甲殼素及其在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的用途

文/王玉堂

早在2001年就有報(bào)道顯示，甲殼類（蝦蟹類）加工產(chǎn)業(yè)中有近40%下腳料——甲殼廢物產(chǎn)生，而甲殼中蘊(yùn)涵著豐富的甲殼素（或稱殼聚糖）。隨著水產(chǎn)品加工業(yè)的發(fā)展和漁業(yè)科技的進(jìn)步，甲殼素的提取工藝日臻成熟，其功能與用途的多樣性也日益被揭示。目前，殼聚糖在我國多個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，包括水處理、農(nóng)業(yè)、紡織業(yè)、化妝品和食品加工等。研究表明，殼聚糖具有良好的安全性、生物降解和生物相容性。使得殼聚糖在水產(chǎn)養(yǎng)殖中有著廣泛的應(yīng)用，具體功能包括抗菌、促生長和免疫刺激等。

世界性的甲殼素研發(fā)熱潮和即將到來的甲殼素時(shí)代，對中國來說將是一次難得的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。目前，我國甲殼素的研發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)快速崛起，全國有數(shù)千家科研院所、大專院校和企事業(yè)單位從事甲殼素的應(yīng)用研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)營，近年全國甲殼素的產(chǎn)量已增至4000噸以上，先后召開過多次全國性學(xué)術(shù)研討會(huì)，已發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)報(bào)告數(shù)百篇。但我國的甲殼素生產(chǎn)技術(shù)和工藝水平不高、產(chǎn)品檔次較低、應(yīng)用范圍尚窄、研發(fā)力量分散、研究內(nèi)容重復(fù)等問題較突出，還需要做出更大努力。

一、甲殼素及其來源

甲殼素（Chitin）又稱幾丁質(zhì)、甲殼質(zhì)、殼多糖、殼聚糖、殼蛋白，是自然界第二大豐富的生物聚合物，僅次于植物纖維，廣泛存在于昆蟲、甲殼動(dòng)物等的外殼及真菌的細(xì)胞壁中。

甲殼素最早是由法國科學(xué)家布拉克諾（Braconno）于1811年首先從真菌——蘑菇中提取到的一種類似植物纖維狀的六碳聚合體。甲殼素其實(shí)是甲殼動(dòng)物（蝦蟹類）外骨骼和真菌類（蘑菇等）細(xì)胞壁的重要組成成分，在昆蟲外殼、藻類細(xì)胞、軟體動(dòng)物的外殼和軟骨中也有存在。

經(jīng)化學(xué)結(jié)構(gòu)分析，甲殼素是人類迄今為止發(fā)現(xiàn)的自然界中唯一帶正電荷陽離子基團(tuán)的一種天然高分子聚合物，也是糖類中唯一的堿性多糖，屬于直鏈氨基多糖。其化學(xué)名（1，4）-2-乙酰氨基-2-脫氧-?-D-葡萄糖，分子式：（C8H13NO5）n，單體之間以?（1→4）糖苷鍵連接，分子量一般在106左右，理論含氮量6.9%，被認(rèn)為自然界中唯一含氮量最高的天然資源。分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是氧原子將每個(gè)碳原子的糖環(huán)連接到下一個(gè)糖環(huán)上，側(cè)基團(tuán)掛在這些環(huán)上。甲殼素分子化學(xué)結(jié)構(gòu)與植物中廣泛存在的纖維素類似，所不同的是，若把組成纖維的單個(gè)分子——葡萄糖分子第二個(gè)碳原子上的羥基（OH）換成乙酰氨基（NHCOH3），這樣纖維素就變成了甲殼素。從這個(gè)意義上講，甲殼素可以說是一種可食的動(dòng)物纖維。甲殼素有α、?、γ三種晶型，其中α-甲殼素的存在最為豐富，也最穩(wěn)定。由于大分子間強(qiáng)氫鍵作用，導(dǎo)致甲殼素成為保護(hù)動(dòng)物的一種結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，結(jié)晶構(gòu)造堅(jiān)固，不易熔化、不溶于水、也不溶于一般的有機(jī)溶劑和酸堿，僅溶于濃鹽酸、磷酸、硫酸、乙酸等，其化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。

二、甲殼素的功能

（一）抗菌性能

早在1979年，就有研究人員對殼聚糖的抗菌功能進(jìn)行了研究。研究表明，殼聚糖對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌都有很高的抑制性，尤其是革蘭氏陰性菌對殼聚糖更敏感。據(jù)報(bào)道，研究人員傾向于將殼聚糖劃分為抑菌劑而非殺菌劑，作用方式如圖1所示。

抑菌的作用機(jī)制如下：

1.基于靜電相互作用的方式。陽離子化胺的數(shù)量越多，抑菌作用越明顯，通過靜電相互作用而引起膜壁滲透性變化導(dǎo)致內(nèi)部滲透失衡，從而抑制微生物的生長。

