壳寡糖的制备方法及其在食品中的应用现状

发布时间：2016-06-03 11:29:16

过去几十年间，壳聚糖以其在生物医学、食品、化学工业中的应用受到了人们广泛的关注。但壳聚糖只在酸性溶液中溶解，限制了它的生物活性的发挥，其降解产物壳寡糖自发现之初，就成为研究者们的研究热点，更被列为各国的糖工程重点研究项目。壳寡糖是目前发现的自然界中唯一带正电荷、呈碱性、水溶性的多糖，具有优越的生物活性，可由甲壳素、壳聚糖制备，被誉为第六大生命要素。研究发现，壳寡糖具有良好的抗菌性、抗氧化性，是理想的果蔬保鲜剂;壳寡糖具有提高免疫、抑制癌肿细胞生长、促进矿物质吸收、增殖人体部分有益菌群、预防三高等功效，在日、美、韩等国是畅销的保健功能食品;壳寡糖作为寡糖还可以作为食品配料添加到食品中用于改善风味等。

    1·壳寡糖的制备

    1．1物理法

物理法是通过辐射过程中壳寡糖分子内的化学键发生断裂而降解，主要有微波、超声波、电磁波辐射降解法，其中研究较多的是超声波降解法。超声波降解法的影响因素主要是超声波的作用时间。随着作用时间的增长，壳聚糖降解率逐渐增加且所得壳寡糖的相对分子质量分布变窄，可得到较为均一的壳寡糖。Naeem等发现［1］，在硫酸铵和过氧化氢的存在下，以60Co-γ射线可以控制壳聚糖的降解，并对影响降解过程的因素如照射剂量、引发剂的浓度进行了研究。上海栎烁生物科技有限公司目前研制出“用微波辐射法生产水溶性壳寡糖技术”，涉及材料可循环使用，无污染，取得了良好的效果。

    物理法操作简单，易于控制，但物理法降解制备壳寡糖受降解机理所限，难以控制得到特定分子量的壳寡糖，导致原料浪费。

    1．2化学法

    在酸性环境中，壳聚糖和甲壳素的长链结构会发生部分水解，发生糖苷键的断裂，形成相对分子质量大小不一的片段，严重水解则大部分变成单糖，因此，壳聚糖在HF、H2SO4、HCl和HNO2等酸性试剂的作用下进行剧烈的降解反应可制得壳寡糖，其中，盐酸降解法已实现壳寡糖的工业化。氧化降解法是近年来研究得最多的方法，包括过氧化氢氧化法、过硼酸钠氧化法、次氯酸钠氧化法，其中以过氧化氢氧化法为主，已经用于生产。V?rum等发现，在稀酸中O-糖苷键和N-乙酰基的水解率基本相同，而在浓盐酸中，O-糖苷键的水解率比N-乙酰基快10倍以上［2］。张文清等利用NaClO/H2O2的协同氧化制备壳寡糖，降解过程可得到很好的控制，反应的转化率、降解产物的氨基含量可以得到保证，为实现壳寡糖产业化提供了较好的方法［3］。Wu等用2%的过氧化氢在65℃、pH为5的条件下对蝉蜕进行水解得到平均聚合度为4．5的壳寡糖［4］。


    化学法见效快，不过反应苛刻，成本高，易造成环境污染，且得到的壳寡糖分子量宽，易得到无生物活性的氨基葡萄糖单元，纯化后处理繁琐。

    1．3生物法

    酶解是壳寡糖生物制备的主要方法，分为专一性酶降解法和非专一性酶降解法。酶解法可以选择性地切断壳聚糖分子中的β-1，4糖苷键，从而制得特定的低分子量壳聚糖。

    几丁质酶和壳聚糖酶可以使甲壳素和壳聚糖的糖苷键断裂，是制备壳寡糖的专一性酶。几丁质酶存在于细菌、真菌等微生物及植物组织、动物消化系统中，对甲壳素的β-1，4-氨基葡糖苷键起作用，而壳聚糖酶主要存在于细菌、真菌细胞中，对壳聚糖分子中的D-D糖苷键起作用，以内切作用方式将壳聚糖分解为聚合度2～8的低聚物，一般不生成单糖，专一性酶降解法是比较有效的降解方法，但价格较高，在工业上广泛使用受到限制。

