壳聚糖及其衍生物抗菌活性研究进展

胡新良，王 勤

（孝感学院化学与材料科学学院，湖北孝感 432100）

甲壳素是自然界中含量仅次于纤维素的有机物，每年生物合成甲壳素约100亿t[1]，也是自然界中含氮量仅次于蛋白质的有机物。全球每年水产加工产生的甲壳素废弃物达140多万t。甲壳素是目前尚未被充分利用的天然资源之一。壳聚糖通常是以虾类、蟹类以及昆虫的外壳或真菌、藻类等细胞壁提取的甲壳素经脱乙酰化反应而得到的纯天然多糖类有机聚合物，是存在于自然界中的众多天然多糖中唯一丰富的碱性多糖。从分子结构上看，壳聚糖是由大部分2-氨基-2-脱氧-D-吡喃葡萄糖以及少量2-乙酰氨基-2-脱氧-D-吡喃葡萄糖通过β-(1-4)糖苷键连接而成的二元线性聚合物。已有大量研究显示，壳聚糖具有抗菌作用。该文将对有关壳聚糖及其衍生物抗菌活性的应用研究、影响因素及抗菌机理等进行综述。

1 壳聚糖及其衍生物的抗菌活性

1.1 壳聚糖的体外抗菌活性

蒋玉燕等[2]研究表明，壳聚糖对革兰氏阳性菌及革兰氏阴性菌都有明显的抑制效果，且对革兰氏阳性菌的敏感性高于革兰氏阴性菌，当壳聚糖浓度为5 mg/mL时，对革兰阳性菌的抑菌率达75%以上，而对大部分革兰阴性菌的抑菌率仅为20%～30%。F.Seyfarth等[3]研究了壳聚糖抗真菌作用，结果发现，壳聚糖对白色念珠菌、克柔氏念珠菌、光滑念珠菌都有抑制作用，且随着分子量的降低，壳聚糖抗菌活性减弱。另有研究发现，在烧伤病人发生金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌和酿脓链球菌感染时，壳聚糖具有显著的抑菌作用；对一般人体表皮的皮肤细菌也有显著的抑菌效果。

1.2 壳聚糖衍生物的体外抗菌活性

壳聚糖分子结构中存在的大量氨基和羟基为其化学改性创造了有利条件。近年来，人们通过对壳聚糖的化学改性，获得了多种衍生物。壳聚糖的衍生化不仅能改善其水溶性差的缺点，而且保留甚至增强了其抗菌活性。Muzzarelli等[4]研究发现，羧丁基壳聚糖对革兰阳性菌和念珠菌特别有效，在浓度为8 mg/mL时抑制了大部分被试菌株；对革兰阴性菌，在浓度为9 mg/mL时抑菌率达到90%以上。Chen CS等[5]研究发现，磺酸壳聚糖和苯甲磺酰壳聚糖也具有抗菌作用，对痢疾志贺菌、嗜水气单胞菌、鼠沙门菌、蜡样芽孢杆菌的最低抑菌浓度比壳聚糖低。Qin等[6]用微量热法研究了N-2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的抑菌作用，结果表明，其对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和白色念珠菌的生长具有抑制作用，且在弱碱性环境中比在弱酸性环境中的作用强。R.L.Patale和V.B.Patravale[7]制备了羧甲基壳聚糖-锌复合物并研究了其抗菌活性，发现该复合物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均表现出抗菌活性，且羧甲基壳聚糖-锌复合物的抗菌活性明显强于壳聚糖-锌复合物。

