壳寡糖微量元素螯合物在养殖领域中的应用

曾令智，孙大维，何昇鸿，钟国清

（西南科技大学材料科学与工程学院，四川绵阳 621010）

壳寡糖又称寡聚氨基葡萄糖（COS），是壳聚糖降解得到的一种低分子聚合物，由氨基葡萄糖通过β-1,4-糖苷键连接而成，其聚合度小（2～10），具有水溶性好、生物活性高、机体易吸收、无生物毒素等优点（许翔等，2015）。壳寡糖是自然界中唯一带正电荷的碱性氨基低聚糖，使得壳寡糖成为一种优良的金属离子载体（梁慧培等，2016）。壳寡糖螯合物是以壳寡糖为缓冲载体将金属微量元素逐渐释放至动物体内，使微量元素能更好地对动物机体进行各种功能的调节作用。壳寡糖螯合物与壳寡糖相比，具有更好的生理、生化功能，能抑制细菌生长、增强机体免疫力、提高抗氧化能力以及提高动物的生产性能，其应用效果及应用领域也优于壳寡糖（梁新晓等，2014）。伴随着壳寡糖制备方法的成熟与工业生产成本的降低，人们对壳寡糖衍生物及金属螯合物的研究也越来越多，在养殖领域有巨大的应用价值和开发前景。本文简要介绍壳寡糖微量元素螯合物的生物功能，及其在养殖业中的应用。

1 壳寡糖微量元素螯合物的理化性质与生物功能

1.1 壳寡糖微量元素螯合物的理化性质 壳寡糖作为唯一的碱性氨基低聚糖，其分子中含有氨基和羟基等活性基团，是一种良好的网状载体，许多金属离子能与壳寡糖中的氨基N原子和羟基O原子形成配位键，从而生成一类具有独特环状结构的螯合物（COS-M）。壳寡糖金属螯合物的形成，不仅保留了壳寡糖原有的特性，即无毒、易吸收、抗癌、提高免疫力、抑菌、调节血脂、促进钙的吸收等生理功能，而且可以提高微量元素的吸收利用率，产生良好的协同效应。研究表明，无论有无微量元素的存在，COS及COS-M的降解产物结构并无差异，可认为COS-M的降解机制与COS单独降解机制大致相同（尹雪琼等，2002）。

1.2 壳寡糖微量元素螯合物的生物功能 壳寡糖微量元素螯合物水溶性好、易吸收，并有促进发育、抗癌、增强免疫力、选择性抑菌、降低胆固醇等生理功能（Lin 等，2017；Cheng等，2015； Joodi等，2011；Zhou等，2008）。壳寡糖及其微量元素螯合物还可在畜禽及水产养殖中作为新型饲料添加剂，提高饲料的生物利用率，降低料重比，提高动物的生产性能。尿素是肾功能衰竭和尿毒症患者血液中积存的主要毒素，壳寡糖螯合物可与尿素发生配位反应，有望成为高效清除体内尿素的新型吸附剂。闫永胜（2009）研究发现，壳寡糖螯合锌（COS-Zn）、壳寡糖螯合铁（COS-Fe）可作为新型尿素吸附材料，其吸附容量大、吸收效果好，选择性高。

1.2.1 减轻微量元素间的拮抗作用 金属微量元素常和其他矿物质元素产生拮抗作用，如铁、钙和铜等元素会干扰锌的吸收。金属元素与壳寡糖螯合后，生成稳定性适中的螯合物，抑制了金属离子与其他成分间的相互影响。金属离子在配体壳寡糖网状载体的保护下，可有效抵御其他离子生成难溶无机盐，保证其在消化道内的完整性，提高生物体对微量元素的吸收利用率。

1.2.2 抗氧化作用 壳寡糖微量元素螯合物的形成使分子中电子云密度增大，更有利于进攻自由基，其抗氧化活性优于壳寡糖（李小芳，2015）。壳寡糖微量元素螯合物含有氨基、羟基等活性基团，是其具有抗氧化能力的基础，能够通过激活体内抗氧化酶，增强机体对脂类过氧化物、羟基、超氧阴离子等自由基的清除作用（Wan等，2016）。

