楊懷宇， 武婷茹， 劉俊希， 謝子怡， 王虹玲　(沈陽(yáng)工學(xué)院生命工程學(xué)院，遼寧撫順 113122)

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甲殼素-殼聚糖的生理功能及應(yīng)用研究進(jìn)展

楊懷宇， 武婷茹， 劉俊希， 謝子怡， 王虹玲*(沈陽(yáng)工學(xué)院生命工程學(xué)院，遼寧撫順 113122)

摘要甲殼素-殼聚糖作為一種重要的新型生物材料，因具有來(lái)源廣泛、綠色環(huán)保、無(wú)毒無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)被譽(yù)為環(huán)境友好型功能材料，在人們的生活中占重要地位。從甲殼素-殼聚糖的基本特點(diǎn)及生物功能出發(fā)，闡述其在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、食品等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用情況，分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并且對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞甲殼素；殼聚糖；生理功能；應(yīng)用領(lǐng)域

甲殼素，又稱甲殼質(zhì)、幾丁質(zhì)，是生物體內(nèi)的天然高分子聚合物。其脫乙?；蟮漠a(chǎn)物為殼聚糖，是葡萄糖分子的多聚物，結(jié)構(gòu)與纖維素類似。甲殼素廣泛存在于低等植物菌類以及海洋無(wú)脊椎動(dòng)物的外殼中，還是某些真菌細(xì)胞壁的重要組成成分。甲殼素-殼聚糖作為自然界中大量存在的、堿性陽(yáng)離子聚合物具有多種生物學(xué)活性功能，已被歐美中日政府認(rèn)定為機(jī)能性免疫物質(zhì)；此外，兩者還具有良好的生物相容性和可降解性，無(wú)毒，價(jià)格低廉。甲殼素類產(chǎn)品還有易改質(zhì)、機(jī)械強(qiáng)度較好等優(yōu)點(diǎn)，已在環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、美容保健、食品安全、工農(nóng)業(yè)發(fā)展、紡織工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并有待進(jìn)一步的深度開(kāi)發(fā)。

在國(guó)際上，日本、美國(guó)甲殼素類產(chǎn)品的研發(fā)較領(lǐng)先。我國(guó)雖起步較晚，但發(fā)展迅速。近年,雖然對(duì)制取甲殼素-殼聚糖的制備工藝進(jìn)行了不斷地改進(jìn)與創(chuàng)新，但是仍存在諸多問(wèn)題，如成本較高、污染嚴(yán)重、易降解、產(chǎn)品質(zhì)量不易控制等。所以，亟待開(kāi)發(fā)出高效、環(huán)保的制備工藝，推動(dòng)我國(guó)殼聚糖生產(chǎn)提高到一個(gè)新的水平。

1甲殼素-殼聚糖的生理功能

甲殼素是天然的中性黏多糖，屬于一種線型高分子多糖。它化學(xué)性質(zhì)不活潑，不與體液發(fā)生變化，對(duì)組織不起異物反應(yīng)，具有調(diào)節(jié)免疫力、降低血壓、調(diào)節(jié)血脂、降低血糖、提高胰島素利用率、抗腫瘤、抑菌等多種生理功能。

