丁酸钠在水产饲料中的研究进展：壳寡糖在水产领域的应用开发
丁酸钠在水产饲料中的研究进展：壳寡糖在水产领域的应用开发COS 能够提高动物特异性免疫能力，这种促进作用是通过调节免疫细胞的增殖和细胞因子的释放来实现的。胸腺和脾是免疫细胞分化和发育的主要场所，它与细胞免疫具有密切的关系，免疫细胞能够分泌细胞因子，而细胞因子是免疫系统重要的信息分子，对于免疫调节具有重要的作用。张元等研究发现 COS 具有明显的免疫增强作用，可能是通过促进小鼠脾淋巴细胞增殖和诱导脾淋巴细胞 1L － β 和 IFN － γ 分泌量的增加而达到增强机体免疫功能。1.1.2 提高机体特异性免疫力1.1.1 提高机体非特异性免疫力 COS 能够提高动物非特异性免疫能力，并能提高血液中酶的活力。张艺等研究发现 COS促进了肝和肾在大菱鲆非特异性免疫的作用，并且能有效激发大菱鲆血清中 ACP 活性，促使其在鱼体的物质代谢中发挥作用，达到提高免疫力和防御疾病目的。这种免疫调节机制可能是通过活化钙/钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ，促进巨噬细胞分泌免疫
壳寡糖 (COS) 具有分子量低、水溶性好、易于被动物吸收和生物活性高等优势。另外，它还具有纯天然、无辐射和无污染等特点。因此，其作为饲料添加剂有其他添加剂所没有的先天优势，它具有增强机体免疫、提高生产性能和调节动物肠道微生物等作用，主要论述 COS 的功能和应用，从而为其在水产领域的应用奠定坚实的理论基础。
01
COS 的功能
1.1 增强机体免疫力
1.1.1 提高机体非特异性免疫力
COS 能够提高动物非特异性免疫能力，并能提高血液中酶的活力。张艺等研究发现 COS促进了肝和肾在大菱鲆非特异性免疫的作用，并且能有效激发大菱鲆血清中 ACP 活性，促使其在鱼体的物质代谢中发挥作用，达到提高免疫力和防御疾病目的。这种免疫调节机制可能是通过活化钙/钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ，促进巨噬细胞分泌免疫细胞因子，如肿瘤坏死因子 － α (TNT － α) 和白细胞介素 1 － β (IL － 1β) 等。蔡文娣等研究发现不同剂量的 COS 均能提高小鼠体内单核巨噬细胞的碳廓清指数，中和高剂量组与对照组相比有显著差异 (P ＜ 0. 05)，说明 COS 能够增强小鼠单核巨噬细胞的吞噬能力，提高小鼠非特异性免疫功能。窦江丽等研究发现适量的 COS 能提高溶血空斑数及血清溶血素水平，增强刀豆蛋白 A诱导的 T 淋巴细胞的增殖和迟发型变态反应，溶血空斑数大体上可以反映抗体形成细胞数。表明 COS能够增强小鼠体液免疫功能，对小鼠的免疫功能有明显的调节作用。酸性磷酸酶 (ACP)、总超氧化物歧化酶 (T － SOD)、溶菌酶 (LSZ)、过氧化物酶 ( POD)、酚氧化物酶 ( PO) 和碱性磷酸 酶(AKP) 等酶活力的高低常被用作衡量对虾免疫活力高低的参照指标。李振达等研究发现在基础饲料中添加适量的 COS 可以显著提高三疣梭子蟹 ACP、T － SOD、LSZ 和 POD 活力 (P ＜ 0. 05)，对 PO 和 AKP 活力促进效果不显著 (P ＞0. 05)。细胞免疫在三疣梭子蟹非特异性免疫防御中起重要作用，血细胞数目的多少常被用来衡量细胞免疫水平的高低。COS 可以显著提高三疣梭子蟹血细胞密度(P ＜0. 05)，对 3 种血细胞所占比例有一定的影响(P ＞0. 05)。
