殼聚糖及其衍生物的抑菌活性研究概述

劉瑤 鐘志梅

摘? 要：殼聚糖結(jié)構(gòu)獨(dú)特，是自然界中唯一一種氨基多糖，對許多真菌和細(xì)菌具有顯著的抑制作用。近年來的研究表明，殼聚糖對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等細(xì)菌以及常見食物中毒菌都有良好的抑制作用。該文分別從殼聚糖、殼聚糖衍生物、殼聚糖復(fù)配產(chǎn)物三大部分的抑菌活性研究進(jìn)行歸納，討論國內(nèi)外對于殼聚糖在抑菌方面的研究形勢，以及殼聚糖制劑的制備和應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：殼聚糖? 殼聚糖衍生物? 殼聚糖復(fù)配產(chǎn)物? 抑菌活性? 食品保鮮

中圖分類號(hào)：R446.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）04（b）-0112-05

Study on Antibacterial Activity of Chitosan and Its Derivatives

LIU Yao1? ZHONG Zhimei1，2

（1.College of Science， Inner Mongolia Agricultural University; 2.Key Laboratory of Soil Quality and Nutrient Resources of Inner Mongolia Autonomous Region， Hohhot， Inner Mongolia Autonomous Region， 010018? China）

Abstract：? Chitosan structure is unique， is the only kind of amino polysaccharide in nature， has a significant inhibitory effect on many fungi and bacteria. Recent studies have shown that chitosan has a good inhibitory effect on bacteria such as Escherichia coli and Staphylococcus aureus， as well as common food toadstools. This paper summarized the antibacterial activities of chitosan， chitosan derivatives and chitosan compound products， and discussed the research situation of chitosan in antibacterial activities at home and abroad， as well as the preparation and application fields of chitosan preparations.

Key Words： Chitosan; Chitosan derivatives; Chitosan complex products; Antibacterial activity; Food preservation

1? 殼聚糖抑菌活性簡介

1.1 殼聚糖及其衍生物抑菌研究概況

殼聚糖本身安全無毒、易于微生物降解[1]，是無污染的環(huán)境友好型氨基多糖，結(jié)構(gòu)見圖1，具有很好的廣譜殺菌效果和良好的生物相容性。殼聚糖衍生物以纖維、薄膜、微球、納米顆粒及水凝膠等形式應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。因此，殼聚糖及其衍生物的抑菌研究和應(yīng)用前景廣泛。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，殼聚糖等主要用作農(nóng)業(yè)殺菌殺蟲劑[2]、農(nóng)藥緩釋劑、種子處理劑、植物病原菌生長抑制劑等。殼聚糖衍生物作為新型農(nóng)藥，在具備緩釋控釋作用的同時(shí)，還能提高藥效、降低農(nóng)藥殘留等毒副作用。畜牧業(yè)領(lǐng)域中，殼聚糖已經(jīng)被認(rèn)定為一種常用的畜禽餌料、飼料添加劑、免疫增強(qiáng)劑[3]。我國殼聚糖用于畜牧業(yè)的抑菌研究起步較晚，但其發(fā)展與應(yīng)用前景非常開闊。醫(yī)藥領(lǐng)域中，國家藥典中明確規(guī)定，殼聚糖常用于藥用輔料、解崩劑、增稠劑等。食品工業(yè)領(lǐng)域中，殼聚糖不僅可以保鮮，還可以與其他生物防腐劑結(jié)合使用，從而應(yīng)用于肉制品保鮮、水果涂膜處理、果汁保鮮等方面。

1.2 殼聚糖的抑菌機(jī)理

目前，對殼聚糖抗菌機(jī)理的理論闡釋主要有3個(gè)方面：（1）從遺傳學(xué)角度，殼聚糖具有阻隔mRNA和蛋白質(zhì)形成的能力，抑制微生物轉(zhuǎn)錄;（2）從營養(yǎng)障礙角度，殼聚糖能夠破壞微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，造成微生物營養(yǎng)流失直至死亡;（3）從物理阻隔角度，殼聚糖易成膜可包被在物質(zhì)表面，抵擋微生物的入侵。

1.2.1 抑制微生物轉(zhuǎn)錄

有理論推測，殼聚糖能與微生物DNA結(jié)合達(dá)到抑菌效果。殼聚糖通過滲透到微生物的細(xì)胞核中抑制mRNA和蛋白質(zhì)的合成，在殼聚糖滲入細(xì)胞后，帶正電荷的殼聚糖會(huì)與細(xì)胞DNA結(jié)合，從而抑制轉(zhuǎn)錄。但是這樣的推論并不能得到廣泛認(rèn)可，后來的多項(xiàng)研究也表明，殼聚糖由于其高分子聚合物結(jié)構(gòu)而不太可能滲入微生物細(xì)胞，僅有少量的低分子殼聚糖可以存在其中，抑菌效果不佳。

