骨关节退化是一种常见的身体机能下降表现，主要表现为关节肿痛和不同程度的功能障碍，严重时导致功能丧失。骨关节退化的发生率很高，据《2015年中国骨关节炎防治认知白皮书》调查显示，骨关节炎已经成为最常见的一种关节疾病，目前我国60岁以上老人中，有一半以上的人患有该病。而由于年轻人运动不当外伤导致的骨关节退化也越来越常见，骨关节退化已经出现了低龄化的趋势。
骨关节退化时会严重影响老年人的行走，上下楼梯和其他下肢功能，其主要原因在于体内关节软骨组织受到破坏，由此引发软骨下骨结构改变以及滑膜的慢性炎症，严重时会导致残疾。目前针对骨关节退化的营养物质补充类保健食品，最具代表性的是氨基葡萄糖类产品。
一、氨基葡萄糖是什么
氨基葡萄糖（简称GlcN），是天然的氨基单糖，为人体关节软骨基质中合成蛋白聚糖所必需的物质，分子式C6H13NO5，分子量179.2。是由葡萄糖的一个羟基被氨基取代形成，易溶于水及亲水性溶剂。通常以N-乙酰基衍生物（如甲壳素）或以N-硫酸酯和N-乙酰-3-O-乳酸醚（胞壁酸）形式存在于微生物、动物来源的多糖和结合多糖中。
二、氨基葡萄糖的来源
氨基葡萄糖广泛存在于真菌细胞壁及虾蟹的外骨骼中，是甲壳素与壳聚糖的组成成分。在自然界中，细菌、酵母、真菌、植物及动物体内也广泛存在GlcN。GlcN也是糖蛋白和蛋白聚糖的主要成分，大量存在于人与动物的关节软骨组织和眼睛晶状体中，是形成软骨细胞的重要营养素；是人体及动物体内关节组织中糖蛋白的天然成分，在动物和人体内由葡萄糖氨基化内源性生物合成。
三、氨基葡萄糖的功能
氨基葡萄糖具有多种功能，广泛被用于食品、药品、化妆品中，经在市场总局特殊食品信息查询平台中检索，配方中含有氨基葡萄糖的保健食品文号有261个，声称功能中80%为增加骨密度，还有提高免疫力、抗氧化等功能声称。
1. 免疫调节。氨基葡萄糖参加体内的糖代谢，在体内广泛存在，可参与构造人体组织和细胞膜，是蛋白多糖大分子合成的中间物质，可合成黏多糖、糖蛋白和蛋白聚糖，通过与其他物质如半乳糖、葡萄糖醛酸等物质结合形成透明质酸、角质硫酸等具有机体生物活性的重要产物，参与对机体的保护作用。
2. 保护骨关节。关节软骨由蛋白多糖、软骨细胞和胶原的基质组成，当有外界的机械力摩擦时，它可以起到缓冲润滑的作用，使骨头末端平稳滑动。软骨细胞可以产生存在于关节软骨间的滑液，缺乏蛋白多糖和软骨细胞会导致骨骼关节的结构和功能缺陷，使骨骼在运动摩擦时发生损伤，从而产生骨关节炎。氨基葡萄糖是形成人体软骨细胞以及滑液分子的中间物的重要营养素，是合成氨基聚糖的基本物质，是健康关节软骨的天然组织成份。随着年龄的增长，人体自身合成氨基葡萄糖的能力越来越低，体内的氨基葡萄糖的缺乏越来越严重，造成关节软骨不断退化和磨损。美国、欧洲和日本的大量医学研究表明：适当的补充氨基葡萄糖能促进软骨的合成、抑制关节软骨的分解，并能刺激软骨细胞的生长。
3.抗氧化、抗衰老。有学者研究了壳寡糖的抗氧化能力和对CCl4诱导的小鼠肝损伤的保护作用，研究结果显示壳寡糖具有抗氧化能力，对CCl4诱导的小鼠肝损伤有较为明显的保护作用，但是不能减轻DNA的氧化性损伤。另有研究氨基葡萄糖对CCl4所致小鼠肝损伤的改善作用，结果表明，氨基葡萄糖能提高实验小鼠肝脏主要抗氧化酶的活性，同时降低了AST、ALT以及丙二醛（MDA）的含量，说明氨基葡萄糖具有一定的抗氧化能力，但不能降低CCl4对小鼠DNA氧化性损伤。有学者通过各种体内外方法研究了氨基葡萄糖的抗氧化性和激活免疫反应的能力。结果表明：氨基葡萄糖能够极好的螯合Fe2+，同时能保护脂质大分子不被羟基自由基氧化损害，具有抗氧化能力。