COS 在鱼类和动物中的应用，能提高其非特异性免疫力，增强抗病能力，将 COS 作为免疫刺激剂具有十分广阔的前景。
1.1.2 提高机体特异性免疫力
COS 能够提高动物特异性免疫能力，这种促进作用是通过调节免疫细胞的增殖和细胞因子的释放来实现的。胸腺和脾是免疫细胞分化和发育的主要场所，它与细胞免疫具有密切的关系，免疫细胞能够分泌细胞因子，而细胞因子是免疫系统重要的信息分子，对于免疫调节具有重要的作用。张元等研究发现 COS 具有明显的免疫增强作用，可能是通过促进小鼠脾淋巴细胞增殖和诱导脾淋巴细胞 1L － β 和 IFN － γ 分泌量的增加而达到增强机体免疫功能。
COS 能够激活巨噬细胞，从而提高动物的特异性免疫力。COS 是通过巨噬细胞表面甘露糖受体被巨噬细胞识别结合的，并且这一过程可能在激活巨噬细胞发挥生物学效应中发挥关键性作用。NF －κB 信号通路在 COS 诱导的 NO 产生中具有重要的作用，NO 又作为重要的信号因子在动物免疫增强作用中起到重要的作用。有学者研究发现，COS 通过激活 NF － κB 信号通路，促进 iNOS 基因的表达而增强 NO 的生成，并通过抑制脂多糖 (LPS) 与Toll 样受体 4 (TLＲ4) 等受体的结合，阻断促分裂素原活化蛋白激酶 (MAPK) 信号通路和磷脂酰肌醇 3 激酶/蛋白激酶 B (PI3K/Akt) 信号通路而抑制 LPS 诱导的 IL －1β 和 TNF － α 的过表达，削弱炎症反应和氧化应激而保护经 LPS 诱导后的小鼠。柯海萍等研究发现 COS 能够增强小鼠 IL －1β的表达，而 IL －1β 能诱导活化的 T 细胞的 NK 细胞产生 IFN －γ，IFN －γ 有广泛的调节作用，还可反馈激活巨噬细胞和 NK 细胞。
COS 能够促进脾抗体的生成，并且能显著提高动物的胸腺指数和脾指数。COS 可以降低南美白对虾脂肪和胆固醇沉积，促进肝功能的正常发挥。曹秀明等测定 COS 对荷瘤小鼠胸腺和脾指数的影响，结果显示，高质量分数组 (1. 5%) 能大幅度地增加荷瘤小鼠胸腺和脾质量，表明 COS 对免疫器官无损害作用，能够减除肿瘤对宿主免疫器官的抑制和损害作用，还能提高宿主的免疫力，其机制可能是 COS 对于机体免疫力具有保护和调节作用，而不是直接对肿瘤细胞产生毒作用。COS 体外试验能提高小鼠腹腔巨噬细胞吞噬中性红的能力，提示 COS 有可能是通过调节荷瘤小鼠免疫力实现抗肿瘤作用的。党一兵等研究发现，平均相对分子质量为 1700，聚合度为 7 ～ 16 的 COS 能够提高正常小鼠脾指数，从而提高小鼠的免疫功能。李晓晶等在对仔鸡的研究中发现，COS 促生长和提高免疫的作用优于金霉素，添加 100 mg/kg的 COS 处理组的脾指数和胸腺指数均显著高于金霉素组 (P ＜0. 05)。
COS 可以通过提高动物的特异性免疫力来增强其抗病能力，因此，其在水产领域中具有很高的应用价值。
1.2 抑菌和调节肠道菌群平衡
COS 可以减少肠道内有害菌群的数量，增加肠道中有益菌群的数量，尤其是双歧杆菌的数量，改善肠道环境，促进肠道菌群平衡。
