甲壳素

甲壳素和壳聚糖综述

摘要：生物相容性好、可降解、对组织和细胞无毒副作用的生物材料一直是生物医学领域研究的热点。壳聚糖（2-氨基2-去氧β-D葡聚糖）是甲壳素脱乙酰得到的天然多糖中唯一的碱性多糖,具有很多优良的特性。本文就甲壳素和壳聚糖的结构、性质、制备及功效进行了综述。

关键字：甲壳素和壳聚糖；结构；性质；制备；功效

甲壳素又名几丁质,是自然界中含量仅次于纤维素的一种多糖,同时也是地球上数量最大的含氮有机化合物,其在自然界中主要存在于节肢动物、软体动物、环节动物、原生动物、腔肠动物、海藻及真菌等中,另外在动物的关节、蹄足的坚硬部分,动物肌肉与骨结合处,以及低等植物中均发现有甲壳素的存在。壳聚糖是甲壳素脱去大部分乙酰基后的产物是甲壳素最为重要的衍生物。自从1811 年,法国科学家H.Braconnnot发现甲壳素以来,甲壳素逐渐被认识与利用。近年来,国内外相关的研究日趋活跃,甲壳素和壳聚糖已被现代科学称之为继糖、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质等五大生命要素之后的第六生命要素。

1 结构及理化性质

1.1结构[1]

甲壳素是一种天然高分子化合物,其学名是β-（1→4）-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖,是由N-乙酰氨基葡萄糖以β-1,4糖苷键缩合而成的。如果把此结构式中糖基上的N-乙酰基大部分去掉的话,就成为甲壳素最为重要的衍生物壳聚糖。

1.2 理化性质

1.2.1 物理性质

甲壳素是白色或灰白色无定形、半透明固体,相对分子质量因原料不同而有数十万至数百万,不溶于水、稀酸、稀碱、浓碱、一般有机溶剂,可溶于浓的盐酸、硫酸、磷酸和无水甲酸,但同时主链发生降解。

壳聚糖是白色无定型、半透明、略有珍珠光泽的固体,因原料不同和制备方法不同,相对分子质量也从数十万至数百万不等,不溶于水、碱溶液、稀的硫酸和磷酸,可溶于稀的盐酸、硝酸等无机酸和大多数有机酸,生成粘稠、透明的壳聚糖盐胶溶液,其粘度与温度、PH有关,而其溶解性与脱乙酰度有密切相关[2]。

1.2.2 化学性质

甲壳素和壳聚糖的化学性质的研究内容十分广泛,其分子结构当中含有羟基、氨基和自由基,可以发生酰化、酯化、醚化、氧化、烷基化、螯合、接枝共聚及交联等一系列化学反应[3],这对于研究认识它们的本质,进行创新性工作,开发新产品有重要意义。

2 甲壳素、壳聚糖制备

2.1 酸碱法

酸碱法是目前利用虾壳和虾头提取制备甲壳素和壳聚糖最普遍的方法,也是目前工业上大规模利用虾壳和虾头制备甲壳素和壳聚糖的主要方法。该方法是先通过盐酸浸泡虾壳和虾头脱去碳酸盐,再通过NaOH溶液进行碱煮脱去蛋白质和

脂类物质,然后再洗涤至中性,使用KMnO

4溶液或者H

2

O

2

溶液脱色,最后干燥得到

甲壳素。得到的甲壳素再通过浓碱液法脱去乙酰基,就可以得到不同脱乙酰度的壳聚糖。此法的优点是操作简单、方便,但会耗费大量能源和资源。

唐家林、吴成业等[4]人对甲壳素和壳聚糖的生产工艺进行了研究,得出虾壳提取甲壳素的最佳工艺为：先用5%氢氧化钠处理5h,再用5%盐酸脱灰3h,经酸碱循环处理,直至加酸再无气泡产生,最后漂洗、干燥。甲壳素脱乙酰制备壳聚糖的最佳工艺为碱浓度50%,温度90℃,时间12h,料液比1:70。

2.2 微生物发酵法[5]