2.與微生物的DNA相互作用，從而抑制mRNA和蛋白質(zhì)的合成。這一說法還存在爭議，有研究人員認(rèn)為，殼聚糖是外膜破壞物，而非胞內(nèi)的滲透材料。

3.金屬離子螯合作用。殼聚糖具有良好的金屬離子結(jié)合能力，其分子內(nèi)部的脫乙酰氨基通過螯合作用牽引金屬陽離子，從而抑制微生物的生長，這一機(jī)制在高pH條件下更有效。

研究表明，多種因素會(huì)影響殼聚糖的抑菌效果，包括：（1）細(xì)菌的種類和年齡等內(nèi)部因子；（2）殼聚糖分子的內(nèi)在因素，包括正電荷密度、分子量和濃度等；（3）殼聚糖的物理狀態(tài)；（4）環(huán)境因素，溫度、pH和作用時(shí)間等。有研究發(fā)現(xiàn)，飼料中添加不同濃度的殼聚糖，羅非魚腸道中總厭氧和有氧菌的數(shù)量降低，且呈現(xiàn)密度依賴性。

（二）抗真菌活性

許多研究表明，殼聚糖有很強(qiáng)的抑制真菌能力，能夠抑制真菌的孢子萌發(fā)、真菌牙管伸長與徑向生長。通過顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，殼聚糖能夠擴(kuò)散到真菌內(nèi)部，影響真菌生長所需要的酶活性。此外，殼聚糖對真菌細(xì)胞壁的抑制作用取決于濃度、乙?；潭群途植縫H高低。研究表明，殼聚糖對瓊脂平板上的立枯絲核菌有抑制作用，然而，殼聚糖用于水產(chǎn)養(yǎng)殖魚類的直接抗真菌作用還有待深入的研究。

（三）抗氧化特性

圖1 殼聚糖抗菌作用方式

據(jù)報(bào)道，殼聚糖及其許多合成衍生物具有抗氧化活性，殼聚糖的抗氧化活性可歸因于其對羥基自由基的清除活性及螯合能力。研究顯示，殼聚糖的抗氧化性能隨著濃度的增加而逐漸提高。有學(xué)者研究了飼料中添加維生素C和殼聚糖等抗氧化劑在氯化鎘環(huán)境下對歐洲鯉魚的影響，結(jié)果顯示，單獨(dú)或聯(lián)合添加殼聚糖或維生素C可提高暴露于氯化鎘環(huán)境中的魚類抗氧化防御系統(tǒng)的效率，調(diào)節(jié)丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、ALT、肌酸激酶、CPK和過氧化氫酶的活性。還有研究表明，殼聚糖或其衍生物對對蝦消化腺抗氧化防御和氧化應(yīng)激狀態(tài)有一定的影響。大量研究表明，殼聚糖作為一種強(qiáng)有力的抗氧化成分在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的積極作用，但仍需對其作用進(jìn)行更多的研究。例如，殼聚糖對魚類的抗氧化防御機(jī)制和最佳有效水平尚不清楚。

（四）促生長特性

殼聚糖是一種活性生長促進(jìn)劑。研究表明，殼聚糖能夠改變小腸的形態(tài)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，增強(qiáng)生長性能。例如，在黑鱸的飼料中添加殼聚糖，能夠提高其生長性能和飼料利用率。低濃度的殼聚糖能夠提高氮的利用率和氨基酸的消化率。大量研究探討了殼聚糖的濃度對生長性能的影響。例如，中等濃度的殼聚糖對鯉魚、羅非魚的生長性能有明顯改善；凡納濱對蝦的飼料中添加2.13g/kg和2.67g/kg的殼聚糖，能夠通過增加其蛻殼率和消化吸收效率而提高其生長性能，然而，高濃度（20g/kg～100g/kg）的殼聚糖反而會(huì)抑制其生長。以上研究表明，不同物種需要的最適殼聚糖濃度有差異，其適用濃度受養(yǎng)殖種類、年齡和體重的影響。

（五）免疫刺激特性

免疫刺激物是一種能夠激活機(jī)體的先天性免疫和特異性免疫的天然或合成化合物，近年來的研究表明，殼聚糖是一種有效的免疫刺激物。實(shí)驗(yàn)顯示，通過添加適量的殼聚糖，虹鱒的血細(xì)胞參數(shù)與存活率都受到了明顯的影響。而在亞洲鱸魚的實(shí)驗(yàn)中，短期內(nèi)，中等濃度的殼聚糖刺激能夠提高其先天性免疫的指標(biāo)，但在長時(shí)間、高濃度的殼聚糖刺激下，會(huì)抑制白細(xì)胞和巨噬細(xì)胞。說明不同物種對殼聚糖的耐受濃度差異較大，具有物種依賴性。

