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一、壳寡糖简介
壳寡糖又叫壳聚寡糖、低聚壳聚糖,是自然界中唯一带正电荷的阳离子碱性氨基低聚糖,是由壳聚糖降解而来的聚合度在 2-20 的低聚糖，分子量<3500。为淡黄色粉末状,完全溶于水，但不溶于丙酮，丁醇，乙醇，乙酸乙酯，丙醇和吡啶，部分溶于甲醇和二甲基亚砜。具有水溶性好、无细胞毒性等特点,易于通过肠吸收,实验表明小鼠在摄入壳寡糖1h后，通过血液就能到达全身各处器官包括脑组织中。在体内主要分布在肾和肝脏中，其次是心和脾，少量分布在肺和脑，主要从尿中排泄。
一般其他的功能性低聚糖如低聚果糖等不被人体吸收，而是在摄入后进入肠道，作为肠道益生菌—双歧杆菌的食物促进其增殖，使双歧杆菌成为优势菌来抑制其他有害菌生长，从而达到调理肠道目的。低聚合度的壳寡糖尤其是DP在2-6的壳寡糖,都具有较高的生物活性。相对于其母体生物材料和其他可用的多糖,壳寡糖具有低分子量、较高的脱乙酰度、较高的聚合度、较低的粘度和完全的水溶性,这使其具有更显著的生物学特性,如抗微生物、抗氧化、抗炎和抗高血压以及药物/DNA传递等。
壳寡糖分子中的羰基与氨基结构容易发生美拉德反应产生非酶促褐变,对壳寡糖的生物活性造成一定影响。考虑到壳寡糖的美拉德反应受温度、pH、相对湿度等的影响,建议尽量将其储存在30℃以下的酸性干燥环境中。与其他糖类一样，壳寡糖对氧化敏感，必须在干燥和惰性条件下保存。对于长期储存，温度应保持在-20℃以下，将其与抗氧化剂如维生素 C 或氯化钠一起储存时，保质期会显著增加。壳寡糖保湿吸湿的效果更显著，有抗菌、抗炎、抗肿瘤、降脂降糖、调节免疫力等特性，因而在医药、食品、农业、化妆品等领域有着广泛的应用。
二、壳寡糖的来源
壳寡糖来源于甲壳素。甲壳素是以海洋动物(如：虾、蟹、鱿鱼等)发展而来的动物纤维素，为自然界资源量位居第二、仅次于植物纤维素的的有机物。同时甲壳素又是到目前为止自然界中发现的唯一带正电荷的多糖类物质。自然界中，甲壳素广泛存在于低等植物菌类、藻类的细胞，节肢动物虾、蟹、昆虫的外壳，贝类、软体动物(如鱿鱼、乌贼)的外壳和软骨等，其每年生物合成的资源量高达100亿吨，其中海洋生物的生成量在10亿吨以上，可以说是一种用之不竭的生物资源。其中节支动物如虾、蟹、昆虫的外壳含量最为丰富，占其外壳含量的20—60％，另外在一些真菌中如子囊菌、担子菌等中细胞壁中也有很高的含量。
甲壳素一般不溶于水，也不溶于一般的有机溶剂和酸碱，化学性质非常稳定，应用有限。人类利用甲壳素源始于中国，在古代，中医便取蟹、虾、甲鱼、龟壳等外壳入药，对各种病症均有良好效果。民间素有“吃虾不丢壳，百病不上门”之说。在古医书《本草纲目》中就有记载：蟹壳具有破淤消积的功能，用于治疗淤血积滞、肋痛、乳痛、冻疮等。甲壳素若脱去分子中的N一乙酰基就转化成为壳聚糖。