1.2.2 破壞微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)

能夠被大多數(shù)所認(rèn)可的就是從營養(yǎng)障礙方面來確定殼聚糖的抑菌機(jī)理。殼聚糖對微生物至關(guān)重要的養(yǎng)分具有極強(qiáng)的金屬結(jié)合能力，是通過螯合吸收金屬陽離子的機(jī)制。因此，根據(jù)其具有的螯合微量金屬，破壞微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，造成營養(yǎng)流失而死亡，可以揭示其抑菌作用方式。國內(nèi)外的眾多實(shí)驗(yàn)也都能印證殼聚糖破壞微生物結(jié)構(gòu)的抑菌機(jī)制。

1.2.3 形成抗生物膜

近年來，與疾病密切相關(guān)的致病細(xì)菌中，生物膜的形成是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。殼聚糖包被的表面在體外對某些細(xì)菌和真菌具有抗生物膜的特性，從而以抗生物膜的形成來發(fā)揮抑菌作用。此外，即使老化后，殼聚糖納米粒子也可以有效地減少生物膜的細(xì)菌，保留抗菌特性。但是對于此類抑菌機(jī)制并不適用于任意狀態(tài)下的殼聚糖。

除去以上3種對于殼聚糖抑菌機(jī)理的闡釋，學(xué)術(shù)界也有一些不同的聲音。有人認(rèn)為殼聚糖的抑菌活性與殼聚糖分子結(jié)構(gòu)上的氨基有關(guān)，而氨基的含量又與脫乙酰度相關(guān)聯(lián)，脫乙酰度越高則氨基含量越高。所以，當(dāng)殼聚糖脫乙酰度和濃度很高時(shí)[4]，產(chǎn)生許多的游離氨基，接觸帶負(fù)電荷的細(xì)菌的概率越高，所以殺滅細(xì)菌的效果越好。

針對目前已知的殼聚糖抑菌機(jī)制，普遍被認(rèn)同的闡釋還是“殼聚糖破壞微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)”，國內(nèi)外相關(guān)實(shí)驗(yàn)量占比也是最高。

2? 殼聚糖及其衍生物的抑菌活性研究

1979年便有學(xué)者首次提出殼聚糖的抑菌性能。之后的一段時(shí)間里，相繼有人通過殼聚糖對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等的抑菌實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，殼聚糖對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌均有較好的殺菌作用，進(jìn)一步證實(shí)了殼聚糖的廣譜抗菌性能。緊接著人們開始對殼聚糖衍生物的抑菌活性產(chǎn)生興趣。

2.1 殼聚糖的抑菌活性研究

基于殼聚糖的廣譜抗菌性能，國內(nèi)外對于殼聚糖原料的抑菌實(shí)驗(yàn)也十分普遍。研究表明，殼聚糖的抑菌效果隨著濃度的增強(qiáng)而增強(qiáng)，且不同溫度下殼聚糖均能保持相對良好的穩(wěn)定性，在宋俊梅等研究者的實(shí)驗(yàn)中得以體現(xiàn)[5]。與此同時(shí)，王瑞秀等人在酸性條件下采用低聚殼聚糖對金黃色葡萄球菌、鴨源性大腸桿菌和沙門氏菌的抑菌實(shí)驗(yàn)效果明顯[6]。

國外對于殼聚糖的抑菌條件不止于溫度、濃度和酸堿度。Chaeyeong Moon等人[7]在實(shí)驗(yàn)中分別研究了殼聚糖膠體、殼聚糖溶液和殼寡糖溶液對軸突葉枯病菌的抑菌活性差異。其中膠體殼聚糖對軸突葉枯病菌有抑制作用，并且殼聚糖溶液在pH值為6.5時(shí)達(dá)到抑菌活性峰值。

殼聚糖抑菌活性雖好，但在溶解度、抑菌持久力和抑菌強(qiáng)度上還不能達(dá)到應(yīng)用水平，需要進(jìn)行一些化學(xué)修飾來完善它的優(yōu)良性質(zhì)。

