有利于提升骨關(guān)節(jié)機(jī)能的保健食品原料——氨基葡萄糖

　　骨關(guān)節(jié)退化是一種常見的身體機(jī)能下降表現(xiàn)，主要表現(xiàn)為關(guān)節(jié)腫痛和不同程度的功能障礙，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致功能喪失。骨關(guān)節(jié)退化的發(fā)生率很高，據(jù)《2015年中國骨關(guān)節(jié)炎防治認(rèn)知白皮書》調(diào)查顯示，骨關(guān)節(jié)炎已經(jīng)成為最常見的一種關(guān)節(jié)疾病，目前我國60歲以上老人中，有一半以上的人患有該病。而由于年輕人運(yùn)動(dòng)不當(dāng)外傷導(dǎo)致的骨關(guān)節(jié)退化也越來越常見，骨關(guān)節(jié)退化已經(jīng)出現(xiàn)了低齡化的趨勢。

 

　　骨關(guān)節(jié)退化時(shí)會嚴(yán)重影響老年人的行走，上下樓梯和其他下肢功能，其主要原因在于體內(nèi)關(guān)節(jié)軟骨組織受到破壞，由此引發(fā)軟骨下骨結(jié)構(gòu)改變以及滑膜的慢性炎癥，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致殘疾。目前針對骨關(guān)節(jié)退化的營養(yǎng)物質(zhì)補(bǔ)充類保健食品，最具代表性的是氨基葡萄糖類產(chǎn)品。

 

　　氨基葡萄糖（簡稱GlcN），是天然的氨基單糖，為人體關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)中合成蛋白聚糖所必需的物質(zhì)，分子式C6H13NO5，分子量179.2。是由葡萄糖的一個(gè)羥基被氨基取代形成，易溶于水及親水性溶劑。通常以N-乙?；苌铮ㄈ缂讱に兀┗蛞訬-硫酸酯和N-乙酰-3-O-乳酸醚（胞壁酸）形式存在于微生物、動(dòng)物來源的多糖和結(jié)合多糖中。

 

 

　　氨基葡萄糖廣泛存在于真菌細(xì)胞壁及蝦蟹的外骨骼中，是甲殼素與殼聚糖的組成成分。在自然界中，細(xì)菌、酵母、真菌、植物及動(dòng)物體內(nèi)也廣泛存在GlcN。GlcN也是糖蛋白和蛋白聚糖的主要成分，大量存在于人與動(dòng)物的關(guān)節(jié)軟骨組織和眼睛晶狀體中，是形成軟骨細(xì)胞的重要營養(yǎng)素；是人體及動(dòng)物體內(nèi)關(guān)節(jié)組織中糖蛋白的天然成分，在動(dòng)物和人體內(nèi)由葡萄糖氨基化內(nèi)源性生物合成。

 

 

　　氨基葡萄糖具有多種功能，廣泛被用于食品、藥品、化妝品中，經(jīng)在市場總局特殊食品信息查詢平臺中檢索，配方中含有氨基葡萄糖的保健食品文號有261個(gè)，聲稱功能中80%為增加骨密度，還有提高免疫力、抗氧化等功能聲稱。

 

　　1.  免疫調(diào)節(jié)。氨基葡萄糖參加體內(nèi)的糖代謝，在體內(nèi)廣泛存在，可參與構(gòu)造人體組織和細(xì)胞膜，是蛋白多糖大分子合成的中間物質(zhì)，可合成黏多糖、糖蛋白和蛋白聚糖，通過與其他物質(zhì)如半乳糖、葡萄糖醛酸等物質(zhì)結(jié)合形成透明質(zhì)酸、角質(zhì)硫酸等具有機(jī)體生物活性的重要產(chǎn)物，參與對機(jī)體的保護(hù)作用。

 

　　2.  保護(hù)骨關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)軟骨由蛋白多糖、軟骨細(xì)胞和膠原的基質(zhì)組成，當(dāng)有外界的機(jī)械力摩擦?xí)r，它可以起到緩沖潤滑的作用，使骨頭末端平穩(wěn)滑動(dòng)。軟骨細(xì)胞可以產(chǎn)生存在于關(guān)節(jié)軟骨間的滑液，缺乏蛋白多糖和軟骨細(xì)胞會導(dǎo)致骨骼關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和功能缺陷，使骨骼在運(yùn)動(dòng)摩擦?xí)r發(fā)生損傷，從而產(chǎn)生骨關(guān)節(jié)炎。氨基葡萄糖是形成人體軟骨細(xì)胞以及滑液分子的中間物的重要營養(yǎng)素，是合成氨基聚糖的基本物質(zhì)，是健康關(guān)節(jié)軟骨的天然組織成份。隨著年齡的增長，人體自身合成氨基葡萄糖的能力越來越低，體內(nèi)的氨基葡萄糖的缺乏越來越嚴(yán)重，造成關(guān)節(jié)軟骨不斷退化和磨損。美國、歐洲和日本的大量醫(yī)學(xué)研究表明：適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充氨基葡萄糖能促進(jìn)軟骨的合成、抑制關(guān)節(jié)軟骨的分解，并能刺激軟骨細(xì)胞的生長。

