甲殼素,又名甲殼質(zhì)、幾丁質(zhì),化學(xué)名稱(1,4)-2-乙酰氨基-2-脫氧-β-D-葡聚糖。是一種天然高分子多糖[1],大量存在于海洋節(jié)肢動(dòng)物,如蝦、蟹的甲殼之中,也存在于菌類、昆蟲(chóng)類、藻類細(xì)胞膜和高等植物的細(xì)胞壁中[2],分布極其廣泛。甲殼素在自然界每年的生物合成量?jī)H次于纖維素,是地球上第2大可再生資源。
甲殼質(zhì)最早在1811年由法國(guó)科學(xué)家Braconot從霉菌中發(fā)現(xiàn),1859年法國(guó)人C.Rouget用濃KOH處理甲殼質(zhì),出現(xiàn)了殼聚糖。直到20世紀(jì)50年代,才對(duì)甲殼質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和制備方法有了較深透的了解。
殼聚糖(Chitosan),又名:脫乙酰甲殼質(zhì)、可溶性甲殼素、聚氨基葡萄糖,化學(xué)名稱為:β-(1,4) -2-氨基-2-脫氧-D-葡聚糖,是由甲殼質(zhì)經(jīng)脫乙酰作用,脫去C2上的乙酰基而得到。
目前提純工藝最好的殼聚糖成品是法國(guó)南部布列塔尼大學(xué)海洋生物研究所研制,其通過(guò)先進(jìn)生物工程技術(shù),將甲殼素里面的乙酰基逐步脫掉達(dá)到純度高于普通級(jí)別脫乙酰度55%,目前全球殼聚糖藥用原材料70%來(lái)自布列塔尼地區(qū),其出品的醫(yī)藥級(jí)殼聚糖是脫乙酰度95%以上的成品。脫乙酰純度達(dá)到95%以上的殼聚糖純度較高,有極強(qiáng)的活性,主要用于醫(yī)藥領(lǐng)域,對(duì)傷口的愈合有著快速的修復(fù),并有抑菌性預(yù)防傷口感染,高純度殼聚糖的多效作用已經(jīng)越來(lái)越被外科醫(yī)生所追捧。
由于殼聚糖的生物可降解性、低毒、良好的生物相容性使其廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥和制劑[3]。研究發(fā)現(xiàn),殼聚糖具有抗酸、抗?jié)?促進(jìn)傷口愈合等性質(zhì);作為各種劑型的輔料,殼聚糖既可用作片劑崩解劑、黏合劑,也可制成顆粒劑、眼用膜劑等。殼聚糖能夠成為新型的納米藥物載體,其特有的黏膜黏附性是主要因素之一。
殼聚糖是性能優(yōu)良的天然黏膜黏著劑,常用于多肽類藥物的黏膜給藥。以殼聚糖制成的納米載體可以延長(zhǎng)藥物在吸收位置的保留時(shí)間,達(dá)到控釋目的[4]。生物黏膜表面的類脂層荷負(fù)電,易與帶正電荷的殼聚糖粒子發(fā)生靜電吸附,增強(qiáng)了大分子藥物透過(guò)黏膜吸收的能力。經(jīng)過(guò)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究,van der I_nbben等[5]認(rèn)為以殼聚糖納米粒包裹的抗原如卵清蛋白、白喉類毒素、破傷風(fēng)類毒素等,能夠減少胃腸道酶降解而被腸淋巴組織(GAIT)的Peyer’s區(qū)充分?jǐn)z取,這為殼聚糖納米載體應(yīng)用于疫苗的口服給藥提供重要依據(jù);另外在抗原的鼻疫苗研究中,發(fā)現(xiàn)以殼聚糖為載體能夠顯著增強(qiáng)黏膜和系統(tǒng)的免疫反應(yīng),說(shuō)明殼聚糖也適于疫苗的鼻黏膜給藥。
將殼聚糖應(yīng)用于納米載體的研究,是20世紀(jì)90年代末逐漸發(fā)展起來(lái)的新興研究領(lǐng)域。研究人員對(duì)殼聚糖納米載體的制備技術(shù)及應(yīng)用前景展開(kāi)了廣泛而深入的探索,并取得了階段性、突破性的進(jìn)展,這為將來(lái)更深入系統(tǒng)的研究提供了重要的理論與技術(shù)支持。
1.在醫(yī)藥衛(wèi)生方面的應(yīng)用
在醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域,甲殼素或殼聚糖及其衍生物還可以提高黏膜的通透性,可以作為靶向載體,可以用于制備生物材料等。如Kotze-AF實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),三甲基殼聚糖四聚體的鹽酸鹽可提高消化道黏膜通透性[6];以殼聚糖制成膠囊包裹R68070(一種新型的血栓烷合成酶抑制劑)用來(lái)治療潰瘍性結(jié)腸炎,可避免藥物在酸性環(huán)境中的破壞和吸收,使其到達(dá)病變結(jié)腸部位(pH約為7.4),取得良好的治療效果[7];以殼聚糖制成的生物管用于橋接缺損神經(jīng),可以抑制成纖維細(xì)胞的生長(zhǎng),進(jìn)而防止神經(jīng)瘤的形成,為軸突的生長(zhǎng)創(chuàng)造有利的微環(huán)境;在磷酸鈣骨水泥中加入殼聚糖作為配料,可以提高骨水泥的內(nèi)聚力,防止其在體內(nèi)降解,并具有良好的組織相容性[8];甲殼素或殼聚糖及其衍生物也可用于酶的固定化方面;可作為骨缺損支架材料,還可制備組織工程所需的支架材料,用于人工骨等人工器官的體外培養(yǎng);各種微球形殼聚糖胺基衍生物可有效地吸附牛血清蛋白,為新型功能吸附劑[9]。
由于甲殼質(zhì)、殼聚糖具有與人體良好的生物相溶性和生物可降解性,其降解產(chǎn)物可被人體吸收,在體內(nèi)不蓄積,無(wú)免疫原性,在醫(yī)藥衛(wèi)生方面有著廣泛的應(yīng)用[10]。在2008年4月的美軍戰(zhàn)術(shù)區(qū)戰(zhàn)傷救治的變革的(TCCC)指南中,美國(guó)軍方特別批準(zhǔn)使用殼聚糖敷料作為止血?jiǎng)11]。
2.殼聚糖在洗發(fā)水中的應(yīng)用
洗發(fā)水的主要成分是表面活性劑,若能合理的添加少量的殼聚糖,就能減少或代替洗發(fā)香波中添加的護(hù)發(fā)、養(yǎng)發(fā)、滋潤(rùn)等成分,而使產(chǎn)品在使用過(guò)程中產(chǎn)生多重作用,即有洗發(fā)、護(hù)發(fā)及抗靜電作用,同時(shí)又具有滋養(yǎng)定型之功效,使洗后的頭發(fā)各種性能大為改觀。
3.殼聚糖在固發(fā)劑中的應(yīng)用
殼聚糖作為發(fā)型固定劑的原料與通常的陽(yáng)離子、陰離子和非離子型樹(shù)脂制成的普通固發(fā)劑相比,在頭發(fā)表面形成的薄膜其硬度適中,且不發(fā)粘,特別是在濕度較大和出汗的情況下仍能保持原來(lái)的硬度而不發(fā)粘。普通的固發(fā)劑在頭發(fā)疏理或揉擦?xí)r,具有明顯的靜電作用,很難長(zhǎng)時(shí)間保持發(fā)型。而由殼聚糖配制的固發(fā)劑,具有抗靜電作用,少量使用就能保持發(fā)型。特別是對(duì)某些敏感性皮膚的人,使用殼聚糖為原料的固發(fā)劑可以減少或避免皮膚過(guò)敏或灼燒感的發(fā)生。
4.在化妝品中的應(yīng)用
利用殼聚糖的保濕性、潤(rùn)濕性、成膜性、抗靜電作用、毛發(fā)柔軟和保護(hù)作用,以及對(duì)皮膚無(wú)刺激、無(wú)毒等特性在化妝品中具有廣泛的應(yīng)用。
研究證明,皮下水分的散失是人的皮膚衰老的主要原因之一,而殼聚糖具有優(yōu)良的保濕性和潤(rùn)濕性。與某些化學(xué)合成的保濕劑相比較,它無(wú)毒、無(wú)害、對(duì)皮膚和眼粘膜無(wú)刺激,不存在接觸過(guò)敏的問(wèn)題,而且價(jià)格便宜,因此將其應(yīng)用于護(hù)膚品中,使產(chǎn)品具有優(yōu)良的性能,并能全部或部分代替通常所用的保濕及潤(rùn)濕成分。
裂解后的寡聚葡萄糖胺和葡萄糖胺與人體細(xì)胞的固有成分——透明質(zhì)酸極相似,因而具有良好的親和性,對(duì)人體不產(chǎn)生排斥反應(yīng)。
同時(shí),殼聚糖還具有很強(qiáng)的吸附性和螯合作用。遇酸溶解的殼聚糖呈凝膠狀態(tài)具有很強(qiáng)的吸附能力。同時(shí)寡聚葡萄糖胺和葡萄糖胺的羥基受鄰位氨基的影響與重金屬離子產(chǎn)生螯合作用,螯合系數(shù)隨金屬原子量加大而增強(qiáng)。
脫乙酰度達(dá)到95%的殼聚糖,護(hù)膚品中應(yīng)用并不是很多。只有一些專業(yè)進(jìn)口的醫(yī)學(xué)品牌,如法國(guó)美帕的殼聚糖系列產(chǎn)品才有添加使用。
