壳聚糖及其衍生物：从定制合成到多维度生物活性及食品工业中的变革性应用——综述

《Food Chemistry: X》：Chitosan and its derivatives: From tailored synthesis to multifaceted bioactivities and transformative applications in the food industry – a review

　　

壳聚糖（chitosan, CS）是一种天然阳离子多糖，由甲壳素脱乙酰化制得，其低分子量衍生物——壳聚糖寡糖（chitosan oligosaccharides, COS）因水溶性更佳而展现出更强的生物功能。CS与COS结构中含有反应性氨基和羟基，可通过化学修饰制备具有增强生物活性的衍生物。本综述全面回顾了CS、COS及其衍生物的定制制备策略，涵盖化学降解法、酶降解法和物理降解法，并系统阐述了其多维度生物活性，包括促进营养吸收与动物生长、调节微生物群落、免疫调节、抗氧化及抗炎作用。此外，研究人员还深入探讨了这些化合物在食品工业中的多样化应用，如功能性食品配料、抗氧化剂、抗菌剂、防腐剂、递送载体及包装材料。尽管前景广阔，但在机制理解、规模化生产和监管审批方面仍存在显著空白。本综述旨在弥合基础研究与工业应用之间的鸿沟，强调未来需聚焦于精准结构-活性关系解析、人工智能驱动的工艺优化以及可持续制造技术，从而充分释放壳聚糖基材料在食品科学领域的潜力。

论文解读文章

研究背景与意义

甲壳素是自然界中储量第二大的生物质资源，主要来源于海洋甲壳类动物的外壳、昆虫外骨骼以及真菌细胞壁。通过脱乙酰化处理，甲壳素可转化为壳聚糖（chitosan, CS），一种由葡萄糖胺残基组成的阳离子多糖。然而，高分子量的CS导致其水溶性和生物利用度较低。通过降解CS可获得壳聚糖寡糖（chitosan oligosaccharides, COS），其分子量通常低于3900 Da，聚合度（degree of polymerization, DP）介于2至20之间，脱乙酰度（degree of deacetylation, DD）超过90%。由于较低的分子量和较高的DD，COS表现出优异的水溶性和更强的细胞相互作用能力，进而发挥抗氧化、免疫调节、抗炎、保肝及抗菌等多重生物功能。此外，CS和COS结构中C₂、C₃和C₆位点的反应性氨基和羟基使其易于进行化学修饰，从而获得具有增强生物活性的衍生物。鉴于其无毒特性，CS及其衍生物在生物医学材料、食品工业、医药和人类营养等领域具有广泛应用前景。现有综述虽已涉及CS的某些方面，但缺乏对其定制制备、多维度生物活性及食品工业应用的整合视角。因此，研究人员开展此项综述，旨在提供一体化视角，系统梳理CS及其衍生物的定制合成策略、多维生物活性及在食品工业中的应用前景，同时批判性地评估机制空白并提出未来精准应用的策略。

主要关键技术方法

研究人员系统回顾了CS及其衍生物的三大类制备方法。化学降解法利用盐酸、过氧化氢等试剂在酸性条件下质子化糖苷键氧原子，实现聚合物链的随机断裂，操作简便、成本低廉，但产物DP控制差且产生有害废液。酶降解法采用特异性壳聚糖酶或几丁质酶选择性切割糖苷键，可获得DP范围窄、纯度高的COS产品，但酶生产成本高、反应动力学慢。物理降解法主要运用超声波和微波能量破坏分子间相互作用并裂解糖苷键，处理快速且环境友好，但能耗高且对特定链长的选择性不足。研究人员还指出，将物理方法与化学或酶法结合可加速降解速率、降低酸或酶用量并缩短反应时间。

