殼聚糖及其應(yīng)用研究進(jìn)展

,,,,

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué),河北保定 071000)

1895年,法國(guó)最先開(kāi)始研制殼聚糖,1934年,美國(guó)申請(qǐng)了殼聚糖及殼聚糖膜的專(zhuān)利。在這種情況下,殼聚糖受到了國(guó)內(nèi)外眾多研究學(xué)者的關(guān)注,在醫(yī)療、化工、環(huán)境等方面的報(bào)道也相繼出現(xiàn)。

殼聚糖是天然生物甲殼素脫去大部分乙?；笏纬傻漠a(chǎn)物,化學(xué)名為聚氨基葡萄糖,是甲殼素最基本的衍生物[1]。甲殼素在蝦、蟹外殼和昆蟲(chóng)內(nèi)外角質(zhì)層及植物細(xì)胞壁中廣泛存在,是目前自然界中發(fā)現(xiàn)的唯一帶正電荷的堿性多糖體,也是年產(chǎn)量?jī)H次于纖維素的第二大天然高分子[2]。當(dāng)甲殼素的脫乙?；潭瘸^(guò)50%并能溶于酸性介質(zhì)時(shí),甲殼素可轉(zhuǎn)化成殼聚糖[3],由此可見(jiàn),二者之間并無(wú)明顯界限。

近年來(lái),白色污染及資源匱乏問(wèn)題受到越來(lái)越多的關(guān)注。在全球大力提倡節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的循環(huán)經(jīng)濟(jì)政策下,殼聚糖等無(wú)毒、無(wú)污染的可自然降解材料應(yīng)運(yùn)而生。另外,殼聚糖具有獨(dú)特的生物理化性質(zhì),使其在食品保鮮、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、環(huán)境處理和化工等方面存在著廣泛應(yīng)用[4-6],其中有關(guān)殼聚糖及其衍生物的抗菌性能在醫(yī)藥方面的使用尤其受到重視。已被現(xiàn)代科學(xué)稱(chēng)之為繼蛋白質(zhì)、糖類(lèi)、脂肪、維生素、礦物質(zhì)等五大生命要素之后的第六生命要素[7]。

隨著殼聚糖性能不斷被開(kāi)發(fā),其應(yīng)用前景也越來(lái)越廣泛。本文綜述了殼聚糖的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、提取方法以及在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、水環(huán)境處理及食品保鮮膜等方面的研究進(jìn)展,為系統(tǒng)性了解殼聚糖提供科學(xué)依據(jù)。

1 殼聚糖的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

1.1 殼聚糖結(jié)構(gòu)

殼聚糖又稱(chēng)可溶性甲殼質(zhì)、甲殼素衍生物、幾丁聚糖等,化學(xué)名為2-氨基-β-1,4-葡聚糖[1]。在堿性加熱條件下,甲殼素脫去N-乙酰基生成的一類(lèi)生物高分子物質(zhì)。

殼聚糖具有復(fù)雜的雙螺旋結(jié)構(gòu),呈白色或灰白色、無(wú)定形、半透明、略有珍珠光澤,是一種陽(yáng)離子天然高分子纖維。殼聚糖溶于酸后,這種長(zhǎng)鏈聚合物含有氨基葡萄糖所攜帶的帶正電荷的氨基與乙酰氨基葡萄糖擁有的帶負(fù)電荷的羥基,因此性質(zhì)非常活潑,可通過(guò)化學(xué)改性,得到多種具有特殊性質(zhì)及用途的殼聚糖衍生物,從而克服殼聚糖水溶性差這一缺點(diǎn)。殼聚糖具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 殼聚糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structure of chitosan

1.2 殼聚糖性質(zhì)

甲殼素分子式為(C16H26O10N2)n,是一種直鏈狀的天然多糖類(lèi)高分子物質(zhì),呈白色或灰白色無(wú)定形半透明固體[8],在濃堿加熱處理的條件下脫去乙?；蓺ぞ厶?。

殼聚糖可進(jìn)行交聯(lián)、氧化、還原、絡(luò)合、鹵化、硫化、?；榷喾N反應(yīng),生成不同的衍生物。還可發(fā)生重氮化反應(yīng),如與亞硝酸反應(yīng)生成末端帶有醛基的低聚合度葡胺糖。

