壳聚糖

壳聚糖

一 甲壳质和壳聚糖

1.1 甲壳素

甲壳素，又称甲壳质、几丁质、化学名(1、4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖。它是一种天然聚合物多糖[1]，广泛存在于海洋节肢动物中，如虾和蟹的甲壳体，以及细菌、昆虫、藻类细胞膜和高等植物的细胞壁[2]。甲壳素在自然界中的年生物合成仅次于纤维素，是地球上第二大可再生资源。

法国科学家较早在1811年获得甲壳质Braconot法国人于1859年从霉菌中发现C.Rouget用浓KOH壳聚糖出现在甲壳质的处理中。直到20世纪50年代，我们才对甲壳质的化学结构、性质和制备方法有了深入的了解。

甲壳质资源丰富，制备方法简单，价格低廉。由于其良好的化学物理性质：可拉丝、成膜造粒，通过化学改善物化特性；可与多种物质（如胆固醇、脂肪、重金属、蛋白质、肿瘤细胞等）结合；它是无毒和生物相容的，因此可用于许多领域。

1.2 壳聚糖

壳聚糖（Chitosan），又名：脱乙酰甲壳质、可溶性甲壳素、聚氨基葡萄糖，化学名称为：β-（1，4) -2-氨基-2-脱氧-D-葡聚糖由甲壳质通过脱乙酰C2得到上乙酰基。

壳聚糖呈白色或灰白色，略带珍珠光泽，半透明无固体，约为185℃可溶于稀有机酸和部分无机酸(盐酸)，但不溶于稀硫酸、稀硝酸、稀磷酸、草酸等。

壳聚糖还含有羟基和氨基，可通过酰化、羧基化、羟基化、氰化物、醚化、烷基化、酯化、醛亚胺化、氮化、盐化、螯合、水解、氧化、盐化、分支和交联产生各种不同结构和性能的衍生物。

1.3 脱乙酰反应

脱乙酰基后，甲壳质可制成壳聚糖，常用质量分数为45%-50将氢氧化钠溶液浸泡在甲壳中，加热至105℃，保温2h，将水洗至中性，过滤干燥，得到白色有珍珠光泽的壳聚糖。碱浓度、反应温度和反应时间是影响壳聚糖性能指标（脱乙酰度和相对分子量）的主要因素。此外，不同的原料（ 螯虾壳、蟹壳、虾壳、虾壳、蚕蛹）在相同的条件下制备壳聚糖，收率分别为13.6%、12.3%、10.5%、8.70%、1.8%[3]可见螯虾壳和海蟹壳是首选原料。此外，壳聚糖也可以通过酶[4]和微波[5，6]制备。

此外，壳聚糖7还可以利用微生物菌体结合生物技术提取，如Mucor rouxii[8]、Absidia butleri、Abesidiacorrulea[9]、蓝梨头菌[10]、柠檬酸废菌[11]等；该方法不受季节性原料影响，发展前景广阔。

二、研究发展历史

1811年，法国科学家H. Braconnot甲壳素 从动物的甲壳中提取。

1859年，法国人Rouget将甲壳素放在浓KOH溶液煮沸，洗净后可溶于有机酸，得到壳聚糖 。

年，壳聚糖及相关物质手术缝合线 在美国首次出现专利。

20壳聚糖在90年代的应用和生产达到了 -全球壳聚糖年产量数万吨。

目前，法国南部布列塔尼大学海洋生物研究所开发了纯化过程中较好的壳聚糖成品。通过先进的生物工程技术，甲壳素中的乙酰基逐渐去除，达到纯度高于普通脱乙酰的55%。目前，全球70%的壳聚糖药用原料来自布列塔尼地区，其制造的医用壳聚糖是脱乙酰95%以上的成品。脱乙酰纯度超过95%的壳聚糖纯度高，活性强。主要用于医药领域，能快速修复伤口愈合，抑菌，防止伤口感染。高纯度壳聚糖的多效作用越来越受到外科医生的追捧。

