甲壳素, 壳聚糖开发和研究进展

甲壳素, 壳聚糖开发和研究进展

摘要

作为一种资源丰富, 用途广泛的天然高分子化合物, 甲壳素?壳聚糖的开发研究和应用范围越来越受到重视, 本文对该领域开发和研究进展进行简要评述。

关键词甲壳素; 壳聚糖

甲壳素(Chitin) 又名甲壳质、几丁质、壳多糖、聚乙酰氨基葡萄糖等[ 1 ] , 是1, 4—连接

的2—乙酰基—2—脱氧—B—D —葡萄糖, 广泛存在于昆虫、甲壳纲动物外壳及真菌细胞壁中[ 2 ] , 是自然界中仅次于纤维素的多糖。在甲壳素分子中, 因其内外氢键的相互作用, 形成了有序的大分子结构, 溶解性能很差, 这限制了它在很多方面的应用。就目前的研究情况, 除了少量用作医用敷料外, 在其它方面的应用很少, 而甲壳素经脱乙酰化处理的产物—壳聚糖(Chitosan) , 却由于其分子结构中大量游离氨的存在, 溶解性能大大改观, 具有一些独特的物化性质及生理功能, 在医药、食品、化妆品、农业及环保诸方面具有广阔的应用前景。本文将介绍甲壳素?壳聚糖产品的开发研究进展情况。

1 甲壳素?壳聚糖产品的开发研究概况

自80 年代以来, 在全球范围内形成了甲壳素?壳聚糖的开发研究热潮, 各国都加大了对甲

壳素?壳聚糖的开发研究力度, 其中又以日本走在各国的前列。日本政府曾投资60 亿日元委托数十家高校及科研机构历时10 余年进行甲壳素?壳聚糖产品的开发研究, 取得了大量的科研成果, 并将部分成果实现了产业化, 仅以壳聚糖为主要原料的保健品就有20 个左右的品种上市。

我国早在50 年代就对甲壳素的制备及其应用进行了研究。1958 年起, 国内首先将乙酰化甲壳素应用于印染工业, 从1977 年起, 每隔几年召开一次关于甲壳素及壳聚糖的国际会议, 极大的促进了这方面的研究。进入90 年代, 中国对于甲壳素?壳聚糖资源的开发研究也越来越重视, 如在甲壳素?壳聚糖的酶法降解方面、壳聚糖的溶液性质、壳聚糖净化用作药用絮凝剂、壳聚糖降解制备低聚壳聚糖及更低分子量的水溶性壳聚糖等方面进行研究, 现又将研究领域扩展到甲壳素?壳聚糖在化妆品、医药敷料等方面的应用研究, 尤其是壳聚糖的高分子微包囊药物释放体系, 成为新一轮研究的热点。

2 甲壳素?壳聚糖产品开发的新动向

甲壳素?壳聚糖及其产品的开发研究情况及可能的研究发展方向分述如下:

2. 1 壳聚糖降解

甲壳素经脱乙酰化处理得到的壳聚糖的分子量通常在几十万左右, 因其水不溶性, 限制了它在食品、化妆品等许多方面的应用, 若采用适当的方法将其降解为均分子量为～ 1000的低聚产品, 则可使其水溶性质大为改观, 特别是均分子量低于1500 的低聚壳聚糖产品, 可基本全溶于水。根据目前的研究情况, 用于壳聚糖降解的方法大致可分为酶法降解, 无机酸降解及氧化降解法三种。用无机酸特别是盐酸来对壳聚糖进行降解以制备低至单糖的低分子量壳聚糖是应用最

早的壳聚糖降解方法。现在, 酸降解法已发展有过醋酸法[ 3 ]、酸—亚硝酸法[ 4 ]、浓硫酸法[ 5 ]、氢氟酸法[ 6 ] 等许多种, 不过, 用于工业化生产的主要还是盐酸降解法。酸法降解壳聚糖是一种非特异性的降解过程, 降解过程及降解产物的分子量分布较难控制, 是否可考虑在反应过程中加添某些试剂以控制其降解反应的进行, 以制备限定分子量范围的低聚产品, 值得探讨。酶法降解是用于专一性的壳聚糖酶或非专一性的其它酶种来对壳聚糖进行生物降解的。据研究报道, 已有30 多种的各种酶可用于壳聚糖的降解[ 7 ] , 酶法降解壳聚糖条件温和,