5. 在食品中的應(yīng)用
5.1 絮凝劑和增稠劑
由于帶氨基的殼聚糖是陽(yáng)離子電解質(zhì),在溶液中對(duì)有機(jī)物懸浮顆粒有明顯的絮凝效果且無(wú)毒、無(wú)味,可用于飲料及酒類的除濁澄清,防止醋、醬油沉淀。作為絮凝劑和增稠劑添加到蛋黃醬、花生醬、芝麻醬、玉米糊罐頭、含有沙司的罐裝食品、奶油代用品、酸性奶油、酸性奶油代用品中,增稠效果明顯并可使產(chǎn)品長(zhǎng)期貯存不變質(zhì),延長(zhǎng)貨架期。
5.2 防腐保鮮
殼聚糖衍生物如N-羧丁基殼聚糖對(duì)細(xì)菌、霉菌、酵母菌均具有較強(qiáng)的抑制作用,其中對(duì)大腸桿菌、枯草桿菌、毛霉、根霉具有更強(qiáng)烈的抑制作用。殼聚糖衍生物具有良好的水溶性和廣譜抗菌性,無(wú)毒無(wú)害。在食品、果蔬、農(nóng)產(chǎn)品的防腐保鮮上有廣泛的應(yīng)用。將殼聚糖與乳酸鈣或醋酸鈣制成一種水溶性保鮮劑具有高殺菌活性、安全無(wú)毒。
殼聚糖還應(yīng)用在草莓、蘋果、獼猴桃、雞蛋、柚桔、蘋果汁、肉類、水產(chǎn)品的防腐保鮮中效果很好。
5.3 食品包裝膜
將殼聚糖與淀粉、水混合均勻制成薄膜、干燥,經(jīng)堿溶液處理,可制成殼聚糖-淀粉合成食品包裝膜,此膜可食,無(wú)毒,耐油,抗張強(qiáng)度高,不溶于冷、熱水,可用于包裝固體、半固體和液體食品。該膜能自動(dòng)生物降解,無(wú)白色環(huán)境污染。
5.4 固定化酶載體
將殼聚糖醋酸溶液噴入到堿性溶液中進(jìn)行凝固,經(jīng)分離再生得到殼聚糖微細(xì)顆粒,此顆?？勺鳛楣潭ɑ篙d體。被殼聚糖固定的酶可廣泛應(yīng)用于制糖、釀酒、造醋等食品工業(yè)。
5.5 保健食品
甲殼質(zhì)、殼聚糖作為功能性保健食品對(duì)人類有5大功能:免疫強(qiáng)化功能、抑制老化、預(yù)防疾病、促進(jìn)疾病痊愈和調(diào)節(jié)人體生理機(jī)能。將殼聚糖與其他成分配合使用,可研制出人類所需的新產(chǎn)品。如將2份殼聚糖與10份不同比例的甲酸、硫酸鐵溶液反應(yīng),可制成可溶性鐵-殼聚糖絡(luò)合物,其補(bǔ)血效果優(yōu)于其他補(bǔ)血食品。殼聚糖與油酸、亞油酸等脂肪酸按比例混合研制成殼聚糖-脂肪酸絡(luò)合物,可添加到各種保健食品中。殼聚糖與果膠、卡拉膠等酸性多糖可加工成殼聚糖-酸性多糖絡(luò)合鹽,這種絡(luò)合鹽可與肉類中脂肪酸結(jié)合,不被人體吸收而制成高質(zhì)量低熱能減肥保健品。日本還將殼聚糖與傳統(tǒng)的中藥保健品混合作保健品出售,在市場(chǎng)上很受歡迎。
6. 殼聚糖在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用
6.1 殼聚糖種衣劑
種子包衣是近年來(lái)研制出的一項(xiàng)加工處理種子的新技術(shù)。種衣劑在種子周圍形成防治病蟲(chóng)的保護(hù)屏障,保證種子正常吸水發(fā)芽生長(zhǎng)和藥肥緩慢釋放,延長(zhǎng)藥效期。殼聚糖處理后的種子,其中的Chitinase 的活性可提高1.5倍。具有良好的防病、防蟲(chóng)和促進(jìn)作物生長(zhǎng)作用,即簡(jiǎn)便易行,又使殺蟲(chóng)劑對(duì)使用者和環(huán)境污染減小,是理想的環(huán)保型殺蟲(chóng)劑,在生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用。
6.2 可降解殼聚糖地膜
利用甲殼質(zhì)的成膜性及生物降解性,可制成具有良好粘附性、通透性和一定抗拉強(qiáng)度的農(nóng)用地膜,代替現(xiàn)在廣泛使用的聚乙烯地膜,克服了聚乙烯地膜板結(jié)土壤,不利作物生長(zhǎng)的缺點(diǎn),并且避免了白色污染。
6.3 飼料添加劑
利用甲殼質(zhì)和殼聚糖作雞飼料添加劑,能使小雞明顯增重;做魚(yú)餌料添加劑對(duì)魚(yú)有顯著的增重作用;在豬飼料中添加殼聚糖,可以提高育肥豬的瘦肉率。
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