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1398-61-4 / 殼聚糖的生物活性及其在水產動物中的研究進展

甲殼素溶解性較差,化學性質也不活潑,不溶于水、稀酸、稀堿和一般的有機溶劑,僅能溶于無機濃酸等一些非常規溶劑。甲殼素經過脫乙酞基后,得到的殼聚糖呈白色至淡黃色,雖然仍不溶于水、堿溶液和有機溶劑中,但可溶于稀酸溶液,包括無機稀酸(鹽酸、硝酸等)和有機稀酸(醋酸、乳酸、甲酸、抗壞血酸、蘋果酸等)。

殼聚糖是甲殼素脫乙酰基后得到的一種帶正電荷的高分子堿性多糖。甲殼素廣泛存在于低等動物尤其是節肢動物(如蝦、蟹和昆蟲) 外殼中,也存在于真菌和藻類細胞壁中。全世界每年蟹、蝦和龍蝦等水產品加工后的甲殼廢棄物有100 多萬t,其中含有10%~30% 甲殼素。甲殼素溶解性較差,化學性質也不活潑,不溶于水、稀酸、稀堿和一般的有機溶劑,僅能溶于無機濃酸等一些非常規溶劑。甲殼素經過脫乙酞基后,得到的殼聚糖呈白色至淡黃色,雖然仍不溶于水、堿溶液和有機溶劑中,但可溶于稀酸溶液,包括無機稀酸(鹽酸、硝酸等)和有機稀酸(醋酸、乳酸、甲酸、抗壞血酸、蘋果酸等)。在檸檬酸、酒石酸等多價有機酸的水溶液中,殼聚糖只有在加熱至高溫時才能溶解,而當溫度下降后呈凝膠狀。VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

1 殼聚糖的制備VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

殼聚糖來源豐富,提取工藝也較為簡單,成本低廉。其方法是用乳酸菌發酵新鮮蝦殼,用發酵過程產生的乳酸脫去蝦殼中的礦物質和蛋白質等,發酵產物經過固液分離即得到甲殼素。此法用葡萄糖作為發酵的限制性底物,當大規模生產甲殼素時,還可以用蔗糖代替葡萄糖,同時也降低了生產成本。VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

2 殼聚糖的生物活性VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

2.1 對生產性能的影響VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

徐介民(2008)在重約50g草魚的基礎日糧中添加殼聚糖(0.25%、0.50%、1.00%),研究其對草魚生長性能的影響。結果表明,殼聚糖能促進草魚生長,與基礎日糧組相比,0.25%、0.50% 和1.00% 殼聚糖組草魚的增重率分別增加56.6%、72.8%和65.5%。草魚飼料中添加不同濃度的殼聚糖也能影響草魚的投餌系數,與基礎日糧組相比,0.25%和0.50%殼聚糖組其投餌系數均下降8.4%,1.00%殼聚糖組其投餌系數顯著高于其他各組。VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

昆蟲體殼甲殼素的含量最高,體壁灰分含量少,較蝦、蟹殼易于提取甲殼素及減少甲殼素分子鏈酸降解,相對容易生產。翟少偉(2009)研究了昆蟲源殼聚糖在鯽魚飼料中適宜的添加水平。研究結果表明,飼喂昆蟲源殼聚糖5種不同添加水平(0、0.25%、0.50%、0.75%和1.00%) 的飼料,不同程度提高了鯽魚的相對增重率,顯著降低了餌料系數(P<0.05),其中以0.50%殼聚糖添加水平組的生長性能最好;通過計算最佳相對增重率和餌料系數時的昆蟲源殼聚糖添加水平以及結合試驗結果,認為鯽魚飼料中昆蟲源殼聚糖的適宜添加水平為0.50%~0.60%。VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

2.2 對脂肪消化代謝的影響VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

肝體內脂質含量的多少直接影響到肝臟和生物機體的健康。殼聚糖能提高動物肝臟脂肪代謝的效率和肝臟的機體活力,降低肝臟的脂肪含量和肝病發生。劉興國(2004)研究了添加殼聚糖(0.25%、0.50%、1.00%和2.00%)對魚脂肪消化代謝的影響。3個月后測定結果表明,對照組羅非魚的肝體比明顯高于試驗組,0.50%低分子殼聚糖試驗組羅非魚的肝體比最小;試驗組羅非魚的肝脂含量均顯著低于對照組,其中0.50%低分子殼聚糖組羅非魚的肝脂含量比對照組下降28.24%,飼料系數比對照組下降24.10%。VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

