低聚壳聚糖制备及其在功能食品中应用

ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＦｏｏｄＩｎｄｕｓｔｒｙ低聚壳聚糖制备及其在功能食品中应用乔德亮１，２（１．皖西学院化学与生命科学系，安徽六安２３７０１２；２．南京农业大学食品科技学院，江苏南京２１００９５）摘要：甲壳素是Ｎ－乙酰葡萄糖胺的聚合物，甲壳素脱乙酰后为壳聚糖，壳聚糖糖苷键断裂降解为低分子量壳聚糖。

功能食品是指适宜特定人群食用、不以治疗疾病为目的、可调节人体生理机能的一类食品。

低聚壳聚糖具有许多特殊的理化性质和生理功能，已广泛应用于食品、医药、化妆品、农业生产、环保等领域。

本文综述了低聚壳聚糖的制备及其在功能食品中的应用情况。

关键词：甲壳素，壳聚糖，低聚壳聚糖，功能食品Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｏｗｍｏｌｅｃｕｌａｒｗｅｉｇｈｔｃｈｉｔｏｓａｎｉｓｐｒｅｐａｒｅｄｆｒｏｍｂｒｅａｋｄｏｗｎｏｆｇｌｙｃｏｓｉｄｉｃｂｏｎｄｏｆｃｈｉｔｏｓａｎ．Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｆｏｏｄｉｓａｔｙｐｅｏｆｆｏｏｄｗｈｉｃｈｆｉｔｓｆｏｒｓｐｅｃｉａｌｍａｎ，ｎｏｔａｉｍｉｎｇａｔｃｕｒｉｎｇｄｉｓｅａｓｅｓｂｕｔｒｅｇｕｌａｔｉｎｇｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｃｈｉｔｏｏｌｉｇｏｓａｃｃｈａｒｉｄｅ，ｗｉｔｈｍａｎｙｓｐｅｃｉａｌｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ｈａｓｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｉｎｆｏｏｄ，ｍｅｄｉｃｉｎｅ，ｃｏｓｍｅｔｉｃｓ，ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，ａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｅｔａｌ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｃｈｉｔｏｏｌｉｇｏｓａｃｃｈａｒｉｄｅａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｆｏｏｄａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｈｉｔｉｎ；ｃｈｉｔｏｓａｎ；ｃｈｉｔｏｏｌｉｇｏｓａｃｃｈａｒｉｄｅ；ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｆｏｏｄ中图分类号：ＴＳ２０１．１文献标识码：Ａ文章编号：１００２－０３０６（２００７）０４－０２２８－０４收稿日期：２００６－０９－２８作者简介：乔德亮（１９６７－），男，博士研究生，研究方向：生物资源化学与功能食品。

基金项目：安徽省教育厅自然科学基金（２００６ＫＪ０４８Ｃ）；皖西学院硕士科研基金（６１８８）。

甲壳素（ｃｈｉｔｉｎ）又名几丁质、甲壳质、壳多糖、聚乙酰氨基葡萄糖等，广泛存在于节肢动物的虾、蟹、昆虫等外壳以及真菌、海藻等细胞壁中，少量存在于原生动物、环节动物、软体动物、腔肠动物体内，其化学结构是Ｎ－乙酰氨基葡萄糖的聚合物。

壳聚糖（ｃｈｉｔｏｓａｎ）又名脱乙酰甲壳素、脱乙酰甲壳质、可溶性甲壳素、可溶性甲壳质等，是由甲壳素经不同程度脱乙酰而来［１，２］。

壳聚糖长链通过不同途径发生部分降解，糖苷键断裂形成分子量大小不等的片段。

低聚壳聚糖（ｃｈｉｔｏｏｌｉｇｏｓａｃｃｈａｒｉｄｅ）是指由２￣１０个Ｎ－葡萄糖胺基（ＧｌｃＮ）和／或Ｎ－乙酰葡萄糖胺基（ＧｌｃＮＡｃ）以β（１→４）糖苷键连接起来的壳寡糖［２］。

脱乙酰度和平均分子量是壳聚糖的两项主要性能指标。

壳聚糖具有许多特殊的理化性质，可制备成不同结构和不同性能的衍生物，从而大大拓展了壳聚糖的应用范围和利用价值。

低聚壳聚糖已广泛应用于食品、医药、化妆品、环保、农业生产等领域［３￣６］。

１低聚壳聚糖制备低聚壳聚糖的制备主要从生物体内提取，基本过程是：生物体提取甲壳素、甲壳素脱乙酰得壳聚糖、壳聚糖水解制备出低聚壳聚糖。

１．１甲壳素制备甲壳素主要来源于虾、蟹、昆虫等外壳，其外壳主要由甲壳素、蛋白质和ＣａＣＯ３组成，含有少量的色素、脂类及金属盐类。

通常用稀酸（一般４％￣６％ＨＣｌ）除去ＣａＣＯ３和金属盐类，再用浓碱（一般１０％ＮａＯＨ，１００℃）去除蛋白质和色素，即得甲壳素制品，产物乙酰度为９０％￣９５％。

