甲壳素／壳聚糖的研究与应用□宗骐    甲壳素(Chitin)学名β-(1,4)-2-乙酰胺-2-脱氧-D-葡聚糖，它
    甲壳素(Chitin)学名β-(1,4)-2-乙酰胺-2-脱氧-D-葡聚糖，它是一种天然生物材料，在自然界中分布广泛,是地球上最丰富的有机物之一。其合成量仅次于纤维素,估计每年自然界生物合成的甲壳素达100亿t。全世界每年水产品加工后的甲壳素废弃物140多万t。它是许多低等动物特别是节肢动物如虾、蟹和昆虫等外壳的重要成分，也是低等植物如菌藻类的重要成分。甲壳素能发生酰化、羧甲基化等多种反应，生成一系列的甲壳素衍生物，如壳聚糖(Chitosan)、羧甲基壳聚糖等。甲壳素和壳聚糖都是天然多糖，而且是众多天然多糖中仅有的碱性多糖。甲壳素及其衍生物能被生物降解, 参与生态体系的碳和氮源循环，不造成环境污染。在固定化酶、药物控释载体、絮凝剂、人工透析膜、吸收缝合线、伤口涂敷料、人造皮肤等生物医药方面已有广泛应用。自20世纪80年代以来，国外形成了甲壳素、壳聚糖等多糖类生物医用材料的开发研究热潮。进入90年代，我国对甲壳素/壳聚糖资源的开发研究也越来越重视。    一、甲壳素/壳聚糖的制备
    一、甲壳素/壳聚糖的制备    甲壳素的提取过程实际上就是甲壳素与蛋白质、碳酸钙的分离过
    甲壳素的提取过程实际上就是甲壳素与蛋白质、碳酸钙的分离过程。一般用酸浸泡除去碳酸钙，用碱浸泡除去蛋白质即可。近年来，人们对制取甲壳素/壳聚糖的工艺研究进行了一系列改进：    1.用二次干法制取的壳聚糖脱乙酰度大于75%，降低了原料消耗
    1.用二次干法制取的壳聚糖脱乙酰度大于75%，降低了原料消耗和能耗。    2.采用70～72℃的温度，以40%～50%的NaOH溶液进行脱乙酰化
    2.采用70～72℃的温度，以40%～50%的NaOH溶液进行脱乙酰化反应，保温12～13h，可以制得粘度高、色泽纯白的壳聚糖。    3.采用真空度为6.06×104Pa，浓度为40%的NaOH溶液处理甲壳
    3.采用真空度为6.06×104Pa，浓度为40%的NaOH溶液处理甲壳素1h，可制得稳定性好的水溶性甲壳素。    4.采用浓度递减，循环浸酸以及与脱蛋白的交叉处理工艺来制取
    4.采用浓度递减，循环浸酸以及与脱蛋白的交叉处理工艺来制取甲壳素，并用浓碱在真空度6.06×104～1.01×105Pa、反应温度70～80℃的条件下处理，得到分子量在3.01×105以上、脱乙酰度为91%的壳聚糖。    此外，还研究了脱乙酰度与粘度及相应分子量之间的关系。结果
    此外，还研究了脱乙酰度与粘度及相应分子量之间的关系。结果发现，脱乙酰度越高，甲壳素分子量越低。    以上改进方法均采用虾蟹壳为原料,这些提取工艺存在下列问
    以上改进方法均采用虾蟹壳为原料,这些提取工艺存在下列问题：原料的收集、保存困难,原料价格波动大；工艺需大量强酸、强碱，成本高，腐蚀性强且污染大；用浓碱脱乙酰基时,易发生降解,产品质量不易控制。随着发酵技术的新进展,目前发现一种极有前途的利用发酵工业的大量菌丝体提取甲壳素的方法,不仅能综合利用,变废为宝,且产品纯度高，原料来源丰富,不受地点、季节的限制,降低了生产成本。    二、甲壳素的化学改性