研究结果

3.1 促进营养吸收与动物生长

研究表明，COS通过三种关键机制促进营养吸收和动物生长：(1) 增强氨基酸、葡萄糖和Ca²⁺等关键营养素的吸收与利用；(2) 通过增加肠绒毛高度和紧密连接蛋白改善肠道功能；(3) 上调生长激素（growth hormone, GH）和胰岛素样生长因子（insulin-like growth factor, IGF）水平，共同加速动物生长。例如，COS补充提高了母猪胎盘中的氨基酸转运体表达，并增加了断奶仔猪小肠黏膜中的多种氨基酸含量。

3.2 调节微生物群落

CS及其衍生物作为有效的抗菌剂，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌和沙门氏菌等多种病原菌具有抑制作用。其抗菌机制涉及结合细胞包膜并破坏细菌细胞膜的完整性与通透性。同时，CS和COS还表现出显著的益生元特性，能够促进乳酸杆菌和双歧杆菌等有益菌的生长，并通过调节肠道微生物群产生短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs），进而影响肠道-免疫轴和肠道-脑轴。

3.3 免疫调节活性

CS及其衍生物能够增强免疫功能。研究显示，CS处理可下调CD80和CD14的表达，并上调诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase, iNOS）的表达，支持其在单核细胞和巨噬细胞分化中的作用。COS单体处理增强了巨噬细胞的吞噬和胞饮活性，并诱导树突状细胞样分化。在环磷酰胺诱导的免疫抑制小鼠模型中，CS和COS通过恢复淋巴细胞增殖、自然杀伤细胞活性和CD4⁺/CD8⁺比值，发挥免疫保护作用。

3.4 抗氧化活性

CS和COS通过清除自由基和增强抗氧化酶活性发挥抗氧化功能。体外实验表明，COS对DPPH、超氧阴离子和过氧化氢具有强清除活性。体内研究证实，COS可提高超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase, GSH-Px）和过氧化氢酶（catalase, CAT）的活性，同时降低丙二醛（malondialdehyde, MDA）水平。机制上，CS和COS通过激活核因子红系2相关因子2/抗氧化反应元件（Nrf2/ARE）信号通路，上调下游细胞保护基因的转录。

3.5 抗炎活性

CS及其衍生物通过抑制炎症介质的产生和释放发挥抗炎作用。COS可增加抗炎因子（IL-10和TGF-β1）并减少促炎因子（TNF-α和IL-6）。在脂多糖诱导的乳腺上皮细胞炎症模型中，COS通过抑制Toll样受体4（TLR4）和炎症细胞因子的过度产生发挥保护作用。机制研究表明，CS和COS的抗炎作用主要通过抑制MAPK和NF-κB信号通路以及失活NLRP3炎症小体来实现。

3.6 其他生物活性

CS及其衍生物还具有成膜性、凝胶性、吸附和絮凝能力。其成膜能力使其成为天然食品防腐剂和涂层材料。此外，COS在促进骨形成、减轻酒精性肝损伤、降低胆固醇和抗肥胖等方面也显示出潜力。

讨论与结论

本综述全面总结了CS及其衍生物在食品工业中的多样化应用。作为功能性食品配料，CS可与膳食脂肪和胆汁酸结合形成不可消化复合物，用于降低血脂；同时作为益生元调节肠道菌群。作为抗氧化剂，CS基复合膜可延长水果保质期，Maillard反应产物可保护乳化油免受氧化。作为抗菌剂，CS及其席夫碱衍生物对革兰氏阴性和阳性菌均有效，酚酸接枝CS可增强其抗菌活性。作为防腐剂，CS涂层可维持鱼肉和果蔬品质，抑制微生物生长。作为递送载体，CS纳米颗粒可实现生物活性化合物的高封装效率和控释。作为包装材料，CS因其生物相容性和可降解性被视为石油基塑料的替代品。结论指出，CS及其衍生物凭借其多维度生物活性，在食品工业中具有广阔的应用前景，但未来仍需聚焦于精准结构-活性关系解析、人工智能驱动的工艺优化以及可持续制造技术的发展。