茹元朴， 陈历俊， 陈树兴， 赵军英

（1 河南科技大学食品与生物工程学院 河南洛阳471023 2 北京三元食品股份有限公司 国家母婴乳品健康工程技术研究中心 北京市乳品工程技术研究中心母乳研究技术创新中心 北京100163）

唾液酸（Sialic acids， SA），又称神经氨酸，是一类含有9 碳的酸性氨基糖[1]，最早由Blix 等[2]用弱酸水解方法从唾液腺黏蛋白中提取分离得到，主要在糖蛋白和糖脂的末端以短链残基的形式存在[3]。 唾液酸广泛分布于自然界各种生物体中，在哺乳动物的脑、乳、血液和神经组织黏蛋白中含量较高[4]，积极参与体内蛋白水解保护、细胞识别、生殖、感染、免疫和认知发育等生物学作用[5]。

唾液酸在大脑中含量最高， 是神经节苷脂在结构和功能上的重要组成成分， 对促进大脑和神经系统的产生和发育具有非常重要的作用[6]。母乳是婴幼儿营养的主要来源， 其中含量丰富的唾液酸更是对婴幼儿神经系统的发育起到重要作用。以牛乳为基础的婴幼儿配方粉作为母乳的代替品，其营养和健康受到很多关注。 然而，由于牛乳中的唾液酸含量和结构与母乳差异较大[7-8]，母乳喂养的婴儿在认知发育方面的总体认知得分高于婴儿配方奶粉喂养[9]。 鉴于此，唾液酸在婴幼儿配方粉中的应用需得到关注[10]。

传统的唾液酸生产方法主要包括天然原料提取法[11-12]、化学合成法[13]、多聚物分解法、酶及固定化酶法和微生物发酵法等， 这些方法均有一定缺陷，如唾液酸含量低，后期分离纯化困难，所需合成原料价格昂贵和污染环境等， 需要探索新的能够实现产业化的唾液酸生产方法[14]。

唾液酸因众多功能特性以及在母婴食品中应用的广泛性而备受关注。 本文综述目前有关唾液酸在乳中的结构与分布、营养功能、制备方法以及在食品尤其是母婴食品中的应用现状， 并展望其未来发展趋势。

1 唾液酸的结构及性质

唾液酸是一类神经氨酸家族中的氮或氧基取代衍生物，是具有吡喃糖结构的酸性氨基糖，系统命名为5-氨基-3，5-二脱氧-D-甘油-D-半乳壬酮糖[1]，由于具有9-碳骨架和α-酮酸的功能，使其具有强烈的酸性（pKa=2.6）[15]。 根据5 号碳上不同的连接基团， 构成了不同的唾液酸衍生物。 目前，已经发现的唾液酸有50 多种[16]，常见的结构为N-乙酰神经氨酸 （N-Acetylneuraminic acid，Neu5Ac，图1a）、N-羟乙酰神经氨酸（N-Glycolylneuraminic acid， Neu5Gc， 图1b）、3-脱氧-D-甘油-D-半乳壬酮糖 （Ketodeoxynonulosonic acid，KDN，图1c）和神经氨酸（Neuraminic acid， Neu，图1d）。 Neu5Ac 和Neu5Gc 是其中最主要的2 种化合物，唾液酸家族中99%都以两者的形式存在，通常以α-糖苷的形式位于非还原性寡聚糖、糖蛋白和糖脂的末端[17]。

图1 Neu5Ac（a）、Neu5Gc（b）、KDN（c）和Neu（d）的结构式Fig.1 Structural formula of Neu5Ac （a）， Neu5Gc （b）， KDN （c） and Neu （d）

2 唾液酸在乳制品中的存在形式及分布

由表1 可知， 母乳中的总唾液酸含量明显高于牛乳和婴儿配方粉。 Wang 等[18]的研究中，采集20 名足月母亲和14 个早产母亲在哺乳期的4 个阶段（初乳、过渡乳、1月期、3月期）的母乳进行采集，并且对比了21 种不同的婴儿配方粉，结果显示，初乳中的唾液酸含量最高【（1 669.51±69.56）mg/L】，且随时间的延长而下降，在3 个月后下降了将近80%， 并且大多数配方中唾液酸含量均低于成熟母乳中唾液酸含量的25%（P ＜0.01）。Kawakami[19]对日本2 000 多位产后母亲3～16 个月的母乳进行了检测， 唾液酸含量从第3～5 天的1 606.57 mg/L 下降到120～240 天的341.19 mg/L。在牛乳中唾液酸的动态检测中[20]，牛乳的初乳、成熟乳、末乳中唾液酸的含量为445.95，66.33，46.68 mg/L。由于生产所用到的乳源不同，婴儿配方粉中唾液酸的含量差异明显，在71～225 μg/g 之间。

