壳寡糖的制备与应用研究进展.pdf

2023年第36 卷第9 期壳寡糖的制备与应用研究进展李茜茜，杨云洁，管世敏，荣绍丰（上海应用技术大学香料香精化妆品学部（生物工程系），上海2 0 1418）摘要：综述了壳寡糖的制备方法及其生物活性的应用,分析了壳寡糖在生产及应用中存在的挑战，以期为壳寡糖的工业化生产及在相关领域的应用提供参考。关键词：壳寡糖；制备方法；生物活性；应用Research progress on the preparation andapplication of chitosan oligosaccharidesLI Qian-qian,YANG Yun-jie,GUAN Shi-min,RONG Shao-feng(School of Perfume and Aroma Technology(Department of Bioengineering),Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418,China)Abstract:The preparation methods of chitosan oligosaccharides and the application of their bioactivitieswere reviewed,and the existing challenges in the production and application of chitosan oligosaccharideswere analyzed,in order to provide reference for the industrial production and application of chitosan oli-gosaccharides in related fields.Key words:chitosan oligosaccharide;preparation method;bioactivity;application中图分类号：TS201.1壳寡糖（COS）又名几丁寡糖,是氨基葡萄糖和N-乙酰氨基葡萄糖通过（14）糖苷键连接的低聚物,聚合度通常为2 2 0,分子质量32 0 0 Da。COS具有在生理pH下水溶性好、易吸收、生物活性高等特点。COS可由壳聚糖降解制备，根据分子质量、聚合度、脱乙酰度及电荷分布的不同，表现出不同的物化特性。COS具有抗氧化、增强免疫、促进植物生长等多种功能，在食品、农业、化妆品、生物医药等领域应用广泛。1 COS 的制备方法1.1物理法物理法是以微波、超声波、辐照、射线、加热、加压等方式断裂壳聚糖分子中的糖苷键。物理法污染小,产物纯度高且结构简单2 ,但设备成本高、生产效率低，因此通常与其他方法结合。目前，物理法制备COS的报道较少，应用于大规模生产COS尚不成熟。1.2化学法化学法分为酸水解法和氧化降解法。酸水解法是利用壳聚糖分子中的氨基基团与酸性溶液中收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 5作者简介：李茜茜（19 8 1一），女，博士，副教授，研究方向为微生物技术及天然产物的生物合成。通信作者：荣绍丰（19 6 9 一），男，博士，教授，研究方向为医药发酵工程。粮食与油脂文献标志码：A文章编号：10 0 8-9 57 8(2 0 2 3)0 9-0 0 2 7-0 5的氢离子结合，使壳聚糖分子间氢键断裂,形成聚合度不同的混合产物。酸水解法因成本低，可同时脱脂、脱色、除蛋白质，成为早期工业上常用的COS制备方法。盐酸是COS制备最常用的酸。盐酸降解法适合制备全脱乙酰的COS,该法制备COS的常用条件是在8 0 下，以质量分数35%盐酸反应12 h3。酸水解会破坏壳聚糖分子中的糖苷键,过度水解时糖苷键全部断裂生成单糖,从而导致COS收率低,且反应复杂，难以控制。