不同來源葡萄糖胺的制取及生物活性研究進展

孫佳睿，譚思琪，薛鈺

（閩南師范大學，福建漳州 363000）

氨基葡萄糖鹽酸鹽（GAH）又稱鹽酸葡萄糖胺，由一分子葡萄糖胺（GlcN）和一分子鹽酸構成，分子式為C6H13NO5HCl[1]。GlcN 為天然氨基單糖，通常以甲殼素或胞壁酸形式存在于微生物、動物來源的多糖和結合多糖中，目前市場上的GlcN 絕大多數(shù)由甲殼素水解而來。GlcN 最初是從貝類或蝦蟹類動物殼來源的甲殼素中提取，但是從蝦蟹殼類原料提取存在一定弊端，因此其他原料來源的GlcN 的制取逐漸引起人們的關注。隨著GlcN 制備工藝的不斷改良，已發(fā)展出了從食用菌、霉菌等真菌的結構物質中提取GlcN 以及通過微生物發(fā)酵生產GlcN 的方法，不同原料來源的GlcN 提取成本、效率及產品安全性差異較大[2-3]。

研究人員已驗證了GlcN 在骨骼保健、骨關節(jié)炎治療、各類炎癥的舒緩以及抗菌、抗腫瘤等諸多領域的活性作用及作用機制，同時發(fā)現(xiàn)從食用菌這種本身富含營養(yǎng)的天然原料提取的活性成分可能具有更加豐富的活性功能[4-5]。GlcN 作為GAH 的主要組成成分，在很大程度上決定了GAH的提取來源與生物活性。本文將對當前GlcN 的提取來源、制備技術及生物活性的研究進展進行綜述，為未來GlcN 和GAH 的產業(yè)化生產、相關產品應用的開發(fā)提供參考。

1 GlcN 的主要來源

目前GlcN 的獲得方式主要有3 種：（1）從具有殼結構的動物中提取甲殼素后進一步加工獲得；（2）從真菌細胞壁或菌絲中提取；（3）利用微生物發(fā)酵獲得[6-7]。

1.1 動物來源GlcN

動物來源GlcN 的原材料主要有蝦、螃蟹和昆蟲。原材料的選擇對于后續(xù)產物的制備效率及產物質量等有很大影響，例如蝦的外殼較薄，分離甲殼素時比其他類型的外殼更容易[8]。使用這些材料制備GlcN時首先需要去除外殼中蛋白質和無機碳酸鈣，傳統(tǒng)工藝中人們常用NaOH 脫蛋白，HCl 脫礦，但大量酸堿的使用，不僅容易腐蝕設備，還容易損害甲殼素的理化特性，所產生化學廢水還會造成環(huán)境污染[9]。因此，使用如木瓜蛋白酶、胰蛋白酶等蛋白水解酶脫蛋白的方法逐漸被發(fā)掘，這種方法能更大限度地保持甲殼素結構的完整性[10]。但鹽酸水解去除碳酸鈣的過程中存在同樣的局限性，為解決這一問題，利用某些具有甲殼素生物降解系統(tǒng)的細菌產生的甲殼素溶解酶進行酶解的生物方法應運而生[11]。

1.2 真菌來源GlcN

動物來源尤其海洋原料易受季節(jié)限制，且海洋生物易受重金屬污染，產品往往因重金屬、砷和灰分的含量超標而無法應用于食品和醫(yī)藥行業(yè)，因此真菌作為替代原料逐漸被發(fā)掘。大多數(shù)真菌細胞壁的主要成分為甲殼素-葡聚糖復合物（CGC），作為一種大型真菌，各類不同品種的蘑菇不斷被開發(fā)用于提取GlcN。例如，從毛頭鬼傘、雞樅菌、雙孢蘑菇、銀耳、平菇中均可提取到CGC[12]，CGC 經過進一步分解即可獲得甲殼素、GlcN、葡聚糖等產品。除了含有CGC，一些食用菌中還可直接分離出β-1,4-葡萄糖胺聚合物（殼聚糖），α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶可水解殼聚糖產生GlcN[13]。絲狀真菌菌絲中也能提取到GlcN，例如紅根須腹菌、叢毛紅曲霉以及曲霉菌[14]。

