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摘要 甲壳素-壳聚糖作为一种重要的新型生物材料，因具有来源广泛、绿色环保、无毒无害等优点被誉为环境友好型功能材料，在人们的生活中占重要地位。从甲壳素-壳聚糖的基本特点及生物功能出发，阐述其在工业、农业、环保、食品等诸多领域的应用情况，分析国内外研究现状，并且对其应用前景进行展望。
关键词 甲壳素；壳聚糖；生理功能；应用领域
中图分类号 S188 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）18-024-02
甲壳素，又称甲壳质、几丁质，是生物体内的天然高分子聚合物。其脱乙酰基后的产物为壳聚糖，是葡萄糖分子的多聚物，结构与纤维素类似。甲壳素广泛存在于低等植物菌类以及海洋无脊椎动物的外壳中，还是某些真菌细胞壁的重要组成成分。甲壳素-壳聚糖作为自然界中大量存在的、碱性阳离子聚合物具有多种生物学活性功能，已被欧美中日政府认定为机能性免疫物质；此外，两者还具有良好的生物相容性和可降解性，无毒，价格低廉。甲壳素类产品还有易改质、机械强度较好等优点，已在环境保护、医疗卫生、美容保健、食品安全、工农业发展、纺织工业等领域得到广泛应用，并有待进一步的深度开发。
在国际上，日本、美国甲壳素类产品的研发较领先。我国虽起步较晚，但发展迅速。近年，虽然对制取甲壳素-壳聚糖的制备工艺进行了不断地改进与创新，但是仍存在诸多问题，如成本较高、污染严重、易降解、产品质量不易控制等。所以，亟待开发出高效、环保的制备工艺，推动我国壳聚糖生产提高到一个新的水平。
1 甲壳素-壳聚糖的生理功能
甲壳素是天然的中性黏多糖，属于一种线型高分子多糖。它化学性质不活泼，不与体液发生变化，对组织不起异物反应，具有调节免疫力、降低血压、调节血脂、降低血糖、提高胰岛素利用率、抗肿瘤、抑菌等多种生理功能。
1.1 调节免疫力 生物体内巨噬细胞的含量以及T淋巴细胞的活性是改善人体免疫力的关键因素，而甲壳素-壳聚糖则可以促进生成巨噬细胞、活化T淋巴细胞，从而提高机体免疫能力。甲壳素-壳聚糖自身携带的阳性基团-NH+3可促使游离在血液中的单核细胞的聚集，或通过刺激细胞的局部组织，诱导细胞增生，从而增加细胞中巨噬细胞的含量[1]；此外，甲壳素-壳聚糖还可以活化T淋巴细胞，提高机体的免疫水平。机体内偏酸的环境会诱导癌症的发生。癌细胞在酸性环境中会加快增殖速度，而淋巴细胞在此条件下处于迟钝状态，不能有效发挥免疫功能。甲壳素-壳聚糖的加入能够调整机体pH水平，使得细胞呈碱性，T淋巴细胞得到活化，有效进攻癌细胞，改善体内环境[2]。
1.2 降血压 壳聚糖具有较好的降血压作用。当生物体内过量摄入食盐时，体内Cl-增加，造成细胞内Cl-堆积，使人体处于高血压的状态，而壳聚糖自身携带的阳性基团-NH+3能够吸附食盐中的Cl-，二者结合形成稳定的复合物，促进Cl-的排放[3]，抑制血管收缩素源的活性[4]，抑制血压的升高；同时，壳聚糖还能促进小肠对Ca2+和Fe2+的吸收，细胞内这两种阳离子的富集在一定程度上可促进Na+通过代谢排出体外，达到降压的效果[5]。此外，甲壳素也能通过降血脂作用使得血管内壁的弹性恢复到较好状态，促使血压下降。