（六）封裝性能

圖2 殼聚糖的吸附作用示意圖

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，許多生物活性物質(zhì)的口服輸送系統(tǒng)在通過胃腸道時(shí)有三個(gè)主要障礙，包括酶、免疫細(xì)胞和上皮細(xì)胞的物理屏障等。研究表明，當(dāng)殼聚糖用于制備微膠囊時(shí)，它可以保護(hù)膠囊活性化合物在苛刻條件下順利進(jìn)入胃腸道，并增強(qiáng)吸收能。

（七）水處理特性

生物聚合物作為一類有前途的生物吸附劑，可用于去除水中的有機(jī)和無機(jī)污染物。殼聚糖作為一種生物吸附劑已被廣泛應(yīng)用于水中。這主要是由于殼聚糖具有良好的金屬結(jié)合性能，氨基上的氫牽引帶相反電荷的金屬陽離子螯合形成聚合物，如圖2所示。另外，由于其成本較活性炭低，而且其氨基和羥基含量高，對各種水生污染物具有很高的吸附潛力。

綜上所述，殼聚糖有以下特性：殼聚糖對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌都有很好的抑制效果，研究人員傾向于將其劃分為抑菌劑；殼聚糖以及衍生物具有抗氧化特性，一般可歸因于對羥基自由基的清除活性和對亞鐵離子的螯合能力；殼聚糖是一種生長促進(jìn)劑，可能歸因于其能夠改善小腸的形態(tài)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收；殼聚糖能夠刺激免疫系統(tǒng)，促進(jìn)炎性細(xì)胞的功能，例如巨噬細(xì)胞和溶菌酶的產(chǎn)生；殼聚糖能夠促進(jìn)活性化合物順利通過胃腸道，提高其消化吸收；殼聚糖由于其生物降解性、與重金屬的金屬結(jié)合能力、對污染物的選擇性高等諸多原因被廣泛應(yīng)用于水凈化中。

三、甲殼素的主要用途

（一）甲殼素的用途綜述

甲殼素被高濃堿水解后生成α-氨基葡萄糖，可用于紡織品的防皺和防縮水處理、直接染料或硫化染料的固色、涂料印花的固著、木材的膠合以及防雨篷布的上漿等，也可用作人造纖維和塑料等的原料。

甲殼素脫去乙酰氨基成為可溶性甲殼素（chitosan），溶解性大為改善，且吸濕性較強(qiáng)，僅次于甘油，高于聚乙二醇、山梨醇。在吸濕過程中，分子中的羥基、胺基等極性基團(tuán)與水分子作用而水合，分子鏈逐漸膨脹，隨著pH值的變化，分子鏈從球狀膠束變成線狀。具有極好的成膜性、透氣性和生物相容性，無毒，可與生物降解，因而其應(yīng)用十分廣泛，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、化妝品、環(huán)境保護(hù)、水處理等領(lǐng)域都有應(yīng)用。如在工業(yè)上可以作為布料、衣物、染料、紙張等；在農(nóng)業(yè)上可以用作殺蟲劑、植物抗病毒劑等；在水產(chǎn)領(lǐng)域可用于飼料；美容化妝領(lǐng)域可用作美容劑、毛發(fā)保護(hù)劑、保濕劑等；在醫(yī)藥領(lǐng)域可用作隱形眼鏡、人工皮膚、縫合線、人工透析膜和人造血管等。

殼聚糖可生物降解，其代謝產(chǎn)物無毒，具有抗微生物活性、激活淋巴細(xì)胞、提高免疫力、調(diào)節(jié)脂肪代謝和降低血脂、膽固醇等多種生理功能。在飼料中添加殼聚糖可以提高花鱸、異育銀鯽、真鯛、野鯪的吞噬細(xì)胞活性，增強(qiáng)其非特異性免疫功能。研究結(jié)果證實(shí)，在飼料中添加適量的殼聚糖，能使鯽魚各種組織溶菌酶活性和白細(xì)胞吞噬活性增高，表明殼聚糖能激活水解酶的活性，增強(qiáng)機(jī)體抗感染能力。美洲紅點(diǎn)鮭和虹鱒經(jīng)殼聚糖溶液注射或浸泡后，血液中的一些免疫指標(biāo)，如殺菌活力、過氧化酶活性和IgM濃度均顯著提高，對殺鮭氣單胞菌感染的抵抗力也顯著增強(qiáng)?？诜讱に乜梢燥@著提高金頭鯛的巨噬細(xì)胞活性、細(xì)胞毒活性和血清補(bǔ)體活性等。

