功能性壳寡糖在食品领域的应用研究进展.pdf

食品研究与开发23 年 11 月第 44 卷第 22 期应用技术作者简介：宋雪娜（1995），女（汉），硕士，研究方向：天然产物资源开发利用。*通信作者：李莉（1989），女，硕士，研究方向：天然产物资源开发与利用；王圆圆（1992），女（汉），硕士，研究方向：食品科学与工程。DOI：10.12161/j.issn.1005-6521.2023.22.032功能性壳寡糖在食品领域的应用研究进展宋雪娜1，李莉1*，赵奎2，张娜2，王尚龙1，王杰3，李鑫3，王圆圆1*（1.青岛琛蓝健康产业集团有限公司，山东 青岛 266000；2.南昌大学 食品科学与技术国家重点实验室，江西 南昌 330000；3.琛蓝研究所，山东 青岛 266000）摘要：壳寡糖主要以壳聚糖为原料，经生物酶解加工而成，具有分子量小、聚合度低、水溶性好等特点，分子量小于3 000 Da 的壳寡糖很容易通过肠道代谢被肠上皮吸收，具有多种生物功能活性。该文就小分子量的壳寡糖在调节肠道菌群、提高免疫力、抗肿瘤、保护肝脏、降尿酸、降血糖等方面的功能活性进行综述，对小于 3 000 Da 分子量壳寡糖的功能活性进行比较分析，并充分探究不同分子量和聚合度的壳寡糖的作用机制，结合目前壳寡糖的应用现状，分析壳寡糖未来的发展趋势，为壳寡糖在食品等领域的广泛应用提供参考。关键词：壳寡糖；新资源食品；分子量；肠道菌群；肿瘤抑制；代谢调节；食品开发Research Progress on Application of Functional Chitooligosaccharide in Food FieldSONG Xuena1，LI Li1*，ZHAO Kui2，ZHANG Na2，WANG Shanglong1，WANG Jie3，LI Xin3，WANG Yuanyuan1*（1.Qingdao Chenland Health Industry Group Co.，Ltd.，Qingdao 266000，Shandong，China；2.State KeyLaboratory of Food Science and Technology，Nanchang University，Nanchang 330000，Jiangxi，China；3.Chenland Research Institute，Qingdao 266000，Shandong，China）Abstract：Chitooligosaccharide，mainly derived from chitosan，is processed through enzymatic hydrolysis.It hasthe characteristics of small molecular weight，low polymerization degree，and good water solubility.A chitooligosaccharide with a molecular weight of less than 3 000 Da is easily absorbed by the intestinal epitheliumthrough intestinal metabolism and possesses various biological functions.This article overviewed the functionalactivities of chitooligosaccharide with low molecular weight in regulating the intestinal microbiota，enhancing immune function，resisting tumors，protecting the liver，and reducing uric acid and blood sugar，compared and analyzed the functional activities of chitooligosaccharide with molecular weights less