殼寡糖在水產動物上的研究與應用

張義 張志浩 張繼平

摘要：殼寡糖（COS）是近年來新開發的具有增強免疫力的生物活性物質，具有抗菌、增強免疫力、降血脂及抗腫瘤等多種生物活性，現已被廣泛應用于食品及醫藥等領域。綜述了殼寡糖主要生物學功能及其對水產動物生長性能、非特異性免疫及腸道微生物的影響，并對其影響機制進行了簡要闡述，同時就其應用前景進行了展望，旨在為殼寡糖廣泛應用于水產養殖業提供參考。

關鍵詞：殼寡糖（COS）;生長性能;免疫細胞;免疫酶;腸道微生物

中圖分類號：S9 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）06-0005-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.06.001 ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research and application of chitosan in aquatic animals

ZHANG Yi，ZHANG Zhi-hao，ZHANG Ji-ping

（School of Life Science and Engineering， Foshan University，Foshan 528231，Guangdong，China）

Abstract： Chitosa（COS） is a newly developed biologically active substance with immuno potentiating effect. It has various biological activities such as antibacterial， immune enhancement， hypolipidemic and anti-tumor， and has been widely used in food and medicine fields. The main biological functions of chitosan and their effects on aquatic animal growth performance， non-specific immunity and intestinal microorganisms were reviewed， and the mechanism of their effects was briefly explained， the prospect of its application was prospected，in order to provide a reference for the wide application of chitosan in aquaculture industry.

Key words： chitosan（COS）; growth performance; immune cells; immune enzymes; intestinal microbes

甲殼素是自然界最豐富的天然多糖，殼聚糖是其最重要的衍生物，甲殼素和殼聚糖的分子量高、溶解性差、黏度高，限制了其在許多領域的應用。殼寡糖（COS）是甲殼素和殼聚糖經過物理、化學或酶促聚解反應生成聚合度為2～20的低聚殼聚糖，是自然界大量存在的帶正電的堿性氨基多糖。COS的分子鏈與母體相比要短很多，使得分子間不易形成較強的氫鍵，提高了COS在水中的溶解性，同時無細胞毒性，可以直接被腸道內上皮細胞吸收。COS具有廣泛的生物活性，包括抗菌消炎、抗腫瘤、抗高血壓、抗氧化、增強免疫力及調節腸道微生物結構等，由于其多方面優于母體聚合物，COS被廣泛應用于各個領域[1，2]。有關COS在禽畜身上的應用已經取得顯著成效，Huang等[3]在對肉雞的研究中發現，日糧中添加殼寡糖能提高肉雞的免疫水平，且添加量為100 mg/kg時效果最好。Zhou等[4]在對豬的研究中發現，日糧中添加2 000 mg/kg COS能夠提高豬的生長性能，改善表觀消化率，減輕豬的腹瀉癥狀。COS作為一種純天然的活性物質，在促進水產動物生長、增強免疫力及改善腸道微生物等方面具有較高的研究價值和廣闊的應用前景，本文綜述了COS的生物學功能及其作用機制，以期為這方面研究提供參考。

1 ?殼寡糖的促生長功能

1.1 ?殼寡糖在生長方面的應用研究

近幾年來，COS在水產動物中的研究報道逐漸增多，在飼料中添加一定水平的COS，對斑節對蝦、羅非魚與卵形鯧鲹等水產動物的體增重、特定生長率、飼料轉化率及成活率等生長性能有一定的影響。大多數研究表明，COS對水產動物的生長性能有明顯的促進作用，且在不同的水產動物中有不同的適宜添加水平，具體的研究報道見表1。