COS 对肠道致病菌具有良好的抑制作用，抑菌机制可能是 －NH 3 与细胞壁内的电负性物质结合后，改变了微生物细胞膜的流通性和通透性，从而抑制微生物的生长。张筠等研究发现 COS对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有显著的抑制作用(P ＜0. 05)。曹维强等研究发现 COS 对大肠埃希氏菌和金黄色葡萄球菌的最低抑制质量分数为 0. 3%，对副伤寒甲沙门菌和宋内志贺菌的最低抑制质量分数为 0. 1%，随着 COS 质量浓度增加，抑菌作用逐渐变强。严钦等发现在酸性条件下，COS 分子中的游离氨基质子化，质子化铵能与细菌带正电的细胞膜作用，干扰细菌细胞膜功能，造成细菌体内细胞质流失，对细菌的生长有抑制作用。其抗菌活性与菌种及浓度有关，且随浓度加大其 抗 菌 活 性 增 强，高 浓 度 时 有 杀 菌 作 用。0. 2%相对分子质量为 950 ～1 350 的 COS 溶液在酸性条件下对大肠杆菌和金色葡萄球菌均有明显的抑制作用。陈虹报道，鹌鹑日粮中添加 COS后，试验组盲肠内容物双歧杆菌数均显著高于对照组 (P ＜0. 05)，大肠肝菌数显著低于对照组 (P ＜0. 05)。
COS 添加在水产饲料中，能抑制肠道有害菌群的生长，有的试验还表明其能促进有益菌群的生长。寡糖可通过调节乳酸杆菌和大肠杆菌这 2 种微生物菌群的平衡来实现对鱼类肠道微生物区系的优化。田娟等在研究 COS 对吉富罗非鱼幼鱼肠道主要菌群方面的影响，发现各 COS 添加组大肠杆菌数量均显著降低 (P ＜0. 05)，乳酸杆菌数量显著增加 (P ＜ 0. 05)。蔡雪峰等研究发现，虹鳟幼鱼饲料中添加不同比例的 COS，各组虹鳟幼鱼肠内细菌的总数间没有显著差异 ( P ＞0. 05)，但各组的肠道优势菌有所变化: COS20 组为棒杆菌属，COS40 组为不动杆菌属和气单胞菌属，而 COS60 组和 COS0 组虽然均为不动杆菌属，但在比例上有差异，且各试验组肠道菌群的多样性降低，肠杆菌科和假单胞菌属减少或消失，说明COS 对虹鳟幼鱼肠道菌群的组成产生影响。
COS 在水产饲料中的应用表明，其能够抑制大多数有害菌群的生长，有的研究还表明其能够促进部分有益菌群的生长，从而提高动物的免疫力，促进生长。因此，其作为新型饲料添加剂具有广阔的前景。
1.3 促进生长作用
1.3.1 对蛋白质合成代谢的调控
研究表明，COS 能影响蛋白质的合成与代谢，调节机体其他物质的代谢，提高饲料的表观消化率和利用率，从而促进动物生长。
田娟等研究发现，在对吉富罗非鱼幼鱼生长性 能方面，饲料添加 0. 30%、0. 50% 和0. 70%COS 组增质量率分别较对照组显著提高12. 53%、16. 17%和9. 47% (P ＜0. 05); 添加 COS各组较对照组饲料系数显著降低 (P ＜0. 05)，饲料干物质和蛋白质的表观消化率均显著升高 (P ＜0. 05)，其机制可能是 COS 通过调节肠道内环境和肠道微生物区系，维持肠黏膜的完整性，从而提高动物的生长性能和饲料利用率。王秀武等试验证明，日粮添加 COS 可显著提高肉仔鸡增质量(P ＜0. 05)，8 周龄体质量比对照组提高 18%，料重比较对照组降低 3. 4%。各周龄平均体质量随COS 添加剂量的增加而增加，7 周龄出栏时 COS 组(125 g/t) 平均体质量增加140 g，提高5. 85%，料重比降低3. 93%。陈虹 报道，日粮中添加0. 05%的 COS 可使鹌鹑 35 日龄体质量提高 7. 6%，料重比降低 4. 5%。