殼聚糖脫乙酰度的不同直接影響殼聚糖的物理化學(xué)性質(zhì),脫乙酰氨基含量越少,殼聚糖結(jié)晶程度越小,溶解性越大,反應(yīng)活性也更強(qiáng)。另外,由于殼聚糖分子含有游離的氨基和羥基等極性分子,因此吸濕性?xún)H次于甘油。

殼聚糖可制成不同分子量的環(huán)保可降解膜,在醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)也受到了廣泛關(guān)注。外國(guó)學(xué)者 Kawasaki等[9]制得的殼聚糖-羧甲基纖維素復(fù)合膜,該膜保濕性能好,抗菌活性及機(jī)械強(qiáng)度高,是一種較為理想的中藥復(fù)合膜。

殼聚糖還具有親水性、緩釋性、良好的生物相容性以及穩(wěn)定的理化性質(zhì),是一種理想的藥物傳輸載體[10-11]。另外,殼聚糖對(duì)腫瘤細(xì)胞表面具有電中和作用和選擇吸附性,能夠直接抑制腫瘤細(xì)胞,從而影響腫瘤細(xì)胞正常的新陳代謝,對(duì)治療癌癥,緩解病情具有顯著作用[12-13]。

2 殼聚糖的提取方法

一般情況下,影響脫乙?；潭鹊闹饕蛩赜性系姆N類(lèi)(晶型)、甲殼素的制備方法、堿液的濃度、反應(yīng)的溫度和時(shí)間等。目前提取殼聚糖的主要原料有蝦蟹殼、昆蟲(chóng)、微生物以及植物。

2.1 從蝦蟹殼中提取

蝦蟹殼中殼聚糖含量可達(dá)10%～30%[14]。主要提取方法有高濃度堿在高溫下脫乙酰制備殼聚糖和甲殼素酶法脫乙酰制備殼聚糖兩種。

工業(yè)上一般采用高濃度高溫?zé)峤夥?先將蝦蟹殼洗凈,用HCl溶液脫蛋白,再用一定濃度KMnO4溶液和苯酸分別浸泡一定時(shí)間后得到脫乙酰基甲殼素,最后在140 ℃下用5% NaOH溶液浸泡1 h得到白色的殼聚糖。但這種方法污染環(huán)境、成本較高且制得的殼聚糖不穩(wěn)定。甲殼素酶法脫乙酰是采用甲殼素脫乙酰酶水解乙?；?不僅解決了環(huán)境污染的問(wèn)題,還能得到純度較高的殼聚糖。

2.2 從昆蟲(chóng)中提取

昆蟲(chóng)體內(nèi)甲殼素含量豐富。臭蜣螂體內(nèi)甲殼素含量高,提取的殼聚糖品質(zhì)好。S.V.Nemtsev等[15]以蜂蜜為原料制備甲殼素,將甲殼素置于50%的NaOH溶液中水浴制得產(chǎn)率為16%～25%的殼聚糖。蠅蛆繁殖能力強(qiáng),從其體內(nèi)提取抗菌活性蛋白后,再進(jìn)行甲殼素的提取,將純度較高的甲殼素放在50%的NaOH溶液中,在60～65 ℃溫度下水浴加熱8 h制得殼聚糖。

昆蟲(chóng)種類(lèi)繁多,甲殼素含量豐富,應(yīng)用前景十分廣泛,有關(guān)蟋蟀、蠶蛹等其他昆蟲(chóng)提取殼聚糖的研究也在逐步推進(jìn),這無(wú)疑是對(duì)推動(dòng)殼聚糖應(yīng)用和昆蟲(chóng)資源利用的有效幫助。

2.3 從微生物中提取

從微生物中提取殼聚糖主要有酸堿法、微波法和堿法。以米根霉為例，將含米根霉菌體的乳酸發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理，采用酸堿交替脫去菌體中的蛋白質(zhì)，然后利用濃堿液脫乙酰制得殼聚糖[16]；Khayria M等[17]利用黑曲霉菌體為原料，探索了不同堿濃度、溫度和時(shí)間對(duì)回收殼聚糖的影響，結(jié)論表明，在NaOH濃度為1 mol/L，反應(yīng)溫度100 ℃，反應(yīng)時(shí)間1 h的最優(yōu)條件下，殼聚糖的回收率可達(dá)7.0%(w/w)。

