壳寡糖的生物活性及其在食品添加剂方面的应用

1、结构与性质

COS的DP在一个链段中从2到20个单元不等,且每个链段的N-乙酰化残基的比例以及氨基葡萄糖残基和N-乙酰氨基葡萄糖残基的排列方式都存在差异。DP和脱乙酰度(degreeof deacetylation,DD)是COS的主要特性和关键因素,直接影响其理化性质与生物活性,相同DP的COS也会因为脱乙酰化程度或乙酰基排列方式的不同,从而使其性质存在差异。DP和MW决定了COS的溶解度。COS溶于水,但不溶于丙酮类有机溶剂,而DP为2~4的COS易溶于甲醇。研究发现,与低DP和高MW的低聚物相比,具有相对高DP(6以上)和低MW的COS具有更高的生物活性。

COS独特的生物活性来源于它的3种活性官能团,一种是位于C-2的伯氨基,另两种是分别位于C-3和C-6位的羟基。许多学者采用季铵化型、羧基化型、没食子酰化型和硫酸化型等方法,制备了N-改性、O-改性和N,O-改性等COS衍生物。这些COS衍生物一般都具有更好的特性,包括但不限于可调节表面电荷、在水溶液中具有出色的溶解性以及可包裹水溶性较差的药物。

2、生物活性

2.1 抗菌活性

1979年首次发现了CS及其衍生物具有广谱抗菌活性后,CS和COS因其抗菌活性而广为人知。迄今为止,许多研究报道了COS对多种类型细菌和真菌均具有抗菌和抗真菌活性。但这些研究结果存在诸多矛盾,之前许多研究声称COS活性随着其MW的升高而增加,但也有研究表明在某些情况下低MW的COS抗菌效果更好。

此外,SAHARIAH等发现,CS的抗菌活性随着MW的增加而增加,而当MW达到高活性的临界MW后,MW的增加对活性没有明显影响。产生这些矛盾的原因可能是使用了不同的微生物和研究方法,以及COS的质量、纯度、分析方法的差异。在之前大部分研究中,使用的COS的特性很差,其中的MW和实际组成并不完全清晰。由于这些研究结果的不确定性和矛盾性,学者们对其抗菌结果存在怀疑。虽然现在已经可以制备出具有明确DP和DD的COS产品,但它们仍然是不同乙酰化模式COS的混合物。目前,COS抗菌活性的分子机制尚不完全清楚,但一般认为COS结构中的主氨基是其抗菌能力的关键,COS上的质子化氨基与微生物表面带负电荷的基团结合,是其抗菌的主要作用模式,带有正电荷氨基的COS由于静电作用移动到细菌的表面与肽聚糖作用使其水解,最终导致胞内容物外泄。第二种被广泛提出的作用模式涉及到微生物外膜通透性,COS通过改变细胞膜的渗透性导致细菌死亡,而细胞膜是保护细胞成分和控制物质从环境进入细胞的重要结构,同时有研究表明COS可以通过离子键的形式影响微生物的营养物质运输。第三种机制提出带正电荷的COS可以与微生物表面带负电荷的大分子成分结合并吸收到微生物细胞壁中,穿过细胞膜和细胞质后在核区与DNA相互作用并阻断RNA转录。最后KONG等[8]发现细菌表面的金属离子会与COS发生螯合作用,且当体系中的pH大于COS的pKa时,螯合作用的效果甚至会强于静电作用,从而破坏细菌的细胞壁达到抗菌效果。基于COS的抑菌机制,学者们开始验证COS运用在食品领域中保鲜应用的可能性。张苗苗等发现COS可有效抑制腐败真菌的生长,经过COS处理后黑曲霉、赭曲霉、杂色曲霉等均表现出不同程度的细胞膜凹陷褶,细胞通透性增大,细胞成分大量泄漏,细胞膜受损等现象。黄晓月将自主研制的虾源COS产品COS50添加到海鲜调味料和虾肉火腿肠中,通过恒温贮藏实验发现COS可有效延缓海鲜调味料和虾肉火腿肠在贮藏时间发生的氧化进程和微生物生长。同时通过高通量分析发现COS对海鲜调味料的优势腐败菌Oceanobacillussp.和虾肉火腿肠的优势腐败菌Bacillussp.有显著抑制作用,并且可以促进两种对虾产品中Bacteroidessp.(新一代益生菌)的生长和虾酱中风味改善菌Virgibacillussp.的繁殖。COS及其衍生物有潜力作为一种天然的防腐抗菌剂,通过控制腐败菌的滋生从而延长产品的货架期。