且不对环境造成污染, 是壳聚糖降解的最理想方法。就目前技术而言, 酶法降解尽管也有少量商业应用, 若要以此进行大规模的工业化生产, 却尚有不少困难, 应继续在寻求更廉价的酶种及如何实现工业化生产方面进行更深入研究。氧化降解法是最近几年研究较多的一种降解方法。诸多氧化降解法中, 以过氧化氢氧化法[ 7 ] 开发的最多。这些方法中, 有的已用于低聚壳聚糖的工业化生产, 但大部分仍处于实验室研究阶段。

2. 2 制备甲壳素?壳聚糖衍生物

选用适当的反应试剂对甲壳素?壳聚糖分子内的羟基、氨基进行化学修饰包括甲壳素?壳聚糖的羧甲基化、酰基化、烷基化、硫酸酯化、羟基化等等。通过这些化学修饰作用, 在甲壳素?壳聚糖分子结构中引入了各种功能团, 改善了甲壳素?壳聚糖的物化性质, 从而使其各自具有不同的功能及功效, 可制成各种类型的凝胶、膜、聚电解质及其它水溶性材料, 广泛应用于各种领域。虽然, 中国许多研究机构对甲壳素?壳聚糖的衍生物研究尚处于起步阶段,但该方面的研究进展很快, 不断有新的研究成果见诸报道, 从甲壳素?壳聚糖化学的发展趋势来分析, 在目前的几个研究领域中, 对甲壳素?壳聚糖进行化学修饰的研究是甲壳素?壳聚糖化学最具潜力、最有可能取得突破性进展的研究方向, 也是甲壳素化学能否发展成为

国民经济一大产业的关键所在。目前该研究方向存在的主要问题是对这些衍生物可能的应用范围研究得太少, 在进行甲壳素?壳聚糖化学修饰的同时, 更应该对其可能存在的应用领域进行探索, 使研究得到的每一种甲壳素?壳聚糖衍生物都能产生巨大的社会经济效益。2. 3 壳聚糖微囊的药物控释

用高分子作为载体的高分子微包囊和纳米级包囊药物制剂不仅能控制药物以一定的速度

释放, 而且可对生物体的生理指标变化作出反馈, 因而可以成为靶向药物释放体系。通过

用高分子包囊还可以延长蛋白质和多肽类药物的生理活性, 提高药物稳定性, 使之成为长

效药物, 并使一些难以口服的药物能够制成口服制剂。近年来, 微囊技术被广泛用于微生物、动植物细胞、酶和其它多种生物活性物质和化学药物的固定化方面。常用的微囊为海藻酸?聚赖氨酸微囊, 由于制备技术复杂, 成囊过程时间较长, 对被包埋物质的生物活性有一定影响,而且聚赖氨酸价格昂贵, 因而限制了这种微囊的应用。

在医学上微包囊技术的早期研究大多集中在具有生物相容性的非生物降解型高分子,如硅橡胶、丙烯酸类聚合物等上面。七十年代Ydlles 等[ 9 ] 研究了聚乳酸微包囊, 由此开始了生物降解型高分子微包囊药物释放体系的研究。壳聚糖及其衍生物制成的微包囊在生物体内可降解成为小分子化合物, 从而被机体代谢, 同时药物的释放速度可通过控制材料的降

解速度来予以控制, 因此成为研究最多的包囊用高分子材料。

高分子微包囊药物释放体系的药物释放机制不仅与包裹的高分子材料有关, 而且还与微包裹材料的性能有关。药物的释放机制涉及到: a、聚合物的降解性; b、通过孔的扩散; c、

从微包囊的表面释放等三个方面。以壳聚糖为内核材料喷涂在另一带相反电荷的高聚物上, 靠静电作用制备的不同的胶囊, 可以有效地控制通透性, 有选择的允许不同大小的物质通

过微胶囊。

壳聚糖微囊药物释放体系的给药途径一般分为五类[ 10 ]: ①通过胃肠消化道给药; ②体腔内给药(包括眼内、口腔、舌下、鼻腔、直肠以及阴道、子宫内给药) ; ③透皮给药; ④动脉注射及静脉点滴; ⑤皮下及肌肉注射。

通过合适的给药途径, 可使药物释放达到较为理想的效果。而壳聚糖包裹药物释放体系基本上可以满足理想药物释放体系的要求。与传统的药剂相比, 高分子药物包裹可大大减少服药次数, 屏蔽药物的刺激性气味, 延长药物的活性、控制药物释放剂量、提高药物疗效, 并且可以降低药物的成本、拓宽给药途径等, 因此具有比一般药物制剂明显的优越性。壳聚糖微囊的药物控释已经成为新一轮研究的热点。