從微生物中提取殼聚糖可有效減少環(huán)境污染問(wèn)題，但目前生產(chǎn)成本較高，不能進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，這就需要進(jìn)行菌種的優(yōu)化培養(yǎng)，提高微生物產(chǎn)量。

2.4 從植物中提取

從植物中提取殼聚糖的方法主要是將植物經(jīng)堿醇液高溫處理后，將植物細(xì)胞壁中的甲殼素轉(zhuǎn)化為殼聚糖。殼聚糖可由靈芝等真菌細(xì)胞壁中的甲殼素脫乙酰制備而成，首先將靈芝粉用酸堿液進(jìn)行破壁處理，再用NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH為8～10，離心分層，無(wú)離子水洗滌沉淀至上清液呈中性，沉淀即為殼聚糖[18]。

與其他方法相比，植物中殼聚糖含量較少，提取的殼聚糖含量低，不能滿(mǎn)足大批量生產(chǎn)。

3 殼聚糖的應(yīng)用

3.1 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面的應(yīng)用

殼聚糖無(wú)毒無(wú)污染、生物相容性良好,在醫(yī)藥行業(yè)有著廣闊的市場(chǎng)價(jià)值,是醫(yī)藥研發(fā)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象之一,可用于制作膜制劑、癌細(xì)胞導(dǎo)向性藥物、難溶藥物助溶劑等各類(lèi)醫(yī)藥制劑。此外,殼聚糖在骨[19-20]、血管修復(fù)[21]以及人工皮膚[22]等方面的研究也取得了顯著成效。以下特點(diǎn)是殼聚糖在醫(yī)藥制劑方面?zhèn)涫芮嗖A的原因:a.殼聚糖具有良好的親水性,可在酸性消化液及低pH水溶液中膨脹形成凝膠,從而阻止藥物的擴(kuò)散;b.溶液具有粘性,其氫鍵可相互交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),是一種理想的成膜物質(zhì);c.殼聚糖復(fù)合膜覆蓋在創(chuàng)傷表面,引起的生物組織反應(yīng)很小,并且膜材料能被組織中含有的酶降解;d.殼聚糖能打開(kāi)分子間相互交織的狀態(tài),增加小腸上皮細(xì)胞間的滲透,從而促進(jìn)肽類(lèi)藥物的吸收。

殼聚糖作為一種來(lái)源廣泛、無(wú)毒無(wú)害、易被生物體吸收的原材料,不僅在抗菌、抗腫瘤、血管修復(fù)等方面取得了良好成效,在糖尿病、心臟病、防治痛風(fēng)等方面也發(fā)揮了一定作用,但在實(shí)際臨床應(yīng)用及中草藥應(yīng)用領(lǐng)域中對(duì)殼聚糖的使用并不多見(jiàn),這也是殼聚糖未來(lái)研究和發(fā)展的主要方向之一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,殼聚糖及其衍生物的潛在價(jià)值將會(huì)被逐步發(fā)掘,為醫(yī)藥衛(wèi)生行業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。

3.2 在水環(huán)境處理方面的應(yīng)用

近年來(lái)全球淡水資源嚴(yán)重短缺,許多地區(qū)供水不足,節(jié)約水資源、實(shí)現(xiàn)水資源循環(huán)利用是當(dāng)前世界面臨的主要難題。伴隨著城市工業(yè)化的發(fā)展,隨之而來(lái)的是工業(yè)廢水排放量的逐步上升,導(dǎo)致水體中重金屬及有機(jī)物含量增加,水體失去正常的自我凈化能力。