1.2 ?殼寡糖對水產動物的促生長作用機制

腸道是魚類消化與吸收營養物質的主要部位，也是魚類最大的黏膜免疫器官，正常的腸道形態結構是營養物質吸收和腸道免疫的基礎[12]。COS可通過改善腸道組織形態、緩解腸道炎癥及降低應激反應來提高動物的生長性能，田娟等[13]研究發現，在日糧中分別添加0.30%和0.50%的COS，幼魚前腸絨毛長度、寬度及密度顯著增加，各添加組的幼魚腸壁厚度明顯減小;孫飛等[14]報道了COS添加量為0.02%時，異育銀鯽腸道形態結構改善效果最為明顯，腸道絨毛排列整齊均勻，與對照組相比，腸皺襞高度與腸壁厚度分別增加了86.84%和20.45%，腸皺襞寬度減少了12.18%。動物腸道絨毛高度、寬度、密度及腸皺襞高度的增加，有利于增加小腸對食物的接觸面積，提高對營養物質的吸收能力。Qin等[6]還發現，COS可以顯著減輕羅非魚腸道炎癥反應和應激反應，表現為促炎蛋白腫瘤壞死因子-a和應急反應蛋白熱休克蛋白70的mRNA表達水平降低，轉化生長因子TGF-b水平升高。

腸道內消化酶活性的高低決定了營養物質的分解程度，消化酶活性的增強有助于水產動物對養分的消化和吸收，對于一些無胃魚（鯉科類）來說，對營養物質的分解更依賴于消化酶的消化作用。COS可通過提高腸道內胰蛋白酶、胰脂肪酶及胰淀粉酶的活性，促進水產動物對養分的吸收利用，從而提高水產動物的生長性能。潘金露[15]在對大菱鲆的研究中發現，飼料中添加0.50% COS時，腸道內胰蛋白酶和胰脂肪酶活性顯著高于對照組，添加量為0.02%時，腸道胰淀粉酶活性顯著高于對照組;Su等[16]在對紅鰭東方鲀的研究中發現，隨著COS水平的增加，腸道內胰蛋白酶和胰脂肪酶活性也隨之上升，并在0.20% COS組達到最大值，與對照組差異顯著，這與胡曉偉等[17]的研究結果一致。

礦物質與維生素的缺乏會引起水產動物產生營養性疾病，鈣元素缺乏導致神經活動受到抑制，同時引起蝦蟹殼軟，缺鐵性貧血，缺乏維生素C也會引起貧血，并導致脊椎及鰓軟骨畸形、肌間出血、水腫等癥狀。飼料中添加一定水平的COS可以促進礦物質及維生素的吸收。COS因分子結構中含有-NH2和-OH等活性基團，是一種良好的網狀載體，許多金屬離子能與COS中的氨基N原子和羥基O原子形成配位鍵，從而生成一類具有獨特環狀結構的螯合物（COS-M），可以促進礦物質（鈣、磷）吸收，而且可以提高微量元素（錳、硒）的吸收利用率，從而促進動物健康生長[18]。王卓[19]研究發現，COS與Cu離子形成螯合物，能顯著提高鯽魚腸道對銅的吸收量。Pallela等[20]還發現，COS還可以與維生素C形成配合物，提高維生素C的利用率。

動物的生長性能與腸道微生物存在密切聯系，COS改善腸道環境的同時，也有利于機體對養分的消化吸收。COS本身可以作為促生長因子被有益菌（雙歧桿菌）所利用，不僅能促進雙歧桿菌的增殖，而且促進其產生B族維生素，促進腸道蠕動，提高蛋白質的吸收利用率[21];Lee等[22]研究也發現，COS對雙岐桿菌和大多數乳酸桿菌的生長具有明顯的益生作用，其本身可作為生長刺激因子被雙岐桿菌和乳酸桿菌所吸收利用。乳酸菌能夠定殖在腸道內，有效地抑制有害菌的生長，減少腸道內有害菌產生的毒素對水產動物的毒害，同時能促進蛋白質、單糖及礦物質（鈣、鎂）的吸收，合成B族維生素等大量有益物質。還有學者研究發現，COS對脂多糖（LPS）誘導的腸上皮細胞炎癥反應及伴隨的過氧化損傷具有保護作用等[23]。

