殼寡糖的制備及應(yīng)用的研究進(jìn)展

摘要：甲殼質(zhì)是自然界中分布廣泛、產(chǎn)量很高的一種多糖，但是其內(nèi)外氫鍵之間存在相互作用力，進(jìn)而組成了有序的大分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其在常用的溶劑中的溶解性受到抑制。它的脫乙?；a(chǎn)物為殼聚糖，殼聚糖的水溶性仍然沒有得到很好的改善。而殼寡糖是殼聚糖糖苷鍵經(jīng)改性斷裂后降解得到的寡糖產(chǎn)品，在改善難溶的物理特性的同時，也使其擁有了多種更高的生物活性，如抗氧化、抑菌、抗炎、抗腫瘤、促進(jìn)作物生長等功能。文章綜述了制備殼寡糖的幾種方法并且比較了它們的優(yōu)缺點，討論了它們在食品等領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，最后嘗試對不同相對分子質(zhì)量、具有不同特性的殼寡糖在各個領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：殼寡糖；制備方法；應(yīng)用；相對分子質(zhì)量；抗氧化

中圖分類號：TS201.1""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""" 文章編號：1000-9973（2024）11-0205-08

Research Progress of Preparation and Application of Chitooligosaccharides

ZHANG Pei-yao1， ZHAO Ning2， XI Jun2， SHAN Yan-qin3，

HE Xu-dong4， YU Hai1*

（1.College of Food Science and Engineering， Yangzhou University， Yangzhou 225100， China;

2.Jiangsu Longlife Group Co.， Ltd.， Nantong 226500， China; 3.Jiangsu Natural

Food Co.， Ltd.， Xinghua 225700， China; 4.Yangzhou Food and Drug

Inspection and Testing Center， Yangzhou 225001， China）

Abstract： Chitin is a kind of polysaccharide widely distributed in nature with high yield， but the interaction between the internal and external hydrogen bonds forms an ordered macromolecular structure， which results in the inhibition of its solubility in common solvents. Its deacetylation product is chitosan， and the water solubility of chitosan has not been well improved. Chitooligosaccharides are oligosaccharide products obtained by the degradation of chitosan after its glycoside bonds are broken by modification， which not only improves the insoluble physical properties， but also enables them to have a variety of higher biological activities， such as antioxidation， anti-bacteria， anti-inflammation， anti-tumor， and promoting crop growth. In this paper， several methods of preparing chitooligosaccharides are reviewed， their advantages and disadvantages are compared， their specific applications in food and other fields are discussed， and finally， the application of chitooligosaccharides with different relative molecular weights and different characteristics in various fields is summarized.

Key words： chitooligosaccharides; preparation method; application; relative molecular weight; antioxidation

收稿日期：2024-05-07

基金項目：江蘇省科技廳重點研發(fā)項目（BE2022333）

作者簡介：張沛堯（1999—），男，碩士，研究方向：殼寡糖的制備及抗氧化性能。

*通信作者：于海（1973—），男，教授，博士，研究方向：發(fā)酵肉制品及微生物。

1 介紹

甲殼質(zhì)又稱幾丁質(zhì)，是世界范圍內(nèi)聚合物中一種十分重要的天然多糖物質(zhì)，產(chǎn)量僅次于纖維素[1]，在自然界中，甲殼質(zhì)廣泛存在于甲殼動物的外殼、真菌的細(xì)胞壁、低等菌類、蝦蟹、昆蟲中。它具有化學(xué)惰性，乙?；潭瘸^90%，極不易溶于酸和水，這些特性使其水解產(chǎn)物殼聚糖成為用途更加廣泛的重要衍生物[2]。甲殼質(zhì)經(jīng)過脫乙酰反應(yīng)后可以得到殼聚糖，殼聚糖是呈堿性的天然氨基多糖，化學(xué)名為β-（1→4）-2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖[3]。殼聚糖是可再生資源，且安全無毒，具有許多生物特性和良好的生物相容性，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。雖然殼聚糖具有大量優(yōu)異特性，但是其分子中羥基、氨基和未脫去的N-乙酰氨基在分子間及內(nèi)部形成較多氫鍵，使殼聚糖形成晶相區(qū)，溶解于小部分酸性溶液，難溶于水及堿性溶液，使其應(yīng)用范圍受到了許多限制[4]。