1.2.3 免疫调节作用 壳寡糖微量元素螯合物能够刺激机体的免疫器官，促进免疫器官生长；还能改善机体免疫细胞的活性，增强机体的特异性和非特异性免疫功能（Mei等，2013）。

1.2.4 抗菌作用 壳寡糖微量元素螯合物对不同的细菌如革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌、乳酸菌的抑制程度存在差异，但抗菌活性均随其浓度增加而增强。COS-M能有效抑制消化道内的有害菌，促进小肠微绒毛的生长，增大小肠的吸收面积及肠道对营养物质的吸收，同时单位面积内的肠黏膜碱性磷酸酶活性也得到增强（Swiathkiewicz等，2015）。

1.2.5 抗肿瘤作用 壳寡糖微量元素螯合物主要是通过诱导肿瘤细胞的凋亡、抑制肿瘤细胞的生长和转移来增强机体的抗肿瘤活性 （Han等，2015）。研究表明，COS-M的抗肿瘤作用可能通过两方面实现，COS-M可通过抑制与细胞周期有关的cyclin D1 mRNA的表达来抑制肿瘤细胞的增殖；也可通过抑制抗凋亡蛋白bcl-2和bcl-xl mRNA的表达以促进肿瘤细胞的凋亡 （李贤等，2010）。杨自芳等（2009）用MTT比色法对壳寡糖螯合铜（COS-Cu）诱导K562癌细胞凋亡进行初步研究，在COS-Cu为10 μg/L时癌细胞的抑制率为42%。黄进等（2006）的研究结果表明，纳米COS-Fe以静电嵌插的方式与质粒DNA进行结合，而致使DNA损伤。

2 壳寡糖微量元素螯合物的应用

2.1 壳寡糖螯合锌 锌是生物体内超过300种酶的辅助因子或组成元素，其可参与中枢神经细胞的生命活动和神经递质的传递，影响脑部发育尤其是海马区（Wani等，2017）。体内锌的水平会影响其生长发育，能维持肠屏障功能以及调节细胞信号识别和蛋白激酶活性。COS-Zn易溶于水，易被吸收，可作为新型补锌剂。COS-Zn能改善断奶仔猪的抗氧化性、免疫性能与提高血清ALP活性，COS-Zn的生物学活性高于ZnSO4与ZnSO4＋COS（Ma 等，2014）。 高筱莎等（2017）以壳寡糖螯合铁锌为主要材料配制了一种补铁锌用的营养液，可预防或缓解作物的小叶病和黄叶病，减少瓜果蔬中重金属含量，提高果实质量。

壳寡糖和锌都能促进生物体的生长发育和繁殖功能，而COS-Zn能发挥更优异的作用。唐晓琳等 （2013）将对照组、硫酸锌组、COS＋Zn组和COS-Zn组分别作用于每组10只雌鼠和5只雄鼠，观测亲代和子代的生长发育情况和繁殖功能，由每组小鼠的卵巢及子宫组织的蛋白质、甘油三酯和胆固醇含量，以及卵巢及子宫的组织结构，发现应用COS-Zn组的小鼠身体各方面的指数都优于其他三组，表明COS-Zn作为新型有机锌源可显著改善小鼠的生长和繁殖性能。

壳寡糖螯合锌还可用于提高生物体的记忆能力。丁琳琳等（2012）将对照组、COS 组、COS＋Zn组及COS-Zn组分别应用于10只小鼠，第6周时分别进行旷场试验、Y迷宫试验，第10周时取脑称重计算脑指数，并分别测定全脑和海马中的蛋白质含量，发现COS-Zn组小鼠对新环境的探索能力提高，学习次数显著减少（P＜0.05），且记忆力显著增加（P＜0.05），脑指数和全脑、海马蛋白质含量均显著增加（P＜0.05），表明COS-Zn提高记忆能力的作用比单独使用COS或锌都更优异。