三、壳聚糖的性质

壳聚糖是天然聚合物中罕见的碱性多糖，不溶于水和有机溶剂，可溶于Ph<6.5稀酸中的葡萄糖氨基转化为稀酸R-NH3 形成聚阳离子凝胶溶液[12-13|。

由于壳聚糖的生物可降解性、低毒性和良好的生物相容性，它被广泛应用于生物医学和制剂[14]。研究发现，壳聚糖具有抗酸、抗溃疡、促进伤口愈合等特点；壳聚糖作为各种剂型的辅助材料，可用作片剂崩解剂、粘合剂、颗粒剂、眼膜剂等。壳聚糖可以成为新的纳米药物载体，其独特的粘膜粘附是主要因素之一。

壳聚糖是一种性能优良的天然粘膜粘合剂，常用于多肽药物的粘膜给药。壳聚糖制成的纳米载体可以延长药物在吸收位置的保留时间，达到控制释放的目的[15]。生物粘膜表面的脂质层容易与带正电荷的壳聚糖颗粒静电吸附，增强了大分子药物通过粘膜吸收的能力。经过体内实验研究，van der I_nbben[16]认为卵清蛋白、白喉毒素、破伤风毒素等壳聚糖纳米粒包裹的抗原可以减少肠道酶的降解，并被肠淋巴组织包裹(GAIT)的Peyer’s该区域的充分摄入为壳聚糖纳米载体应用于疫苗的口服给药提供了重要依据；此外，在抗原鼻疫苗研究中，发现壳聚糖作为载体可以显著增强粘膜和系统的免疫反应，表明壳聚糖也适用于鼻粘膜给药。

壳聚糖应用于纳米载体的研究是20世纪90年代末逐渐发展起来的一个新兴研究领域。研究人员对壳聚糖纳米载体的制备技术和应用前景进行了广泛而深入的探索，取得了阶段性和突破性的进展，为未来更深入、更系统的研究提供了重要的理论和技术支持。

四、壳聚糖应用

4.1 在医疗卫生中的应用

在医学领域，甲壳素或壳聚糖及其衍生物还可以提高粘膜的渗透性，作为制备生物材料的靶向载体。Kotze-AF实验发现，三甲基壳聚糖四聚体盐酸盐可以提高消化道粘膜的渗透性[17]；用壳聚糖包裹胶囊R68070(一种新型血栓烷合成酶抑制剂)用于治疗溃疡性结肠炎，可避免酸性环境中药物的破坏和吸收，使其到达病变性结肠（pH约为7.4），取得良好的治疗效果[18]；壳聚糖生物管用于桥接缺损神经，可抑制纤维细胞的生长，防止神经瘤的形成，为轴突的生长创造良好的微环境；在磷酸钙骨水泥中加入壳聚糖作为成分，可提高骨水泥的内聚力，防止其在体内降解，具有良好的组织相容性[19]；甲壳素或壳聚糖及其衍生物也可用于酶的固定；可作为骨缺损支撑材料，也可制备组织工程所需的支撑材料，用于人工骨等人工器官的体外培养；各种微球壳聚糖胺衍生物可有效吸附牛血清蛋白，为新的功能吸附剂[20]。

由于甲壳质和壳聚糖与人体具有良好的生物相溶性和生物可降解性，其降解产物可被人体吸收，在体内不积累，无免疫原性，广泛应用于医疗卫生[21]。2008年4月，美国战术区战伤救治发生变化（TCCC）美军特别批准使用壳聚糖敷料作为止血剂[22]。

4.1.1 医用纤维和膜材料

由甲壳质和壳聚糖纤维制成的手术缝合线已应用于临床.与传统羊肠线相比，壳聚糖吸收手术缝合线材料柔软，易打结，机械强度高，易被身体吸收，同时不改变皮肤胶原含量，无炎症反应，也可采用传统方法消毒，增加伤口抗张强度，加速伤口愈合。

