壳聚糖在水产养殖中的研究进展

刘 勇 龚建海 魏 能

壳聚糖(chitosan)是甲壳素(chitin)脱乙酰基后得到的一种带正电荷的高分子碱性多糖。甲壳素广泛存在于低等动物尤其是节肢动物(如虾、蟹)的外壳中，也存在于藻类、真菌细胞壁中。全世界每年虾、蟹等水产品加工后的甲壳废弃物有100多万吨，其中含有的甲壳素相当丰富。壳聚糖具有良好的生物相容性和生物可降解性，并且具有安全、高效、无毒、无残留等优点，因此已在食品、环保、医药、农业等诸多领域表现出了巨大的应用潜力。

1 壳聚糖的结构特点

壳聚糖(chitosan)又名聚氨基葡萄糖，是甲壳素脱去乙酰基后得到的高分子直链型多糖。壳聚糖是由氨基葡萄糖单体聚合而成的聚合物(含有部分乙酰氨葡萄糖)，互相之间能以氢键结合。由于脱去了乙酰基，整个分子带正电荷。壳聚糖依其脱乙酰程度不同，而具有不同的正电荷，依据其不同的分子量有不同的黏度，不同的脱乙酰程度及黏度决定了其不同的生理活性。

2 壳聚糖的抗菌特性及其机理

壳聚糖具有广谱抗菌性，对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌都具有抑制和杀灭作用。庄承纪等(1998)在养殖罗氏沼虾（Macrobrachium rosenberg）和斑节对虾(Penaeus monodon)虾苗的水体中加入气单胞菌和弧菌，研究中发现，壳聚糖可显著抑制气单胞菌和弧菌的生长。蒋玉燕等(1995)通过对275株临床分离的病原菌进行体外抗菌活性的测定，结果表明:壳聚糖具有天然的抗菌活性，对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌以及白色念珠菌均有明显的抑制和杀灭作用，并且壳聚糖对革兰氏阳性菌的抑制和杀灭作用要比对革兰氏阴性菌的作用快速而强大，当壳聚糖浓度为5 mg/ml及6 mg/ml时，革兰氏阳性菌对壳聚糖的敏感性较革兰氏阴性菌敏感性高两倍以上。宋献周等(2000)报道，用脱乙酰程度80.7%的壳聚糖加入培养基，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草杆菌、产气夹膜杆菌、以及鱼体表面的杂菌都有抑制作用，且分子量小的壳聚糖作用比分子量大的壳聚糖效果好。

目前对壳聚糖的抗菌机理已取得了较为一致的看法。宋献周等认为其抑菌机理是壳聚糖进入菌体内与带负电荷的细胞质发生作用，扰乱细胞的正常代谢。而郑连英等(1999)考察了不同分子量壳聚糖的抑菌性能则认为：对革兰氏阳性菌，壳聚糖的抗菌作用随其分子量的增大而加强，因为大分子壳聚糖更易在革兰氏阳性菌表面形成致密外膜，阻止营养物质进入；对革兰氏阴性菌，随壳聚糖分子量的减小其抗菌作用增强，因为壳聚糖的分子量越小，越容易通过革兰氏阴性菌细胞壁的空隙结构进入到细菌体内，与胞内带负电荷的物质发生絮凝作用，从而干扰细胞的新陈代谢，达到杀菌的目的。

3 壳聚糖在水生动物生长中的作用

3.1 壳聚糖对水生动物生长的影响

壳聚糖可以促进水生动物的生长，降低饵料系数。刘兴国等(2004)报道，壳聚糖可以提高罗非鱼的生产性能，在饲料中添加0.25%～2.0%的壳聚糖，当添加量为0.5%时罗非鱼的饵料系数最低，较对照组的饵料系数显著降低24.1%。陈勇等（2006）的研究发现，在异育银鲫(Carassius auratus gibelio)的饲料中分别添加0.125%、0.25%、0.75%、1.0%的壳聚糖，当添加量为0.5%时异育银鲫的特定生长率、蛋白质效率最高，同时其饵料系数最低。当添加量超过0.5%时特定生长率、蛋白质效率和饵料系数的变化都不显著。于东祥等（2000）对真鲷(Pagrosomus major)的研究有类似报道，饲料中添加0.5%和1.0%的甲壳胺（甲壳素完全脱乙酰基后的产物）可以提高真鲷的相对增重率，并且0.5%添加组的添加效果要比1.0%添加组的效果更好。Gopalakannan等(2006)也发现饲粮中添加壳聚糖可以显著提高鲤鱼的生长，并且其效果显著优于甲壳素。