 

　　3.抗氧化、抗衰老。有學(xué)者研究了殼寡糖的抗氧化能力和對CCl4誘導(dǎo)的小鼠肝損傷的保護(hù)作用，研究結(jié)果顯示殼寡糖具有抗氧化能力，對CCl4誘導(dǎo)的小鼠肝損傷有較為明顯的保護(hù)作用，但是不能減輕DNA的氧化性損傷。另有研究氨基葡萄糖對CCl4所致小鼠肝損傷的改善作用，結(jié)果表明，氨基葡萄糖能提高實(shí)驗(yàn)小鼠肝臟主要抗氧化酶的活性，同時(shí)降低了AST、ALT以及丙二醛（MDA）的含量，說明氨基葡萄糖具有一定的抗氧化能力，但不能降低CCl4對小鼠DNA氧化性損傷。有學(xué)者通過各種體內(nèi)外方法研究了氨基葡萄糖的抗氧化性和激活免疫反應(yīng)的能力。結(jié)果表明：氨基葡萄糖能夠極好的螯合Fe2+，同時(shí)能保護(hù)脂質(zhì)大分子不被羥基自由基氧化損害，具有抗氧化能力。

 

　　4.防腐抗菌。有學(xué)者選擇了21種常見的食品腐敗菌作為實(shí)驗(yàn)菌株，研究了氨基葡萄糖鹽酸鹽對這21種菌的抗菌作用。結(jié)果顯示氨基葡萄糖對食品中常見的21種菌均有明顯的抗菌作用，氨基葡萄糖鹽酸鹽對細(xì)菌的抑菌效果最為明顯。隨著氨基葡萄糖鹽酸鹽濃度的增加，抑菌作用逐漸變強(qiáng)。

 

　　5.應(yīng)用于炎癥性腸病（IBD）。IBD包括許多腸道疾病，如：潰瘍性結(jié)腸炎、慢性直腸炎和克羅恩病。GlcN能夠增強(qiáng)成纖維細(xì)胞酸性粘多糖的釋放，恢復(fù)胃腸道粘膜保護(hù)結(jié)構(gòu)的形成。此外，GlcN增加了血管周圍組織的彈性，使動(dòng)脈毛細(xì)血管血流量增加。GlcN也是一種細(xì)胞保護(hù)劑，可恢復(fù)人黏膜的完整性維持正常功能。有臨床試驗(yàn)證明GlcN對IBD的治療有一定的效果，克羅恩病患者在口服GlcN癥狀有明顯改善。因此，GlcN有望成為一種廉價(jià)、無毒的慢性IBD治療藥物。

 

　　6. 應(yīng)用于化妝品。真皮在皮膚的最內(nèi)層，大量的皮膚成纖維細(xì)胞產(chǎn)生的膠原蛋白、彈性蛋白和粘多糖組成真皮。其中膠原蛋白能夠使皮膚保持彈性，光滑。而粘多糖是保持皮膚水潤的有利物質(zhì)。透明質(zhì)酸主要由成纖維細(xì)胞和角質(zhì)形成細(xì)胞產(chǎn)生，它將角質(zhì)層和真皮水分保留，是肌膚彈性光滑。GlcN作為透明質(zhì)酸的單體，其分子量比透明質(zhì)酸小，更易被吸收，除此之外GlcN還可以改善面部的色素沉積和消除自由基的作用，所以GlcN在很多化妝品中應(yīng)用，具有很高的商業(yè)價(jià)值。

 

 

　　有研究表明，給人類志愿者靜脈注射大劑量的 GlcN（20g）不會導(dǎo)致毒性或血糖濃度的改變。即使是口服高劑量GlcN，也不會引起胰島素的紊亂。不僅如此，對動(dòng)物進(jìn)行急性毒性試驗(yàn)、Ames試驗(yàn)、小鼠骨髓細(xì)胞微核試驗(yàn)、小鼠精子異常試驗(yàn)、小鼠睪丸染色體畸變試驗(yàn)、慢性致死試驗(yàn)和傳統(tǒng)的致畸形試驗(yàn)等結(jié)果顯示，GlcN在注射、口服和外用中都具有很高的安全性。GlcN可以用作一種營養(yǎng)補(bǔ)充劑被廣泛應(yīng)用。

