壳寡糖的理化特性及制备方法

杨苏亮，闫冰雪，李海静，夏梦芳，黄艳群，陈　文*

（1.河南农业大学饲料营养河南省工程实验室，郑州　450002；2.山东省济宁市兖州区畜牧兽医工作站，山东 济宁　272000）

壳寡糖的理化特性及制备方法

杨苏亮1，闫冰雪1，李海静2，夏梦芳1，黄艳群1，陈文1*

（1.河南农业大学饲料营养河南省工程实验室，郑州450002；2.山东省济宁市兖州区畜牧兽医工作站，山东 济宁272000）

壳寡糖是指由2～10个氨基葡萄糖组成的低聚糖，是一种功能性的食品和饲料添加剂，对于保持动物机体健康和提高动物生长性能具有重要影响。文章综述了壳寡糖的理化特性及制备方法。

壳寡糖；理化特性；制备方法

壳寡糖（COS）是从虾蟹类生物外壳的甲壳素中提取，是由2～10个氨基葡萄糖组成的低聚糖，学名β-（1-4）-2氨基-2-脱氧-D-葡萄糖。COS作为饲料添加剂具有益生素的功能，可减少抗生素的使用，改善动物肠道健康，提高动物生产性能［1］。COS作为一种新型功能性饲料添加剂，对其的应用研究越来越广泛。

COS的制备方法很多，近几年常见的COS制备的方法有物理法、化学法、酶解法、复合降解法和糖基转移法。这几种制备方法都有其自身的优缺点，其中，酶降解法以反应条件温和、所需反应试剂少、环境污染小、产率高、反应易控制、产物均一性好等优点而成为制备COS的首选方法。

1　壳寡糖的结构及理化特性

1.1壳寡糖的结构

COS是壳聚糖的降解产物，又叫壳聚寡糖、几丁寡糖、低聚壳聚糖，是由2～10个2-氨基葡萄糖以β-1，4-糖苷键连接而成，其基本组成单位是氨基葡萄糖残基，糖残基上有羟基和氨基两种基团。其中，6位碳羟基可以在空间构象上自由地旋转，位阻较小，是一级羟基；也有3位碳上的羟基，在空间构象上不能自由地旋转，位阻较大，是二级羟基。COS糖残基上的氨基属于一级氨基，有一对孤对电子，具有很强的亲和性。COS分子中含有的羟基、氨基，易进行化学反应（如O-酰化和N-酰化反应、酯化反应、醚化反应、烷基化反应、氧化反应、共聚以及交联反应等）。在COS分子中引入不同性质和功能的“官能团”，可获得独特功能的衍生物，从而进一步拓宽COS的应用领域。

1.2壳寡糖的理化特性

COS的聚合度在2～20范围内，相对分子质量低，溶解度较高，极易吸潮，具有优良的吸湿保湿性［2］。COS不具有壳聚糖的高分子化合物性质，如成膜性、形成高黏度溶液等。但COS拥有良好的水溶性和低黏度，生理功能作用大，易被生物体吸收，生物活性高等优势［3］。

COS是自然界中唯一的碱性糖，也是天然多糖中唯一带正电荷的小分子物质［4］。由于存在氨基，呈碱性的COS可以吸附溶液中的H+，能与许多酸性物质吸附结合。COS被吸收进入机体后，可以吸附体内的酸性物质，使体内环境向偏碱性改变，从而改善体内环境。

COS分子中含有游离氨基和半缩醛羟基，在高浓度及高温条件下很容易发生缩合反应，生成希夫碱；COS溶液具有较强的还原性，在有氧化剂存在或暴露在空气中，会发生氧化反应。这两种反应的发生，会使COS溶液颜色加深［5］。因此COS配成溶液后，应密封保存于低温处。COS成盐后，会增强其稳定性。COS的化学结构与植物纤维非常相似，因此也被称为可食性的动物纤维素。

COS的残糖基在C2上有氨基，在C3上有一个羟基。从空间构象上看都是平伏键。这种结构特征，使得其对有一定离子半径的金属离子具有螯合作用。离子半径较大的金属离子与COS分子的螯合作用强度，随着离子半径的增大而逐渐加强。利用这种特性，可将COS作为机体内某些重金属离子的清除剂（如铜离子、铅离子等），也可以预先将COS与某些金属离子螯合（如锌离子等），作为这些离子的补充剂，既补充了这些离子，又有COS的保健作用。而一些离子半径较小的金属离子（如碱金属和碱土金属离子）与COS没有螯合作用。

2　壳寡糖的制备

2.1物理法

常见的物理降解法有超声波、微波、辐射、光和机械降解法。物理法操作比较简单，但降解效果差，很难得到聚合度为2～10个单糖的COS。原理是通过超声波、微波和光波等方法造成壳聚糖分子内化学键的断裂来生产COS。但作用时间明显影响超声法和微波降解法的效果。Y射线降解COS时超过阈值，壳聚糖的相对分子质量降低且反应速率减缓［6］。紫外光照射能够提高壳聚糖的降解程度［7］。红外光谱照射能够增加反应物分子中的氨基数目［8］。应用较少的物理方法还有高压均质技术，机械研磨技术［9-10］。