殼寡糖是殼聚糖經(jīng)過降解得到的低分子聚合物，一般來說，聚合度在2～20之間，平均相對分子質(zhì)量小于3 200 Da。其鏈段分子上有氨基和羥基等活潑基團，低相對分子質(zhì)量和活潑基團使殼寡糖具有溶解度高、吸濕保濕性好、易被人體吸收和生物相容性較好等優(yōu)點[5]。殼寡糖具有不同的化學(xué)特性，可用聚合度、脫乙酰度、相對分子質(zhì)量分布范圍和N-乙?；Ｊ降膮^(qū)別來進(jìn)行描述，殼寡糖的生物學(xué)特性和理化性質(zhì)主要受這些因素影響。與殼聚糖相比，殼寡糖具有較高的水溶性和較低的黏度，這些優(yōu)良的生物特性使其在許多相關(guān)領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用。研究結(jié)果表明[6]，殼寡糖的水溶性良好，但不溶于乙醇和丙酮，微溶于二甲基亞砜和甲醇，2～4聚合度的殼寡糖可以溶于甲醇。因為殼寡糖的分子間相互作用力水平低，相對分子質(zhì)量在1 500 Da以下的殼寡糖在較寬的pH范圍內(nèi)有很好的水溶性。殼寡糖具有抗氧化、增強免疫力、促進(jìn)人體傷口愈合、抗腫瘤、促進(jìn)脾臟產(chǎn)生抗體、降血壓、降血脂、增殖人體腸道雙歧桿菌等多種獨特的生理活性[7]。殼寡糖因其優(yōu)良的生物活性，使得開發(fā)和優(yōu)化殼寡糖的制備工藝以及殼寡糖在各個領(lǐng)域的應(yīng)用變得尤為重要。

為此，本文綜述了殼寡糖的制備方法、特性及應(yīng)用三個主要方面，對殼寡糖進(jìn)行探討，并且嘗試總結(jié)殼寡糖的相對分子質(zhì)量與用途的關(guān)系，以期為指導(dǎo)殼寡糖的生產(chǎn)和實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 殼寡糖的制備

殼寡糖的制備方法包含化學(xué)法、物理法、酶解法，還有數(shù)種方法結(jié)合使用的綜合法。

2.1 化學(xué)法

化學(xué)法降解制備殼寡糖主要有酸解和氧化降解兩種方法。

2.1.1 酸解法

酸解法的原理是利用溶液中的氫離子可與殼聚糖分子鏈上的游離氨基相結(jié)合的特點，使殼聚糖分子內(nèi)部與分子間的氫鍵斷裂，進(jìn)而使分子結(jié)構(gòu)的舒展性增強，導(dǎo)致長鏈部分的糖苷鍵斷裂，產(chǎn)生不同聚合度的分子片段。早在1957年，Barker等[8]用濃鹽酸部分水解殼聚糖，在Dowex-50陽離子交換色譜柱下，制備的產(chǎn)物包含單糖～五糖，單糖占比超過總產(chǎn)物的1/3，占比較大。劉曉等[9]進(jìn)行殼聚糖降解，研究表明，為使降解速率更快以及得到產(chǎn)物的聚合度更低，酸溶解時間長、酸濃度高、溫度高都是正影響因素。將5.0 g/L的殼聚糖用6.0 mol/L HCl在100 ℃條件下水解3 h，得到33.6%的殼寡糖。在濃鹽酸的水解下，產(chǎn)物中單糖較多，鹽酸的消耗量高，反應(yīng)條件苛刻，后續(xù)的分離純化有一定困難，容易破壞環(huán)境，所以酸解法不夠理想。

2.1.2 氧化降解法

氧化降解法和酸解法的原理類似，使殼聚糖的β-1，4糖苷鍵斷裂，得到殼寡糖。過氧化氫、臭氧等都是目前較常用的氧化劑。H2O2相比酸解法具有無副產(chǎn)物生成、產(chǎn)物較易分離純化、更環(huán)保衛(wèi)生的優(yōu)勢。當(dāng)單獨使用過氧化氫時，自由基團的形成實際上是低效的。因此，為了提高水解效率，Goncalves等[10]將過氧化氫與其他降解模式結(jié)合，如結(jié)合紫外線的照射、磷鎢酸的催化等。吳麗華等[11]使用2 g殼聚糖，以期制備聚合度在6以下的殼寡糖。在56 ℃下，用4%的乙酸對殼聚糖進(jìn)行溶解，然后加入4.5%的H2O2降解6 h，真空濃縮，用乙醇沉淀后真空干燥處理。檢測后發(fā)現(xiàn)聚合度在1～6的糖含量較多，隨后得出結(jié)論：通過控制單因素的變量，可以有效得到低聚合度的產(chǎn)物。邵健等[12]在中性條件下，將10 g殼聚糖（90%脫乙酰度、40 000 kDa）加入500 mL 6%的雙氧水中進(jìn)行降解，在60 ℃的水浴條件下對殼聚糖進(jìn)行攪拌反應(yīng)6 h。不溶性物質(zhì)在不斷的攪拌下被過濾出去后，將溶液置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上減壓濃縮，用乙醇使其沉淀再進(jìn)行水洗，此過程重復(fù)3次，最終制得相對分子質(zhì)量約為1 000 Da的殼寡糖。氧化降解法在殼聚糖的降解中易產(chǎn)生褐變現(xiàn)象，對產(chǎn)物的顏色以及后續(xù)提純均有影響。

雖然化學(xué)法操作步驟相對簡單，但降解得到的產(chǎn)物質(zhì)量（相對分子質(zhì)量）分布范圍大，目標(biāo)產(chǎn)物分離純化具有一定難度，需要消耗大量試劑并且后處理比較復(fù)雜，后續(xù)需要更先進(jìn)的工藝優(yōu)化來改善這一現(xiàn)狀。