2. 4 甲壳素?壳聚糖应用研究

一般工业品甲壳素?壳聚糖的纯度有限, 而经过纯化处理的壳聚糖在食品、医药、生化等方面有着广泛的应用。

2. 4. 1 在化妆品中的应用

壳聚糖在酸性条件下可以成为带正电荷的高分子聚电解质而直接用于香波、洗发精等的配方中, 使乳较稳定化, 以保护胶体; 壳聚糖本身的带电性, 使其具有抑制静电荷的蓄积与中和负电荷的作用, 这种带电防止的效能可以防止脱发; 壳聚糖能在毛发表面形成一层有润滑作用的覆盖膜, 与合成聚合物相比, 壳聚糖与头发角蛋白形成的薄膜在高湿度下性能更稳定。而且, 此膜的形成可减少摩擦, 避免因洗发所引起的对毛发的伤害。壳聚糖的保湿性、带电防止性、减少摩擦性等功能互相结合, 可使毛发柔软, 给人以极大的舒适感。壳聚糖与其他高分子物质复合制备的面膜, 由于壳聚糖这种多糖类物质良好的亲水性、亲蛋白性, 对皮肤无过敏、无刺激、无毒性反应, 而且在成膜过程中使得整个面膜材料与皮肤接触感明显柔和, 所以对皮肤的亲和性明显增加[ 11 ]。

壳聚糖具有免疫调节性, 能有效促进伤口愈合。膏霜类化妆品中适量加入壳聚糖可增加人体对细菌、真菌引起感染的免疫力, 阻碍原菌生长, 对破损的皮肤不但不会引起感染, 还会促使其愈合, 消除面部疾患; 壳聚糖也可与甲醛水溶液混合, 制备含有福尔马林的化妆品, 具有良好的杀菌效果[ 12 ]。

壳聚糖虽然可应用于化妆品中, 但因其不溶于水, 只能溶于酸中, 使得产品呈微酸性, 对皮肤稍有刺激作用, 因而对壳聚糖进行改性以制备水溶性壳聚糖衍生物显得非常有必要。今年来, 改性壳聚糖方面的研究越来越多, 并已将多种壳聚糖衍生物用于制备洁肤液、护肤霜、乳液、护发香波、面膜等。

壳聚糖与酰氯在吡啶—氯仿介质中反应得到的酰化产品可作为指甲上光剂[ 13 ]。与丁二酸酐、顺丁烯二酸酐、缩水甘油等进行酰化反应得到酰化衍生物, 与环氧烷类反应得到的羟基化衍生物都可直接溶于水中, 并且显示了良好的吸湿性和形成水凝胶的保温性[ 14 ]。壳聚糖与一氯乙酸反应制得羧甲基化壳聚糖, 具有乳化稳定、增稠、抗静电作用, 适用于膏、乳、霜、露等各种化妆品配方, 且与配方中各种成分相容性极好。同时羧甲基壳聚糖可用在食品保鲜方面作为防腐剂, 因此用在化妆品方面时, 产品可不用另外加入防腐剂[ 15 ]。羧甲基壳聚糖用于护发用品中, 护发作用明显, 可以防止头发在烫发、染发时破裂, 使头发不发粘、光滑且具有自然光泽。

2. 4. 2 在保健领域中的应用[ 16 ]

对消化系统的保护: 甲壳素及其衍生物在消化系统内停留的时间相对较短, 只有其低分子

量的衍生物才能被消化, 而高分子量的壳聚糖及其衍生物与胃酸作用形成凝胶, 在胃壁上形成一层保护膜, 这层保护膜能有效地阻止胃酸对损伤面的刺激, 促进伤面的修复, 使胃部的溃疡得以保护和治疗。研究表明, 消化系统只吸收部分低分子壳聚糖及其衍生物, 未吸收的部分随大便排出。

减肥、去脂作用: 人体内的脂质由两类物质构成, 即脂肪类和胆固醇类, 壳聚糖对它们的作用均十分有效, 80 年代美国已有关于壳聚糖减肥的专利问世。壳聚糖作为理想的减肥食品的添加剂, 其去脂的机理可能是它能与甘油三脂、脂肪酸、胆汁酸、胆固醇等化合物生成配合物, 该类配合物不易被胃酸水解, 不易被消化系统消化, 阻止了哺乳类动物对这类物质的消化吸收, 促使它排出体外。