2 ?殼寡糖的免疫調節功能

2.1 ?殼寡糖在免疫調節方面的研究與應用

已有研究表明，COS是一種安全有效的綠色飼料添加劑， 可作為飼料抗生素的替代物廣泛應用于水產養殖中。有關學者在對大口鱸、太平洋對蝦、虹鱒及糙海參等品種的研究中發現，在基礎日糧中添加一定水平的COS，對水產動物免疫細胞活性、吞噬能力及血清免疫酶活性有明顯的提升效果。有關COS對水生動物非特異性免疫力的研究報道見表2。

2.2 ?殼寡糖的免疫調節機制

魚類是較低等的脊椎動物，先天免疫在魚類的免疫防御中發揮著重要作用，魚類的特異性免疫系統受環境（溫度、生理狀態）影響較大，特異性免疫應答反應進程較長，水生無脊椎動物由于缺乏真正的抗體和特異性免疫細胞，機體防御機制依賴于非特異性的細胞免疫，因此，水產動物抵抗疾病主要依賴先天免疫系統[31，32]。血液中免疫細胞數量和吞噬活性可以反映出水產動物機體的免疫狀態，血清LZM、ACP、AKP、SOD及GSH-Px（谷胱甘肽過氧化物酶）等免疫酶是魚類機體非特異性免疫反應的重要指標，其活性的升高表明機體的非特異性免疫力增強[33]。

免疫系統中的免疫細胞、免疫酶及免疫調節因子在水產動物抵抗病原菌入侵中起決定性作用。以往研究表明，COS對水產動物非特異性免疫具有良好的提升效果。COS可以刺激免疫細胞釋放細胞因子，細胞因子具有調節非特異性免疫、特異性免疫、細胞生長以及損傷組織修復等多種功能，并形成復雜的細胞因子調節網絡。曹秀明[34]研究發現，50～100 μg/mL的COS能顯著提高巨噬細胞的吞噬能力，能刺激巨噬細胞產生NO、TNF-α等細胞因子;吳海明等[35]也報道了COS可以刺激巨噬細胞分泌IL-1β、TNF-α和IL-18等細胞因子，分泌的細胞因子又反作用于巨噬細胞和NK細胞，形成網狀的反饋調節系統，進一步提高機體的免疫功能;COS分子結構中帶有的活性基團與免疫細胞表面的受體結合而介導免疫調節，侯麗娜等[36]研究發現，COS激活巨噬細胞可能是經由巨噬細胞表面的甘露糖受體介導結合而實現的，并刺激巨噬細胞產生IL-1β;韓燕萍[37]也指出，殼寡糖激活巨噬細胞是通過殼寡糖與巨噬細胞之間結合、內吞及轉運這一過程實現的，巨噬細胞膜表面的甘露糖受體在這一過程中發揮重要作用，甘露糖受體可選擇性識別含有N-乙酰氨基葡萄糖基團的多糖。由于COS自身具有抗氧化活性，可作為一種抗氧化劑來增強機體免疫力，能通過清除部分自由基（·OH）、超氧陰離子自由基（O2-·）等活性氧自由基（ROS），抑制ROS通過脂質過氧化損傷細胞膜，進而破壞蛋白質和DNA的作用，達到緩解機體氧化損傷的目標[38]。COS還通過提高LZM、SOD、ACP、AKP、GSH-Px等酶活性來增強機體免疫力，目前有關COS對免疫酶活性影響的機理尚不清楚，據推測可能是促進免疫酶相關基因的表達。