1.3 降血糖 生物体血糖持续升高的直接后果是导致糖尿病等一系列病症的发生。当体内胰岛素分泌不足或特定的靶细胞对胰岛素的感应敏感度降低时，细胞内糖类、脂类、蛋白质等生物大分子的代谢作用会受到抑制，促使机体内血糖浓度显著升高[6]。研究表明，壳聚糖分子具有降血糖的作用。一方面，当细胞内血糖水平异常时，低分子量的壳聚糖通过渗透作用进入胰岛细胞，对损伤的细胞进行修复，提高其分泌胰岛素的能力，同时增加外周组织对所分泌胰岛素的敏感性，促进血糖的代谢，降低机体内的血糖水平；另一方面，甲壳素可通过协调脏器功能，促进内分泌，改善胰腺功能，活化胰岛细胞，促进β细胞分泌胰岛素[7]。此外，甲壳素可吸收胃内水分，与胃内物混合，使得体内产生扩容效应，从而使胃的排空时间延长，餐后血糖峰值下降时限随之拖后，进而控制餐后高血糖的出现。
1.4 抗肿瘤 甲壳素-壳聚糖具有显著的抗肿瘤作用。这一功能主要通过增强机体的非特异性免疫功能来实现。低分子量的甲壳素尤其是其六聚糖形态具有极高的抗肿瘤活性。研究证实，甲壳六糖和壳六糖均能抑制小鼠体内的肿瘤细胞的生长，表现出明显的抗癌功效[8]。甲壳素的抗肿瘤活性主要体现为它可活化巨噬细胞、T淋巴细胞、NK细胞和LAK细胞，通过抑制肿瘤细胞在皮下基质的黏附、抑制白介素的产生和朝向肿瘤实体的血管生成发挥作用[9]。
1.5 抑菌 早在1979年便有学者指出壳聚糖具有抑菌的功效，且抗菌谱广[10]，随后相继通过对大肠杆菌、金黄色葡萄球等的抑制作用，发现壳聚糖对革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌均表现出良好的杀菌效果，进一步证实其壳聚糖的广谱抗菌性。壳聚糖的杀菌机理主要体现在：一方面，其自身所携带的正电荷可以与带负电荷的细胞吸附，从而在细胞壁表现形成一层由壳聚糖组成的高分子聚合膜，进而改变细胞膜的通透性，抑制营养物质的吸收和代谢废物的排放，使得细胞发生质壁分离，最终导致细菌细胞死亡；另一方面，低分子量的壳聚糖可以通过渗透作用直接进入细菌细胞，大量富集细胞内带负电荷的细胞质物质，发生絮凝作用，使得细胞丧失正常的代谢功能，从而杀灭细菌[11]。
2 甲壳素-壳聚糖的应用领域
甲壳素-壳聚糖性能独特，具有组织相容性良好、可生物降解等优点，是绿色环保型材料。在倡导创建“资源节约型，环境友好型”社会的当下，它极具开发前景。
2.1 工业领域 甲壳素-壳聚糖具有良好的吸附性和成膜性能，近年来已成为修饰电极高分子的首选材料，被应用于化学传感器和生物传感器；甲壳素-壳聚糖可提高纸张的耐电压强度，也能改善纸张的表面印刷性，从而适应高速印刷、高黏度油墨的要求，目前已被广泛应用于印刷纸的生产中；痕量分析研究表明，甲壳素-壳聚糖可结合高灵敏的分析方法，作为富集剂来分析样品中的痕量元素，对钨、银、铬、铂、铋、汞、铜等元素实现低检出、限检出。 2.2 农业领域 甲壳素-壳聚糖的优异性能使其在农业领域的应用颇为广泛，其多聚物可以促进作物的生长，改善土壤的微生态环境，提高作物抵御病虫害的能力，因此常被用作植物的生长促进剂和土壤改良剂等。有研究表明，将甲壳素-壳聚糖添加到饲料中饲喂家禽，还可以提高家禽免疫力，改善圈舍环境，增强蛋和肉的品质[12]。
2.3 环保领域 甲壳素可以作为水处理剂，净化饮用水，澄清污水，有效除去工业废水中重金属等有害物质，并且回收贵重金属，聚集电解质；甲壳素可生物降解，有研究表明甲壳胺地膜可在2～3月的时间内全部分解，是解决“白色污染”的有效途径。用其制成的天然无公害塑胶、可降解地膜不仅环保，而且能够有效改良土壤问题。