壳聚糖是一种天然的无毒生物聚合物,通过甲壳类动物(如蟹,虾和小龙虾)壳的主要成分甲壳素的脱乙酰作用而产生;这时它的溶解性大为改善，因而其应用范围也变大了，在工业、农业、医药、化妆品、环境保护、水处理等领域有广泛的用途。90 年代初，壳聚糖被国际上各大医学和食品营养机构认定为碳水化合物、蛋白质、 脂肪、 维生素、 矿物质之后的第六大生命要素。
壳聚糖是自然界中唯一的动物性膳食纤维，也是自然界唯一带正电荷的碱性多糖，除具有膳食纤维的多种特性和功效外，还有着重要的生理和药理意义，对治疗和预防血脂升高、调节人体免疫力、肿瘤、糖尿病、生理功能失调、心脑血管疾病等有着良好的效果。壳聚糖作为功能材料具有多种用途，因为它具有优异的性质，例如生物相容性，生物降解性，无毒性和吸附性。壳聚糖可用作增粘剂、金属鳌合剂；具有降血压、降血脂、降胆固醇的作用，可用于食品和医药领域；也可作为肥料用于农业产业。
由于壳聚糖分子量大、不溶水等特点，其功能的发挥主要是通过人体消化道中的微生物酶降解形成小量的壳寡糖(1-5％)被人体所吸收。壳聚糖很难直接被人及动物十二指肠吸收发挥作用。
三、壳寡糖的制备
蛋白质、核酸和多糖是构成生命的三类大分子，糖生物学是继基因组学、蛋白质组学研究之后，生命科学的前沿领域。在国际上，寡糖产业已经发展成为一个重要的生物技术产业，甲壳素、壳聚糖和壳寡糖完全是一个可持续发展的生物工程产业。
当前人们利用甲壳动物的外壳制备甲壳素，工业化生产多以虾、蟹壳为原料采用化学法，经过酸碱处理，脱去钙盐和蛋白质，即可得到甲壳素：甲壳素再经强碱在加热条件下脱去乙酰基得到壳聚糖。一般虾蟹壳中甲壳素含量为20-30％，无机物(碳酸钙为主)含量为40％，其他有机物(主要是蛋白质)含量为30％左右。
目前壳寡糖的制备方法有三大类：物理法、化学法和生物酶解法。
1、物理方法主要有超声波处理、微波降解、紫外线照射等方法。物理降解产物结构简单，环境友好。得到的壳寡糖产品纯度较高。但由于该方法的收率较低，对壳寡糖的大规模生产有很大的限制。
2、化学降解法主要有酸水解以及氧化降解等化学方法。特别是酸水解法，因操作方便、生产成本低，从而能够广泛应用于壳寡糖的大规模生产。用于壳聚糖降解的酸性试剂有盐酸、亚硝酸、氢氟酸和磷酸，其中盐酸是应用最广泛的。化学降解的一个关键缺陷是产品成分的复杂性，需要对其进行分离和纯化。此外，化学试剂的使用，特别是一些有毒化学品的使用，会造成环境污染，产生大量有害的副产物。
3、酶降解法就是用生物酶降解壳聚糖得到壳寡糖，酶促过程可以最大限度地减少不利的化学修饰并促进生物活性。目前能够用于壳聚糖酶解制备壳寡糖的酶有很多，大体分为两类：一类是几丁质酶、壳聚糖酶等特异性酶，这两种酶主要存在于微生物中，通常以内切的方式降解壳聚糖分子中的糖苷键，生成壳寡糖。降解效率高，酶用量少，是制备壳寡糖的首选方法；另一类是各种能够催化β—l，4糖苷键裂解的非特异性酶，如纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、溶菌酶和淀粉酶等。酶降解法容易控制，反应温和，降解效率高，对环境污染小，是目前最常用的制备壳寡糖的方法。
