国以民为本，民以食为天。我国是农业大国，良性可持续的农业生产是保持我国社会稳定、保障经济发展的重要基石。我国政府高度重视农业生产问题，多年来，出台了多项政策推进我国的农业生产。今年的中央一号文件专门指出“做好2012年农业农村工作，稳定发展农业生产，确保农产品有效供给，对推动全局工作、赢得战略主动至关重要”。但我国农业生产在水平逐年提高的同时也面临着越来越严峻的挑战，一方面是自然环境的进一步恶化，一方面是人民群众对农产品要求的逐步提高，尤其是近年来我国频频发生食品安全问题，常常将农业生产推到被质疑的风口浪尖上。目前的农业生产过度依赖于人工合成化学药剂，这些化学品的使用，虽然为提高农产品产量作出了极大的贡献，但也造成了环境污染、农药残留、抗药性等一系列问题，现有的化学农业已经到了一定要改进、必须变革的境地。而科学技术在这个变革过程中的作用至关重要，正如中央一号文件中指出的“实现农业持续稳定发展、长期确保农产品有效供给，根本出路在科技”。

　　作为糖生物学、糖工程研究领域的科技工作者，基于对某些特定糖的功能与特点的了解，我们在很久以前就发现糖工程产品在构建现代农业，实现绿色农业的过程中可以发挥自己的一份力量。

　　糖工程及糖工程产品

　　糖工程简介

　　糖（Carbohydrate,碳水化合物）与核酸、蛋白质和脂类一样，是自然界中最重要的生物分子之一。在糖研究的早期，对糖的认识一直停留在其作为结构物质、贮存能量或调味的作用上，而随着研究的深入，研究者发现糖不但是细胞能量的主要来源，在细胞的构建、细胞的生物合成和细胞生命活动的调控中，均扮演着重要的角色。在自然界中具有大量的糖资源，如纤维素和甲壳素的糖含量分别居生物质的前两位。糖工程学是糖科学的一个分支，其目的是更合理地使用糖类。所涉及的内容大致可分为两部分：与糖化学相关的是对巨大的糖类资源的开发利用；与糖生物学密不可分的则是如何研发糖类药物、营养品、保健品和农用产品，用于疾病的预防和治疗以及农业生产中。

　　与农业相关的糖工程及糖工程产品

　　糖工程研究主要有以下几个方面：糖基化工程，主要研究糖蛋白糖链功能的分析和糖基化表达体系的构建；糖工程药物，包括抗炎抗肿瘤药物、免疫调节药物等；糖制备工程，主要研究大宗糖的制备技术；寡糖工程，包括功能性寡糖的制备及其产品开发，涉及到医药、保健品、农用品和轻工用品等多个方面；糖合成与修饰技术，包括特殊糖的化学合成、生物合成以及对糖进行修饰改善提高活性等方面；糖的炼制、转化：包括由糖生产化工原料以及最近成为研究热点的糖基生物炼制。其中寡糖工程产品目前已经较好的应用到了绿色农业生产中。

　　自然界中蕴藏有丰富的多糖资源，但这些多糖往往具有可溶性差、难以使用等缺点。寡糖工程因此应运而生，寡糖工程是研究如何通过化学、物理、生物等方法将自然界中的多糖降解转化为寡糖，以及研究这些寡糖产品的活性功能及应用技术(图1)。

　　寡糖制备技术中，由于化学与物理方法往往会消耗较多的能源，且易造成较大的污染，因此目前研究与应用较多的是生物法(图2)。

　　劳动人民在生产实践中将寡糖产品应用于农业生产已有千余年的历史，如法国沿海地区的农民将虾蟹壳粉末、海带渣直接施用于田间防治病害已有千余年的历史。但对其进行系统的研究直到上世纪下半叶开始。1985年，美国碳水化合物研究中心的科学家将这些具有生物活性能够刺激植物反应，具有调控植物生长、发育、繁殖、防病和抗逆等方面功能的寡糖定义为寡糖素；后续研究发现各种活性寡糖素可发出调节特定功能的信息，激活植物的防御反应和调控植物生长。这些寡糖是通过调节植物自身的免疫系统来实现功能，具有预先防治病害的效果，因此，2010年，我们在国内外学界率先提出了糖链植物疫苗的概念，将这类与人用疫苗具有相似功能的寡糖定义为植物上的病害防治疫苗。这些研究结果正是寡糖工程产品应用与绿色种植业的理论基础。与化学农用制剂相比，寡糖具有用量少、作用谱广、功能多样、安全无残留、不产生抗药性等一系列优势，目前常见的寡糖工程产品有壳寡糖、几丁寡糖、葡寡糖、褐藻酸寡糖、寡聚半乳糖醛酸等。