    二、甲壳素的化学改性    1.甲壳素/壳聚糖的羧甲基化
    1.甲壳素/壳聚糖的羧甲基化    甲壳素、壳聚糖在浓碱下与一氯醋酸反应制得相应的羧甲基化产
    甲壳素、壳聚糖在浓碱下与一氯醋酸反应制得相应的羧甲基化产物。在与未羧甲基化的壳聚糖进行治疗小白鼠肿瘤对比试验中，羧甲基化的壳聚糖对治疗腹水型肿瘤的试验鼠治愈率达80%，而未羧甲基化的壳聚糖治愈率只有61%。    2.交联与接枝共聚
    2.交联与接枝共聚    壳聚糖可形成膜,有一定的韧性,但润湿性较差。壳聚糖由于存在
    壳聚糖可形成膜,有一定的韧性,但润湿性较差。壳聚糖由于存在羟基和胺基,具有与多种金属离子螯合的能力。它可与丙烯酸、戊二醛、乙二醛等发生交联反应,进一步改善膜性能。壳聚糖再经化学修饰,可制成溶于中性水溶液的N,O-羧甲基壳聚糖,其水溶液因浓度的不同可制成粘度在0.01～1Pa·s间的胶体溶液。此胶体溶液有良好的成膜性能,有很强的粘着力和固着色素等能力。    甲壳素也象纤维素一样可以黄原酸化,制得粘胶纤维,或乙酰化制
    甲壳素也象纤维素一样可以黄原酸化,制得粘胶纤维,或乙酰化制得醋酸纤维,还可与硝酸、硫酸等进行酯化反应。甲壳素由于不溶于一般的介质，烷基化反应较困难。    3.壳聚糖的制备
    3.壳聚糖的制备    甲壳素经过脱乙酰基即可制取壳聚糖，可由碱法或酶法来完成。
    甲壳素经过脱乙酰基即可制取壳聚糖，可由碱法或酶法来完成。    ①碱法
    ①碱法    通常在较高的温度条件下，甲壳素与大量高浓度的NaOH溶液反
    通常在较高的温度条件下，甲壳素与大量高浓度的NaOH溶液反应，使它的-NHCOCH3发生水解而脱除乙酰基。在脱除乙酰基过程中，壳聚糖的分子链也会发生降解，为尽量避免这种降解反应，可以在反应系统中加入苯硫酚或者通入大量的惰性气体加以保护。反应过程中的温度、时间以及碱液的浓度等是影响壳聚糖的脱乙酰化程度和相对分子质量的主要因素。    ②酶法
    ②酶法    酶法的关键是需要甲壳素脱乙酰酶，只要制备出脱乙酰酶，此方
    酶法的关键是需要甲壳素脱乙酰酶，只要制备出脱乙酰酶，此方法就可以实现。    4.水溶性甲壳素的制备
    4.水溶性甲壳素的制备    壳聚糖又称为可溶性甲壳素，能溶于各种酸性介质，这使得壳聚
    壳聚糖又称为可溶性甲壳素，能溶于各种酸性介质，这使得壳聚糖比甲壳素具有更多的用途。但是壳聚糖的溶解能力有限，不能直接溶于水，也不溶于一般的有机溶剂，因而寻找具有更广泛溶解性能的甲壳素是人们长期以来努力的目标。    水溶性甲壳素的研究已经取得了一定的进展：
    水溶性甲壳素的研究已经取得了一定的进展：    ①控制甲壳素的脱乙酰度  甲壳素和脱乙酰度高的壳聚糖都易结
    ①控制甲壳素的脱乙酰度  甲壳素和脱乙酰度高的壳聚糖都易结晶、不溶于水。但在中等脱乙酰度时，由于氨基和乙酰氨基无序分布，分子链的有序性被破坏，而且较多的自由氨基也增加了可溶性，从而使甲壳素可溶于水。    ②控制甲壳素的分子量  甲壳素和壳聚糖都是多糖，通过浓盐酸