 

 

　　氨基葡萄糖是生物合成葡萄糖胺聚糖（GAG）的必需品。GAG在動(dòng)物機(jī)體內(nèi)應(yīng)用于結(jié)合水形成緩沖劑、潤滑和保護(hù)透明軟骨質(zhì)。通常情況下，葡萄糖通過氨基己糖生物合成途徑在體內(nèi)生成氨基葡萄糖。在正常的生理?xiàng)l件下，細(xì)胞外液中的氨基葡萄糖含量要低于臨床檢測。如果在飲食中補(bǔ)充氨基葡萄糖，氨基葡萄糖通過葡萄糖運(yùn)輸途徑迅速運(yùn)送到細(xì)胞，同時(shí)通過磷酸化作用形成葡萄糖六磷酸鹽，從而進(jìn)入氨基己糖生物合成途徑。

 

　　氨基葡萄糖是軟骨基質(zhì)中合成蛋白聚糖所必需的重要成分。蛋白聚糖可以通過抑制膠原纖維的拉伸力來使關(guān)節(jié)軟骨具有吸收沖擊力的功能。在關(guān)節(jié)退行性疾病的早期，聚集葡萄聚糖的生物合成是增加的；在疾病的后期，則相反。由此導(dǎo)致軟骨的彈性不斷減弱并逐漸出現(xiàn)關(guān)節(jié)炎的諸多癥狀。氨基單糖可刺激軟骨細(xì)胞產(chǎn)生具有正常多聚體結(jié)構(gòu)的糖蛋白，抑制一些可損害關(guān)節(jié)軟骨的酶（如膠原酶），防止皮質(zhì)激素及某些非甾體抗炎藥物對軟骨細(xì)胞的損害及減少損傷細(xì)胞的內(nèi)毒素因子的釋放。在關(guān)節(jié)炎的發(fā)展進(jìn)程中，補(bǔ)充外源性的氨基葡萄糖可能起到有益的作用。在體外試驗(yàn)中，如果補(bǔ)充了氨基葡萄糖，形成軟骨的多形細(xì)胞就可以合成更多的聚集葡萄聚糖。在關(guān)節(jié)炎的動(dòng)物模型中，氨基葡萄糖也具有抗氧化作用，抑制損傷細(xì)胞的超氧化物自由基的產(chǎn)生。通過上述途徑，氨基葡萄糖發(fā)揮直接抗炎作用，可緩解骨關(guān)節(jié)炎的疼痛癥狀，改善關(guān)節(jié)功能，并可阻止骨關(guān)節(jié)炎病程的發(fā)展。

 

　　生產(chǎn)GlcN的方法主要有3種，包括酸水解法、酶解法及微生物發(fā)酵法。前兩種方法的生產(chǎn)原料基本上來源于蝦蟹的外骨骼，即從蝦蟹殼中提取甲殼素與殼聚糖，再經(jīng)酸解或酶解獲得GlcN。高濃度的鹽酸在一定的反應(yīng)條件下能夠?qū)⑽r蟹殼中的甲殼素與殼聚糖降解為GlcN，但由于濃鹽酸的大量使用會帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題，而且其原料會受到地域和季節(jié)的限制。

 

　　酶解法是利用殼聚糖酶對蝦蟹殼進(jìn)行降解，現(xiàn)在面臨的最大問題是生產(chǎn)效率低下，表現(xiàn)為殼聚糖酶價(jià)格較高、轉(zhuǎn)化時(shí)間較長及生產(chǎn)成本較高。且來源于蝦蟹殼的GlcN在臨床應(yīng)用過程中會引起過敏體質(zhì)患者的過敏反應(yīng)。

 

　　微生物發(fā)酵法作為最有潛力的生產(chǎn)方式，基本克服了以上兩種生產(chǎn)方式的缺點(diǎn)，具有生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)效率高，環(huán)境污染較小的優(yōu)點(diǎn)，還克服了地域季節(jié)對原料來源的限制，產(chǎn)品無魚腥味，不產(chǎn)生過敏反應(yīng)等。用于發(fā)酵的微生物可以根據(jù)生產(chǎn)的需求對其代謝途徑進(jìn)行改造來提高氨基葡萄糖的產(chǎn)量。在微生物中生成氨基葡萄糖與N－乙酰氨基葡萄糖的關(guān)鍵酶主要是氨基葡萄糖合成酶（ GlmS）與氨基葡萄糖乙?；福℅na1） 。

