1、壳聚糖的功能性质及在实际生产中的应用生物与环境工程系 14 食品科学与工程 1402061042 张莉摘要：壳聚糖是一种用途十分广泛的具有生物活性的高分子化合物，可应用于水处理、医疗卫生、食品及保健等领域，具有广泛的应用和发展前景。对壳聚糖的功能性质及其在实际生产中的应用进行分析和综述，为壳聚糖制品的进一步开发与应用提供了理论基础。关键词：壳聚糖，功能性质，实际生产；应用The function of chitosan and its application in actual productionAbstract:Chitosan is a kind of polymer compounds
2、 with biological activity,and widely used in many fields,such as water disposing,medical treatment and sanitation,food,health care and health protection.It has wide application and development prospects.The function of chitosan and its application in actual production were reviewed to provide,theore
3、tical basis for the development and application of chitosan product.Keywords:chitosan;function;actual production;application前言：壳聚糖是一种性质活泼的高分子聚合物，而且是目前自然界中发现的膳食纤维中唯一带正电荷的动物纤维。壳聚糖分子链上分布着许多羟基、氨基和乙酰氨基，是一种聚阳离子物质 1。分子链具有复杂的双螺旋结构，分子中存在着大量分子内和分子间氢键，从而形成一定的有序结构。分子量和脱乙酰化度是表征壳聚糖性质的两个重要参数。壳聚糖不溶于水，只溶于稀酸，如乙酸、盐酸等，
4、溶解度与脱乙酰化度密切相关，脱乙酰化度高于 60%和低于 40%的壳聚糖溶解性能不好。壳聚糖在有水存在的条件下可发生降解，降解的最终产物为二聚、三聚葡聚糖等低聚物，具有良好的物理性质、生物相容性和絮凝特性，并具有如降低胆固醇含量，抑制血压的升高，抑制脂肪的吸收，提高机体免疫力，改进小肠代谢功能和保护人体组织器官等生理功能，使其得到广泛的应用和具有巨大的经济价值。1.壳聚糖的功能性质1.1 壳聚糖的抗菌性壳聚糖及其衍生物均有较好的抗菌活性。主要作用机制：一是壳聚糖的氨基所带正电荷与细菌细胞壁的磷脂所带负电荷相互作用，导致胞壁变形，使细胞内的蛋白酶和其它成分泄漏，达到抗菌、杀菌作用；二是壳聚糖进一
5、步低分子化，渗入到细菌核中，阻止遗传因子DNA 和 RNA 转录，抑制 mRNA 的合成，从而阻碍蛋白质的合成，达到抗菌作用；三是阻断病原菌代谢，研究表明，经壳聚糖处理的细菌的细胞壁出现了非正常的物质沉淀，从而认为壳聚糖抑菌的机理是其在细胞壁表面堆积，从而使其代谢受阻。研究表明 2，低分子量壳聚糖对姜瘟病菌、烟草野火病菌及枯草杆菌起着不同程度的抑制作用。许莹等 3 发现低聚壳聚糖抗菌效果最明显，其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率有显著增加，但对白色念珠菌的抗菌率反而降低。壳聚糖的抗菌性能受到诸多因素的影响，目前对壳聚糖的抗菌机制并未完全阐明，这限制了壳聚糖的应用研究，因此深入研究其抗菌机制仍
6、然非常重要。目前改善壳聚糖的抗菌性多是通过在其结构上引入阳离子等方法增加其抑菌性，但阳离子本身带有的毒性使得产品又与可持续发展理念有所不符，因此，未来的发展方向是开发安全高效型壳聚糖抗菌剂和性能优良的壳聚糖纤维，探讨环保整理工艺，使其抗菌活性更高，使用范围更广。抗菌纺织品市场广阔，但目前国内抗菌产品质量体系尚未健全，消费者也无法从外观上鉴别抗菌性能，因此需要建立健全产品质量监督和管理体系，使抗菌纺织品得到健康的发展。1.2 壳聚糖的保鲜性壳聚糖是一种天然的大分子，分子之间的交联形成了空间网络结构，易成膜，这种膜拉伸强度大、韧性好、耐碱、耐有机溶剂。经交联后耐酸和耐热性优于醋酸纤维素膜，同时无毒
