殼寡糖微量元素螯合物在養(yǎng)殖領(lǐng)域中的應(yīng)用

曾令智，孫大維，何昇鴻，鐘國(guó)清

（西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621010）

殼寡糖又稱(chēng)寡聚氨基葡萄糖（COS），是殼聚糖降解得到的一種低分子聚合物，由氨基葡萄糖通過(guò)β-1,4-糖苷鍵連接而成，其聚合度小（2～10），具有水溶性好、生物活性高、機(jī)體易吸收、無(wú)生物毒素等優(yōu)點(diǎn)（許翔等，2015）。殼寡糖是自然界中唯一帶正電荷的堿性氨基低聚糖，使得殼寡糖成為一種優(yōu)良的金屬離子載體（梁慧培等，2016）。殼寡糖螯合物是以殼寡糖為緩沖載體將金屬微量元素逐漸釋放至動(dòng)物體內(nèi)，使微量元素能更好地對(duì)動(dòng)物機(jī)體進(jìn)行各種功能的調(diào)節(jié)作用。殼寡糖螯合物與殼寡糖相比，具有更好的生理、生化功能，能抑制細(xì)菌生長(zhǎng)、增強(qiáng)機(jī)體免疫力、提高抗氧化能力以及提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能，其應(yīng)用效果及應(yīng)用領(lǐng)域也優(yōu)于殼寡糖（梁新曉等，2014）。伴隨著殼寡糖制備方法的成熟與工業(yè)生產(chǎn)成本的降低，人們對(duì)殼寡糖衍生物及金屬螯合物的研究也越來(lái)越多，在養(yǎng)殖領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用價(jià)值和開(kāi)發(fā)前景。本文簡(jiǎn)要介紹殼寡糖微量元素螯合物的生物功能，及其在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用。

1 殼寡糖微量元素螯合物的理化性質(zhì)與生物功能

1.1 殼寡糖微量元素螯合物的理化性質(zhì) 殼寡糖作為唯一的堿性氨基低聚糖，其分子中含有氨基和羥基等活性基團(tuán)，是一種良好的網(wǎng)狀載體，許多金屬離子能與殼寡糖中的氨基N原子和羥基O原子形成配位鍵，從而生成一類(lèi)具有獨(dú)特環(huán)狀結(jié)構(gòu)的螯合物（COS-M）。殼寡糖金屬螯合物的形成，不僅保留了殼寡糖原有的特性，即無(wú)毒、易吸收、抗癌、提高免疫力、抑菌、調(diào)節(jié)血脂、促進(jìn)鈣的吸收等生理功能，而且可以提高微量元素的吸收利用率，產(chǎn)生良好的協(xié)同效應(yīng)。研究表明，無(wú)論有無(wú)微量元素的存在，COS及COS-M的降解產(chǎn)物結(jié)構(gòu)并無(wú)差異，可認(rèn)為COS-M的降解機(jī)制與COS單獨(dú)降解機(jī)制大致相同（尹雪瓊等，2002）。

1.2 殼寡糖微量元素螯合物的生物功能 殼寡糖微量元素螯合物水溶性好、易吸收，并有促進(jìn)發(fā)育、抗癌、增強(qiáng)免疫力、選擇性抑菌、降低膽固醇等生理功能（Lin 等，2017；Cheng等，2015； Joodi等，2011；Zhou等，2008）。殼寡糖及其微量元素螯合物還可在畜禽及水產(chǎn)養(yǎng)殖中作為新型飼料添加劑，提高飼料的生物利用率，降低料重比，提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能。尿素是腎功能衰竭和尿毒癥患者血液中積存的主要毒素，殼寡糖螯合物可與尿素發(fā)生配位反應(yīng)，有望成為高效清除體內(nèi)尿素的新型吸附劑。閆永勝（2009）研究發(fā)現(xiàn)，殼寡糖螯合鋅（COS-Zn）、殼寡糖螯合鐵（COS-Fe）可作為新型尿素吸附材料，其吸附容量大、吸收效果好，選擇性高。

