殼聚糖及其應用研究進展

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(河北農業大學,河北保定 071000)

1895年,法國最先開始研制殼聚糖,1934年,美國申請了殼聚糖及殼聚糖膜的專利。在這種情況下,殼聚糖受到了國內外眾多研究學者的關注,在醫療、化工、環境等方面的報道也相繼出現。

殼聚糖是天然生物甲殼素脫去大部分乙酰基后所形成的產物,化學名為聚氨基葡萄糖,是甲殼素最基本的衍生物[1]。甲殼素在蝦、蟹外殼和昆蟲內外角質層及植物細胞壁中廣泛存在,是目前自然界中發現的唯一帶正電荷的堿性多糖體,也是年產量僅次于纖維素的第二大天然高分子[2]。當甲殼素的脫乙酰基程度超過50%并能溶于酸性介質時,甲殼素可轉化成殼聚糖[3],由此可見,二者之間并無明顯界限。

近年來,白色污染及資源匱乏問題受到越來越多的關注。在全球大力提倡節約資源、保護環境的循環經濟政策下,殼聚糖等無毒、無污染的可自然降解材料應運而生。另外,殼聚糖具有獨特的生物理化性質,使其在食品保鮮、醫學領域、環境處理和化工等方面存在著廣泛應用[4-6],其中有關殼聚糖及其衍生物的抗菌性能在醫藥方面的使用尤其受到重視。已被現代科學稱之為繼蛋白質、糖類、脂肪、維生素、礦物質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發,其應用前景也越來越廣泛。本文綜述了殼聚糖的結構、性質、提取方法以及在醫學領域、水環境處理及食品保鮮膜等方面的研究進展,為系統性了解殼聚糖提供科學依據。

1 殼聚糖的結構及性質

1.1 殼聚糖結構

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

殼聚糖具有復雜的雙螺旋結構,呈白色或灰白色、無定形、半透明、略有珍珠光澤,是一種陽離子天然高分子纖維。殼聚糖溶于酸后,這種長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電荷的羥基,因此性質非常活潑,可通過化學改性,得到多種具有特殊性質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。殼聚糖具體結構如圖1所示。

圖1 殼聚糖的化學結構Fig.1 Chemical structure of chitosan

1.2 殼聚糖性質

甲殼素分子式為(C16H26O10N2)n,是一種直鏈狀的天然多糖類高分子物質,呈白色或灰白色無定形半透明固體[8],在濃堿加熱處理的條件下脫去乙酰基生成殼聚糖。

殼聚糖可進行交聯、氧化、還原、絡合、鹵化、硫化、酰化等多種反應,生成不同的衍生物。還可發生重氮化反應,如與亞硝酸反應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性質,脫乙酰氨基含量越少,殼聚糖結晶程度越小,溶解性越大,反應活性也更強。另外,由于殼聚糖分子含有游離的氨基和羥基等極性分子,因此吸濕性僅次于甘油。

殼聚糖可制成不同分子量的環保可降解膜,在醫療衛生行業也受到了廣泛關注。外國學者 Kawasaki等[9]制得的殼聚糖-羧甲基纖維素復合膜,該膜保濕性能好,抗菌活性及機械強度高,是一種較為理想的中藥復合膜。

殼聚糖還具有親水性、緩釋性、良好的生物相容性以及穩定的理化性質,是一種理想的藥物傳輸載體[10-11]。另外,殼聚糖對腫瘤細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胞,從而影響腫瘤細胞正常的新陳代謝,對治療癌癥,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,影響脫乙酰化程度的主要因素有原料的種類(晶型)、甲殼素的制備方法、堿液的濃度、反應的溫度和時間等。目前提取殼聚糖的主要原料有蝦蟹殼、昆蟲、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。

工業上一般采用高濃度高溫熱解法,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。但這種方法污染環境、成本較高且制得的殼聚糖不穩定。甲殼素酶法脫乙酰是采用甲殼素脫乙酰酶水解乙酰基,不僅解決了環境污染的問題,還能得到純度較高的殼聚糖。