此外，大量无机酸和有毒副产物也会污染环境。氧化降解法是通过氧化剂在溶液中的游离自由基团断裂壳聚糖中糖苷键实现降解4。常用氧化剂有过氧化氢、过硫酸盐、过硼酸盐、臭氧。该方法因产率高、成本低、无污染受到广泛关注。1.3生物法生物法主要利用酶降解壳聚糖获得COS。根据酶的作用机制,可分为专一性酶和非专一性酶。1.3.1 专一性酶专一性酶一般为微生物等来源的壳聚糖酶5壳聚糖酶分为2 类，一类是内切型,即从壳聚糖链还2728原端随机水解-(1,4)-糖苷键,产生不同聚合度的COS;一类是外切型（-D-葡萄糖胺酶）,即从非还原端水解-(1,4)-糖苷键,产生氨基葡萄糖。CUAN等6 利用壳聚糖酶CHIS5 先将壳聚糖水解为乙酰化的低分子质量壳聚糖,再用甲壳素脱乙酰基酶CDA20除去乙酰基团,制备脱乙酰低分子质量壳聚糖。2 种新酶的结合使用,简化了 COS 制备流程,但酶法成本高且产物纯化需要去除酶蛋白。LI等7 将重组壳聚糖酶展示于大肠杆菌表面,重组菌通过升温诱导后即可直接与壳聚糖进行酶解反应，简化了酶的纯化步骤,且携带酶的菌株易从反应体系中去除，省掉了产物纯化除蛋白质的步骤，缩短了工艺流程，降低了生产成本。1.3.2非专一性酶非专一性酶的种类繁多,有果胶酶、溶菌酶、脂肪酶、纤维素酶、胃蛋白酶、糖化酶、甲壳素脱乙酰酶等。这些酶通常在水解初期以内切为主催化降解-(1，4)糖苷键。果胶酶及其同工酶能分别作用于壳聚糖的 GlcN一GlcNAc 键、GlcNAc一GlcN 键；溶菌酶有转糖苷化能力和裂解壳聚糖-(1，4）糖苷键的作用;脂肪酶在弱酸性条件下能有效地降解壳聚糖;纤维素酶与壳聚糖酶水解作用类似,能使壳聚糖分子质量在短时间内快速下降；胃蛋白酶能作用于脱乙酰度高的壳聚糖；糖化酶主要从壳聚糖非还原性末端水解-1，4葡萄糖苷键8 。在COS生产中，一般采用多种酶混合的方式，因此必须依据各酶的酶活和功能控制其比例与反应条件,且产物纯化同样需要除蛋白质。生物酶法制备COS条件温和、效率高、对环境友好、产品的聚合度可控9 。与物理法和化学法相比,酶法克服了物理法得率低与化学法选择性差的缺点10 1,有良好的应用前景。2COS 的应用2.1农业领域2.1.1 生长调节COS在农业上的增产效果已得到广泛认可。COS可能通过延长幼苗叶长来提高光合速率，且对养分吸收与生物量积累均有促进作用。COS 作为植物生长剂对大豆生长发育、产量及品质有积极影响12 。以COS为肥料添加剂生产增效型复合肥料,可显著提升玉米茎粗及玉米地上部分生物量13。土壤微生物群落组成对农作物生长具有重要影响。COS能促进有利于土壤营养物质积累、改粮食与油脂善土壤功能的有益菌生长142.1.2病害防治近年COS在病害防治方面备受关注。作为绿色植物免疫调节剂,COS通过激发植物自身免疫反应诱导植物获得抗性。COS对南方水稻黑条矮缩病毒的防治具有一定的效果15。此外,COS 能显著抑制花椒盆栽苗干腐病菌的生长16 。因此，利用COS直接抑制病原菌生长这一机制,开发无公害生物农药极具应用前景。2.2食品领域2.2.1提升感官品质COS用于益生元和膳食补充剂可提升食品的感官品质。将COS应用在泡菜发酵中有利于有益菌的生长以及泡菜品质的提升17 。在低筋小麦粉中添加其质量1%的COS时，制作出的海绵蛋糕质构特性及感官评分最佳18 。2.2.2贮藏保鲜COS作为防腐剂、保鲜剂、抗菌剂,对食品及农副产品的贮藏保鲜有积极作用，具备商业防腐剂的应用价值19 。经壳聚糖、COS 溶液涂膜处理后的鲜切菠萝中营养物质能有效保存2 0 。含香叶醇的COS衍生物具有高于COS的抗菌性能,可作为潜在的新型抗菌剂2 1 2.2.3功能性食品COS作为自然界唯一的动物源膳食纤维,能改善食品中的膳食结构。由于COS与蛋白质、多肽结合的作用特点，COS复合物在补充人体所需微量元素的研究中具有重要意义。