通常虾类提取率高于蟹类。

Ｓｈｉｍａｈａｒａ等［７］研究一种蛋白酶（来自Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｍａｌｔｏｐｈｉｌｉａ）可替代浓碱，不水解糖苷键，可在温和条件下去除蛋白质。

Ａｌｉｎｅ等［８］研究了从海洋虾类（Ｐａｒａｐｅｎａｅｏｐｓｉｓｓｔｙｌｉｆｅｒａ）提取甲壳素的优化条件。

过量的０．２５ｍｏｌ／ＬＨＣｌ（固液比ｗ／ｖ＝１／４０）常温下处理１５ｍｉｎ去除ＣａＣＯ３，１ｍｏｌ／ＬＮａＯＨ在７０℃条件下处理２４ｈ去除蛋白质，产物甲壳素乙酰度达９５％。

β－甲壳素主要存在于乌贼羽状壳（ｓｑｕｉｄｐｅｎｓ）中，β－甲壳素提取条件较α－甲壳素温和些，产物乙酰度为９０％左右［４］。

１．２壳聚糖制备甲壳素脱乙酰后可制得壳聚糖。

α－甲壳素用浓碱（４０％￣５０％ＮａＯＨ，１２０￣１５０℃）脱乙酰处理可产生壳聚糖，产物乙酰度为５％￣３０％［４］。

反复碱处理可制备高脱乙酰度壳聚糖。

Ｋｕｒｉｔａ等［９］通过比较研究认为，β－甲壳素比α－甲壳素易脱乙酰，且不易变色。

β－甲壳素脱乙酰条件为４０％ＮａＯＨ、８０℃。

ＭｃＧａｈｅｒｎ等［１０］研究认为，一些真菌细胞壁中含有壳聚糖，可分离制得，虽制备成本较高，但反应条件较温和。

酶法制备壳聚糖是利用专一性酶对甲壳素进行脱乙酰基反应，这种方法的关键是如何获得甲壳素脱乙酰酶。

许多微生物可通过自身合成的甲壳素酶、壳聚糖酶、甲壳素脱乙酰基酶等将甲壳素降解为壳聚糖，将这几种酶配合使用可以生成不同分子量的壳聚糖。

１．３低聚壳聚糖制备低聚壳聚糖的制备方法有化学降解法、酶水解法、物理降解法、合成法以及基因工程法，其中主要方法是化学降解法。

１．３．１化学降解法１．３．１．１酸水解法酸水解法是降解甲壳质和壳聚糖的传统方法，其优点是价格低廉，操作简单，缺点是反应难以控制，产物低聚壳聚糖的分子量分布难以控制，且对环境污染严重。

一些无机酸如ＨＣｌ、ＨＮＯ３、Ｈ３ＰＯ４、ＨＦ等，在室温条件下便可断裂糖苷键，水解壳聚糖为低聚壳聚糖。

Ｎｉｓｈｉｍｕｒａ等［１１］研究用浓Ｈ２ＳＯ４处理甲壳素产生过乙酰化二聚体Ｎ，Ｎ′－二乙酰甲壳二糖，产量达１６％￣１７％，此二聚体可作为进一步合成二糖衍生物的底物。

Ｄｏｍａｒｄ等［１２］研究表明，温和条件酸水解可得一系列不同聚合度壳聚糖，浓酸水解可得壳聚糖单体。

１．３．１．２氧化降解法一些氧化剂如过氧化氢、过硼酸钠、次氯酸钠、亚硝酸钠等，能够氧化降解壳聚糖为低聚壳聚糖［２］。

１．３．２酶解法酶水解法与化学降解法相比产量少，但反应条件温和，产物均一性好，环境污染少，值得进一步研究。

研究重点是寻找高效廉价的酶以及合适的反应体系。

１．３．２．１专一性酶水解水解壳聚糖的专一性酶有甲壳素酶（ｃｈｉｔｉｎａｓｅ）和壳聚糖酶（ｃｈｉｔｏｓａｎａｓｅ）［４］。

甲壳素酶广泛分布于细菌、真菌、放线菌等多种微生物以及植物组织和动物的消化系统中，该酶系一般被诱导为多酶复合体，即甲壳素外切酶、内切酶和β－Ｎ－乙酰氨基葡萄糖苷酶。

甲壳素酶（来自Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｓｇｒｉｓｅｕｓ）可水解壳聚糖产生二聚体［１３］。