由壳聚糖制成的医用纤维膜具有均匀、透明、手感好、柔软、透气性好、吸水性好、杀菌性好等优点。

4.1.2 药物载体

壳聚糖作为药物载体，可稳定药物中的成分，促进药物吸收，延缓或控制药物溶解速度，帮助药物到达靶器官，抗酸、抗溃疡，防止药物对胃 。

4.1.3 凝血作用

用甲壳粉或壳聚糖溶液包扎纱布后，可立即止血消炎。伤口愈合速度提高75%.纱布长好后不粘连，甚至不留痕迹。用壳聚糖制成止血海绵，能立即止血，临床效果很好。

4.1.4 抗肿瘤作用

甲壳质能选择性地凝聚白血病L 1210细胞、Ehrlich 腹水癌细胞对正常红球骨髓细胞无影响。试验表明，植入180肉瘤dd 小鼠体内，7d 静脉注射后，两种甲壳质（Hexa-N-acctylchitohexaose 和Chitohexaose）连续注射到小鼠体内3d（100mg（kg·d）），肿瘤生长可明显抑制，抑制率分别达到85%和93%。

4.1.5 增强免疫力

壳聚糖能有效地增加巨噬细胞的吞噬功能和水解酶的活性，通过增强机体非特异性免疫系统的功能而抑制肿瘤生长。巨噬细胞激活后，除了本身的吞噬杀灭肿瘤细胞等功能增强外，又能分泌多种免疫因子调节其他细胞免疫与体液免疫。此外，壳聚糖还可显着促进脾脏细胞生成抗体的能力。

4.1.6 降低脂肪和胆固醇

人体观察表明，摄食壳聚糖能有效降低血清胆固醇。8名健康男性成年，摄食壳聚糖3-6g/d，总血清胆固醇在两周后下降(由188mg/dl降为177mg/dl）并增加高密度胆固醇（HDL-cholesteral，由51mg/dl增至56mg/dl）。同时可降低胃酸，抑制溃疡，健胃。

4.1.7其他方面

可用于治疗过敏性皮炎，预防龋齿和牙周炎，去除和减少口臭，降低肾病患者的血清胆固醇、尿素和肌酸水平。此外，它还可以制成各种人工器官，如人工肝脏、人工肾脏、人工骨骼、人工血管等。

4.2. 用于头发

4.2.1. 壳聚糖在洗发水中的应用

洗发水的主要成分是表面活性剂。如果能合理添加少量壳聚糖，可以减少或取代洗发水中添加的护发、护发、保湿等成分，使产品在使用过程中产生多种功能，即洗发水、护发、抗静电，具有滋养定型的功效，大大提高了洗发水的各种性能。

4.2.2.壳聚糖在固发剂中的应用

壳聚糖阳离子、阴离子和非离子树脂制成的普通固发剂相比，壳聚糖作为发型固定剂的原料在头发表面形成的薄膜硬度适中，不粘，特别是湿度高、出汗时。普通固发剂在疏理或摩擦头发时有明显的静电作用，很难长时间保持发型。壳聚糖制成的固发剂具有抗静电作用，少量使用可以保持发型。特别是对于一些皮肤敏感的人，使用壳聚糖作为固发剂的原料可以减少或避免皮肤过敏或灼烧。

4.3 应用于化妆品

利用壳聚糖的保湿、保湿、成膜、抗静电、头发柔软和保护，对皮肤无 、无毒等特性广泛应用于化妆品中。

研究表明，皮下水分的流失是皮肤老化的主要原因之一，壳聚糖具有良好的保湿性和保湿性。与某些化学合成保湿剂相比，它无毒、无害，对皮肤和眼粘膜无 ，无接触过敏问题，价格便宜，应用于护肤产品，使产品性能优异，可全部或部分替代常用的保湿成分。

裂解后的寡聚葡萄糖胺和葡萄糖胺与人体细胞的固有成分透明质酸非常相似，因此具有良好的亲和力，对人体没有排斥反应。

同时，壳聚糖也具有很强的吸附和螯合作用。酸溶解的壳聚糖具有很强的凝胶吸附能力。同时，寡聚葡萄糖胺和葡萄糖胺的羟基受邻位氨基和重金属离子的影响，螯合系数随着金属原子量的增加而增强。

