甲壳素及其衍生物在畜牧业生产中的应用

文│刘国利（山东省滨州市高新区小营街道办事处）

甲壳素又称几丁质、甲壳质，广泛分布于昆虫、甲壳纲动物的外壳及真菌、酵母菌等微生物细胞壁中，具有保护及支持生物体的作用，是自然界中产量仅次于纤维素的天然多糖。甲壳素的衍生物是指脱乙酰程度不同而成的不同分子量的壳聚糖，又称几丁聚糖。壳聚糖存在于某些生物体内，特别是真菌的细胞壁上，这类多糖既可生物合成，又可生物降解，与动物的器官组织及细胞有良好的生物相容性，无毒，降解过程中产生的低分子寡聚糖在体内不积累，几乎没有免疫原性。

一、甲壳素及其衍生物的特性

甲壳素的分子量在100万以上，是惟一含氨基（－NH2）的均态多糖，是纤维素第二位上的羟基被酰胺基置换的产物。甲壳素存在α、β、γ三种晶型，α型最丰富，最稳定，不易分解，不易熔化，也不溶于水、乙醇、乙醚、稀酸（但能溶于醋酸）、稀碱，可溶于无机酸，但同时主链发生降解。甲壳素与浓碱反应生成壳聚糖。甲壳素是白色或灰白色、半透明、片状固体，其不溶性限制了应用范围，所以大多加工成壳聚糖使用。

壳聚糖是由甲壳素经浓碱水解脱乙酰基后生成的产物，脱乙酰程度多为65%～99%，一般以70%～80%最常见。它是白色或灰白色、略有珍珠光泽、半透明、片状固体，不溶于水和碱溶液，可溶于稀有机酸及部分无机酸，如盐酸等，但不溶于冷的稀硫酸、稀硝酸、稀磷酸、草酸。壳聚糖溶液不能配制得太浓，对于中等黏度的壳聚糖也只能配制成浓度小于5%的溶液，浓度太大时会转化为胶体甚至形成溶胀物。由于壳聚糖具有缩醛结构，在酸性溶液中将发生降解，溶液黏度也随之下降，加入乙醇、甲醇、丙酮等，可延缓壳聚糖溶液黏度降低，以乙醇的作用最明显。壳聚糖甲酸溶液比壳聚糖乙酸溶液稳定。抗氧化剂维生素C对壳聚糖具有明显的促进降解作用。

二、甲壳素及其衍生物的作用机理

1.调节脂肪代谢。壳聚糖能有效降解胆固醇和甘油三酯，促进这些物质排出体外。关于壳聚糖降脂作用的原理，目前尚无定论。日本小林隆明认为：壳聚糖在胃中能与胃酸作用形成凝胶，在肠内pH条件下可以保持该凝胶不分解，且具有吸附胆汁酸和胆固醇的作用。吸附了胆汁酸和胆固醇的壳聚糖凝胶随粪便排出体外，减少了脂肪的吸收，降低了血中血清总胆固醇和甘油三酯的水平。戚晓红（2001）等的试验则证明：壳聚糖能明显降低试验性脂肪肝大鼠肝脏中TC和TG含量，改善肝脏的功能，其机制可能是壳聚糖破坏胆固醇在胆盐作用下形成的紧密结合微胶粒，阻止胆固醇进入肠黏膜细胞，降低了胆固醇的吸收，以及壳聚糖具有黏滞性，可通过延缓胃排空而减少脂肪的吸收。

2.抗微生物活性。壳聚糖有较强的抑制细菌、霉菌的作用。壳聚糖分子所带的正电荷及其聚合分子结构可与病原菌表面的鞭毛及套膜吸附凝集，抑制病原菌繁殖，同时促进肠道有益菌如双歧杆菌、乳酸菌等的增殖，改进小肠代谢功能。

3.免疫增强作用。壳聚糖的非特异免疫机理在于激活巨噬细胞，诱发延发性超反应和产生循环抗体，诱发杀伤性T细胞，激活NK细胞及诱发细胞因子，同时还能抑制肿瘤细胞生长，所以改性壳聚糖可作为一种免疫增强剂，用于口蹄疫疫苗或其他疫苗。壳聚糖的氨基对各种蛋白质的亲和力非常高，可作为酶、抗原、抗体等生理活性物质的载体。试验研究还表明，壳聚糖经化学改性后制备的微球吸附抗原对动物机体安全可靠，既具有缓释作用，又具有生物可降解作用。

壳聚糖免疫活性机理现在多被认为：一是壳聚糖为阳性趋化剂，吸收单核细胞从血管中游出，聚集在组织中，形成巨噬细胞；二是壳聚糖直接刺激局部组织，促进细胞增生继而演变为巨噬细胞；三是壳聚糖可吸附H＋，从而带有大量的-NH3+，使其亲和性增强，可以活化巨噬细胞，还可活化杀伤性T淋巴细胞，促使其释放出各种淋巴因子。

4.调节pH值。甲壳素、壳聚糖可吸附H＋，也可结合相当数量的酸性物质，可抑制、中和胃酸分泌，保护胃黏膜，甲壳素、壳聚糖对H＋吸附，使体液pH倾向碱性，对改善机体内环境有益。