2.2 殼聚糖衍生物的抑菌活性研究

在歷時(shí)近200年之久的殼聚糖研究歷史中，人們逐漸將更多方向轉(zhuǎn)入殼聚糖衍生物的制備和探究中。殼聚糖烷基化、?；Ⅳ然绕渌瘜W(xué)改性的部分產(chǎn)物，也被國內(nèi)外科學(xué)家和專業(yè)人士投入到抑菌活性的研究中去。

比較常見的殼聚糖季銨鹽具良好的保濕性能和持久的抗菌能力，在酸性、中性和堿性條件下均能溶解[8]。王應(yīng)紅[9]合成的殼聚糖CTA季銨鹽結(jié)合了殼聚糖和季銨鹽各自的殺菌特點(diǎn)，這樣不僅保持了殼聚糖特有的生物性能，還能在一定程度上提高水溶性，表現(xiàn)出更好的殺菌能力。

殼聚糖含氮、含磷、含硫類衍生物也是近年來研究的熱點(diǎn)[10]。于華華等人[11]將三唑基團(tuán)引入殼聚糖分子制備了5種三唑殼聚糖衍生物，研究其對黃瓜枯萎病原菌抑制活性。高抑菌活性的三唑基團(tuán)使得殼聚糖的抑菌活性和抑菌譜產(chǎn)生顯著變化， 但效果仍不及三唑類殺菌劑。含硫化合物一直都是合成殺蟲劑、除草劑的重要中間體。Zhong zhimei等人[12]將縮氨基硫脲基團(tuán)、磺酰胺、異硫氰酸酯等高抑菌活性的含硫基團(tuán)引入到殼聚糖分子中。經(jīng)實(shí)驗(yàn)所得的新型殼聚糖含硫衍生物的抗真活菌性，隨分子量、濃度和取代度的增加而增強(qiáng)，加之改進(jìn)之后有望成為抑菌效果更好的生物農(nóng)藥。

國內(nèi)外也不乏對殼聚糖進(jìn)行同系列批量化學(xué)修飾的研究。中國科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所張晶晶針對4個(gè)系列38種殼聚糖脲類衍生物的抑菌活性進(jìn)行了充分研究[13]。通過體外抗菌活性測試發(fā)現(xiàn)N，N，N-三甲基-O-接枝取代脲基團(tuán)殼聚糖衍生物、N，O-接枝取代脲基團(tuán)殼聚糖衍生物、N-脲基-O-接枝取代脲基團(tuán)衍生物均具有良好的抑菌活性。Andreii S. Kritchenkov等人[14]在實(shí)驗(yàn)中評(píng)估了8種殼聚糖衍生物的體外抗菌活性，在實(shí)驗(yàn)中的所有情況下，抗菌活性都隨著衍生物取代度的增加而增加。

時(shí)至今日，殼聚糖衍生物的抑菌研究仍舊處于擴(kuò)大化的發(fā)展趨勢。從單一的殼聚糖季銨鹽、羧甲基殼聚糖，演變至殼聚糖取代基衍生物，所篩選出的抑菌條件越來越多，抑菌領(lǐng)域也被拓寬得更廣。

2.3 殼聚糖復(fù)配產(chǎn)物的抑菌活性研究

殼聚糖本身是天然的碳水化合物生物聚合體[15]，因此其優(yōu)異的成膜性也逐步走進(jìn)研究者的視野，大家不再局限于殼聚糖原料、殼聚糖衍生物的抑菌研究，能夠與殼聚糖復(fù)配的物質(zhì)也不在少數(shù)。

蘇林月等研究者[16]采用核黃素和殼聚糖共混并制備抗菌膜，其對副溶血性弧菌、單增李斯特菌和希瓦氏菌的抑菌率能夠達(dá)到99%。張莉等人[17]采用本身具有抑菌性能的原花青素和殼聚糖混合制備出抗菌復(fù)合膜（CS-PC），對大腸桿菌和黑曲霉體現(xiàn)出良好的抑菌效果。

殼聚糖復(fù)配產(chǎn)物制成的薄膜除去用于簡單的抑菌實(shí)驗(yàn)，更多的是為了推動(dòng)食品保鮮的進(jìn)展。鄭玉璽等研究者按不同配比[18]制成的殼聚糖—荔枝木質(zhì)精油可食膜用于冷鮮雞肉的保鮮，復(fù)合膜表現(xiàn)出對金黃色葡萄球菌的抑菌效果要優(yōu)于腸炎沙門氏菌和大腸桿菌。