壳寡糖螯合锌能提高动物的生产性能，降低料重比，提高生产效益。金月（2011）的研究表明，在小白鼠日粮中添加30 mg/kg COS-Zn（以Zn计，下同），平均日采食量、日增重分别提高11.60%（P ＜ 0.05）和 44.44%（P ＜ 0.01），料重比降低22.73%（P＜0.01），小白鼠血液和肝脏中Zn含量分别提高54.59%和33.37% （P＜0.01），小白鼠胸腺、脾脏、肝脏和肾脏指数分别提高42.86%、40.63%、30.77%和15.67%（P＜0.05）， 同时胎产仔数和离乳数分别提高38.51%和48.31%（P＜0.05），离乳重提高32.12%（P＜0.01），小白鼠睾丸、卵巢和子宫指数分别提高15.43%、33.33%和29.39%（P＜0.05）。在蛋用仔鸡日粮中添加40 mg/kg COSZn时，平均日增重增加5.86%（P＜0.05），蛋用仔鸡血液、肝脏、胰脏、回肠和腿肌中锌含量分别提高 27.99%、22.95%、64.24%、15.73%和 64.24%（P＜0.01），蛋用仔鸡胸腺、脾脏和法氏囊指数分别提高 19.89%、21.98%和 8.45%（P ＜ 0.01），肝脏、肾脏和左腿胫骨指数分别提高12.16%、16.47%（P ＜ 0.05）和 17.43%（P ＜ 0.01）。

2.2 壳寡糖螯合铜 微量元素铜有许多的生理生化功能，可影响生物体对铁的吸收，并影响生物体的发育、免疫、内分泌和神经系统功能。缺铜可引起发育不良，智力低下，引起低血铁-低血铜-低血清蛋白综合征等。壳寡糖能提高生物体免疫力，铜也能影响巨噬细胞中细胞因子的生成，可用壳寡糖螯合铜（COS-Cu）来提高生物体的抗癌、免疫和炎症反应。COS-Cu作为补铜剂，可用于预防、治疗或者辅助治疗缺铜引起的疾病，提高生物体对铜的吸收率和降低铜的毒性。王卓（2009）将喂食蛋仔鸡硫酸铜和COS-Cu作对比，得到COSCu能提高仔鸡采食量6.98%，日增重22.60%（P＜0.05），料重比降低18.75%，且能够提高仔鸡对铜的利用率，降低铜的排泄量，促生长和利用率的效果均优于硫酸铜。

2.3 壳寡糖螯合钒与壳寡糖螯合铬 钒和铬也是人和动物必需的微量元素，钒和铬被研究最多的是其降血糖的作用。钒有维持生物体正常生长发育、骨骼成长、促进造血、增强免疫力的作用，其能通过影响血液里的酶来降低血糖，同时对胰岛素有保护作用（Jakusch等，2017）。铬主要参与体内脂肪、糖和蛋白质的代谢，胰岛素的分泌和发挥其作用需要铬。壳寡糖及其螯合物对于胰岛β细胞体外增殖有明显的促进作用，并可显著促进胰岛β细胞的胰岛素分泌。刘冰等（2009）研究表明，COS及COS-Cr和COS-Se的质量浓度为100 mg/L时，对胰岛β细胞有明显增殖作用，COS-Cr、COSSe在48 h促胰岛β细胞增殖明显，且在120 h细胞进入生长平台期，COS-Cr组细胞密度达到最大，活力高于其他组；COS及 COS-Cr、COS-V、COS-Se组在第10天胰岛素释放量均高于对照组（P＜0.05），COS组促胰岛素的分泌作用最为显著；培养第6天时COS及COS-Cr、COS-V、COSSe组胰岛素刺激指数均高于对照组（P＜0.05）。

壳寡糖螯合钒和壳寡糖螯合铬被生物体吸收时可达到调节血糖、血脂目的。曲婉秋等（2012）研究了COS-Cr对糖尿病小鼠降血糖的作用，喂食添加0.7g/kgCOS组小鼠4周后血糖值 （15.59mmol/L）与糖尿病对照组（19.03 mmol/L）相比降低18.08%，而COS-Cr组的血糖值（14.74 mmol/L）与糖尿病对照组相比降低22.54%。韦丹等 （2011）研究了COS-V对糖尿病小鼠血糖、体重、摄食量、饮水量和脾指数的影响，选取正常组、糖尿病组、0.7 g/kg COS饲料组和0.7 g/kg COS-V饲料组共四组小鼠，经4周的试验结果表明，第2周开始试验组就出现血糖下降趋势，至试验第4周，COS组小鼠的血糖值较第1周下降了1.99 mmol/L，而COS-V组的血糖值降低了2.50 mmol/L，试验结果表明COSV可降低小鼠血糖（P＜0.05），使糖尿病小鼠的体重、摄食量、饮水量和脾脏指数均得到改善 （P＜0.05），且COS-V的降糖效果优于COS。