4.防腐抗菌。有学者选择了21种常见的食品腐败菌作为实验菌株，研究了氨基葡萄糖盐酸盐对这21种菌的抗菌作用。结果显示氨基葡萄糖对食品中常见的21种菌均有明显的抗菌作用，氨基葡萄糖盐酸盐对细菌的抑菌效果最为明显。随着氨基葡萄糖盐酸盐浓度的增加，抑菌作用逐渐变强。
5.应用于炎症性肠病（IBD）。IBD包括许多肠道疾病，如：溃疡性结肠炎、慢性直肠炎和克罗恩病。GlcN能够增强成纤维细胞酸性粘多糖的释放，恢复胃肠道粘膜保护结构的形成。此外，GlcN增加了血管周围组织的弹性，使动脉毛细血管血流量增加。GlcN也是一种细胞保护剂，可恢复人黏膜的完整性维持正常功能。有临床试验证明GlcN对IBD的治疗有一定的效果，克罗恩病患者在口服GlcN症状有明显改善。因此，GlcN有望成为一种廉价、无毒的慢性IBD治疗药物。
6. 应用于化妆品。真皮在皮肤的最内层，大量的皮肤成纤维细胞产生的胶原蛋白、弹性蛋白和粘多糖组成真皮。其中胶原蛋白能够使皮肤保持弹性，光滑。而粘多糖是保持皮肤水润的有利物质。透明质酸主要由成纤维细胞和角质形成细胞产生，它将角质层和真皮水分保留，是肌肤弹性光滑。GlcN作为透明质酸的单体，其分子量比透明质酸小，更易被吸收，除此之外GlcN还可以改善面部的色素沉积和消除自由基的作用，所以GlcN在很多化妆品中应用，具有很高的商业价值。
四、氨基葡萄糖的安全性
有研究表明，给人类志愿者静脉注射大剂量的 GlcN（20g）不会导致毒性或血糖浓度的改变。即使是口服高剂量GlcN，也不会引起胰岛素的紊乱。不仅如此，对动物进行急性毒性试验、Ames试验、小鼠骨髓细胞微核试验、小鼠精子异常试验、小鼠睾丸染色体畸变试验、慢性致死试验和传统的致畸形试验等结果显示，GlcN在注射、口服和外用中都具有很高的安全性。GlcN可以用作一种营养补充剂被广泛应用。
五、氨基葡萄糖的生物代谢途径
氨基葡萄糖是生物合成葡萄糖胺聚糖（GAG）的必需品。GAG在动物机体内应用于结合水形成缓冲剂、润滑和保护透明软骨质。通常情况下，葡萄糖通过氨基己糖生物合成途径在体内生成氨基葡萄糖。在正常的生理条件下，细胞外液中的氨基葡萄糖含量要低于临床检测。如果在饮食中补充氨基葡萄糖，氨基葡萄糖通过葡萄糖运输途径迅速运送到细胞，同时通过磷酸化作用形成葡萄糖六磷酸盐，从而进入氨基己糖生物合成途径。
氨基葡萄糖是软骨基质中合成蛋白聚糖所必需的重要成分。蛋白聚糖可以通过抑制胶原纤维的拉伸力来使关节软骨具有吸收冲击力的功能。在关节退行性疾病的早期，聚集葡萄聚糖的生物合成是增加的；在疾病的后期，则相反。由此导致软骨的弹性不断减弱并逐渐出现关节炎的诸多症状。氨基单糖可刺激软骨细胞产生具有正常多聚体结构的糖蛋白，抑制一些可损害关节软骨的酶（如胶原酶），防止皮质激素及某些非甾体抗炎药物对软骨细胞的损害及减少损伤细胞的内毒素因子的释放。在关节炎的发展进程中，补充外源性的氨基葡萄糖可能起到有益的作用。在体外试验中，如果补充了氨基葡萄糖，形成软骨的多形细胞就可以合成更多的聚集葡萄聚糖。在关节炎的动物模型中，氨基葡萄糖也具有抗氧化作用，抑制损伤细胞的超氧化物自由基的产生。通过上述途径，氨基葡萄糖发挥直接抗炎作用，可缓解骨关节炎的疼痛症状，改善关节功能，并可阻止骨关节炎病程的发展。
六、氨基葡萄糖的生产
生产GlcN的方法主要有3种，包括酸水解法、酶解法及微生物发酵法。前两种方法的生产原料基本上来源于虾蟹的外骨骼，即从虾蟹壳中提取甲壳素与壳聚糖，再经酸解或酶解获得GlcN。高浓度的盐酸在一定的反应条件下能够将虾蟹壳中的甲壳素与壳聚糖降解为GlcN，但由于浓盐酸的大量使用会带来严重的环境问题，而且其原料会受到地域和季节的限制。
