不同来源葡萄糖胺的制取及生物活性研究进展

孙佳睿，谭思琪，薛钰

（闽南师范大学，福建漳州 363000）

氨基葡萄糖盐酸盐（GAH）又称盐酸葡萄糖胺，由一分子葡萄糖胺（GlcN）和一分子盐酸构成，分子式为C6H13NO5HCl[1]。GlcN 为天然氨基单糖，通常以甲壳素或胞壁酸形式存在于微生物、动物来源的多糖和结合多糖中，目前市场上的GlcN 绝大多数由甲壳素水解而来。GlcN 最初是从贝类或虾蟹类动物壳来源的甲壳素中提取，但是从虾蟹壳类原料提取存在一定弊端，因此其他原料来源的GlcN 的制取逐渐引起人们的关注。随着GlcN 制备工艺的不断改良，已发展出了从食用菌、霉菌等真菌的结构物质中提取GlcN 以及通过微生物发酵生产GlcN 的方法，不同原料来源的GlcN 提取成本、效率及产品安全性差异较大[2-3]。

研究人员已验证了GlcN 在骨骼保健、骨关节炎治疗、各类炎症的舒缓以及抗菌、抗肿瘤等诸多领域的活性作用及作用机制，同时发现从食用菌这种本身富含营养的天然原料提取的活性成分可能具有更加丰富的活性功能[4-5]。GlcN 作为GAH 的主要组成成分，在很大程度上决定了GAH的提取来源与生物活性。本文将对当前GlcN 的提取来源、制备技术及生物活性的研究进展进行综述，为未来GlcN 和GAH 的产业化生产、相关产品应用的开发提供参考。

1 GlcN 的主要来源

目前GlcN 的获得方式主要有3 种：（1）从具有壳结构的动物中提取甲壳素后进一步加工获得；（2）从真菌细胞壁或菌丝中提取；（3）利用微生物发酵获得[6-7]。

1.1 动物来源GlcN

动物来源GlcN 的原材料主要有虾、螃蟹和昆虫。原材料的选择对于后续产物的制备效率及产物质量等有很大影响，例如虾的外壳较薄，分离甲壳素时比其他类型的外壳更容易[8]。使用这些材料制备GlcN时首先需要去除外壳中蛋白质和无机碳酸钙，传统工艺中人们常用NaOH 脱蛋白，HCl 脱矿，但大量酸碱的使用，不仅容易腐蚀设备，还容易损害甲壳素的理化特性，所产生化学废水还会造成环境污染[9]。因此，使用如木瓜蛋白酶、胰蛋白酶等蛋白水解酶脱蛋白的方法逐渐被发掘，这种方法能更大限度地保持甲壳素结构的完整性[10]。但盐酸水解去除碳酸钙的过程中存在同样的局限性，为解决这一问题，利用某些具有甲壳素生物降解系统的细菌产生的甲壳素溶解酶进行酶解的生物方法应运而生[11]。

1.2 真菌来源GlcN

动物来源尤其海洋原料易受季节限制，且海洋生物易受重金属污染，产品往往因重金属、砷和灰分的含量超标而无法应用于食品和医药行业，因此真菌作为替代原料逐渐被发掘。大多数真菌细胞壁的主要成分为甲壳素-葡聚糖复合物（CGC），作为一种大型真菌，各类不同品种的蘑菇不断被开发用于提取GlcN。例如，从毛头鬼伞、鸡枞菌、双孢蘑菇、银耳、平菇中均可提取到CGC[12]，CGC 经过进一步分解即可获得甲壳素、GlcN、葡聚糖等产品。除了含有CGC，一些食用菌中还可直接分离出β-1,4-葡萄糖胺聚合物（壳聚糖），α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶可水解壳聚糖产生GlcN[13]。丝状真菌菌丝中也能提取到GlcN，例如红根须腹菌、丛毛红曲霉以及曲霉菌[14]。

