壳寡糖(Chitosan oligosaccharide)，是以氨基葡萄糖为单体通过β-1,4-糖苷键连接的不同聚合度的混合物。其水溶性好、功能作用大、生物活性高的低分子量产品，分子量小于3000Da。随着对壳寡糖功能的深入研究，壳寡糖在农业、食品、日用化工、医药等各大领域有突出的效果。农业上，壳寡糖的抑菌、抗病毒效果，可开发无公害生物农药，它的别称是氨基寡糖素。另外，壳寡糖促进植物的营养生长，作为零污染的肥料；食品工业方面，壳寡糖具有提高免疫力，抗氧化，降三高的良好功能，是许多食品、保健品追捧的新食品原料；日用化工上，壳寡糖的吸水保湿功效，许多面膜、护肤品等都添加了壳寡糖；壳寡糖具有抗肿瘤、降血压等医疗功效，甚至可以作为疫苗的佐剂，为新药的开发提供思路和原料。
壳寡糖的功能决定着它的巨大市场需求，市场就推动了壳寡糖产业的发展。目前壳寡糖工业化的生产主要是两种方法：一、物理化学法，通过机械粉碎虾蟹壳，用强碱去蛋白，无机酸脱盐制成壳聚糖，再用微波辐射或强酸降解壳聚糖生产壳寡糖；二、生物酶法，用生物酶降解壳聚糖生产壳寡糖。物理化学法生产壳寡糖，高污染低质量受到了政府的制约和市场的淘汰，现市面上优质的壳寡糖产品绝大多数是生物酶法生产。对于第二种方法生产壳寡糖有如下展望。
第一、发现并利用具有更优性质的生物酶
目前，商业化的水解酶有溶菌酶、纤维素酶、木瓜蛋白酶、果胶酶、半纤维素酶对甲壳素和壳聚糖的水解有或多或少的催化效果 [1]. 这些非特异性酶连同特异性的甲壳素酶、壳聚糖酶、糖基转移酶等混合使用很可能开辟最优生物酶法制备壳寡糖的新道路。虽然不同的非特异性酶有用来以壳聚糖或甲壳素为原料制备壳寡糖，但由于此类酶的水解能力有限，所以探寻更优特质水解酶是有市场需求的。譬如，分支酶Branchzyme，可作用于壳聚糖并生成聚合度为2-20的壳寡糖，其中聚合度3-8的比例非常高[3]。 研究甲壳素或壳聚糖降解时中会发现，最初的步骤都是考虑将它们溶解，如果有能够直接降解结晶多糖的酶那就是省时高效的工业简化。Vaaje-Kolstad 等[4] 表明CBP21 (几丁质结合蛋白), 由甲壳素酶产生菌灵杆菌Serratia marcescens产生，它能催化结晶的甲壳素中糖苷键的断裂。这一发现，不仅帮助理解晶体甲壳素或自然甲壳素降解的因素，而且更重要的是提供壳寡糖生产的新思路：从晶体甲壳素，甚至虾蟹壳，酶解到壳寡糖产品。
第二、控制壳寡糖关键品质聚合度分布
壳寡糖的聚合度分布均一集中体现出壳寡糖的最高品质，目前有采用超滤膜来分离不同分子量的壳寡糖，但效果不乐观。换角度，从一开始就制备窄范围聚合度壳寡糖就可解决这问题。现在有报道壳寡糖混合物的脱乙酰度、聚合度、分子量分布、N-乙酰化形式主要取决于原料壳聚糖、甲壳素的脱乙酰度和酶降解的特异性。换句话说，选择合适原料和特异性酶是可以提高壳寡糖产品品质的。例如，ChiB（壳聚糖酶） 具有酶双向动力学，Sorbotten et 等[5] 说明用它降解壳聚糖制备寡聚物分子量大小可以由壳聚糖的脱乙酰度(DD 87%, 68%, 50%, and 35%)控制，寡聚物的链随着脱乙酰度的升高而延长。更有Sikorski 等 [6，7] 制成了模型： 用ChiB充分降解不同壳聚糖能很好的预测产物分子量分布和产量。该模型表明选择最适反应参数和底物指标可高效生产分子量分布特定的壳寡糖是可行的。此类方法满足条件苛刻，甚至壳聚糖的脱乙酰度、壳聚糖都没有准确的测定方法，应该还是处在工业化道路的起点。
第三、寻找新的菌种直接发酵降解虾蟹壳
用虾蟹壳做发酵原料，直接进行发酵是生产甲壳寡糖和壳寡糖的另一条较为粗放途径。Liang, T.W 等[8]1.5%的虾头粉末，用Bacillus cereusTKU022发酵，该菌产生一系列酶，包括脱乙酰化酶、甲壳素酶、壳聚糖酶等，可直接获得壳寡糖。虽然在上清液中鉴定可知 (GlcNAc)2, (GlcNAc)4, (GlcNAc)5, 和(GlcNAc)6的浓度很低(0.3–201.5 μg/mL)，但是这种方法能最快速度、最低成本生产粗壳寡糖应用于农业。生物的世界是复杂的多样的，可继续探寻优质菌种。
第四、应用基因工程技术制备壳寡糖
基因工程技术应用于壳寡糖的生产是可行并且非常有前景的，因为基因工程可将酶整合，更好的制备壳寡糖，甚至还可以合成特异结构的寡糖。Martinez等构建了工程菌，该突变体菌株含两GH-18水解酶基因，一个B. circulans WL-12 甲壳素酶A1(Bc ChiA1)基因，一个摈弃甲壳素水解活性的甲壳素酶 42 (Th Chit42)基因，工程菌发酵体系简单，酶高产且水解特定底物效率高[9]。现已报道的壳聚糖酶基因、甲壳素基因、其他水解酶基因等基因序列都可在基因库中调取，它们的特异性酶切位点、最最佳酶解体系都有文章报道，基因重组技术在基因的时代构建工程菌，并非难事。工程菌进入壳寡糖产业指日可待。
此外，壳寡糖的生物酶制备还可以从反应设备、工艺出发突破现实存在的问题，比如，目前生物酶反应体系都是间歇性的，有着酶不能重复利用、间断反应成本高。那么采用柱式反应体系可以连续生产，同时酶也可以重复利用。改设备将酶固定在柱上，壳聚糖溶于通过柱子而被降解成壳寡糖，但这种方法需要非常高活性的酶，因为酶固体化之后对壳聚糖的亲和性会降低。将柱式反应体系和超滤结合是否可以解决酶亲和性的问题？那么会引来超滤膜容易污染的问题？
