壳聚糖及其衍生物抗菌作用的研究进展
【摘要】 壳聚糖作为一种天然无毒，生物相容性好，可降解，可再生而且来源非常丰富的资源，已经日益引起人们重视，并已成功应用于医药等多个领域。壳聚糖及衍生物作为天然高分子絮凝剂，其杀菌作用已被认识和研究。壳聚糖不仅具有天然抗菌性能，而且抗菌谱广。本文对壳聚糖的抑菌原理、抑菌作用的特点及其衍生物研究应用的最新进展与前景作了综述。
【关键词】 壳聚糖；甲壳素；抗菌作用
甲壳素是存在于界中的唯一一种带阳离子能被生物降解的分布极其广泛的高分子材料，大量存在于昆虫、甲壳纲动物外壳及真菌的细胞壁中，是地球上仅次于纤维素的第二大可再生资源，但不溶于水及有机溶剂，很难被人体利用。其脱乙酰基所得产物称为壳聚糖，能被人体吸收利用。这类多糖既可生物合成，又可生物降解，与动物的器官组织及细胞有良好的生物相容性，无毒，降解过程中产生的低分子寡聚糖在体内不积累，几乎无免疫原性。其结构中，还有活泼的氨基，易于化学改性，引入多功能集团，拓宽应用领域。近年来有关壳聚糖及其衍生物抗菌性能的报道很多[1~4]，我们也做了相关实验研究[5~7]，一致认为壳聚糖不仅具有天然抗菌性能，而且抗菌谱广。本文主要对壳聚糖的抑菌原理、抑菌作用的特点及其衍生物研究发展前景进行综述。
1 壳聚糖的抑菌机制
壳聚糖及其衍生物的抑菌作用随着其自身和环境条件的改变而呈现出不同的结果，分析其原因，主要有以下几种可能：(1)壳聚糖的有效基因N可以与细菌细胞膜上的类脂、蛋白质复合物反应，使蛋白质变性，改变细胞膜的通透性，或者与细菌细胞壁（尤其是革兰阳性菌细胞壁较厚，结构紧密，含有丰富的磷壁酸）形成一个负电荷环境，壳聚糖损坏细胞壁的完整性，或使细胞壁趋于溶解，直至细胞死亡[8~9]。(2)高分子量的壳聚糖溶于酸后，成为一种阳离子型生物絮凝剂，在絮凝过程中使菌体细胞聚沉，高分子链密集于细菌菌体表面，形成一层高分子膜，影响细菌对营养物质的吸收，阻止代谢废物的排泄，导致菌体的新陈代谢紊乱，从而起到杀菌和抑菌的作用[8~10]。(3)随着分子量的增大，壳聚糖分子链的卷曲和缠结程度增大，使得有效基因N被包埋在其中，降低了对菌体的吸附及杀菌能力。(4)壳聚糖分子量降低，则可以通过渗透作用穿过多孔细胞壁（尤其是革兰阴性菌细胞壁较薄，交联松散）低分子量壳聚糖进入细菌内部[11]，破坏细胞质中内含物的胶体状态，使其絮凝、变性，细菌无法进行正常的生理活动，或者直接干扰其带负电荷的遗传物质DNA和RNA[12~13]，抑制细菌的繁殖，导致微生物的死亡。如果分子量进一步减少，则有效基团减少，壳聚糖的絮凝能力降低，甚至没有抗菌能力。通过渗透作用进入细菌细胞后，可能被几丁质酶或壳聚糖酶所降解[3]，从而作为营养物质而被利用，反而促进了菌体的生长。(5)壳聚糖的杀菌作用可以通过提高离子强度得到增强，主要是环境中的离子干扰壳聚糖形成分子内刚硬的晶体结构，增加溶解度实现的。但金属离子除外，因为壳聚糖表面的自由氨基基团可以有选择性地螯合对微生物生长起关键作用的金属离子，尤其是酶的辅助因子，从而抑制微生物的生长和繁殖[9]，同时也降低有效氨基的含量，从而降低其杀菌能力。(6)当壳聚糖浓度足够高时，能够激活部分微生物本身的几丁质酶活性，或使几丁质酶被过分表达，导致其对自身细胞壁几丁质的降解，从而损伤细胞壁。
2 壳聚糖及其衍生物抑菌作用的特点
2.1 改变细胞膜和细胞壁的通透性
细胞壁的主要功能之一为保护细胞内物质不泄漏于菌体外，吴迪等[14]研究了壳聚糖对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌细胞壁功能的影响，发现加入壳聚糖醋酸溶液后，两种菌的细胞内酶溢出，TEM照片显示大肠埃希菌的菌体聚集，细胞壁模糊不清，而金黄色葡萄球菌的细胞壁变化更为明显，细胞壁模糊还存在质壁分离现象，说明壳聚糖对细菌的细胞壁有不可逆的破坏作用。杨冬芝等[8]也认为酸性条件下， 壳聚糖作为分子吸附到细胞壁上， 使细胞壁和细胞膜上负电荷分布不均、干扰细胞壁合成，导致细菌裂解而死亡。
2.2 壳聚糖分子量不同，抑菌的作用方式不同