2.2 物理法

2.2.1 超聲波和微波輔助法

超聲波的機械效應(yīng)可以使分子之間碰撞的速度加快，其較大的沖擊力能夠使殼聚糖的分子鏈斷裂。同時，超聲波在介質(zhì)中被吸收利用，有熱能產(chǎn)生，這對殼聚糖的降解有幫助[13]。所以，制備殼寡糖時使用超聲波輔助能提高效率。李大鵬等[14]通過超聲波法降解制備殼寡糖，通過正交試驗確定了降解的最佳條件：在50 ℃下超聲2.5 h，HCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%，超聲波頻率為400 kHz，所得殼寡糖最小的相對分子質(zhì)量為4 370 Da，并且總結(jié)了各因素影響程度的大小為超聲時間gt;鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)gt;超聲波頻率gt;反應(yīng)溫度。

微波輻射可以由分子振蕩引起的機械剪切力來影響化學(xué)鍵的斷裂和產(chǎn)熱降解，也能在制備殼寡糖中起到輔助作用。周苗苗[15]用微波輔助離子液體降解殼聚糖，相對分子質(zhì)量為1 800 kDa的5%殼聚糖在150 ℃下，設(shè)置微波功率為700 W，[PrSO3HP]HSO4濃度為15%，最終得到相對分子質(zhì)量為5 240 Da的殼寡糖。

超聲波法能夠降低能耗，減少污染，但是生產(chǎn)成本較高。微波輔助法節(jié)省原料、污染小、耗時短，但是加熱過快，降解產(chǎn)生的單體較多。微波法和超聲波法一樣，應(yīng)當(dāng)用作輔助降解[16]。

2.2.2 伽馬射線

殼聚糖在伽馬射線的照射下輻射降解，放射性射線使殼聚糖內(nèi)部分子間產(chǎn)生電離或激發(fā)反應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)分子鏈的斷裂。Hai等 [17]通過增加伽馬射線劑量，將殼聚糖降解成不同相對分子質(zhì)量的殼寡糖，在劑量增加初期，殼聚糖的相對分子質(zhì)量顯著降低，直到劑量達(dá)到200 kGy及以上時相對分子質(zhì)量的降低才逐漸減緩，但產(chǎn)物的最低相對分子質(zhì)量仍然大于10 000 Da。伽馬射線與其他降解方法相比，不需要化學(xué)引發(fā)劑，并且不會產(chǎn)生影響產(chǎn)品純度的副產(chǎn)物，還有消毒的好處。由伽馬射線照射制備的殼寡糖在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[18]。但是伽馬輻射也會帶來殼聚糖的褐變效應(yīng)，對產(chǎn)物顏色有影響[19]。

物理法在降解過程中，聚合鏈不受約束地斷裂，所得產(chǎn)物的平均相對分子質(zhì)量分布范圍較廣，聚合度在6～8范圍內(nèi)的殼寡糖含量較低。因此，物理法制備殼寡糖受到了很大的限制[20]。

2.3 酶解法

與前文中兩種降解方法相比，酶解法的產(chǎn)率較高，產(chǎn)物的均一性好，對環(huán)境的污染小，因此，酶解法成為近些年主流的降解方法，也是研究的趨勢和重點。酶解法包括專一性酶解法、非專一性酶解法和復(fù)合酶解法[21]。專一性酶解法常用的酶包括殼聚糖酶和甲殼素酶。非專一性酶解法常用的酶包括蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶、多糖酶等。

趙華等[22]在單因素試驗中選擇響應(yīng)面法進(jìn)一步改進(jìn)制備工藝。用殼聚糖酶水解制備殼寡糖，在53 ℃、pH 5.6、殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.09%、酶解時間157 min的最佳條件下，殼寡糖的產(chǎn)量可以達(dá)到35.73 mmol/mL。

相比于從蘇云金桿菌中提取的活性較低的粗制殼聚糖酶，Chen等[23]利用細(xì)胞表面展示技術(shù)，將粗酶在大腸桿菌表面成功表達(dá)，重組體酶保持了基本的酶學(xué)特性，且具有較高的穩(wěn)定性。在最佳反應(yīng)條件下，反應(yīng)7 d時殼寡糖產(chǎn)率也可以達(dá)到41%。在室溫下，重組體懸液在40 d后也具有較高的穩(wěn)定性。重組體酶有更高的穩(wěn)定性，對金屬離子有更好的耐受性，更高的酶活性，以及更低的資金耗費。

季珂等[24]使用自行構(gòu)建的重組菌體E. coli Rosetta-gami（DE3）/ChiE 發(fā)酵產(chǎn)酶，在經(jīng)過純化濃縮操作后，所得殼聚糖酶的酶活為2 260 U/mL。用10 mL 1%的殼寡糖溶液在加酶量為120 U/g的最佳條件下可以制得聚合度為2～4的殼寡糖，產(chǎn)物相對分子質(zhì)量較低，為后續(xù)實驗做好了良好的準(zhǔn)備。