1.2.1 減輕微量元素間的拮抗作用 金屬微量元素常和其他礦物質(zhì)元素產(chǎn)生拮抗作用，如鐵、鈣和銅等元素會(huì)干擾鋅的吸收。金屬元素與殼寡糖螯合后，生成穩(wěn)定性適中的螯合物，抑制了金屬離子與其他成分間的相互影響。金屬離子在配體殼寡糖網(wǎng)狀載體的保護(hù)下，可有效抵御其他離子生成難溶無(wú)機(jī)鹽，保證其在消化道內(nèi)的完整性，提高生物體對(duì)微量元素的吸收利用率。

1.2.2 抗氧化作用 殼寡糖微量元素螯合物的形成使分子中電子云密度增大，更有利于進(jìn)攻自由基，其抗氧化活性?xún)?yōu)于殼寡糖（李小芳，2015）。殼寡糖微量元素螯合物含有氨基、羥基等活性基團(tuán)，是其具有抗氧化能力的基礎(chǔ)，能夠通過(guò)激活體內(nèi)抗氧化酶，增強(qiáng)機(jī)體對(duì)脂類(lèi)過(guò)氧化物、羥基、超氧陰離子等自由基的清除作用（Wan等，2016）。

1.2.3 免疫調(diào)節(jié)作用 殼寡糖微量元素螯合物能夠刺激機(jī)體的免疫器官，促進(jìn)免疫器官生長(zhǎng)；還能改善機(jī)體免疫細(xì)胞的活性，增強(qiáng)機(jī)體的特異性和非特異性免疫功能（Mei等，2013）。

1.2.4 抗菌作用 殼寡糖微量元素螯合物對(duì)不同的細(xì)菌如革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽(yáng)性菌、乳酸菌的抑制程度存在差異，但抗菌活性均隨其濃度增加而增強(qiáng)。COS-M能有效抑制消化道內(nèi)的有害菌，促進(jìn)小腸微絨毛的生長(zhǎng)，增大小腸的吸收面積及腸道對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，同時(shí)單位面積內(nèi)的腸黏膜堿性磷酸酶活性也得到增強(qiáng)（Swiathkiewicz等，2015）。

1.2.5 抗腫瘤作用 殼寡糖微量元素螯合物主要是通過(guò)誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的凋亡、抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移來(lái)增強(qiáng)機(jī)體的抗腫瘤活性 （Han等，2015）。研究表明，COS-M的抗腫瘤作用可能通過(guò)兩方面實(shí)現(xiàn)，COS-M可通過(guò)抑制與細(xì)胞周期有關(guān)的cyclin D1 mRNA的表達(dá)來(lái)抑制腫瘤細(xì)胞的增殖；也可通過(guò)抑制抗凋亡蛋白bcl-2和bcl-xl mRNA的表達(dá)以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的凋亡 （李賢等，2010）。楊自芳等（2009）用MTT比色法對(duì)殼寡糖螯合銅（COS-Cu）誘導(dǎo)K562癌細(xì)胞凋亡進(jìn)行初步研究，在COS-Cu為10 μg/L時(shí)癌細(xì)胞的抑制率為42%。黃進(jìn)等（2006）的研究結(jié)果表明，納米COS-Fe以靜電嵌插的方式與質(zhì)粒DNA進(jìn)行結(jié)合，而致使DNA損傷。

2 殼寡糖微量元素螯合物的應(yīng)用

2.1 殼寡糖螯合鋅 鋅是生物體內(nèi)超過(guò)300種酶的輔助因子或組成元素，其可參與中樞神經(jīng)細(xì)胞的生命活動(dòng)和神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞，影響腦部發(fā)育尤其是海馬區(qū)（Wani等，2017）。體內(nèi)鋅的水平會(huì)影響其生長(zhǎng)發(fā)育，能維持腸屏障功能以及調(diào)節(jié)細(xì)胞信號(hào)識(shí)別和蛋白激酶活性。COS-Zn易溶于水，易被吸收，可作為新型補(bǔ)鋅劑。COS-Zn能改善斷奶仔豬的抗氧化性、免疫性能與提高血清ALP活性，COS-Zn的生物學(xué)活性高于ZnSO4與ZnSO4＋COS（Ma 等，2014）。 高筱莎等（2017）以殼寡糖螯合鐵鋅為主要材料配制了一種補(bǔ)鐵鋅用的營(yíng)養(yǎng)液，可預(yù)防或緩解作物的小葉病和黃葉病，減少瓜果蔬中重金屬含量，提高果實(shí)質(zhì)量。

