié)作用

腸道作為人體重要的器官，其健康狀況與腸道菌群的平衡狀況密不可分。殼寡糖可通過抑制有害菌生長和促進益生菌生長的方式，調節(jié)腸道菌群平衡[8]。目前殼寡糖調節(jié)腸道菌群的相關研究中，發(fā)揮作用效果的殼寡糖分子量主要集中在3 000 Da 以下。其中，體外實驗中使用1～5 mg/mL 的殼寡糖可發(fā)揮抑制致病菌的效果，體內實驗中100 mg/kg 殼寡糖能夠調節(jié)動物腸道菌群。表1 匯總了不同分子量不同濃度的殼寡糖對致病菌及益生菌的調節(jié)作用。

表1 不同分子量不同濃度的殼寡糖對致病菌及益生菌的作用效果Table 1 Effects of chitooligosaccharide with different molecular weights on pathogenic bacteria and probiotics

殼寡糖抑制腸道致病菌的主要機制如下。1）殼寡糖表面正電荷作用。殼寡糖高濃度的氨基與致病菌細胞膜表面負電荷發(fā)生作用，形成復合物，在細胞表面形成不滲透層，阻止營養(yǎng)物質進入細胞，干擾細菌正常生理代謝[3]。2）殼寡糖能與革蘭氏陽性致病菌細胞壁成分發(fā)生聚合，形成陽性離子沉淀，使細胞膜暴露于滲透壓下，溶出細胞質，裂解致病菌細胞[12]。3）殼寡糖的螯合作用。殼寡糖鰲合重金屬、微量元素、營養(yǎng)物質，限制致病菌生長[1]。4）殼寡糖的侵襲作用。殼寡糖直接進攻致病菌細胞膜，與蛋白質發(fā)生絮凝作用，擾亂細胞代謝，破壞致病菌DNA 合成，阻斷RNA 的轉錄，如0.1%殼寡糖可以通過侵襲作用直接進攻致病菌細胞膜，破壞放線菌的形態(tài)[9]。

殼寡糖促進腸道有益菌生長的主要機制如下。1）殼寡糖可以通過促進雙歧桿菌、乳酸菌等益生菌生長，提高丁酸等短鏈脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）及乳酸的分泌量，恢復黏蛋白2 和閉合蛋白的表達，保護腸道黏液屏障，維護腸道屏障完整性，進而有效抵御致病菌侵襲[10]。2）部分分子量較大的殼寡糖進入小腸后段發(fā)揮作用，在腸道中被降解為益生菌發(fā)酵底物[8]，進而促進雙歧桿菌和乳酸菌等的生長，同時抑制腸桿菌和腸球菌[13]。3）完全去乙?；臍す烟遣荒鼙簧锩赶?，從而增加了殼寡糖對益生菌的適用性[14]。4）殼寡糖通過與免疫細胞特異性受體結合，激活免疫機制，通過抗體分泌等途徑提高機體的免疫力，進而有助于降低對致病菌的易感性[15]，為益生菌提供更好的生長和增殖環(huán)境。

2 殼寡糖的抗腫瘤作用

腫瘤的發(fā)生、發(fā)展與細胞的過度增殖和轉移以及凋亡的減少有關。研究報道低分子量殼寡糖具有抑制腫瘤生長的作用，可能與其能夠被吸收進入血液有關，比如殼寡糖可以抑制人臍靜脈內皮細胞（human umbilical vein endothelial cells，HUVECs） 的增殖活性、細胞遷移和血管內皮細胞生長因子（vascular endothelial cell growth factor，VEGF）表達[16]，通過血液運輸至靶點部位，低分子量殼寡糖能夠有效抑制靶點部位腫瘤細胞轉移和生長，促進腫瘤細胞的凋亡過程[17]。