 

　　目前在工業(yè)生產(chǎn)中在微生物發(fā)酵法生產(chǎn)氨基葡萄糖已成為趨勢，此法相比較于酶法和幾丁質(zhì)法具有很多的優(yōu)勢。通常將GlcNAc 進(jìn)行弱酸處理脫乙酰化后生成氨糖，由于運(yùn)送到細(xì)胞外的 GlcN和GlcNAc可以被細(xì)胞再次吸收利用，為了提高氨糖的產(chǎn)量必須對細(xì)胞的相關(guān)代謝途徑進(jìn)行改造。工業(yè)生產(chǎn)法的操作理論主要是一方面過表達(dá)氨基葡萄糖合成酶GlmS和乙酰氨基葡萄糖合成酶 Gna1；另一方面阻斷旁支代謝途徑的酶，把GlcN與GlcNAc從細(xì)胞外轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)的相關(guān)蛋白失活； 還有就是針對GlmS 做突變，通過增加其自身的酶活來提高氨糖的產(chǎn)量。除此之外，微生物發(fā)酵過程中發(fā)酵條件的優(yōu)化，比如碳源的添加方式、分階段的控制以及發(fā)酵溫度的調(diào)控都會對氨基葡萄糖的積累產(chǎn)生影響。國內(nèi)發(fā)酵氨糖主要生產(chǎn)企業(yè)有山東潤德生物科技有限公司、安徽銀創(chuàng)生物科技有限公司、浙江夢家園生物科技有限公司、山西道一生物科技有限公司等。

 

　　現(xiàn)在應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的菌種有大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和谷氨酸棒狀桿菌等。Deng等得到了一株消除產(chǎn)物抑制的工程大腸桿菌菌株，使GlcN 的產(chǎn)量達(dá)到了17 g /L，隨后進(jìn)一步將Gna1進(jìn)行過表達(dá)，發(fā)酵后氨基葡萄糖產(chǎn)量達(dá)到了110 g /L。陳欣采用E.coli ATCC 25947（ DE3） 過表達(dá)發(fā)酵使氨基葡萄糖總產(chǎn)量達(dá)到了132.43 g /L。隨著人們安全意識的增強(qiáng)，當(dāng)下比較流行的氨基葡萄糖生產(chǎn)菌株是枯草芽孢桿菌，劉延峰以枯草芽孢桿菌168作為出發(fā)菌株，將基因 Glms與基因gna1進(jìn)行過表達(dá)，實(shí)現(xiàn)了GlcNAc在枯草芽孢桿菌中的積累，最終使得GlcNAc的產(chǎn)量達(dá)到31.65 g /L。王雅婷使用谷氨酸棒狀桿菌來發(fā)酵生產(chǎn)的N－乙酰氨基葡萄糖產(chǎn)量達(dá)到了2.23 g /L。

 

　　如今氨基葡萄糖在全球已廣泛的被用作保健食品銷售，在各大電商營養(yǎng)健康食品銷售版塊中名列前茅，其產(chǎn)品在全球的銷售額已達(dá) 20 億美元。目前，國內(nèi)的生產(chǎn)主要為傳統(tǒng)方式，由蟹殼和蝦殼中提取的幾丁質(zhì)酸水解而得，主要通過濃鹽酸將聚合物分解，形成氨基葡萄糖。然而，隨著中國社會老齡人口日漸增多，對氨基葡萄糖的需求持續(xù)增加，使用水解法提取的產(chǎn)量會受到原材料供應(yīng)變化的限制。此外，原料來源于貝類的產(chǎn)品會帶有一定的魚腥味，且貝類高蛋白不適合具有過敏癥狀的人，傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)氨基葡萄糖方法已經(jīng)滿足不了人們的需求。微生物生產(chǎn)法因其優(yōu)勢日益受到人們廣泛的關(guān)注，目前已取得了長足的進(jìn)展。盡管重組大腸桿菌發(fā)酵生產(chǎn)氨基葡萄糖的產(chǎn)量已經(jīng)取得了很大的突破，但革蘭氏陽性菌枯草桿菌作為更安全的宿主菌，有望取代大腸桿菌，成為氨基葡萄糖的高產(chǎn)工程菌。并基于在安全性方面的更多優(yōu)勢，有望在食品、藥品上進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。