1.3降血糖生物體血糖持續(xù)升高的直接后果是導(dǎo)致糖尿病等一系列病癥的發(fā)生。當(dāng)體內(nèi)胰島素分泌不足或特定的靶細(xì)胞對(duì)胰島素的感應(yīng)敏感度降低時(shí)，細(xì)胞內(nèi)糖類、脂類、蛋白質(zhì)等生物大分子的代謝作用會(huì)受到抑制，促使機(jī)體內(nèi)血糖濃度顯著升高[6]。研究表明，殼聚糖分子具有降血糖的作用。一方面，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)血糖水平異常時(shí)，低分子量的殼聚糖通過(guò)滲透作用進(jìn)入胰島細(xì)胞，對(duì)損傷的細(xì)胞進(jìn)行修復(fù)，提高其分泌胰島素的能力，同時(shí)增加外周組織對(duì)所分泌胰島素的敏感性，促進(jìn)血糖的代謝，降低機(jī)體內(nèi)的血糖水平；另一方面，甲殼素可通過(guò)協(xié)調(diào)臟器功能，促進(jìn)內(nèi)分泌，改善胰腺功能，活化胰島細(xì)胞，促進(jìn)β細(xì)胞分泌胰島素[7]。此外，甲殼素可吸收胃內(nèi)水分，與胃內(nèi)物混合，使得體內(nèi)產(chǎn)生擴(kuò)容效應(yīng)，從而使胃的排空時(shí)間延長(zhǎng)，餐后血糖峰值下降時(shí)限隨之拖后，進(jìn)而控制餐后高血糖的出現(xiàn)。

1.4抗腫瘤甲殼素-殼聚糖具有顯著的抗腫瘤作用。這一功能主要通過(guò)增強(qiáng)機(jī)體的非特異性免疫功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。低分子量的甲殼素尤其是其六聚糖形態(tài)具有極高的抗腫瘤活性。研究證實(shí)，甲殼六糖和殼六糖均能抑制小鼠體內(nèi)的腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)，表現(xiàn)出明顯的抗癌功效[8]。甲殼素的抗腫瘤活性主要體現(xiàn)為它可活化巨噬細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞、NK細(xì)胞和LAK細(xì)胞，通過(guò)抑制腫瘤細(xì)胞在皮下基質(zhì)的黏附、抑制白介素的產(chǎn)生和朝向腫瘤實(shí)體的血管生成發(fā)揮作用[9]。

1.5抑菌早在1979年便有學(xué)者指出殼聚糖具有抑菌的功效，且抗菌譜廣[10]，隨后相繼通過(guò)對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球等的抑制作用，發(fā)現(xiàn)殼聚糖對(duì)革蘭氏陰性細(xì)菌和革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌均表現(xiàn)出良好的殺菌效果，進(jìn)一步證實(shí)其殼聚糖的廣譜抗菌性。殼聚糖的殺菌機(jī)理主要體現(xiàn)在：一方面，其自身所攜帶的正電荷可以與帶負(fù)電荷的細(xì)胞吸附，從而在細(xì)胞壁表現(xiàn)形成一層由殼聚糖組成的高分子聚合膜，進(jìn)而改變細(xì)胞膜的通透性，抑制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝廢物的排放，使得細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離，最終導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞死亡；另一方面，低分子量的殼聚糖可以通過(guò)滲透作用直接進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞，大量富集細(xì)胞內(nèi)帶負(fù)電荷的細(xì)胞質(zhì)物質(zhì)，發(fā)生絮凝作用，使得細(xì)胞喪失正常的代謝功能，從而殺滅細(xì)菌[11]。

2甲殼素-殼聚糖的應(yīng)用領(lǐng)域

甲殼素-殼聚糖性能獨(dú)特，具有組織相容性良好、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)，是綠色環(huán)保型材料。在倡導(dǎo)創(chuàng)建“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”社會(huì)的當(dāng)下，它極具開(kāi)發(fā)前景。

2.1工業(yè)領(lǐng)域甲殼素-殼聚糖具有良好的吸附性和成膜性能，近年來(lái)已成為修飾電極高分子的首選材料，被應(yīng)用于化學(xué)傳感器和生物傳感器；甲殼素-殼聚糖可提高紙張的耐電壓強(qiáng)度，也能改善紙張的表面印刷性，從而適應(yīng)高速印刷、高黏度油墨的要求，目前已被廣泛應(yīng)用于印刷紙的生產(chǎn)中；痕量分析研究表明，甲殼素-殼聚糖可結(jié)合高靈敏的分析方法，作為富集劑來(lái)分析樣品中的痕量元素，對(duì)鎢、銀、鉻、鉑、鉍、汞、銅等元素實(shí)現(xiàn)低檢出、限檢出。