表1 乳及乳制品中唾液酸的含量Table 1 Contents of sialic acid in milk and dairy products

乳中的唾液酸主要以结合形式存在， 以蛋白质结合唾液酸和低聚糖结合唾液酸为主， 还有少量唾液酸以脂质结合和游离形式存在。 低聚糖结合唾液酸是母乳中的重要营养素之一，Wang 等[35]报道了40 多种不同的唾液酸低聚糖的结构，并且鉴定了其中的50%， 主要为唾液酸乳糖-N-四糖c、6'-唾液酸和二唾液酸-N-四糖。Coppa 等[36]的研究表明初乳中这3 种糖的质量浓度分别为1 050，590，800 mg/L，泌乳90 d 时分别为120，240，630 mg/L。 母乳和牛乳中不同结合形式唾液酸的含量如表2 所示， 母乳中低聚糖结合唾液酸约占唾液酸总量的73%， 而牛乳中主要以蛋白质结合唾液酸为主，占70%，低聚糖结合唾液酸只占牛乳唾液酸总量的28%。 母乳中唾液酸含量多于牛乳主要是由两种乳中糖蛋白和低聚糖的数量不同导致的。在泌乳初期，母乳乳清蛋白与酪蛋白的比例为9∶1，随着时间的增加，酪蛋白浓度逐渐升高，导致酪蛋白占总蛋白的比例发生改变，最后稳定在6∶4 左右， 而酪蛋白是成熟母乳中蛋白质结合唾液酸的主要来源， 因此蛋白质结合唾液酸在整个泌乳过程中都会随酪蛋白发生变化[35]。 母乳低聚糖结合唾液酸占低聚糖总量的60%～70%，虽然这一比例在整个泌乳过程比较稳定， 但总量随着泌乳时间的变化逐渐减少。

表2 母乳与牛乳中唾液酸的结合形式分布Table 2 Distribution of sialic acid binding forms in human milk and milk

母乳中唾液酸的结构仅由Neu5Ac 组成，而牛乳中同时含有Neu5Ac 和Neu5Gc[23]，然而Lacomba 等[37]和Quin 等[38]的报道显示，能够在母乳样本中检测到Neu5Gc，这可能跟母亲的饮食摄入有关。 Puente 等[39]的结果表明，牛初乳中Neu5Gc含量较高（占唾液酸总量的32%），直到第1 个月底才开始下降。Tang 等[40]的报告显示，牛乳中含有（16.8±8.1）mg/L Neu5Ac 和 （5.295±5.135）mg/L Neu5Gc。

3 唾液酸功能

唾液酸在生物体内具有多种生理功能， 如促进胎儿及婴儿大脑发育、增强婴儿认知能力、抗病毒和促进矿物质和维生素吸收等， 而不同的生理功能主要由唾液酸的存在位置和结合形式决定。

3.1 对胎儿发育的作用

妊娠期是女性较为特殊的时期， 在这期间为了适应胎儿生长发育的需要， 母亲身体各系统会进行一系列的生理变化。 母体和胎儿之间会通过胎盘进行物质交换， 此时母体会通过自身的代谢和营养对胎儿的生长发育产生影响[41]。 健康孕妇血清和红细胞膜中的唾液酸浓度随着妊娠的进展显著升高，并持续到产后12 周[42]。 Nemansky 等[43]的研究认为这种升高可能与血清总唾液酸水平的升高有关， 因此推测这些变化与人胎盘中发现的唾液酸转移酶活性有关， 也可能与胎儿发育过程中对唾液酸的需求增加有关。 胎盘组织中唾液酸的减少或缺乏可能导致胎盘功能的降低， 影响胎盘血管的发育， 从而影响母体与胎儿之间的气体和代谢物交换， 这可能对胎儿的生长发育产生负面影响[44]。 不同妊娠期血液中的唾液酸含量不同，表明母亲过量合成唾液酸并通过胎盘提供给7～9个月的胎儿，以供其生长发育所需[45]。 Briese 等[46]检测了126 例孕晚期孕妇的母血、 胎盘后血和脐带血中总唾液酸的浓度， 结果显示母血与胎盘后血、母血与脐带血之间均呈显著正相关（P＜0.01），这表明母体是胎儿唾液酸的主要来源， 通过胎盘的传递，对胎儿在妊娠晚期的生长发育作出贡献。

