甲壳素,又名甲壳质、几丁质,化学名称(1,4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖。是一种天然高分子多糖[1],大量存在于海洋节肢动物,如虾、蟹的甲壳之中,也存在于菌类、昆虫类、藻类细胞膜和高等植物的细胞壁中[2],分布极其广泛。甲壳素在自然界每年的生物合成量仅次于纤维素,是地球上第2大可再生资源。
甲壳质最早在1811年由法国科学家Braconot从霉菌中发现,1859年法国人C.Rouget用浓KOH处理甲壳质,出现了壳聚糖。直到20世纪50年代,才对甲壳质的化学结构、性质和制备方法有了较深透的了解。
壳聚糖(Chitosan),又名:脱乙酰甲壳质、可溶性甲壳素、聚氨基葡萄糖,化学名称为:β-(1,4) -2-氨基-2-脱氧-D-葡聚糖,是由甲壳质经脱乙酰作用,脱去C2上的乙酰基而得到。
目前提纯工艺最好的壳聚糖成品是法国南部布列塔尼大学海洋生物研究所研制,其通过先进生物工程技术,将甲壳素里面的乙酰基逐步脱掉达到纯度高于普通级别脱乙酰度55%,目前全球壳聚糖药用原材料70%来自布列塔尼地区,其出品的医药级壳聚糖是脱乙酰度95%以上的成品。脱乙酰纯度达到95%以上的壳聚糖纯度较高,有极强的活性,主要用于医药领域,对伤口的愈合有着快速的修复,并有抑菌性预防伤口感染,高纯度壳聚糖的多效作用已经越来越被外科医生所追捧。
由于壳聚糖的生物可降解性、低毒、良好的生物相容性使其广泛应用于生物医药和制剂[3]。研究发现,壳聚糖具有抗酸、抗溃疡,促进伤口愈合等性质;作为各种剂型的辅料,壳聚糖既可用作片剂崩解剂、黏合剂,也可制成颗粒剂、眼用膜剂等。壳聚糖能够成为新型的纳米药物载体,其特有的黏膜黏附性是主要因素之一。
壳聚糖是性能优良的天然黏膜黏着剂,常用于多肽类药物的黏膜给药。以壳聚糖制成的纳米载体可以延长药物在吸收位置的保留时间,达到控释目的[4]。生物黏膜表面的类脂层荷负电,易与带正电荷的壳聚糖粒子发生静电吸附,增强了大分子药物透过黏膜吸收的能力。经过体内实验研究,van der I_nbben等[5]认为以壳聚糖纳米粒包裹的抗原如卵清蛋白、白喉类毒素、破伤风类毒素等,能够减少胃肠道酶降解而被肠淋巴组织(GAIT)的Peyer’s区充分摄取,这为壳聚糖纳米载体应用于疫苗的口服给药提供重要依据;另外在抗原的鼻疫苗研究中,发现以壳聚糖为载体能够显著增强黏膜和系统的免疫反应,说明壳聚糖也适于疫苗的鼻黏膜给药。
将壳聚糖应用于纳米载体的研究,是20世纪90年代末逐渐发展起来的新兴研究领域。研究人员对壳聚糖纳米载体的制备技术及应用前景展开了广泛而深入的探索,并取得了阶段性、突破性的进展,这为将来更深入系统的研究提供了重要的理论与技术支持。
1.在医药卫生方面的应用
在医药学领域,甲壳素或壳聚糖及其衍生物还可以提高黏膜的通透性,可以作为靶向载体,可以用于制备生物材料等。如Kotze-AF实验发现,三甲基壳聚糖四聚体的盐酸盐可提高消化道黏膜通透性[6];以壳聚糖制成胶囊包裹R68070(一种新型的血栓烷合成酶抑制剂)用来治疗溃疡性结肠炎,可避免药物在酸性环境中的破坏和吸收,使其到达病变结肠部位(pH约为7.4),取得良好的治疗效果[7];以壳聚糖制成的生物管用于桥接缺损神经,可以抑制成纤维细胞的生长,进而防止神经瘤的形成,为轴突的生长创造有利的微环境;在磷酸钙骨水泥中加入壳聚糖作为配料,可以提高骨水泥的内聚力,防止其在体内降解,并具有良好的组织相容性[8];甲壳素或壳聚糖及其衍生物也可用于酶的固定化方面;可作为骨缺损支架材料,还可制备组织工程所需的支架材料,用于人工骨等人工器官的体外培养;各种微球形壳聚糖胺基衍生物可有效地吸附牛血清蛋白,为新型功能吸附剂[9]。
由于甲壳质、壳聚糖具有与人体良好的生物相溶性和生物可降解性,其降解产物可被人体吸收,在体内不蓄积,无免疫原性,在医药卫生方面有着广泛的应用[10]。在2008年4月的美军战术区战伤救治的变革的(TCCC)指南中,美国军方特别批准使用壳聚糖敷料作为止血剂[11]。
2.壳聚糖在洗发水中的应用