然而，殼聚糖酶的較高成本和嚴(yán)格的特異性限制了其應(yīng)用，所以盡可能尋找低成本的殼聚糖酶是未來使用專一性酶解法的關(guān)鍵。

黃曉月等[25]在工藝優(yōu)化后使用木瓜蛋白酶對殼聚糖進(jìn)行降解制備殼寡糖，該生產(chǎn)工藝制備的殼寡糖具有更高的生產(chǎn)效率，為（45.07±3.52）%，平均分子質(zhì)量較低，為1 603 U，且所需時間僅為1 h，產(chǎn)品具有更好的抗氧化活性。木瓜蛋白酶因價格較低、獲取范圍廣泛、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，降解效果優(yōu)于脂肪酶和纖維素酶。

2.4 綜合法

雖然目前已經(jīng)有物理法、化學(xué)法、酶解法3種常規(guī)方法制備殼寡糖，但是這3種方法各有利弊，即使經(jīng)過多次細(xì)節(jié)上的改進(jìn)也很難根除其缺點。所以，為了使各個方法的優(yōu)勢最大化以及盡量減少其缺點所帶來的影響，許多學(xué)者采用綜合法嘗試新工藝（如物理法結(jié)合酶解法、混合酶解法等），以提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)殼寡糖的規(guī)?；a(chǎn)。

汪金秀等[26]為提高殼寡糖的生產(chǎn)效率，采用微波與果膠酶法制備殼寡糖，通過正交試驗探究得到最佳工藝條件為果膠酶用量2 000 U/g、酶解溫度45 ℃、反應(yīng)體系pH 4.5、微波功率550 W，最終得到的殼寡糖含量為1.755 mg/mL。

將幾丁質(zhì)脫乙酰酶CDA20和殼聚糖酶CHIS5兩種酶混合，混合酶在55 ℃、50 mmol/L醋酸緩沖液（pH 5.5）中30 min內(nèi)有效水解殼聚糖為脫乙酰殼寡糖。其中，殼聚糖酶CHIS5優(yōu)先將殼聚糖水解為聚合度為2～5的乙?；瘹す烟?，再由甲殼素脫乙酰酶CDA20去除乙?；?，生成脫乙酰殼寡糖 [27]。

El-Sayed等[28]在pH 5.0、50 ℃條件下，用99 g甘氨酸鹽酸鹽水溶液或2%的乙酸與1 g殼聚糖片一起加入圓底燒瓶中，加入0.12 g淀粉酶，最終得到相對分子質(zhì)量為1.15 kDa、聚合度為7、平均脫乙酰度為92%左右的殼寡糖。朱玉霞[29]利用微波輻射、過氧化氫作催化劑，與殼聚糖酶作用制備低相對分子質(zhì)量的殼寡糖：在460 W下，添加過氧化氫對3 g殼聚糖降黏。在45 ℃、pH 5.8的條件下，用10 U/g的殼聚糖酶酶解300 min，可以得到76%脫乙酰度、2 027數(shù)均相對分子質(zhì)量的殼寡糖。

3 殼寡糖的應(yīng)用

3.1 抗氧化作用

殼寡糖的二級結(jié)構(gòu)呈網(wǎng)狀，對水分子的流失具有很好的保護作用。殼寡糖具有顯著的保濕性，因為水分子與殼寡糖中的極性基團相互作用，進(jìn)而影響流動阻力和水的活度。一方面，具有聚陽離子性質(zhì)的殼寡糖通過細(xì)胞表面的靜電堆積來干擾細(xì)菌代謝；另一方面，將穿透的殼寡糖吸附到DNA分子上來阻斷DNA中的RNA轉(zhuǎn)錄，產(chǎn)生良好的抗菌性。殼寡糖能夠有效地清除羥基自由基、DPPH自由基以及超氧自由基，抗氧化性能突出，這些特性使得殼寡糖得以在食品中廣泛應(yīng)用[30]。

一般情況下，脂肪含量高的食物易產(chǎn)生與脂質(zhì)氧化相關(guān)的異味，在含有多不飽和脂肪酸的食物中更明顯，進(jìn)而導(dǎo)致食品保質(zhì)期縮短。為了更好地抑制此類現(xiàn)象，殼寡糖因其具有游離氨基，可以給脂肪酸自由基提供氫離子，從而被用作天然抗氧化劑[31]。Singh等[32]研究了單獨及聯(lián)合使用不同濃度的殼寡糖和表沒食子兒茶素沒食子酸酯對黃鰭金槍魚片品質(zhì)和顏色的影響，實驗結(jié)果表明殼寡糖可以抑制高鐵血紅蛋白的形成及脂質(zhì)的氧化，并且延長魚片的顏色維持，最終延長了其保質(zhì)期。