功能性寡糖的开发依赖于新酶种、新菌种及新的酶工艺的应用，化学合成会慢慢淡出，生物技术手段，其中包括生物制造及酶工程技术会变得越来越重要，而酶法合成、酶法降解等酶工程手段将是寡糖开发的重点。
壳寡糖水溶性好、分子量低，不但保留了大分子壳聚糖的生理活性，而且展现出更多的活性和生理功用，如抗菌、抗氧化、抗肿瘤、降血糖、增强免疫力等功能，从而具有更多的应用优势。
四、壳寡糖在生物医药领域的应用及机理
壳寡糖及其衍生物仅仅在生物医药方面就具有抗病毒、抗细菌、抗真菌、降压、抗肿瘤、抗氧化、抗肥胖、抗炎、降胆固醇、刺激免疫增强、降血压、降血脂、降胆固醇、促进组织再生、神经保护、伤口愈合、抗过敏性哮喘、增强药物和DNA传递以及钙的吸收等多种生物活性及应用，可有效治疗和预防许多威胁生命的疾病，如癌症、心脏病、糖尿病、肥胖和阿尔茨海默病。
大量的研究表明其多重生物学效应与壳寡糖分子的聚合度、脱乙酰化程度及结构修饰密切相关，壳寡糖分子量的大小可影响其在肠道或血液发挥的作用，确定靶向器官后，壳寡糖的独特分子结构中的氨基和羧基与炎症因子或者蛋白质等物质发挥作用，进而产生一系列的生物活性，如调节肠道菌群、抗肿瘤、保护肝脏、降尿酸、降血糖等。
（一）调节肠道作用
壳寡糖可在肠道中直接或间接作用于微生物，抑制肠道致病菌和促进肠道有益菌的生长。
1、壳寡糖抑制肠道致病菌的主要机制
（1）壳寡糖表面正电荷作用。壳寡糖高浓度的氨基与致病菌细胞膜表面负电荷发生作用，形成复合物，在细胞表面形成不渗透层，阻止营养物质进人细胞，干扰细菌正常生理代谢同。
（2）壳寡糖能与革兰氏阳性致病菌细胞壁成分发生聚合，形成阳性离子沉淀，使细胞膜暴露于渗透压下，溶出细胞质，裂解致病菌细胞。
（3）壳寡糖的螯合作用。壳寡糖鳌合重金属、微量元素、营养物质，限制致病菌生长。
（4）壳寡糖的侵袭作用。壳寡糖直接进攻致病菌细胞膜，与蛋白质发生絮凝作用，扰乱细胞代谢，破坏致病菌DNA合成，阻断RNA的转录，如0.1％壳寡糖可以通过侵袭作用直接进攻致病菌细胞膜，破坏放线菌的形态。
2、壳寡糖促进肠道有益菌生长的主要机制
（1）壳寡糖可以通过促进双歧杆菌、乳酸菌等益生菌生长，提高丁酸等短链脂肪酸及乳酸的分泌量，恢复黏蛋白2和闭合蛋白的表达，保护肠道黏液屏障，维护肠道屏障完整性，进而有效抵御致病菌侵袭。实验证明， 壳寡糖应用于乳制品，可使双歧杆菌增生120倍。
（2）部分分子量较大的壳寡糖进入小肠后段发挥作用，在肠道中被降解为益生菌发酵底物，进而促进双歧杆菌和乳酸菌等的生长，同时抑制肠杆菌和肠球菌。
（3）完全去乙酰化的壳寡糖不能被生物酶消化，从而增加了壳寡糖对益生菌的适用性。
（4）壳寡糖通过与免疫细胞特异性受体结合，激活免疫机制，通过抗体分泌等途径提高机体的免疫力，进而有助于降低对致病菌的易感性，为益生菌提供更好的生长和增殖环境。
（二）抗肿瘤作用
1、抑制肿瘤细胞转移和生长，促进肿瘤细胞凋亡
壳寡糖可以抑制人体静脉内皮细胞的增殖活性、细胞迁移和血管内皮细胞生长因子表达，通过血液运输至靶点部位，低分子量壳寡糖能够有效抑制靶点部位肿瘤细胞转移和生长，促进肿瘤细胞的凋亡过程。