    ②控制甲壳素的分子量  甲壳素和壳聚糖都是多糖，通过浓盐酸或亚硝酸可以将它们降解成几丁寡糖和壳寡糖后均能溶于水。    ③ O或N上的衍生化  甲壳素或壳聚糖上的羟基或胺基被适当
    ③ O或N上的衍生化  甲壳素或壳聚糖上的羟基或胺基被适当取代后，由于原分子内和分子间的氢键被破坏，从而能溶于普通有机溶剂或水。例如：通过羧甲基化、N-季胺盐化、磺化或N-硫酸盐化、羟基化等方式对甲壳素或壳聚糖进行改性都可以得到水溶性的甲壳素。    ④接枝或复合  甲壳素本身不可溶，但与水溶性的分子接枝或复
    ④接枝或复合  甲壳素本身不可溶，但与水溶性的分子接枝或复合便有可能带来水溶性。如与丙烯酸反应、与聚乙二醇复合、与碳水化合物接枝等等。    三、甲壳素及其衍生物的应用研究
    三、甲壳素及其衍生物的应用研究    甲壳素及其衍生物的应用领域极为广泛，下面仅就它在医疗方面
    甲壳素及其衍生物的应用领域极为广泛，下面仅就它在医疗方面的应用作简单介绍。    1.载体
    1.载体    壳聚糖可作为固定酶及固定细胞的载体。由于分子结构中存在氨
    壳聚糖可作为固定酶及固定细胞的载体。由于分子结构中存在氨基,在温和条件下,容易使酶或细胞固化,且壳聚糖有与金属离子螯合的能力,可保护酶或细胞不受Ca2+、Ni2+、Cu2+、Mg2+等金属离子的抑制。壳聚糖载体的机械性能、化学稳定性良好,能抵抗溶剂pH值、温度、离子强度的变化带来的影响,提高酶或细胞的稳定性和活性,保护细胞或酶免受微生物污染,其性能优于其他载体。例如，以壳聚糖为载体,由戊二醛作交联剂,固定化AS1.398中性蛋白酶,结果表明固定化的酶对热、乙醇、尿素及pH值的稳定性均有明显提高。壳聚糖作为催化剂的载体,能提高催化剂的活性,使反应在常温常压下进行,易于操作。如低聚壳聚糖与Cu（Ⅱ）的配合物在常温常压下显示出氧化-还原的催化活性,能使H2O2的分解速度提高10倍,认为这与酶催化有相同机理。    2.药物控释载体
    2.药物控释载体     药物控释系统自20世纪70年代以来引起了人们的广泛兴趣。传
    药物控释系统自20世纪70年代以来引起了人们的广泛兴趣。传统的药物载体是由高分子材料充当的,其中包括天然高分子材料。研究表明，甲壳素也具有一定的缓释作用,是一种很好的片剂辅料。壳聚糖具有独特的聚阳离子特性,可以与海藻酸钠(聚阴离子)通过静电相互作用,在海藻酸钠微囊表面复合一层聚电解质半透膜,从而提高微囊的稳定性和载药量,并可调节药物释放速度。微囊中壳聚糖含量越多,对海藻酸钠的缓释作用越强,而且在pH=14的缓冲液中缓释作用明显大于pH=7.2的缓冲液,此研究结果可用于对胃刺激性大的药物的剂型设计。以壳聚糖和合成高分子为原料,可以制成敏感性水凝胶。它是一种亲水性但不溶于水的高分子交联网络(Semi IPN),具有感知环境(如pH值、离子强度、温度、光场、电场等)细微变化的能力,并通过体积的溶胀和收缩来响应这些来自外界的刺激,同时水凝胶吸水后还具有生物材料“软而湿”的形态。实验证明,该水凝胶膜不仅对pH值变化非常敏感,而且对离子也显示出特殊的刺激响应性,这些功能为其在药物释放体系等方面的应用提供了可能。    3.手术缝合线