2.2 抗氧化活性

与其他具有自由基清除活性的碳水化合物一样,COS通过中断自由基链式反应来抑制氧化损伤,其自由基清除潜力已被大多数研究者所证明。COS清除自由基活性的分子机制尚不完全清晰,但主流说法认为COS的氨基会与不稳定的自由基发生反应,形成稳定物质。COS的抗氧化活性受DD和MW的影响,许多研究表明,抗氧化活性随着MW的增加而增加。DP大于3的COS均具有良好的抗氧化属性,DP值为10~12的COS则表现出最佳活性,LI在研究COS抗氧化活性与理化特性之间的关系时,发现5kDa的COS抗氧化能力最佳。

2.3 抗肿瘤

COS具有抗肿瘤活性,是有着巨大潜力和发展前景的抗癌药物,COS的抗肿瘤活性已在体外和体内通过不同的方法进行了广泛的研究。COS的抗肿瘤活性与其理化性质有关,包括MW、DP、DD、电荷分布以及化学修饰等。

COS的抗肿瘤活性不仅在体外实验中得到了证实,而且在各种动物模型和临床试验的体内研究中也得到了证实。COS对肿瘤的增殖具有抑制作用,XU等研究了COS和N-乙酰氨基葡萄糖在肉瘤180(S180)小鼠模型中的抗癌作用,结果表明COS不仅能抑制S180肿瘤中血管内皮生长因子mRNA的表达,还能提高小鼠的免疫力。COS也可以改善药物吸收、稳定药物成分、增加药物靶向性和增强药物释放,是一种很有前途的药物载体。

2.4 抗炎

炎症是宿主对物理损伤、微生物入侵、紫外线照射和免疫反应等不同刺激的重要反应。但过度和长时间的炎症可能会导致各种疾病,如慢性哮喘、风湿性关节炎、多发性硬化症、炎症性肠病、银屑病和癌症。研究表明,口服COS可抑制髓过氧化物酶(myeloperoxidase)、环氧化酶(cyclooxygenase-2,COX-2)和诱导型一氧化氮合酶(induciblenitricoxidesynthase,iNOS)的活化,以及降低白细胞介素和肿瘤坏死因子(tumornecrosisfactor-α,TNF-α)等促炎细胞因子水平。

2.5 抗肥胖

COS的抗肥胖机制还未被完全阐明,目前较为广泛的说法认为COS可能阻断酶或与胆汁酸相互作用,导致脂肪吸收减少和粪便脂肪排泄增加。ZHOU等运用脂质组学发现COS改善了小鼠的糖脂代谢,增强了能量消耗,并进一步预防了高脂饮食小鼠的肥胖,根据脂质组学分析,这些有益作用与脂肪组织代谢差异有关,这些脂质主要富集在涉及胰岛素抵抗、产热、胆固醇代谢、甘油酯代谢和环磷酸腺苷的通路中。作者揭示了COS的抗肥胖机制,为COS运用于减肥食品提供理论基础。

         3、COS在食品添加剂方面的应用

CS因其在食品中的广泛应用而闻名,而COS与CS相比,其生物活性更为优越。因其具有抗菌、抗氧化和免疫刺激活性等多种生物学功能,COS不仅可以保持食品品质和延长货架期,而且可以作为保健品和功能性食品的成分,同时它具有对高等生物无毒无害的特性,是一种很有前景的食品添加剂。

3.1 保鲜剂

COS对不同微生物的抑制作用促进了其在食品中的应用和发展。COS加入膜后在不改变膜的水蒸气渗透性的同时可提高膜对各种细菌(大肠杆菌、蜡样芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、液化沙雷氏菌、植物乳杆菌等)的抗菌活性。有研究成功制备的淀粉-聚氨基甲酸酯-COS复合材料,在引入COS后改善了薄膜的表面亲水性、吸水率以及降解率,同时COS的活性基团对大肠杆菌以及金黄色葡萄球菌具有一定的抑菌活性。