2、调节炎症因子，增强机体抗肿瘤免疫
就目前研究进展发现，壳寡糖主要通过以下几方面提高机体免疫力：
（1）激活巨噬细胞，分泌炎症因子：壳寡糖通过作用肠上皮细胞产生γ干扰素，激活巨噬细胞，释放细胞因子，提高巨噬细胞吞噬能力，抑制多种肿瘤细胞的生长。
（2）提高NK细胞活性：壳寡糖可显著提高NK细胞活性，发挥细胞免疫功能。
（3）促进体液免疫，释放抗体：提高机体血清中免疫球蛋白A、免疫球蛋白M、免疫球蛋白G抗体的数量，增强机体抵抗力。
（4）调控信号通路，调节机体免疫：壳寡糖可通过调控丝氨酸／苏氨酸激酶和丝裂原活化蛋白激酶等信号通路，释放免疫因子，调节机体免疫水平。比如，壳寡糖可促进运动小鼠脾脏和肺的发育，调节血液中淋巴细胞、T细胞和细胞毒性T细胞比率的水平以及血清TNF水平，改善大鼠的免疫状态。
3、提高抗肿瘤药物递送，抑制肿瘤细胞耐药性
壳寡糖通过制剂改造修饰等，可有效提高肿瘤药物的递送性能，进而提高抗肿瘤作用。
（三）对糖尿病的作用
增加膳食纤维的摄入是预防2型糖尿病发病的有效战略，壳寡糖作为一种特殊的动物性膳食纤维，可以很好地起到血糖代谢调节的作用。推荐成人每日使用剂量为22 mg／kg。
壳寡糖在糖尿病治疗过程中具有不同的作用方式：
（1）可以减少线粒体空泡化和肌原纤维的分离和变性等糖尿病心肌病的症状。
（2）抑制碳水化合物水解酶、肠道α—葡糖苷酶和胰腺α—淀粉酶活性，降低血糖。
（3）抑制小肠对葡萄糖的吸收，并延迟葡萄糖的吸收。
（4）减少胰岛B细胞损失，加速胰岛细胞增殖，增加糖耐量和胰岛素分泌，降低空腹血糖。
（5）肠道菌群在糖尿病的发病与恢复过程中发挥着重要作用，通过调节肠道菌群的平衡，改善糖尿病小鼠葡萄糖代谢紊乱现象，调节葡萄糖代谢。
（6）抑制肝脏糖异生、脂质过氧化和肾脏钠—葡萄糖协同转运蛋白2的表达，发挥缓解糖尿病糖代谢异常的潜力。
（四）护肝保肝作用
1、对脂肪肝有疗效
（1）有研究表明DP 2-6的壳寡糖，在使用浓度为400 mg／kg时，可以抑制非酒精性脂肪肝动物肝细胞毒性。壳寡糖可以调控胆固醇调节元件结合蛋白家族基因，有效调控机体脂肪酸、甘油三酯、胆固醇水平，降低谷草转氨酶和丙氨酸转氨酶的产生量，有效抑制脂肪堆积和脂质过氧化，保护肝脏。同时它带有正电荷的特性可以螯合脂肪，防止胆固醇和中性脂肪上升，防治脂肪肝。
（2）壳寡糖可加速酒精在人体内的代谢过程。酒精进入体内，被肝脏分解，变成乙醛，造成酒后头痛、恶心，给肝脏带来损害。壳寡糖可以提高肝脏功能促进解毒作用，使乙醛被迅速分解，缩短酒精及其代谢产物在体内的停留时问，减少了脏器对这些物质的吸收，降低了单位时间内血液中的酒精浓度，明显缩短醒酒时间，加快酒后运动失调的恢复，从而降低酒精性脂肪肝的发生。
2、清除肝脏毒素，增强肝脏功能
（1）壳寡糖具有很强的吸附性，能够吸附体内有害重金属和其它毒素并排出体外，以减少毒素对肝脏的损伤；
