壳聚糖衍生物抗菌性质

壳聚糖和壳聚糖衍生物的抑菌作用

摘要：壳聚糖是一类有着广谱抑菌活性的天然多糖，其生物相容性好、易降解、无毒，因而作为一种可再生资源在抑菌领域受到了越来越多的关注。本文通过对壳聚糖来源、性质、壳聚糖衍生物的化学改性的方法和抑菌作用的分析，并对今后壳聚糖衍生物抑菌情况进行了初步的展望。为研制和开发新型的高抑菌活性的壳聚糖衍生物的开发提供理论参考。

关键词：壳聚糖；衍生物；抑菌；机理

引言

壳聚糖是无毒、无污染，具有可再生、无毒副作用，生物相容性和降解性良好的天然氨基多糖。目前已被广泛应用于医药[1­2]、农业[3]、食品[4­5]等领域，并成为最近生物新材料研究的热点[6­7]。壳聚糖具有抗菌活性，对多种植物病原细菌和真菌均抑制作用[8]。但由于其不溶于水和大多数有机溶剂，只溶于稀酸，在很大程度上限制了其应用范围。壳聚糖通过化学改性，可以得到具有一定官能团的壳聚糖衍生物。与壳聚糖相比，这些衍生物的性能往往有较明显的改善。对于壳聚糖的化学修饰研究较多的有壳聚糖的酰基化、烷基化、羟基化、醛亚胺基化、硫酸酯化、羧甲基化、季铵化等，其中季铵化、羧甲基化和硫酸酯化的产物由于具有良好的水溶性而备受重视[9]。有关壳聚糖的结构修饰和构效关系的研究已成为研究热点[10],因此，研究开发具有更高抗菌活性的壳聚糖衍生物，对于改善人们的生活质量具有重要意义。

1壳聚糖的来源和性质

1.1壳聚糖的来源

壳聚糖是自然界唯一的碱性天然多糖，壳聚糖的历史得追随到19世纪，当时Rouget 在甲壳素的天然聚合物中发现了其脱乙酰化的形式[11]。壳聚糖是白色或淡黄色无定型、半透明、略有珍珠光泽的固体。由于其原料和制备方法的不同，其分子量也有所不同，可以从数十万到数百万不等。甲壳素在浓碱中加热处理后，就可以脱去部分乙酰基，得到壳聚糖，反应路线如下。

通常所说的壳聚糖并不是甲壳素完全脱去N-乙酰基。脱去40%以上的甲壳素就可以称之为壳聚糖[12]。它的化学名称是 -2-氨基-2-脱氧-(1,4)-D葡聚糖，C2有一个氨基，C3和C6分别有一个羟基，结构式如图1-1。因此，甲壳素和壳聚糖的差别就在于葡萄糖的糖残基上的N-脱乙酰度。

图1-1

1.2壳聚糖的性质

壳聚糖不溶于水和碱性溶液，可溶于稀的有机酸(如醋酸)以及部分无机酸，如盐酸，但不溶于稀硫酸、稀硝酸、稀磷酸和草酸。壳聚糖独特的化学结构使它具有多种生物学活性，如抗菌活性[13-15]、抗氧化活性[16] 、免疫调剂活性[17] [18]、脂代谢调节作用[19]、抗肿瘤等[20]。同时由于壳聚糖具有无毒、可生物降解、生物相容性好等优点，使它在生物材料、药物载体、医用及农业杀菌剂、食品保鲜、环保、兽药及饲料添加剂、保健品等领域有广阔的研究和应用前景[21-22]

2壳聚糖衍生物和化学修饰方法

2.1壳聚糖衍生物

由于壳聚糖在水中溶解度低，抑菌活性相对较差，因此通过化学修饰可以改进壳聚糖的溶解性和（或）增强其抑菌活性。并得到绿色环保的生物抗菌材料。对于壳聚糖的化学修饰研究较多的有氨基化[23-26]、季铵化[27-28]、硫酸酯化[29] 、羧甲基化[30]、醛亚胺基化[31]等，还有报道利用高碘酸等氧化断裂 2,3 位之间的 C 键产生醛基，再通过生成西弗碱对壳聚糖进行化学修饰[32]。另外，通过亚连接思想，利用点击化学（click chemistry）等手段将较为复杂功能基团引入壳聚糖也有大量报道[33]通过分子设计引入新的基团可提高水溶性和赋予壳聚糖新的功能性，进而生成各种不同结构和不同性能的衍生物，拓宽了其应用，这对开发和应用壳聚糖具有极其重要的意义。其中季铵化、羧甲基化和硫酸酯化的产物由于具有良好的水溶性而备受重视。有关壳聚糖的结构修饰和构效关系的研究已成为研究热点。