脱乙酰95%的壳聚糖在护肤品中应用不多。只有一些专业进口的医疗品牌，如法国美帕的壳聚糖系列产品，才能添加使用。

4.4 在食品中的应用

4.4.1 絮凝剂和增稠剂

由于氨基壳聚糖是一种阳离子电解质，在溶液中对有机悬浮颗粒具有明显的絮凝作用，无毒无味，可用于饮料和葡萄酒的浊度澄清，防止醋和酱油的沉淀。蛋黄酱、花生酱、芝麻酱、玉米酱、含沙司的罐装食品、奶油替代品、酸奶油、酸奶油替代品作为絮凝剂和增稠剂，增稠效果明显，可使产品长期储存不变质，延长货架期。

4.4.2 防腐保鲜

壳聚糖衍生物如N-羧丁基壳聚糖对细菌、霉菌和酵母有很强的抑制作用，其中对大肠杆菌、枯草杆菌、毛霉和根霉有更强的抑制作用。壳聚糖衍生物具有良好的水溶性和广谱抗菌性，无毒无害。广泛应用于食品、水果、蔬菜和农产品的防腐和保鲜。将壳聚糖和乳酸钙或醋酸钙制成水溶性保鲜剂，杀菌活性高，安全无毒。

壳聚糖还用于草莓、苹果、猕猴桃、鸡蛋、柚橙、苹果汁、肉类、水产品的防腐保鲜。

4.4.3 食品包装膜

将壳聚糖与淀粉和水混合均匀，制成薄膜和干燥。-淀粉合成食品包装膜可食用、无毒、耐油、抗张强度高，不溶于冷热水，可用于固体、半固体和液体食品的包装。该膜可自动生物降解，无白色环境污染。

4.4.4 固定化酶载体

将壳聚糖醋酸溶液喷入碱性溶液中凝固，分离再生得到壳聚糖细颗粒，可作为固定酶载体。壳聚糖固定酶可广泛应用于制糖、酿造、造醋等食品工业。

4.4.5 保健食品

甲壳质、壳聚糖作为功能性保健食品对人类有5大功能：免疫强化功能、抑制老化、预防疾病、促进疾病痊愈和调节人体生理机能。将壳聚糖与其他成分配合使用，可研制出人类所需的新产品。如将2份壳聚糖与10份不同比例的甲酸、硫酸铁溶液反应，可制成可溶性铁-壳聚糖络合物，其补血效果优于其他补血食品。壳聚糖与油酸、亚油酸等脂肪酸按比例混合研制成壳聚糖-脂肪酸络合物，可添加到各种保健食品中。壳聚糖与果胶、卡拉胶等酸性多糖可加工成壳聚糖-酸性多糖络合盐，这种络合盐可与肉类中脂肪酸结合，不被人体吸收而制成高质量低热能减肥保健品。日本还将壳聚糖与传统的中药保健品混合作保健品出售，在市场上很受欢迎。

4.5 壳聚糖在农业中应用

4.5.1 壳聚糖种衣剂

种子包衣是近年来研制出的一项加工处理种子的新技术。种衣剂在种子周围形成防治病虫的保护屏障，保证种子正常吸水发芽生长和药肥缓慢释放，延长药效期。壳聚糖处理后的种子，其中的Chitinase 的活性可提高1.5倍。具有良好的防病、防虫和促进作物生长作用，即简便易行，又使杀虫剂对使用者和环境污染减小，是理想的环保型杀虫剂，在生产上得到广泛应用。

4.5.2 可降解壳聚糖地膜

利用甲壳质的成膜性及生物降解性，可制成具有良好粘附性、通透性和一定抗拉强度的农用地膜，代替现在广泛使用的聚乙烯地膜，克服了聚乙烯地膜板结土壤，不利作物生长的缺点，并且避免了白色污染。

4.5.3 饲料添加剂

利用甲壳质和壳聚糖作鸡饲料添加剂，能使小鸡明显增重；做鱼饵料添加剂对鱼有显著的增重作用；在猪饲料中添加壳聚糖，可以提高育肥猪的瘦肉率。

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