对于不同的鱼类，甲壳素有着不同的最佳适宜添加量。过高的添加量不仅不会促进鱼类的生长，反而会起到相反的效果。Kono等（1987）研究证实，添加10%的壳聚糖对真鲷 (Pagrosomus major)、日本鳗鲡(Anguilla Japonica)和五条蛳(Seriola quinqueradiata)的生长有抑制作用。而在杂交罗非鱼(Oreochromis niloticus O.auteus)的饲料中添加2%、5%、10%的壳聚糖，8周后发现处理组的增重显著下降，并且罗非鱼的生长抑制随壳聚糖添加量的提高而加大（Shiau等，1999）。Lindsay等（1984）的研究表明，当甲壳素的添加量为10%～30%时，虹鳟对营养物质的吸收就出现不良，因此也就表现为生长停滞。因此，一定剂量范围添加壳聚糖可以促进水生动物的生长，但过多添加后壳聚糖又具有抑制水生动物生长的作用。

3.2 壳聚糖影响水生动物生长的可能机理

3.2.1 壳聚糖可以提高水生动物消化能力

对蛋白酶的影响方面，陈勇等（2006）的研究发现，在异育银鲫(Carassius auratus gibelio)饲料中添加0.75%壳聚糖可以显著提高肠道和肝胰脏的蛋白酶活性(P＜0.05)，分别比对照组高 37.8l%和 71.24%；而添加0.5%壳聚糖只能显著提高肠道的淀粉酶活性。饲料中添加壳聚糖对暗纹东方鲀（Fugu obscuru）肠道的蛋白酶活性无显著影响，但它却极显著影响肝胰脏的蛋白酶活性(P＜0.01)。当壳聚糖在饲料中的添加量为0.5%时，肝胰脏的蛋白酶活性较对照组提高达22.35%(华雪铭，2003)。

在对淀粉酶的影响方面，华雪铭(2003)报道，饲料中添加壳聚糖极显著提高暗纹东方鲀肠道的淀粉酶活力（P＜0.01），比对照组提高16.08%～30.50%，而且提高的比率随着壳聚糖添加量的增大而增大。相比而言，肝胰脏淀粉酶活性受壳聚糖的影响较小(P＞0.05)。在异育银鲫上的研究表明，饲料中添加0.75%壳聚糖可以显著提高肠道淀粉酶活性，较对照组高43.01%（陈勇等，2006）。

因此，壳聚糖通过促进鱼类消化道酶活提高来促进营养物质的消化，提高了营养物质的利用，从而达到促进鱼的生长，降低饵料系数的作用。但过量添加壳聚糖则会降低鱼对脂及其它干物质的消化率（Shiau等，1999），这可能是过量添加的壳聚糖影响了消化道的各种消化酶的酶活。

3.2.2 壳聚糖可促影响肠道菌群的生长

目前，有关壳聚糖是否可以影响鱼肠道内细菌的增殖还未见报导，但是在其它动物上的试验表明壳聚糖可以促进有益菌的生长并抑制有害菌的生长，从而改善了肠道微生态环境，起到提高饲料利用率的作用。任林等(2001)研究表明，甲壳低聚糖可抑制小鼠盲肠内容物中大肠杆菌和肠球菌的繁殖，促进双歧杆菌和乳酸杆菌等有益菌的增长。在肉仔鸡日粮中添加壳聚糖时，引起盲肠内容物中乳酸杆菌数量呈现增加趋势，而大肠杆菌数正好相反，呈不同程度的下降，尤以添加0.05%时效果最明显（史彬林等，2005）。这些结果表明，添加适宜剂量的壳聚糖可抑制肠道有害菌、促进有益菌增殖，从而在一定程度上改善动物肠道微生态环境。