than 3 000 Da，and thoroughlyexplored the mechanisms of chitooligosaccharide with different molecular weights and polymerization degrees.By combining the current application status of chitooligosaccharide，the future development trends of chi tooligosaccharidewerepredicted，providingreferencesforitsextensiveapplicationinfoodandotherrelated fields.Key words：chitooligosaccharide；novel food；molecular weight；gut microbiota；tumor inhibition；metabolic regulation；food development引文格式：宋雪娜，李莉，赵奎，等.功能性壳寡糖在食品领域的应用研究进展J.食品研究与开发，2023，44（22）：218-224.SONG Xuena，LI Li，ZHAO Kui，et al.Research Progress on Application of Functional Chitooligosaccharide in Food FieldJ.Food Research and Development，2023，44（22）：218-224.壳寡糖（chitooligosaccharides，COS）作为一种功能性低聚糖，以氨基葡萄糖和（或）N-乙酰氨基葡萄糖经-（1，4）糖苷键连接而成，聚合度（degree of polymerization，DP）在 210 之间，由壳聚糖经酶解或水解制得，是自然界中唯一的碱性低聚糖1。与传统的低聚果糖等功能性低聚糖相比，壳寡糖具有可直接在肠道内被消化吸收的优势。由于分子间弱相互作用力（包括范德华力），壳寡糖在较宽的 pH 值范围内均可溶于水，部分溶于甲醇和二甲基亚砜，不溶于丙酮和乙醇，其中聚合度为 24 的壳寡糖可溶于甲醇2。专题论述218食品研究与开发23 年 11 月第 44 卷第 22 期应用技术壳寡糖的生物活性与其物理特性关联度较高，其具有的多种生物学效应与平均分子量（average molecular weight，Mw）、脱乙酰化度（degree of deacetylation，DD）、聚合度和 N-氨基葡萄糖单元上的电荷分布模式直接相关3。壳寡糖可通过肠道上皮细胞吸收，且在肠道的吸收比例随分子量的减小而增大，其中大、小分子量的壳寡糖进入血液和肠道比例分别为 5.681 和9.8414，是一种极为理想的生物活性寡糖。壳寡糖分子量的大小可影响其在肠道或血液发挥的作用，确定靶向器官后，壳寡糖的独特分子结构中的氨基和羧基与炎症因子或者蛋白质等物质发挥作用，进而产生一系列的生物活性，如调节肠道菌群、抗肿瘤、保护肝脏、降尿酸、降血糖等。体外静态模型研究表明 DP 610 的壳寡糖在胃和肠中会被部分消化降解成 DP 25的壳寡糖5。动物研究表明，DP 25 的壳寡糖均可以透过小肠壁吸收入血，且能在人体内被完全吸收。壳寡糖可在肠道中直接或间接作用于微生物，抑制肠道致病菌和促进肠道有益菌的生长6，被吸收入血的壳寡糖还可以调节炎症因子，增强机体免疫力，抑制肿瘤细胞的转移和生长，促进肿瘤细胞凋亡7，以及调节瘦素基因表达和血糖、血脂和尿酸的代谢等。2014 年，壳寡糖在我国被批准为新资源食品原料，目前已被广泛应用于多个领域，包括生物医药、保健食品、化妆品、农业和畜牧业等，但在食品领域的应用并不普遍。近几年，随着肠道调节、免疫健康、代谢管理和口服美容等健康领域的兴起，壳寡糖作为一种可溶于水、可被肠道吸收且生物活性丰富的功能性食品原料，引起了广泛关注。本文结合近年来国内外相关研究报道，对壳寡糖的不同功能活性、作用机制及其应用前景进行综述，旨在为壳寡糖在食品领域的进一步研究与开发利用提供参考。