壳聚糖的主要生理功能及其在动物生产中的应用

1、壳聚糖的主要生理功能及其在动物生产中的应用    作者:李梦云 陈代文 张克英     壳聚糖及其衍生物已成为近年来国内外研究的热点。主要是因为壳聚糖在医药、食品、化妆品、农业及环保等方面具有广泛的应用前景，特别是壳聚糖生物保健品具有对人体有益的功效，已被欧美各国誉为除蛋白质、脂肪、糖类、纤维素和矿物质之外人体所需的另一种营养素。我国对甲壳素资源的开发也越来越受重视，并取得了不少成果。近年来的研究表明，在动物体内，壳聚糖可降血脂，抗肿瘤和提高机体免疫力，是一种值得研究开发的饲料添加剂。本文主要从壳聚糖的来源和结构、

2、壳聚糖的主要生理功能以及壳聚糖在畜禽生产中的应用等方面加以综述。1 壳聚糖的来源和结构    壳聚糖（chitosan），又名聚氨基葡萄糖或几丁聚糖，是甲壳素脱去乙酰基的高分子直链型多糖。甲壳素是一种天然高分子化合物，在自然界中的产量仅次于纤维素，是地球上数量最大的含氮有机化合物。甲壳素的学名是（1，4）-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖，由N-乙酰氨基葡萄糖以-1,4糖苷键缩合而成，广泛存在于虾、蟹的甲壳、昆虫的甲壳、真菌（酵母、霉菌）的细胞壁和藻类的细胞壁中1，其结构式见图1。v 甲壳素在自然界经受降解和脱乙酰基过程，产生不同分子量的甲壳素及不同分

3、子量、不同脱乙酰度的壳聚糖，其结构式见图2。由于脱乙酰化反应破坏了甲壳素分子结构的规整性，因此，壳聚糖溶解性能较甲壳素大为改善，化学性质也较为活泼。同时由于壳聚糖分子中存在游离氨基及活性羟基， 反应时取代基团可进入位和位， 因此，相应的产物有羧甲基壳聚糖， 羧甲基壳聚糖和，羧甲基壳聚糖（，）。2 壳聚糖的主要生理功能2.1 降脂和降胆固醇    大量研究表明壳聚糖能有效地降低动物体内胆固醇和甘油三酯含量，促进这些物质在体内的排出。吴加罗等（）试验表明，大鼠摄入一定剂量的壳聚糖能有效地抑制血清总胆固醇升高，进一步研究表明，壳聚糖降低总胆固醇效应主要表现在降

4、低低密度胆固醇和极低密度胆固醇上，但能使高密度脂蛋白胆固醇升高。王述柏等（）在饲料中添加的壳聚糖可以改变鸡肉中多不饱和脂肪酸（）的组成，并能降低鸡肉中胆固醇的含量。戚晓红等（）5的研究则证明，壳聚糖加中药复方制剂具有较好的降肝脂效应，能显著降低试验性脂肪肝大鼠肝脏甘油三酯（）、总胆固醇（）水平；降低血清中丙氨酸转氨酶（）、内毒素（）和肿瘤坏死因子（）含量；缩小肝脏的脂变面积，从而改善肝脏功能。等（）6在大鼠日粮中添加的壳聚糖周，结果发现，大鼠粪中胆固醇和甘油三酯含量增加，而血浆中总胆固醇、低密度胆固醇和极低密度胆固醇含量降低，同时，大鼠肝脏相对重量减轻，肝中总脂类和总胆固醇含量降低。进一步研究

5、表明，壳聚糖的这种降脂和降胆固醇作用与其分子量和脱乙酰基度有关。    关于壳聚糖降脂作用的原理，目前尚无定论。其一可能与壳聚糖带正电性有关。食物中脂类的消化除需胰脂肪酶外，还要胆汁酸作乳化剂。而带正电性的壳聚糖能与带负电性的胆汁酸相结合而使脂肪不被乳化，从而影响到脂肪的消化吸收。另外，胆固醇主要在肝脏中转化成胆汁酸，胆汁酸通常在完成脂肪消化吸收后，约95%胆汁酸由小肠再吸收回到肝脏即胆汁酸的肠肝循环，胆酸进入肝脏后促进肝胆汁的分泌。壳聚糖与胆汁酸结合排出体外，重吸收入肝脏中的胆汁酸减少，而胆囊中必须有一定量的胆汁酸储备，这就促进肝脏将胆固醇转化成胆汁酸