研究表明， 外源唾液酸的摄入可提高妊娠期血液中唾液酸含量[47]，孕期食用充足的唾液酸是胎儿唾液酸来源的重要保证。 从食物中唾液酸的调查结果显示，鸡蛋、燕窝、鱼卵和牛乳中富含唾液酸， 其次是畜肉类， 因此在妊娠期摄入以上食物，可能对婴儿的大脑发育产生积极影响。

3.2 对婴幼儿大脑发育和认知的作用

唾液酸在哺乳动物神经细胞中含量最高，比其它细胞高20 倍，其中65%的唾液酸与神经节苷脂结合（以低聚糖形式结合），32%与糖蛋白结合，还有少部分以游离的形式存在， 这些唾液酸能够参与神经递质的运动、释放和改变突触形状，促进神经细胞的分化、发育和再生[6，46]，在性别方面没有差异性，并且其含量随着年龄的增长而增加[48]，唾液酸的这些功能对婴儿生长发育尤为重要。 唾液酸的合成是在肝脏中进行的， 而此时婴幼儿体内的器官还未发育成熟， 合成的唾液酸难以满足脑部发育的需求， 因此如何提升婴儿唾液酸的外源性摄入成为近年来的研究热点。

大多数关于唾液酸作为饮食补充剂的研究主要在啮齿类动物和新生猪仔上进行。Ulrich 等[49]对大鼠的幼鼠静脉注射一种辐射标记过的唾液酸乳糖， 结果显示6 h 后30%被保留在组织中，3%在大脑中，其余部分被迅速消化吸收；Morgan 等[50]对12日龄幼鼠注射放射性标记Neu5Ac 2 h 后发现，80%的Neu5Ac 结合在突触体部分， 这些结果表明血清白蛋白可能在神经节苷脂穿过血脑屏障的运输中起作用， 这意味着血液中与神经节苷脂结合的唾液酸可能被大脑利用。 对孕鼠进行Neu5Ac 灌胃，发现Neu5Ac 能够提升子代鼠的学习记忆能力， 并且经过检测发现子代鼠脑中的唾液酸含量明显高于对照组[51]；Morgan 等[50]的试验也证明了这一点， 并且表明大鼠的学习能力与补充唾液酸的含量呈正相关。 有研究表明对大鼠补充从燕窝[11]（主要为蛋白结合唾液酸和游离唾液酸）或鸡蛋壳膜[12]（主要为蛋白结合唾液酸）中提取出的唾液酸， 都能够提升大鼠的空间学习记忆能力。推测孕期和泌乳期母鼠摄入游离唾液酸后，会导致其乳汁中的唾液酸含量上升， 子代大鼠间接补充唾液酸，从而提升其学习记忆能力[51]。Wang等[52]的研究表明，由于胎鼠体内不能产生唾液酸，孕鼠体内的唾液酸会通过胎盘进入胎鼠， 以保证其生长发育， 此时胎盘就起着调节母体和胎儿之间唾液酸含量平衡的作用， 然而这其中的机制尚不清楚。由此可知，外源性游离、糖结合、蛋白结合的唾液酸均能发挥功能， 主要通过影响大鼠孕期和泌乳期胎盘的调节和乳汁唾液酸的含量， 最终影响到幼鼠脑部唾液酸的含量， 从而促进神经系统的发育，提升幼鼠的学习记忆能力，然而游离和不同结合形式的唾液酸对神经系统的影响是否存在差异还有待进一步研究。 由于大多数对鼠的研究都是在其断奶后进行， 大脑的发育已经接近完成，此时唾液酸的干预已晚，因此啮齿类动物模型对于探究唾液酸的功能存在一定的局限性。

