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壳寡糖的作用与应用前景

时间:2020-06-05 16:23:54

壳寡糖(chitooligosaccharides,COS)又称甲壳低聚糖、几丁寡糖,学名β-1,4-寡糖-葡萄糖胺。是甲壳素和壳聚糖经过化学降解或酶法降解生成的聚合度为2-20的低聚糖,它是天然糖中唯一大量存在的碱性氨基多糖。壳寡糖由于分子链长比大分子的壳聚糖大大降低,分子之间不易形成较强的氢键,因而水溶性大为改善,可通过动物肠道上皮细胞直接吸收。除了水溶性好以外,壳寡糖还具有许多生理功能,包括调节肠道微生态,增强免疫力,抵抗肿瘤等。特别的当聚合度等于或大于6的壳寡糖具有更强的生物活性。


壳寡糖不仅以功能性食品的形式运用于食品工业,而且在畜牧业生产中也被作为饲料添加剂广泛使用。近年来随着水产行业的快速发展,壳寡糖在水产养殖中的研究也越来越多。主要是因为壳寡糖不仅可以维持养殖水体环境的微生态平衡,而且也可以长期有效的控制疾病的发生,同时还能摆脱由于抗生素及药物残留引起的食品安全性问题,所以壳寡糖作为一种新型的饲料添加剂,已成为当今水产业生产的必然趋势。

1、壳寡糖的生理功能

壳寡糖由于水溶性好,人体吸收率高,从而比壳聚糖具有更优越的生物活性。Kim等研究了壳寡糖对大鼠的亚急性毒性,分别按500、1000、2000 mg/(kg·d)给药4周后观察其症状,结果显示,大鼠对照组和实验组不仅在行为、外表、体重、食物消耗等方面均无显著性差异,而且在尿分析、血液学和组织病理学等方面也无显着性差异,说明壳寡糖的亚急性毒性非常小。

1.1、改善肠道组织形态,提高动物的生产性能

壳寡糖具有改善肠道组织形态的功能,可使微绒毛的高度增加,密度加大,可使小肠的吸收面积扩大,从而有利于营养物质的吸收。何亚南等在壳寡糖对大鼠肠黏膜碱性磷酸酶(AKP)活性影响的实验中发现,壳寡糖能显著增加大鼠十二指肠及空肠肠黏膜内AKP的活性,进而提高肠道的消化性能。陈虹等研究了壳寡糖对鹌鹑生产性能的影响表明,在日粮中添加0.05%的壳寡糖,可使鹌鹑35日龄体重提高7.6%,料重比降低4.5%,显著提高了鹌鹑的生产性能。H uang等研究发现,日粮中添加壳寡糖100~150 mg/kg可显著提高肉用仔鸡回肠的消化性能,提高生产性能。

1.2、调节肠道微生态

壳寡糖能够抑制消化道内的有害菌。在酸性或者弱酸性条件下,壳寡糖分子中游离氨基会被质子化,质子化铵可以与细菌带正电的细胞膜产生作用,进而干扰细菌细胞膜的功能,这样就会造成细菌体内细胞质的大量流失,对真菌和微生物的生长起到抑制作用。Rao等报道了壳寡糖和溶菌酶联合使用,会大大提高溶菌酶的抗菌活性。刘碧源等用双氧水降解法制备的壳寡糖,用滴注法和营养琼脂培养基涂布法检测其抗菌活性,结果表明壳寡糖对金黄色葡萄球菌、大肠埃希氏菌、白假丝酵母菌有共同的抑制作用,且对金黄色葡萄球菌的抑制作用最强,当壳寡糖浓度为0.5%时,培养24h可完全抑制金黄色葡萄球菌生长,对白假丝酵母菌的抑制作用弱一些,需要4%的浓度,随着培养时间的延长,其抑菌性能减弱,但菌落数明显少于空白对照组,另外壳寡糖具有促进双歧杆菌生长的功能。

1.3、增强免疫功能

壳寡糖能够提高机体的免疫功能,它的免疫增强作用目前已被许多学者证实。王秀武等研究了壳寡糖对免疫器官相对重量及新城疫抗体效价的影响表明,在肉用仔鸡饲料中添加0.1%壳寡糖可使其法氏囊和胸腺相对重量增加(P<0.05),且血清新城疫抗体效价提高(P<0.05),肉用仔鸡免疫力明显提高。Karadeniz等报道了,壳寡糖可以保护胰腺细胞使其免受由于过氧化氢作用而引起的细胞恶化。壳寡糖的免疫机制主要有以下两种解释:第一,刺激机体,促进了腹膜渗出液的细胞(PEC)数量的增加,并且激活了巨噬细胞,从而使活性氧的生成增加了,也增强了巨噬细胞的杀伤活性。第二,激活了T淋巴细胞,从而促进了巨噬细胞激活因子(M AF)的释放,进而使巨噬细胞激活。在激活过程中,巨噬细胞被壳寡糖直接激活,又提高了它对M AF的敏感性,使它进一步被激活。因此人们普遍认为壳寡糖的杀伤活性的产生,主要是由于激活T淋巴细胞与巨噬细胞两者相互作用加强的结果。