　　另一方面，除了在植物上的这些功能外，寡糖在动物上也具有提高机体免疫力、优化肠道菌群及增进肠道能力、促进消化调节营养平衡、调血脂、促进矿物质吸收等多种功能，可以作为饲料添加剂使用，有减少饲料用量，提高肉料比，促进生长及改善产品品质的功效，尤其是其可以部分替代抗生素使用，有助于解决目前我国畜牧养殖业滥用抗生素的问题，为关系国计民生的食品安全提供帮助，因此，寡糖作为饲料添加剂使用也具有广阔的前景。目前常见的用于饲料添加剂的寡糖工程产品包括甘露寡糖、木寡糖、壳寡糖、果寡糖、葡寡糖、褐藻胶寡糖等。

　　寡糖工程产品在绿色农业中的应用

　　寡糖工程产品在种植业的应用

　　作为一个人口大国，粮食问题一直是受我国高度重视的农业问题。粮食问题不外乎产量、质量、安全性这三个方面：农产品的产量和质量通常受到病虫害和自然逆境(如旱灾、冻灾等)的影响，统计数据显示，每年因为病虫害和逆境造成的农产品损失可达30%以上，长期以来，农业生产实践中，通过使用化学合成的农用制剂可以较好地减少这些损失，但大量的化学品使用又会造成食品安全性的问题，“毒豇豆”等事件一再冲击大众的心理防线，也为种植业者提出了如何在绿色安全的前提下保证粮食生产这一个严峻的问题。从生产实践上来看，应该说采用寡糖产品是解决此问题的一个较好手段。

　　1.寡糖生物农药。基于其激活植物免疫系统的功效，糖类产品最初是作为生物农药投入应用的。如美国SafeScience公司2000年登记了一种商品名为Elexa®的壳聚糖产品，经EPA批准用于黄瓜、葡萄、马铃薯、草莓和番茄，作为一种“传统杀菌剂的替代产品”和“植物抗性调节剂”。法国科学家从2000年起对β-1,3葡聚糖的诱抗活性做了较为详细的研究，发现β-1,3葡聚糖在烟草、小麦、葡萄等植物上具有较好的诱抗效果。在此基础上，法国科学研究中心和戈埃马公司以从海带中提取分离出的昆布素为主要原料开发出“IODUS40”生物农药，该农药已获得法国农业部颁发的使用许可证,在2003年成功上市销售，并于2004年通过了国际认证。2006年统计数字显示其在法国已推广应用达十万公顷。我国的糖基农药产业化开展较好，基本与国际上发展同步，在“十五”、“十一五”国家“863”等课题的支持下，开发应用在世界上处于先进水平。目前，我国已有多个厂家登记了壳寡糖（氨基寡糖素）生物农药，此外，寡聚半乳糖醛酸等产品也已被成功开发应用。如我们课题组开发的一种寡糖生物农药，此成果于2001年转让给大连凯飞化学股份有限公司，应用壳寡糖原料，生产寡糖生物农药，从2001年投产至2011年共生产壳寡糖上千吨，产品提供国内20余个省市推广应用，推广面积达5000万亩次，产值上亿元。

　　2.寡糖肥料。在寡糖农药的基础上，寡糖作为肥料的应用也逐渐为人所重视。利用虾蟹壳、海藻渣等加工废弃物作为肥料使用在我国有一定的规模，但其成分复杂，活性物质不清楚。研究发现来源于其中的海藻酸钠寡糖、壳寡糖等寡糖在低浓度时就具有良好的促进作物生长的功能。寡糖对水果、蔬菜、粮食作物等活性实验及大田实验证明，寡糖可使其增产10%～40%。尤其是最近两年我们在陕西果树基地和海南瓜果基地的实验显示，在苹果、梨、木瓜等水果上，寡糖制剂具有良好的保花保果功能，如2010年，在陕西和甘肃安排了苹果示范，壳寡糖保中心花的效果明显，喷壳寡糖的中心花坐果率82%，未喷壳寡糖的苹果树坐果率24%，中心花坐果果实的果形、品质及综合商品性状优于偏花坐的果，在陕西示范5万亩苹果，增加产值2250万元。

　　最近两年，我们在陕西等地针对小麦的实验显示，寡糖制剂能显著的促进小麦分蘖、成穗及穗粒数，进而对小麦总产量有增产5%～10%的效果，这也揭示在蔬菜、水果等作物外，寡糖肥料也可以被应用于重要的粮食作物上，这对保障我国的粮食安全具有格外重要的意义。