1.3.2 改善肠道组织形态促进营养物质吸收
COS 能够改善肠道组织形态，使肠道绒毛增加，提高肠道的吸收面积，并且还能减少肠壁的厚度，从而促进对营养物质的吸收，提高饲料的转化率和利用率，促进生长。
田娟等研究发现在肠道组织结构方面，与对照组相比，添加 0. 30% 和 0. 50% COS 组的吉富罗非鱼幼鱼前肠绒毛长度显著增加 18. 02%和 23. 21%，宽度显著增加 45. 21% 和 54. 06%，密度显著增加 15. 18% 和 19. 37% (P ＜ 0. 05)。添加0. 3%、0. 5%和 0. 7% COS 组的幼鱼肠壁厚度较对照组分别减少16. 41%、19. 96%和15%。肠道绒毛的增加和肠道组织的增生有利于小肠对于营养物质的吸收和利用，从而促进鱼类的生长。有试验表明，COS 可使大鼠十二指肠和空肠的绒毛长度增长及黏膜增厚，且单位面积内的肠黏膜 AKP 活性增强，提高肠道的消化性能。Huang 等在日粮中添加 COS100 ～150 mg/kg 可提高肉用仔鸡回肠的消化性能，提高生产性能。王秀武等在日粮中添加 0. 1% COS 可促进肉用仔鸡回肠微绒毛的生长发育，8 周龄体质量比对照组提高 18%，料重比降低 3. 4%，显著提高肉用仔鸡的生产性能(P ＜ 0. 05)，其机制可能是 COS 抑制了肠道微生物，改善肠道内环境，促进小肠绒毛的生长，进而
促进了营养物质的吸收。
1.3.3 减少疾病和腹泻的发生概率
综上所述，COS 可以抑制肠道有害菌群的生长，促进肠道有益菌群的生长繁殖，从而降低动物疾病和腹泻的发生几率，提高动物的生长性能。大肠杆菌常引起严重腹泻和败血症，陈虹研究发现日粮中添加 COS 可以优化肠道菌群，以添加 0. 05% COS效果较好，显著降低大肠杆菌数量 (P ＜0. 05)，极显著提高双歧杆菌数量 (P ＜0. 01)。
COS 在水产和畜禽饲料中的添加，可以调控蛋白质的合成代谢，改善肠道组织形态，减少疾病和腹泻的发生几率，进而促进营养物质的吸收，提高饲料的表观消化率和利用率，促进动物的生长，从而带来更多的效益。
02
COS 在水产领域的应用
2.1 作为饲料添加剂
COS 无毒、无热源、无公害和无残留，是一种绿色环保的饲料添加剂。赵玉清等发现COS 作为功能性食品无毒且安全。小鼠毒理试验剂量为每日 1. 25 和 1. 47 g/kg，相当于推荐临床剂量的 312 ～ 368 倍，10 d 内未观察到急性毒性反映。在改善动物生产性能方面，抗生素的效果是其他任何饲料添加剂无法比拟的，抗生素添加剂可获得 5～8 倍的赢利。但是，大量长期在饲料中使用抗生素也确实产生了令人担忧的耐药性和药物残留问题。抗生素的残留不仅影响畜产品的质量和风味，也被认为是动物细菌耐药性向人类传递的重要途径。因此，欧洲委员会限制使用抗生素作为饲料生长添加剂。研究开发天然无毒和高效价廉的绿色饲料添加剂替代抗生素制品成为目前添加剂领域的研究热点和发展趋势。随着人民生活水平的提高，人们越来越关注无公害食品，同时由于药物添加剂对于生态环境的破坏，这就亟待开发出一种绿色的添加剂。COS 相对于其他饲料添加剂还具有不产生耐药性、无药物残留、不对有益菌产生破坏和杀灭等优势。它的理化性质稳定，在胃肠道中不被分解，可被动物直接吸收入血作用于靶细胞，能够持续稳定的提高动物的免疫力。COS 作为免疫增强剂添加到水产饲料中已有许多成功的案例。