    随着研究的深入，人们发现一些非专一性酶如纤维素酶、蛋白酶、果胶酶、糖苷酶能实现壳聚糖的降解，用于壳寡糖的制备。人们发现，木瓜蛋白酶和链霉蛋白酶可作为昂贵的不易得的壳聚糖酶降解壳聚糖得到低聚糖、寡糖、糖单体，且链霉蛋白酶降解壳聚糖得到低聚糖的产率很高，这是壳聚糖酶达不到的［5－6］。脂肪酶对82．8%和73．2%脱乙酰度的壳寡糖表现出高活性的降解作用，动力学试验表明，DD82．8%和73．2%时Km值较低，脂肪酶表现出较强的亲和力［7］。周孙英等对4种不同类型酶降解壳聚糖的效果作了比较，分别在其最适宜条件下反应，水解速度为胃蛋白酶＞纤维素酶＞脂肪酶＞溶菌酶［8］。

    生物法条件温和，不必加入其他反应试剂，不发生其他副反应，得到的产品均一性好，产物聚合度适中，节能、高效、无污染，缺点是生产周期长，酶的提纯难度大，生产成本高。

    1．4复合法

    复合降解法的出现为壳寡糖的制备打开了一个方向，它把单一降解法的优点进行优化组合，或引入新的分离技术得以实现工业化生产。目前的复合制备方法有分批式反应器、柱式反应器［9－10］、超滤膜反应器、双反应器系统等。Jeon等发现，在45℃、pH为5．5的情况下，壳寡糖可以由1%的壳聚糖在分批式反应器中酶解制得［11］。TakashiKuroiwaa等制备了一个固定化酶的膜生物反应器，在一定条件下，五聚体和六聚体的壳寡糖以2．3g/L(收率46%)的速率反应一个月［12］。目前，该工艺已实现工业化生产。双反应器是将柱式反应器和超滤膜反应器结合起来，将柱式反应器内得到的部分水解的壳聚糖产物作为超滤膜反应器的底物，可解决单纯超滤膜反应中的膜污染问题［13］。

    除上述制备方法外，壳寡糖的制备还可以采用化学合成法。化学合成法制备壳寡糖的优势在于可以按需要通过精心设计基质从而能够合成特殊结构的壳寡糖及其衍生物，缺点是基质选择不易，目前该方法报道较少。

    2·壳寡糖在食品中的应用

    2．1果蔬保鲜微生物滋生和氧化变质是影响

    食品货架期的主要因素，食品防腐技术在化学防腐剂的作用下已经取得了一定的突破，然而，随着消费需求的增加，消费者更青睐于不含化学防腐剂的食品，因此，天然防腐剂引起了人们的关注。壳寡糖的二级结构呈网状(图1)，可有效地锁住水分子，且分子中的极性基团可与水分子形成相互作用，影响水的活度和流动阻力，因此壳寡糖有良好的吸湿保湿性，且抗菌效果显著［14－15］、抗氧化性突出［16］，兼备抑制呼吸作用、提高果蔬防御机制，是性能优良的天然食品防腐保鲜剂。

    邓丽莉等发现，以1．5%浓度的壳寡糖处理柑橘果实后，柑橘贮藏期的品质可得到有效的保持，发病率降低［17］。姚评佳等合成了一种壳寡糖基聚合物，测试结果显示，1%、2%的此聚合物溶液对芒果有良好的保鲜作用，贮存17d后，芒果的可滴定酸含量、可溶性固形物、VC、失重率、好果率优于未处理的芒果［18］。陈奕兆等发现，2%壳寡糖涂膜可有效地抑制PPO酶的活性，减缓水蜜桃的褐变，为缓解壳寡糖成膜性的不足，以适当的比例加入PVP可制得效果良好的保鲜膜［19－20］。