1壳寡糖对肠道菌群的调节作用肠道作为人体重要的器官，其健康状况与肠道菌群的平衡状况密不可分。壳寡糖可通过抑制有害菌生长和促进益生菌生长的方式，调节肠道菌群平衡8。目前壳寡糖调节肠道菌群的相关研究中，发挥作用效果的壳寡糖分子量主要集中在 3 000 Da 以下。其中，体外实验中使用 15 mg/mL 的壳寡糖可发挥抑制致病菌的效果，体内实验中 100 mg/kg 壳寡糖能够调节动物肠道菌群。表 1 汇总了不同分子量不同浓度的壳寡糖对致病菌及益生菌的调节作用。表 1不同分子量不同浓度的壳寡糖对致病菌及益生菌的作用效果Table 1Effects of chitooligosaccharide with different molecular weights on pathogenic bacteria and probiotics分子量使用浓度实验类型作用菌株作用效果参考文献3 000 Da2.5 mg/mL体外实验金黄色葡萄球菌99.9%抑制82 0003 000 Da1 mg/mL体外实验放线菌99.95%抑制91 500 Da5 mg/mL体外实验大肠杆菌63%抑制10鼠李糖乳杆菌34.68%促进1 000 Da5 mg/mL体外实验单增李斯特菌45%抑制85）壳寡糖可以直接到达肠道，促进肠道代谢，部分聚合度小的壳寡糖（25）通过吸收进入血液4，运输到肾脏、肝脏和胰腺等靶器官2，调节靶器官的分泌代谢，进而有效调控代谢综合征相关的特定健康问题，如调节血糖、血脂和降尿酸等。3.1降血糖作用糖尿病是以高水平血糖为特征的疾病，胰岛素抵抗、氧化应激和炎症增加是糖尿病并发症的主要原因35。增加膳食纤维的摄入是预防 2 型糖尿病发病的有效战略36，壳寡糖作为一种特殊的动物性膳食纤维，可以很好地起到血糖代谢调节的作用。推荐成人每日使用剂量为 22 mg/kg37。此外，Sutthasupha 等38研究表明，壳寡糖在预防肥胖和糖尿病疾病肾损伤中有一定的潜在作用，分子量小于 1 500 Da 的壳寡糖在体内具有降血糖的作用，尤其降低了空腹血糖的含量，详见表 4。表 4不同分子量不同浓度的壳寡糖体内降血糖的作用效果Table 4Hypoglycemic effects of chitooligosaccharide with different molecular weights and concentrations in vivo分子量每日浓度作用模型指标抑制率/%参考文献1 500 Da300 mg/kg链脲佐菌素诱导的非胰岛素依赖型糖尿病大鼠空腹血糖19391 000 Da100 mg/kg高糖饮食大鼠模型服用 1 h 后血糖水平14.3401 000 Da1 000 mg/kg非肥胖糖尿病小鼠空腹血糖27411 000 Da500 mg/kg健康人群食用蔗糖餐后血糖1436研究发现，壳寡糖在糖尿病治疗过程中具有不同的作用方式。1）可以减少线粒体空泡化和肌原纤维的分离和变性等糖尿病心肌病的症状39。2）抑制碳水化合物水解酶、肠道-葡糖苷酶和胰腺-淀粉酶活性，降低血糖40。3）抑制小肠对葡萄糖的吸收，并延迟葡萄糖的吸收36。4）减少胰岛 B 细胞损失，加速胰岛细胞增殖，增加糖耐量和胰岛素分泌，降低空腹血糖42。5）肠道菌群在糖尿病的发病与恢复过程中发挥着重要作用，通过调节肠道菌群的平衡，改善糖尿病小鼠葡萄糖代谢紊乱现象，调节葡萄糖代谢37。7）抑制肝脏糖异生、脂质过氧化和肾脏钠-葡萄糖协同转运蛋白 2（sodium-glucose cotransporter 2，SGLT2）的表达，发挥缓解糖尿病大鼠糖代谢异常的潜力43。3.2降脂保肝作用脂肪肝分为饮酒过量引起的酒精性脂肪肝，以及非酒精性脂肪肝。脂肪肝患者肝细胞中脂肪发生氧化，导致游离脂肪酸和甘油三酯堆积等，堆积过量会对肝细胞产生毒性44。有研究表明 DP 2-6 的壳寡糖，在使用浓度为 400 mg/kg 时，可以抑制非酒精性脂肪肝（non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD）动物肝细胞毒性，降低谷草转氨酶和丙氨酸转氨酶的产生量，降低总胆固醇的水平43-45，有效抑制脂肪堆积和脂质过氧化，保护肝脏。