2.4 食品领域 甲壳素因其具有成本低、效率高、无毒无害、操作简便及具有显著的防腐、保鲜效果等优越性能而被广泛应用于食品中。其作用机理主要体现在：甲壳素具有很好的成膜性，将其喷洒或涂抹于果蔬表面后可在其表面形成一层致密、透明的保护膜，起到抑制微生物生长、维持果蔬色泽、抑制水分散失、降低呼吸作用、减少养分消耗等作用，使得果蔬始终处于代谢缓慢的稳定环境中，进而延长保存时间，提高货架期。它是一种安全、无毒、绿色的生物防腐剂。
2.5 医用领域 甲壳素有良好的生物相容性，且具有无毒性、成本低、易改质、机械强度好、广谱抗菌性强等优点，十分适合应用于医疗领域。它可作为医用生物材料，如吸收性手术缝合线、止血剂、免疫促进剂、肿瘤抑制剂和愈合剂等[13]。
2.6 纺织领域 用壳聚糖纤维生产的抗菌织物具有较好的吸湿性、透气性和柔软手感等，且具有强大的抗菌能力，90%以上的常见细菌在甲壳素纤维上不能存活，因此甲壳素纤维与彩棉货纯棉等纤维制成的面料特别适合做婴幼儿服装、男女高档内衣。
3 展望
甲壳素在自然界中分布十分广泛，是仅次于纤维素的自然界储存量第二大的天然多糖化合物。目前，人类对甲壳素的开发仅处于初级阶段。据推算，自然界的生物每年能生产1 000亿t甲壳素，其中能被现代化工业利用的仅为200万t。由此可见，甲壳素具有极大的开发潜力。甲壳素的多种优良特性以及丰富的资源状态必将使其具有更加广阔的应用前景，从而更好地服务于人们的生活。
参考文献
[1] 王润莲， 贾志海， 朱晓萍. 甲壳素和壳聚糖营养研究进展[J].动物营养学报， 2006，18（4）： 299-302.
[2] 高维锡， 于慧， 耿越. 甲壳素-壳聚糖免疫调节及抗肿瘤研究进展[J].山东师范大学学报：自然科学版， 2010， 25（1）： 147-150.
[3] 姜传福. 天然高分子甲壳素.壳聚糖的药物化学[J].辽宁师范大学学报：自然科学版， 2001，24（4）：400-401.
[4] BEBDHACK L M，PEIRO C. Functional study of the [Ca2+] signaling pathway in aortas of L-NAME-hypertensive rats [J]. Pharmacology， 2004，70（3）：160-168.
[5] 张廷军. 甲壳素-壳聚糖及其衍生物的应用情祝[J].水产科技情报， 1999，26（6）：243-247.
[6] 谭书. 甲壳素热在中国升温[J]. 中国保健食品， 2012（12） ：4-6.
[7] 尤行宏，吴勇，李美平，等. 低分子壳聚糖对实验性糖尿病大鼠血糖的调节作用[J].湖北中医学院学报， 2005，37（1）：18-21.
[8] SUZUKI K，MIKAMI T，OKAWA Y，et al. Antitumor effect of hera N acetylchitohexaose and chitohexaose [J]. Carbohyd Res，1986，151： 403-408.
[9] 李慧杨. 壳聚糖——一种作用极具保健作用的食品添加剂[J].中国食品工业， 1999（2）：15-18.
[10] 罗晓， 罗人名. 壳聚糖及其衍生物的生物抑制作用[J].精细与专用化学品，2003（5）：12-14.
[11] 刘晓宇， 付田霞， 刘志恒. 甲壳素-壳聚糖的抑菌性能研究进展[J].辽宁化工， 2006（11）：634-637.
[12] 盛家荣， 覃志英， 许东颖. 甲壳素及其衍生物在农业上的应用研究进展[J].广西师范学院学报， 2002，19（4）：15-17.
[13] 陈碧琼，孙康.甲壳素和壳聚糖的医药应用及开发近况[J].中国药物化学杂志，2001，11（8）：245-248.