3 對免疫調節的影響VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

3.1 對非特異性免疫的影響VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

目前,關于殼聚糖促進免疫功能的確切機制如不清楚,相關的研究報道也較少。一般認為其免疫活性機理可能是:(1)殼聚糖是一類帶有多種活性基團的聚合物,能作為免疫增強劑激活非特異性免疫系統;殼聚糖為陽性趨化劑,分子結構中的氨基可被機體免疫系統識別,可吸附從血管中游出的單核細胞,聚集在組織中形成巨噬細胞;(2)可直接刺激局部組織,促進細胞增生,演變為巨噬細胞并被活化,使其吞噬能力增強,直接殺傷胞內生物和變異細胞,提高其免疫力(劉金海,2010);(3)由于殼聚糖可吸附H+,從而帶有大量的NH3+,使其親和性增強,從而活化巨噬細胞,增強其吞噬能力;(4)殼聚糖可活化T淋巴細胞促使其釋放各種淋巴因子。VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

溶菌酶(LSZ)、超氧化物歧化酶(SOD)和酸性磷酸酶(AKP)活性是評價魚類免疫力的常用指標。其中LSZ是由淋巴細胞分泌的堿性溶解酶,當機體受到病原攻擊時,白細胞聚集在感染區,包圍異物進行吞噬,此時吞噬細胞活性增強,導致吞噬細胞中含有的溶菌酶活性發生變化。SOD活性與機體免疫水平密切相關,對于增強巨噬細胞的防御功能和整個機體的免疫機能有重要作用。而AKP活性被認為是巨噬細胞的標志酶,其活力的高低反映了巨噬細胞的被激活程度。SOD是生物體內一種重要的抗氧化酶,可以清除機體內多余的自由基,從而免除自由基對生物的危害(童春,2010)。王蘭(2009)研究了低分子量殼聚糖(0.5、1.0、2.0、4.0 和8.0mg/L)對長江華溪蟹免疫功能的影響。結果顯示,殼聚糖可提高華溪蟹與免疫力有關的LSZ、SOD、AKP、酸性磷酸酶(ACP) 和酚氧化酶(PO)活性,其作用和效果具有濃度及時間效應,殼聚糖在4和8mg/L 濃度下作用30d可顯著提高華溪蟹的免疫力。這與童春(2010)的研究結果基本一致。VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

常青(2006)探討了殼聚糖對補體活性的影響。添加0.5%、1%和2%的殼聚糖飼喂花鱸(重約57g)60d,在30d 時添加0.5% 或1% 殼聚糖能有效提高花鱸的補體活性、LSZ活性和吞噬活性,在60d 時能明顯提高補體活性;但添加殼聚糖對白細胞的數量沒有影響。VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

陳勇(2010)在飼料中添加殼聚糖,試驗表明殼聚糖對異育銀鯽白細胞總數也無顯著影響,但是可顯著提高異育銀鯽外周血淋巴細胞數量、白細胞吞噬活性和脾臟溶菌酶活性(P<0.05),顯著降低外周血多形核細胞數量(P<0.05)。VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

3.2 對免疫器官的影響VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

硬骨魚類的脾在造血和免疫反應方面都起著重要的作用。脾是紅細胞、中性白細胞和粒細胞生成、貯存與成熟的主要器官。其質量變化與機體免疫狀況變化密切相關。劉金海(2010)認為,添加2%的殼聚糖對脾的影響不顯著,原因可能是魚類本身脾的質量太小其增重不明顯。也有報道表明殼聚糖能提高雞的法氏囊指數,但目前對殼聚糖運用于動物免疫器官的研究還是比較少。王紅權(2010)在草魚日糧中添加殼聚糖能顯著增加草魚的后腎體指數(P<0.05),對頭腎體和脾體指數影響不顯著,但與基礎日糧組相比,各殼聚糖添加組草魚的頭腎體指數和脾體指數有增加趨勢(P>0.05)。