1.3 细菌来源GlcN

随着GlcN 市场需求的不断扩大，提高产量、降低成本成为原料供应的主要瓶颈，微生物发酵生产GlcN应运而生。该方法使用工程菌作为生产GlcN 的载体，具有成本低、产品产量高、生产周期短等优点。作为生物工程中的常用微生物菌种，大肠杆菌和枯草芽孢杆菌细胞内具有生产GlcN 的生物合成途径[3]，具体合成途径如下。

葡萄糖（Glucose）被葡萄糖激酶（GK）磷酸化为葡萄糖-6-磷酸盐（G-6-P），在磷酸葡萄糖异构酶（PGI）的催化作用下转化为果糖-6-磷酸盐（F-6-P）。然后，谷氨酰胺作为氨基供体，葡萄糖胺磷酸合酶（GlmS）将F-6-P 转化为葡萄糖胺-6-磷酸（GlcN-6-P），GlcN-6-P 在磷酸酶脱磷酸化后分泌到细胞外。细胞中GlcN 合成途径和糖酵解途径在对某些前体物质的利用上存在竞争关系，因此优化细胞代谢途径，可以增加GlcN 合成途径的代谢通量，从而提高GlcN的合成效率。例如，借助CRISPR 系统可以敲除某些代谢途径中的关键酶基因从而抑制与GlcN 合成竞争的代谢[15-16]。

2 生物活性研究

2.1 骨骼保健及骨疾病治疗

GlcN 可以与蛋白聚糖分子中的核心蛋白质相连构成软骨基质的一部分，因此对GlcN 生物活性的研究与功能开发首先聚焦在与骨骼的关联性上。

TARDIO 等[5]已证明在人类的软骨中，O-GlcNAc糖基化蛋白与调节软骨细胞标志物的表达有关，而GlcN 能够调节O-GlcNAc 的糖基化修饰。此外，GlcN 还具有诱导成骨细胞分化和抑制破骨细胞增殖的潜力，从而促进骨基质沉积并减少骨吸收。因此，在人类骨关节炎（OA）中，GlcN 常作为一种常见的药物或膳食补充剂用于增强骨质、延缓骨组织的持续病变并减轻疼痛[17]。当GlcN 作为盐酸盐即GAH 口服给药时，摄入的GlcN 可能通过调控相关代谢细胞因子促进软骨愈合过程，大多数OA 治疗临床实践指南均推荐使用结晶GAH 处方[18]。有研究表明，从双孢蘑菇中分离纯化的GAH 纯度更高、蛋白含量更低，可以通过调控BMP 信号促进骨骼发育和损伤修复，具有作为治疗骨质疏松症新药的潜力[19]。

2.2 舒缓炎症

研究发现GlcN 缓解骨关节炎的作用与对炎症的抑制息息相关，在缓解骨关节炎症状的同时往往伴随炎症标记物的下降，众多动物研究实验为GlcN 在骨关节炎治疗中的抗炎特性提供了理论支撑。

体内和体外研究表明，GlcN 和GAH 通过抑制某些促炎因子的mRNA 转录及蛋白质表达来发挥抗炎的作用。例如，GlcN 能通过抑制NLRP3 炎症小体减缓小鼠和人巨噬细胞中的炎症，通过抑制白细胞介素-1（IL-1）的信号级联和基因表达改善轻度炎症[20]。GAH 在报道中被证明能改善膝关节炎（KOA）患者的炎症微环境，同时降低关节腔内炎症因子的水平，如抑制α 肿瘤坏死因子（TNF-α）和IL-1β[21]。GlcN 通过上游核因子κB（NF-κB）调控各促炎因子的活动。NF-κB 在细胞质中处于不活跃状态，与抑制蛋白IκB 结合，当IκB 被炎症刺激降解时，NF-κB 便转移到细胞核并增强炎症级联，GlcN 通过剂量依赖的方式阻止IκB 的降解来抑制NF-κB的激活，从而减少NF-κB 下游炎症标志物的产生，包括IL-6、IL-8、TNF-α 和PGE2[22]。