2.2 從昆蟲中提取

昆蟲體內甲殼素含量豐富。臭蜣螂體內甲殼素含量高,提取的殼聚糖品質好。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溶液中水浴制得產率為16%～25%的殼聚糖。蠅蛆繁殖能力強,從其體內提取抗菌活性蛋白后,再進行甲殼素的提取,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。

昆蟲種類繁多,甲殼素含量豐富,應用前景十分廣泛,有關蟋蟀、蠶蛹等其他昆蟲提取殼聚糖的研究也在逐步推進,這無疑是對推動殼聚糖應用和昆蟲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酵液進行預處理，采用酸堿交替脫去菌體中的蛋白質，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、溫度和時間對回收殼聚糖的影響，結論表明，在NaOH濃度為1 mol/L，反應溫度100 ℃，反應時間1 h的最優條件下，殼聚糖的回收率可達7.0%(w/w)。

從微生物中提取殼聚糖可有效減少環境污染問題，但目前生產成本較高，不能進行大規模生產，這就需要進行菌種的優化培養，提高微生物產量。

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堿醇液高溫處理后，將植物細胞壁中的甲殼素轉化為殼聚糖。殼聚糖可由靈芝等真菌細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行破壁處理，再用NaOH溶液調節溶液pH為8～10，離心分層，無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，不能滿足大批量生產。

3 殼聚糖的應用

3.1 在醫學領域方面的應用

殼聚糖無毒無污染、生物相容性良好,在醫藥行業有著廣闊的市場價值,是醫藥研發領域的重點研究對象之一,可用于制作膜制劑、癌細胞導向性藥物、難溶藥物助溶劑等各類醫藥制劑。此外,殼聚糖在骨[19-20]、血管修復[21]以及人工皮膚[22]等方面的研究也取得了顯著成效。以下特點是殼聚糖在醫藥制劑方面備受青睞的原因: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,從而阻止藥物的擴散;b.溶液具有粘性,其氫鍵可相互交織成網狀結構,是一種理想的成膜物質;c.殼聚糖復合膜覆蓋在創傷表面,引起的生物組織反應很小,并且膜材料能被組織中含有的酶降解;d.殼聚糖能打開分子間相互交織的狀態,增加小腸上皮細胞間的滲透,從而促進肽類藥物的吸收。

殼聚糖作為一種來源廣泛、無毒無害、易被生物體吸收的原材料,不僅在抗菌、抗腫瘤、血管修復等方面取得了良好成效,在糖尿病、心臟病、防治痛風等方面也發揮了一定作用,但在實際臨床應用及中草藥應用領域中對殼聚糖的使用并不多見,這也是殼聚糖未來研究和發展的主要方向之一。隨著科學技術的發展,殼聚糖及其衍生物的潛在價值將會被逐步發掘,為醫藥衛生行業做出更大的貢獻。

3.2 在水環境處理方面的應用

近年來全球淡水資源嚴重短缺,許多地區供水不足,節約水資源、實現水資源循環利用是當前世界面臨的主要難題。伴隨著城市工業化的發展,隨之而來的是工業廢水排放量的逐步上升,導致水體中重金屬及有機物含量增加,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子化而帶正電,可作陽離子絮凝劑,將帶負電荷的活性污泥沉淀。當殼聚糖分子鏈上的陽離子活性基團與帶負電的活性污泥相互吸引時,膠體微粒的表面電荷降低,分子鏈的吸附粘結和架橋作用使膠體產生沉降,可有效去除廢水中的有機農藥、污泥和染料。殼聚糖還可通過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定的螯合物產生沉降,經過交聯反應擴大pH范圍,提高對金屬離子的選擇吸附性,被廣泛應用于工業廢水處理和重金屬回收領域[23]。另外,經改性的殼聚糖可增加在酸性介質中的化學穩定性和吸附能力,實現殼聚糖吸附劑的充分使用與重復利用。

雖然殼聚糖在水環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。因此,將殼聚糖及其衍生物與其他添加劑相結合,開發更為高效廉價的殼聚糖吸附劑是目前急需解決的問題。

