壳聚糖及其衍生物的抑菌活性研究概述

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  摘  要:壳聚糖结构独特,是自然界中唯一一种氨基多糖,对许多真菌和细菌具有显著的抑制作用。近年来的研究表明,壳聚糖对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等细菌以及常见食物中毒菌都有良好的抑制作用。该文分别从壳聚糖、壳聚糖衍生物、壳聚糖复配产物三大部分的抑菌活性研究进行归纳,讨论国内外对于壳聚糖在抑菌方面的研究形势,以及壳聚糖制剂的制备和应用领域。
  关键词:壳聚糖  壳聚糖衍生物  壳聚糖复配产物  抑菌活性  食品保鲜
  中图分类号:R446.1                        文献标识码:A文章编号:1672-3791(2021)04(b)-0112-05
  Study on Antibacterial Activity of Chitosan and Its Derivatives
  LIU Yao1  ZHONG Zhimei1,2
  (1.College of Science, Inner Mongolia Agricultural University; 2.Key Laboratory of Soil Quality and Nutrient Resources of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot, Inner Mongolia Autonomous Region, 010018  China)
  Abstract:  Chitosan structure is unique, is the only kind of amino polysaccharide in nature, has a significant inhibitory effect on many fungi and bacteria. Recent studies have shown that chitosan has a good inhibitory effect on bacteria such as Escherichia coli and Staphylococcus aureus, as well as common food toadstools. This paper summarized the antibacterial activities of chitosan, chitosan derivatives and chitosan compound products, and discussed the research situation of chitosan in antibacterial activities at home and abroad, as well as the preparation and application fields of chitosan preparations.
  Key Words: Chitosan; Chitosan derivatives; Chitosan complex products; Antibacterial activity; Food preservation
  1  殼聚糖抑菌活性简介
  1.1 壳聚糖及其衍生物抑菌研究概况
  壳聚糖本身安全无毒、易于微生物降解[1],是无污染的环境友好型氨基多糖,结构见图1,具有很好的广谱杀菌效果和良好的生物相容性。壳聚糖衍生物以纤维、薄膜、微球、纳米颗粒及水凝胶等形式应用于各个领域。因此,壳聚糖及其衍生物的抑菌研究和应用前景广泛。
  在农业领域中,壳聚糖等主要用作农业杀菌杀虫剂[2]、农药缓释剂、种子处理剂、植物病原菌生长抑制剂等。壳聚糖衍生物作为新型农药,在具备缓释控释作用的同时,还能提高药效、降低农药残留等毒副作用。畜牧业领域中,壳聚糖已经被认定为一种常用的畜禽饵料、饲料添加剂、免疫增强剂[3]。我国壳聚糖用于畜牧业的抑菌研究起步较晚,但其发展与应用前景非常开阔。医药领域中,国家药典中明确规定,壳聚糖常用于药用辅料、解崩剂、增稠剂等。食品工业领域中,壳聚糖不仅可以保鲜,还可以与其他生物防腐剂结合使用,从而应用于肉制品保鲜、水果涂膜处理、果汁保鲜等方面。
  1.2 壳聚糖的抑菌机理
  目前,对壳聚糖抗菌机理的理论阐释主要有3个方面:(1)从遗传学角度,壳聚糖具有阻隔mRNA和蛋白质形成的能力,抑制微生物转录;(2)从营养障碍角度,壳聚糖能够破坏微生物细胞结构,造成微生物营养流失直至死亡;(3)从物理阻隔角度,壳聚糖易成膜可包被在物质表面,抵挡微生物的入侵。