1.3 細菌來源GlcN

隨著GlcN 市場需求的不斷擴大，提高產量、降低成本成為原料供應的主要瓶頸，微生物發(fā)酵生產GlcN應運而生。該方法使用工程菌作為生產GlcN 的載體，具有成本低、產品產量高、生產周期短等優(yōu)點。作為生物工程中的常用微生物菌種，大腸桿菌和枯草芽孢桿菌細胞內具有生產GlcN 的生物合成途徑[3]，具體合成途徑如下。

葡萄糖（Glucose）被葡萄糖激酶（GK）磷酸化為葡萄糖-6-磷酸鹽（G-6-P），在磷酸葡萄糖異構酶（PGI）的催化作用下轉化為果糖-6-磷酸鹽（F-6-P）。然后，谷氨酰胺作為氨基供體，葡萄糖胺磷酸合酶（GlmS）將F-6-P 轉化為葡萄糖胺-6-磷酸（GlcN-6-P），GlcN-6-P 在磷酸酶脫磷酸化后分泌到細胞外。細胞中GlcN 合成途徑和糖酵解途徑在對某些前體物質的利用上存在競爭關系，因此優(yōu)化細胞代謝途徑，可以增加GlcN 合成途徑的代謝通量，從而提高GlcN的合成效率。例如，借助CRISPR 系統(tǒng)可以敲除某些代謝途徑中的關鍵酶基因從而抑制與GlcN 合成競爭的代謝[15-16]。

2 生物活性研究

2.1 骨骼保健及骨疾病治療

GlcN 可以與蛋白聚糖分子中的核心蛋白質相連構成軟骨基質的一部分，因此對GlcN 生物活性的研究與功能開發(fā)首先聚焦在與骨骼的關聯(lián)性上。

TARDIO 等[5]已證明在人類的軟骨中，O-GlcNAc糖基化蛋白與調節(jié)軟骨細胞標志物的表達有關，而GlcN 能夠調節(jié)O-GlcNAc 的糖基化修飾。此外，GlcN 還具有誘導成骨細胞分化和抑制破骨細胞增殖的潛力，從而促進骨基質沉積并減少骨吸收。因此，在人類骨關節(jié)炎（OA）中，GlcN 常作為一種常見的藥物或膳食補充劑用于增強骨質、延緩骨組織的持續(xù)病變并減輕疼痛[17]。當GlcN 作為鹽酸鹽即GAH 口服給藥時，攝入的GlcN 可能通過調控相關代謝細胞因子促進軟骨愈合過程，大多數(shù)OA 治療臨床實踐指南均推薦使用結晶GAH 處方[18]。有研究表明，從雙孢蘑菇中分離純化的GAH 純度更高、蛋白含量更低，可以通過調控BMP 信號促進骨骼發(fā)育和損傷修復，具有作為治療骨質疏松癥新藥的潛力[19]。

2.2 舒緩炎癥

研究發(fā)現(xiàn)GlcN 緩解骨關節(jié)炎的作用與對炎癥的抑制息息相關，在緩解骨關節(jié)炎癥狀的同時往往伴隨炎癥標記物的下降，眾多動物研究實驗為GlcN 在骨關節(jié)炎治療中的抗炎特性提供了理論支撐。

體內和體外研究表明，GlcN 和GAH 通過抑制某些促炎因子的mRNA 轉錄及蛋白質表達來發(fā)揮抗炎的作用。例如，GlcN 能通過抑制NLRP3 炎癥小體減緩小鼠和人巨噬細胞中的炎癥，通過抑制白細胞介素-1（IL-1）的信號級聯(lián)和基因表達改善輕度炎癥[20]。GAH 在報道中被證明能改善膝關節(jié)炎（KOA）患者的炎癥微環(huán)境，同時降低關節(jié)腔內炎癥因子的水平，如抑制α 腫瘤壞死因子（TNF-α）和IL-1β[21]。GlcN 通過上游核因子κB（NF-κB）調控各促炎因子的活動。NF-κB 在細胞質中處于不活躍狀態(tài)，與抑制蛋白IκB 結合，當IκB 被炎癥刺激降解時，NF-κB 便轉移到細胞核并增強炎癥級聯(lián)，GlcN 通過劑量依賴的方式阻止IκB 的降解來抑制NF-κB的激活，從而減少NF-κB 下游炎癥標志物的產生，包括IL-6、IL-8、TNF-α 和PGE2[22]。