关键词 甲壳素；壳聚糖；生理功能；应用领域
中图分类号 S188 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）18-024-02
甲壳素，又称甲壳质、几丁质，是生物体内的天然高分子聚合物。其脱乙酰基后的产物为壳聚糖，是葡萄糖分子的多聚物，结构与纤维素类似。甲壳素广泛存在于低等植物菌类以及海洋无脊椎动物的外壳中，还是某些真菌细胞壁的重要组成成分。甲壳素-壳聚糖作为自然界中大量存在的、碱性阳离子聚合物具有多种生物学活性功能，已被欧美中日政府认定为机能性免疫物质；此外，两者还具有良好的生物相容性和可降解性，无毒，价格低廉。甲壳素类产品还有易改质、机械强度较好等优点，已在环境保护、医疗卫生、美容保健、食品安全、工农业发展、纺织工业等领域得到广泛应用，并有待进一步的深度开发。
在国际上，日本、美国甲壳素类产品的研发较领先。我国虽起步较晚，但发展迅速。近年，虽然对制取甲壳素-壳聚糖的制备工艺进行了不断地改进与创新，但是仍存在诸多问题，如成本较高、污染严重、易降解、产品质量不易控制等。所以，亟待开发出高效、环保的制备工艺，推动我国壳聚糖生产提高到一个新的水平。
1 甲壳素-壳聚糖的生理功能
甲壳素是天然的中性黏多糖，属于一种线型高分子多糖。它化学性质不活泼，不与体液发生变化，对组织不起异物反应，具有调节免疫力、降低血压、调节血脂、降低血糖、提高胰岛素利用率、抗肿瘤、抑菌等多种生理功能。
1.1 调节免疫力 生物体内巨噬细胞的含量以及T淋巴细胞的活性是改善人体免疫力的关键因素，而甲壳素-壳聚糖则可以促进生成巨噬细胞、活化T淋巴细胞，从而提高机体免疫能力。甲壳素-壳聚糖自身携带的阳性基团-NH+3可促使游离在血液中的单核细胞的聚集，或通过刺激细胞的局部组织，诱导细胞增生，从而增加细胞中巨噬细胞的含量[1]；此外，甲壳素-壳聚糖还可以活化T淋巴细胞，提高机体的免疫水平。机体内偏酸的环境会诱导癌症的发生。癌细胞在酸性环境中会加快增殖速度，而淋巴细胞在此条件下处于迟钝状态，不能有效发挥免疫功能。甲壳素-壳聚糖的加入能够调整机体pH水平，使得细胞呈碱性，T淋巴细胞得到活化，有效进攻癌细胞，改善体内环境[2]。
1.2 降血压 壳聚糖具有较好的降血压作用。当生物体内过量摄入食盐时，体内Cl-增加，造成细胞内Cl-堆积，使人体处于高血压的状态，而壳聚糖自身携带的阳性基团-NH+3能够吸附食盐中的Cl-，二者结合形成稳定的复合物，促进Cl-的排放[3]，抑制血管收缩素源的活性[4]，抑制血压的升高；同时，壳聚糖还能促进小肠对Ca2+和Fe2+的吸收，细胞内这两种阳离子的富集在一定程度上可促进Na+通过代谢排出体外，达到降压的效果[5]。此外，甲壳素也能通过降血脂作用使得血管内壁的弹性恢复到较好状态，促使血压下降。
1.3 降血糖 生物体血糖持续升高的直接后果是导致糖尿病等一系列病症的发生。当体内胰岛素分泌不足或特定的靶细胞对胰岛素的感应敏感度降低时，细胞内糖类、脂类、蛋白质等生物大分子的代谢作用会受到抑制，促使机体内血糖浓度显著升高[6]。研究表明，壳聚糖分子具有降血糖的作用。一方面，当细胞内血糖水平异常时，低分子量的壳聚糖通过渗透作用进入胰岛细胞，对损伤的细胞进行修复，提高其分泌胰岛素的能力，同时增加外周组织对所分泌胰岛素的敏感性，促进血糖的代谢，降低机体内的血糖水平；另一方面，甲壳素可通过协调脏器功能，促进内分泌，改善胰腺功能，活化胰岛细胞，促进β细胞分泌胰岛素[7]。此外，甲壳素可吸收胃内水分，与胃内物混合，使得体内产生扩容效应，从而使胃的排空时间延长，餐后血糖峰值下降时限随之拖后，进而控制餐后高血糖的出现。
1.4 抗肿瘤 甲壳素-壳聚糖具有显著的抗肿瘤作用。这一功能主要通过增强机体的非特异性免疫功能来实现。低分子量的甲壳素尤其是其六聚糖形态具有极高的抗肿瘤活性。研究证实，甲壳六糖和壳六糖均能抑制小鼠体内的肿瘤细胞的生长，表现出明显的抗癌功效[8]。甲壳素的抗肿瘤活性主要体现为它可活化巨噬细胞、T淋巴细胞、NK细胞和LAK细胞，通过抑制肿瘤细胞在皮下基质的黏附、抑制白介素的产生和朝向肿瘤实体的血管生成发挥作用[9]。