不同分子量壳聚糖对不同微生物的抑制作用机制不同。No H K等[15]研究了6种不同分子量壳聚糖和6种不同分子量聚氨基葡糖寡聚物分别对4种革兰阴性细菌和7种革兰阳性细菌的除菌作用，结果发现，壳聚糖的抑菌效果普遍强于聚氨基葡萄糖寡聚物，并且对大多数测试菌都有明显的抑制作用，当然分子量和菌种不同时抗菌效果有所差别，但是总趋势为抑制革兰阳性细菌的作用明显强于革兰阴性菌。郑连英等[11]研究了不同分子量壳聚糖对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌的抑制作用，结果发现壳聚糖对金黄色葡萄球菌的作用随分子质量减少而减弱，但是对大肠埃希菌的抗菌作用却相反，随分子质量减少，抗菌作用反而增强。因此认为，壳聚糖对于革兰阴性菌和革兰阳性菌生长的抑制可以从两方面来解释：(1)对于革兰阴性菌，主要是由于小分子的壳聚糖渗透进入到微生物细胞内，吸附细胞内带负电荷的细胞质，并发生絮凝作用，扰乱细胞正常的生理活动，从而杀灭细菌；(2)而对革兰阳性菌，主要是由于大分子的壳聚糖吸附在微生物细胞的表面，形成一层高分子膜，阻止了营养物质向细胞内运输，直至细菌死亡。Jeon Y J等[1]和Jumaa M等[16]也同样发现随着分子量的变化，除菌效果呈现相反趋势的现象，叶磊等[9]研究了壳聚糖对食品中常见微生物的抑制作用，结果表明：3种不同分子量的壳聚糖对金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、枯草杆菌、矮小棒状杆菌、大肠埃希菌、白假丝酵母菌等所有被试菌都有明显的抑制作用，随分子量的增大，壳聚糖的抑菌作用逐渐减小。
2.3 受离子强度和金属离子影响
王鸿等[17]认为金属离子对壳聚糖抗菌活性有抑制作用，并且Ba2+>Ca2+>Mg2+。因为壳聚糖对金属离子的螯合能力的不同，壳聚糖表面的自由氨基基团螯合金属离子，降低有效氨基的含量，从而降低其杀菌能力，但是壳聚糖又可以作为阳离子聚合物吸附在细胞表面，与脂多糖发生作用，使得脂多糖与Mg2+、Ca2+结合的可能性减小，脂多糖结构稳定性变差，内壁层肽聚糖暴露出来，容易被溶菌酶水解，而且壳聚糖脱乙酰度越高，分子上的自由氨基也越多，越容易与脂多糖类物质结合，抑菌作用相应越强。Chrng等[18]在用壳聚糖处理农业污水，水中的细菌主要是大肠埃希菌和葡萄球菌，结果发现壳聚糖的抗菌活性随离子浓度的增加而增加，可能是通过离子干扰壳聚糖形成分子内刚硬功夫的晶体结构，增加溶解度实现的。但随着金属离子尝试增加而减弱。高浓度的Zn2+对壳聚糖的抗菌活性抑制性最强，而Mg2+最弱。
2.4 诱导几丁质酶等产生
壳聚糖是由聚氨基葡萄糖组成的大分子物质，是植物病原菌的细胞壁和昆虫体壁的主要组成部分。壳聚糖不仅能诱导许多植物的抗菌性防卫反应，如诱导过氧化物酶和几丁质酶的积累，诱导番茄叶片蛋白酶抑制剂的积累，提高植物的抗病能力，而且对某些植物病原菌也有一定程度的直接抑制作用。壳多糖增强植物抗菌性主要是通过诱导作用实现的，诱导植物产生与抗病有关的过氧化物酶，随着处理次数增加依次增加[19]。巫钢等[20]用不同浓度脱乙酰度的壳聚糖处理植物离体叶片，结果表明，壳聚糖能够使植物细胞电解质和蛋白质外渗量增加，壳聚糖浓度越高，处理时间越长，外渗量越显著；壳聚糖还能提高植物细胞壳聚糖酶的活性。几丁质酶或壳聚糖能够抑制真菌的生长，因此经壳聚糖处理的植物种子或植株的抗病能力增强。
3 前景
最早提出壳聚糖具有广谱抗菌性的是Allen等[3]，此后许多学者对壳聚糖的抗菌性能及条件进行了研究，尤其是近年来，随着人们对安全无毒的天然抗菌剂的迫切需求，壳聚糖不同寻常的抑菌作用越来越受到注意。虽然目前还有许多问题尚待解决，但其美好的前景已展现出来。
总之，壳聚糖及其衍生物作为天然高分子絮凝剂，其杀菌作用已被认识和研究，特别是在医药领域中越来越受到广泛关注，其资源丰富，有巨大的潜力和应用前景。加强对壳聚糖及其衍生物产品的研究开发，使之产业化，必将产生巨大的效益和社会效益，为我国的经济发展作出新的贡献。
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