近幾百年來，二氧化硫作為抗氧化劑被應(yīng)用于葡萄酒中，但是隨之帶來的過敏反應(yīng)、奇怪氣味以及對人體健康的負(fù)面影響難以控制[33]。郝振銘等[34]創(chuàng)新性地嘗試以殼寡糖替代二氧化硫作為抗氧和抑菌的功能產(chǎn)品，與已經(jīng)老化過的葡萄酒相比，含有殼寡糖的葡萄酒對羥基自由基和DPPH自由基的清除率分別增加了4.48%、3.96%，原因可能是殼寡糖能夠提高抗氧化酶的活性、抑制氧化酶的活性，以及自身的抗氧化性共同導(dǎo)致。Ru等[35]用1 000 Da 1%的殼寡糖檢測其抗氧化性對黃瓜冷害作用的抑制效果。實驗結(jié)果表明添加殼寡糖后，在貯藏7 d和14 d時，黃瓜中丙二醛含量顯著降低，這是因為殼寡糖可以刺激抗氧化基因（SOD、POD、CAT、APX）和熱休克蛋白（HSP70、HSP45.9）的表達(dá)上調(diào)，通過穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)、清除活性氧、與水果中的抗氧化系統(tǒng)協(xié)同工作緩解冷害狀況。朱玥[36]探究了殼寡糖對成品酥性餅干和海綿蛋糕品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)相對分子質(zhì)量小于3 000 U的1%殼寡糖可以明顯降低餅干的酸價、過氧化值和硫代巴比妥酸值，因此可以有效地減緩餅干在貯藏期的氧化酸敗，提高了餅干的抗氧化性。

殼寡糖可以清除自由基，保護人體免受有毒活性氧的侵害，減緩許多慢性疾病帶來的危害。殼寡糖及其衍生物通過中斷徑向鏈?zhǔn)椒磻?yīng)清除自由基和防止氧化損傷的能力已經(jīng)得到充分證實。殼寡糖抗氧化或自由基清除特性主要由其相對分子質(zhì)量和DD（脫乙酰度）決定[37]。Ngo等[38]通過酸水解和超濾膜過濾產(chǎn)生相對分子質(zhì)量為 1～3 kDa和低于1 kDa的殼寡糖，證明殼寡糖無細(xì)胞毒性，且在細(xì)胞系統(tǒng)中具有抗氧化作用。然而，較高相對分子質(zhì)量的殼寡糖在蛋白質(zhì)氧化和活細(xì)胞內(nèi)自由基的生成方面比低相對分子質(zhì)量的殼寡糖更有效。它們可以清除自由基以減少DNA和膜蛋白的氧化。此外，它們不僅具有直接的自由基清除作用，而且能刺激細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽含量的升高。殼寡糖具有潛在的自由基清除作用，以劑量依賴性方式防止活細(xì)胞中自由基對生物分子的損害。它們可以通過控制自由基對細(xì)胞系統(tǒng)的損傷，以用作抗氧化應(yīng)激的清除劑，并顯示出在其他領(lǐng)域的應(yīng)用前景。Yang等[39]比較了1 100 Da的殼寡糖Ch1100和500 Da的殼寡糖Ch500的超氧自由基清除活性、對致癌物誘導(dǎo)的活性氧的清除活性和對釋放的過氧化氫的清除活性，結(jié)果表明1 100 Da的殼寡糖更有效。Mendis等[40]探究了兩種相對分子質(zhì)量（小于1 kDa和1～3 kDa）的殼寡糖對小鼠黑色素瘤細(xì)胞B16F1的自由基清除效果，結(jié)果表明低相對分子質(zhì)量的殼寡糖對細(xì)胞內(nèi)自由基的產(chǎn)生有明顯的抑制作用。

由上述實驗結(jié)果可知，僅僅從相對分子質(zhì)量的角度無法總結(jié)殼寡糖的抗氧化性能。

3.2 抗菌抑菌作用

成熟后的鮮食糯玉米在采摘后的儲藏期間，外界微生物的侵染會使木質(zhì)素積累，影響產(chǎn)品的品質(zhì)。龔魁杰等[41]研究了單獨使用ClO2、單獨使用殼寡糖涂膜處理以及兩者共同涂膜處理對貯藏期間鮮食糯玉米的影響，最終得出15 mg/mL 的殼寡糖與200 mg/L的ClO2復(fù)合涂膜處理具有良好的抑菌能力。谷新晰等[42]研究脫乙酰度高于90%、平均相對分子質(zhì)量在1 500 U以下的殼寡糖對泡菜品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)殼寡糖不僅能夠有效抑制可產(chǎn)生硝酸鹽還原酶的微小桿菌屬，而且可以同時促進(jìn)可降解亞硝酸鹽的乳球菌屬的生長能力。殼寡糖對發(fā)酵環(huán)境中的結(jié)構(gòu)和菌群豐度都具有積極影響，添加0.5%殼寡糖的實驗組在發(fā)酵1 d時，菌群豐度最高；泡菜中殼寡糖添加量為1%，發(fā)酵15 d后，亞硝酸鹽含量下降了一半左右，氨基酸態(tài)氮含量提高了近1/3，總酸含量增加了87%。殼寡糖也被認(rèn)定是一種益生元物質(zhì)，能夠提升食品的風(fēng)味和有效菌屬微生物的生長水平，也能輔助控制發(fā)酵過程中微生物的指標(biāo)，對食品品質(zhì)具有很好的正面影響。李大鵬等[14]在對殼寡糖抗菌作用的研究中發(fā)現(xiàn)，相對分子質(zhì)量越低的殼寡糖，抗真菌能力越強。而Meng等[43]在使用殼寡糖誘導(dǎo)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的應(yīng)激反應(yīng)實驗中得出結(jié)論，對于不同霉菌，殼寡糖的最低抑菌濃度不同，可能與其菌種、脫乙酰度、聚合度、相對分子質(zhì)量等相關(guān)。同時發(fā)現(xiàn)殼寡糖對革蘭氏陰性菌大腸桿菌有更好的抑菌性能，可能是革蘭氏陽性菌有較厚的肽聚糖層，可以為細(xì)菌的細(xì)胞壁提供更高的結(jié)構(gòu)強度。

