我國(guó)甲殼素生物質(zhì)研究的對(duì)策與借鑒

彭靖+鄧同蘭

摘 要：甲殼素是僅次于纖維素的第二大天然高分子多糖材料，天然可再生。中國(guó)是海洋大國(guó)年產(chǎn)豐富，將其轉(zhuǎn)化為燃料及高附加值化學(xué)品，對(duì)于緩解能源危機(jī)，以及解決環(huán)境污染問題意義重大。本文簡(jiǎn)要概述了近年來國(guó)內(nèi)外甲殼素研究的發(fā)展歷程，特別是甲殼素生物質(zhì)研究的現(xiàn)狀，以及目前存在的問題。同時(shí)借鑒經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于甲殼素有效管理的經(jīng)驗(yàn)，首次在國(guó)內(nèi)提出甲殼素“精加工”的概念，以及盡快制定“五年發(fā)展規(guī)劃”的建議和相關(guān)措施，為推動(dòng)甲殼素生物質(zhì)作為可再生能源替代石化資源提供理論支持。

關(guān)鍵詞：甲殼素 殼聚糖 生物質(zhì) 精加工 發(fā)展規(guī)劃

在21世紀(jì)，人類已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)與利用海洋資源的新時(shí)期。中國(guó)是海洋大國(guó)，擁有豐富的海洋資源。提高海洋資源的開發(fā)能力，推動(dòng)“藍(lán)?！苯?jīng)濟(jì)發(fā)展是中國(guó)重要的戰(zhàn)略決策。海洋生物資源中，甲殼素是僅次于纖維素的第二大天然高分子多糖材料，它主要存在于蝦、蟹的外殼，年產(chǎn)量豐富，天然可再生，目前已成為國(guó)際科技界研究熱點(diǎn)之一。由于甲殼素具有優(yōu)異的生物相容性，從80年代開始，中國(guó)的科研人員先后將其應(yīng)用在醫(yī)藥、紡織、食品、化妝品、農(nóng)業(yè)及水處理等多方面[1]。但是，對(duì)于甲殼素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高附加值材料的研究方面，國(guó)內(nèi)外尚屬于起步階段。

隨著全球石油、天然氣等傳統(tǒng)能源逐漸枯竭，人們正在努力尋找新的替代能源。將甲殼素生物質(zhì)降解為獲取燃料和高附加值化合物，不僅能給現(xiàn)代社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)利益，而且對(duì)于廢棄物處理和環(huán)境保護(hù)也有著重要意義。因此，本文擬對(duì)甲殼素生物質(zhì)研究現(xiàn)狀、存在的問題、資源化利用的未來發(fā)展方向及其對(duì)策、措施等方面內(nèi)容進(jìn)行探討。

一、甲殼素/殼聚糖研究歷程簡(jiǎn)要回顧

在全球甲殼素研究的學(xué)者中，1977年意大利Ancona大學(xué)的Muzzarelli教授，出版了第一本甲殼素研究專著《Chitin》，并于當(dāng)年在美國(guó)主持召開了第一屆甲殼素/殼聚糖國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)。之后，他又相繼在日本（1982年）、意大利（1985年）、挪威（1988年）主持召開過三屆學(xué)術(shù)會(huì)議，以后每3—4年召開一次，有利推動(dòng)了甲殼素研究的國(guó)際化進(jìn)程[2]。

日本的Shigehiro Hirano教授很早就認(rèn)識(shí)到甲殼素/殼聚糖獨(dú)特的生物性質(zhì)和功能，在20世紀(jì)80—90年代就已發(fā)表大量關(guān)于甲殼素生物醫(yī)用材料的研究或綜述性文章，對(duì)甲殼素在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用起到了推動(dòng)作用；