殼寡糖和鋅都能促進(jìn)生物體的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖功能，而COS-Zn能發(fā)揮更優(yōu)異的作用。唐曉琳等 （2013）將對(duì)照組、硫酸鋅組、COS＋Zn組和COS-Zn組分別作用于每組10只雌鼠和5只雄鼠，觀測(cè)親代和子代的生長(zhǎng)發(fā)育情況和繁殖功能，由每組小鼠的卵巢及子宮組織的蛋白質(zhì)、甘油三酯和膽固醇含量，以及卵巢及子宮的組織結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用COS-Zn組的小鼠身體各方面的指數(shù)都優(yōu)于其他三組，表明COS-Zn作為新型有機(jī)鋅源可顯著改善小鼠的生長(zhǎng)和繁殖性能。

殼寡糖螯合鋅還可用于提高生物體的記憶能力。丁琳琳等（2012）將對(duì)照組、COS 組、COS＋Zn組及COS-Zn組分別應(yīng)用于10只小鼠，第6周時(shí)分別進(jìn)行曠場(chǎng)試驗(yàn)、Y迷宮試驗(yàn)，第10周時(shí)取腦稱(chēng)重計(jì)算腦指數(shù)，并分別測(cè)定全腦和海馬中的蛋白質(zhì)含量，發(fā)現(xiàn)COS-Zn組小鼠對(duì)新環(huán)境的探索能力提高，學(xué)習(xí)次數(shù)顯著減少（P＜0.05），且記憶力顯著增加（P＜0.05），腦指數(shù)和全腦、海馬蛋白質(zhì)含量均顯著增加（P＜0.05），表明COS-Zn提高記憶能力的作用比單獨(dú)使用COS或鋅都更優(yōu)異。

殼寡糖螯合鋅能提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能，降低料重比，提高生產(chǎn)效益。金月（2011）的研究表明，在小白鼠日糧中添加30 mg/kg COS-Zn（以Zn計(jì)，下同），平均日采食量、日增重分別提高11.60%（P ＜ 0.05）和 44.44%（P ＜ 0.01），料重比降低22.73%（P＜0.01），小白鼠血液和肝臟中Zn含量分別提高54.59%和33.37% （P＜0.01），小白鼠胸腺、脾臟、肝臟和腎臟指數(shù)分別提高42.86%、40.63%、30.77%和15.67%（P＜0.05）， 同時(shí)胎產(chǎn)仔數(shù)和離乳數(shù)分別提高38.51%和48.31%（P＜0.05），離乳重提高32.12%（P＜0.01），小白鼠睪丸、卵巢和子宮指數(shù)分別提高15.43%、33.33%和29.39%（P＜0.05）。在蛋用仔雞日糧中添加40 mg/kg COSZn時(shí)，平均日增重增加5.86%（P＜0.05），蛋用仔雞血液、肝臟、胰臟、回腸和腿肌中鋅含量分別提高 27.99%、22.95%、64.24%、15.73%和 64.24%（P＜0.01），蛋用仔雞胸腺、脾臟和法氏囊指數(shù)分別提高 19.89%、21.98%和 8.45%（P ＜ 0.01），肝臟、腎臟和左腿脛骨指數(shù)分別提高12.16%、16.47%（P ＜ 0.05）和 17.43%（P ＜ 0.01）。

2.2 殼寡糖螯合銅 微量元素銅有許多的生理生化功能，可影響生物體對(duì)鐵的吸收，并影響生物體的發(fā)育、免疫、內(nèi)分泌和神經(jīng)系統(tǒng)功能。缺銅可引起發(fā)育不良，智力低下，引起低血鐵-低血銅-低血清蛋白綜合征等。殼寡糖能提高生物體免疫力，銅也能影響巨噬細(xì)胞中細(xì)胞因子的生成，可用殼寡糖螯合銅（COS-Cu）來(lái)提高生物體的抗癌、免疫和炎癥反應(yīng)。COS-Cu作為補(bǔ)銅劑，可用于預(yù)防、治療或者輔助治療缺銅引起的疾病，提高生物體對(duì)銅的吸收率和降低銅的毒性。王卓（2009）將喂食蛋仔雞硫酸銅和COS-Cu作對(duì)比，得到COSCu能提高仔雞采食量6.98%，日增重22.60%（P＜0.05），料重比降低18.75%，且能夠提高仔雞對(duì)銅的利用率，降低銅的排泄量，促生長(zhǎng)和利用率的效果均優(yōu)于硫酸銅。