目前壳寡糖行业内，肇庆长龙生物科技有限公司吨位级发酵罐可产壳聚糖酶活高达100U/mL，并已向国内高校和科研单位提供壳聚糖酶液和冻干粉。同时它们也在研发工业化生产固定化壳聚糖酶。长龙生物在壳寡糖科研和生产中掌握着核心技术——壳聚糖酶。总之，壳寡糖的的生物制备在市场的推动下朝着品质更优、价格更低、环境友好的方向发展。
【1】 Yalpani, M.; Pantaleone, D. An examination of the unusual susceptibility of aminoglycans to enzymatic hydrolysis. Carbohydr. Res. 1994, 256,159–175.
【2】 Shinohara, M.L.; Ihara, M.; Abo, M.; Hashida, M.; Takagi, S.; Beck, T.C. A novel thermostable branching enzyme from an extremely thermophilic bacterial species, Rhodothermus obamensis. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2001, 57, 653–659.
【3】 Montilla, A.; Ruiz-Matute, A.I.; Corzo, N.; Cecilia Giacomini, C.; Irazoqui, G. Enzymatic generation of chitooligosaccharides from chitosan using soluble and immobilized glycosyltransferase (Branchzyme). J. Agric. Food Chem. 2013, 61, 10360–10367.
【4】 Vaaje-Kolstad, G.; Westereng, B.; Horn, S.J.; Liu, Z.; Zhai, H.; Sørlie, M.; Eijsink, V.G.H. An oxidative enzyme boosting the enzymatic conversion of recalcitrant polysaccharides. Science 2010, 330, 219–222.
【5】 Sørbotten, A.; Horn, S.J.; Eijsink, V.G.; Vårum, K.M. Degradation of chitosans with chitinase B from Serratia marcescens. Production of chito-oligosaccharides and insight into enzyme processivity. FEBS J. 2005, 272, 538–549.
【6】 Sikorski, P.; Stokke, B.T.; Sørbotten, A.; Vårum, K.M.; Horn, S.J.; Eijsink, V.G. Development and application of a model for chitosan hydrolysis by a family 18 chitinase. Biopolymers 2005, 77, 273–285.
【7】 Sikorski, P.; Sørbotten, A.; Horn, S.J.; Eijsink, V.G.; Vårum, K.M. Serratia marcescens chitinases with tunnel-shaped substrate-binding grooves show endo activity and different degrees of processivity during enzymatic hydrolysis of chitosan. Biochemistry 2006, 45, 9566–9574.
【8】 Liang, T.W.; Hsieh, J.L.; Wang, S.L. Production and purification of a protease, a chitosanase, and chitin oligosaccharides by Bacillus cereus TKU022 fermentation. Carbohydr. Res. 2012, 362, 38–46.
【9】 Martinez, E.A.; Boer, H.; Koivula, A.; Samain, E.; Driguez, H.; Armand, S.; Cottaz, S. Engineering chitinases for the synthesis of chitin oligosaccharides: Catalytic amino acid mutations convert the GH-18 family glycoside hydrolases into transglycosylases. J. Mol. Catalys. B Enzym. 2012, 74, 89–96.
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