  1.2.1 抑制微生物转录
  有理论推测,壳聚糖能与微生物DNA结合达到抑菌效果。壳聚糖通过渗透到微生物的细胞核中抑制mRNA和蛋白质的合成,在壳聚糖渗入细胞后,带正电荷的壳聚糖会与细胞DNA结合,从而抑制转录。但是这样的推论并不能得到广泛认可,后来的多项研究也表明,壳聚糖由于其高分子聚合物结构而不太可能渗入微生物细胞,仅有少量的低分子壳聚糖可以存在其中,抑菌效果不佳。
  1.2.2 破坏微生物细胞结构
  能够被大多数所认可的就是从营养障碍方面来确定壳聚糖的抑菌机理。壳聚糖对微生物至关重要的养分具有极强的金属结合能力,是通过螯合吸收金属阳离子的机制。因此,根据其具有的螯合微量金属,破坏微生物的细胞结构,造成营养流失而死亡,可以揭示其抑菌作用方式。国内外的众多实验也都能印证壳聚糖破坏微生物结构的抑菌机制。
  1.2.3 形成抗生物膜   近年来,与疾病密切相关的致病细菌中,生物膜的形成是一个活跃的研究领域。壳聚糖包被的表面在体外对某些细菌和真菌具有抗生物膜的特性,从而以抗生物膜的形成来发挥抑菌作用。此外,即使老化后,壳聚糖纳米粒子也可以有效地减少生物膜的细菌,保留抗菌特性。但是对于此类抑菌机制并不适用于任意状态下的壳聚糖。
  除去以上3种对于壳聚糖抑菌机理的阐释,学术界也有一些不同的声音。有人认为壳聚糖的抑菌活性与壳聚糖分子结构上的氨基有关,而氨基的含量又与脱乙酰度相关联,脱乙酰度越高则氨基含量越高。所以,当壳聚糖脱乙酰度和浓度很高时[4],产生许多的游离氨基,接触带负电荷的细菌的概率越高,所以杀灭细菌的效果越好。
  针对目前已知的壳聚糖抑菌机制,普遍被认同的阐释还是“壳聚糖破坏微生物细胞结构”,国内外相关实验量占比也是最高。
  2  壳聚糖及其衍生物的抑菌活性研究
  1979年便有学者首次提出壳聚糖的抑菌性能。之后的一段时间里,相继有人通过壳聚糖对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等的抑菌实验。实验结果表明,壳聚糖对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均有较好的杀菌作用,进一步证实了壳聚糖的广谱抗菌性能。紧接着人们开始对壳聚糖衍生物的抑菌活性产生兴趣。
  2.1 壳聚糖的抑菌活性研究
  基于壳聚糖的广谱抗菌性能,国内外对于壳聚糖原料的抑菌实验也十分普遍。研究表明,壳聚糖的抑菌效果随着浓度的增强而增强,且不同温度下壳聚糖均能保持相对良好的稳定性,在宋俊梅等研究者的实验中得以体现[5]。与此同时,王瑞秀等人在酸性条件下采用低聚壳聚糖对金黄色葡萄球菌、鸭源性大肠杆菌和沙门氏菌的抑菌实验效果明显[6]。
  国外对于壳聚糖的抑菌条件不止于温度、浓度和酸碱度。Chaeyeong Moon等人[7]在实验中分别研究了壳聚糖胶体、壳聚糖溶液和壳寡糖溶液对轴突叶枯病菌的抑菌活性差异。其中胶体壳聚糖对轴突叶枯病菌有抑制作用,并且壳聚糖溶液在pH值为6.5时达到抑菌活性峰值。
  壳聚糖抑菌活性虽好,但在溶解度、抑菌持久力和抑菌强度上还不能达到应用水平,需要进行一些化学修饰来完善它的优良性质。
  2.2 壳聚糖衍生物的抑菌活性研究
  在历时近200年之久的壳聚糖研究历史中,人们逐渐将更多方向转入壳聚糖衍生物的制备和探究中。壳聚糖烷基化、酰基化、羧基化等其他化学改性的部分产物,也被国内外科学家和专业人士投入到抑菌活性的研究中去。
  比较常见的壳聚糖季铵盐具良好的保湿性能和持久的抗菌能力,在酸性、中性和碱性条件下均能溶解[8]。王应红[9]合成的壳聚糖CTA季铵盐结合了壳聚糖和季铵盐各自的杀菌特点,这样不仅保持了壳聚糖特有的生物性能,还能在一定程度上提高水溶性,表现出更好的杀菌能力。
  壳聚糖含氮、含磷、含硫类衍生物也是近年来研究的热点[10]。于华华等人[11]将三唑基团引入壳聚糖分子制备了5种三唑壳聚糖衍生物,研究其对黄瓜枯萎病原菌抑制活性。高抑菌活性的三唑基团使得壳聚糖的抑菌活性和抑菌谱产生显著变化, 但效果仍不及三唑类杀菌剂。含硫化合物一直都是合成杀虫剂、除草剂的重要中间体。Zhong zhimei等人[12]将缩氨基硫脲基团、磺酰胺、异硫氰酸酯等高抑菌活性的含硫基团引入到壳聚糖分子中。经实验所得的新型壳聚糖含硫衍生物的抗真活菌性,随分子量、浓度和取代度的增加而增强,加之改进之后有望成为抑菌效果更好的生物农药。