6、，使血液胆固醇含量降低。高密度脂蛋白将外周组织的胆固醇运向肝脏，进而排出体外，故高密度脂蛋白含量升高，有利于胆固醇清除，降低血胆固醇含量（Thongngam and McClements，2004）7。    壳聚糖降脂的另一作用原理可能在于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着粪便排出体外，从而降低了血中的脂肪和胆固醇，减少了脂肪的吸收，因而降低了血清总胆固醇和甘油三酯的水平。2.2 抗微生物活性    王光华等

7、（1992）8发现壳聚糖对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌等常见食物中毒菌有较强的抑制作用。其中O-羧甲基壳聚糖对金黄色葡萄球菌有较好的抑制作用，而对大肠杆菌的抑菌作用则较差。随着浓度的增大，O-羧甲基壳聚糖的抗菌活性明显增强，当浓度为0.5时，对金黄色葡萄球菌的抑制率达到100；当浓度为1时，几乎能完全抑制细菌的生长，且与分子量之间的关系十分密切，随着分子量的降低，抑菌效果显著提高，当分子量大于1×105时，不具备抑菌功能，而当分子量小于5 000时，抑菌活性明显增强（陈凌云等，2000）。No等（2002）9研究发现，壳聚糖对革兰氏阳性菌具有更强的抗菌作用，其最低抑菌浓度

8、从0.05%至0.1%以上，且也与分子量有关。壳聚糖的抗菌活性还与其不同形式有关。Kim等（2003）10比较了天然壳聚糖、脂酶降解壳聚糖和O-羧甲基（O-CM）壳聚糖的抑菌效果，发现天然壳聚糖的抑菌效果优于脂酶降解壳聚糖，而来源于脂酶降解的O-CM壳聚糖的抑菌效果又优于来源于天然O-CM壳聚糖。    羧甲基壳聚糖的抑菌作用可能有以下两种机理：一是药物通过吸附在细胞表面形成一层高分子膜，阻止营养物质向细胞内的运输，或药物吸附在细胞膜表面，改变了细胞膜的选择透过性，致使细胞质流失，细胞质壁分离，从而起到抑菌杀菌作用。二是药物渗透进入细胞体内，吸附细胞体内

9、带有电荷的细胞质，发生絮凝作用，扰乱细胞正常的生理活动，或阻断细菌体内DNA的转录，从而抑制细菌的繁殖（陈凌云等，2000）11。2.3 提高机体免疫能力    近来的研究发现，壳聚糖及其衍生物是很好的免疫促进剂，具有促进体液免疫和细胞免疫的功能。Nishimura等（1997）往小鼠腹腔内注射经醋酸处理的壳聚糖，结果发现该物质可刺激小鼠产生白介素（1L-）及增强体内巨噬细胞的活性。同时也能活化自然杀伤细胞。黄俊明等（1999）12给小鼠每日口服壳聚糖共4周，结果发现壳聚糖可提高绵羊红细胞诱导的小鼠迟发型变态反应能力，增强受试动物的血清溶血素抗体反应和巨

10、噬细胞的吞噬反应，表明壳聚糖能促进小鼠的免疫作用。Seferian 和 Martinez（2000）13研究发现，当人和动物的疫苗在体内引起的免疫反应较弱时，如果在该疫苗中加入壳聚糖乳化剂，则可活化B和T淋巴细胞。同时，体内IgG抗体水平增加。    关于壳聚糖及其衍生物的免疫活性机理存在多方面的说法。有的学者认为壳聚糖使巨噬细胞增多的机理是：壳聚糖为阳性趋化剂，吸引单核细胞从血管中游出聚集在组织中形成巨噬细胞；壳聚糖直接刺激局部组织。促使细胞增生，继而演变为巨噬细胞。当壳聚糖活化T细胞后，就可以向B细胞发出产生抗体群的指令，起到间接活化B细胞的作用，从