壳聚糖酶主要存在于真菌细胞中，根据作用类型可分为外切酶和内切酶两种。

壳聚糖酶水解壳聚糖，产物从二聚体到五聚体［１４］。

１．３．２．２非专一性酶水解水解壳聚糖的非专一性酶有溶菌酶（ｌｙｓｏｚｙｍｅ）、胃蛋白酶（ｐｅｐｓｉｎ）、木瓜蛋白酶（ｐａｐａｉｎ）、脂酶（ｌｉｐａｓｅ）、淀粉酶（ｄｉａｓｔａｓｅ）、葡聚糖酶（ｇｌｕｃａｎａｓｅ）、纤维素酶（ｃｅｌｌｕｌａｓｅ）、半纤维素酶（ｈｅｍｉｃｅｌｌｕｌａｓｅ）、果胶酶（ｐｅｃｔｉｎａｓｅ）、鞣酸酶等（ｔａｎｎａｓｅ）［４］。

Ｍｕｒａｋｉ等［１５］研究表明，纤维素酶（来自Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａｖｉｒｉｄｅ）可水解壳聚糖产生壳聚六糖和壳聚八糖。

周孙英等［１６］对４种非专一性酶降解壳聚糖的效果作了比较，４种酶对壳聚糖的水解速度依次是胃蛋白酶、纤维素酶、脂肪酶、溶菌酶。

Ｐａｒａｍａｎ等［１７］研究用牛胃蛋白酶（ｐＨ＝５．４、４４℃、１５０ｒ／ｍｉｎ）处理甲壳素２４ｈ，可产生７１．５％甲壳二糖、１９％Ｎ－乙酰葡糖胺和９．５％甲壳三糖，非晶体形和磷酸处理过的底物效果较好。

多数研究表明，β－壳聚糖比α－壳聚糖易降解，脱乙酰度５０％左右的壳聚糖易降解。

１．３．３合成法有关化学法合成的研究虽取得了较大的进展，但合成过程涉及基团的保护和脱去等过程，步骤较为复杂。

目前大量合成三糖以上的低聚体在实践上还有许多困难。

酶法合成的过程是低聚合度寡糖在酶作用下，延长糖链成为高聚合度的低聚糖，反应可以在温和条件下进行，且不需要进行羟基的保护过程。

甲壳素酶、溶菌酶等能够转移糖基，成对催化合成低聚糖，产物多是６￣８聚合度低聚糖［１８］。

１．３．４物理降解法物理法就是利用微波、超声波、γ射线等能量来降解壳聚糖［２］。

１．３．５基因工程法运用基因工程可生产低聚壳聚糖及其衍生物。

ＵＤＰ－Ｎ－乙酰葡糖胺是合成Ｎ－乙酰低聚甲壳糖前体（糖基供体），此反应需低聚甲壳糖合成酶（ＮｏｄＣ）催化，然后由Ｎ－脱乙酰酶（ＮｏｄＢ）催化低聚甲壳糖脱乙酰反应，形成低聚壳聚糖。

ＵＤＰ－Ｎ－乙酰葡糖胺在活细胞内一般不缺乏，将ｎｏｄＣ基因转化到大肠杆菌中获重组体，然后进行高密度培养可产生低聚壳聚糖，再进一步生产其衍生物［２］。

２低聚壳聚糖在功能食品中的应用２．１功能食品概述功能食品（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｆｏｏｄ）又叫保健食品（ｈｅａｌｔｈｙｆｏｏｄ），是指适宜特定人群食用、不以治疗疾病为目的、可调节人体生理功能的一类食品。

这类食品除了具有一般食品皆具备的营养功能和感官功能（色、香、味）外，还具有一般食品所没有或不强调的调节人体生理活动、预防疾病促进健康的功能，由于这类食品强调第三种功能，故称之为功能食品。

功能（保健）食品具有三个主要特征：食品性、功能性和非药物性［１９］。

作为新型功能食品必须具备的条件：目标明确，即具有明确的保健功能；含有明确、稳定的功能因子（有效成分）；作为食品为消费者所接受；口服有效，安全无毒副作用；非药物性，不以治疗疾病为目的［２０］。

功能食品的功能因子主要有功能性碳水化合物（多糖、低聚糖、糖醇等）；功能性脂类；功能性蛋白ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＦｏｏｄＩｎｄｕｓｔｒｙ质、多肽、氨基酸；维生素及其类似物；矿物元素；自由基清除剂；植物活性成分；益生菌；低能量食品成分；其它类（醇、酮、酚、酸、褪黑素、皂甙、叶绿素等）［２１，２２］。

功能食品的主要保键功能有：调节免疫力、延缓衰老、改善胃肠道功能、促进生长发育、改善营养性贫血、抗疲劳、抗辐射、抗突变、调节血压、调节血脂、调节血糖、改善睡眠、改善记忆、美容、减肥、改善视力、促进排铅、保护化学性肝损伤、改善骨质疏松、清咽润喉、耐缺氧、促进泌乳［２１］。

２．２低聚壳聚糖在功能食品中的应用甲壳素、壳聚糖早在１９９１年国际甲壳素大会上就被誉为人体所必需的除了糖类、蛋白质、脂肪、维生素和矿物质以外的第六大生命要素。