调控脂肪类物质水平，壳寡糖的氨基可能与乙醛发生反应，有效减少乙醛在肝脏内的堆积，从而降低酒精性脂肪肝的发生46。壳寡糖可调控胆固醇调节元件结合蛋白（cholesterol regulatory element binding proteins，SREBPs）家族基因，有效调控机体脂肪酸、甘油三酯、胆固醇水平，抑制非酒精性脂肪肝的发生与发展44。壳寡糖可抑制游离脂肪酸（free fatty acid，FFA）合成相关的脂肪酸合成酶（fatty acid synthase，FASN）和ATP-柠檬酸裂解酶（ATP-citrate lyase，ACLY）的基因表达以及超长脂肪酸的延伸，降低脂质积累44，有效控制脂质氧化，提高抗氧化能力。壳寡糖的还原端可以专题论述221食品研究与开发23 年 11 月第 44 卷第 22 期应用技术与氧自由基结合，有效防止细胞氧化损伤，提高抗氧化能力，增加体内超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）等抗氧化酶活性，减少脂质氧化47。高尿酸血症患者体内的黄嘌呤氧化酶（xanthineoxidase，XOD）、尿酸（uric acid，UA）、尿素氮（urea nitrogen，BUN）、肌酐（creatinine，SCr）含量较普通人偏高，壳寡糖可显著抑制这几种成分在体内的积累。已有研究将壳寡糖作为固体饮料开发应用，且对高尿酸血症小鼠具有降尿酸作用48。目前对壳寡糖降尿酸的作用机制尚不明确。有研究者认为，壳寡糖一方面可通过控制黄嘌呤氧化酶的活性，减少尿酸前体物质的生成，进而减少小鼠体内 SCr、BUN 和 UA 的生成，抑制机体尿酸的形成49，如对高尿酸血症小鼠每日 800 mg/kg 的壳寡糖（2 210Da）灌胃治疗 7d 后血清 SCr、BUN 和 UA 含量分别显著降低 55%、59%和 47%。另一方面，壳寡糖表面的碱性氨基可与尿酸中和，上调 pH 值，加快尿酸代谢，减少尿酸在体内的积累50，小于 1 000 Da 分子量的壳寡糖可以缓解高尿酸导致的急性痛风性关节炎发作。4壳寡糖的应用壳寡糖因具有强效的益生元和抗氧化活性，在目前火热的功能性食品领域也出现了一些新的配方应用：壳寡糖与白芸豆在体重管理方面搭配应用的产品屡见不鲜，如白芸豆壳寡糖咀嚼片；壳寡糖搭配益生菌，在肠道保护方面的产品也层出不穷，比如壳寡糖益生菌固体饮料；壳寡糖搭配胶原蛋白，在口服美容市场也占有一席之地，比如花萃胶原蛋白水和胶原蛋白壳寡糖果味饮料。酸奶中添加 2 000 Da 分子量的壳寡糖，通过纳米颗粒技术改善其稳定性可保持 3 周货架期51。庄林等48使用壳寡糖搭配海洋鱼低聚肽和酸樱桃粉，开发了一款降尿酸的固体饮料。姜雅杰等52-53开发的壳寡糖复合固体饮料可以影响糖尿病小鼠肠道菌群的组成和多样性，并且促进有益菌的生长与定植，降低条件致病菌的相对丰度，从而促进肠道健康，还可辅助降低小鼠血脂及稳定血糖。此外，壳寡糖在食品领域还可用作抗氧化剂和防腐剂等，可以被有效添加到传统食品中，如饼干、面条和面包等。添加 1%分子量小于 3 000 Da 的壳寡糖不仅能增加海绵蛋糕的抑菌性，使蛋糕组织结构更松软，还可以增加饼干的抗氧化性，同时可以改善饼干的外观、内部结构和食用品质54。壳寡糖由于其具有多种生物活性，在医药和医疗器械等领域的应用潜力也十分巨大。现主要被应用于一些药物的递送物质，提高抗癌药物的稳定性、通透性和生物利用度，并降低了药物间相互作用的风险。壳寡糖还可以通过调节肠道菌群预防结直肠癌55，通过调节 Nrf2/ARE 信号通路保护神经细胞（SH-SY5Y）细胞免受氧化损伤和凋亡，为阿兹海默症的预防和治疗提供新的应用56。壳寡糖在医药领域中通常还可被用于抗菌、抗炎、减肥、降血压、调节血脂、治疗多囊肾病、预防疟疾、抗真菌、基因治疗、伤口敷料、防止细菌附着在人体细胞等，如海藻酸盐-壳聚糖低聚糖-锌氧复合水凝胶加速伤口愈合，为伤口愈合提供滋润抗菌的环境57。此外，壳寡糖因与骨骼的细胞外基质相似，可以帮助骨再生，还可以应用在一些骨替代生物材料或牙科等领域。壳寡糖还可以应用于农业等领域，如在饲料添加、提高果实品质和贮藏保鲜58等方面有着重要的作用。