壳聚糖的抑菌机理及抑菌特性研究进展

壳聚糖的抑菌机理及抑菌特性研究进展

吴小勇　曾庆孝　阮征　张立彦

(华南理工大学轻工与食品学院,广州510640)

摘　要:本文介绍了壳聚糖的抑菌作用及其在食品防腐保鲜方面的应用,还对壳聚糖的抑菌机理及其影响因素进行了较为全面的讨论。

关键词:甲壳素,壳聚糖,抑菌,防腐保鲜

Progress in the Study of Antimicrobial Activities of Chitosan

Xiaoyong Wu,Q ingxiao Z eng,Zhen Ruan,Liyan Zhang

(College of Light Industry&Food Science,South China Univ.of Tech.,Guangzhou510640)

Abstract:The antimicrobial activities of chitosan and its a pplication in food preservation were introduced in this article. Moreover,the antimicrobial mechanisms and the effect factors of chitosan were com pletely discussed.

K ey w ords:Chitin,Chitosan,Antimicrobial activities,Preservation

0　简介

甲壳素是可以再生的生物大分子物质,在自然界中广泛存在,是自然界中存在的数量仅次于纤维素的第二大有机物,估计每年的生物合成量达100亿吨[1]。甲壳素的脱乙酰产物%%壳聚糖,由于存在自由氨基,其溶解性和化学反应活性大大改善,表现出比甲壳素更广泛的应用前景。壳聚糖在食品工业的应用主要有:食品防腐保鲜、酒类除浊和果汁的澄清、功能性食品添加剂、水净化等。Fereidoon Shahidi 等综述了甲壳素和壳聚糖在这方面的应用[2],宋清华等也有类似的介绍[3]。近年来,随着消费者对化学防腐剂的安全性的担忧和对天然防腐剂的喜好,关于壳聚糖在食品防腐保鲜方面的应用的研究也越来越多;但是在壳聚糖的抑菌机理和抑菌特性方面,不同的研究者得出的结论不同,有的结论一致,有的结论不一致,甚至相反;因此,对这些研究成果进行回顾,从中找出一些基本正确的,有规律性的结论是很有必要的。本文将努力在这方面做一些工作,并介绍部分关于壳聚糖的抑菌机理及应用研究方面的最新成果,供读者参考。

1　壳聚糖的抑菌机理

抗微生物的物质,其作用方式主要有以下几种[4]:损伤细胞壁、改变细胞的透性、改变蛋白质和核酸分子、抑制酶的作用、作为抗代谢物、抑制核酸的合成。关于壳聚糖及其衍生物的抑菌机理,从目前的研究结果来看,主要有以下几种可能:(1)分子量小于5000kDa的壳聚糖可以透过细胞膜[5],小分子壳聚糖进入微生物细胞内,与细胞内带负电的物质(主要是蛋白质和核酸)结合,使细胞的正常生理功能(例如DNA的复制和蛋白质的合成等)受到影响,导致微生物死亡[6]。(2)大分子的壳聚糖吸附在微生物细胞表面,形成一层高分子膜,阻止了营养物质向细胞内运输,从而起到杀菌和抑菌作用[5,6]。(3)壳聚糖的正电荷与微生物细胞膜表面的负电荷之间的相互作用,改变了微生物细胞膜的通透性,引起微生物细胞死亡[7]。(4)壳聚糖作为一种螯合剂,选择性地螯合对微生物生长起关键作用的金属离子,从而抑制微生物的生长和产毒;

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可能是壳聚糖具有防腐保鲜功能的原因之一[8]。

(5)壳聚糖能够激活微生物本身的几丁质酶活性,当壳聚糖浓度足够高时,微生物的几丁质酶被过分表达,导致对其自身细胞壁几丁质的降解,从而损伤细胞壁[9]。

值得注意的是,壳聚糖对于不同的微生物的抑制作用的机理可能不同。郑连英等人考察了不同分子量的壳聚糖对埃氏大肠杆菌(E.coli,下同)和金黄色葡萄球菌的抑制作用。发现随着壳聚糖的分子量的降低,壳聚糖溶液对E.coli的抑制作用增强;分子量小于5000的壳聚糖在0.25%的浓度下即可显著抑制细菌的生长;而对革兰氏阳性菌———金黄色葡萄球菌,随着分子量的减小,壳聚糖的抗菌作用逐渐减弱。因此他们认为,对于革兰氏阴性菌,主要是由于小分子的壳聚糖渗透进入到微生物细胞内,吸附细胞内带负电的细胞质,并发生絮凝作用,扰乱细胞正常的生理活动,从而杀灭细菌;而对于革兰氏阳性菌,主要是由于大分子的壳聚糖吸附在微生物细胞表面,形成一层高分子膜,阻止了营养物质向细胞内运输,从而起到杀菌和抑菌作用[6]。