猪仔的脑结构和功能更接近于人类婴儿，消化系统与人类婴儿有相似的生理和解剖结构，并具有相似的营养需求， 使得仔猪更适合于深入分析人类的学习和记忆水平。 Wang 等[52]的研究表明，增加猪饮食中外源性游离唾液酸的摄入，能够提升其大脑组织中的唾液酸含量，猪体内与认知、记忆有关基因的表达也会增加， 从而提升了猪的学习记忆能力。

由此推测， 对婴幼儿增加唾液酸的外源性摄入，可能提升其智力发育水平和认知能力，这一点在母乳喂养和婴儿配方粉喂养的临床比较中得到验证。在5 个月完全母乳喂养的研究中，足月和早产婴儿体内的唾液酸总量几乎是配方粉喂养婴儿的两倍[53]，母乳中唾液酸浓度相对较高的事实也表明， 大脑生长对唾液酸的需求比婴儿体内生物合成所能提供的更大。这一结果与Wang 等[54]研究一致，在猝死婴儿脑样本（1～38 周）中测定唾液酸含量， 发现母乳喂养婴儿脑中神经节苷脂结合和蛋白质结合唾液酸浓度分别比配方奶婴儿高32%和22%（P＜0.01）。 母乳喂养的动物（哺乳动物）大脑中总唾液酸的含量通常高于其它脊椎动物，因此母乳中唾液酸被认为是婴幼儿最好的条件营养物之一[55]。 通过给幼龄婴儿摄入含唾液酸高的配方奶粉[56]，能提高其血清中神经节苷脂的含量，对婴儿的认知和学习能力也有一定的提升。

3.3 抗病毒

研究表明[57]细胞表面糖蛋白和糖脂末端的唾液酸，既能够作为抗原的识别位点，也能掩蔽识别位点。唾液酸通过屏蔽识别位点，使抗原等识别位点成为抗识别剂， 从而保护细胞不受免疫系统攻击。 然而，流感病毒上的唾液酸酶，可以屏蔽细胞的抗原位点， 使细胞认为病毒是免疫系统的一部分，从而削弱免疫反应能力，这些机制的阐明对制定治疗方案和预防策略有很大帮助[58]。

唾液酸能够促进细胞表面分泌黏液， 有助于保护上皮免受有害物质和病原体的侵害。 外源性唾液酸还具有增强肠道抗病毒和排毒的功能。 食品中的唾液酸进入肠道后， 由于其特殊结构不能够被消化系统降解， 形成的多肽结合物能够与肠道内的致病菌、毒素等竞争结合到肠细胞表面，进而阻止致病菌、毒素等与肠道细胞结合[59]。

3.4 促进矿物质和维生素吸收

唾液酸具有电负性， 能够与肠道内的正电荷如Ca2+等矿物质及一些维生素结合， 增强肠道对这些物质的吸收利用能力， 唾液酸的电负性还能够使血液中的细胞之间相互排斥， 从而减少了血液循环中不必要的细胞相互作用[60]，因此外源性唾液酸具有提升机体的营养吸收能力。

3.5 不同结构唾液酸的功能

早在1973年， 人们认识到人体内明显缺失Neu5Gc[61]，而含Neu5Gc 的糖基复合物是人类日常饮食中一个常见的成分， 存在于大多数的鱼类和肉类中。 然而，人体的代谢酶并不区分Neu5Gc或Neu5Ac[62]。 对无法生物合成Neu5Gc 的小鼠进行的试验表明[63]，与糖苷结合的饮食衍生Neu5Gc比游离Neu5Gc 更具有生物利用价值。 有研究表明，牛奶和未煮熟肉食中的Neu5Gc，可使Neu5Gc在体内堆积[62]，这些Neu5Gc 的存在及其介导的免疫反应被怀疑会引起一种亚慢性炎症，称为“异种炎”，并可能参与炎症的病因疾病，如动脉粥样硬化，关节炎和冠心病[64]。