高血压的治疗与预防: 过去人们一直认为原发性高血压是由钠离子引发的, 而现在医学界已经确认, 血液中氯离子才是导致高血压的主要因素, 从宏观人体系统上看, 影响人体血压主要有两个因素: 即心脏对血液的博出力和末梢血管对血液的阻力, 而在血液内部, 高浓度氯离子会使血管钛转化酶活化, 促使血管收缩素源A CE 1 转化为A CE 2, 增加了末梢血管的收缩力, 导致血压升高。而带正电的壳聚糖及其部分衍生物能对体内的氯离子有效地“吸附”, 并生成离子型化合物, 从而部分阻止了上述过程的发生, 对高血压进行有效的治疗和预防。

增强免疫功能: 日本学者经体液免疫和细胞性免疫试验发现, 壳聚糖具有增强免疫机能, 用壳聚糖制成的口服散剂、颗粒剂或片剂, 可作为免疫增强剂用于微生物感染及癌症的辅助治疗。国内青岛药物所率先研究成功并获准生产含甲壳素的用于增强人体免疫机能的保健品。

延缓衰老: 关于壳聚糖对延缓衰老性的研究表明, 壳聚糖可以对抗或阻缓自由基对细胞的攻击, 并有加强消除自由基的功能, 以防治因内源性与外源性原因所产生的自由基, 降低机体免遭病理性损害及延缓衰老等方面具有很好的功效。

2. 4. 3 在医学上的应用[ 17 ]

抗肿瘤活性: 甲壳素、壳聚糖及其某些改性的衍生物均表现出较强的抗肿瘤活性, 壳聚糖能有选择地凝聚白血病L 1210 细胞产生致密凝块, 阻止其生长, 而对正常红细胞和骨髓细胞没有影响。

抗菌活性: 甲壳素、壳聚糖具有抑制细霉菌生长的活性的作用。N - 羧甲基壳聚糖- 3, 6 - 二硫酸酯对体外培养的金黄色葡萄球菌、链球菌、奇异变形菌、大肠杆菌等有抑制作用。蒋玉燕等研究发现壳聚糖是抗菌谱较广的天然抗菌物质, 对革兰氏阳性菌、阴性菌及白色

念珠菌均有明显的抑制效果[ 18 ]。

由于甲壳素、壳聚糖有良好的生物相容性及抗菌等特点, 目前已用于制备伤口愈合促进剂、人工皮肤等[ 19 ]。

抗凝血活性: 肝素是应用最广的血液抗凝剂, 但价格昂贵, 甲壳素及壳聚糖经硫酸脂化后, 其结构与肝素相似, 称为类肝素药物。曹农等对壳聚糖进行改性后作抗凝血活性实验, 不同壳聚糖衍生物的抗凝血活性顺序是: 羧甲基壳聚糖> 壳聚糖> 羟乙基壳聚糖> 乙基壳聚糖[ 20 ]。

研制新型医用高分子材料: 由甲壳素制成的膜无毒, 有良好的生物相容性, 可降解、韧性好, 可用于分离、渗透、反渗透及超滤等医用方面, 也可用于制备人工透析膜, 还可制备人工皮肤。应用甲壳素制备外科手术缝合线的研究也有报道。甲壳素缝线柔软, 易打结, 机械度较高, 还有易被机体吸收, 促进伤口愈合的优点, 国外已商品化。有报道羧甲基甲壳素可用于制取脂质体型人工红细胞[ 21 ] , 经环氧丙烷改性后得到的羟丙基化壳聚糖可用于配制人工泪液, 观察该人工泪液对36 例无泪液、干燥性角膜炎和结膜炎患者的疗效, 优于以甲基纤维素

为原料的原人工泪液。

总之, 储量丰富的甲壳素?壳聚糖资源还远没有像淀粉、纤维素那样得到广泛的研究和应用, 甲壳素?壳聚糖及其产品的市场潜力是巨大的, 需要尽早制定该产业的详尽发展规则, 并投入大量的人力、物力进行开发及研究。除此之外, 也要积极开展国际间的合作开发与研究活动, 以促使甲壳素?壳聚糖产业的系列化及规模化, 使甲壳素?壳聚糖化学成为国民

经济发展的又一支柱产业。