COS也被认为是具有潜在研究价值的抗氧化剂。COS可以通过抑制陈化化合物的形成和提高自由基淬灭能力来防止啤酒风味劣变,COS阻止陈化化合物形成的能力依赖于其MW(2~3kDa)。ZHAO等发现COS可成功抑制啤酒在酿造过程和最终产品中腐败菌的生长,同时COS作为抗菌剂并不会影响酿酒酵母正常发酵过程。实验结果表明,在酿酒过程中使用COS可以控制酿造过程中乳酸杆菌污染导致的啤酒品质下降,MW为2kDa的COS抑制细菌的效果最好。最近一项研究中,CHEN等发现在鲜湿面条中加入COS后4℃条件下面条的货架期延长了3~6d,并且有效抑制了酸度值的增长,这些研究为COS作为食品保鲜剂提供了相应理论依据。

3.2 功能因子添加剂

当前,由于人们对于大健康饮食的需求,功能性食品、保健品和膳食补充剂的开发已经成为了食品领域中的研究热点。COS在促进益生菌生长的同时也能对肠道中的病原体产生抑制作用。COS可以刺激双歧杆菌和乳酸杆菌的生长来改善肠道环境。另有研究发现,低DP-COS可以刺激副干酪乳杆菌和开菲尔乳杆菌的生长,但高DP-COS对它们有较强的抑制作用。COS对双歧杆菌无抑制作用,但对两歧双歧杆菌、卡氏双歧杆菌和婴儿双歧杆菌的生长有促进作用。以上研究可以看出COS具有作为新型益生元的潜力,但其在酸奶中的稳定性较差。ISMAIL等运用包埋技术,使用PLGA纳米颗粒包埋COS,增强COS的稳定性,使其在酸奶的货架期内不会失活,同时作者发现他们利用蜡样芽孢杆菌CS酶对CS进行酶水解而得到的COS与CS母体和市场标准菊粉相比拥有更为优越的益生元活性。COS亦可用作生产功能性食品的原料,以预防与年龄和饮食有关的疾病。一些食品级COS可以保护宿主组织免受病原体的粘附,在相同浓度下,COS的这种作用优于半乳COS等其他低聚糖。由于COS具有抗肿瘤特性,且COS口服后的免疫刺激效果已经过临床测试,因此可将COS用于抗肿瘤食品中。在动物模型中,已证明COS能够减轻体重、降低血清中的甘油三酯和胆固醇水平,并防止肝细胞和脂肪组织中的脂质堆积,因此COS具有成为减肥瘦身功能性食品的潜力。

3.3 风味改善剂

由于COS的抗微生物能力以及抗氧化能力,学者们发现COS可作为风味改善剂添加在各类食品中。郝振铭研究发现在葡萄酒中添加COS不仅有抗氧化和抗菌的作用,同时能明显改善葡萄酒的风味流失情况。气相色谱法结果显示添加COS的葡萄酒中高级醇以及乙酸乙酯等风味物质含量与新鲜葡萄酒相比没有明显变化,而未加COS的老化后葡萄酒风味物质含量降低明显。SHAO等的报道表明,采用0.5g/LCOS溶液浸没采摘后的青番茄果实10min,能够显著改善贮藏果实的品质,使番茄在货架期间拥有更好的色泽与风味。经过COS处理后,果实中番茄红素和β-胡萝卜素的含量增加,这与类胡萝卜素生物合成基因的表达量增加相关。同时,COS能够延缓番茄果实成熟后维生素C含量的下降。此外,COS促进了几种挥发性化合物的释放,使得番茄果实口感更为甜美。这些研究为COS作为风味改善剂的实际运用提供了理论基础。

参考文献：姜紫薇、白顺杰《壳寡糖的生物活性及其在食品添加剂 方面的应用进展》  声明：上述转载或引用文章的内容，仅用于学习和研究为目的，如有不符，立即纠正。