目前的研究表明，人类母乳中含有的唾液酸，主要以Neu5Ac 形式存在， 而以牛乳为主要原料的婴儿配方粉中有一定数量的唾液酸以Neu5Gc的形式存在[39]。 与纯母乳喂养的婴儿相比，配方奶喂养的婴儿会接触到更高水平的Neu5Gc。有研究表明[51]，在怀孕小鼠妊娠期第13 天至第18 天的饮水中添加1 mg/mL 游离Neu5Gc，其结果未能证明胎儿将Neu5Gc 纳入其成年或胎儿组织。 目前未有乳品摄入对人体产生不良作用的动物或临床研究报道。

表3 不同来源唾液酸的结构、日添加量及功能对比Table 3 Comparison of structure， daily addition and function of sialic acid from different sources

4 唾液酸的制备技术

近些年唾液酸在母婴食品中得到了广泛的应用，高效、安全、经济的唾液酸工业生产方法也成为了研究热点。 唾液酸的生产方法主要包括化学合成法、酶合成法、天然原料提取法、多聚物分解法和微生物发酵法。

4.1 天然产物提取法

唾液酸广泛分布于动物、 植物和微生物中。1954年，唾液酸首次以低聚糖唾液酸的形式从泌乳期老鼠的乳腺中分离出来。 Lekh 等[65]从蛋黄中提取唾液酸，经过脱脂、水解、超滤、浓缩、冻干等操作，成功获得纯度高达98%的唾液酸产品。燕窝中含有丰富的唾液酸，Martin 等[66]和袁玲等[11]从燕窝中提取出了高纯度的唾液酸。然而，天然产物中成分比较复杂且唾液酸含量极低， 一般要经过酸解、层析、浓缩、冻干等过程，导致回收率低，分离纯化困难，难以满足工业化的大规模生产需要。乳清是生产干酪时的副产品，主要含有乳清、乳糖和乳低聚糖， 近年来国内外对乳清的综合开发利用成为热点，Eustache[67]从乳清中提取唾液酸，2009年荷兰的菲仕兰公司， 采用树脂分离法从乳清渗透物中分离得到富含低聚糖唾液酸的产品。 邹丽丽等[68]和王蕾等[32]都采用膜分离的方法，通过超滤和纳滤分离得到唾液酸产品， 此类产品因其纯天然的特点，较适合添加到婴儿配方粉中。

4.2 化学合成法

以N-乙酰葡萄糖胺（GlcNAc）为底物，与二叔丁基氧代丁二酸的钾盐缩合， 在碱的催化下脱羧生成Neu5Ac。由于此方法需要铟等有毒金属作为催化剂，化学合成时的条件也较为苛刻，再加上产物回收率低，难以广泛应用。 实际应用中，一般将化学合成法与酶法结合使用。

4.3 多聚物水解法

某些大肠杆菌由于其本身带有K1 抗原，能够在特定的培养基中产生多聚神经氨酸。 1973年Uchida 等[69]通过发酵法获得多聚神经氨酸，又经神经氨酸酶水解得到了纯度达到98%的Neu5Ac，此方法首次应用于工业化生产唾液酸。然而，由于此方法产量低、成本高，不适合唾液酸的大规模生产。

4.4 酶合成法

酶合成法通常以N-乙酰甘露糖胺（ManNAc）为底物，与丙酮酸钠和ATP 在唾液酸醛缩酶的催化下合成Neu5Ac。 与化学合成法相比，酶合成法具有反应速度快、条件温和、无污染等优点。 然而ManNAc 的价格高昂， 难以实现工业化。 Tsukada等[70]将化学合成法和酶法结合，首先将GlcNAc 在碱性条件下异构生成ManNAc， 然后再与丙酮酸在N-乙酰神经氨酸醛缩酶（Nan A）的催化作用下生成Neu5Ac。近些年通过固定化酶的生产方法成为研究热点，Tao 等[71]采用全细胞催化法将Glc-NAc 异构酶和NanA 两种酶置于大肠杆菌内，通过收集重组大肠杆菌细胞直接以GlcNAc 和丙酮酸为底物催化合成Neu5Ac，此方法不仅简化了工艺操作、降低了酶的纯化成本，又可以将细胞多次循环利用。 然而， 该方法对所需原料的品质要求高，且Nan A 不易获得，限制了其在工业规模化生产中的应用。