水體中殼聚糖分子中存在游離氨基,在稀酸溶解中易被質(zhì)子化而帶正電,可作陽(yáng)離子絮凝劑,將帶負(fù)電荷的活性污泥沉淀。當(dāng)殼聚糖分子鏈上的陽(yáng)離子活性基團(tuán)與帶負(fù)電的活性污泥相互吸引時(shí),膠體微粒的表面電荷降低,分子鏈的吸附粘結(jié)和架橋作用使膠體產(chǎn)生沉降,可有效去除廢水中的有機(jī)農(nóng)藥、污泥和染料。殼聚糖還可通過(guò)分子鏈中的羥基和氨基與Hg離子、Zn離子等重金屬離子形成穩(wěn)定的螯合物產(chǎn)生沉降,經(jīng)過(guò)交聯(lián)反應(yīng)擴(kuò)大pH范圍,提高對(duì)金屬離子的選擇吸附性,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水處理和重金屬回收領(lǐng)域[23]。另外,經(jīng)改性的殼聚糖可增加在酸性介質(zhì)中的化學(xué)穩(wěn)定性和吸附能力,實(shí)現(xiàn)殼聚糖吸附劑的充分使用與重復(fù)利用。

雖然殼聚糖在水環(huán)境處理方面取得了一定成效,但仍存在利用率低、成本高、吸附能力小等缺點(diǎn)。因此,將殼聚糖及其衍生物與其他添加劑相結(jié)合,開(kāi)發(fā)更為高效廉價(jià)的殼聚糖吸附劑是目前急需解決的問(wèn)題。

3.3 在食品保鮮膜方面的應(yīng)用

食品安全問(wèn)題是近年來(lái)備受關(guān)注的話(huà)題,已成為人們不可忽視的一部分。隨著生活水平的提高,人們對(duì)食品保鮮的要求不斷提高,如何確保食品質(zhì)量安全成為當(dāng)務(wù)之急。由于殼聚糖具有可食性、安全性、抑菌性等性能,被逐步應(yīng)用于食品保鮮領(lǐng)域[24-25]。

3.3.1 殼聚糖膜的制備 殼聚糖可形成分子內(nèi)及分子間氫鍵,使得殼聚糖易形成晶相,以便成膜[26]。

殼聚糖膜的制備方法有浸漬沉淀相分離工藝[27]、流延法、靜電自組裝[28]、蒸發(fā)成膜法等。制備殼聚糖膜的主要步驟是:a.將殼聚糖溶于稀酸溶液(如醋酸)中,再加入適當(dāng)助劑攪拌混勻;b.將殼聚糖混合溶液均勻涂覆于基片上,將殼聚糖溶液和基片一起放入烘箱中干燥,c.將殼聚糖膜與基片分離,殼聚糖膜制作完成。若殼聚糖溶液濃度較高,可用狹縫機(jī)頭擠出溶液,在轉(zhuǎn)動(dòng)的光滑基片上干燥分離[29]。由于殼聚糖能溶于弱酸溶液,其膜不能用來(lái)處理酸性溶液。

3.3.2 殼聚糖膜的性質(zhì) 殼聚糖分子的氫鍵可相互交聯(lián),制成具有多孔結(jié)構(gòu)的透明薄膜。另外,添加適量助劑可提高殼聚糖成膜的機(jī)械性能,例如化學(xué)改性[30-31]、填充改性、物理改性[32]等。Rupei[33]用戊二醛、雙功能團(tuán)酸酐等物質(zhì)與殼聚糖交聯(lián),以此來(lái)提高殼聚糖膜的機(jī)械性能。Wasina Thakhiew等[34]加入適量增塑劑的同時(shí)采用先進(jìn)的干燥技術(shù)來(lái)提高膜的機(jī)械性能。

殼聚糖本身的結(jié)構(gòu)直接影響成膜后的機(jī)械強(qiáng)度,脫乙酰度越大,分子內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)越多,成膜后的機(jī)械強(qiáng)度也越大。殼聚糖膜的斷裂伸長(zhǎng)率、抗張強(qiáng)度、力學(xué)特性等都和殼聚糖相對(duì)分子量密切相關(guān),其中,斷裂伸長(zhǎng)率和抗張強(qiáng)度隨著殼聚糖分子量的增加而增大[35],殼聚糖濃度越大,單位體積內(nèi)分子數(shù)越多,成膜時(shí)分子間作用力就越強(qiáng)[36],力學(xué)性能也越好。