2.1 抑制腫瘤細胞轉移和生長，促進腫瘤細胞凋亡

殼寡糖抑制腫瘤轉移相關基因和蛋白的合成，阻斷腫瘤轉移。殼寡糖可以通過抑制基質金屬蛋白酶誘導因子/基質金屬蛋白酶-2（matrix metalloproteinase inducing factor/matrix metalloproteinase-2，CD147/MMP-2）通路，抑制CD147[18]、基質金屬蛋白酶-9（matrix metalloproteinase-9，MMP-9）和MMP-2[19]基因活化，從而干預MMP 表達，阻礙癌細胞的轉移和侵襲[20]。其中，羧甲基殼聚糖低聚糖（carboxymethyl-chitooligosaccharides，CM-COS）可顯著下調VEGF 和MMP-9 的含量，導致肝細胞癌BEL-7402 的活力下降[7]。殼寡糖還可通過增加p21 基因的表達，降低細胞周期蛋白A（cyclin A）、細胞周期蛋白依賴激酶2（cyclin dependent kinases2，CDK2） 和增殖細胞核抗原（proliferating cell nuclear antigen，PCNA）的表達，影響癌細胞DNA 的合成，從而抑制癌細胞轉移[17]。表2 匯總了目前已有研究中不同分子量不同濃度的殼寡糖對結腸癌、乳腺癌等多種不同腫瘤細胞發(fā)揮的抑制效果。

表2 不同分子量不同濃度的殼寡糖對不同腫瘤模型的抑制特征Table 2 Inhibition of chitooligosaccharide with different molecular weights and concentrations on different tumor models

殼寡糖啟動凋亡因子，促進癌細胞凋亡。殼寡糖可以激活凋亡啟動子Caspase-3，誘導癌細胞凋亡和G2/M 期阻滯[20]，上調促凋亡基因Bax，下調抑制凋亡基因Bcl-2 的表達[22]，增加癌細胞的放射敏感性，促進癌細胞凋亡。

2.2 調節(jié)炎癥因子，增強機體抗腫瘤免疫

炎癥級聯(lián)反應可調節(jié)免疫系統(tǒng)并減緩腫瘤發(fā)生和發(fā)展的進程[23]。腫瘤相關性炎癥因子促進腫瘤細胞的增殖與存活，并參與抑制抗腫瘤免疫。腫瘤的發(fā)生同時伴隨著免疫刺激和免疫抑制，巨噬細胞移動抑制因子（macrophage migration inhibitory factor，MIF）、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白細胞介素-6 （interleukin-6，IL-6）、白細胞介素-8（interleukin-8，IL-8）、白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）和轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）等細胞因子同時增加[24]。殼寡糖能被免疫細胞識別，具有免疫刺激特性[25]，通過調節(jié)相關炎癥因子，提高機體免疫能力，進而提高抗腫瘤活性，殼寡糖對免疫調節(jié)的研究結果見表3。

表3 不同分子量不同濃度的殼寡糖提高機體免疫功能的作用效果Table 3 Effects of chitooligosaccharide with different molecular weights and concentrations in improving immune function

就目前研究進展發(fā)現(xiàn)，殼寡糖主要通過以下幾方面提高機體免疫力。1）激活巨噬細胞，分泌炎癥因子：殼寡糖通過作用腸上皮細胞產生γ 干擾素（interferonγ，IFN-γ），激活巨噬細胞，釋放細胞因子如TNF-α、IL-1β 和IL-6，提高巨噬細胞吞噬能力[27]，抑制多種腫瘤細胞的生長。2）提高NK 細胞活性：殼寡糖可顯著提高NK 細胞活性，發(fā)揮細胞免疫功能[25]。3）促進體液免疫，釋放抗體：提高機體血清中免疫球蛋白A（immune globulin A，IgA）、免疫球蛋白M （immune globulin M，IgM）、免疫球蛋白G（immune globulin G，IgG）抗體的數(shù)量，增強機體抵抗力[26]。4）調控信號通路，調節(jié)機體免疫：殼寡糖可通過調控絲氨酸/蘇氨酸激酶（serine/threonine kinase，PI3K/Akt） 和絲裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）等信號通路[28]，釋放免疫因子，調節(jié)機體免疫水平。比如，殼寡糖可促進運動小鼠脾臟和肺的發(fā)育，調節(jié)血液中淋巴細胞、T 細胞和細胞毒性（cytotoxic，CD8）T 細胞比率的水平以及血清TNF 水平，改善大鼠的免疫狀態(tài)[29]。