2.3 抗腫瘤活性

許多癌癥與慢性炎癥有關，例如幽門螺桿菌誘導的胃炎導致的胃癌、潰瘍性結腸炎導致的結直腸癌。NF-κB 是與致癌相關的分子途徑之一，如前文所述，GlcN 可以抑制NF-κB 的激活，因此GlcN 在抗腫瘤方面的活性也逐漸引起人們的關注，尤其是對抗炎癥導致的癌癥。

GlcN 的抗癌活性與抑制癌細胞增殖、誘導癌細胞的細胞周期停止和癌細胞凋亡有關。WANG 等[23]證明GlcN 以劑量依賴的方式下調細胞周期蛋白D1的表達進而介導腎細胞癌（RCC）細胞從G0/G1 到S過渡階段的生長抑制從而抑制RCC 細胞增殖。在人類前列腺癌細胞系DU145 中的研究證明，GlcN 通過影響糖蛋白130（GP130）、表皮生長因子受體（EGFR）等受體蛋白的N-糖基化降低下游目的蛋白的磷酸化（活化）阻礙癌細胞內的信號傳導從而抑制DU145 的增殖。此外，GlcN 還可通過調控T 細胞的凋亡來抑制異常增殖的T 細胞功能，這也提示了GlcN 具有參與免疫調節(jié)的可能，其通過免疫調節(jié)發(fā)揮抗腫瘤活性還需要新的證據(jù)[24]。

2.4 其他活性研究

在小鼠中的研究顯示，GlcN 可減少動脈粥樣硬化病變，這是由于GlcN 可作為蛋白聚糖生物合成的前體，增加血管內皮細胞中的硫酸肝素蛋白聚糖（HSPG）的產生，起到保護血管的作用[25]。

GlcN 的抗炎作用也有許多拓展應用。例如，不受控制的炎癥反應造成敗血癥的發(fā)生，在敗血癥小鼠模型中的研究發(fā)現(xiàn)，GlcN 預處理可以降低敗血小鼠的全身炎癥從而降低死亡率[26]。GlcN 還具有抗神經炎癥的作用，可用于保護神經，研究表明GlcN 對缺氧引起的腦損傷具有保護作用。GlcN 可抑制暴露于急性缺氧的成年斑馬魚中神經球蛋白等炎癥因子的上調，而缺氧導致的學習和記憶能力損害也可間接被GlcN 拯救[27]。

最近的研究發(fā)現(xiàn)，GlcN 通過感知葡萄糖水平或正常和過量的進食狀態(tài)來調節(jié)肝臟脂質積累，正常葡萄糖條件下GlcN 對HepG2 細胞中的脂質積累產生促進作用，而高糖條件下GlcN 抑制HepG2 細胞中的脂質積累。斑馬魚實驗與體外實驗結果一致，GlcN 能促進正常喂養(yǎng)的斑馬魚幼魚肝臟中的脂質積累，抑制過度喂養(yǎng)的斑馬魚肝臟中的脂質積累[28]。

3 展望

GlcN 具有多樣化的提取來源、制取技術和豐富的生物活性功能，但目前對GAH 生物活性功能的研究及開發(fā)應用還存在一定局限性。我國是全球氨基葡萄糖的生產大國及出口國，以往利用蝦蟹殼作為原料先制備甲殼素，再用鹽酸水解、純化得到GAH 的生產方式存在許多弊端，因此改良GAH 的制備工藝以提高其得率、降低重金屬含量并提高產品質量，進而降低成本，對后續(xù)的研究及產業(yè)化發(fā)展十分關鍵。

雙孢蘑菇和杏鮑菇是我國栽培規(guī)模較大的兩種食用菌。以往的研究顯示從一些食用菌提取GlcN 可行性較高，相對于蝦蟹殼等海洋原料，食用菌的蛋白質和重金屬含量大大降低，且食用菌具有很多有益人體健康的功效，如降血糖、增強機體免疫力、抵抗疾病等，因此充分利用國內的食用菌資源，研制更加高效、安全的GAH 制取方式在GAH 產業(yè)中具有可觀的應用前景。此外，目前食用菌產品主要用于鮮售，如杏鮑菇，但用于鮮售的商品僅占子實體總重量的70%左右，尚有30%的杏鮑菇產業(yè)剩余物以低廉的價格出售或丟棄，因此通過研發(fā)從食用菌廢棄物提取GAH 的方法技術不僅可以促進GAH 產業(yè)進步，還可以促進食用菌產業(yè)剩余物的綜合利用及相應產業(yè)鏈的發(fā)展。