（二）甲殼素在食品工業(yè)上的應(yīng)用

甲殼素以其穩(wěn)定性、保溫性、成膜性、凝膠性、絮凝性、生物安全性和生物功能性等優(yōu)良性狀而在食品工業(yè)中廣泛應(yīng)用。

1.增稠劑和絮凝劑：目前廣泛用于各種液體飲料。

2.保水劑和乳化劑：甲殼素的吸濕性比纖維素要好，吸水后的甲殼素表面活性降低比纖維素要小。105℃氣干的甲殼素易被水濕潤，吸水后在-6℃條件下可完全冷凍。利用甲殼素的吸水性添加于食品中，可有效控制水分，達(dá)到變稠、膠凝、穩(wěn)定乳液等效果。在蛋白質(zhì)強(qiáng)化面包的制作過程中，加入微晶甲殼素，面包中蛋白質(zhì)的含量隨著甲殼素的添加率增加而增加、變大。微晶甲殼素的乳化性和持水性較好，能代替低溫-80℃使乳化魚肝油延長保質(zhì)期，即可銷往寒冷地區(qū)，也可銷往炎熱地區(qū)。

3.食品保鮮劑：由于甲殼素獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，能顯著抑制細(xì)菌類的生長繁殖，非常適宜用于肉類和果蔬的保鮮。研究表明，甲殼素醋酸混合液對30℃條件下貯藏的鮮豬肉中各種腐敗菌生長有抑制作用，可明顯延長貨架期80小時(shí)。用甲殼素涂膜法保鮮果蔬效果優(yōu)于0℃冷藏保鮮法。不耐貯存的獼猴桃經(jīng)3個(gè)月的甲殼素涂抹貯藏，好果率100%。

4.不溶水可食薄膜：一般可食薄膜都是水溶性的，不能包裝含水分高的食品，而用甲殼素與淀粉共聚制成的薄膜經(jīng)堿處理后，使其成為不能水溶化的可食薄膜，這種薄膜即使在沸水中長時(shí)間浸泡也不會(huì)溶解，適合包裝水分很多的食品。

5.功能性甜味劑：甲殼素的低聚糖具有非常爽口的甜味，而且在保溫性和耐熱性等方面也優(yōu)于砂糖，很難被體內(nèi)消化液所降解，故幾乎不產(chǎn)生熱量。其低熱值特點(diǎn)可避免過量攝入甜食帶來的病癥，是糖尿病人、肥胖病人理想的功能性甜味劑。據(jù)研究表明，低聚糖還能促進(jìn)雙歧桿菌增殖，在抗腫瘤、抗衰老、抑制多種腸道疾病方面效果良好。

6.功能食品添加劑：甲殼素經(jīng)過改性后可質(zhì)變?yōu)樗苄裕鳛楣δ苄晕镔|(zhì)的載體可廣泛用于生食品加工業(yè)，用于添加人體所必需的礦物質(zhì)和微量元素鈣、鋅、鐵等。目前我國市場上已出現(xiàn)近百種甲殼素功能性保健品。

由于甲殼素的特殊生理功能不斷被發(fā)現(xiàn)，已引起全球科技界和產(chǎn)業(yè)界的重視。甲殼素也是機(jī)能性健康食品。1993年，日本厚生省受理了甲殼素作為癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移抑制劑靜脈注射藥品的申請。1996年，甲殼素又通過了美國藥品食品管理局（FDA）及歐共體（EC）檢定，核準(zhǔn)在美歐銷售。目前，甲殼素的研發(fā)及其商業(yè)產(chǎn)品已出現(xiàn)全球競爭趨勢，并將保持持續(xù)穩(wěn)定調(diào)整增長態(tài)勢。

四、蝦殼中甲殼素提取工藝簡介

圖3 甲殼素和殼聚糖制備工藝流程圖（仿陸劍鋒等，2006）

自然界的甲殼素大多是與不溶于水的無機(jī)鹽及蛋白質(zhì)緊密結(jié)合在一起的。甲殼素的制備也多是利用甲殼動(dòng)物的外殼，通過化學(xué)方法或微生物方法。但在工業(yè)化生產(chǎn)過程中常采用化學(xué)方法，將甲殼用酸堿處理，脫去鈣鹽和蛋白質(zhì)，然后用強(qiáng)堿在加熱條件下脫去乙?；?，即可得到可溶性甲殼素（殼聚糖）。目前，國內(nèi)甲殼素加工生產(chǎn)企業(yè)多為利用蝦蟹甲殼提取甲殼素，因?yàn)槲r蟹甲殼中含有甲殼素達(dá)20%～30%，無機(jī)物（碳酸鈣為主）含量為40%，其他物質(zhì)含量30%左右。我國甲殼類動(dòng)物年產(chǎn)量在千萬噸以上，資源潛力巨大。以甲殼類為原料制備甲殼素的工藝流程見圖3。