2.3 提高抗腫瘤藥物遞送，抑制腫瘤細胞耐藥性

殼寡糖通過制劑改造修飾等，可有效提高腫瘤藥物的遞送性能，進而提高抗腫瘤作用。殼寡糖修飾脂質體可增強紫杉醇的肺癌遞送，為肺癌治療中的納米藥物設計提供了良好的適用性[30]。殼寡糖和香草醛（COS-Vani Imine） 通過席夫堿反應合成雙pH 值響應納米膠束（double-pH response nanomicelles，DPRNs）可用于疏水性抗癌藥物靶向遞送[31]，提高藥物的生物利用度。此外，用于地塞米松眼部給藥的殼寡糖-戊纈氨酸-硬脂酸（chitooligosaccharide-pentovaline-stearic acid，CSO-VV-SA）納米微球，使藥物在體內的保留時間、通透性和生物利用度方面均表現(xiàn)較好[32]。

殼寡糖具有活性羥基和氨基，因此陽離子的進一步修飾可有效提高基因傳遞能力，殼寡糖接枝二硫鍵聚乙烯亞胺共聚物納米顆?？煽朔橄侔┘毎亩嗨幠退幮裕糜趥鬟fshRNA 表達質粒DNA 干擾P-糖蛋白（P-shRNA），并且在靶向mRNA 上顯示出高基因沉默效率，以下調P-gp 的表達，從而誘導高達63%的降低率[33]?？拱┧幬锏姆€(wěn)定性和藥物間相互作用（drug drug interaction，DDI） 引起的藥物不良反應（adverse drug reaction，ADR）是聯(lián)合化療的兩大挑戰(zhàn)。高度生物相容性的酶水解木質素/殼聚糖寡糖（enzymatic hydrolysis of lignin/chitooligosaccharide-x，EHL/COS-x） 納米顆粒用于負載親水性阿糖胞苷（cytarabine，Ara-C），兩種藥物共載對白血病細胞的殺傷效率是單載藥物系統(tǒng)的兩倍，不僅提高了抗癌藥物的有效性和穩(wěn)定性，而且降低了DDI 的風險和耐藥性，該策略可以擴展到兩種或多種具有不同理化性質的藥物的協(xié)同治療[34]。

3 殼寡糖的代謝調節(jié)作用

殼寡糖還可以作為一種特殊的動物性膳食纖維，部分聚合度較大的（＞5）殼寡糖可以直接到達腸道，促進腸道代謝，部分聚合度小的殼寡糖（2～5）通過吸收進入血液[4]，運輸?shù)侥I臟、肝臟和胰腺等靶器官[2]，調節(jié)靶器官的分泌代謝，進而有效調控代謝綜合征相關的特定健康問題，如調節(jié)血糖、血脂和降尿酸等。

3.1 降血糖作用

糖尿病是以高水平血糖為特征的疾病，胰島素抵抗、氧化應激和炎癥增加是糖尿病并發(fā)癥的主要原因[35]。增加膳食纖維的攝入是預防2 型糖尿病發(fā)病的有效戰(zhàn)略[36]，殼寡糖作為一種特殊的動物性膳食纖維，可以很好地起到血糖代謝調節(jié)的作用。推薦成人每日使用劑量為22 mg/kg[37]。此外，Sutthasupha 等[38]研究表明，殼寡糖在預防肥胖和糖尿病疾病腎損傷中有一定的潛在作用，分子量小于1 500 Da 的殼寡糖在體內具有降血糖的作用，尤其降低了空腹血糖的含量，詳見表4。

表4 不同分子量不同濃度的殼寡糖體內降血糖的作用效果Table 4 Hypoglycemic effects of chitooligosaccharide with different molecular weights and concentrations in vivo

研究發(fā)現(xiàn)，殼寡糖在糖尿病治療過程中具有不同的作用方式。1）可以減少線粒體空泡化和肌原纖維的分離和變性等糖尿病心肌病的癥狀[39]。2）抑制碳水化合物水解酶、腸道α-葡糖苷酶和胰腺α-淀粉酶活性，降低血糖[40]。3）抑制小腸對葡萄糖的吸收，并延遲葡萄糖的吸收[36]。4）減少胰島B 細胞損失，加速胰島細胞增殖，增加糖耐量和胰島素分泌，降低空腹血糖[42]。5）腸道菌群在糖尿病的發(fā)病與恢復過程中發(fā)揮著重要作用，通過調節(jié)腸道菌群的平衡，改善糖尿病小鼠葡萄糖代謝紊亂現(xiàn)象，調節(jié)葡萄糖代謝[37]。7）抑制肝臟糖異生、脂質過氧化和腎臟鈉-葡萄糖協(xié)同轉運蛋白2（sodium-glucose cotransporter 2，SGLT2）的表達，發(fā)揮緩解糖尿病大鼠糖代謝異常的潛力[43]。