2.2化学法

主要的化学方法有酸降解法、氧化降解法和化学合成法。

2.2.1酸降解法

早在20世纪50～60年代，盐酸和硫酸就被用来降解COS。酸降解法是利用壳聚糖分子中存在众多的游离氨基能够与溶液中氢离子结合的特点，致使壳聚糖分子间与分子内部的氢键断裂，分子结构得以舒展，而长链部分发生糖苷键断裂，形成许多聚合度不等的分子片段。Barker等早在1958年将壳聚糖溶解于盐酸溶液中，在100℃条件下反应，制备低聚壳聚糖。常用于降解壳聚糖生产COS的酸有盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、氢氟酸等［11］。盐酸降解法工艺操作简单，但降解条件较难控制，产率低，操作环境污染严重，降解产品主要为单糖和双糖，要得到大量聚合度为5～9的COS较难。酸降解法生产COS要求反应条件高，产率低，使用到大量无机酸，污染环境［12］。活性较高的寡糖含量较低。鉴于强酸对壳聚糖的降解过于剧烈，有人提出用醋酸、亚硝酸及磷酸等较弱的酸对壳聚糖进行降解，但是该方法控温比较麻烦，制备过程中污染也比较严重，且产率也不高。

2.2.2氧化降解法

氧化降解法是近年来国内外研究比较多的壳聚糖降解方法，其具有成本低，反应效率高，污染小等优点。常用的氧化剂有过氧化氢、臭氧、过硼酸钠、过硫酸钾等［13-16］。其中的H2O2氧化降解因成本低、降解速度快、产率高、对环境污染小等优点而倍受关注。H2O2降解法得到的产物相对分子质量与反应条件密切相关。升高温度和提高H2O2浓度既可缩短反应时间，又可以提高收率，但过高的温度和过高的H2O2浓度使水解反应过度，产物中单糖和二糖的比例较大，寡糖收率降低；反应体系的pH因影响壳聚糖的溶解情况，从而影响反应速度。随着研究的深入，发现了H2O2降解法存在的问题，氨基的损失，温度升高或反应时间延长，都会引起氨基含量迅速下降，即COS的结构发生了改变；降解过程后期的褐变，溶液颜色变深，影响产品品质。

2.2.3化学合成法

化学合成法是可以根据需要来制备寡糖。优势在于可以按需要能够合成特殊结构的COS及其衍生物，缺点是基质选择不易，目前该方法报道较少。

2.3酶解法

酶解法是利用酶的专一性或非专一性的特点来降解壳聚糖制备COS的方法，属于生物降解的方法。该方法自20世纪80年代出现以来，得到了广泛重视，国内外研究十分活跃。同化学降解法相比具有明显的优势：反应条件温和，对设备要求不苛刻；降解过程及降解产物相对分子质量分布易于控制，COS产率高，不造成环境污染；结合一些生物工程的技术，如固定化酶技术、超滤技术等，可以实现经济的大规模的COS连续生产，属于理想的降解方法。因此，酶降解法制备COS是最有前途的方法。大致分为专一性酶解法和非专一性酶解法。

2.3.1专一性酶解法

专一性酶解法是利用以壳聚糖为专一性底物的酶，能够高效的通过选择性切断壳聚糖分子中的β-1，4-糖苷键使其水解为聚合度为2～8的低聚物［17］。专一性酶主要有甲壳素酶、壳聚糖酶、葡聚糖酶等，来源于细菌、真菌等微生物细胞［18］。因为来源的局限性，目前还不能大批量获取，价格昂贵，难以商品化。

2.3.2非专一性酶解法

非专一性酶的数量较多，已知有30多种，较为理想的有溶菌酶、蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、纤维素酶等［19］。周孙英等对4种不同类型酶降解壳聚糖的效果作比较，分别在其最适宜条件下反应，水解速度为蛋白酶＞纤维素酶＞脂肪酶＞溶菌酶［20］。

2.4综合法

运用新技术通过结合物理、化学和酶的多种方法，提高生产效率，实现COS的规模化生产。杜昱光等将膜分离技术和酶降解技术结合，明显提高反应速率和缩短生产时间［21］。王红卫在用纤维素酶降解壳聚糖的过程中，为进一步降解壳聚糖，于反应后期加入过氧化氢，显著缩短了降解时间，同时也减少了纤维素酶和过氧化氢的消耗量［17］。研究表明，在用氧化法生产COS时，采用物理辐射能够有效地加快壳聚糖的降解速度［22］。王振伟等采用超声波辅助果胶酶方法制备COS，得到了很好的效果［23］。郑瀚等通过溶菌酶和甲壳质酶将聚合度低的寡糖糖链延长的方法生产高聚度的寡糖，多为六糖和七糖［24］。纪莹等用酶解法水解得到壳聚糖，用有机溶剂法提取COS，再用色谱法分离纯化得到6～7聚COS［25］。

3　小结

作为一种新型饲料添加剂，COS的应用日渐广泛。科技工作者应进一步研究COS的结构、理化特性、制备方法，简化制备工艺，降低生产成本、提高COS生理功效、促进COS在畜牧生产中的应用。

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The Physiochemical Properties and Preparation Methods of Chitooligosaccharides

YANG Suliang1，YAN Bingxue1，LI Haijing2，XIA Mengfang1，HUANG Yanqun1，CHEN Wen1*
（1.Nutrition Engineer Laboratory of Henan，Henan Agriculture University，Zhengzhou 450002，China；2.Animal Husbandry and Veterinary Work Stations of Yanzhou Area，Jining 272000，Shandong China）

Chitooligosaccharide is a member of the oligosaccharides，composed of 2～10 amino glucose，and one kind of functional foods and supplement.It can sustain the health of animal and improve the growth perfor⁃mance.This article reviewed the physiochemical properties and the preparation methods of chitooligosaccharide.

chitooligosaccharide；physiochemical property；preparation method

S816.7；Q53

A

1001-0084（2016）07-0027-04

2016-05-11

郑州市国际科技合作与交流项目（141PGJHZ543）

杨苏亮（1992-），男，河南新乡人，硕士研究生，研究方向为家禽营养学与饲料科学。
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教授，硕士生导师，E-mail:cchenwen@aliyun.com。