1、結構與性質

COS的DP在一個鏈段中從2到20個單元不等,且每個鏈段的N-乙酰化殘基的比例以及氨基葡萄糖殘基和N-乙酰氨基葡萄糖殘基的排列方式都存在差異。DP和脫乙酰度(degreeof deacetylation,DD)是COS的主要特性和關鍵因素,直接影響其理化性質與生物活性,相同DP的COS也會因為脫乙酰化程度或乙酰基排列方式的不同,從而使其性質存在差異。DP和MW決定了COS的溶解度。COS溶于水,但不溶于丙酮類有機溶劑,而DP為2~4的COS易溶于甲醇。研究發現,與低DP和高MW的低聚物相比,具有相對高DP(6以上)和低MW的COS具有更高的生物活性。

COS獨特的生物活性來源于它的3種活性官能團,一種是位于C-2的伯氨基,另兩種是分別位于C-3和C-6位的羥基。許多學者采用季銨化型、羧基化型、沒食子酰化型和硫酸化型等方法,制備了N-改性、O-改性和N,O-改性等COS衍生物。這些COS衍生物一般都具有更好的特性,包括但不限于可調節表面電荷、在水溶液中具有出色的溶解性以及可包裹水溶性較差的藥物。

2、生物活性

2.1 抗菌活性

1979年首次發現了CS及其衍生物具有廣譜抗菌活性后,CS和COS因其抗菌活性而廣為人知。迄今為止,許多研究報道了COS對多種類型細菌和真菌均具有抗菌和抗真菌活性。但這些研究結果存在諸多矛盾,之前許多研究聲稱COS活性隨著其MW的升高而增加,但也有研究表明在某些情況下低MW的COS抗菌效果更好。

此外,SAHARIAH等發現,CS的抗菌活性隨著MW的增加而增加,而當MW達到高活性的臨界MW后,MW的增加對活性沒有明顯影響。產生這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的質量、純度、分析方法的差異。在之前大部分研究中,使用的COS的特性很差,其中的MW和實際組成并不完全清晰。由于這些研究結果的不確定性和矛盾性,學者們對其抗菌結果存在懷疑。雖然現在已經可以制備出具有明確DP和DD的COS產品,但它們仍然是不同乙酰化模式COS的混合物。目前,COS抗菌活性的分子機制尚不完全清楚,但一般認為COS結構中的主氨基是其抗菌能力的關鍵,COS上的質子化氨基與微生物表面帶負電荷的基團結合,是其抗菌的主要作用模式,帶有正電荷氨基的COS由于靜電作用移動到細菌的表面與肽聚糖作用使其水解,最終導致胞內容物外泄。第二種被廣泛提出的作用模式涉及到微生物外膜通透性,COS通過改變細胞膜的滲透性導致細菌死亡,而細胞膜是保護細胞成分和控制物質從環境進入細胞的重要結構,同時有研究表明COS可以通過離子鍵的形式影響微生物的營養物質運輸。第三種機制提出帶正電荷的COS可以與微生物表面帶負電荷的大分子成分結合并吸收到微生物細胞壁中,穿過細胞膜和細胞質后在核區與DNA相互作用并阻斷RNA轉錄。最后KONG等[8]發現細菌表面的金屬離子會與COS發生螯合作用,且當體系中的pH大于COS的pKa時,螯合作用的效果甚至會強于靜電作用,從而破壞細菌的細胞壁達到抗菌效果。基于COS的抑菌機制,學者們開始驗證COS運用在食品領域中保鮮應用的可能性。張苗苗等發現COS可有效抑制腐敗真菌的生長,經過COS處理后黑曲霉、赭曲霉、雜色曲霉等均表現出不同程度的細胞膜凹陷褶,細胞通透性增大,細胞成分大量泄漏,細胞膜受損等現象。黃曉月將自主研制的蝦源COS產品COS50添加到海鮮調味料和蝦肉火腿腸中,通過恒溫貯藏實驗發現COS可有效延緩海鮮調味料和蝦肉火腿腸在貯藏時間發生的氧化進程和微生物生長。同時通過高通量分析發現COS對海鮮調味料的優勢腐敗菌Oceanobacillussp.和蝦肉火腿腸的優勢腐敗菌Bacillussp.有顯著抑制作用,并且可以促進兩種對蝦產品中Bacteroidessp.(新一代益生菌)的生長和蝦醬中風味改善菌Virgibacillussp.的繁殖。COS及其衍生物有潛力作為一種天然的防腐抗菌劑,通過控制腐敗菌的滋生從而延長產品的貨架期。