2.3 殼寡糖螯合釩與殼寡糖螯合鉻 釩和鉻也是人和動(dòng)物必需的微量元素，釩和鉻被研究最多的是其降血糖的作用。釩有維持生物體正常生長(zhǎng)發(fā)育、骨骼成長(zhǎng)、促進(jìn)造血、增強(qiáng)免疫力的作用，其能通過(guò)影響血液里的酶來(lái)降低血糖，同時(shí)對(duì)胰島素有保護(hù)作用（Jakusch等，2017）。鉻主要參與體內(nèi)脂肪、糖和蛋白質(zhì)的代謝，胰島素的分泌和發(fā)揮其作用需要鉻。殼寡糖及其螯合物對(duì)于胰島β細(xì)胞體外增殖有明顯的促進(jìn)作用，并可顯著促進(jìn)胰島β細(xì)胞的胰島素分泌。劉冰等（2009）研究表明，COS及COS-Cr和COS-Se的質(zhì)量濃度為100 mg/L時(shí)，對(duì)胰島β細(xì)胞有明顯增殖作用，COS-Cr、COSSe在48 h促胰島β細(xì)胞增殖明顯，且在120 h細(xì)胞進(jìn)入生長(zhǎng)平臺(tái)期，COS-Cr組細(xì)胞密度達(dá)到最大，活力高于其他組；COS及 COS-Cr、COS-V、COS-Se組在第10天胰島素釋放量均高于對(duì)照組（P＜0.05），COS組促胰島素的分泌作用最為顯著；培養(yǎng)第6天時(shí)COS及COS-Cr、COS-V、COSSe組胰島素刺激指數(shù)均高于對(duì)照組（P＜0.05）。

殼寡糖螯合釩和殼寡糖螯合鉻被生物體吸收時(shí)可達(dá)到調(diào)節(jié)血糖、血脂目的。曲婉秋等（2012）研究了COS-Cr對(duì)糖尿病小鼠降血糖的作用，喂食添加0.7g/kgCOS組小鼠4周后血糖值 （15.59mmol/L）與糖尿病對(duì)照組（19.03 mmol/L）相比降低18.08%，而COS-Cr組的血糖值（14.74 mmol/L）與糖尿病對(duì)照組相比降低22.54%。韋丹等 （2011）研究了COS-V對(duì)糖尿病小鼠血糖、體重、攝食量、飲水量和脾指數(shù)的影響，選取正常組、糖尿病組、0.7 g/kg COS飼料組和0.7 g/kg COS-V飼料組共四組小鼠，經(jīng)4周的試驗(yàn)結(jié)果表明，第2周開(kāi)始試驗(yàn)組就出現(xiàn)血糖下降趨勢(shì)，至試驗(yàn)第4周，COS組小鼠的血糖值較第1周下降了1.99 mmol/L，而COS-V組的血糖值降低了2.50 mmol/L，試驗(yàn)結(jié)果表明COSV可降低小鼠血糖（P＜0.05），使糖尿病小鼠的體重、攝食量、飲水量和脾臟指數(shù)均得到改善 （P＜0.05），且COS-V的降糖效果優(yōu)于COS。