随着对 COS 研究的逐渐深入，知道了其具有特殊的生理活性和功能。如增强动物的免疫力、抗肿瘤、调节肠道菌群平衡、提高动物生产性能和调节其他物质的代谢等，并且这些效果都十分显著。高聚合度的 COS 还具有阻碍病原菌生长繁殖的功能，将 COS 添加到水产饲料中，能促进蛋白质合成和细胞活化，从而提高水产动物的生产性能。刘含亮等发现，饲料中添加 200 和 400 mg/kgCOS 后虹鳟的非特异性免疫功能得到显著改善 ( P ＜0. 05)，饲料中添加 100、200 和 400 mg/kgCOS 均提高了虹鳟的特定生长率、增重率和蛋白质效率，降低了饲料系数，表明饲料中添加 COS 对虹鳟的生长有良好的促进作用。Claire 等将健康鲤鱼饲养于 COS 质量浓度为 150 mg/L 的水中作为试验组，正常饲养 96 h 后采集鲤鱼的肝和头肾组织，测其抗体水平，发现试验组的总抗体量显著高于对照组 (P ＜ 0. 05); Ｒefstie 等给大西洋鲑鱼分别饲喂不含和含大豆寡糖的饲料 55 d，结果发现，饲喂含大豆寡糖饲料的试验组大西洋鲑鱼在增重率、饲料转化率及蛋白质和脂肪消化率等方面均优于对照组。马利等研究发现饲料中添加COS 可使高密度脂蛋白胆固醇显著增加 ( P ＜0. 05)，促进脂类代谢，保护各个功能器官正常代谢。
2.2 作为生物保鲜剂
COS 及其衍生物抑菌范围广，抗菌活性强。其来源丰富，制备简单，具有明显的抑菌效果，其降解产物不在人体内蓄积，无毒和不良反应。因此，被广泛应用于水产品的保鲜。
王秀娟等在虾的涂膜保鲜中的研究发现，涂膜组的各项指标明显好于对照组，且以质量分数为 1. 5%COS 保鲜效果最佳; 有添加剂的涂膜效果更明显。这是因为质量分数增大，COS 大分子间容易靠近并相互缠绕成网络结构，形成的凝胶强度大，弹性好，且保水率高，不易脱水。王超等在研究 COS 质量浓度对马粪海胆冷藏过程中品质变化发现，0 ℃条件，TVB － N 和细菌总数均较低 (P ＜0.05)，将该温度条件与 COS 处理复合后，保鲜效果明显增强 (P ＜0. 05)，但不同 COS 质量组间的各项指标差异不大 (P ＞0. 05)，与 4 ℃对照相比，0. 1g/100 mLCOS 质量浓度浸泡处理后冰温贮藏可延长货架期5 ～6 d。这与 COS 对微生物增殖的抑制作用有关，也可能是对微生物的生长代谢产生抑制，从而降低了微生物对海胆非蛋白氮的氧化脱氨基等作用。任西营等研究发现水溶性 COS的响应面坡度较 Nisin 的效果明显，故水溶性 COS对抑菌圈的影响比 Nisin 的显著 (P ＜ 0. 05)。随着水溶性 COS 浓度的增大，抑菌效果明显增加。
2.3 作为重金属吸附剂
COS 及其衍生物由于相对分子质量低，具有良好的水溶性，并且含有大量的羟基和氨基，是一些金属离子的良好配体。它可与一些稀土金属在一定条件下形成稳定的配合物，这种配合物溶于水中，对于重金属具有良好的脱除作用。因此，被广泛应用于重金属的吸附和脱除。