2.2農(nóng)業(yè)領(lǐng)域甲殼素-殼聚糖的優(yōu)異性能使其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用頗為廣泛，其多聚物可以促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，改善土壤的微生態(tài)環(huán)境，提高作物抵御病蟲(chóng)害的能力，因此常被用作植物的生長(zhǎng)促進(jìn)劑和土壤改良劑等。有研究表明，將甲殼素-殼聚糖添加到飼料中飼喂家禽，還可以提高家禽免疫力，改善圈舍環(huán)境，增強(qiáng)蛋和肉的品質(zhì)[12]。

2.3環(huán)保領(lǐng)域甲殼素可以作為水處理劑，凈化飲用水，澄清污水，有效除去工業(yè)廢水中重金屬等有害物質(zhì)，并且回收貴重金屬，聚集電解質(zhì)；甲殼素可生物降解，有研究表明甲殼胺地膜可在2～3月的時(shí)間內(nèi)全部分解，是解決“白色污染”的有效途徑。用其制成的天然無(wú)公害塑膠、可降解地膜不僅環(huán)保，而且能夠有效改良土壤問(wèn)題。

2.4食品領(lǐng)域甲殼素因其具有成本低、效率高、無(wú)毒無(wú)害、操作簡(jiǎn)便及具有顯著的防腐、保鮮效果等優(yōu)越性能而被廣泛應(yīng)用于食品中。其作用機(jī)理主要體現(xiàn)在：甲殼素具有很好的成膜性，將其噴灑或涂抹于果蔬表面后可在其表面形成一層致密、透明的保護(hù)膜，起到抑制微生物生長(zhǎng)、維持果蔬色澤、抑制水分散失、降低呼吸作用、減少養(yǎng)分消耗等作用，使得果蔬始終處于代謝緩慢的穩(wěn)定環(huán)境中，進(jìn)而延長(zhǎng)保存時(shí)間，提高貨架期。它是一種安全、無(wú)毒、綠色的生物防腐劑。

2.5醫(yī)用領(lǐng)域甲殼素有良好的生物相容性，且具有無(wú)毒性、成本低、易改質(zhì)、機(jī)械強(qiáng)度好、廣譜抗菌性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，十分適合應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。它可作為醫(yī)用生物材料，如吸收性手術(shù)縫合線、止血?jiǎng)?、免疫促進(jìn)劑、腫瘤抑制劑和愈合劑等[13]。

2.6紡織領(lǐng)域用殼聚糖纖維生產(chǎn)的抗菌織物具有較好的吸濕性、透氣性和柔軟手感等，且具有強(qiáng)大的抗菌能力，90%以上的常見(jiàn)細(xì)菌在甲殼素纖維上不能存活，因此甲殼素纖維與彩棉貨純棉等纖維制成的面料特別適合做嬰幼兒服裝、男女高檔內(nèi)衣。

3展望

甲殼素在自然界中分布十分廣泛，是僅次于纖維素的自然界儲(chǔ)存量第二大的天然多糖化合物。目前，人類對(duì)甲殼素的開(kāi)發(fā)僅處于初級(jí)階段。據(jù)推算，自然界的生物每年能生產(chǎn)1 000億t甲殼素，其中能被現(xiàn)代化工業(yè)利用的僅為200萬(wàn)t。由此可見(jiàn),甲殼素具有極大的開(kāi)發(fā)潛力。甲殼素的多種優(yōu)良特性以及豐富的資源狀態(tài)必將使其具有更加廣闊的應(yīng)用前景，從而更好地服務(wù)于人們的生活。

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收稿日期2015-04-30

通訊作者

作者簡(jiǎn)介楊懷宇(1994- )，男，遼寧沈陽(yáng)人，本科生，專業(yè)：生物工程。*，講師，碩士，從事食品生物技術(shù)方面的研究。

基金項(xiàng)目遼寧省高等學(xué)校科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2014565)；遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目。

中圖分類號(hào)S 188

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2015)18-024-02