殼聚糖的制備方法及研究進展

張立英

摘要：殼聚糖作為一種堿性多糖被廣泛應用于食品、生物、化工、醫療等領域。本文重點介紹了殼聚糖的制備方法及其研究進展，并對其發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：殼聚糖；堿性多糖；制備方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.016

殼聚糖本身的分子結構類似于纖維素，因其多了一個帶正電荷的胺基，使其化學性質較為活潑。目前殼聚糖正因其優良的生理活性在食品、化妝品、醫藥、化工、污水處理等方面展現出廣闊的應用前景，近十年來國內外對于殼聚糖的開發研究熱度一直持續不減，各種新穎的制備方法也是層出不窮。

1殼聚糖的來源

殼聚糖通常是由甲殼素（又名幾丁質）經脫乙酰基作用獲得，甲殼素在自然界中廣泛存在于高等真菌以及節肢動物（蝦、蟹、昆蟲等）的外殼中，其中蝦殼、蟹殼是工業生產殼聚糖的主要原料。由于大分子間的氫鍵作用，天然存在的甲殼素構造堅固，化學性質穩定，不溶于水、酸堿和一般的有機溶劑，這也使得甲殼素的應用范圍非常有限，因此甲殼素只有經脫乙酰基處理成殼聚糖才能獲得廣泛應用。

2殼聚糖的制備方法

（1）化學降解法。傳統的殼聚糖生產多采用化學降解法。作為殼聚糖工業生產最常用的制備方法，化學降解法簡便易行，效率高，整個生產過程容易控制，但該法環境污染較為嚴重，對周邊環境具有一定的破壞性。歐陽漣等從蟹殼中獲取甲殼素，并通過脫乙酰反應制備出了殼聚糖。試驗探究了影響產物殼聚糖脫乙酰反應的各種因素，如反應溫度、堿液含量及反應時間等，最終確定制備高脫乙酰度殼聚糖的條件為反應溫度70℃，堿液質量分數47%，反應時間10 h。

（2）微生物培養法。微生物發酵法生產殼聚糖起源于美國，我國從上世紀90年代開始研究。其主要原理是利用微生物自身生產的酶進行催化，從而脫去甲殼素中的乙酰基，進而制備殼聚糖。目前該領域研究重點主要集中在優良菌株的選育和培養基的優化上。

賀淹才等首先采用電解法從培養的黑曲霉濕菌體中制得甲殼素，然后采用堿提取法從培養的黑曲霉濕菌體中制備殼聚糖。試驗基于黑曲霉細胞壁的主要成分為蛋白質與甲殼素，而蛋白質帶有可電離的基團，于溶液中可形成帶電荷的陽離子和陰離子，在外加電場作用下發生遷移，繼而除去蛋白質，分離獲得甲殼素；最后在高溫條件下加入濃堿使得黑曲霉菌絲體中的甲殼素脫乙酰基，最終制得殼聚糖。試驗結果表明，該方法甲殼素提取的得率為干菌重量的20.6%，所得干燥殼聚糖產品的游離胺基為93.76%，產品得率為12.11%。

（3）微波技術。微波是一種電磁波，在化學反應中，通常采用2450MHz的微波進行輻射處理。在殼聚糖的生產中，采用微波輻射降解具有操作簡便、反應時間短、能源使用率高等優點，但由于微波使升溫過快也會產生甲殼素降解反應不充分等弊端。

曹健等采用微波技術對甲殼素進行脫乙酰處理制備殼聚糖，試驗對在微波反應前采用乙醇浸泡對甲殼素進行預處理的條件進行了較為系統的研究，并通過單因素試驗和正交試驗分析了微波反應時間、堿液濃度、乙醇浸泡時間、乙醇濃度、微波功率對殼聚糖脫乙酰度和粘均分子量的影響，提出了制備高脫乙酰度、高粘均分子量殼聚糖的最優條件為：微波功率462W，微波反應時間20min，NaOH濃度50%，乙醇浸泡時間2.5h，乙醇濃度80%。在優化條件下制得的殼聚糖脫乙酰度為77.07%，粘均分子量為43.13萬，得率為68.98%。

（4）酶降解法。甲殼素脫乙酰酶是一種能催化脫去甲殼素分子中N-乙酰葡糖胺鏈上的乙酰基，使之變成殼聚糖的酶。該方法不但可以代替常規的濃堿熱解法，解決目前殼聚糖生產中的環境污染問題，生產出高質量的殼聚糖，還可以生產出某些用化學法不能生產的殼聚糖制品因此該酶具有巨大的工業應用潛在價值，當前國內外對于甲殼素脫乙酰酶都有諸多研究。

與上述提到的其他方法相比，利用甲殼素脫乙酰酶制備殼聚糖可實現少用甚至不用氫氧化鈉（濃堿），其溫和的催化反應條件，不僅節約能源，而且對環境保護具有重要意義。但目前酶法制備殼聚糖還沒有得到廣泛應用，究其原因優良產酶菌的選育、提取和培養等嚴重制約了這一方法的推廣。

張菁菁等利用平板變色圈法從土壤中篩選出一株產幾丁質脫乙酰酶活力較高的菌株，通過形態學觀察、生理生化實驗、16SrDNA測序分析等方法對該菌株進行了鑒定，并對其發酵產生的脫乙酰酶的酶學性質進行了研究。經鑒定該菌株為紅球菌屬，酶學性質研究表明，該酶反應的最適溫度為50℃，最適pH為7.0，Mn²⁺、Ca²⁺及K⁺在低濃度下對酶促反應有激活作用。分析結果表明該菌產酶能力較強，具有良好的開發價值。

Elmekawy等從一種產堿桿菌中提取甲殼素脫乙酰酶，并對該酶的催化動力學進行測定，研究表明所提取的甲殼素脫乙酰酶的最適pH為6.0，最適溫度為38℃，經18h的細菌培養，酶的活力達到最大值（0.419U/mL），該酶在甲殼素生物轉化中具有較高的應用價值。

3展望

當前殼聚糖的制備方法主要還是以化學降解法為主，但化學降解法產生的衍生物較多，低聚糖得率低且環境污染嚴重。酶法降解作為一種環境友好型的制備方法，因其反應條件溫和，不需要濃堿，環境污染小等特點正受到了越來越多的關注。

隨著分子生物技術的不斷發展，國內外對脫乙酰酶的研究已開始深入到分子水平，通過研究酶的結構與其催化作用機理，以期揭示脫乙酰酶的結構與其功能之間的關系，同時還有不少研究試圖通過基因工程技術，對現有的產脫乙酰酶菌株進行定向改造。相信隨著研究的深入，甲殼素脫乙酰化反應將不再困難，一些全新的能提高脫乙酰度與黏度，減少氫氧化鈉用量，加快反應速率，減輕環境污染的殼聚糖制備技術必將應運而生。