微生物发酵法是一种从虾壳和虾头中制备甲壳素和壳聚糖崭新的思路和方法。微生物发酵法即以虾壳和虾头等废弃物为底料,利用微生物在其生长繁殖过程中产酸去除矿物质,产蛋白酶去除蛋白质。

3 功效

3.1 治疗高血脂

血脂升高是导致心脑血管疾病的主要因素之一。壳聚糖可以阻碍胆固醇在肠道的吸收,具有降血脂作用。它是自然界唯一带正电荷碱性集团的聚合物,易与带负电荷的胆汁酸结合并促进其排出体外,而无胆汁酸的存在则胆固醇无法转化为胆固醇酯,从而减少了胆固醇的体内吸收；胆汁酸的减少还促使肝脏将胆固醇转化为胆汁酸,降低了血液中胆固醇的含量。壳聚糖也是一种非离子吸附剂,通过其氨基和羟基等集团来吸附胆固醇和甘油三酯,可促进这些物质排出体外,吸附量

与其脱乙酰度、形态有关。用戊二醛为交联剂制备壳聚糖微球采用血液灌流方式清除血液中高含量的胆固醇和甘油三酯,有望成为治疗高脂血症的新方法。壳聚糖还能降低低密度脂蛋白,升高高密度脂蛋白,具有双向调节作用,作用机制尚待研究,降低低密度脂蛋白的程度和脱乙酰度、相对分子量有关[6]。31例高脂血症患者,口服壳聚糖1个月后总胆固醇、低密度脂蛋白均显著下降,胆固醇有极显著下降,对肝功能无明显影响。口服壳聚糖片剂可以降低脂类的吸收,目前临床用于防治动脉粥样硬化及脂肪肝。

3.2 降血糖[7]

可改善糖尿病患者酸性体质,使胰岛素在更适宜的体液pH值环境下发挥作用,从而改善体内糖代谢；甲壳素可活化细胞,增加体细胞对血糖的消耗,活化胰岛素细胞,有利于患者自身胰岛素水平的增加,从而降低血糖；具有健脾补肾、活血导滞、凉血解毒的作用。

3.3 减肥或预防肥胖[8]

甲壳素在酸性环境,其化学结构上的氨基被氢离子替代,带有较强的正电荷,在肠道内与脂肪及胆汁酸结合,可阻断脂肪的消化吸收,清理肠道,降低血液中的胆固醇和中性脂肪；甲壳素可活化体细胞、增强体细胞对血糖的消耗,减少体脂。

3.4 减少体内重金属的积蓄

重金属在体内积蓄会造成神经性病变,器官功能失调等后遗症。张彤、徐莲英等[9]探讨了壳聚糖絮凝澄清剂用于精制中药水提液时对锌、锰、钙及重金属元素铅的影响。他们用原子吸收分光光度计对壳聚糖澄清后的中药水提取液中的锌、锰、钙及重金属元素铅等元素进行含量测定,并与水醇法相比较。结果表明,壳聚糖澄清工艺能明显提高锌、锰、钙等元素的转移率,同时对重金属铅离子有一定的去除作用。在环境污染日益严重的今天,甲壳素有助于体内废物的排除,确保人体生理机能的正常动作。

3.5 抗癌功能[10]

甲壳素能抑制癌肿毛细血管内皮细胞的生成,制止癌细胞向周围浸润,有利于把癌肿控制在局部以减少转移。

胡金树、王彦荣等人研究了甲壳素对大肠埃希菌生物被膜形成的作用,可知,甲壳素不能抑制大肠埃希菌生物被膜,可能是甲壳素不能有效的杀灭大肠埃希菌,壳聚糖的理化性质与甲壳素不同,分子中的游离氨基含量增加,能溶于大多数的稀酸溶液中,并质子化使整个大分子带正电荷,具有抑菌防腐作用,而甲壳素由于其化学结构不同,抑菌能力降低。

在医学领域,甲壳素和壳聚糖还因为其良好的生物相容性、降解性和安全性,可被制成手术缝合线、人造血管和人工皮肤等医用材料。

4小结与展望