2、壳寡糖在水产动物养殖中的作用

2.1、改善鱼类肠道微生物分布

寡糖类被认为是一种重要的肠道功能调节剂,能够改善动物消化道内的微生物区系。寡糖可以被芽孢杆菌、乳酸杆菌等作为碳源利用,从而促进有益微生物大量增殖,调节微生态平衡。而肠道病原菌首先必须通过其表面或着绒毛上类丁质结构的一些凝集素与动物肠道黏膜上皮上具有细胞特异性的寡糖分子受体相结合,这样细菌才有可能在肠壁上进行定植和繁殖。许多肠道病原菌具有对寡糖能够特异结合的外源凝集素。因此,寡糖可以作为病原菌的竞争性排斥因子,对病原菌提供丰富的附着位点,因此能够吸附细菌,使病原菌不能够结合到动物肠壁上。由于大多数的寡糖不能被消化酶降解,因而它们所携带的病菌通过肠道,细菌不能得到生长所需的养分成分而失去致病能力。目前,大量的科学研究已经证实,鱼类肠道内包含着正常的细菌群落。细菌菌群在宿主体内增殖和生存,对于维持宿主组织器官的正常结构以及功能有着十分重要的作用。M ahious等在大菱鲆的生长试验中,分别添加2%寡糖、菊粉、和低聚乳果糖,发现各组肠道微生物的总数差异不显著,但是微生物的种类以及只要菌种差异显着,肠道中大肠杆菌的菌群数量明显减少,但是双歧杆菌和乳酸杆菌的数量却在明显增加。


2.2、提高水产养殖动物的生长性能

寡糖由于其分子间结合位置及结合类型的特殊性,不能被内源消化酶分解,病原菌如沙门氏菌等也不能利用,但能被有益菌如乳酸杆菌、双歧杆菌等分泌的糖苷酶水解作用,进一步生成单糖、挥发性脂肪酸等,再被机体或微生物利用,间接达到促生长效应。Refstie等分别用含少量寡糖和不含寡糖和的料饲喂大西洋鲑鱼55d,研究结果发现饲喂过寡糖的大西洋鲑鱼,其增重率、饲料转化率均与对照组相比,差异显著。

寡糖主要是通过以下几个途径对水产动物的生长性能产生着影响:促进肠道有益菌的繁殖增长,抑制腐败菌和病原菌,并且使这些细菌产生的毒素物质,如氨、胺、吲哚等代谢产物大量的减少;促进矿物元素的吸收,寡糖发酵以后产生的酸性物质能够吸附钙化合物并且使其溶解性增加,从而导致钙的吸收能力增强;生成营养物质,双歧杆菌可以在肠道内合成维生素B 1、B 2、B 6、B 12、烟酸、以及各种氨基酸。

2.3、影响鱼类的血液生化指标水平

研究表明,壳寡糖能够降低血浆、甘油三酯以及总胆固醇的浓度,进而改善脂类代谢,提高蛋白质沉积率,降低尿素在肾脏中的沉积,从而有助于减少肾脏尿素中毒的可能性。此外添加寡糖还对血液中的免疫球蛋白(IgG、IgM等)、生长激素(GH)、以及谷丙转氨酶(ALT)、谷草转氨酶(AST)等有一定的影响。马利等在饲料中分别添加0、125、250、500和1000 mg/kg的壳寡糖,饲喂南美白对虾,结果发现壳寡糖对对虾血清中的肌酐、钙离子、总胆固醇、葡萄糖、甘油三脂以及低密度脂蛋白胆固醇无显着影响,但能够使高密度脂蛋白胆固醇显着增加,进而促进脂类代谢。

2.4、提高鱼体的免疫功能

有许多研究已经表明,寡糖能够提高鱼体的免疫功能。Yoshida等用添加甘露寡糖的饲料饲喂大西洋鲶鱼,结果表明,甘露寡糖能显着提高大西洋鲶鱼的疾病抵抗能力。Cross等报道了果寡糖可以通过影响动物肠道有益微生物菌群来影响营养物质的吸收代谢及机体免疫应答等生理活动。寡糖能够提高鱼体的免疫功能,其主要作用机理有以下几个方面:

(1)寡糖能够与某些毒素、病毒和真核细胞的表面结合,作为这些外源抗原的佐剂,可以减缓抗原的吸收时间,增加抗原的效价。寡糖作为佐剂可提高细胞免疫以及体液免疫功能。

(2)寡糖有助于有益菌如双歧杆菌等的大量增殖。许多动物试验证明,双歧杆菌也可以提高机体的抗体水平,并且能够激活巨噬细胞的吞噬活性,这对提高机体的抗感染能力,预防、抑制和杀死肿瘤细胞有重要作用。

(3)寡糖本身具有一定的免疫原性,能够刺激机体免疫应答。某些寡聚糖具有直接提高药物和抗原免疫应答的能力,增加动物体液及细胞免疫能力。

2.5、净化养殖用水

壳聚糖作为寡糖种类中的一种,已被用于水处理。例如日本每年用于处理水的壳聚糖超过了500 t,美国环保局也把壳聚糖作为饮用水处理的净化产品。壳聚糖处理养殖用水的机理是,壳聚糖中氨基和羟基可以与养殖水中尤其是废水中的金属离子形成螯合配位体。除此之外,壳聚糖也具有很强的亲水性,能够在酸性介质中膨胀并且可以形成粘稠状的胶体,来吸附养殖用水中的悬浮物,使其沉淀,从而达到净化养殖水的目的。利用壳聚糖,也能够吸附水体中的悬浮物和过剩的有机物,并且对水产养殖对象不会产生任何毒害作用。杨清友在壳多糖对不换水培育罗氏沼虾的实验中发现,加壳聚糖的水体比不加壳聚糖的水体透明度高,而且随着壳聚糖浓度的升高,透明度也在增大,说明壳聚糖能够净化水质,防止水质恶化。

2.6、作水产动物的诱食剂

寡糖类物质大部分都有不同程度的甜味,能改善饲料的适口性,所以在水产动物饲料生产中可以对水产动物起诱食作用。

3、壳寡糖的应用前景

当今生物制药技术的一个亮点就是,开发应用壳寡糖。在水产动物生产中,人们常常利用抗生素来预防病菌的感染,促进动物生长,但是抗生素有它自身的缺点,抗生素在杀害有害菌的同时却也杀死了有益菌,而且长期使用抗生素不仅使细菌产生了极强的耐药性,同时药物的残留对畜产品品质的影响是一个更严重的问题。


壳寡糖作为一种新型的绿色饲料添加剂,资源丰富、且无毒、无副作用,实际应用中问题较少,所以前景广阔,成为水产养殖业的又一新亮点。但是低聚壳聚糖的制备,特别是聚合度为6~8壳寡糖的制备大部分都处于实验室的研究阶段。目前,国内对化学降解法中的H2O2氧化降解法研究较多,但是在降解过程中伴随的副反应,还需要探索出有效的遏止方法,另外必须注意的就是氧化降解对产品活性的影响以及降解以后残留的H2O2对食品安全性是否会产生隐患。酶降解制备低聚壳聚糖同样受到了科学研究者的极大关注,但是由于专一性酶价格昂贵、难以形成商业化。所以寻找其它降解效果好,并且价格低廉的非专一性酶,通过物理、化学方法与酶法相结合来探索出能够高效、安全生产壳寡糖的复合降解法已经成为解决问题的关键点。

与此同时,还需要继续深入研究壳寡糖的作用机理以及在各种动物饲料中的最佳添加量,以便为壳寡糖的推广提供更为明确的理论指导目前,我国寡糖生产量正急速上升,特别的对一些常见寡糖的研究也比较多,例如半乳糖寡糖,果寡糖,甘露糖寡糖等,而对壳寡糖的研究才刚刚开始。Chen等从曲霉CJ22-326菌株发酵液中分离纯化得到2种不同的壳聚糖酶组分。陈小娥等对其的水解作用模式进行了研究,这将有助于完善不同用途甲壳低聚糖的酶法制备工艺。H siao等在近期用蜡样芽孢杆菌纯化的壳聚糖在一个膜反应器中生产出了高聚合度的壳寡糖,这些研究成果将促使壳寡糖的应用更加广泛。相信随着生产、开发和研究的不断深人,将会出现更多优秀的关于壳寡糖的研究成果,开展对壳寡糖的研究及应用推广,无论在健康保健方面还是在资源开发利用上都具有十分重要的意义。

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