2.4 壳寡糖螯合铁 铁参与机体的许多生理活动，缺铁会影响生长发育，引发缺铁性贫血。壳寡糖螯合铁可作为一种优良的补铁剂。宋添添（2015）选取四组小鼠，分别给予血红素铁（猪血）、铁离子补铁剂 （葡萄糖酸亚铁）、多糖铁复合物（COS-Fe）和米汤不给铁剂，前3组每天给予3餐铁共1个月，结束后尾静脉取血进行氧化应激指标检测，结果COS-Fe引起机体氧化应激反应的程度小一些，生物体吸收COS-Fe的能力比血红素铁弱，但比硫酸铁强。研究发现COS-Fe可通过静电嵌插作用对DNA造成损伤，这为研发新的抗癌物质提供基础。黄进等（2006）用紫外光谱法和凝胶电泳法对纳米COS及纳米COS-Fe的生物活性进行研究，表明COS-Fe中游离氨基比壳寡糖中游离氨基少，从而使得COS-Fe能与DNA充分结合，使得螯合物中的Fe以嵌插模式插入DNA双螺旋内部碱基对之间，对DNA造成损伤。

2.5 其他壳寡糖螯合物 壳寡糖螯合钙和壳寡糖螯合镁有望成为新型多功能的脱除鲜活贝类体内重金属的饲料添加剂，达到解毒的目的。孙继鹏等（2010）研究了 COS-Ca、COS-Mg 对栉孔扇贝体内镉的脱除作用，经COS-Ca和COS-Mg处理净化3 d后，栉孔扇贝体内Cd含量分别降低46.0%和41.8%，且经净化处理后栉孔扇贝体内钙、铁含量均有所提高，但对蛋白质、氨基酸及Fe、Zn、Ca、Mg等影响较小。黄国清等（2012）将染Cd牡蛎养殖在含不同 COS-Ca、COS-Mg、COS-Zn的天然海水中，定期取样用原子吸收法测定牡蛎体内Cd含量变化，当海水中螯合物质量浓度为100 mg/L、脱除时间48 h时，用COS-Mg对牡蛎体内Cd的去除率最好，可达34.68%。

壳寡糖稀土螯合物可提高大菱鲆的生长性能，降低饲料消耗。Cui等（2013）在饲料中添加75～1200 mg/kg COS-RE喂养初始体质量为（12.2±0.1）g的大菱鲆8周，研究其对大菱鲆的生长性能、免疫反应的影响，结果表明壳寡糖稀土螯合物能提高大菱鲆的生长、非特异性免疫功能和免疫保护力，COS-RE的最佳剂量为300 mg/kg，与对照组相比，生长速度明显提高（P＜0.05），而饲料消耗率明显下降（P＜0.05）。

3 小结

壳寡糖微量元素螯合物有着良好的抗氧化性、免疫调节能力、改善肠道微生态平衡、提高动物的生产性能、减轻微量元素间的拮抗作用等优点，具有良好的应用开发前景。目前，壳寡糖金属螯合物在生物体中的实际应用和作用机理的研究还相对较少，壳寡糖微量元素螯合物的应用潜力还有待进一步研究。另外，壳寡糖微量元素螯合物的合成与制备目前均采用在水溶液体系中反应制得，需要加入大量的有机溶剂析晶沉淀而分离，且制得的金属螯合物中金属含量较低 （即螯合率低），需要进一步加强合成工艺方法研究，如可开展符合绿色化学要求的室温固相反应法合成壳寡糖微量元素螯合物，以提高产物的螯合率与产率，降低生产成本。随着壳寡糖微量元素螯合物合成与应用研究的深入，在养殖及生物医药领域的应用将更为广泛。

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