4 壳聚糖对水生动物免疫力的影响

4.1 壳聚糖对水生动物先天性免疫的影响

4.1.1 壳聚糖对吞噬细胞吞噬活性的影响

鱼体内主要的吞噬细胞包括嗜中性粒细胞和巨噬细胞。当嗜中性粒细胞和巨噬细胞吞噬入侵的病原微生物形成吞噬体时，在NADPH氧化酶的作用下将氧分子氧化为O2－、H2O2以及.OH,此时吞噬细胞的耗氧量急剧增加的过程称为“呼吸爆发”。壳聚糖可以促进嗜中性粒细胞和巨噬细胞产生大量的活性氧而实现吞噬、杀菌的作用。王树芹等（2004）在饲料中添加壳聚糖饲喂异育银鲫(Carassius auratus gibelio)，研究发现：0.5%组和1.0%组的白细胞对白色葡萄球菌的吞噬百分数(PP)和吞噬指数(PI)极显著高于对照组和2.0%添加组，而2.0%添加组与对照组之间没有显著差异。Wang等（2005）则通过体内注射壳聚糖的方式研究了壳聚糖对凡纳滨对虾（Litopenaeus vannamei）先天性免疫的影响，结果表明：注射 2、4、6 μg/g 体重的壳聚糖凡纳滨对虾体内吞噬细胞呼吸爆发极显著高于对照组。Sakai等 (1992)以虹鳟(Oncorhynchus mykiss)为研究对象，向其腹腔注射甲壳素，饲养6周后，实验表明甲壳素能提高其巨噬细胞的吞噬活性和呼吸爆发能力。而Kolman等（1998）用壳聚糖浸泡俄罗斯鲟，其嗜中性粒细胞的吞噬活性显著增强。因此，壳聚糖具有提高水生动物吞噬细胞吞噬活性的作用。

4.1.2 壳聚糖对NK细胞杀伤活性的影响

NK细胞是机体免疫系统的一个重要因子，尤其是在抗病毒感染和肿瘤免疫中发挥重要作用，其杀伤活性不需要有抗原或有丝分裂原的刺激，亦不依赖于抗体和补体，其杀伤作用早于其它具有杀伤能力的效应细胞。Esteban等（2001）研究发现，在甲壳素添加量为2.5%～10.0%范围内，金头鲷(Sparus aurata L.)脾脏中NK细胞对靶细胞L－1210的杀伤活性随甲壳素添加量的增加而增大，但是如果甲壳素的使用时间超过两周，就不再表现出对杀伤活性的刺激作用。壳聚糖作为甲壳素脱乙酰基的产物，在饲料中添加0.2%饲养暗纹东方鲀2个月，能够极显著提高脾脏中NK细胞对 YAC－I的杀伤活性(华雪铭，2003)。

4.1.3 壳聚糖对溶菌酶的影响

溶菌酶是鱼类非特异性免疫系统的重要组成部分，是机体抗感染免疫应答及调控的重要因素。溶菌酶能直接水解革兰氏阳性菌，在分泌型免疫球蛋白A(sIgA)、补体的参与下还能水解大肠杆菌等革兰氏阴性菌。王树芹等（2004）在异育银鲫(Carassius auratus gibelio)饲料中添加0.3%～2.0%的壳聚糖，研究发现：两个月后0.5%和1.0%添加组血清溶菌酶、头肾溶菌酶、脾脏溶菌酶活性都极显著高于对照组和其它处理组。当添加量达到2.0%时血清溶菌酶和脾脏溶菌酶活性与对照组相比差异不显著，而头肾溶菌酶甚至显著低于对照组（P＜0.05）。这提示了过量添加壳聚糖可能具有抑制溶菌酶活性的作用。在鲤鱼饲料中添加壳聚糖也可以极显著提高溶菌酶的酶活(P＜0.001)(Gopalakannan 等，2006)。Dautremepuits等（2004）报道，将鲤鱼浸泡在含75、150 mg/l的壳聚糖水溶液中，4 d后其血浆溶菌酶产生量显著增加。