4.5 微生物发酵法

微生物发酵法可以不添加其它任何前体物，直接以葡萄糖、甘油或者其它碳源为底物，获得唾液酸单体。Samain 等[72]以甘油为碳源，利用大肠杆菌中表达源于空肠弯曲菌的neuBC 基因， 同时将大肠杆菌中Neu5Ac 分解途径上的关键基因N-乙酰神经氨酸醛缩酶基因Nan A、N-乙酰甘露糖胺激酶基因Nan K 和神经氨酸运载基因Nan T 敲除， 通过基因重组大肠杆菌发酵法生产Neu5Ac，产量高达39 g/L。 在Kang 等[73]的研究中，以葡萄糖为碳源，通过解除葡萄糖-6-磷酸葡萄糖合酶的反馈抑制作用，增加N-乙酰氨基葡萄糖和丙酮酸的积累（如图2 所示），阻断NeuAc 的分解代谢，在重组大肠杆菌中直经分批发酵，NeuAc 产率达到7.85 g/L。 微生物发酵属于生物催化过程，与其它生产方法相比，无需添加酶、工艺操作简单并节省了大量的生产成本。

图2 工程大肠杆菌中NeuAc 代谢途径的示意图[73]Fig.2 Schematic presentation of NeuAc metabolic pathway in engineered E. coli[73]

5 唾液酸在母婴食品中的应用

母乳是婴幼儿生长发育中最重要的食物，含有丰富的营养素成分和抗感染因子。 然而并不是所有的婴幼儿都可母乳喂养， 在母乳不足的情况下， 以牛乳为基础的婴儿配方奶粉成为了母乳的替代品。 尽管近些年婴儿配方奶粉在设计和成分上更加接近母乳， 然而唾液酸的浓度和成分仍然存在差异[38]，由于唾液酸具有促进婴幼儿大脑发育、提升认知能力和增强免疫等功能，在婴配粉中的应用逐渐被重视。近年来，一些国外婴幼儿配方食品品牌等通过在婴幼儿乳粉或婴幼儿食品中补充外源性唾液酸， 期望达到增加脑部唾液酸含量的效果。日本太阳化学公司以蛋黄为原料制取了一种功能性饮料， 以蛋黄唾液酸低聚糖作为婴幼儿的食品配料和营养补充剂， 适合作为婴儿断奶食品以及病人的营养品[74]。

从2010年开始，中国科学院微生物研究所将N-乙酰神经氨酸列为科技部863 重点项目。 2017年，《食品安全法》正式将N-乙酰神经氨酸列为了新资源食品。 何光华等[75]发明了一种抗老年痴呆的全营养配方食品， 每100 g 产品含有18 mg Neu5Ac。程彦[76]通过湿法加工的方法，将唾液酸添加到婴儿配方奶粉中， 发明出一种营养全面且成分、含量和功能更加贴合母乳的婴儿配方奶粉。唾液酸被作为营养强化剂在婴配粉、 酸奶、 乳品配料、饮料等食品中均有广泛应用。然而唾液酸在孕产妇方面的应用却很少，有研究表明[48]，产妇补充唾液酸能够明显促进胎儿或儿童的发育， 这一结果暗示孕产妇需要进行唾液酸的补充， 约翰·保罗·齐默[78]发明了一种能够通过使用唾液酸进行营养补充来改进胎儿与儿童健康和发育的方法和组合物，试验研究表明，唾液酸可以通过各种形式改善孕前、 中、 后期胎儿或产后婴儿的健康和发育。 孕产妇的营养补充对胎儿和婴儿的健康发育至关重要， 今后有关孕产妇健康的唾液酸产品还需要深入研发。

6 结语

诸多证据表明， 唾液酸对胎儿和婴幼儿的生长发育起着至关重要的作用， 将外源唾液酸添加到婴儿配方粉中成为了近些年研究应用的热点。唾液酸具有的多种生理功能， 决定了其作为新资源食品的潜力。然而孕产期补充唾液酸，对胎儿发育、母乳成分及婴幼儿的作用尚不明确，婴幼儿补充唾液酸的临床功效方面的研究较少， 不同结合形态唾液酸的功能差异缺乏研究， 这些问题都有待进一步深入的研究。