殼寡糖在水產(chǎn)動(dòng)物上的研究與應(yīng)用

張義 張志浩 張繼平

摘要：殼寡糖（COS）是近年來(lái)新開(kāi)發(fā)的具有增強(qiáng)免疫力的生物活性物質(zhì)，具有抗菌、增強(qiáng)免疫力、降血脂及抗腫瘤等多種生物活性，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于食品及醫(yī)藥等領(lǐng)域。綜述了殼寡糖主要生物學(xué)功能及其對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物生長(zhǎng)性能、非特異性免疫及腸道微生物的影響，并對(duì)其影響機(jī)制進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，同時(shí)就其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，旨在為殼寡糖廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)提供參考。

關(guān)鍵詞：殼寡糖（COS）;生長(zhǎng)性能;免疫細(xì)胞;免疫酶;腸道微生物

中圖分類(lèi)號(hào)：S9 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）06-0005-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.06.001 ? ? ? ? ? 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research and application of chitosan in aquatic animals

ZHANG Yi，ZHANG Zhi-hao，ZHANG Ji-ping

（School of Life Science and Engineering， Foshan University，F(xiàn)oshan 528231，Guangdong，China）

Abstract： Chitosa（COS） is a newly developed biologically active substance with immuno potentiating effect. It has various biological activities such as antibacterial， immune enhancement， hypolipidemic and anti-tumor， and has been widely used in food and medicine fields. The main biological functions of chitosan and their effects on aquatic animal growth performance， non-specific immunity and intestinal microorganisms were reviewed， and the mechanism of their effects was briefly explained， the prospect of its application was prospected，in order to provide a reference for the wide application of chitosan in aquaculture industry.

Key words： chitosan（COS）; growth performance; immune cells; immune enzymes; intestinal microbes

甲殼素是自然界最豐富的天然多糖，殼聚糖是其最重要的衍生物，甲殼素和殼聚糖的分子量高、溶解性差、黏度高，限制了其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用。殼寡糖（COS）是甲殼素和殼聚糖經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)或酶促聚解反應(yīng)生成聚合度為2～20的低聚殼聚糖，是自然界大量存在的帶正電的堿性氨基多糖。COS的分子鏈與母體相比要短很多，使得分子間不易形成較強(qiáng)的氫鍵，提高了COS在水中的溶解性，同時(shí)無(wú)細(xì)胞毒性，可以直接被腸道內(nèi)上皮細(xì)胞吸收。COS具有廣泛的生物活性，包括抗菌消炎、抗腫瘤、抗高血壓、抗氧化、增強(qiáng)免疫力及調(diào)節(jié)腸道微生物結(jié)構(gòu)等，由于其多方面優(yōu)于母體聚合物，COS被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1，2]。有關(guān)COS在禽畜身上的應(yīng)用已經(jīng)取得顯著成效，Huang等[3]在對(duì)肉雞的研究中發(fā)現(xiàn)，日糧中添加殼寡糖能提高肉雞的免疫水平，且添加量為100 mg/kg時(shí)效果最好。Zhou等[4]在對(duì)豬的研究中發(fā)現(xiàn)，日糧中添加2 000 mg/kg COS能夠提高豬的生長(zhǎng)性能，改善表觀(guān)消化率，減輕豬的腹瀉癥狀。COS作為一種純天然的活性物質(zhì)，在促進(jìn)水產(chǎn)動(dòng)物生長(zhǎng)、增強(qiáng)免疫力及改善腸道微生物等方面具有較高的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，本文綜述了COS的生物學(xué)功能及其作用機(jī)制，以期為這方面研究提供參考。

1 ?殼寡糖的促生長(zhǎng)功能

1.1 ?殼寡糖在生長(zhǎng)方面的應(yīng)用研究

近幾年來(lái)，COS在水產(chǎn)動(dòng)物中的研究報(bào)道逐漸增多，在飼料中添加一定水平的COS，對(duì)斑節(jié)對(duì)蝦、羅非魚(yú)與卵形鯧鲹等水產(chǎn)動(dòng)物的體增重、特定生長(zhǎng)率、飼料轉(zhuǎn)化率及成活率等生長(zhǎng)性能有一定的影響。大多數(shù)研究表明，COS對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物的生長(zhǎng)性能有明顯的促進(jìn)作用，且在不同的水產(chǎn)動(dòng)物中有不同的適宜添加水平，具體的研究報(bào)道見(jiàn)表1。