在中國(guó)國(guó)內(nèi)，甲殼素在工業(yè)上最早的應(yīng)用領(lǐng)域是在紡織行業(yè)。自1986年開始，哈爾濱紡織研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作，首次將甲殼素提取液用于無甲醛整理劑，作為紡織品后整理助劑，應(yīng)用于純棉布、滌棉布染色工藝中，并申報(bào)了國(guó)家發(fā)明專利。從1988年初，當(dāng)年從事紡織研究的學(xué)者，本文作者彭靖開始從事甲殼素/殼聚糖提取研究工作，對(duì)于美國(guó)的提取專利進(jìn)行過改進(jìn)，并申報(bào)了中國(guó)發(fā)明專利。根據(jù)研究工作進(jìn)展的需要，彭靖后來跨學(xué)科與醫(yī)科大學(xué)鄧同蘭教授合作，1989年成功地將高效制備的殼聚糖薄膜，用于制備人造皮膚的臨床實(shí)驗(yàn)階段，并于1990年10月，在國(guó)家級(jí)雜志上發(fā)表了第一篇關(guān)于甲殼素/殼聚糖合成人造皮膚的應(yīng)用性研究論文[3]。1991—1995年期間，又先后在紡織與醫(yī)學(xué)兩個(gè)學(xué)科雜志上，相繼發(fā)表了多篇研究或綜述性文章[4][5][6]，同時(shí)于1992年、1995年兩次參加了由國(guó)家計(jì)委、國(guó)家科委、中國(guó)科學(xué)院三家單位聯(lián)合舉辦的，有關(guān)資源綜合利用方面的高層次和國(guó)際性學(xué)術(shù)研討會(huì)，發(fā)表的論文先后被收錄到相關(guān)論文集中，并被許多大學(xué)的博士、碩士論文廣泛引用，對(duì)甲殼素在中國(guó)國(guó)內(nèi)生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用，以及發(fā)展方向與規(guī)劃等方面起到了積極的推動(dòng)作用。從研究時(shí)間與研究成果方面，都不比日本學(xué)者落后。

二、甲殼素生物質(zhì)降解研究進(jìn)展現(xiàn)狀及存在的問題

近年來，隨著全球能源緊缺，以及對(duì)于甲殼素研究與認(rèn)識(shí)的不斷深入，甲殼素生物質(zhì)的降解研究逐漸成為新的熱點(diǎn)，特別是直接降解為高附加值的精細(xì)化學(xué)品，具有巨大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。近年，在國(guó)際方面，新加坡國(guó)立大學(xué)的顏寧教授等人，于2014—2016年期間，在國(guó)際著名期刊《Nature》等刊物上，發(fā)表多篇研究論文，提出了甲殼素生物質(zhì)“精煉”的概念[7]，同時(shí)指出甲殼素生物質(zhì)來源豐富，應(yīng)該像纖維素生物質(zhì)一樣被充分利用，使其轉(zhuǎn)化成為具有較高價(jià)值的化學(xué)品。同時(shí)，該課題組在甲殼素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為含氮精細(xì)品方面做了大量研究工作，并取得豐碩的成果，為甲殼素生物質(zhì)的有效利用開辟了一條新的途徑。

在中國(guó)國(guó)內(nèi)，2015年12月，天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境化學(xué)學(xué)院藏洪俊教授帶領(lǐng)碩士研究生李明廣等人，合成了三種噻唑類化合物，以及一系列固體酸，并將其應(yīng)用于轉(zhuǎn)化甲殼素/殼聚糖制備HMF的研究中[8]。同時(shí)，通過選擇最佳反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度和催化劑作用量，并且在最佳反應(yīng)條件下，直接轉(zhuǎn)化甲殼素/殼聚糖，分別得到HMF產(chǎn)率為31.4%和21mol%。噻唑類化合物具有重要的藥物和生物活性，這種化合物的研制成功，為醫(yī)藥中間體提供了新的選擇。

但是，目前的研究成果多是將甲殼素生物質(zhì)降解為5-羥甲基糖醛、乙酰丙酸等不含氮平臺(tái)化合物，這樣不僅浪費(fèi)了寶貴的N資源，而且目標(biāo)產(chǎn)物收率低。相比之下，不如以纖維素生物質(zhì)為原料有優(yōu)勢(shì)[9]。