COS-脱盐鸭蛋蛋清、COS-酪蛋白磷酸肽复合物可显著提高可溶性钙的结合能力及稳定性，从而促进人体对钙的吸收2 2-2 3 O2.2.4食品安全COS与还原糖进行的美拉德反应能消除食物中的有害成分，如能有效去除对虾中主要的过敏原原肌球蛋白2 4。此外,还可以减少含氨基酸食物在烘培过程中生成的丙烯酰胺2 52.3生物医药领域2.3.1抗氧化活性COS已被证明能通过清除自由基或诱导抗氧化酶表达来有效防止自由基诱导的细胞损伤，减少细胞内氧化物和降低细胞死亡率。COS与橙皮苷通过喷雾干燥法制备成稳定的复合物，该复合物的水溶性和抗氧化性均高于游离橙皮苷2 6 。因此，2023年第36 卷第9 期2023年第36 卷第9 期COS 有较强的抗氧化活性。2.3.2抗炎免疫有研究2 7 表明,COS可增强天然免疫和被动免疫,提高免疫力。作为对抗肠道病原体的第一道防御系统,COS能增强肠道上皮细胞的免疫反应。COS抗炎作用表明其能抑制脂多糖等刺激诱导的炎症反应。COS具有预防死亡、全身炎症反应及肝、肾、肺损伤的功效2 8 。COS的抗炎功能也被应用在外伤修复方面,口服COS可降低滑膜炎症的症状,对骨关节炎的治疗有益。2.3.3再生医学COS能促进机体修复和组织再生,可用于止血以及作为促进伤口愈合的辅料。添加COS的水凝胶对伤口愈合有明显促进作用2 9 。2.3.4神经系统疾病潜在疗效COS可改善早期神经反射行为,显著降低脑梗死体积,减轻神经元细胞的损伤和退行性病变30 1。COS被证明可加速周围神经的再生。此外,COS能抑制乙酰胆碱酶,在治疗阿尔兹海莫症上有一定应用潜力31。2.4化妆品领域COS因其抗氧化活性及抗炎活性被广泛应用于护肤品。COS的抗氧化活性可保护皮肤免受氧化损伤32 ，作为添加剂用于化妆品中，也可防止其他活性成分如精油、维生素等被氧化3。皮肤表面涂抹COS有助于预防紫外线引起的皮肤老化,其机理在于COS在一定程度上减轻了紫外线引起的皮肤胶原降解和皱纹形成34。2.5材料领域COS易溶于水，可加工成凝胶、纤维等不同形式35-31。以COS 和氧化石墨烯为原料,在温和条件下制备具有三维多孔结构的低密度气凝胶，该凝胶具有优异的吸附性能37 。COS及其季铵盐可用于改善织物的吸湿保湿性、抗静电性、抗菌性、抗皱性、柔软性以及染色性38 O2.6环保领域在废水处理中,COS 的黏附性和螯合性被用于除重金属，如Pb等；在环境保护方面,COS可作为缓蚀剂抑制钢腐蚀39 。新型乙二胺四乙酸功能化磁性COS和羧甲基纤维素纳米复合吸附剂具有磁性、易分离、可重复利用的特点，且有较高的Pb(II)吸附性,是处理富Pb(II)水的理想吸附剂40)。粮食与油脂3问题与展望COS及其衍生物因具有多种生物活性,受到人们的广泛关注。但在其生产和应用上还存在一些问题：（1)由于不同分子质量COS的生物活性存在差异，在水解过程中产物分子质量的控制和快速判断是具有挑战性的技术难点。（2)在 COS 的生物活性研究中,常用不同聚合度和不同脱乙酰度的混合物,很少使用明确的低聚物。因此,COS的生物活性存在一定争议,可重复性成为问题。（3)对COS生物活性的分子机制知之甚少，使其真正应用存在挑战。针对上述问题，未来在COS的生产上可通过酶的筛选与定向进化、酶的固定化等手段获得理想的壳聚糖酶,通过发展多糖快速检测方法实现酶法生产COS的过程控制；在壳寡糖的应用上应探讨COS及其衍生物的生物活性机理,为COS的应用奠定理论基础。功能性COS在食药等领域受到越来越多关注，但由于工业上COS的分离纯化仍存在技术瓶颈,未来对COS等生物资源深度开发利用仍是重要发展方向。参考文献 1 ARANAZ I,ACOSTA N,CIVERA C,et 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