1.2 ?殼寡糖對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物的促生長(zhǎng)作用機(jī)制

腸道是魚(yú)類(lèi)消化與吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要部位，也是魚(yú)類(lèi)最大的黏膜免疫器官，正常的腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收和腸道免疫的基礎(chǔ)[12]。COS可通過(guò)改善腸道組織形態(tài)、緩解腸道炎癥及降低應(yīng)激反應(yīng)來(lái)提高動(dòng)物的生長(zhǎng)性能，田娟等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在日糧中分別添加0.30%和0.50%的COS，幼魚(yú)前腸絨毛長(zhǎng)度、寬度及密度顯著增加，各添加組的幼魚(yú)腸壁厚度明顯減小;孫飛等[14]報(bào)道了COS添加量為0.02%時(shí)，異育銀鯽腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)改善效果最為明顯，腸道絨毛排列整齊均勻，與對(duì)照組相比，腸皺襞高度與腸壁厚度分別增加了86.84%和20.45%，腸皺襞寬度減少了12.18%。動(dòng)物腸道絨毛高度、寬度、密度及腸皺襞高度的增加，有利于增加小腸對(duì)食物的接觸面積，提高對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力。Qin等[6]還發(fā)現(xiàn)，COS可以顯著減輕羅非魚(yú)腸道炎癥反應(yīng)和應(yīng)激反應(yīng)，表現(xiàn)為促炎蛋白腫瘤壞死因子-a和應(yīng)急反應(yīng)蛋白熱休克蛋白70的mRNA表達(dá)水平降低，轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子TGF-b水平升高。

腸道內(nèi)消化酶活性的高低決定了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解程度，消化酶活性的增強(qiáng)有助于水產(chǎn)動(dòng)物對(duì)養(yǎng)分的消化和吸收，對(duì)于一些無(wú)胃魚(yú)（鯉科類(lèi)）來(lái)說(shuō)，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解更依賴(lài)于消化酶的消化作用。COS可通過(guò)提高腸道內(nèi)胰蛋白酶、胰脂肪酶及胰淀粉酶的活性，促進(jìn)水產(chǎn)動(dòng)物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，從而提高水產(chǎn)動(dòng)物的生長(zhǎng)性能。潘金露[15]在對(duì)大菱鲆的研究中發(fā)現(xiàn)，飼料中添加0.50% COS時(shí)，腸道內(nèi)胰蛋白酶和胰脂肪酶活性顯著高于對(duì)照組，添加量為0.02%時(shí)，腸道胰淀粉酶活性顯著高于對(duì)照組;Su等[16]在對(duì)紅鰭東方鲀的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著COS水平的增加，腸道內(nèi)胰蛋白酶和胰脂肪酶活性也隨之上升，并在0.20% COS組達(dá)到最大值，與對(duì)照組差異顯著，這與胡曉偉等[17]的研究結(jié)果一致。

礦物質(zhì)與維生素的缺乏會(huì)引起水產(chǎn)動(dòng)物產(chǎn)生營(yíng)養(yǎng)性疾病，鈣元素缺乏導(dǎo)致神經(jīng)活動(dòng)受到抑制，同時(shí)引起蝦蟹殼軟，缺鐵性貧血，缺乏維生素C也會(huì)引起貧血，并導(dǎo)致脊椎及鰓軟骨畸形、肌間出血、水腫等癥狀。飼料中添加一定水平的COS可以促進(jìn)礦物質(zhì)及維生素的吸收。COS因分子結(jié)構(gòu)中含有-NH2和-OH等活性基團(tuán)，是一種良好的網(wǎng)狀載體，許多金屬離子能與COS中的氨基N原子和羥基O原子形成配位鍵，從而生成一類(lèi)具有獨(dú)特環(huán)狀結(jié)構(gòu)的螯合物（COS-M），可以促進(jìn)礦物質(zhì)（鈣、磷）吸收，而且可以提高微量元素（錳、硒）的吸收利用率，從而促進(jìn)動(dòng)物健康生長(zhǎng)[18]。王卓[19]研究發(fā)現(xiàn)，COS與Cu離子形成螯合物，能顯著提高鯽魚(yú)腸道對(duì)銅的吸收量。Pallela等[20]還發(fā)現(xiàn)，COS還可以與維生素C形成配合物，提高維生素C的利用率。