No等[44]對6種不同相對分子質(zhì)量的殼寡糖的抗菌作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)1 kDa的殼寡糖對革蘭氏陰性菌的抑菌活性較高，4 kDa和2 kDa的殼寡糖對革蘭氏陽性菌的抑菌活性較高。Xia等[45]討論了殼寡糖在不同條件下的抗菌活性，與不同學(xué)者所得的結(jié)果相互矛盾，表明用單一的相對分子質(zhì)量難以總結(jié)殼寡糖抗菌性能的強弱，但其作用在人體的安全性能夠得到很好的保證。殼寡糖的抑菌特性使其在開發(fā)食品添加劑和食品防腐劑方面具有很好的潛力。

3.3 促生長作用

殼寡糖無毒，無變異現(xiàn)象，具有很好的安全性，對于動物腸道內(nèi)微生物代謝活動的調(diào)節(jié)十分有益，可以選擇性地活化有益菌種并促進(jìn)其生長。作為有益添加劑，殼寡糖不僅能夠提高生物體的免疫能力，而且能降低血脂和膽固醇含量。因此，殼寡糖在提高水產(chǎn)養(yǎng)殖生物、肉禽類的抗病能力和免疫能力以及促生長方面具有良好的應(yīng)用前景。Liu等[46]研究了不同相對分子質(zhì)量的殼寡糖充當(dāng)飼料添加劑對南美白對蝦生長性能、先天免疫、肝胰腺形態(tài)的影響，結(jié)果表明1 kDa的殼寡糖相比于3，5，9，12 kDa的殼寡糖對南美白對蝦表現(xiàn)出了更高的濕重、體重增加、比生長率、存活率。

Xu等[47]研究了在蛋雞的日糧中添加不同濃度的殼寡糖對母雞的產(chǎn)蛋量、雞蛋品質(zhì)、血液生化、抗氧化能力、免疫力的影響。通過對照重復(fù)實驗的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)殼寡糖提高了產(chǎn)蛋量和飼料轉(zhuǎn)化率；另外，發(fā)現(xiàn)添加 125 mg/kg 殼寡糖可顯著增加血清白蛋白中的蛋白含量并顯著降低血清膽固醇水平。與喂養(yǎng)日糧的對照組的雞相比，日糧中補充殼寡糖顯著降低了血清甘油三酯水平。此外，殼寡糖能夠顯著提高總抗氧化能力，顯著降低血清丙二醛水平，但對抗氧化酶活性無明顯影響?？傮w來看，殼寡糖可被視為一種新的母雞生產(chǎn)性能增強劑，可提升母雞的健康狀況和雞蛋的品質(zhì)，并且根據(jù)實驗數(shù)據(jù)總結(jié)出最適的殼寡糖濃度為75 mg/kg。

Thongsong等[48]發(fā)現(xiàn)，與飼喂高相對分子質(zhì)量（65 kDa）殼寡糖的豬相比，飼喂低相對分子質(zhì)量（8 kDa）殼寡糖的豬的生長性能和一些主要養(yǎng)分消化率有所改善。Meng等[49]研究表明添加低相對分子質(zhì)量（3 kDa）的殼寡糖提高了尼羅羅非魚的生長性能和飼料利用率，還發(fā)現(xiàn)添加低相對分子質(zhì)量（3 kDa）的殼寡糖顯著提高了尼羅羅非魚的溶菌酶活性。然而，Walsh等[50]研究表明，與較低相對分子質(zhì)量的殼寡糖相比，添加相對分子質(zhì)量在5～10 kDa之間的殼寡糖的飼料增加了斷奶仔豬日糧的營養(yǎng)消化率?？傮w來看，不同相對分子質(zhì)量的殼寡糖在飼料添加劑上的不同應(yīng)用效果還需要進(jìn)行具體分析。