4.2 壳聚糖对水生动物获得性免疫的影响

目前的研究多集中在壳聚糖对水生动物先天性免疫的影响上，壳聚糖对水生动物获得性免疫影响的研究报道还较少。Anderson等(1995)以虹鳟为研究对象，通过注射或者浸泡两种方式给予壳聚糖或甲壳素，结果表明虹鳟血液中IgM含量显著提高，鱼体抗线虫感染的能力得到了显著提高。Kolman等(1998)用壳聚糖浸泡俄罗斯鲟也发现其淋巴细胞增多。而饲料中添加一定量的壳聚糖饲养暗纹东方鲀，其脾脏淋巴细胞经LPS刺激后，培养液上清液中IgM含量极显著高于对照组和其余各试验组(P＜0.01)(华雪铭，2003)。

5 壳聚糖对水生动物疾病抵抗力的影响

壳聚糖具有的提高水生动物免疫力的功能，直接影响到水生动物的疾病抵抗能力。陈云波等（2006）研究发现，饲喂0.5%和1.0%壳聚糖的异育银鲫(Carassius auratus gibelio)对嗜水气单胞菌的抵抗能力较对照组和2%壳聚糖添加组显著提高。周辉（2005）在饲料中添加0.25%～1.0%的壳聚糖也发现壳聚糖可以提高鲤鱼对嗜水气单胞菌的抵抗能力，当添加量为0.75%和1.0%时鲤鱼的疾病抵抗能力与对照组差异极显著。Gopalakannan等(2006)在鲤鱼（Cyprinus carpio）的饲粮中分别添加壳聚糖、左旋咪唑和甲壳素，研究表明：在饲喂的第45 d用嗜水气单胞菌攻毒发现壳聚糖极显著提高了鲤鱼相对存活率（P＜0.01），并且壳聚糖的效果要优于左旋咪唑和甲壳素（相对存活率分别为80%、66.7%、40%）。但是，当在试验结束的第90 d攻毒却发现壳聚糖对鲤鱼的保护作用下降(相对存活率分别为68.9%、57.8%和37.5%)。这表明壳聚糖可以提高鲤鱼的疾病抵抗能力，但同时壳聚糖对鲤鱼免疫系统的刺激作用又随时间变化。饲喂壳聚糖可以显著提高鱼的疾病抵抗能力，而注射或浸泡同样可以起到提高鱼体疾病抵抗能力的作用。Anderson等（1995）对美洲红点鲑注射或浸泡壳聚糖的研究具有相似的发现，注射或浸泡壳聚糖都能增强其对杀鲑气单胞菌的抵抗能力。因此，无论是通过饲喂、注射还是浸泡给予水生动物壳聚糖都可以起到提高其疾病抵抗能力的作用，同时这种提高作用随时间变化，过长时间或者过量给予都会使壳聚糖提高水生动物免疫力的能力减弱（Gopalakannan 等，2006;王树芹等，2004）。

6 壳聚糖在水产养殖中的应用前景及有待研究的问题

多年来，水产养殖中细菌疾病防治都是采用常规抗生素，而大量使用抗生素使病原微生物产生耐药性，致使用量越来越大，这不仅大大增加了养殖成本，而且使用效果越来越不明显，而且现在人们对药物残留问题日趋重视，对安全绿色食品的需求日趋增加。壳聚糖是纯天然物质，具有良好的生物相容性和生物可降解性，并且具有安全、高效、无毒、无残留等优点。它不仅可以促进水生动物的生长，降低饵料系数，而且还具有高效的抗菌、抑菌怍用，能够显著提高水生动物免疫力及疾病抵抗能力。我国有广阔的海岸线和内陆水域，甲壳素资源十分丰富。因此，壳聚糖将具有广泛的发展空间。

鉴于壳聚糖在水产养殖中具有重要的作用，为了更加科学地利用壳聚糖，壳聚糖在不同水生动物上对生长的促进、对机体免疫力的提高的机理，如对胃肠道酶活及肠道微生物数量和种类的影响还有待进一步研究。此外，壳聚糖的分子量、脱乙酰度在不同水生动物上的作用效果也亟待进一步研究。

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