2.4 殼寡糖螯合鐵 鐵參與機(jī)體的許多生理活動(dòng)，缺鐵會(huì)影響生長(zhǎng)發(fā)育，引發(fā)缺鐵性貧血。殼寡糖螯合鐵可作為一種優(yōu)良的補(bǔ)鐵劑。宋添添（2015）選取四組小鼠，分別給予血紅素鐵（豬血）、鐵離子補(bǔ)鐵劑 （葡萄糖酸亞鐵）、多糖鐵復(fù)合物（COS-Fe）和米湯不給鐵劑，前3組每天給予3餐鐵共1個(gè)月，結(jié)束后尾靜脈取血進(jìn)行氧化應(yīng)激指標(biāo)檢測(cè)，結(jié)果COS-Fe引起機(jī)體氧化應(yīng)激反應(yīng)的程度小一些，生物體吸收COS-Fe的能力比血紅素鐵弱，但比硫酸鐵強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)COS-Fe可通過(guò)靜電嵌插作用對(duì)DNA造成損傷，這為研發(fā)新的抗癌物質(zhì)提供基礎(chǔ)。黃進(jìn)等（2006）用紫外光譜法和凝膠電泳法對(duì)納米COS及納米COS-Fe的生物活性進(jìn)行研究，表明COS-Fe中游離氨基比殼寡糖中游離氨基少，從而使得COS-Fe能與DNA充分結(jié)合，使得螯合物中的Fe以嵌插模式插入DNA雙螺旋內(nèi)部堿基對(duì)之間，對(duì)DNA造成損傷。

2.5 其他殼寡糖螯合物 殼寡糖螯合鈣和殼寡糖螯合鎂有望成為新型多功能的脫除鮮活貝類(lèi)體內(nèi)重金屬的飼料添加劑，達(dá)到解毒的目的。孫繼鵬等（2010）研究了 COS-Ca、COS-Mg 對(duì)櫛孔扇貝體內(nèi)鎘的脫除作用，經(jīng)COS-Ca和COS-Mg處理凈化3 d后，櫛孔扇貝體內(nèi)Cd含量分別降低46.0%和41.8%，且經(jīng)凈化處理后櫛孔扇貝體內(nèi)鈣、鐵含量均有所提高，但對(duì)蛋白質(zhì)、氨基酸及Fe、Zn、Ca、Mg等影響較小。黃國(guó)清等（2012）將染Cd牡蠣養(yǎng)殖在含不同 COS-Ca、COS-Mg、COS-Zn的天然海水中，定期取樣用原子吸收法測(cè)定牡蠣體內(nèi)Cd含量變化，當(dāng)海水中螯合物質(zhì)量濃度為100 mg/L、脫除時(shí)間48 h時(shí)，用COS-Mg對(duì)牡蠣體內(nèi)Cd的去除率最好，可達(dá)34.68%。

殼寡糖稀土螯合物可提高大菱鲆的生長(zhǎng)性能，降低飼料消耗。Cui等（2013）在飼料中添加75～1200 mg/kg COS-RE喂養(yǎng)初始體質(zhì)量為（12.2±0.1）g的大菱鲆8周，研究其對(duì)大菱鲆的生長(zhǎng)性能、免疫反應(yīng)的影響，結(jié)果表明殼寡糖稀土螯合物能提高大菱鲆的生長(zhǎng)、非特異性免疫功能和免疫保護(hù)力，COS-RE的最佳劑量為300 mg/kg，與對(duì)照組相比，生長(zhǎng)速度明顯提高（P＜0.05），而飼料消耗率明顯下降（P＜0.05）。

3 小結(jié)

殼寡糖微量元素螯合物有著良好的抗氧化性、免疫調(diào)節(jié)能力、改善腸道微生態(tài)平衡、提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能、減輕微量元素間的拮抗作用等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用開(kāi)發(fā)前景。目前，殼寡糖金屬螯合物在生物體中的實(shí)際應(yīng)用和作用機(jī)理的研究還相對(duì)較少，殼寡糖微量元素螯合物的應(yīng)用潛力還有待進(jìn)一步研究。另外，殼寡糖微量元素螯合物的合成與制備目前均采用在水溶液體系中反應(yīng)制得，需要加入大量的有機(jī)溶劑析晶沉淀而分離，且制得的金屬螯合物中金屬含量較低 （即螯合率低），需要進(jìn)一步加強(qiáng)合成工藝方法研究，如可開(kāi)展符合綠色化學(xué)要求的室溫固相反應(yīng)法合成殼寡糖微量元素螯合物，以提高產(chǎn)物的螯合率與產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。隨著殼寡糖微量元素螯合物合成與應(yīng)用研究的深入，在養(yǎng)殖及生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用將更為廣泛。

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