    2．2功能性食品

    由于壳寡糖具有许多独特生理功能，安全无毒，中性条件下可溶，可作为功能性食品［21－23］。


    通常来说，益生元是寡糖，故壳寡糖也能成为益生元用于功能食品中。研究表明，DP2-8的全脱乙酰基壳寡糖对双歧杆菌和乳酸菌的生长有促进作用［24］。将壳寡糖制成微胶囊放入牛奶中可以加入商业健康奶制品中，且加入后不会影响产品的物理和感官特性，然而，如何进一步提高降胆固醇牛奶的物理和感官特性，以及研发其他类似的降胆固醇产品还需进一步探索［25］。多项研究表明［26－28］，壳寡糖在动物试验中通过诱导细胞凋亡和激发免疫系统活性可抑制肿瘤的生长，并建议将壳寡糖用于抗肿瘤食品中。在动物试验中，研究者们通过研究小鼠的股骨力和粪便中钙含量发现，DP3-7的壳寡糖可以增加钙的吸收、减轻小鼠骨质疏松，壳寡糖还被发现在体外中性环境中可抑制不溶性钙盐的形成［29］。壳寡糖可与脂肪酸、甘油三酯形成络合物，从体内排除、减少人体获取的热量，达到瘦身的目的［30］，因此壳寡糖可应用在减肥瘦身、排毒养颜、免疫调节等功能性饮料中。Cho等发现，壳寡糖能激发线粒体的活性降低疲劳感，有望用于抗疲劳食品［31］。赵玉清等对壳寡糖功能食品的安全性做了评价，证明壳寡糖功能食品安全、无毒［32］。目前我国上市的壳寡糖保健品有奥利奇善壳寡糖胶囊等。

    2．3食品配料

    英美两国已经全面开展壳寡糖科学研究，在日本寡糖经临床实践后，被定位于唯一可以宣传功效的保健食品并强制性地作为一种食品添加剂。2014年，我国卫计委办公厅拟批准壳寡糖为新食品原料。


    壳寡糖具有明显的抑菌功效，可以在调味品等食品中作为天然防腐产品替代苯甲酸钠等化学防腐剂。当原料奶中添加0．24%或0．48%的寡糖混合物在4℃保存12d后，其嗜热菌和嗜冷菌数至少降低3个数量级，pH的变化很小，原料奶在4℃环境下的保质期至少延长4d［33］。研究发现，壳寡糖和溶菌酶结合起到了协同效应，能更有效地抗革兰氏阴性菌，将此混合物用于肉类储存中，能完全消除大肠杆菌，荧光假单胞菌和芽孢杆菌，在冷藏环境中肉末的货架期能延长15d［34］。壳寡糖加入豆腐中，对豆腐水分含量、产量、色度和浊度等理化性没有影响，然而，却让豆腐有更低的硬度和较小的蛋白质聚集体，除了有一点苦味外，壳寡糖不影响豆腐的其他感官特性［35］。在传统腌菜腌制中添加壳寡糖，对大肠菌群有更好的抑制作用，感官优于采用传统腌渍方法得到的酸菜［36］。壳寡糖具有柔和的甜味，可作为食品添加剂改善食品的结构、口感，提高食品的保水性能等。作为饲料喂养动物，壳寡糖可以促进动物的生长，改善动物肠道健康，减少动物疾病，进一步提高肉源性食品的品质。

    3·应用前景展望

    壳寡糖作为国家重点扶持项目，已经成为研究者研究的热点，但在目前的国内市场上，真正面世的壳寡糖产品并不多，制约了壳寡糖的大规模应用。2013年1月21日，用微波辐射技术把高分子壳聚糖加工成水溶性低分子的壳寡糖的技术实现突破，该技术工艺先进、工序简单、环保节能，生产成本和再生产成本低，产品纯度高，2014年该项目进入中试阶段。随着壳寡糖制备方法的成熟和作为新的食品配料被提上日程，壳寡糖将在食品中具有更广阔的应用前景。与此同时，确定不同类别食品适用的壳寡糖的分子范围、大规模生产适合各类食品应用的特定分子范围的壳寡糖、确定壳寡糖的作用机制、壳寡糖加入后食品的口感影响及改善问题，制定壳寡糖作为食品添加剂的限量指标，拓展壳寡糖在食品中的应用有待进一步研究。