　　3.寡糖抗逆剂。在实际应用中，我们还发现寡糖具有诱导植物抗逆（包括抗寒、抗旱等）的功能，并在近两年成为了寡糖制剂的应用开发热点。起初在实验室研究发现喷施寡糖的烟草植株比喷水的植株在低温条件下存活更久，进而发现使用寡糖制剂对植物抗干旱、抗冻害、抗低温均有显著的效果，可避免这些逆境对植物的伤害。在实际应用中的数据也证实了这一结果，如2010年在陕西蒲城针对果树进行了大面积的示范,示范面积近10万亩，该年陕西出现了50年一遇的特大型寒害，大部分地区果树受冻严重，减产明显。而示范果园中花前喷施一次壳寡糖，发生冻害后，再补喷一次壳寡糖，不仅提高坐果率50%，还有修复果面由于冻害造成的伤害，补喷一次的果树，果面冻伤梨仅占20%，保障了产量。

　　4.寡糖在种植业中的其他功能。除了上述主要的农药、肥料、抗逆剂三种用途外,寡糖还具有改善产品品质，降低农残等功能。如2009年陕西蒲城应用壳寡糖的酥梨经过检测农残品质，达到了出口澳大利亚的标准，历史上第一次出口澳大利亚，创汇30万美元。2011年我们在枸杞主产区宁夏针对枸杞的实验与在茶叶主产区福建针对茶叶的实验均表明寡糖在经济作物上具有显著的降农残作用。这两种功能使得寡糖制剂在高端农产品上具有良好的应用前景。

　　寡糖工程产品在畜牧业的应用

　　我国是畜牧业生产大国，生产量占世界总产量的1/4强。全面畜牧业产值占农业总产值比重的1/3,一些地区高达50%。上世纪50年代发现在饲料中添加抗生素具有防病促生长效果以来，抗生素被广泛应用于畜牧业生产。但抗生素的长期使用，带来了严重的后果，如药物残留、抗药性和畜产品品质下降等，不仅对环境造成严重影响，甚至会通过食物链对人类健康构成威胁。

　　对健康养殖，食品安全和产品出口的需求促使人们寻找绿色有效的抗生素替代品作为新型饲料添加剂。而寡糖兼具了抗生素、益生素及天然防腐剂等物质的优点，而克服了抗生素类物质的安全弊端。寡糖还具有来源广、用量少、稳定性强等特点，从而使其生产及使用成本不高，大规模生产成为可能。目前已经有多种寡糖被开发为新型绿色饲料添加剂，如我们开发的壳寡糖、褐藻胶寡糖等新型海洋寡糖饲料添加剂已形成了一条成熟、可行、易于放大、具有我国自主知识产权的新技术和生产工艺。寡糖饲料添加剂应用涉及到的养殖畜类包括猪、牛、羊、兔等；涉及到的家禽包括鸡、鸭、鹌鹑等；涉及到的水产品包括草鱼、对虾、海参等；可以说在各种畜牧品生产中都发挥了重要作用。

　　1. 寡糖饲料添加剂在畜类生产中的应用。在仔猪日粮中添加一定量的果寡糖，可提高日增重和饲料报酬，从而缩短了饲养周期，提高经济效益。壳寡糖作为仔猪的饲料添加剂使用后，0~35日龄哺乳仔猪和35~70日龄保育期仔猪的死亡率、次品率均显著降低，而平均体重分别提高18％和14.2％，同时还可改善猪肉品质，增加了猪肉中微量元素的含量。在断奶仔猪的日粮中添加壳寡糖100mg/kg~400mg/kg时，可以有效的增强仔猪的生长情况，平均日增重，日采食量等指标都有一定的提高，并对对仔猪的总能量、粗蛋白、钙、磷、脂肪等都有不同程度的增加，其中对钙、磷的吸收增加的比较明显，对猪的十二指肠、空肠、回肠的绒毛高度和隐窝深度测定，发现壳寡糖能明显增加回肠和空肠的绒毛高度，并促进小肠绒毛的生长，进而促进动物对营养物质的吸收利用。2010年1月壳寡糖饲料添加剂在广州增城石山田猪场的应用结果显示，在饲料中添加20克／吨壳寡糖就可替代抗生素的使用，仅此一项每吨饲料饲用成本就能降低40元。

　　值得一提的是，2011年我们在深圳英伟的实验显示，在母猪饲料中添加寡糖后，母猪年产仔猪可提高1~2头，今年我们将进一步开展该方面的实验并进行推广示范，如果大规模使用仍具有此效果，对提高我国猪类生产总量有重大意义。