3.3 抑菌作用及對動物腸道的影響VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

腸道褶皺高度的增長增大了腸道對食物的接觸面積,進而增強了對食物的消化吸收能力;腸道肌層厚度的增加使腸道的分節運動和擺動加強,促進腸道食物的消化和腸道的排空,從而提高腸道營養物質的消化吸收。趙玉蓉(2010)在平均體重(70.61±1.29)g的草魚日糧中添加殼聚糖(0.25%、0.5%和1.0%),研究了不同濃度的殼聚糖對草魚腸道形態的影響,試驗期為40d。結果表明,殼聚糖能顯著增加草魚前腸、中腸黏膜褶皺高度,但對后腸黏膜褶皺高度影響不顯著;殼聚糖顯著增加草魚前腸和中腸的固有膜和黏膜下層總厚度,但對后腸的固有膜和黏膜下層總厚度影響不顯著;殼聚糖能顯著增加草魚中腸肌層厚度,但對前腸和后腸的肌層厚度影響不顯著。VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

3.4 對肉品質的影響VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

殼聚糖能提高肌肉中蛋白質的含量,可能是降低了肌肉中脂肪的含量從而提高了蛋白質的含量。其原因是殼聚糖成分中的聚葡銨鏈帶有4價銨離子,具有較高的陰離子交換性能而能黏合膽汁酸,阻止膽汁酸循環,降低脂肪吸收,從而相應地減少肝胰臟解毒的負荷,避免草魚的肝胰臟出現補償性增生,脂肪吸收量減少,使得肌肉脂肪含量也有一定程度的下降。VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

王紅權(2008)添加殼聚糖0.25%、0.50%和1.00%,草魚的背肌粗蛋白質含量分別增加4.93%、8.77%和2.81%。同時,殼聚糖及其復合物也能對魚肌肉脂酸和微量元素含量產生了有益的影響。陸清兒(2007)認為,殼聚糖復合物使三角魴肌肉脂肪酸總量、不飽和脂肪酸總量和不飽和脂肪酸總量/脂肪酸總量明顯提高;殼聚糖及其復合物使肌肉中銅含量極顯著降低,鋅和鎂含量也極顯著降低,提高了魚肉品質。VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

3.5 對消化酶的影響VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

稀土殼聚糖螯合鹽中的殼聚糖進入生物體后經代謝降解為低聚糖類,增強了生物活性,有利于生物體內微生態系統的改善,對生物的酶系統可能有積極的影響。劉軍(2008)在日糧中添加不同水平的稀土殼聚糖螯合鹽,添加0.08% 可以極顯著提高腸道淀粉酶和脂肪酶活力(P<0.01),顯著提高腸道蛋白酶活力(P<0.05);當添加量為0.16% 時可以極顯著增強腸道淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶活力(P<0.01);添加0.24% 時對腸道脂肪酶活力具有極顯著促進作用(P<0.01),對腸道淀粉酶和蛋白酶活力具有顯著促進作用(P<0.05);添加3 個水平的稀土殼聚糖螯合鹽對肝胰臟消化酶活力均無顯著作用。華雪銘(2005)也認為,0.2% 殼聚糖能使腸道淀粉酶活性顯著增強。陳勇(2006)認為,添加0.5% 殼聚糖可以顯著提高異育銀鯽腸道的淀粉酶活性;添加0.75%和1%殼聚糖可以顯著提高腸道和肝胰臟的蛋白酶活性和腸道的淀粉酶活性。VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

4 其他作用VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

4.1 作為水的凈化劑VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

殼聚糖分子因為有氨基存在,溶解在水中后能成為天然的陽離子絮凝劑,而一般的污物帶有負電荷,因而殼聚糖可使帶相反電荷的物質膠凝而沉淀,可有效地吸附溶液中帶電荷的懸浮物和有機物等(張婷婷,2009)。VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

4.2 作為飼料黏合劑VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

殼聚糖不溶于水,具有較強的黏結能力,而且也是蝦、蟹等生長的養分。用稀土元素和低分子量殼聚糖配合成一種黏合劑,用于黏合蝦餌料,試驗證明這種黏合劑能在餌料表面形成一層保護膜,延長水化時間,保護餌料成分,防止霉變,不污染水質(徐介民,2008)。VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