動(dòng)物的生長(zhǎng)性能與腸道微生物存在密切聯(lián)系，COS改善腸道環(huán)境的同時(shí)，也有利于機(jī)體對(duì)養(yǎng)分的消化吸收。COS本身可以作為促生長(zhǎng)因子被有益菌（雙歧桿菌）所利用，不僅能促進(jìn)雙歧桿菌的增殖，而且促進(jìn)其產(chǎn)生B族維生素，促進(jìn)腸道蠕動(dòng)，提高蛋白質(zhì)的吸收利用率[21];Lee等[22]研究也發(fā)現(xiàn)，COS對(duì)雙岐桿菌和大多數(shù)乳酸桿菌的生長(zhǎng)具有明顯的益生作用，其本身可作為生長(zhǎng)刺激因子被雙岐桿菌和乳酸桿菌所吸收利用。乳酸菌能夠定殖在腸道內(nèi)，有效地抑制有害菌的生長(zhǎng)，減少腸道內(nèi)有害菌產(chǎn)生的毒素對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物的毒害，同時(shí)能促進(jìn)蛋白質(zhì)、單糖及礦物質(zhì)（鈣、鎂）的吸收，合成B族維生素等大量有益物質(zhì)。還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，COS對(duì)脂多糖（LPS）誘導(dǎo)的腸上皮細(xì)胞炎癥反應(yīng)及伴隨的過(guò)氧化損傷具有保護(hù)作用等[23]。

2 ?殼寡糖的免疫調(diào)節(jié)功能

2.1 ?殼寡糖在免疫調(diào)節(jié)方面的研究與應(yīng)用

已有研究表明，COS是一種安全有效的綠色飼料添加劑， 可作為飼料抗生素的替代物廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖中。有關(guān)學(xué)者在對(duì)大口鱸、太平洋對(duì)蝦、虹鱒及糙海參等品種的研究中發(fā)現(xiàn)，在基礎(chǔ)日糧中添加一定水平的COS，對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物免疫細(xì)胞活性、吞噬能力及血清免疫酶活性有明顯的提升效果。有關(guān)COS對(duì)水生動(dòng)物非特異性免疫力的研究報(bào)道見(jiàn)表2。

2.2 ?殼寡糖的免疫調(diào)節(jié)機(jī)制

魚(yú)類(lèi)是較低等的脊椎動(dòng)物，先天免疫在魚(yú)類(lèi)的免疫防御中發(fā)揮著重要作用，魚(yú)類(lèi)的特異性免疫系統(tǒng)受環(huán)境（溫度、生理狀態(tài)）影響較大，特異性免疫應(yīng)答反應(yīng)進(jìn)程較長(zhǎng)，水生無(wú)脊椎動(dòng)物由于缺乏真正的抗體和特異性免疫細(xì)胞，機(jī)體防御機(jī)制依賴(lài)于非特異性的細(xì)胞免疫，因此，水產(chǎn)動(dòng)物抵抗疾病主要依賴(lài)先天免疫系統(tǒng)[31，32]。血液中免疫細(xì)胞數(shù)量和吞噬活性可以反映出水產(chǎn)動(dòng)物機(jī)體的免疫狀態(tài)，血清LZM、ACP、AKP、SOD及GSH-Px（谷胱甘肽過(guò)氧化物酶）等免疫酶是魚(yú)類(lèi)機(jī)體非特異性免疫反應(yīng)的重要指標(biāo)，其活性的升高表明機(jī)體的非特異性免疫力增強(qiáng)[33]。