3 ?殼寡糖對腸道微生物的調節功能

3.1 ?殼寡糖在調節腸道微生物方面的研究與應用

腸道微生物是機體必不可少的，在水產動物免疫和生長發育過程中發揮著重要作用。魚類腸道微生物是由有益菌群（乳酸桿菌）和有害菌群（大腸桿菌）組成，有益菌群常定殖在腸道黏膜上皮表面，阻止有害菌在腸道黏膜組織上的附著，有害菌具有一定的致病性，會引起魚類一些細菌性疾病的發生。有害菌數量的增加，會引起腸道內菌群平衡失調，影響正常的消化道環境[39]。日糧中添加一定水平的COS可以改善腸道微生物群落多樣性，促進腸道內有益菌的增殖，減弱有害細菌對水產動物的毒害作用并緩解腸道炎癥，增強腸道的生理功能。Su等[16]在對紅鰭東方鲀的研究中發現，0.20%的COS使腸道內的有益菌（枯草芽孢桿菌）明顯高于其他組，有害菌（大腸桿菌）明顯少于其他組。田娟等[13]在對吉富羅非魚的研究中發現也有類似現象。胡曉偉等[17]對花鱸的研究中，除與Su等[16]研究結果類似外，0.60%～1.00% COS顯著降低了沙門氏菌的數量。蔡雪峰等[40]對虹鱒幼魚的研究中發現，COS試驗組的腸道細菌總數之間無顯著差異，但優勢菌群有所變化，且各試驗組腸道微生物多樣性降低，腸桿菌科和假單胞屬減少了。Qin等[6]對雜交羅非魚的研究中發現，1.60%和2.40% COS組顯著改善了腸道菌群，并減輕了腸道炎癥。

3.2 ?殼寡糖調節腸道微生物的作用機制

有益微生物可以調節非特異性的體液免疫，將失調的微生物群恢復到正常狀態，還通過與腸道上皮細胞的相互作用和調節抗炎細胞因子的分泌來改變宿主的免疫反應，從而減少腸道炎癥[41]。Lee等[22]研究發現COS對雙歧桿菌和乳酸菌有益生作用，但其生長促進作用的機理尚不清楚。可能是動物腸道內吸收一定量的殼寡糖后，COS就會被有益菌群分解，從而產生大量的揮發性脂肪酸，雙歧桿菌和乳酸桿菌等有益菌利用這些揮發性脂肪酸進行大量增殖。腸道有益微生物可以將COS作為發酵底物，誘導產生有機酸，從而降低腸道pH，pH降低可以抑制腸道病原體的繁殖[22，42，43]。Lillo等[44]認為COS的主要抗菌機制是能改變有害菌細胞膜的通透性，阻止外界營養物質的滲入，同時COS分子表面所帶的正電荷與有害菌細胞膜上的負電荷位點相結合，降低了有害菌從外界攝取養分的代謝活性，最終導致細菌死亡，這與Choi等[45]的研究結果類似。Mei等[46]還發現，COS分子表面所帶的正電荷能夠與微生物細胞中存在的大分子負電荷組分結合，并吸收到微生物的細胞壁中，這種吸收導致其滲透到DNA并阻斷RNA轉錄。COS是自然界中惟一帶正電荷的堿性氨基多糖，游離氨基在酸性條件下能夠被質子化，能夠與有害菌表面的膜結合，使細胞質流失并干擾有害菌與腸壁的結合能力，促進病原菌隨糞便排出體外，同時對真菌和微生物生長起到一定的抑制作用[47]。

4 ?展望

近年來，隨著水產養殖業的規模空前擴大，養殖業在追求產量的同時也飽受水產疾病的困擾，最終導致藥物濫用現象頻發，為了提高水產品質量，目前國內外正在積極研發具有免疫增強作用的飼料添加劑。COS是由甲殼素和殼聚糖進一步降解生成的活性物質，具有多種生物學功能，原料來源廣泛。目前在比目魚、虹鱒、刺參及南美白對蝦等品種上已有關于COS應用的研究報道，并具有較好的應用效果。雖然COS發揮生物學功能的分子機制尚不完全清楚，有待進一步深入研究，但COS開發作為具有免疫增強作用的綠色飼料添加劑，在水產養殖領域具有廣闊的應用前景。

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