5 結語VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

近年來,抗生素類藥物的使用雖在一定程度上控制了疾病的發生,提高了畜禽增重和飼料轉化率,但畜產品中藥物殘留量不斷增加,危害人類的健康。大批病原菌對一些抗生素已產生不同程度的抗藥性,導致各種傳染病短期內迅速暴發。殼聚糖是一種新型的具有生物活性的添加劑,能凈化水質,改善養殖環境,而且可以增強養殖水產動物的抗病力,促進生長,降低飼料系數,改善水產品品質,增加經濟效益,是極具有發展潛力的新型綠色水處理試劑。我國殼聚糖的原料豐富,在不遠的將來必將能更廣泛地應用于水產養殖業中。VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧

但目前處于研究初期,試驗僅限于飼養對比試驗,無法從深層次解釋現象。在今后的研究中,應重點集中在以下幾方面:(1)目前市售的一些殼聚糖產品在純度、組成以及生物效能等方面差距較大,不同市售產品的試驗結果往往差距較大,需精確定量添加量。(2)殼聚糖的價格偏高,通過現代化學及生物技術提高殼聚糖的提取率。(3)深入到分子水平上研究殼聚糖提高生產性能的原因。(4)殼聚糖的溶解性較低,通過試驗優化理化性質,提高其溶解性。(5)確定維生素、中草藥的添加方式、添加時間及添加量。VBP中國飼料行業信息網-立足飼料,服務畜牧。

【甲殼素小知識】
甲殼素是一種含氮的多糖物,又稱甲殼質、幾丁質、殼蛋白、殼多糖、明角質等,是自然界第二大豐富的生物聚合物,分布十分廣泛,是許多低等動物特別是節肢動物如蝦、蟹、昆蟲等外殼的重要成分,蝦殼約含15%~30%,蟹殼約含15%~20%。也是低等植物菌類細胞膜的組成部分,地衣,綠藻、酵母、水母及烏賊體內也含有。據估計每年的生物合成量超過10億噸,是一種巨大的可再生資源。外觀呈白色或微黃色透明體,是2-乙酰氨基葡萄糖多聚體,其化學結構與天然纖維素相似,分子中除存在羥基外,還含有乙酰氨基和氨基功能基團,可供結構修飾的基團多,具有比纖維素及其衍生物更加豐富的功能性質,不溶于水、乙醇、乙醚、鹽類和稀酸、稀堿;能溶于醋酸,與濃燒堿溶液作用,形成玻璃狀膠體的可溶性甲殼素(也稱多聚胺基葡萄糖、甲殼胺、糖液甲殼素、殼聚糖等),它們可用于:①純化水和從海水中提取鈾的離子交換樹脂;②凝膠色譜柱的填充物和分子篩;③制備能被生物或酶降解的食物包裝膜或可溶性的體內手術線;④培植植物或微生物的保水劑;⑤紡織品的防縮、防皺處理,直接染料或硫化染料的固色。

甲殼素不溶于一般的酸堿,化學性質非常穩定,這是制約其長期得不到開發的重要原因。經脫乙酰基后的殼聚糖,呈白色至淡黃色的粉末,雖也不溶于水、堿溶液和有機溶劑中,但可溶于稀酸溶液中,包括無機稀酸 (鹽酸、硝酸等) 和有機稀酸 (醋酸、乳酸、甲酸、抗壞血酸、蘋果酸等) 中。在檸檬酸、酒石酸等多價有機酸的水溶液中,則是在加熱高溫時溶解,在溫度下降后則呈凝膠狀。

甲殼素是2-乙酰氨基-2-脫氧-D-葡萄糖經β (1→4)糖苷鍵連接的聚合物脫除乙酰基后的多糖化合物2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖的β (1→4) 聚合物,即殼聚糖。圖2-7示出甲殼素、殼聚糖和纖維素的化學結構,這三者之間的結構相似。由于現存的技術尚不能將甲殼素完全脫去乙酰基變成100%的殼聚糖,也很難將兩者完全分離開,故現有殼聚糖商品通常是甲殼素與殼聚糖的混合物,但要求殼聚糖含量在60%以上。不過作為功能性食品基料的殼聚糖要求殼聚糖含量在85%以上。

參考資料:
https://www.feedtrade.com.cn/technology/news/enzyme/2013-02-22/2009060_2.html