洗发水的主要成分是表面活性剂,若能合理的添加少量的壳聚糖,就能减少或代替洗发香波中添加的护发、养发、滋润等成分,而使产品在使用过程中产生多重作用,即有洗发、护发及抗静电作用,同时又具有滋养定型之功效,使洗后的头发各种性能大为改观。
3.壳聚糖在固发剂中的应用
壳聚糖作为发型固定剂的原料与通常的阳离子、阴离子和非离子型树脂制成的普通固发剂相比,在头发表面形成的薄膜其硬度适中,且不发粘,特别是在湿度较大和出汗的情况下仍能保持原来的硬度而不发粘。普通的固发剂在头发疏理或揉擦时,具有明显的静电作用,很难长时间保持发型。而由壳聚糖配制的固发剂,具有抗静电作用,少量使用就能保持发型。特别是对某些敏感性皮肤的人,使用壳聚糖为原料的固发剂可以减少或避免皮肤过敏或灼烧感的发生。
4.在化妆品中的应用
利用壳聚糖的保湿性、润湿性、成膜性、抗静电作用、毛发柔软和保护作用,以及对皮肤无刺激、无毒等特性在化妆品中具有广泛的应用。
研究证明,皮下水分的散失是人的皮肤衰老的主要原因之一,而壳聚糖具有优良的保湿性和润湿性。与某些化学合成的保湿剂相比较,它无毒、无害、对皮肤和眼粘膜无刺激,不存在接触过敏的问题,而且价格便宜,因此将其应用于护肤品中,使产品具有优良的性能,并能全部或部分代替通常所用的保湿及润湿成分。
裂解后的寡聚葡萄糖胺和葡萄糖胺与人体细胞的固有成分——透明质酸极相似,因而具有良好的亲和性,对人体不产生排斥反应。
同时,壳聚糖还具有很强的吸附性和螯合作用。遇酸溶解的壳聚糖呈凝胶状态具有很强的吸附能力。同时寡聚葡萄糖胺和葡萄糖胺的羟基受邻位氨基的影响与重金属离子产生螯合作用,螯合系数随金属原子量加大而增强。
脱乙酰度达到95%的壳聚糖,护肤品中应用并不是很多。只有一些专业进口的医学品牌,如法国美帕的壳聚糖系列产品才有添加使用。
5. 在食品中的应用
5.1 絮凝剂和增稠剂
由于带氨基的壳聚糖是阳离子电解质,在溶液中对有机物悬浮颗粒有明显的絮凝效果且无毒、无味,可用于饮料及酒类的除浊澄清,防止醋、酱油沉淀。作为絮凝剂和增稠剂添加到蛋黄酱、花生酱、芝麻酱、玉米糊罐头、含有沙司的罐装食品、奶油代用品、酸性奶油、酸性奶油代用品中,增稠效果明显并可使产品长期贮存不变质,延长货架期。
5.2 防腐保鲜
壳聚糖衍生物如N-羧丁基壳聚糖对细菌、霉菌、酵母菌均具有较强的抑制作用,其中对大肠杆菌、枯草杆菌、毛霉、根霉具有更强烈的抑制作用。壳聚糖衍生物具有良好的水溶性和广谱抗菌性,无毒无害。在食品、果蔬、农产品的防腐保鲜上有广泛的应用。将壳聚糖与乳酸钙或醋酸钙制成一种水溶性保鲜剂具有高杀菌活性、安全无毒。
壳聚糖还应用在草莓、苹果、猕猴桃、鸡蛋、柚桔、苹果汁、肉类、水产品的防腐保鲜中效果很好。
5.3 食品包装膜
将壳聚糖与淀粉、水混合均匀制成薄膜、干燥,经碱溶液处理,可制成壳聚糖-淀粉合成食品包装膜,此膜可食,无毒,耐油,抗张强度高,不溶于冷、热水,可用于包装固体、半固体和液体食品。该膜能自动生物降解,无白色环境污染。
5.4 固定化酶载体
将壳聚糖醋酸溶液喷入到碱性溶液中进行凝固,经分离再生得到壳聚糖微细颗粒,此颗粒可作为固定化酶载体。被壳聚糖固定的酶可广泛应用于制糖、酿酒、造醋等食品工业。
5.5 保健食品
甲壳质、壳聚糖作为功能性保健食品对人类有5大功能:免疫强化功能、抑制老化、预防疾病、促进疾病痊愈和调节人体生理机能。将壳聚糖与其他成分配合使用,可研制出人类所需的新产品。如将2份壳聚糖与10份不同比例的甲酸、硫酸铁溶液反应,可制成可溶性铁-壳聚糖络合物,其补血效果优于其他补血食品。壳聚糖与油酸、亚油酸等脂肪酸按比例混合研制成壳聚糖-脂肪酸络合物,可添加到各种保健食品中。壳聚糖与果胶、卡拉胶等酸性多糖可加工成壳聚糖-酸性多糖络合盐,这种络合盐可与肉类中脂肪酸结合,不被人体吸收而制成高质量低热能减肥保健品。日本还将壳聚糖与传统的中药保健品混合作保健品出售,在市场上很受欢迎。
6. 壳聚糖在农业中应用
6.1 壳聚糖种衣剂