2020 年，中国农业国际合作促进会批准了 壳寡糖类混合型饲料添加剂的团体标准，为壳寡糖饲料添加提供应用指导。此外，壳聚糖基吸附剂还可用于去除水性环境中的污染物59。5结语壳寡糖作为一种具有分子量小、聚合度低、水溶性好等特点的低聚糖，一方面小分子量的壳寡糖很容易通过肠上皮吸收，进入血液发挥作用，另一方面，部分大分子量的壳寡糖可直接进入肠道发挥作用，因此，壳寡糖通过入血入肠可以发挥多种生物功能活性。壳寡糖可直接作用于肠道微生物，或者通过调节免疫和保护肠道屏障间接作用于肠道微生物，实现肠道菌群调节的作用。壳寡糖因其具有氨基和羧基的独特分子结构，使其可以通过多条途径抗肿瘤，在调节炎症因子、抑制肿瘤细胞生长和提高抗肿瘤药物传递等方向上表现出较好的前景。壳寡糖作为一种特殊的膳食纤维，可很好地调控代谢综合征相关的特定健康问题，尤其在降血糖、降尿酸和降脂保肝等方面。虽然壳寡糖在食品、医药等不同领域的应用日益增加，但是壳寡糖的精确结构及其在肠道、血液中的具体作用形式之间的关系，目前还存在很大的知识空白。由于单个壳寡糖存在多种不同结构，不同分子量的壳寡糖结构形式更是不同，加上目前对肠道微生物的组成和代谢以及血液中作用形式的认识不足，一直限制着壳寡糖的应用。亟需对壳寡糖的特性进行详细表征，以及壳寡糖在肠道和血液中的具体作用形式进行深入探索和验证，相关的临床研究也需要加快步伐。参考文献：1ZHOU J W,WEN B J,XIE H Y,et al.Advances in the preparationand assessment of the biological activities of chitosan oligosaccharides with different structural characteristicsJ.Food&Function,2021,12(3):926-951.2MUANPRASAT C,CHATSUDTHIPONG V.Chitosan oligosaccha专题论述222食品研究与开发23 年 11 月第 44 卷第 22 期应用技术ride:Biological activities and potential therapeutic applicationsJ.Pharmacology&Therapeutics,2017,170:80-97.3NAVEED M,PHIL L,SOHAIL M,et al.Chitosan oligosaccharide(COS):An overviewJ.International Journal of Biological Macromolecules,2019,129:827-843.4王敏.壳寡糖聚合度与小鼠肠道对壳寡糖吸收率的关系D.大连:大连医科大学,2011.WANG Min.Relationship between polymerization degree of chitosan oligosaccharide and absorption rate of chitosan oligosaccharideinintestineofmiceD.Dalian:DalianMedicalUniversity,2011.5陈佳祎.壳寡糖的体外模拟消化研究D.上海:华东理工大学,2019.CHEN Jiayi.Study on simulated digestion of chitosan oligosaccharide in vitroD.Shanghai:East China University of Science andTechnology,2019.6S魣NCHEZ 魣,MENG魱BAR M,RIVERA-RODR魱GUEZ G,et al.Theeffect of preparation processes on the physicochemical characteristics and antibacterial activity of chitooligosaccharidesJ.Carbohydrate 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