殼聚糖的制備方法及研究進(jìn)展

張立英

摘要：殼聚糖作為一種堿性多糖被廣泛應(yīng)用于食品、生物、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域。本文重點(diǎn)介紹了殼聚糖的制備方法及其研究進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：殼聚糖；堿性多糖；制備方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.016

殼聚糖本身的分子結(jié)構(gòu)類似于纖維素，因其多了一個(gè)帶正電荷的胺基，使其化學(xué)性質(zhì)較為活潑。目前殼聚糖正因其優(yōu)良的生理活性在食品、化妝品、醫(yī)藥、化工、污水處理等方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，近十年來國(guó)內(nèi)外對(duì)于殼聚糖的開發(fā)研究熱度一直持續(xù)不減，各種新穎的制備方法也是層出不窮。

1殼聚糖的來源

殼聚糖通常是由甲殼素（又名幾丁質(zhì)）經(jīng)脫乙?；饔毛@得，甲殼素在自然界中廣泛存在于高等真菌以及節(jié)肢動(dòng)物（蝦、蟹、昆蟲等）的外殼中，其中蝦殼、蟹殼是工業(yè)生產(chǎn)殼聚糖的主要原料。由于大分子間的氫鍵作用，天然存在的甲殼素構(gòu)造堅(jiān)固，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于水、酸堿和一般的有機(jī)溶劑，這也使得甲殼素的應(yīng)用范圍非常有限，因此甲殼素只有經(jīng)脫乙酰基處理成殼聚糖才能獲得廣泛應(yīng)用。

2殼聚糖的制備方法

（1）化學(xué)降解法。傳統(tǒng)的殼聚糖生產(chǎn)多采用化學(xué)降解法。作為殼聚糖工業(yè)生產(chǎn)最常用的制備方法，化學(xué)降解法簡(jiǎn)便易行，效率高，整個(gè)生產(chǎn)過程容易控制，但該法環(huán)境污染較為嚴(yán)重，對(duì)周邊環(huán)境具有一定的破壞性。歐陽(yáng)漣等從蟹殼中獲取甲殼素，并通過脫乙酰反應(yīng)制備出了殼聚糖。試驗(yàn)探究了影響產(chǎn)物殼聚糖脫乙酰反應(yīng)的各種因素，如反應(yīng)溫度、堿液含量及反應(yīng)時(shí)間等，最終確定制備高脫乙酰度殼聚糖的條件為反應(yīng)溫度70℃，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)47%，反應(yīng)時(shí)間10 h。

（2）微生物培養(yǎng)法。微生物發(fā)酵法生產(chǎn)殼聚糖起源于美國(guó)，我國(guó)從上世紀(jì)90年代開始研究。其主要原理是利用微生物自身生產(chǎn)的酶進(jìn)行催化，從而脫去甲殼素中的乙?；M(jìn)而制備殼聚糖。目前該領(lǐng)域研究重點(diǎn)主要集中在優(yōu)良菌株的選育和培養(yǎng)基的優(yōu)化上。

賀淹才等首先采用電解法從培養(yǎng)的黑曲霉?jié)窬w中制得甲殼素，然后采用堿提取法從培養(yǎng)的黑曲霉?jié)窬w中制備殼聚糖。試驗(yàn)基于黑曲霉細(xì)胞壁的主要成分為蛋白質(zhì)與甲殼素，而蛋白質(zhì)帶有可電離的基團(tuán)，于溶液中可形成帶電荷的陽(yáng)離子和陰離子，在外加電場(chǎng)作用下發(fā)生遷移，繼而除去蛋白質(zhì)，分離獲得甲殼素；最后在高溫條件下加入濃堿使得黑曲霉菌絲體中的甲殼素脫乙酰基，最終制得殼聚糖。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法甲殼素提取的得率為干菌重量的20.6%，所得干燥殼聚糖產(chǎn)品的游離胺基為93.76%，產(chǎn)品得率為12.11%。

（3）微波技術(shù)。微波是一種電磁波，在化學(xué)反應(yīng)中，通常采用2450MHz的微波進(jìn)行輻射處理。在殼聚糖的生產(chǎn)中，采用微波輻射降解具有操作簡(jiǎn)便、反應(yīng)時(shí)間短、能源使用率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于微波使升溫過快也會(huì)產(chǎn)生甲殼素降解反應(yīng)不充分等弊端。