國外對于殼聚糖復(fù)配產(chǎn)物的研究主要以復(fù)合膜、納米顆粒的形式居多。Vahhab Soltaninejad[19]以殼聚糖（Chi）、聚乙烯醇（PVA）為基體負(fù)載TiO2納米粒子（NPs），制備殼聚糖納米生物復(fù)合膜，能夠很好地抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌。Baskaran Stephen Inbaraj等人[20]合成了涂有乙二醇?xì)ぞ厶堑某槾判匝趸F納米粒子，進(jìn)行體外抗菌試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對于腸炎沙門氏菌的抑制優(yōu)于抗生素利奈唑胺和頭孢克洛。這些也都能表明許多殼聚糖納米復(fù)合材料都可用于抗菌應(yīng)用。

其實(shí)殼聚糖復(fù)配產(chǎn)物的發(fā)展主要還是靠食品保鮮領(lǐng)域來推動(dòng)的，不論國內(nèi)外，殼聚糖復(fù)配植物精油是占比最大的選擇，但這也對殼聚糖相關(guān)的抑菌領(lǐng)域帶來巨大影響。這從某種程度上改變了人們對殼聚糖必須化學(xué)修飾的定向思維，奠定了殼聚糖抑菌研究的多面性、多元化。

3? 結(jié)論

殼聚糖作為安全無污染的環(huán)境友好型氨基多糖，已經(jīng)逐步滲透到各個(gè)領(lǐng)域。其中殼聚糖及其相關(guān)產(chǎn)物的抑菌作用已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)，其優(yōu)勢不言而喻。

（1）對于殼聚糖，國內(nèi)外的初步抗菌試驗(yàn)均來自于大腸桿菌、金黃色葡萄球菌，頻繁多次的試驗(yàn)之后能夠確定殼聚糖對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌都有很好的殺菌作用，即廣譜抗菌性能好。國內(nèi)對于殼聚糖的抑菌研究已經(jīng)非常成熟，人們從不同濃度、不同溫度、不同pH值以及不同分子量等多個(gè)方面，對殼聚糖的抑菌活性展開詳盡的研究，并且能夠準(zhǔn)確得出殼聚糖抑菌的最適條件和最適變量。國外的研究內(nèi)容比國內(nèi)多了一個(gè)殼聚糖不同狀態(tài)下的抑菌效果，有論文研究殼聚糖膠體和殼聚糖溶液的抑菌效果對比。

（2）對于殼聚糖衍生物，是如今比較受關(guān)注的方向。殼聚糖的優(yōu)勢在于容易發(fā)生?；?、烷基化、羧基化等許多化學(xué)反應(yīng)，這就為新型殼聚糖衍生物的合成開拓出廣闊的前景。選取同樣具有抗菌性能的化合物與殼聚糖結(jié)合是國內(nèi)外的研發(fā)趨勢，在致力于抑菌性能大提升的過程中，人們也在改進(jìn)殼聚糖原料在抑菌試驗(yàn)中的不足。于是出現(xiàn)了水溶性良好、藥效持久的殼聚糖衍生物。

（3）殼聚糖復(fù)配產(chǎn)物則是另辟蹊徑的創(chuàng)新出現(xiàn)，它不同于傳統(tǒng)的殼聚糖衍生物制備，是相似的物理性質(zhì)和同樣的抑菌性能所結(jié)合而成的混合物。并且國內(nèi)外對于殼聚糖復(fù)配產(chǎn)物的研究也不在少數(shù)，尤其是對于食品保鮮和制藥領(lǐng)域具有十分突出的貢獻(xiàn)。

4? 展望

當(dāng)今的農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、食品工程、醫(yī)藥行業(yè)中，殼聚糖的產(chǎn)物及研究結(jié)果已經(jīng)成為不可或缺的一部分。

（1）許多制備出的新型殼聚糖衍生物抑菌效果大有提升，但同時(shí)伴隨毒性增加、水溶性減弱等劣勢性能是當(dāng)前研究狀態(tài)下主要存在的問題。

（2）食品工程和醫(yī)藥行業(yè)已經(jīng)是殼聚糖制劑發(fā)展的大方向，對新型環(huán)保抑菌劑的使用已經(jīng)是眾多領(lǐng)域的大勢所趨。在未來，性能優(yōu)良的殼聚糖制劑將是農(nóng)業(yè)、農(nóng)藥領(lǐng)域的新星產(chǎn)品。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷革新與發(fā)展，殼聚糖的研究在未來會(huì)得到更深層更透徹的發(fā)掘與創(chuàng)造，抑菌領(lǐng)域的新征程上也會(huì)留下殼聚糖引領(lǐng)風(fēng)向的標(biāo)桿。

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