壳聚糖的制备方法及研究进展

壳聚糖的制备方法及研究进展

作者：张立英

来源：《山东工业技术》2018年第02期

摘要：壳聚糖作为一种碱性多糖被广泛应用于食品、生物、化工、医疗等领域。本文重点介绍了壳聚糖的制备方法及其研究进展，并对其发展趋势进行了展望。

关键词：壳聚糖；碱性多糖；制备方法

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2018.02.016

壳聚糖本身的分子结构类似于纤维素，因其多了一个带正电荷的胺基，使其化学性质较为活泼。目前壳聚糖正因其优良的生理活性在食品、化妆品、医药、化工、污水处理等方面展现出广阔的应用前景，近十年来国内外对于壳聚糖的开发研究热度一直持续不减，各种新颖的制备方法也是层出不穷。

1壳聚糖的来源

壳聚糖通常是由甲壳素（又名几丁质）经脱乙酰基作用获得，甲壳素在自然界中广泛存在于高等真菌以及节肢动物（虾、蟹、昆虫等）的外壳中，其中虾壳、蟹壳是工业生产壳聚糖的主要原料。由于大分子间的氢键作用，天然存在的甲壳素构造坚固，化学性质稳定，不溶于水、酸碱和一般的有机溶剂，这也使得甲壳素的应用范围非常有限，因此甲壳素只有经脱乙酰基处理成壳聚糖才能获得广泛应用。

2壳聚糖的制备方法

（1）化学降解法。传统的壳聚糖生产多采用化学降解法。作为壳聚糖工业生产最常用的制备方法，化学降解法简便易行，效率高，整个生产过程容易控制，但该法环境污染较为严重，对周边环境具有一定的破坏性。欧阳涟等从蟹壳中获取甲壳素，并通过脱乙酰反应制备出了壳聚糖。试验探究了影响产物壳聚糖脱乙酰反应的各种因素，如反应温度、碱液含量及反应时间等，最终确定制备高脱乙酰度壳聚糖的条件为反应温度70℃，碱液质量分数47%，反应时间10 h。

（2）微生物培养法。微生物发酵法生产壳聚糖起源于美国，我国从上世纪90年代开始研究。其主要原理是利用微生物自身生产的酶进行催化，从而脱去甲壳素中的乙酰基，进而制备壳聚糖。目前该领域研究重点主要集中在优良菌株的选育和培养基的优化上。

贺淹才等首先采用电解法从培养的黑曲霉湿菌体中制得甲壳素，然后采用碱提取法从培养的黑曲霉湿菌体中制备壳聚糖。试验基于黑曲霉细胞壁的主要成分为蛋白质与甲壳素，而蛋白质带有可电离的基团，于溶液中可形成带电荷的阳离子和阴离子，在外加电场作用下发生迁移，继而除去蛋白质，分离获得甲壳素；最后在高温条件下加入浓碱使得黑曲霉菌丝体中的甲壳素脱乙酰基，最终制得壳聚糖。试验结果表明，该方法甲壳素提取的得率为干菌重量的20.6%，所得干燥壳聚糖产品的游离胺基为93.76%，产品得率为12.11%。

（3）微波技术。微波是一种电磁波，在化学反应中，通常采用2450MHz的微波进行辐射处理。在壳聚糖的生产中，采用微波辐射降解具有操作简便、反应时间短、能源使用率高等优点，但由于微波使升温过快也会产生甲壳素降解反应不充分等弊端。

曹健等采用微波技术对甲壳素进行脱乙酰处理制备壳聚糖，试验对在微波反应前采用乙醇浸泡对甲壳素进行预处理的条件进行了较为系统的研究，并通过单因素试验和正交试验分析了微波反应时间、碱液浓度、乙醇浸泡时间、乙醇浓度、微波功率对壳聚糖脱乙酰度和粘均分子量的影响，提出了制备高脱乙酰度、高粘均分子量壳聚糖的最优条件为：微波功率462W，微波反应时间20min，NaOH浓度50%，乙醇浸泡时间2.5h，乙醇浓度80%。在优化条件下制得的壳聚糖脱乙酰度为77.07%，粘均分子量为43.13万，得率为68.98%。

（4）酶降解法。甲壳素脱乙酰酶是一种能催化脱去甲壳素分子中N-乙酰葡糖胺链上的乙酰基，使之变成壳聚糖的酶。该方法不但可以代替常规的浓碱热解法，解决目前壳聚糖生产中的环境污染问题，生产出高质量的壳聚糖，还可以生产出某些用化学法不能生产的壳聚糖制品因此该酶具有巨大的工业应用潜在价值，当前国内外对于甲壳素脱乙酰酶都有诸多研究。

与上述提到的其他方法相比，利用甲壳素脱乙酰酶制备壳聚糖可实现少用甚至不用氢氧化钠（浓碱），其温和的催化反应条件，不仅节约能源，而且对环境保护具有重要意义。但目前酶法制备壳聚糖还没有得到广泛应用，究其原因优良产酶菌的选育、提取和培养等严重制约了这一方法的推广。

张菁菁等利用平板变色圈法从土壤中筛选出一株产几丁质脱乙酰酶活力较高的菌株，通过形态学观察、生理生化实验、16SrDNA测序分析等方法对该菌株进行了鉴定，并对其发酵产生的脱乙酰酶的酶学性质进行了研究。经鉴定该菌株为红球菌属，酶学性质研究表明，该酶反应的最适温度为50℃，最适pH为7.0，Mn2+、Ca2+及K+在低浓度下对酶促反应有激活作用。分析结果表明该菌产酶能力较强，具有良好的开发价值。

Elmekawy等从一种产碱杆菌中提取甲壳素脱乙酰酶，并对该酶的催化动力学进行测定，研究表明所提取的甲壳素脱乙酰酶的最适pH为6.0，最适温度为38℃，经18h的细菌培养，酶的活力达到最大值（0.419U/mL），该酶在甲壳素生物转化中具有较高的应用价值。

3展望

当前壳聚糖的制备方法主要还是以化学降解法为主，但化学降解法产生的衍生物较多，低聚糖得率低且环境污染严重。酶法降解作为一种环境友好型的制备方法，因其反应条件温和，不需要浓碱，环境污染小等特点正受到了越来越多的关注。

随着分子生物技术的不断发展，国内外对脱乙酰酶的研究已开始深入到分子水平，通过研究酶的结构与其催化作用机理，以期揭示脱乙酰酶的结构与其功能之间的关系，同时还有不少研究试图通过基因工程技术，对现有的产脱乙酰酶菌株进行定向改造。相信随着研究的深入，甲壳素脱乙酰化反应将不再困难，一些全新的能提高脱乙酰度与黏度，减少氢氧化钠用量，加快反应速率，减轻环境污染的壳聚糖制备技术必将应运而生。