种子包衣是近年来研制出的一项加工处理种子的新技术。种衣剂在种子周围形成防治病虫的保护屏障,保证种子正常吸水发芽生长和药肥缓慢释放,延长药效期。壳聚糖处理后的种子,其中的Chitinase 的活性可提高1.5倍。具有良好的防病、防虫和促进作物生长作用,即简便易行,又使杀虫剂对使用者和环境污染减小,是理想的环保型杀虫剂,在生产上得到广泛应用。
6.2 可降解壳聚糖地膜
利用甲壳质的成膜性及生物降解性,可制成具有良好粘附性、通透性和一定抗拉强度的农用地膜,代替现在广泛使用的聚乙烯地膜,克服了聚乙烯地膜板结土壤,不利作物生长的缺点,并且避免了白色污染。
6.3 饲料添加剂
利用甲壳质和壳聚糖作鸡饲料添加剂,能使小鸡明显增重;做鱼饵料添加剂对鱼有显著的增重作用;在猪饲料中添加壳聚糖,可以提高育肥猪的瘦肉率。
参考文献:
[1]杨冬梅,缪进康,黄明智. 天然生物材料-甲壳素和壳聚糖的开发及应用[J].化学工业与工程,1999,16(6):335-340.
[2]胡继飞. 甲壳质及其衍生物的开发利用[J].生物技术,1994(4):45-47.
[3]Hirofuml T,HinⅫitan Y,Yod[Iiaki K.Mucoadhesive nanoparticulate systems for pepfide drug delivery[J].Adv Drug Ddliv Rev,2001,47:39.
[4] van der Lubben IM,Verhoef JC,Borchard G,d 02.Chitesan forⅫ一cesal vaccination[J].Adv Drug Ddliv Rev,2001,52:139.
[5] Krishnendu R.Chitosan—DNA mmoparfieles:synthesis,eharacterizafian,
subcellular transport and oral delivery 0f genetic vaccines[D].
Baltimore the Johns aopkius University,1999.
[6]Kotze A F,Thanon M M, Luebetaen H H, et al. Enhancement of paracellular drug transport with highly quaternized N-trimethyl chitosan chloride in neutral environments: in vivo evaluation in intestinal cells (caro-2)[J].J Pharm Sci, 1999,88(2):253-257.
[7]Tozaki H ,Fujita T, Odorida T, et al. Colon-specific dwelivery of R68070, a new thromboxanesynthase inhibitor, using chitosan capsules; therapeutic effects against 2,4,6-trinitrobenzene sulfonic acid-induced ulcerative colitis in rats[J]. Life Sci,1999,64(13):1155-1162.
[8]Khairoun I,Deriessens F C M, Boltong M G, et al. Addition of cohesion promoters to calcium phosphate cements[J]. Biomaterials, 1999,20(4):393-398.
[9]方波,宋道云,陈鸿雁等.微球型壳聚糖胺基吸附剂的制备及性能[J].化工科技,2000,8(3):20-23.
[10] 徐鑫,王静.甲壳质和壳聚糖的开发及应用[J].哈尔滨工业大学学报,Feb.2002vol,34 No,1
[11] 张良,张岫竹 ,张连阳,王正国. 美军战术区战伤救治的变革[J].中华灾害救援医学.2017年8月第5卷第8期.
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