  国内外也不乏对壳聚糖进行同系列批量化学修饰的研究。中国科学院烟台海岸带研究所张晶晶针对4个系列38种壳聚糖脲类衍生物的抑菌活性进行了充分研究[13]。通过体外抗菌活性测试发现N,N,N-三甲基-O-接枝取代脲基团壳聚糖衍生物、N,O-接枝取代脲基团壳聚糖衍生物、N-脲基-O-接枝取代脲基团衍生物均具有良好的抑菌活性。Andreii S. Kritchenkov等人[14]在实验中评估了8种壳聚糖衍生物的体外抗菌活性,在实验中的所有情况下,抗菌活性都随着衍生物取代度的增加而增加。
  时至今日,壳聚糖衍生物的抑菌研究仍旧处于扩大化的发展趋势。从单一的壳聚糖季铵盐、羧甲基壳聚糖,演变至壳聚糖取代基衍生物,所筛选出的抑菌条件越来越多,抑菌領域也被拓宽得更广。
  2.3 壳聚糖复配产物的抑菌活性研究
  壳聚糖本身是天然的碳水化合物生物聚合体[15],因此其优异的成膜性也逐步走进研究者的视野,大家不再局限于壳聚糖原料、壳聚糖衍生物的抑菌研究,能够与壳聚糖复配的物质也不在少数。
  苏林月等研究者[16]采用核黄素和壳聚糖共混并制备抗菌膜,其对副溶血性弧菌、单增李斯特菌和希瓦氏菌的抑菌率能够达到99%。张莉等人[17]采用本身具有抑菌性能的原花青素和壳聚糖混合制备出抗菌复合膜(CS-PC),对大肠杆菌和黑曲霉体现出良好的抑菌效果。
  壳聚糖复配产物制成的薄膜除去用于简单的抑菌实验,更多的是为了推动食品保鲜的进展。郑玉玺等研究者按不同配比[18]制成的壳聚糖—荔枝木质精油可食膜用于冷鲜鸡肉的保鲜,复合膜表现出对金黄色葡萄球菌的抑菌效果要优于肠炎沙门氏菌和大肠杆菌。
  国外对于壳聚糖复配产物的研究主要以复合膜、纳米颗粒的形式居多。Vahhab Soltaninejad[19]以壳聚糖(Chi)、聚乙烯醇(PVA)为基体负载TiO2纳米粒子(NPs),制备壳聚糖纳米生物复合膜,能够很好地抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。Baskaran Stephen Inbaraj等人[20]合成了涂有乙二醇壳聚糖的超顺磁性氧化铁纳米粒子,进行体外抗菌试验发现对于肠炎沙门氏菌的抑制优于抗生素利奈唑胺和头孢克洛。这些也都能表明许多壳聚糖纳米复合材料都可用于抗菌应用。
  其实壳聚糖复配产物的发展主要还是靠食品保鲜领域来推动的,不论国内外,壳聚糖复配植物精油是占比最大的选择,但这也对壳聚糖相关的抑菌领域带来巨大影响。这从某种程度上改变了人们对壳聚糖必须化学修饰的定向思维,奠定了壳聚糖抑菌研究的多面性、多元化。   3  结论
  壳聚糖作为安全无污染的环境友好型氨基多糖,已经逐步渗透到各个领域。其中壳聚糖及其相关产物的抑菌作用已经广泛应用于许多行业,其优势不言而喻。
  (1)对于壳聚糖,国内外的初步抗菌试验均来自于大肠杆菌、金黄色葡萄球菌,频繁多次的试验之后能够确定壳聚糖对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌都有很好的杀菌作用,即广谱抗菌性能好。国内对于壳聚糖的抑菌研究已经非常成熟,人们从不同濃度、不同温度、不同pH值以及不同分子量等多个方面,对壳聚糖的抑菌活性展开详尽的研究,并且能够准确得出壳聚糖抑菌的最适条件和最适变量。国外的研究内容比国内多了一个壳聚糖不同状态下的抑菌效果,有论文研究壳聚糖胶体和壳聚糖溶液的抑菌效果对比。
  (2)对于壳聚糖衍生物,是如今比较受关注的方向。壳聚糖的优势在于容易发生酰化、烷基化、羧基化等许多化学反应,这就为新型壳聚糖衍生物的合成开拓出广阔的前景。选取同样具有抗菌性能的化合物与壳聚糖结合是国内外的研发趋势,在致力于抑菌性能大提升的过程中,人们也在改进壳聚糖原料在抑菌试验中的不足。于是出现了水溶性良好、药效持久的壳聚糖衍生物。
  (3)壳聚糖复配产物则是另辟蹊径的创新出现,它不同于传统的壳聚糖衍生物制备,是相似的物理性质和同样的抑菌性能所结合而成的混合物。并且国内外对于壳聚糖复配产物的研究也不在少数,尤其是对于食品保鲜和制药领域具有十分突出的贡献。
  4  展望
  当今的农业、畜牧业、食品工程、医药行业中,壳聚糖的产物及研究结果已经成为不可或缺的一部分。
  (1)许多制备出的新型壳聚糖衍生物抑菌效果大有提升,但同时伴随毒性增加、水溶性减弱等劣势性能是当前研究状态下主要存在的问题。
  (2)食品工程和医药行业已经是壳聚糖制剂发展的大方向,对新型环保抑菌剂的使用已经是众多领域的大势所趋。在未来,性能优良的壳聚糖制剂将是农业、农药领域的新星产品。随着科学技术的不断革新与发展,壳聚糖的研究在未来会得到更深层更透彻的发掘与创造,抑菌领域的新征程上也会留下壳聚糖引领风向的标杆。
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