三、甲壳素及其衍生物的生产方法

制备甲壳素的主要原料，是水产加工厂废弃的虾壳和蟹壳。它们的成分中无机盐（主要是碳酸和磷酸的钙盐）约占45%，粗蛋白和脂肪约占27%，甲壳素约占20%。

1.甲壳素及其衍生物的制备。将虾、蟹壳洗净干燥后，以5%稀盐酸于室温浸泡2小时，除去原料中的碳酸钙，然后过滤、水洗至中性，再置于10%的氢氧化钠溶液中煮沸2小时脱蛋白质，然后再过滤、水洗至中性，干燥即得甲壳素。

2.壳聚糖的制备。将甲壳素置于45%～50%氢氧化钠溶液中，在100～110℃水解4小时，或置于40%氢氧化钠溶液中于（84±1）℃的烘箱中保温17小时，然后过滤、水洗至中性，干燥即得壳聚糖。为加快脱乙酰基反应速度，可进行间断性水洗。

3.壳聚糖的脱酰度测定。甲壳素脱乙酰基的程度，也就是壳聚糖中自由氨基的含量，直接影响到它在稀酸中的溶解度、黏度、离子交换能力、絮凝性能和与氨基有关的化学反应能力，也是产品质量的主要标志之一。测定的方法很多，如酸碱滴定法、苦味酸法、胶体滴定法、银量滴定法、电位滴定法等，这里只介绍最简单的测定方法—酸碱滴定法，该法不需特殊的仪器且重复性好。具体方法如下：准确称取约0.5克壳聚糖样品放入20毫升锥形瓶中（带塞），加入30毫升0.1摩尔/升盐酸标准液，不停地缓缓摇动，待壳聚糖完全溶解后加两滴甲基橙，用0.1摩尔/升氢氧化钠标准液滴定，记下氢氧化钠的用量，根据反应前后盐酸标准液浓度的改变，即可算出样品的脱乙酰基程度。

四、甲壳素及其衍生物在养殖业中的应用

1.在养鸡业中的应用研究。印度人发现甲壳素能促进焙烤用小鸡的生长。将0.5%的甲壳素饲料混入家禽饲料中喂养家禽，不但可减少饲料消耗，而且比不加甲壳素饲料喂养的家禽增重12%。美国学者研究表明，小鸡吃含有干乳清加甲壳素的饲料比吃不加甲壳素的饲料增重明显。日本人发现，壳聚糖可被小鸡和牛消化；母鸡连续1周吃含10%磷虾壳的饲料后，产蛋率比前周高8.8%。王述柏、张丽英等（1998）报道，肉鸡日粮中添加2%的壳聚糖，试验组第20天（40日龄）、30天（50日龄）时血清胆固醇含量分别比对照组低15.22毫升/分升和43.06毫升/分升，与对照组相比，前者差异显著（p＜0.05%），后者差异极显著（p＜0.01%）；同时，腿肌、胸肌胆固醇含量分别比对照组降低了5.08%和4.96%。张丽英等（1998）试验在蛋鸡基础日粮中添加4%壳聚糖，结果表明血清胆固醇含量极显著低于对照组（p＜0.01%），比对照组降低22.17毫升/分升，蛋黄中胆固醇含量比对照组降低9.13%。

2.在养猪业中的应用研究。顾振权、宋锦昌（1991、1992）在稀土甲壳素对生长肉猪的效应研究中表明，在基础饲料一致的情况下添加稀土甲壳素0.2%、0.3%、0.5和1.0%，试验组日增重比对照组提高5.35%～10.17%，可节省饲料3%～14.37%，其中以添加0.5%为佳。

3.在水产养殖业中的应用研究。杨清友所做壳聚糖对罗氏沼虾苗抗菌作用试验表明：5×10-6～100×10-6壳聚糖即可达到抑菌（气单胞菌）效果。胡品虎、梁双林（1994）报道，在饲料中添加1.5%的稀土甲壳素喂僵鳗，8天后僵鳗活动能力明显增加，20天后体色好转，待复苏后继续添加，其日增长率与正常鳗基本相似。

五、甲壳素及其衍生物的研究趋势及展望

甲壳素在水中及有机溶剂中不溶，壳聚糖只溶于稀酸中，其应用范围曾受到限制，但在它们的结构中除了含有羟基外，还有活泼的氨基，易于化学改性，所以可通过引入多功能基团来拓宽其应用。当前的研究通过对分子内羟基、氨基进行化学修饰，引入各种功能团，改善甲壳素、壳聚糖物化性质，以产生新的不同的功效。

甲壳素、壳聚糖作为饲料添加剂的研究才刚刚开始，还有许多问题需要进一步探讨，如对其在畜禽体内的代谢过程和作用机理需进一步系统地研究；对动物不同来源或不同分子量的甲壳素、壳聚糖及壳聚糖脱乙酰程度的利用情况需深入探索；对壳聚糖的最适添加比例及经济效益等需进一步研究探讨。中国具有丰富的甲壳素资源，有巨大的甲壳素、壳聚糖产品市场，加强甲壳素、壳聚糖产品的开发与研究，充分利用自然资源，必将带动甲壳素、壳聚糖产品应用和产业开发。