1.5 抑菌 早在1979年便有学者指出壳聚糖具有抑菌的功效，且抗菌谱广[10]，随后相继通过对大肠杆菌、金黄色葡萄球等的抑制作用，发现壳聚糖对革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌均表现出良好的杀菌效果，进一步证实其壳聚糖的广谱抗菌性。壳聚糖的杀菌机理主要体现在：一方面，其自身所携带的正电荷可以与带负电荷的细胞吸附，从而在细胞壁表现形成一层由壳聚糖组成的高分子聚合膜，进而改变细胞膜的通透性，抑制营养物质的吸收和代谢废物的排放，使得细胞发生质壁分离，最终导致细菌细胞死亡；另一方面，低分子量的壳聚糖可以通过渗透作用直接进入细菌细胞，大量富集细胞内带负电荷的细胞质物质，发生絮凝作用，使得细胞丧失正常的代谢功能，从而杀灭细菌[11]。
2 甲壳素-壳聚糖的应用领域
甲壳素-壳聚糖性能独特，具有组织相容性良好、可生物降解等优点，是绿色环保型材料。在倡导创建“资源节约型，环境友好型”社会的当下，它极具开发前景。
2.1 工业领域 甲壳素-壳聚糖具有良好的吸附性和成膜性能，近年来已成为修饰电极高分子的首选材料，被应用于化学传感器和生物传感器；甲壳素-壳聚糖可提高纸张的耐电压强度，也能改善纸张的表面印刷性，从而适应高速印刷、高黏度油墨的要求，目前已被广泛应用于印刷纸的生产中；痕量分析研究表明，甲壳素-壳聚糖可结合高灵敏的分析方法，作为富集剂来分析样品中的痕量元素，对钨、银、铬、铂、铋、汞、铜等元素实现低检出、限检出。 2.2 农业领域 甲壳素-壳聚糖的优异性能使其在农业领域的应用颇为广泛，其多聚物可以促进作物的生长，改善土壤的微生态环境，提高作物抵御病虫害的能力，因此常被用作植物的生长促进剂和土壤改良剂等。有研究表明，将甲壳素-壳聚糖添加到饲料中饲喂家禽，还可以提高家禽免疫力，改善圈舍环境，增强蛋和肉的品质[12]。
2.3 环保领域 甲壳素可以作为水处理剂，净化饮用水，澄清污水，有效除去工业废水中重金属等有害物质，并且回收贵重金属，聚集电解质；甲壳素可生物降解，有研究表明甲壳胺地膜可在2～3月的时间内全部分解，是解决“白色污染”的有效途径。用其制成的天然无公害塑胶、可降解地膜不仅环保，而且能够有效改良土壤问题。
2.4 食品领域 甲壳素因其具有成本低、效率高、无毒无害、操作简便及具有显著的防腐、保鲜效果等优越性能而被广泛应用于食品中。其作用机理主要体现在：甲壳素具有很好的成膜性，将其喷洒或涂抹于果蔬表面后可在其表面形成一层致密、透明的保护膜，起到抑制微生物生长、维持果蔬色泽、抑制水分散失、降低呼吸作用、减少养分消耗等作用，使得果蔬始终处于代谢缓慢的稳定环境中，进而延长保存时间，提高货架期。它是一种安全、无毒、绿色的生物防腐剂。
2.5 医用领域 甲壳素有良好的生物相容性，且具有无毒性、成本低、易改质、机械强度好、广谱抗菌性强等优点，十分适合应用于医疗领域。它可作为医用生物材料，如吸收性手术缝合线、止血剂、免疫促进剂、肿瘤抑制剂和愈合剂等[13]。
2.6 纺织领域 用壳聚糖纤维生产的抗菌织物具有较好的吸湿性、透气性和柔软手感等，且具有强大的抗菌能力，90%以上的常见细菌在甲壳素纤维上不能存活，因此甲壳素纤维与彩棉货纯棉等纤维制成的面料特别适合做婴幼儿服装、男女高档内衣。
3 展望
甲壳素在自然界中分布十分广泛，是仅次于纤维素的自然界储存量第二大的天然多糖化合物。目前，人类对甲壳素的开发仅处于初级阶段。据推算，自然界的生物每年能生产1 000亿t甲壳素，其中能被现代化工业利用的仅为200万t。由此可见，甲壳素具有极大的开发潜力。甲壳素的多种优良特性以及丰富的资源状态必将使其具有更加广阔的应用前景，从而更好地服务于人们的生活。
参考文献
[1] 王润莲， 贾志海， 朱晓萍. 甲壳素和壳聚糖营养研究进展[J].动物营养学报， 2006，18（4）： 299-302.
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