3.4 抗腫瘤活性

殼寡糖因無毒且具有高生物相容性，可以抑制腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞的生長和繁殖，有抗腫瘤活性和抗癌功能。季珂等[24]在探究殼寡糖的抗腫瘤活性時發(fā)現(xiàn)，高質(zhì)量濃度的殼寡糖（1.25～20 mg/mL）明顯抑制了細(xì)胞增長，而低質(zhì)量濃度的殼寡糖（0.078～1.25 mg/mL）呈現(xiàn)負(fù)抑制作用。Maeda等[51]在實驗中證明低相對分子質(zhì)量的殼寡糖可以有效地增加腸上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞和脾淋巴細(xì)胞中的自然殺傷活性。 Salah等[52]使用人類腫瘤細(xì)胞系THP-1評估了幾丁質(zhì)、殼聚糖和殼寡糖的抗癌活性，測定了相對分子質(zhì)量和靜電相互作用與活性的關(guān)系。結(jié)果表明，低相對分子質(zhì)量的殼寡糖具有最好的抑制 THP-1腫瘤細(xì)胞生長的能力，隨著相對分子質(zhì)量的降低，腫瘤抑制活性顯著增加，且聚合度（DP）為3～12的殼寡糖表現(xiàn)更好?？偟膩砜?，低相對分子質(zhì)量的殼寡糖具有更好的抗腫瘤活性[53]，但抗癌、抗腫瘤活性不僅受到相對分子質(zhì)量的影響，而且受到脫乙酰化程度和聚合度的影響，所以還需要綜合考慮。

殼寡糖還具有提高免疫力、保護神經(jīng)、促進(jìn)組織再生、促進(jìn)傷口愈合等作用。在未來的研究中，它們的機理和應(yīng)用將會得到進(jìn)一步探索。

此外，郭平強[54]以1 200 Da的殼寡糖為主要原料，研究出兩種具有增強免疫力和輔助降血脂功能的膠囊產(chǎn)品，從而為殼寡糖保健食品的大規(guī)模開發(fā)生產(chǎn)提供了一定的參考，也為新產(chǎn)品的研發(fā)提供了實驗研究基礎(chǔ)。

3.5 其他

3.5.1 在食品中的應(yīng)用

殼寡糖具有糖單元之間的糖苷鍵，胺基、乙酰氨基基團以及C3和C6位上的伯羥基和仲羥基，這些位點及官能團可以進(jìn)行更加深入的化學(xué)修飾，這些修飾可能會促進(jìn)殼寡糖衍生物、復(fù)合物及偶聯(lián)物的發(fā)展[2]。殼寡糖不僅存在上述改性的可能性，而且其優(yōu)秀的抗氧化活性和抗菌活性使得很多學(xué)者在食品領(lǐng)域展開應(yīng)用。

碳量子點是農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域中的新型納米材料，Lu等 [55]通過高溫美拉德反應(yīng)在材料中組合了2 000 Da的殼寡糖和花生短肽，所得產(chǎn)品不僅保留了碳量子點的納米性和熒光特性，而且成功結(jié)合了殼寡糖優(yōu)異的抗菌特性和花生短肽的抗氧化特性。在后續(xù)實驗中，對油青菜心噴灑結(jié)合后的納米材料，其產(chǎn)量和抗氧化性得到提升，除此之外，在檢測了菜心的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)后，發(fā)現(xiàn)（Z）-3-hexeny-1-ol acetate and butane-4-isothiocyanate的相對豐度較高，材料賦予了菜心辛辣味和草莓香味，很好地提升了油青菜心的品質(zhì)和貨架期。Wang等 [56]通過靜電作用和氫鍵使殼寡糖修飾明膠，以增強食品級高內(nèi)向乳液的穩(wěn)定性。修飾成功后，減少了高內(nèi)向乳液液滴的聚集并且賦予了乳液良好的流變穩(wěn)定性，這項研究在后續(xù)食品的3D打印方面具有指導(dǎo)作用。

上述研究證明，殼寡糖在食品中的應(yīng)用不應(yīng)只考慮其本身的各種優(yōu)異生理活性，還應(yīng)當(dāng)在其可延伸性良好的位點和官能團上做更加寬泛和深入的研究，這將為其在食品領(lǐng)域的更多應(yīng)用帶來可能性。

3.5.2 在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

殼寡糖作為一種植物免疫誘抗劑，可以誘導(dǎo)農(nóng)作物產(chǎn)生抗病因子。殼寡糖可以用于防控作物病害，如防病毒、細(xì)菌、真菌病害等。也可以作用在防蟲、調(diào)節(jié)作物生長、抗逆、降低農(nóng)藥殘留等領(lǐng)域[57]。李雨新等[58]總結(jié)概括了對殼寡糖結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分的分析方法，也詳細(xì)介紹了其在種植業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展。殼寡糖因其良好的水溶性和低相對分子質(zhì)量等優(yōu)點，能將土壤中的微生物簡單有效地降解為H2O和CO2。整個降解過程中無危害殘留，在種植業(yè)領(lǐng)域中還具有促進(jìn)產(chǎn)率增長、提高生長能力、誘導(dǎo)抗病、提升產(chǎn)品品質(zhì)、延長貯藏期等作用。聶青玉[59]研究不同濃度的殼寡糖（1%、2%、3%）對采后的西蘭花感官與營養(yǎng)品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)采用2%的殼寡糖涂被紙包裝的西蘭花品質(zhì)最好。殼寡糖以正確的方式和用量進(jìn)行使用，不僅能減少農(nóng)藥的使用，而且能降低作物中的農(nóng)藥殘留，在農(nóng)業(yè)上發(fā)揮其綠色可持續(xù)的積極作用[60]。Zhang等[61]研究了聚合度為2～8的殼寡糖單體對小麥幼苗生長和光合特性的影響，發(fā)現(xiàn)殼七糖使其鮮重、可溶性糖含量提升，總?cè)~綠素含量、細(xì)胞間CO2濃度和蒸騰速率均最高。該實驗有利于揭示殼寡糖的促生長機制，拓寬其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。