薄膜的透濕系數(shù)是指單位時(shí)間、單位蒸汽壓力差下,透過(guò)單位厚度、單位面積薄膜的蒸汽量。一般而言,透濕系數(shù)越小,薄膜透濕性能越差。工業(yè)上常用流延法來(lái)制作無(wú)定向分子排列的殼聚糖膜,在制作過(guò)程中加入甘油可降低分子間作用力、改善膜的柔韌性,成膜后塑性與透濕系數(shù)增加,透濕性能提高。

3.3.3 殼聚糖保鮮膜的應(yīng)用 隨著全球白色污染的嚴(yán)重化,可食用薄膜被大量應(yīng)用于食品保鮮方面,主要包括安全無(wú)污染的蛋白質(zhì)、多糖、脂肪類(lèi)原料[37-38]。殼聚糖薄膜的阻隔性、安全性、化學(xué)穩(wěn)定性等不同性能可適用于不同需求的包裝。

新鮮蔬菜水果在采摘后仍具有生命活性,由于根部的養(yǎng)分和水分中斷,進(jìn)而繼續(xù)消耗果蔬本身的營(yíng)養(yǎng)成分和水分,導(dǎo)致果蔬在短時(shí)間內(nèi)萎蔫。殼聚糖膜可調(diào)節(jié)果蔬類(lèi)產(chǎn)品表面的氧氣和二氧化碳濃度,減少果蔬呼吸作用,延長(zhǎng)微生物的遲滯期,達(dá)到防腐保鮮的目的。殼聚糖及其衍生物在草莓、蘋(píng)果、黃瓜、獼猴桃等果蔬及肉類(lèi)保鮮方面投入了大量研究[39-42]。袁蒙蒙等[43]等對(duì)西葫蘆的涂膜保鮮效果進(jìn)行研究,試驗(yàn)表明,在5 ℃下,10 g/L的殼聚糖涂膜保鮮效果最佳。

殼聚糖良好的抑菌殺菌性在一定程度上能抑制大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等常見(jiàn)肉制品毒菌,延長(zhǎng)食品保質(zhì)期。王秀娟等[44]將不同濃度的殼聚糖溶液涂覆在蝦表面,蝦的異味減少、組織松軟程度下降、色澤度提高,在殼聚糖溶液濃度為1.5%的條件下,蝦的保質(zhì)期能相對(duì)延長(zhǎng)2～3 d。Satnam Sagoo等[45]發(fā)現(xiàn)濃度為0.5%的殼聚糖可全面抑制生豬肉沫中微生物的生長(zhǎng)。

目前殼聚糖已進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)階段,膜的制作主要有涂膜和制膜兩種方式,以殼聚糖為主要原料的涂膜保鮮劑在食品保鮮防腐方面發(fā)揮了巨大優(yōu)勢(shì)。但膜的抗菌性還有待提高,機(jī)械性能也有所欠缺。在殼聚糖保鮮膜抗菌能力的持續(xù)性方面的報(bào)道并不多見(jiàn),需要繼續(xù)深入研究,以推動(dòng)殼聚糖資源的充分開(kāi)發(fā)利用,創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 展望

殼聚糖作為一種新型材料,無(wú)毒無(wú)污染,在食品保鮮、醫(yī)藥衛(wèi)生、污水處理、造紙等方面展現(xiàn)了巨大優(yōu)勢(shì)。殼聚糖在各領(lǐng)域的應(yīng)用中,以食品果蔬保鮮方面最為成熟。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)食品安全的相關(guān)要求下,將殼聚糖涂膜和傳統(tǒng)冷藏、化學(xué)、氣調(diào)保鮮相結(jié)合可達(dá)到更好的保鮮效果,帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)代包裝領(lǐng)域技術(shù)日益成熟,廣大消費(fèi)者對(duì)食品安全性的要求不斷提高。蛋白質(zhì)、多糖、脂肪酸復(fù)合型可食性包裝膜的研究應(yīng)用是當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。

當(dāng)前需要解決的主要問(wèn)題是如何將殼聚糖原料實(shí)現(xiàn)最大利用化,開(kāi)發(fā)具有多功能(抑菌、殺菌、選擇透過(guò)性等)殼聚糖復(fù)合包裝材料,實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),繼續(xù)發(fā)掘殼聚糖在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。