3.2 降脂保肝作用

脂肪肝分為飲酒過量引起的酒精性脂肪肝，以及非酒精性脂肪肝。脂肪肝患者肝細胞中脂肪發(fā)生氧化，導致游離脂肪酸和甘油三酯堆積等，堆積過量會對肝細胞產生毒性[44]。有研究表明DP 2-6 的殼寡糖，在使用濃度為400 mg/kg 時，可以抑制非酒精性脂肪肝（non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD）動物肝細胞毒性，降低谷草轉氨酶和丙氨酸轉氨酶的產生量，降低總膽固醇的水平[43-45]，有效抑制脂肪堆積和脂質過氧化，保護肝臟。

調控脂肪類物質水平，殼寡糖的氨基可能與乙醛發(fā)生反應，有效減少乙醛在肝臟內的堆積，從而降低酒精性脂肪肝的發(fā)生[46]。殼寡糖可調控膽固醇調節(jié)元件結合蛋白（cholesterol regulatory element binding proteins，SREBPs）家族基因，有效調控機體脂肪酸、甘油三酯、膽固醇水平，抑制非酒精性脂肪肝的發(fā)生與發(fā)展[44]。殼寡糖可抑制游離脂肪酸（free fatty acid，F(xiàn)FA）合成相關的脂肪酸合成酶（fatty acid synthase，F(xiàn)ASN）和ATP-檸檬酸裂解酶（ATP-citrate lyase，ACLY）的基因表達以及超長脂肪酸的延伸，降低脂質積累[44]，有效控制脂質氧化，提高抗氧化能力。殼寡糖的還原端可以與氧自由基結合，有效防止細胞氧化損傷，提高抗氧化能力，增加體內超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）等抗氧化酶活性，減少脂質氧化[47]。

高尿酸血癥患者體內的黃嘌呤氧化酶（xanthine oxidase，XOD）、尿酸（uric acid，UA）、尿素氮（urea nitrogen，BUN）、肌酐（creatinine，SCr）含量較普通人偏高，殼寡糖可顯著抑制這幾種成分在體內的積累。已有研究將殼寡糖作為固體飲料開發(fā)應用，且對高尿酸血癥小鼠具有降尿酸作用[48]。目前對殼寡糖降尿酸的作用機制尚不明確。有研究者認為，殼寡糖一方面可通過控制黃嘌呤氧化酶的活性，減少尿酸前體物質的生成，進而減少小鼠體內SCr、BUN 和UA 的生成，抑制機體尿酸的形成[49]，如對高尿酸血癥小鼠每日800 mg/kg 的殼寡糖（2 210 Da）灌胃治療7 d 后血清SCr、BUN 和UA 含量分別顯著降低55%、59%和47%。另一方面，殼寡糖表面的堿性氨基可與尿酸中和，上調pH 值，加快尿酸代謝，減少尿酸在體內的積累[50]，小于1 000 Da 分子量的殼寡糖可以緩解高尿酸導致的急性痛風性關節(jié)炎發(fā)作。