Tokura等人的研究结果与郑连英等人的研究结果基本一致;他们用一种异硫氰酸酯标志壳聚糖,测试了分子量为9300和2200的壳聚糖与E. coli的作用,发现分子量为9300的壳聚糖被阻止在细菌细胞壁表面,而分子量为2200的壳聚糖却进入了细菌细胞内部。因此,他们认为,壳聚糖的抑菌作用是由于壳聚糖堵塞了细胞的营养供应而引起的[5]。但是Papineu等人的研究认为,壳聚糖的抑菌作用,可能是由于它导致了细胞内物质的泄漏而引起的,因为光是堵塞营养供应,不可能导致微生物如此迅速地失活[10]。

I.M.Helander等人研究了壳聚糖对几种革兰氏阴性菌细胞外膜阻隔性能的影响,发现在p H5.3的条件下,壳聚糖导致革兰氏阴性菌细胞显著摄入疏水的1-N-苯萘胺(N PN)。壳聚糖还使铜绿假单胞菌和伤寒沙门氏菌对十二烷基苯磺酸(SDS)的溶解作用更加敏感。他们经过化学分析和电泳分析表明,壳聚糖与细菌细胞相互作用,并不会导致脂多糖(L PS)或其他细胞膜脂质的释放。但是壳聚糖导致E.coli对培养基中的染料和胆酸的抑制作用更为敏感。他们还通过电镜观察表明,壳聚糖导致整个细菌细胞表面改变,壳聚糖以小囊状结构把细胞外膜包裹。因此,他们认为:壳聚糖与细胞外膜结合,导致细胞外膜阻隔性能降低,是壳聚糖具有抑菌能力的主要原因[7]。

大肠杆菌的细胞壁最外层是一层较厚的类脂多糖类物质,有吸附Mg2+、Ca2+等阳离子以达到提高这些离子在细胞表面的浓度的作用;金黄色葡萄球菌的细胞壁含有丰富的磷壁酸(接近细胞壁重的50%),其所带有的负电荷可与环境中的Mg2+离子结合以保证细胞膜上一些合成酶维持高活性的需要[11]。因此,王鸿等认为,质子化的壳聚糖作为阳离子聚合物吸附在细胞表面,使吸附在细胞表面的Mg2+、Ca2+等阳离子浓度减小,脂多糖结构的稳定性变差内壁层肽聚糖暴露出来,容易被溶菌酶水解,是壳聚糖的抑菌机理[12]。这一机理能够较好的解释壳聚糖的抑菌作用随其脱乙酰度升高而增强;因为脱乙酰度越高,壳聚糖分子上的自由氨基就越多,与类脂多糖类物质的结合也就越多,抑菌作用就越强。

另一方面,金属离子对于细胞生命活动的重要作用,也支持了壳聚糖作为金属离子螯合剂而发挥抑菌作用的解说。

巫钢等用不同浓度的脱乙酰几丁质(即壳聚糖)处理植物离体叶片,结果表明,壳聚糖能够使植物细胞电解质和蛋白质的外渗量增加,壳聚糖的浓度越高,处理时间越长,外渗量增加越显著;壳聚糖还能提高植物细胞壳聚糖酶的活性[13]。几丁质酶和壳聚糖酶能够抑制真菌的生长,因此经壳聚糖处理的植物种子或植株的抗病能力增强。壳聚糖的抑菌作用是否与其能够激活微生物本身的几丁质酶(或壳聚糖酶)的活性有关,需要进一步探讨。

2　壳聚糖的抑菌特性

壳聚糖对微生物的抑制作用不仅与壳聚糖的脱乙酰度(以下简称为DD值)、分子量大小、浓度、来源有关,还与对象菌的种类、环境温度和p H值等因素有关。关于这些因素对壳聚糖抑菌作用的影响,不同的研究有不同的结论,目前比较一致的结论是:(1)分子大小相近的壳聚糖,抑菌能力随其DD值增加而增加[12,14]。(2)大分子壳聚糖的抑菌能力比小分子壳聚糖强[15,16]。(3)壳聚糖对革兰氏阳性菌的抑制作用比对革兰氏阴性菌强[15,17];

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