（2）壳寡糖在体外和体内都具有很好的抗氧化性，可以提高机体的抗氧化酶系的活性(如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶等)，这有助于清除体内的多种自由基和活性氧，降低它们对肝脏的攻击；
（3）壳寡糖保护正常肝细胞的分泌、代谢和排泄功能，增强肝细胞生物转换机能，让进入体内的有害物质迅速排出体外，修复受损伤的肝细胞，并促使其产生肝炎病毒抗体，预防肝炎；
（4）壳寡糖更能增强巨噬细胞、自然杀伤细胞(NK细胞)、攻击肿瘤细胞(LAK)的活性，促进白介素的生成持久性，提高机体免疫力，以达到间接保护肝脏的作用。
（五）调节胆固醇、降低血脂作用
壳寡糖可以从肠道局部和全身两个方面产生降脂和减肥作用：
（1）壳寡糖容易和胆汁酸结合并排出体外(促进胆汁酸由粪中排泄)那么，为了保持胆囊中有一定的胆汁酸储备，就必须在肝脏中将胆固醇转化成胆汁酸，因而血液中胆固醇含量必然下降。
（2）由于壳寡糖可抑制胆固醇酯酶，这样就会阻碍食物中胆固醇酯在肠道里的吸收，血液中的胆固醇含量也就随之下降。
（3）壳寡糖可以抑制HMG—CoA还原酶，因此是一种天然的HMG—CoA还原酶抑制剂。HMG--CoA还原酶是胆固醇合成的重要催化酶，抑制了它的活性，就可以减少胆固醇的合成。临床上有一类重要的降脂药物HMG—CoA还原酶抑制剂，如洛司他汀、辛伐他汀等非常有效。
（4）实验证明，壳寡糖低浓度(10微克／毫升)下可抑制胰脂酶分解脂肪的活性，这就表示壳寡糖有减少脂肪在体内吸收的功能。
（5）因为壳寡糖溶解后可形成带有正电荷的阳离子基团，所以在体内能聚集在带负电的油滴(油滴表面所以带负电是因为油脂被卵磷脂乳化后，卵磷脂就分布在油滴表面，而卵磷脂分子中磷的部分是带负电荷的)周围，形成屏障而妨碍吸收。
（6）壳寡糖具有强大的吸附能力，能够以强大的吸附形式吸附油脂类物质，加上壳寡糖在肠道中有增加肠道内容积促进肠管蠕动而排便，使油脂类食物在肠道内停留时间缩短，所以综合以上作用，油脂的吸收就大大减少了。
五、壳寡糖在农业领域的应用及机理
（一）在动物养殖中的作用
（1）壳寡糖在改善肉品质、提高酮体瘦肉率、改善动物产品风味等方面的功能，在日粮中添加壳寡糖可以降低皮下脂肪沉积，提高肉鸡胸肌和腿肌红度，降低腿肌黄度，也是提高肌肉脂肪和肌苷酸含量的有效途径；
（2）在某些动物幼年时期壳寡糖可起到升血糖的功能，促进新生机体的存活能力。对于新生仔猪，壳寡糖能提高其血糖水平，增强仔猪的糖异生能力，提高仔猪将非糖物质转化为葡萄糖的能力，提高仔猪的存活率。
（3）壳寡糖作为水产饲料添加剂和免疫刺激剂，调节鱼类肠道微生态，帮助鱼类建立良好的微生物区系，抑制肠道病原微生物，提高免疫力和饵料利用率，降低胆固醇，进而提高鱼类的健康水平和生长性能。
（4）壳寡糖能明显减轻高脂饮食喂养的小鼠的体重、肝脏和附睾脂肪的重量，降低血清中甘油三酯和胆固醇的水平。降低了脂肪细胞大小，减轻了肝脂肪变性，具有肝脏保护和抗肥胖作用。
（二）在植物种植中的作用