    3.手术缝合线    甲壳素及其衍生物无毒性,不与体液反应,对组织不起抗原抗体反
    甲壳素及其衍生物无毒性,不与体液反应,对组织不起抗原抗体反应,且可被组织降解吸收,对细胞有亲和性,具有止血、镇痛、促进组织生长及抑制某些癌细胞生长的药理功能。因此，医药上可制成可溶性手术缝线,术后刀口不需拆线。    4.人造皮肤
    4.人造皮肤    用混式纺丝法可将甲壳素制成无纺布状的“人造皮肤”。这种“皮
    用混式纺丝法可将甲壳素制成无纺布状的“人造皮肤”。这种“皮肤”不但具有良好的生物相容性，还具有吸收从伤口渗出的体液和减缓疼痛的功能。当伤口愈合长出新的皮肤后，“人造皮肤”可自行脱落。    把壳聚糖乙酸水溶液直接涂于烧伤和烫伤的伤口处，能在伤口表
    把壳聚糖乙酸水溶液直接涂于烧伤和烫伤的伤口处，能在伤口表面形成一层柔韧、吸水、透氧、生物相容性好的薄膜。它可使病人免受极度的痛苦，防止感染，促进伤口愈合。    5.絮凝剂
    5.絮凝剂    中药药液中的主要杂质是蛋白质、鞣酸、果胶等大分子物质,它
    中药药液中的主要杂质是蛋白质、鞣酸、果胶等大分子物质,它们在中药药液中大多以胶体形式存在。甲壳素尤其是壳聚糖能通过分子中的胺基和羟基与许多重金属离子形成稳定的螯合物,除去蛋白质、核酸、鞣酸、果胶等大分子物质对酚、卤素等小分子的吸附。鞣酸为没食子酸中羟基与糖分子中羟基缩合而成的酯类化合物,它在中药药液中有免疫作用。壳聚糖作为絮凝剂,可以与鞣酸发生静电架桥作用,而使鞣酸沉淀除去。    6.其他
    6.其他    此外，由于壳聚糖完全水解得到的D-葡胺糖在体内对某些恶性
    此外，由于壳聚糖完全水解得到的D-葡胺糖在体内对某些恶性肿瘤具有抑制作用，但对正常的机体影响很小，因此能用作癌症化疗药物；又由于壳聚糖可以吸收甘油三酸酯、脂肪酸、胆固醇等，食用之可减少胃肠对脂类的吸收，达到减肥的目的，同时也能治疗肠胃病和胆囊病；由壳聚糖制成的柔性膜制备的隐形眼睛柔软、坚韧、吸水性好、透氧率高，可持续佩戴。改性甲壳素具有凝聚白血病细胞能力,可用于制造抗血凝材料。将甲壳素等粉末与药物一起压制成固体片剂,可利用壳聚糖的正电荷膜或孔珠来吸附药物,还能将无用的核酸和内毒素等物质形成沉淀而分离。    四、发展趋势
    四、发展趋势    甲壳素及其衍生物无毒、制备简单、价格便宜、具有多种功能,
    甲壳素及其衍生物无毒、制备简单、价格便宜、具有多种功能,国内外有关的研究较多,也取得一定的成果并得到了应用。今后甲壳素及其衍生物的研究方向主要有以下几方面:丝状真菌培养法生产质优价廉甲壳素及其衍生物,虽然有巨大潜力,但目前尚未工业化生产,需探讨适合工业化生产的工艺；可溶性甲壳素对各种食品和微生物抗菌性的研究；壳聚糖对不同有用酵素的固定化效果和差异性的研究；壳聚糖作为食品添加剂的可行性研究；甲壳素及其衍生物作为医学材料的应用研究及功能性食品开发的研究；甲壳素及其衍生物作为新型天然无毒的保鲜剂的应用研究等。（全文完）