3.3 在食品保鮮膜方面的應用

食品安全問題是近年來備受關注的話題,已成為人們不可忽視的一部分。隨著生活水平的提高,人們對食品保鮮的要求不斷提高,如何確保食品質量安全成為當務之急。由于殼聚糖具有可食性、安全性、抑菌性等性能,被逐步應用于食品保鮮領域[24-25]。

3.3.1 殼聚糖膜的制備 殼聚糖可形成分子內及分子間氫鍵,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,可用狹縫機頭擠出溶液,在轉動的光滑基片上干燥分離[29]。由于殼聚糖能溶于弱酸溶液,其膜不能用來處理酸性溶液。

3.3.2 殼聚糖膜的性質 殼聚糖分子的氫鍵可相互交聯,制成具有多孔結構的透明薄膜。另外,添加適量助劑可提高殼聚糖成膜的機械性能,例如化學改性[30-31]、填充改性、物理改性[32]等。Rupei[33]用戊二醛、雙功能團酸酐等物質與殼聚糖交聯,以此來提高殼聚糖膜的機械性能。Wasina Thakhiew等[34]加入適量增塑劑的同時采用先進的干燥技術來提高膜的機械性能。

殼聚糖本身的結構直接影響成膜后的機械強度,脫乙酰度越大,分子內晶體結構越多,成膜后的機械強度也越大。殼聚糖膜的斷裂伸長率、抗張強度、力學特性等都和殼聚糖相對分子量密切相關,其中,斷裂伸長率和抗張強度隨著殼聚糖分子量的增加而增大[35],殼聚糖濃度越大,單位體積內分子數越多,成膜時分子間作用力就越強[36],力學性能也越好。

薄膜的透濕系數是指單位時間、單位蒸汽壓力差下,透過單位厚度、單位面積薄膜的蒸汽量。一般而言,透濕系數越小,薄膜透濕性能越差。工業上常用流延法來制作無定向分子排列的殼聚糖膜,在制作過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增加,透濕性能提高。

3.3.3 殼聚糖保鮮膜的應用 隨著全球白色污染的嚴重化,可食用薄膜被大量應用于食品保鮮方面,主要包括安全無污染的蛋白質、多糖、脂肪類原料[37-38]。殼聚糖薄膜的阻隔性、安全性、化學穩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,由于根部的養分和水分中斷,進而繼續消耗果蔬本身的營養成分和水分,導致果蔬在短時間內萎蔫。殼聚糖膜可調節果蔬類產品表面的氧氣和二氧化碳濃度,減少果蔬呼吸作用,延長微生物的遲滯期,達到防腐保鮮的目的。殼聚糖及其衍生物在草莓、蘋果、黃瓜、獼猴桃等果蔬及肉類保鮮方面投入了大量研究[39-42]。袁蒙蒙等[43]等對西葫蘆的涂膜保鮮效果進行研究,試驗表明,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肉制品毒菌,延長食品保質期。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,蝦的保質期能相對延長2～3 d。Satnam Sagoo等[45]發現濃度為0.5%的殼聚糖可全面抑制生豬肉沫中微生物的生長。

目前殼聚糖已進入工業化生產階段,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揮了巨大優勢。但膜的抗菌性還有待提高,機械性能也有所欠缺。在殼聚糖保鮮膜抗菌能力的持續性方面的報道并不多見,需要繼續深入研究,以推動殼聚糖資源的充分開發利用,創造更大的經濟效益。

4 展望

殼聚糖作為一種新型材料,無毒無污染,在食品保鮮、醫藥衛生、污水處理、造紙等方面展現了巨大優勢。殼聚糖在各領域的應用中,以食品果蔬保鮮方面最為成熟。在國際標準監測食品安全的相關要求下,將殼聚糖涂膜和傳統冷藏、化學、氣調保鮮相結合可達到更好的保鮮效果,帶來更多的經濟效益。現代包裝領域技術日益成熟,廣大消費者對食品安全性的要求不斷提高。蛋白質、多糖、脂肪酸復合型可食性包裝膜的研究應用是當前的發展趨勢。

當前需要解決的主要問題是如何將殼聚糖原料實現最大利用化,開發具有多功能(抑菌、殺菌、選擇透過性等)殼聚糖復合包裝材料,實現工業化生產,繼續發掘殼聚糖在其他領域的應用。