在农田中施加壳寡糖不仅可以起到抑菌、抗病毒功效，还能在一定程度上对植物的生长发育起到调节作用。100mg/L壳寡糖在番茄幼苗叶面喷施后可改善番茄幼苗叶片对干旱的适应性，从而增强番茄的抗旱能力。喷施壳寡糖对拟南芥、小麦、玉米、水稻、大豆等植物的抗旱性报道较多。
（三）在农产品贮藏保鲜的作用
用壳寡糖制成的纯天然保鲜剂，保鲜效果显著，可满足果蔬、肉制品贮藏、运输和销售等环节的保鲜要求。
（1）用0.5％壳寡糖溶液处理贮前皇冠梨果实，可有效降低低温下果皮褐变病症的发生，并能较好地保持果实贮藏品质。
（2）壳寡糖能够改变鲢鱼冷藏过程中的菌相组成且抑制其优势腐败菌属假单胞菌和气单胞菌的生长；壳寡糖处理能够显著抑制鱼肉菌落总数和挥发性盐基氮的生成，同时显著延缓肌苷酸及次黄嘌呤核苷酸的降解，进而减少次黄嘌呤的生成。壳寡糖能够显著提高鲢鱼贮藏过程中的品质，这主要通过抑制优势腐败菌属的生长实现。
六、在功能性食品领域的应用
壳寡糖具有强效的益生元和抗氧化活性，近几年，随着肠道调节、免疫健康、代谢管理和口服美容等健康领域的兴起，壳寡糖作为一种可溶于水、可被肠道吸收且生物活性丰富的功能性食品原料，在目前火热的功能性食品领域引起了广泛关注。
（1）壳寡糖与白芸豆在体重管理方面搭配应用的产品屡见不鲜，如白芸豆壳寡糖咀嚼片；壳寡糖搭配益生菌，在肠道保护方面的产品也层出不穷，比如壳寡糖益生菌固体饮料；壳寡糖搭配胶原蛋白，在口服美容市场也占有一席之地，比如花萃胶原蛋白水和胶原蛋白壳寡糖果味饮料；酸奶中添加2000 Da分子量的壳寡糖，通过纳米颗粒技术改善其稳定性可保持3周货架期；壳寡糖搭配海洋鱼低聚肽和酸樱桃粉，开发了降尿酸的固体饮料。有研究表明壳寡糖复合固体饮料可以影响糖尿病小鼠肠道菌群的组成和多样性，并且促进有益菌的生长与增殖，降低条件致病菌的相对丰度，从而促进肠道健康，还可辅助降低小鼠血脂及稳定血糖。
（2）壳寡糖在食品领域还可用作抗氧化剂和防腐剂等，可以被有效添加到传统食品中，如饼干、面条和面包等。添加l％分子量小于3000 Da的壳寡糖不仅能增加海绵蛋糕的抑菌性，使蛋糕组织结构更松软，还可以增加饼干的抗氧化性，同时可以改善饼干的外观、内部结构和食用品质。
（3）壳寡糖还可以作为一种特殊的动物性膳食纤维，部分聚合度较大的(>5)壳寡糖可以直接到达肠道，促进肠道代谢，部分聚合度小的壳寡糖(2～5)通过吸收进入血液，运输到肾脏、肝脏和胰腺等靶器官，调节靶器官的分泌代谢，进而有效调控代谢综合征相关的特定健康问题，如调节血糖、血脂和降尿酸等，对肾脏具有较好的保护和缓解作用。
七、在化妆品领域的应用
壳寡糖来源于生物提取物，其特殊的分子结构决定了壳寡糖具有优良的保湿增湿性能，同时可抑制皮肤表面细菌，活化表皮细胞，增强皮肤弹性，抗氧化及促通透，与传统的保湿增湿剂相比，保湿效果较佳，从而应用于美容、化妆、护肤、抗衰老等精细化工领域。日、韩等国利用壳寡糖的特殊功能已研制出多种日化产品，如 “Essence”、“Cleansing Cream”等。壳寡糖的绿色天然的特性符合世界日化产品的发展趋势，含天然活性物质的化妆品顺应回归自然、科学美容的消费趋势，具有很大的发展潜力。