11、而产生各种免疫球蛋白，进一步增强巨噬细胞的吞噬功能，也就是说在增强体液免疫的同时，又增强非特异性免疫功能。2.4 抗肿瘤    壳聚糖及其衍生物的抗癌作用已被许多学者所证实。Venkatesh和Smith（1998）14研究表明，壳聚糖能促进Hela细胞（一种人宫颈癌传代细胞）与一种编码-牛乳糖质粒的转染，这主要是因为壳聚糖是一种阳离子聚合体，能与DNA和其它聚阴离子结合，而且壳聚糖中的糖基和细胞表面蛋白质的相互作用在壳聚糖调控的Hela细胞转染过程中起着重要的作用。Yasunori 和Yoshiyuki （2004）15比较一些从酶解中得到的低分子21

12、kDa、46kDa和120kDa壳聚糖抑制肿瘤的效果，结果发现，饲喂100mg/kg 46kDa的壳聚糖能显著降低大鼠肿瘤的生长和最后肿瘤的重量，而当饲喂量增加到300mg/kg时，无抑制肿瘤作用。分子量为120kDa的壳聚糖也无抗肿瘤作用。进一步研究表明，分子量为21kDa和46kDa的壳聚糖可增加小肠上皮淋巴细胞和脾淋巴细胞的活性。因此壳聚糖激活机体免疫功能是其抗肿瘤作用的主要机理之一，有抑制肿瘤血管内皮生长的作用，从而抑制肿瘤增长。    壳聚糖具有直接抑制肿瘤细胞的作用。在含有1×105癌细胞的溶液中，加入0.5mg/ml壳聚糖溶液，2

13、4h后癌细胞全部死亡。进一步研究发现，肿瘤细胞表面比正常细胞表面具有更多的阴电荷造成细胞表面电荷不平衡，于是使细胞之间粘附力下降，组织遭破坏。带阳电荷的聚阳离子电解质能吸附到肿瘤细胞的表面,可起到中和电荷的作用，从而抑制了肿瘤细胞的生长和转移（蒋挺大，2001）2。    关于壳聚糖抑制癌细胞转移的机理，目前还没有完全清楚。据推测，壳聚糖能和血管内皮表面粘附分子相结合，封锁癌细胞对血管内皮的粘附和运动。从而抑制癌细胞的转移。另外，肿瘤的毛细血管分为无毛细血管内皮细胞和有毛细血管内皮细胞两类，只有具有毛细血管内皮细胞的毛细血管才能延伸加长，癌细胞沿着毛细血

14、管向四周浸润，肿瘤体积不断加大。壳聚糖等抗毛细血管内皮细胞生成药物抑制毛细血管的生长，切断其营养和转移的介质，将癌控制在局部（肖航，1999）16。3 壳聚糖在动物生产中的应用3.1 壳聚糖在禽中的应用    壳聚糖在鸡饲料中用得较多，试验表明虽然壳聚糖在胃里不能被消化吸收，但当到达肠道时可被乳酸菌利用。在鸡饲料中添加壳聚糖，可使鸡肠道中的双歧杆菌增殖，阻止有害菌生长，产生大量消化乳糖所需的乳糖酶，这对消化乳糖有困难的家禽来讲是非常有意义的。朱立贤等（2002）17试验表明，肉仔鸡日粮中添加400mg/kg的壳聚糖，可显著降低料重比（021d的料重比从2

15、.24降低到了2.09）；同时体增重有增加的趋势。表明壳聚糖对肉仔鸡的生长具有一定的促进作用。    同时，由于壳聚糖的降脂和降胆固醇作用，因而可以改善畜产品质量。Kobayashi等（1991）在玉米豆粕型基础日粮和高脂日粮中分别加入5%壳聚糖饲喂蛋公雏，结果表明，添加壳聚糖减少了脂肪吸收率和腹脂量，而且可使饲喂高脂日粮导致的高血浆甘油三酯浓度降低。Razdan和Pettersson（1994）18报道，肉仔鸡日粮中添加30g/kg的壳聚糖，试验的第10d和第18d，与对照组相比，仔鸡体重、采食量明显下降，饲料转化率升高；血清总胆固醇、HDL-胆固醇含