崔丽卿等在探索 COS － Ce 对镉胁迫下大菱鲆生长及镉含量的影响时发现，在高剂量缓解组中，大菱鲆成活率高于镉染毒组，肥满度显著高于镉染毒组 (P ＜ 0. 05)，肌肉中镉含量下降51. 72%。在中剂量缓解组中，大菱鲆肾、肝、肌肉、鳃及骨中镉含量分别下降 28. 31%、26. 73%、25. 86%、21. 88%及 11. 43%，而且肝中谷胱甘肽过氧化物酶 (GSH － Px) 活性显著高于镉染毒组(P ＜0. 05)。表明 COS － Ce 对大菱鲆组织中镉含量有抑制吸收的作用，并且可以提高肝中抗氧化酶活力。这是因为 COS 游离的极性基团羟基 ( －OH)和胺基 ( －NH 2 ) 可以与金属离子配位，并且经过配位的 COS 金属配合物与未配位的 COS 和金属离子相比具有更好的生理活性。羧甲基 COS 是将 COS进行羧甲基化后的产物，它在 COS 原有结构的基础上引入了羧甲基 ( －CH 2 COOH)，既提高了水溶性，又增强了对金属离子的螯合能力。宋彦斌等研究发现取代度为 0. 52，分子量为1 000 u的羧甲基 COS 对毛蚶体内镉残留的脱除效果最好，脱除3 d 后对 Cd 的脱除率比对照组高36.5%。李会英等发现饲料中添加 COS －Ｒee 可以有效地抑制重金属镉在大菱鲆体内的富集积累，提高其成活率。其中 COS －Ｒee 添加量为250 和500 mg/kg 的试验处理组的效果最为显著 (P ＜0.05)。这是由于 COS 可与稀土在一定的条件下生成稳定 COS － Ｒee，将此配合物溶解在水中，对于大菱鲆等体内的重金属具有良好的脱除效果。朱常龙等发现 COS － Ca和 COS － Mg 对栉孔扇贝体内的 Cd 均有一定脱除作用，经 COS － Ca 和 COS － Mg 的处理净化，3 d 内栉孔扇贝体内的 Cd 含量分别降低了 46% 和 41. 8%，并且经净化处理后，栉孔扇贝体内金属钙、铁的含量有所提高; CTS － Zn 树脂对扇贝裙边酶解液中的Cd 的脱除率达 80% 以上，对蛋白质、氨基酸及人体有益的微量元素 (Fe、Zn、Ca 和 Mg 等) 的影响较小。
03
存在的问题
近年来，COS 的研究和开发不仅在国际上得到了广泛的重视，在国内也引起了普遍的关注。有关COS 的研究开发课题相继被列入科技部 “九五”、“十五”和 “十一五”科技攻关计划、国家 “863”计划重大科研项目。虽然 COS 被人们开始广泛关注并利用，但其被广泛应用于饲料添加剂中仍存在着许多问题。比如说，COS 相对于其他饲料添加剂价格偏高，应用于饲料中的效益没有其他饲料添加剂高; COS 应用于饲料添加剂的宣传力度不够，许多偏远地区的人们对于 COS 还不是十分了解; 另外，现在市场上的 COS 产品品质良莠不齐，缺乏一个统一的质量标准; COS 的生产工艺还不够完善，生产低聚合度的 COS 目前还没有比较成熟的技术支撑，还停留在实验室研究阶段。另外，生产 COS 时 H 2 0 2的残留问题也是亟待人们关注并解决的。
04
展望
随着科技的发展，人们已经研制出 “用微波辐射法生产水溶性 COS 技术”。由于其采用 “微波辐射”降解处理技术，整个过程无污染物产生和排出，涉及材料可循环使用。这种制备 COS 的技术前景广阔。对环境无污染，绿色环保，相信很快就会应用到实践中，推动 COS 的应用和发展。