4 殼寡糖的應用

殼寡糖因具有強效的益生元和抗氧化活性，在目前火熱的功能性食品領域也出現(xiàn)了一些新的配方應用：殼寡糖與白蕓豆在體重管理方面搭配應用的產品屢見不鮮，如白蕓豆殼寡糖咀嚼片；殼寡糖搭配益生菌，在腸道保護方面的產品也層出不窮，比如殼寡糖益生菌固體飲料；殼寡糖搭配膠原蛋白，在口服美容市場也占有一席之地，比如花萃膠原蛋白水和膠原蛋白殼寡糖果味飲料。酸奶中添加2 000 Da 分子量的殼寡糖，通過納米顆粒技術改善其穩(wěn)定性可保持3 周貨架期[51]。莊林等[48]使用殼寡糖搭配海洋魚低聚肽和酸櫻桃粉，開發(fā)了一款降尿酸的固體飲料。姜雅杰等[52-53]開發(fā)的殼寡糖復合固體飲料可以影響糖尿病小鼠腸道菌群的組成和多樣性，并且促進有益菌的生長與定植，降低條件致病菌的相對豐度，從而促進腸道健康，還可輔助降低小鼠血脂及穩(wěn)定血糖。此外，殼寡糖在食品領域還可用作抗氧化劑和防腐劑等，可以被有效添加到傳統(tǒng)食品中，如餅干、面條和面包等。添加1%分子量小于3 000 Da 的殼寡糖不僅能增加海綿蛋糕的抑菌性，使蛋糕組織結構更松軟，還可以增加餅干的抗氧化性，同時可以改善餅干的外觀、內部結構和食用品質[54]。

殼寡糖由于其具有多種生物活性，在醫(yī)藥和醫(yī)療器械等領域的應用潛力也十分巨大。現(xiàn)主要被應用于一些藥物的遞送物質，提高抗癌藥物的穩(wěn)定性、通透性和生物利用度，并降低了藥物間相互作用的風險。殼寡糖還可以通過調節(jié)腸道菌群預防結直腸癌[55]，通過調節(jié)Nrf2/ARE 信號通路保護神經細胞（SH-SY5Y）細胞免受氧化損傷和凋亡，為阿茲海默癥的預防和治療提供新的應用[56]。殼寡糖在醫(yī)藥領域中通常還可被用于抗菌、抗炎、減肥、降血壓、調節(jié)血脂、治療多囊腎病、預防瘧疾、抗真菌、基因治療、傷口敷料、防止細菌附著在人體細胞等，如海藻酸鹽-殼聚糖低聚糖-鋅氧復合水凝膠加速傷口愈合，為傷口愈合提供滋潤抗菌的環(huán)境[57]。此外，殼寡糖因與骨骼的細胞外基質相似，可以幫助骨再生，還可以應用在一些骨替代生物材料或牙科等領域。

殼寡糖還可以應用于農業(yè)等領域，如在飼料添加、提高果實品質和貯藏保鮮[58]等方面有著重要的作用。2020 年，中國農業(yè)國際合作促進會批準了《殼寡糖類混合型飼料添加劑》的團體標準，為殼寡糖飼料添加提供應用指導。此外，殼聚糖基吸附劑還可用于去除水性環(huán)境中的污染物[59]。

5 結語

殼寡糖作為一種具有分子量小、聚合度低、水溶性好等特點的低聚糖，一方面小分子量的殼寡糖很容易通過腸上皮吸收，進入血液發(fā)揮作用，另一方面，部分大分子量的殼寡糖可直接進入腸道發(fā)揮作用，因此，殼寡糖通過入血入腸可以發(fā)揮多種生物功能活性。殼寡糖可直接作用于腸道微生物，或者通過調節(jié)免疫和保護腸道屏障間接作用于腸道微生物，實現(xiàn)腸道菌群調節(jié)的作用。殼寡糖因其具有氨基和羧基的獨特分子結構，使其可以通過多條途徑抗腫瘤，在調節(jié)炎癥因子、抑制腫瘤細胞生長和提高抗腫瘤藥物傳遞等方向上表現(xiàn)出較好的前景。殼寡糖作為一種特殊的膳食纖維，可很好地調控代謝綜合征相關的特定健康問題，尤其在降血糖、降尿酸和降脂保肝等方面。雖然殼寡糖在食品、醫(yī)藥等不同領域的應用日益增加，但是殼寡糖的精確結構及其在腸道、血液中的具體作用形式之間的關系，目前還存在很大的知識空白。由于單個殼寡糖存在多種不同結構，不同分子量的殼寡糖結構形式更是不同，加上目前對腸道微生物的組成和代謝以及血液中作用形式的認識不足，一直限制著殼寡糖的應用。亟需對殼寡糖的特性進行詳細表征，以及殼寡糖在腸道和血液中的具體作用形式進行深入探索和驗證，相關的臨床研究也需要加快步伐。