2.2壳聚糖衍生物的化学修饰方法

2.2.1 酰化反应[34]

酰化反应是指在酸酐或其它酰基化合物存在条件下,在壳聚糖分子中导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基,在-NH2(N-酰化)上反应生成酰胺，在-OH(O-酰化)上反应生成酯的化学反。.酰化反应是壳聚糖的化学改性中研究最多的一种反应。

2.2.2 烷基化反应[35]

烷基化反应可以在壳聚糖的羟基 (O-烷基化),也可以在壳聚糖的氨基上(N-烷基化)进行,其中主要是发生 N-烷基化反应，一般壳聚糖碱卤代烃或硫酸酯反应生成烷基化产物。

含氧无机酸及其酸酐能够与壳聚糖分子中的羟基或氨基发生酯化反应，比较常见的酯化反应包括硫酸酯化和磷酸酯化，硫酸酯化反应一般为非均相反应,反应试剂主要有浓硫酸、氯磺酸、SO2 等;磷酸酯化. 反应一般在甲磺酸环境中与壳聚糖进行,高取代度的壳聚糖磷酸酯化物溶于水,而低取代度的则不溶。

将碱性壳聚糖与醚化试剂反应,可制得羧烷基壳聚糖和羟烷基壳聚糖。壳聚糖碱与氯代烷基酸或乙醛酸反应,在壳聚糖的氨基上引入羧烷基基团,得到溶于水的羧烷基壳聚糖,其中研究最多的就是羧甲基化反应。

壳聚糖通过季铵化改性不但能够提高壳聚糖衍生物的水溶性，而且生成的壳聚糖季铵盐还具有更好的抗菌抑菌性能。壳聚糖的季按化改性主要涉及直接季铵化法和接技季铵化法两种方法。壳聚糖的直接季铵化改性根据完成的途径可以分为两种：一是利用壳聚糖分子结构中的氨基与烷基化试剂作用并使伯胺基团转化为叔胺基团，然后再与卤代烃作用而在其分子链中形成季铵基团；二是通过壳聚糖的氨基先与羰基化合物作用并生成 Schiff 碱，然后再经还原生成 N-烃基化壳聚糖，最后通过与卤代烃的作用而在壳聚糖分子链中形成季铵基团。3壳聚糖和衍生物的抑菌作用

近年来，壳聚糖及其衍生物在抗细菌、抗真菌方面的抑菌活性引起了广泛的重视，国内外研究者在这方面开展了大量的研究工作。

3.1对细菌的抑制作用

壳聚糖对革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌均有一定抑菌及杀菌作用,并且壳聚糖的稀酸水溶液对各种革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌都有一定的抑制活性，壳聚糖对微生物的抑制能力随着壳聚糖浓度升高而增强。用脱乙酰度大于等于85%、粘均分子量小于等于47万的壳聚糖对食品中常见细菌金黄色葡萄球菌和大肠肝菌进行定量抑菌实验,发现壳聚糖浓度达1.0 g/L时,其对两种供试菌的抑制率均可达100%。Park, JH 等[36]研究了壳聚糖醋酸盐对食物传播肠道致病菌的抑制作用，发现其对各种细菌的最小抑菌浓度（MIC）分别是：E. coli 和 S. sonnei 为 0.08%，S. typhi 和 S. enteritidis 为 0.04-0.05%, No, HK 等从豆腐中分离并鉴定了四种细菌：Bacillus sp, B. megaterium, B. cereus, 和Enterobacter sakazakii，并用纸片法检测了不同分子量的壳聚糖和壳寡糖对它们的抑制活性。结果发现壳聚糖的抑菌效果要好于壳寡糖，最小抑菌浓度（MIC）根据菌种的不同在0.005%-0.1%之间[37]，V. vulnificus 为到体外培养时,壳聚糖对能引起起慢性胃炎、消化性淸疡甚至胃癌的幽螺杆菌(Hp)也存明显的抑制作用,而且相对于其他杀菌剂，壳聚糖具有抗