3.5.3 在化妝品中的應(yīng)用

化妝品領(lǐng)域中有著一些常見的保濕劑，如透明質(zhì)酸，而殼寡糖與其有著非常類似的結(jié)構(gòu)與性能。兩者均可以促進(jìn)分子內(nèi)氫鍵的形成，賦予產(chǎn)品優(yōu)異溶解性的同時形成帶有彈性和黏性的流體，可以填充在細(xì)胞與膠原纖維空間之中并覆蓋在表皮組織上，產(chǎn)生良好的保濕效果。殼寡糖的制備方法眾多，其原料甲殼素儲備量大且可再生，相較于昂貴的透明質(zhì)酸有著巨大的優(yōu)勢。殼寡糖在韓國、日本等國家已被應(yīng)用于清潔、精華類產(chǎn)品的開發(fā)中，在化妝品領(lǐng)域有著占據(jù)更大市場的潛力[62]。除此之外，殼寡糖單元結(jié)構(gòu)中的還原性羰基、活性基團—NH2和—OH不僅可以與羥基自由基形成穩(wěn)定性能良好的大分子物質(zhì)，而且可以與超氧陰離子自由基反應(yīng)起到抗氧化作用，可以高效吸收紫外線，其防輻射功效在化妝品領(lǐng)域有著巨大應(yīng)用前景[63]。

4 討論與展望

在3種常規(guī)制備殼寡糖的方法中，化學(xué)法因存在降解產(chǎn)物質(zhì)量分布范圍大、分離純化難度大、消耗試劑量大且后處理較復(fù)雜等缺點，在沒有良好的改進(jìn)措施下不應(yīng)提倡。物理法具有簡單易操作、條件可控、污染少、易保持純度的優(yōu)點，但是也存在產(chǎn)物相對分子質(zhì)量分布范圍大的問題，產(chǎn)率更是差強人意。酶解法相比于前兩種制備方法是一種比較理想且環(huán)保的方法，但要實現(xiàn)殼寡糖工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)，受到酶的種類、酶解工藝等因素的影響，成本預(yù)算相對較高。在一定程度上限制了其廣泛的應(yīng)用。因此，前文提到的酶綜合法會成為未來的趨勢，例如先使用化學(xué)試劑來降低殼聚糖的黏度，再進(jìn)行酶促反應(yīng)以生產(chǎn)特定聚合度的殼寡糖等。尋找更好的酶種類、改進(jìn)制備工藝、提高產(chǎn)率且節(jié)省成本是未來研究的方向。

不同相對分子質(zhì)量的殼寡糖的生理活性受相對分子質(zhì)量、聚合度、濃度等因素的綜合影響。殼寡糖因其具有抗氧化、抗腫瘤、抗菌等生物活性，從而在很多領(lǐng)域都已經(jīng)被廣泛使用。在前文的探索中，相對分子質(zhì)量在1～3 kDa的殼寡糖相比于分子質(zhì)量小于1 kDa的殼寡糖有更好的抗氧化作用，而低相對分子質(zhì)量卻能帶來更好的抗腫瘤活性和抑菌性；中相對分子質(zhì)量（1～5 kDa）具有更好的抗肥胖、降膽固醇功能。僅靠相對分子質(zhì)量的不同似乎難以總結(jié)其生物活性的高低。所以，綜合考慮其相對分子質(zhì)量、聚合度、濃度等因素，進(jìn)而應(yīng)對各個領(lǐng)域的開發(fā)及應(yīng)用需求是未來的研究重點。

因此，在未來的科研中，在嘗試解決殼寡糖制備上的缺陷方面需要付出更多精力，例如在菌群中提取出更優(yōu)質(zhì)的酶制備殼寡糖，在酶解法中結(jié)合物理法、化學(xué)法達(dá)到更高的產(chǎn)率和更低的制備成本。從殼寡糖混合物中分離純化出單一聚合度的單糖，有助于進(jìn)一步了解其作用機制和生物活性，更深入地了解不同聚合度的殼寡糖的生理活性。殼寡糖上的羥基和氨基具有較高活性，對殼寡糖進(jìn)行改性，有助于提高其性能和應(yīng)用范圍，為推動殼寡糖產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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