　　2. 寡糖饲料添加剂在禽类生产中的应用。家禽类养殖是畜牧生产的一个重要组成，功能糖也被应用于鸡，鸭，鹌鹑等禽类饲养中。功能糖饲料添加剂对禽类产品的益处体现在以下方面：

　　提高生长机能，降低死亡率：寡糖作为饲料添加剂使用，发现壳寡糖能够增加鸡的胸腺、法氏囊和抗体度数等免疫指标，同时鸡血清中IgG，IgA，IgM的含量也得到增加。采用壳寡糖饲料喂食鹌鹑，添加0.05%的壳寡糖可使鹤鹑35日龄体重提高7.6%，料重比降低4.5%，胸腺、脾脏和腔上囊相对重均优于对照组，抗体效价也有所提高，提示壳寡糖可以提高鹤鹑的免疫力。在北京鸭的喂养过程中，壳寡糖也可以作为较为理想的饲料添加剂。

　　提高产蛋率及质量：在蛋鸡饲料中添加0.6g/kg的果寡糖，产蛋率和饲料利用率分别提高11.81%和8.49%，蛋壳厚度增加5.7%，哈夫单位增加10.01%。北京德清源企业最初将壳寡糖饲料添加剂应用到10万只蛋鸡的养殖中，增加鸡蛋风味、大大延长鸡蛋保质期，在蛋鸡饲养中减少或完全替代抗生素的使用，增加蛋壳密度，降低次品蛋的数量，极大的改善了鸡蛋的品质。

　　改善产品品质：在乌鸡的日粮中添加0.1%的壳寡糖，可增加乌鸡的平均体重和日增加量，增加血清钙量，降低血清胆固醇和碱性磷酸酶的浓度。最新应用试验发现蛋鸡饲料中添加250~300克/吨壳寡糖可明显降低鸡蛋胆固醇含量，经中科院沈阳应用生态研究所农产品安全与环境质量检测中心测定其胆固醇含量217.3mg/100g(中科生测字2009-04-020号)，而对照组为519.4mg/100g(中科生测字2009-04-31号)。

　　3. 寡糖饲料添加剂在水产养殖中的应用。水产品是人类食品的主要组成之一，但水产品生产也是目前养殖业中滥用抗生素最为严重的部分。寡糖在鱼类养殖中的作用不同，在草鱼饲料中添加0.4%木寡糖，能显著提高草鱼的增重和血清总蛋白含量，而且尿素氮和胆固醇含量显著降低。而β-葡聚糖对异育银鲫的生长无显著影响,但可以提高鱼体的溶菌酶、SOD活性和免疫保护率;在虹鳟鱼的饲料中添加了20~60mg/kg的壳寡糖，饲养虹鳟鱼56天后发现，壳寡糖对虹鳟幼鱼肠道有益菌有提高作用，且壳寡糖能够提高虹鳟幼鱼抗嗜水气单胞菌感染的能力。将不同浓度壳寡糖添加到喂养南美白对虾的饲料中，经过8周实验，发现壳寡糖可使高密度脂蛋白胆固醇显著增加,促进脂类代谢。大连四方海洋生物科技发展有限公司将壳寡糖应用到对虾大规模（3000亩）生产应用实验中，养殖的中国对虾显示出了明显的抗病活性，养殖时间和规格都恢复到1993年虾病爆发前水平，给青虾全价配合饲料中添加壳寡糖，试验组亩产比对照组高12.6千克，增加32.14%，其中7厘米以上的大规格青虾高10.7千克，增加41.63％，养殖亩产效益提高4l1元，增加40.73％。

　　总结与展望

　　依据前期的实验结果以及实际应用情况，我们提出了“十二五”期间寡糖产品在农业应用上的“三个一”目标：中低产小麦每穗多结一粒子；母猪每窝产子数增加一头；肉鸡、蛋鸡死亡率降低1%。若能实现这三个目标，则我国中低产小麦产量可提高5%，仔猪存活数将增加数千万头，鸡类死亡数将减少近亿只，这将为我国绿色农业的发展带来巨大的经济效益，同时也会带来极大的社会示范效果。

　　总而言之，寡糖农用制剂广谱高效、绿色环保、无公害、无残留的特点使其在种植业和养殖业生产中具有良好的发展前景，尤其是在目前我国自然环境进一步恶化、食品安全形势日益严峻的大前提下，寡糖农用制剂的大规模产业化与推广应用也将体现出更重要的意义，将对我国建设可持续发展、绿色生态农业，保障我国粮食安全以及应对我国食品安全问题做出应有的贡献。

　　作者单位：中科院大连化学物理所天然产物与糖工程课题组辽宁省碳水化合物重点实验室