免疫系統(tǒng)中的免疫細(xì)胞、免疫酶及免疫調(diào)節(jié)因子在水產(chǎn)動(dòng)物抵抗病原菌入侵中起決定性作用。以往研究表明，COS對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物非特異性免疫具有良好的提升效果。COS可以刺激免疫細(xì)胞釋放細(xì)胞因子，細(xì)胞因子具有調(diào)節(jié)非特異性免疫、特異性免疫、細(xì)胞生長(zhǎng)以及損傷組織修復(fù)等多種功能，并形成復(fù)雜的細(xì)胞因子調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。曹秀明[34]研究發(fā)現(xiàn)，50～100 μg/mL的COS能顯著提高巨噬細(xì)胞的吞噬能力，能刺激巨噬細(xì)胞產(chǎn)生NO、TNF-α等細(xì)胞因子;吳海明等[35]也報(bào)道了COS可以刺激巨噬細(xì)胞分泌IL-1β、TNF-α和IL-18等細(xì)胞因子，分泌的細(xì)胞因子又反作用于巨噬細(xì)胞和NK細(xì)胞，形成網(wǎng)狀的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高機(jī)體的免疫功能;COS分子結(jié)構(gòu)中帶有的活性基團(tuán)與免疫細(xì)胞表面的受體結(jié)合而介導(dǎo)免疫調(diào)節(jié)，侯麗娜等[36]研究發(fā)現(xiàn)，COS激活巨噬細(xì)胞可能是經(jīng)由巨噬細(xì)胞表面的甘露糖受體介導(dǎo)結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的，并刺激巨噬細(xì)胞產(chǎn)生IL-1β;韓燕萍[37]也指出，殼寡糖激活巨噬細(xì)胞是通過(guò)殼寡糖與巨噬細(xì)胞之間結(jié)合、內(nèi)吞及轉(zhuǎn)運(yùn)這一過(guò)程實(shí)現(xiàn)的，巨噬細(xì)胞膜表面的甘露糖受體在這一過(guò)程中發(fā)揮重要作用，甘露糖受體可選擇性識(shí)別含有N-乙酰氨基葡萄糖基團(tuán)的多糖。由于COS自身具有抗氧化活性，可作為一種抗氧化劑來(lái)增強(qiáng)機(jī)體免疫力，能通過(guò)清除部分自由基（·OH）、超氧陰離子自由基（O2-·）等活性氧自由基（ROS），抑制ROS通過(guò)脂質(zhì)過(guò)氧化損傷細(xì)胞膜，進(jìn)而破壞蛋白質(zhì)和DNA的作用，達(dá)到緩解機(jī)體氧化損傷的目標(biāo)[38]。COS還通過(guò)提高LZM、SOD、ACP、AKP、GSH-Px等酶活性來(lái)增強(qiáng)機(jī)體免疫力，目前有關(guān)COS對(duì)免疫酶活性影響的機(jī)理尚不清楚，據(jù)推測(cè)可能是促進(jìn)免疫酶相關(guān)基因的表達(dá)。

3 ?殼寡糖對(duì)腸道微生物的調(diào)節(jié)功能

3.1 ?殼寡糖在調(diào)節(jié)腸道微生物方面的研究與應(yīng)用

腸道微生物是機(jī)體必不可少的，在水產(chǎn)動(dòng)物免疫和生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。魚(yú)類(lèi)腸道微生物是由有益菌群（乳酸桿菌）和有害菌群（大腸桿菌）組成，有益菌群常定殖在腸道黏膜上皮表面，阻止有害菌在腸道黏膜組織上的附著，有害菌具有一定的致病性，會(huì)引起魚(yú)類(lèi)一些細(xì)菌性疾病的發(fā)生。有害菌數(shù)量的增加，會(huì)引起腸道內(nèi)菌群平衡失調(diào)，影響正常的消化道環(huán)境[39]。日糧中添加一定水平的COS可以改善腸道微生物群落多樣性，促進(jìn)腸道內(nèi)有益菌的增殖，減弱有害細(xì)菌對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物的毒害作用并緩解腸道炎癥，增強(qiáng)腸道的生理功能。Su等[16]在對(duì)紅鰭東方鲀的研究中發(fā)現(xiàn)，0.20%的COS使腸道內(nèi)的有益菌（枯草芽孢桿菌）明顯高于其他組，有害菌（大腸桿菌）明顯少于其他組。田娟等[13]在對(duì)吉富羅非魚(yú)的研究中發(fā)現(xiàn)也有類(lèi)似現(xiàn)象。胡曉偉等[17]對(duì)花鱸的研究中，除與Su等[16]研究結(jié)果類(lèi)似外，0.60%～1.00% COS顯著降低了沙門(mén)氏菌的數(shù)量。蔡雪峰等[40]對(duì)虹鱒幼魚(yú)的研究中發(fā)現(xiàn)，COS試驗(yàn)組的腸道細(xì)菌總數(shù)之間無(wú)顯著差異，但優(yōu)勢(shì)菌群有所變化，且各試驗(yàn)組腸道微生物多樣性降低，腸桿菌科和假單胞屬減少了。Qin等[6]對(duì)雜交羅非魚(yú)的研究中發(fā)現(xiàn)，1.60%和2.40% COS組顯著改善了腸道菌群，并減輕了腸道炎癥。