酶解法是利用壳聚糖酶对虾蟹壳进行降解，现在面临的最大问题是生产效率低下，表现为壳聚糖酶价格较高、转化时间较长及生产成本较高。且来源于虾蟹壳的GlcN在临床应用过程中会引起过敏体质患者的过敏反应。
微生物发酵法作为最有潜力的生产方式，基本克服了以上两种生产方式的缺点，具有生产周期短，生产效率高，环境污染较小的优点，还克服了地域季节对原料来源的限制，产品无鱼腥味，不产生过敏反应等。用于发酵的微生物可以根据生产的需求对其代谢途径进行改造来提高氨基葡萄糖的产量。在微生物中生成氨基葡萄糖与N－乙酰氨基葡萄糖的关键酶主要是氨基葡萄糖合成酶（ GlmS）与氨基葡萄糖乙酰化酶（Gna1） 。
目前在工业生产中在微生物发酵法生产氨基葡萄糖已成为趋势，此法相比较于酶法和几丁质法具有很多的优势。通常将GlcNAc 进行弱酸处理脱乙酰化后生成氨糖，由于运送到细胞外的 GlcN和GlcNAc可以被细胞再次吸收利用，为了提高氨糖的产量必须对细胞的相关代谢途径进行改造。工业生产法的操作理论主要是一方面过表达氨基葡萄糖合成酶GlmS和乙酰氨基葡萄糖合成酶 Gna1；另一方面阻断旁支代谢途径的酶，把GlcN与GlcNAc从细胞外转运到细胞内的相关蛋白失活； 还有就是针对GlmS 做突变，通过增加其自身的酶活来提高氨糖的产量。除此之外，微生物发酵过程中发酵条件的优化，比如碳源的添加方式、分阶段的控制以及发酵温度的调控都会对氨基葡萄糖的积累产生影响。国内发酵氨糖主要生产企业有山东润德生物科技有限公司、安徽银创生物科技有限公司、浙江梦家园生物科技有限公司、山西道一生物科技有限公司等。
现在应用于工业生产的菌种有大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和谷氨酸棒状杆菌等。Deng等得到了一株消除产物抑制的工程大肠杆菌菌株，使GlcN 的产量达到了17 g /L，随后进一步将Gna1进行过表达，发酵后氨基葡萄糖产量达到了110 g /L。陈欣采用E.coli ATCC 25947（ DE3） 过表达发酵使氨基葡萄糖总产量达到了132.43 g /L。随着人们安全意识的增强，当下比较流行的氨基葡萄糖生产菌株是枯草芽孢杆菌，刘延峰以枯草芽孢杆菌168作为出发菌株，将基因 Glms与基因gna1进行过表达，实现了GlcNAc在枯草芽孢杆菌中的积累，最终使得GlcNAc的产量达到31.65 g /L。王雅婷使用谷氨酸棒状杆菌来发酵生产的N－乙酰氨基葡萄糖产量达到了2.23 g /L。
如今氨基葡萄糖在全球已广泛的被用作保健食品销售，在各大电商营养健康食品销售版块中名列前茅，其产品在全球的销售额已达 20 亿美元。目前，国内的生产主要为传统方式，由蟹壳和虾壳中提取的几丁质酸水解而得，主要通过浓盐酸将聚合物分解，形成氨基葡萄糖。然而，随着中国社会老龄人口日渐增多，对氨基葡萄糖的需求持续增加，使用水解法提取的产量会受到原材料供应变化的限制。此外，原料来源于贝类的产品会带有一定的鱼腥味，且贝类高蛋白不适合具有过敏症状的人，传统工艺生产氨基葡萄糖方法已经满足不了人们的需求。微生物生产法因其优势日益受到人们广泛的关注，目前已取得了长足的进展。尽管重组大肠杆菌发酵生产氨基葡萄糖的产量已经取得了很大的突破，但革兰氏阳性菌枯草杆菌作为更安全的宿主菌，有望取代大肠杆菌，成为氨基葡萄糖的高产工程菌。并基于在安全性方面的更多优势，有望在食品、药品上进行大规模应用。
作者：中国营养保健食品协会秘书长 吕燕妮
日期：2021-04-13