16、量下降，但甘油三酯含量无明显变化；回肠脂肪消化率减少26%，说明壳聚糖组脂肪吸收受阻。王述柏等（1998）4在饲料中添加 2%的壳聚糖，可以改变鸡肉中多不饱和脂肪酸（PUFA）的组成， 并能降低鸡肉中胆固醇的含量。因而有利于改善鸡肉品质。张丽英等（1998）19在蛋鸡基础日粮中添加4%壳聚糖，结果血清胆固醇含量极显著低于对照组，蛋黄中胆固醇含量比对照组低。3.2 壳聚糖在猪和鱼中的应用    由于壳聚糖对脂肪酸和胆汁酸有很强的结合能力，从而阻止了肠胃对脂肪酸和胆汁酸的吸收。另一方面，壳聚糖能抑制体内胰酶和碳水化合物水解酶的活力，从而抑制了脂肪在体内的沉积

17、。因此，在猪饲料中添加壳聚糖，可以提高育肥猪的瘦肉率。另外，由于壳聚糖具有一定的粘性，加到鱼虾饲料中可以起到粘结的作用，使饵料在水中稳定的时间延长，因而可减少有效成分的溶解损失。有研究表明，壳聚糖用作鱼饵料添加剂，对几种鱼具有一定的促生长作用（蒋挺大，2001）。4 结语    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，如壳聚糖在畜禽体内的代谢过程和作用机理，不同脱乙酰度或不同分子量的壳聚糖的作用效果，壳聚糖的最适添加比例及经济效益等。中国具有丰富的甲壳素资源，因此壳聚糖产品的开发与研究必将带动甲壳素、壳聚糖产品的应用，也必将推动

18、饲料资源的开发与利用。参考文献1 蒋挺大.甲壳素.中国环境科学出版社，19962 蒋挺大. 壳聚糖.化学工业出版社，2001.17203 Muzzarelli R A A. Carboxymethylated Chitins and Chitosans. Carbohydr Polym., 1988,(8):1214 王述柏，王宝维，张丽英等.壳聚糖对肉鸡生产性能及血液生化指标的影响.中国饲料，1998，（2）:195 戚晓红, 张昭萍，吴翠贞等.壳聚糖联合中药复方制剂对实验性脂肪肝大鼠作用的研究.中西医结合肝病杂志，2003，13（5）:275277 6 Chiang MT, HT Yao,

19、 and HC Chen .Effect of dietary chitosans with different viscosity on plasma lipids and lipid peroxidation in rats fed on a diet enriched with cholesterol.Biosci. Biotechnol. Biochem.,2000,64(5): 9659717 Thongngam M and McClements DJ. Characterization of interactions between chitosan and an anionic

20、surfactant. J. Agric. Food Chem., 2004, 52(4): 9879918 王光华等脱乙酰壳多糖醋酸混合液对含氧包装鲜猪肉中细菌生长的影响食品与发酵工业，1992，（2）:189 No H K, Park NY, Lee, SH ,et al. Antibacterial activity of chitosans and chitosan oligomers with different molecular weights. Int. J. Food Microbiol., 2002, 74(1-2): 657210 KW Kim, RL Thomas, C

21、 Lee, and HJ Park . Antimicrobial activity of native chitosan, degraded chitosan, and O-carboxymethylated chitosan.J. Food Prot., 2003,66(8): 1 4951 49811 陈凌云等.羧甲基壳聚糖的结构与抗菌性能研究.武汉大学学报（自然科学版），2000，（2）:19119412 黄俊明，吴丽明，陈瑞仪.甲壳素和壳聚糖对小鼠免疫调节的研究.广东卫生防疫，1999，25(1):4713 PG Seferian and ML Martinez. Immune stimulating activity of two new chitosan containing adjuvant formulations.Vaccine, 2000,19(6): 66166814 Venkatesh S and TJ S