至今為止，中國(guó)國(guó)內(nèi)尚未見到，有關(guān)對(duì)于甲殼素/殼聚糖生物質(zhì)利用，進(jìn)行規(guī)劃和發(fā)展方向研究的論文發(fā)表，國(guó)際上的相關(guān)論文也不多見。2015年，武漢大學(xué)施曉文、杜予民等人編著《甲殼素/殼聚糖材料及應(yīng)用》一書[10]，雖然作為“十二五”國(guó)家重點(diǎn)圖書，但僅是對(duì)甲殼素的發(fā)展史、基本性質(zhì)，以及在食品、生物材料、農(nóng)業(yè)、紡織、造紙等方面的研究成果進(jìn)行綜述與歸納，并沒有對(duì)于甲殼素/殼聚糖下一步研究方向進(jìn)行規(guī)劃與指導(dǎo)的內(nèi)容，更沒有涉及到甲殼素生物質(zhì)的降解研究的問題。作為中國(guó)化學(xué)會(huì)甲殼素專業(yè)委員會(huì)承辦單位出版的學(xué)術(shù)著作，不得不說是一件非常遺憾的事。

三、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家政府對(duì)于甲殼素資源有效管理的經(jīng)驗(yàn)endprint

為了確保甲殼素/殼聚糖研究的健康發(fā)展，我們不僅要對(duì)目前存在問題有清醒認(rèn)識(shí)，還應(yīng)該借鑒經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家的成功經(jīng)驗(yàn)，制定中國(guó)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃與發(fā)展方向。任何一項(xiàng)好的產(chǎn)業(yè)，其開發(fā)與應(yīng)用都離不開政府部門的投入與扶持[11]。

20世紀(jì)70年代，日本興起了對(duì)于甲殼素的研究，從1982年開始編制了十年的開發(fā)計(jì)劃（1982—1992年），1984年由文部?。ń逃浚芸?0億日元作為研究經(jīng)費(fèi)，資助全國(guó)13所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)，從事有關(guān)改善和增進(jìn)人體健康的各項(xiàng)研究。同年，成立了日本甲殼素研究會(huì)，并召開了第一屆學(xué)術(shù)研討會(huì)。在日本政府的支持和推動(dòng)下，從1980—1990年，日本幾乎每三天就要批準(zhǔn)一項(xiàng)關(guān)于甲殼素/殼聚糖研究的專利；日本許多食品和保健品中，都添加有甲殼素及其衍生物。日本政府重視制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的措施，以及在科技投入的力度值得中國(guó)學(xué)習(xí)與借鑒。

美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)從第239屆（2010年）到249屆（2015年），五年期間共召開了十屆學(xué)術(shù)年會(huì)，涉及的主題分別為“化學(xué)致力于可持續(xù)發(fā)展世界”、“天然資源化學(xué)”、“化學(xué)為了生活”、“能源與食品化學(xué)”和“自然資源化學(xué)”。基于論文篇幅的要求，不便過多展開，但從會(huì)議的主題就可以看出，美國(guó)對(duì)于化學(xué)領(lǐng)域的研究關(guān)注重點(diǎn)，逐步從可持續(xù)發(fā)展、天然資源，到能源開發(fā)與利用方面轉(zhuǎn)化。

在新加坡，雖然未見公開發(fā)表國(guó)家對(duì)于甲殼素/殼聚糖研究制度發(fā)展規(guī)劃的報(bào)道，但是在文章前面已經(jīng)提及，新加坡國(guó)立大學(xué)的科研人員開始關(guān)注，在甲殼素/殼聚糖研究中，必須高效利用寶貴資源的問題，并提出了甲殼素生物質(zhì)“精煉”的概念。上述國(guó)家的做法值得我們學(xué)習(xí)與借鑒。

四、甲殼素生物質(zhì)研究與管理方面的對(duì)策

1995年，本文作者在參加“95國(guó)際資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)學(xué)術(shù)研討會(huì)”時(shí)，曾經(jīng)發(fā)表過一篇題為“中國(guó)甲殼素資源綜合利用的現(xiàn)狀與對(duì)策”的論文，針對(duì)當(dāng)時(shí)中國(guó)甲殼素研究的現(xiàn)狀，提出過合理利用甲殼素資源的三方面建議：一是國(guó)家有關(guān)部門應(yīng)該給予宏觀指導(dǎo)，統(tǒng)籌安排；二是大力開發(fā)和合理利用水產(chǎn)資源；三是限制初加工產(chǎn)品出口，鼓勵(lì)高精產(chǎn)品生產(chǎn)。雖然時(shí)間已經(jīng)過去20多年，但是這些對(duì)策在目前看來還是有一些可供參考之處。