2.3 抗肿瘤活性

许多癌症与慢性炎症有关，例如幽门螺杆菌诱导的胃炎导致的胃癌、溃疡性结肠炎导致的结直肠癌。NF-κB 是与致癌相关的分子途径之一，如前文所述，GlcN 可以抑制NF-κB 的激活，因此GlcN 在抗肿瘤方面的活性也逐渐引起人们的关注，尤其是对抗炎症导致的癌症。

GlcN 的抗癌活性与抑制癌细胞增殖、诱导癌细胞的细胞周期停止和癌细胞凋亡有关。WANG 等[23]证明GlcN 以剂量依赖的方式下调细胞周期蛋白D1的表达进而介导肾细胞癌（RCC）细胞从G0/G1 到S过渡阶段的生长抑制从而抑制RCC 细胞增殖。在人类前列腺癌细胞系DU145 中的研究证明，GlcN 通过影响糖蛋白130（GP130）、表皮生长因子受体（EGFR）等受体蛋白的N-糖基化降低下游目的蛋白的磷酸化（活化）阻碍癌细胞内的信号传导从而抑制DU145 的增殖。此外，GlcN 还可通过调控T 细胞的凋亡来抑制异常增殖的T 细胞功能，这也提示了GlcN 具有参与免疫调节的可能，其通过免疫调节发挥抗肿瘤活性还需要新的证据[24]。

2.4 其他活性研究

在小鼠中的研究显示，GlcN 可减少动脉粥样硬化病变，这是由于GlcN 可作为蛋白聚糖生物合成的前体，增加血管内皮细胞中的硫酸肝素蛋白聚糖（HSPG）的产生，起到保护血管的作用[25]。

GlcN 的抗炎作用也有许多拓展应用。例如，不受控制的炎症反应造成败血症的发生，在败血症小鼠模型中的研究发现，GlcN 预处理可以降低败血小鼠的全身炎症从而降低死亡率[26]。GlcN 还具有抗神经炎症的作用，可用于保护神经，研究表明GlcN 对缺氧引起的脑损伤具有保护作用。GlcN 可抑制暴露于急性缺氧的成年斑马鱼中神经球蛋白等炎症因子的上调，而缺氧导致的学习和记忆能力损害也可间接被GlcN 拯救[27]。

最近的研究发现，GlcN 通过感知葡萄糖水平或正常和过量的进食状态来调节肝脏脂质积累，正常葡萄糖条件下GlcN 对HepG2 细胞中的脂质积累产生促进作用，而高糖条件下GlcN 抑制HepG2 细胞中的脂质积累。斑马鱼实验与体外实验结果一致，GlcN 能促进正常喂养的斑马鱼幼鱼肝脏中的脂质积累，抑制过度喂养的斑马鱼肝脏中的脂质积累[28]。

3 展望

GlcN 具有多样化的提取来源、制取技术和丰富的生物活性功能，但目前对GAH 生物活性功能的研究及开发应用还存在一定局限性。我国是全球氨基葡萄糖的生产大国及出口国，以往利用虾蟹壳作为原料先制备甲壳素，再用盐酸水解、纯化得到GAH 的生产方式存在许多弊端，因此改良GAH 的制备工艺以提高其得率、降低重金属含量并提高产品质量，进而降低成本，对后续的研究及产业化发展十分关键。

双孢蘑菇和杏鲍菇是我国栽培规模较大的两种食用菌。以往的研究显示从一些食用菌提取GlcN 可行性较高，相对于虾蟹壳等海洋原料，食用菌的蛋白质和重金属含量大大降低，且食用菌具有很多有益人体健康的功效，如降血糖、增强机体免疫力、抵抗疾病等，因此充分利用国内的食用菌资源，研制更加高效、安全的GAH 制取方式在GAH 产业中具有可观的应用前景。此外，目前食用菌产品主要用于鲜售，如杏鲍菇，但用于鲜售的商品仅占子实体总重量的70%左右，尚有30%的杏鲍菇产业剩余物以低廉的价格出售或丢弃，因此通过研发从食用菌废弃物提取GAH 的方法技术不仅可以促进GAH 产业进步，还可以促进食用菌产业剩余物的综合利用及相应产业链的发展。