曹健等采用微波技術(shù)對(duì)甲殼素進(jìn)行脫乙酰處理制備殼聚糖，試驗(yàn)對(duì)在微波反應(yīng)前采用乙醇浸泡對(duì)甲殼素進(jìn)行預(yù)處理的條件進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)分析了微波反應(yīng)時(shí)間、堿液濃度、乙醇浸泡時(shí)間、乙醇濃度、微波功率對(duì)殼聚糖脫乙酰度和粘均分子量的影響，提出了制備高脫乙酰度、高粘均分子量殼聚糖的最優(yōu)條件為：微波功率462W，微波反應(yīng)時(shí)間20min，NaOH濃度50%，乙醇浸泡時(shí)間2.5h，乙醇濃度80%。在優(yōu)化條件下制得的殼聚糖脫乙酰度為77.07%，粘均分子量為43.13萬，得率為68.98%。

（4）酶降解法。甲殼素脫乙酰酶是一種能催化脫去甲殼素分子中N-乙酰葡糖胺鏈上的乙?；?，使之變成殼聚糖的酶。該方法不但可以代替常規(guī)的濃堿熱解法，解決目前殼聚糖生產(chǎn)中的環(huán)境污染問題，生產(chǎn)出高質(zhì)量的殼聚糖，還可以生產(chǎn)出某些用化學(xué)法不能生產(chǎn)的殼聚糖制品因此該酶具有巨大的工業(yè)應(yīng)用潛在價(jià)值，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)于甲殼素脫乙酰酶都有諸多研究。

與上述提到的其他方法相比，利用甲殼素脫乙酰酶制備殼聚糖可實(shí)現(xiàn)少用甚至不用氫氧化鈉（濃堿），其溫和的催化反應(yīng)條件，不僅節(jié)約能源，而且對(duì)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。但目前酶法制備殼聚糖還沒有得到廣泛應(yīng)用，究其原因優(yōu)良產(chǎn)酶菌的選育、提取和培養(yǎng)等嚴(yán)重制約了這一方法的推廣。

張菁菁等利用平板變色圈法從土壤中篩選出一株產(chǎn)幾丁質(zhì)脫乙酰酶活力較高的菌株，通過形態(tài)學(xué)觀察、生理生化實(shí)驗(yàn)、16SrDNA測(cè)序分析等方法對(duì)該菌株進(jìn)行了鑒定，并對(duì)其發(fā)酵產(chǎn)生的脫乙酰酶的酶學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。經(jīng)鑒定該菌株為紅球菌屬，酶學(xué)性質(zhì)研究表明，該酶反應(yīng)的最適溫度為50℃，最適pH為7.0，Mn²⁺、Ca²⁺及K⁺在低濃度下對(duì)酶促反應(yīng)有激活作用。分析結(jié)果表明該菌產(chǎn)酶能力較強(qiáng)，具有良好的開發(fā)價(jià)值。

Elmekawy等從一種產(chǎn)堿桿菌中提取甲殼素脫乙酰酶，并對(duì)該酶的催化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行測(cè)定，研究表明所提取的甲殼素脫乙酰酶的最適pH為6.0，最適溫度為38℃，經(jīng)18h的細(xì)菌培養(yǎng)，酶的活力達(dá)到最大值（0.419U/mL），該酶在甲殼素生物轉(zhuǎn)化中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

3展望

當(dāng)前殼聚糖的制備方法主要還是以化學(xué)降解法為主，但化學(xué)降解法產(chǎn)生的衍生物較多，低聚糖得率低且環(huán)境污染嚴(yán)重。酶法降解作為一種環(huán)境友好型的制備方法，因其反應(yīng)條件溫和，不需要濃堿，環(huán)境污染小等特點(diǎn)正受到了越來越多的關(guān)注。

隨著分子生物技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)脫乙酰酶的研究已開始深入到分子水平，通過研究酶的結(jié)構(gòu)與其催化作用機(jī)理，以期揭示脫乙酰酶的結(jié)構(gòu)與其功能之間的關(guān)系，同時(shí)還有不少研究試圖通過基因工程技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)脫乙酰酶菌株進(jìn)行定向改造。相信隨著研究的深入，甲殼素脫乙?；磻?yīng)將不再困難，一些全新的能提高脫乙酰度與黏度，減少氫氧化鈉用量，加快反應(yīng)速率，減輕環(huán)境污染的殼聚糖制備技術(shù)必將應(yīng)運(yùn)而生。