縱觀我國(guó)甲殼素開發(fā)與研究的發(fā)展歷程，可謂是“醒來的早，起來的晚”。早在1952年，國(guó)內(nèi)部分沿海城市就開始過甲殼素試驗(yàn)，1954年在《化學(xué)世界》雜志發(fā)表了國(guó)內(nèi)第一篇有關(guān)甲殼素的研究報(bào)告。這個(gè)時(shí)間要比日本早出近20年，但是由于沒有被國(guó)家及行業(yè)部門重視而擱淺。目前，中國(guó)化學(xué)會(huì)甲殼素專業(yè)委員會(huì)已經(jīng)成立，并由武漢大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院承辦，這對(duì)于甲殼素研發(fā)工作是個(gè)極大利好消息，建議對(duì)于甲殼素研究采取如下對(duì)策：

一是借鑒日本的作法，盡快制定甲殼素研究“五年發(fā)展規(guī)劃”。作為行業(yè)專業(yè)委員會(huì)，其職責(zé)不僅是組織召開學(xué)術(shù)研討會(huì)和出版書籍，更應(yīng)該對(duì)于本行業(yè)的從業(yè)人員進(jìn)行宏觀指導(dǎo)，同時(shí)依據(jù)國(guó)家的要求進(jìn)行統(tǒng)籌安排。建議借鑒日本的作法，參照國(guó)家“十三五規(guī)劃”模式，盡快研究、制定中國(guó)甲殼素研究“五年發(fā)展規(guī)劃”。同時(shí)，要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)甲殼素生物質(zhì)的研究問題。

二是制定相關(guān)優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)從事精加工產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)。隨著傳統(tǒng)能源逐漸枯竭，尋找新的可再生替代能源，這是國(guó)家急需解決的問題。建議甲殼素專業(yè)委員會(huì)要以課題招標(biāo)形式，以及配合國(guó)家、省市專項(xiàng)扶持資金的多種方式，突出強(qiáng)調(diào)“精加工”的概念。在未來的甲殼素生物質(zhì)降解研究中，引導(dǎo)研究單位將研究重點(diǎn)放在甲殼素轉(zhuǎn)化制備含氮精細(xì)化學(xué)品上。

三是以資金資助為引導(dǎo)，推動(dòng)“產(chǎn)學(xué)研”合作體系的建立。鑒于目前中國(guó)尚未形成緊密的“產(chǎn)學(xué)研”合作體系，建議國(guó)家及各級(jí)政府對(duì)于甲殼素各類資助項(xiàng)目申報(bào)時(shí)，應(yīng)該以企業(yè)為申報(bào)主體，高校參與的合作形式，鼓勵(lì)研究、生產(chǎn)單位組成項(xiàng)目“產(chǎn)學(xué)研”聯(lián)合體，用資助資金的形式，引導(dǎo)甲殼素生物質(zhì)項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化的實(shí)施。

五、結(jié)論與展望

綜上所述，本文在概述了近年來國(guó)內(nèi)外甲殼素研究發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前甲殼素生物質(zhì)研究中存在的問題，提出了對(duì)于促進(jìn)訪領(lǐng)域發(fā)展的三個(gè)方面的具體措施，期待甲殼素專業(yè)委員會(huì)能夠切實(shí)牽頭，帶動(dòng)國(guó)內(nèi)的同行取得更多、更好的研究成果。

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[11]彭靖.對(duì)我國(guó)能源市場(chǎng)中加強(qiáng)政府有效管理的思考[J].建筑節(jié)能，2009（11）.

（彭靖，上海富申評(píng)估咨詢集團(tuán)。鄧同蘭，佳木斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院。）endprint