2.2 抗氧化活性

與其他具有自由基清除活性的碳水化合物一樣,COS通過中斷自由基鏈式反應來抑制氧化損傷,其自由基清除潛力已被大多數研究者所證明。COS清除自由基活性的分子機制尚不完全清晰,但主流說法認為COS的氨基會與不穩定的自由基發生反應,形成穩定物質。COS的抗氧化活性受DD和MW的影響,許多研究表明,抗氧化活性隨著MW的增加而增加。DP大于3的COS均具有良好的抗氧化屬性,DP值為10~12的COS則表現出最佳活性,LI在研究COS抗氧化活性與理化特性之間的關系時,發現5kDa的COS抗氧化能力最佳。

2.3 抗腫瘤

COS具有抗腫瘤活性,是有著巨大潛力和發展前景的抗癌藥物,COS的抗腫瘤活性已在體外和體內通過不同的方法進行了廣泛的研究。COS的抗腫瘤活性與其理化性質有關,包括MW、DP、DD、電荷分布以及化學修飾等。

COS的抗腫瘤活性不僅在體外實驗中得到了證實,而且在各種動物模型和臨床試驗的體內研究中也得到了證實。COS對腫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,結果表明COS不僅能抑制S180腫瘤中血管內皮生長因子mRNA的表達,還能提高小鼠的免疫力。COS也可以改善藥物吸收、穩定藥物成分、增加藥物靶向性和增強藥物釋放,是一種很有前途的藥物載體。

2.4 抗炎

炎癥是宿主對物理損傷、微生物入侵、紫外線照射和免疫反應等不同刺激的重要反應。但過度和長時間的炎癥可能會導致各種疾病,如慢性哮喘、風濕性關節炎、多發性硬化癥、炎癥性腸病、銀屑病和癌癥。研究表明,口服COS可抑制髓過氧化物酶(myeloperoxidase)、環氧化酶(cyclooxygenase-2,COX-2)和誘導型一氧化氮合酶(induciblenitricoxidesynthase,iNOS)的活化,以及降低白細胞介素和腫瘤壞死因子(tumornecrosisfactor-α,TNF-α)等促炎細胞因子水平。

2.5 抗肥胖

COS的抗肥胖機制還未被完全闡明,目前較為廣泛的說法認為COS可能阻斷酶或與膽汁酸相互作用,導致脂肪吸收減少和糞便脂肪排泄增加。ZHOU等運用脂質組學發現COS改善了小鼠的糖脂代謝,增強了能量消耗,并進一步預防了高脂飲食小鼠的肥胖,根據脂質組學分析,這些有益作用與脂肪組織代謝差異有關,這些脂質主要富集在涉及胰島素抵抗、產熱、膽固醇代謝、甘油酯代謝和環磷酸腺苷的通路中。作者揭示了COS的抗肥胖機制,為COS運用于減肥食品提供理論基礎。

         3、COS在食品添加劑方面的應用

CS因其在食品中的廣泛應用而聞名,而COS與CS相比,其生物活性更為優越。因其具有抗菌、抗氧化和免疫刺激活性等多種生物學功能,COS不僅可以保持食品品質和延長貨架期,而且可以作為保健品和功能性食品的成分,同時它具有對高等生物無毒無害的特性,是一種很有前景的食品添加劑。

3.1 保鮮劑

COS對不同微生物的抑制作用促進了其在食品中的應用和發展。COS加入膜后在不改變膜的水蒸氣滲透性的同時可提高膜對各種細菌(大腸桿菌、蠟樣芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌、液化沙雷氏菌、植物乳桿菌等)的抗菌活性。有研究成功制備的淀粉-聚氨基甲酸酯-COS復合材料,在引入COS后改善了薄膜的表面親水性、吸水率以及降解率,同時COS的活性基團對大腸桿菌以及金黃色葡萄球菌具有一定的抑菌活性。