7、、亲水性大、对生物细胞有极好的相容性和良好的金属螯合性。壳聚糖分子内含有反应活性极强的羟基、氨基，易通过酰基化、硫酸酯化、羟乙基化和羧甲基化等化学反应，制得不同性能和用途的壳聚糖衍生物膜。这些膜对O2、 CO2、 C2H4具有一定的选择渗透作用 ，从而达到保湿、护色、延长保鲜效果的作用，因此可广泛地应用于果蔬的保鲜。研究表明，应用壳聚糖保鲜膜可较好地控制桃、日本梨、猕猴桃、黄瓜和西红柿的腐烂变质，延长贮存时间和货架寿命。壳聚糖涂膜以其无毒、无污染、来源丰富及良好的气体渗透性而被广泛应用于果蔬保鲜，但其力学性能和阻水性有待提高 4。1.3 壳聚糖可作为食品添加剂1991 年壳聚糖被欧美学术界誉为
8、继蛋白质、脂肪、糖类、维生素和无机盐之后的第六生命要素。壳聚糖在食品工业方面作为食品的功能组分、营养添加剂已得到广泛应用，如减肥食品等。壳聚糖被摄入体内后，可与脂类物质结合形成壳聚糖络盐或复合物，这种产物具有很强的疏水性，不被胃酸所湿润，也就不能水解而被消化系统吸收。因此，将壳聚糖或其脂肪酸络盐添加到食品中，它不但能减少人体对脂类物质的吸收，促使脂类物质排出体外，而且因结合了食品中的脂肪而降低了食品的热量，所以，这种食品便成了一种无副作用的减肥食品。此外，壳聚糖作为添加剂还可以改善食品的风味、流动性和食品结构形状，控制粘度，增加纤维含量等。1.4 壳聚糖的澄清性壳聚糖分子链上分布着大量的游离氨
9、基,在稀酸溶液中质子化 ,从而使壳聚糖链上带有大量的正电荷,成为一种聚电解质 ,而果汁中含有大量的带负电荷的果胶、纤维素、单宁及多聚戊糖等悬浮的微小颗粒,当果汁中加入壳聚糖时,依靠静电作用,果汁中的微小颗粒会很快缠绕于有线性分子结构的壳聚糖,使微小颗粒逐渐变大 ,形成大的颗粒而使果汁澄清,因此, 壳聚糖具有典型的阳离子絮凝剂作用 。另外,壳聚糖是一种天然高分子化合物,通过分子间作用力和氢键的引力可以与胶体颗粒之间形成吸附力而产生粘结吸附。因此,壳聚糖作为澄清剂具有阳离子型的电中和凝聚和粘结吸附凝聚的双重作用,是一种天然、无毒而又具有高强凝结力的理想澄清剂。1.5 壳聚糖的重金属螯合性壳聚糖在
10、C2 位上有一个氨基，在 C3 位上有一个羟基，这种特殊结构使得壳聚糖对具有一定离子半径的一些金属在一定的 PH 条件下具有富集能力，即壳聚糖是一种天然高分子螯合剂，加之其无毒、无副作用等优点，使得壳聚糖的应用领域更加宽广。大量的实验研究表明：壳聚糖对重金属的螯合作用比较突出，而且在特定的 PH 条件下具有很好的选择性，而对半径较小的离子不具有螯合性。基于壳聚糖在特定的 PH 条件下对特定的金属离子有螯合作用，因此可以用壳聚糖选择性地螯合金属离子，而制成该种矿物质的营养强化剂。此外，壳聚糖螯合金属后，由于金属离子是很强的电子接受体，它的活性要远大于 H ，因此，壳聚糖的金属螯合物更容易与带负电
11、荷的分子相互作用，可以大大增强壳聚糖的抗菌作用。1.6 壳聚糖的乳化性、增稠性和稳定性从壳聚糖分子结构可以看出，壳聚糖分子具有亲水基团和亲油基团，从而可以在水和油的界面形成吸附层，具有乳化剂的功能 ；同时，具有较多羟基的壳聚糖高分子在溶液中形成网状结构，形成高分子体系，增加了溶液的粘度，使食品成分不易流动，从而起到了增稠剂和稳定剂的作用。因此，壳聚糖分子具有一定的乳化、增稠和稳定的性能1.7 壳聚糖的酶固定化酶的固定化技术是酶工程的重要组成部分，固定化的关键技术是选择合适的载体。在壳聚糖分子中，有相当数量的游离氨基，这些氨基可以和双功能试剂（如戊二醛等）发生交联作用 ，制成许多酶的固定化载体。
12、这种载体的机械性能良好，化学稳定性高，可提高酶的稳定性和活性，价格也比琼脂糖凝胶、葡聚糖凝胶便宜。而且由于壳聚糖有与其他离子螯合的能力，因此，可保护酶不受金属离子的抑制。到目前为此，有关壳聚糖及其衍生物应用于固定化酶方面的研究报道很多，已经用于 100 多种酶的固定化，如酸性磷酸脂酶、胰蛋白酶、尿素酶、淀粉酶、蔗糖酶、溶菌酶等2.壳聚糖的应用2.1 壳聚糖在食品领域中的应用目前，我国果汁澄清多是用酶法或过滤法，这些方法成本高、周期长。若改用壳聚糖处理就能克服上述缺点。壳聚糖还能净化糖汁，它能除去原料糖汁中的无机盐、纤维素、有机胶物质和一些悬浮物 。壳聚糖是一种天然的保鲜剂，易形成膜，且该膜对O