3.2 ?殼寡糖調(diào)節(jié)腸道微生物的作用機(jī)制

有益微生物可以調(diào)節(jié)非特異性的體液免疫，將失調(diào)的微生物群恢復(fù)到正常狀態(tài)，還通過(guò)與腸道上皮細(xì)胞的相互作用和調(diào)節(jié)抗炎細(xì)胞因子的分泌來(lái)改變宿主的免疫反應(yīng)，從而減少腸道炎癥[41]。Lee等[22]研究發(fā)現(xiàn)COS對(duì)雙歧桿菌和乳酸菌有益生作用，但其生長(zhǎng)促進(jìn)作用的機(jī)理尚不清楚?？赡苁莿?dòng)物腸道內(nèi)吸收一定量的殼寡糖后，COS就會(huì)被有益菌群分解，從而產(chǎn)生大量的揮發(fā)性脂肪酸，雙歧桿菌和乳酸桿菌等有益菌利用這些揮發(fā)性脂肪酸進(jìn)行大量增殖。腸道有益微生物可以將COS作為發(fā)酵底物，誘導(dǎo)產(chǎn)生有機(jī)酸，從而降低腸道pH，pH降低可以抑制腸道病原體的繁殖[22，42，43]。Lillo等[44]認(rèn)為COS的主要抗菌機(jī)制是能改變有害菌細(xì)胞膜的通透性，阻止外界營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的滲入，同時(shí)COS分子表面所帶的正電荷與有害菌細(xì)胞膜上的負(fù)電荷位點(diǎn)相結(jié)合，降低了有害菌從外界攝取養(yǎng)分的代謝活性，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡，這與Choi等[45]的研究結(jié)果類(lèi)似。Mei等[46]還發(fā)現(xiàn)，COS分子表面所帶的正電荷能夠與微生物細(xì)胞中存在的大分子負(fù)電荷組分結(jié)合，并吸收到微生物的細(xì)胞壁中，這種吸收導(dǎo)致其滲透到DNA并阻斷RNA轉(zhuǎn)錄。COS是自然界中惟一帶正電荷的堿性氨基多糖，游離氨基在酸性條件下能夠被質(zhì)子化，能夠與有害菌表面的膜結(jié)合，使細(xì)胞質(zhì)流失并干擾有害菌與腸壁的結(jié)合能力，促進(jìn)病原菌隨糞便排出體外，同時(shí)對(duì)真菌和微生物生長(zhǎng)起到一定的抑制作用[47]。

4 ?展望

近年來(lái)，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)?？涨皵U(kuò)大，養(yǎng)殖業(yè)在追求產(chǎn)量的同時(shí)也飽受水產(chǎn)疾病的困擾，最終導(dǎo)致藥物濫用現(xiàn)象頻發(fā)，為了提高水產(chǎn)品質(zhì)量，目前國(guó)內(nèi)外正在積極研發(fā)具有免疫增強(qiáng)作用的飼料添加劑。COS是由甲殼素和殼聚糖進(jìn)一步降解生成的活性物質(zhì)，具有多種生物學(xué)功能，原料來(lái)源廣泛。目前在比目魚(yú)、虹鱒、刺參及南美白對(duì)蝦等品種上已有關(guān)于COS應(yīng)用的研究報(bào)道，并具有較好的應(yīng)用效果。雖然COS發(fā)揮生物學(xué)功能的分子機(jī)制尚不完全清楚，有待進(jìn)一步深入研究，但COS開(kāi)發(fā)作為具有免疫增強(qiáng)作用的綠色飼料添加劑，在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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