殼聚糖及其衍生物的抑菌活性研究概述

劉瑤 鐘志梅

摘? 要：殼聚糖結構獨特，是自然界中唯一一種氨基多糖，對許多真菌和細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、殼聚糖復配產物三大部分的抑菌活性研究進行歸納，討論國內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用領域。

關鍵詞：殼聚糖? 殼聚糖衍生物? 殼聚糖復配產物? 抑菌活性? 食品保鮮

中圖分類號：R446.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：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，結構見圖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用于各個領域。因此，殼聚糖及其衍生物的抑菌研究和應用前景廣泛。

在農業(yè)領域中，殼聚糖等主要用作農業(yè)殺菌殺蟲劑[2]、農藥緩釋劑、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藥，在具備緩釋控釋作用的同時，還能提高藥效、降低農藥殘留等毒副作用。畜牧業(yè)領域中，殼聚糖已經被認定為一種常用的畜禽餌料、飼料添加劑、免疫增強劑[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)展與應用前景非常開闊。醫(yī)藥領域中，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)領域中，殼聚糖不僅可以保鮮，還可以與其他生物防腐劑結合使用，從而應用于肉制品保鮮、水果涂膜處理、果汁保鮮等方面。

1.2 殼聚糖的抑菌機理

目前，對殼聚糖抗菌機理的理論闡釋主要有3個方面：（1）從遺傳學角度，殼聚糖具有阻隔mRNA和蛋白質形成的能力，抑制微生物轉錄;（2）從營養(yǎng)障礙角度，殼聚糖能夠破壞微生物細胞結構，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表面，抵擋微生物的入侵。

1.2.1 抑制微生物轉錄

有理論推測，殼聚糖能與微生物DNA結合達到抑菌效果。殼聚糖通過滲透到微生物的細胞核中抑制mRNA和蛋白質的合成，在殼聚糖滲入細胞后，帶正電荷的殼聚糖會與細胞DNA結合，從而抑制轉錄。但是這樣的推論并不能得到廣泛認可，后來的多項研究也表明，殼聚糖由于其高分子聚合物結構而不太可能滲入微生物細胞，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 破壞微生物細胞結構

能夠被大多數所認可的就是從營養(yǎng)障礙方面來確定殼聚糖的抑菌機理。殼聚糖對微生物至關重要的養(yǎng)分具有極強的金屬結合能力，是通過螯合吸收金屬陽離子的機制。因此，根據其具有的螯合微量金屬，破壞微生物的細胞結構，造成營養(yǎng)流失而死亡，可以揭示其抑菌作用方式。國內外的眾多實驗也都能印證殼聚糖破壞微生物結構的抑菌機制。

1.2.3 形成抗生物膜

近年來，與疾病密切相關的致病細菌中，生物膜的形成是一個活躍的研究領域。殼聚糖包被的表面在體外對某些細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菌，保留抗菌特性。但是對于此類抑菌機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理的闡釋，學術界也有一些不同的聲音。有人認為殼聚糖的抑菌活性與殼聚糖分子結構上的氨基有關，而氨基的含量又與脫乙酰度相關聯(lián)，脫乙酰度越高則氨基含量越高。所以，當殼聚糖脫乙酰度和濃度很高時[4]，產生許多的游離氨基，接觸帶負電荷的細菌的概率越高，所以殺滅細菌的效果越好。

針對目前已知的殼聚糖抑菌機制，普遍被認同的闡釋還是“殼聚糖破壞微生物細胞結構”，國內外相關實驗量占比也是最高。

2? 殼聚糖及其衍生物的抑菌活性研究

1979年便有學者首次提出殼聚糖的抑菌性能。之后的一段時間里，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驗。實驗結果表明，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，進一步證實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，國內外對于殼聚糖原料的抑菌實驗也十分普遍。研究表明，殼聚糖的抑菌效果隨著濃度的增強而增強，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驗中得以體現[5]。與此同時，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驗效果明顯[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]在實驗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時達到抑菌活性峰值。

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

2.2 殼聚糖衍生物的抑菌活性研究

在歷時近200年之久的殼聚糖研究歷史中，人們逐漸將更多方向轉入殼聚糖衍生物的制備和探究中。殼聚糖烷基化、酰基化、羧基化等其他化學改性的部分產物，也被國內外科學家和專業(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]。王應紅[9]合成的殼聚糖CTA季銨鹽結合了殼聚糖和季銨鹽各自的殺菌特點，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[10]。于華華等人[11]將三唑基團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使得殼聚糖的抑菌活性和抑菌譜產生顯著變化， 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、磺酰胺、異硫氰酸酯等高抑菌活性的含硫基團引入到殼聚糖分子中。經實驗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，加之改進之后有望成為抑菌效果更好的生物農藥。

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

時至今日，殼聚糖衍生物的抑菌研究仍舊處于擴大化的發(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，抑菌領域也被拓寬得更廣。

2.3 殼聚糖復配產物的抑菌活性研究

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，能夠與殼聚糖復配的物質也不在少數。

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合膜（CS-PC），對大腸桿菌和黑曲霉體現出良好的抑菌效果。

殼聚糖復配產物制成的薄膜除去用于簡單的抑菌實驗，更多的是為了推動食品保鮮的進展。鄭玉璽等研究者按不同配比[18]制成的殼聚糖—荔枝木質精油可食膜用于冷鮮雞肉的保鮮，復合膜表現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。

國外對于殼聚糖復配產物的研究主要以復合膜、納米顆粒的形式居多。Vahhab Soltaninejad[19]以殼聚糖（Chi）、聚乙烯醇（PVA）為基體負載TiO2納米粒子（NPs），制備殼聚糖納米生物復合膜，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]合成了涂有乙二醇殼聚糖的超順磁性氧化鐵納米粒子，進行體外抗菌試驗發(fā)現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合材料都可用于抗菌應用。

其實殼聚糖復配產物的發(fā)展主要還是靠食品保鮮領域來推動的，不論國內外，殼聚糖復配植物精油是占比最大的選擇，但這也對殼聚糖相關的抑菌領域帶來巨大影響。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? 結論

殼聚糖作為安全無污染的環(huán)境友好型氨基多糖，已經逐步滲透到各個領域。其中殼聚糖及其相關產物的抑菌作用已經廣泛應用于許多行業(yè)，其優(yōu)勢不言而喻。

（1）對于殼聚糖，國內外的初步抗菌試驗均來自于大腸桿菌、金黃色葡萄球菌，頻繁多次的試驗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。國內對于殼聚糖的抑菌研究已經非常成熟，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方面，對殼聚糖的抑菌活性展開詳盡的研究，并且能夠準確得出殼聚糖抑菌的最適條件和最適變量。國外的研究內容比國內多了一個殼聚糖不同狀態(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、羧基化等許多化學反應，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合是國內外的研發(fā)趨勢，在致力于抑菌性能大提升的過程中，人們也在改進殼聚糖原料在抑菌試驗中的不足。于是出現了水溶性良好、藥效持久的殼聚糖衍生物。

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

4? 展望

當今的農業(yè)、畜牧業(yè)、食品工程、醫(yī)藥行業(yè)中，殼聚糖的產物及研究結果已經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，但同時伴隨毒性增加、水溶性減弱等劣勢性能是當前研究狀態(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是眾多領域的大勢所趨。在未來，性能優(yōu)良的殼聚糖制劑將是農業(yè)、農藥領域的新星產品。隨著科學技術的不斷革新與發(fā)展，殼聚糖的研究在未來會得到更深層更透徹的發(fā)掘與創(chuàng)造，抑菌領域的新征程上也會留下殼聚糖引領風向的標桿。

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