13、2、 CO2、C 2H4 具有一定的选择渗透作用，因此，可广泛地应用于果蔬的保鲜 。由于壳聚糖是真菌细胞壁的重要组成部分，因此，壳聚糖可以对食品起防腐作用。2.2 壳聚糖在印染废水处理中的应用壳聚糖对酸性染料、直接染料、媒染料和预金属络合酸性染料有较好的吸附性能。壳聚糖对偶氮染料酸性铬兰钾的吸附比活性炭快得多，重复吸附 10 次后其吸附活性没有明显降低。国外也有研究者将壳聚糖制成多孔状，可重复使用至少 20 次。2.3 壳聚糖在医药领域的应用在医药卫生方面，甲壳素和壳聚糖的应用研究更由来已久，且有些研究成果已付诸实际应用，甚至已工业化生产。壳聚糖在抗心率失常、防治动脉粥样硬化、凝血作用和抗凝血
14、作用、抗肿瘤作用以及抗感染作用等方面都有报道。现在研究的范围越来越宽，有不直接与人体接触的，有与人体组织接触的做成药使用，也能做药物的载体，既能治病，也能保健。尤其是举世瞩目的人造皮肤和外科手术缝合线，均展现了诱人的前景。壳聚糖作为天然可吸收性手术缝合线材料，可用常规方法消毒，这是因为其自身具有一定的抑菌能力，不需要进行强烈的杀菌处理。壳聚糖具有化学惰性、不与体液作用、对组织无异物反应、无毒、耐高温消毒等优点，是优良的医用纤维和人造组织材料，用于制成外科手术缝合线，其缝合和打结操作性好，并且经过一定时间可被人体自行吸收，免除了病人拆线的痛苦。其柔软、易打结、机械强度较高，在伤口愈合后缝线可自动
15、分解被组织吸收，同时不改变皮肤胶原蛋白中的羟辅氨酸的含量 10 ，无炎症反应，还可增加伤口强度，加速伤口愈合。3.发展趋势及存在的问题由于壳聚糖自身独特的生物活性和功能性质,壳聚糖及其衍生物越来越受到人们广泛的关注。随着人们健康意识和环保意识的增强,今后对壳聚糖的开发将会重点放在:3.1 甲壳质低聚糖的功能性的研究。近年来随着研究的深入,特别是分子量低于一万的壳低聚糖更展现出其独特的生理活性和功能性质:在肠道内活化增殖双歧杆菌;提高巨噬细胞的吞噬能力;促进脾脏抗体的生长,抑制肿瘤细胞的生长; 降低血压、血糖、血脂,吸附胆固醇;特别是在微生物环境中具有较强抑菌抗菌作用和显著的保湿吸湿能力等,这些
16、特性已在许多应用中被证实 ,但是还没有对执行这些功能的壳聚糖的具体的分子量范围做出相应的说明。3.2 甲壳质低聚糖的防腐性和抗菌性的机理的研究。大量的报道已经证实了壳聚糖具有广普抑菌性,但是, 对于抑菌的机理目前大多数还停留在假说和推测的程度上,因此 ,机理研究显得尤为重要。3.3 壳聚糖在人体内的代谢过程和代谢机理的研究壳聚糖的生物活性和功能性质已经有目共睹,但是目前尚无关于其执行生物活性和功能性质的机理方面的详细的研究报道,因此, 代谢机理的研究更具有重要意义。此外,我们在大量的开发、研究壳聚糖的同时也应该注意到, 利用甲壳质生产壳聚糖的过程中会造成严重的环境污染,因此, 开发研究绿色生产
17、工艺,改造工艺设备,实施污水治理是发展壳聚糖工业的重要的前提,也是一大难题。4.结语壳聚糖及其产品的市场潜力是巨大的，因此，需要尽早制定该行业的详尽发展规划，并投入大量人力、物力进行开发与研究，以使壳聚糖早日成为国民经济发展的又一支柱产业。随着对壳聚糖及其衍生物的深入研究，在不久的将来，一系列性能优良的壳聚糖及其衍生物产品必将会在越来越广阔的领域得到充分应用。参考文献：1郭保林，高青雨壳聚糖的功能化及其作为生物医用高分子材料的研究进展J胶体与聚合物，2006.2刘保友，张广民，等壳聚糖抑制细菌作用研究J山东农业科学，2006.3许莹，陈建勇.壳聚糖与纤维素的结合及其抗菌性能的研究J浙江印染信息与技术，2003.4陶希芹，王明力，袁志，等.壳聚糖/纳米 TiO2复合涂膜保鲜金秋梨的研究J食品与发酵工业，2009.5曹维强壳聚糖的构效关系及其在食品工业中的应用J食品研究与开发 2006-05-05.6马勇壳聚糖对植物油的乳化性能研究J食品工业科技 2004-09-25.7杨金水甲壳素/壳聚糖在酶固定化中的应用J生物科技 2006-04-30.8赖凤英壳聚糖在食品工业中的应用J中国甜菜糖业 2004-06-25.9崔丽方，石亚伟*壳聚糖的制备及在食品工业中应用的机理J食品与药品，2006.10廖红，董志，傅洁民.甲壳素及其衍生物在烧伤、烫伤方面的药理作用及其应用J.中国药房，2004