COS也被認為是具有潛在研究價值的抗氧化劑。COS可以通過抑制陳化化合物的形成和提高自由基淬滅能力來防止啤酒風味劣變,COS阻止陳化化合物形成的能力依賴于其MW(2~3kDa)。ZHAO等發現COS可成功抑制啤酒在釀造過程和最終產品中腐敗菌的生長,同時COS作為抗菌劑并不會影響釀酒酵母正常發酵過程。實驗結果表明,在釀酒過程中使用COS可以控制釀造過程中乳酸桿菌污染導致的啤酒品質下降,MW為2kDa的COS抑制細菌的效果最好。最近一項研究中,CHEN等發現在鮮濕面條中加入COS后4℃條件下面條的貨架期延長了3~6d,并且有效抑制了酸度值的增長,這些研究為COS作為食品保鮮劑提供了相應理論依據。

3.2 功能因子添加劑

當前,由于人們對于大健康飲食的需求,功能性食品、保健品和膳食補充劑的開發已經成為了食品領域中的研究熱點。COS在促進益生菌生長的同時也能對腸道中的病原體產生抑制作用。COS可以刺激雙歧桿菌和乳酸桿菌的生長來改善腸道環境。另有研究發現,低DP-COS可以刺激副干酪乳桿菌和開菲爾乳桿菌的生長,但高DP-COS對它們有較強的抑制作用。COS對雙歧桿菌無抑制作用,但對兩歧雙歧桿菌、卡氏雙歧桿菌和嬰兒雙歧桿菌的生長有促進作用。以上研究可以看出COS具有作為新型益生元的潛力,但其在酸奶中的穩定性較差。ISMAIL等運用包埋技術,使用PLGA納米顆粒包埋COS,增強COS的穩定性,使其在酸奶的貨架期內不會失活,同時作者發現他們利用蠟樣芽孢桿菌CS酶對CS進行酶水解而得到的COS與CS母體和市場標準菊粉相比擁有更為優越的益生元活性。COS亦可用作生產功能性食品的原料,以預防與年齡和飲食有關的疾病。一些食品級COS可以保護宿主組織免受病原體的粘附,在相同濃度下,COS的這種作用優于半乳COS等其他低聚糖。由于COS具有抗腫瘤特性,且COS口服后的免疫刺激效果已經過臨床測試,因此可將COS用于抗腫瘤食品中。在動物模型中,已證明COS能夠減輕體重、降低血清中的甘油三酯和膽固醇水平,并防止肝細胞和脂肪組織中的脂質堆積,因此COS具有成為減肥瘦身功能性食品的潛力。

3.3 風味改善劑

由于COS的抗微生物能力以及抗氧化能力,學者們發現COS可作為風味改善劑添加在各類食品中。郝振銘研究發現在葡萄酒中添加COS不僅有抗氧化和抗菌的作用,同時能明顯改善葡萄酒的風味流失情況。氣相色譜法結果顯示添加COS的葡萄酒中高級醇以及乙酸乙酯等風味物質含量與新鮮葡萄酒相比沒有明顯變化,而未加COS的老化后葡萄酒風味物質含量降低明顯。SHAO等的報道表明,采用0.5g/LCOS溶液浸沒采摘后的青番茄果實10min,能夠顯著改善貯藏果實的品質,使番茄在貨架期間擁有更好的色澤與風味。經過COS處理后,果實中番茄紅素和β-胡蘿卜素的含量增加,這與類胡蘿卜素生物合成基因的表達量增加相關。同時,COS能夠延緩番茄果實成熟后維生素C含量的下降。此外,COS促進了幾種揮發性化合物的釋放,使得番茄果實口感更為甜美。這些研究為COS作為風味改善劑的實際運用提供了理論基礎。

參考文獻：姜紫薇、白順杰《殼寡糖的生物活性及其在食品添加劑 方面的應用進展》  聲明：上述轉載或引用文章的內容，僅用于學習和研究為目的，如有不符，立即糾正。