2 壳聚糖及其衍生物抗菌活性的应用研究

2.1 在食品中的应用

壳聚糖及其衍生物可作为延长食品保存期的保鲜剂和防腐剂。赵博等[8]以红橘为原料,研究了室温条件下不同配比的壳聚糖与生姜大蒜提取物的复配涂膜液对果实的保鲜效果。结果表明，用壳聚糖和生姜大蒜提取物的复配液来处理红橘对其采后贮藏期间的生理代谢具有明显的抑制作用，可以显著降低红橘果实的腐烂率和失重率，延缓果实总酸和Vc含量的下降。Ghaouth等[9]、李红叶等[10]研究发现，用壳聚糖处理的苹果比未涂膜的发病率低，且对褐腐病菌、软腐病菌和灰霉病菌有直接抑制作用。Papineau[11]等研究发现，0.2 mg/mL的壳聚糖乳酸盐对大肠杆菌的繁殖具有较好的抑制作用，且壳聚糖能很好的抑制酵母菌（如酿酒酵母）的繁殖，1 mg/mL的壳聚糖乳酸盐会使酵母菌在17 min内完全失去活性。Chen[12]等研究了脱乙酰度为69%、磺化度分别为0.63%、13.03%的壳聚糖和硫代苯甲酰壳聚糖对牡蛎的防腐作用，结果表明，除芽孢杆菌外，这4种化合物对细菌的繁殖均具有很好的抑制效果。

2.2 医药领域的应用

邓婧等[13]研究发现，壳聚糖对常见的伤口感染菌、皮肤癣菌、口腔致病菌均有较为显著的抑菌效果，在pH6.5时，壳聚糖对牙龈卟啉单胞菌、白色念珠菌、变形链球菌、金黄色葡萄球菌和幽门螺杆菌等口腔常见致病菌均有抑制作用，同时还证明了壳聚糖热稳定性好。王科兵[14]等以水溶性壳聚糖为载体与碘络合制备的碘壳聚糖无纺布，结果发现，壳聚糖碘液对常见致病性皮肤癣菌均有明显的杀菌作用，3 h即能杀死全部真菌。在伤口敷料材料中加入壳聚糖可以缓慢地释放有效抗菌成分，使材料的抗菌效果大幅增加[15]。S.Y.Ong等[16]制备了壳聚糖-聚磷酸盐敷料，该敷料具有加速血液凝固、血小板附着、凝血酶产生等作用。

2.3 壳聚糖在织物上的抗菌活性

理想的织物抗菌处理应该是对人体安全并且对环境友好的，壳聚糖作为一种天然高分子，具有无毒、生物可降解和生物相容性，同时又具有抗菌活性，是用于织物抗菌的理想材料。陆淼泉等[17]研究证明，壳聚糖对织物上的白色念珠菌、大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抗菌率为100%，经多次皂洗后，对上述3种菌的抗菌率仍在75%以上。Gupta等[18]研究发现，以0.1%水溶性羧甲基壳聚糖处理过的棉纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出良好的抗菌活性，同时有利于棉织物褶皱的平复。张伟等[19]比较了壳聚糖及壳聚糖季铵盐的抗菌性，并将其用于桑蚕丝织物的抗菌整理。结果表明：壳聚糖及其季铵盐对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均有显著的抑菌性；经壳聚糖及其季铵盐处理后，桑蚕丝织物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率均明显提高。

3 壳聚糖抗菌活性的影响因素及抗菌机理

3.1 影响因素

壳聚糖及其衍生物的抗菌活性受多种因素影响，包括分子量、环境pH、浓度及脱乙酰度等。何日安等[20]通过测定最小抑制浓度和抑制圈,研究不同分子量的低分子量壳聚糖对稻胡麻叶斑病菌等13个植物原病菌的抑制作用，结果表明，对多数植物病原菌来说，可溶性的低分子量壳聚糖分子量在662～5 492范围内,随分子量的增加，其抑菌能力增强,抑菌效果更明显,最小杀菌浓度减小，杀菌能力增强。其中以聚合度在10～34,分子量在1 628～5 492的低分子量壳聚糖抑菌效果最好，对野油菜黄单孢28004菌、青枯雷尔氏菌GMI1000菌株和辣椒斑点病菌的抑菌效果都很好。成庆利等[21]研究了pH、壳聚糖分子量和浓度对壳聚糖杀菌效果的影响，结果表明，最适pH为5～6;壳聚糖分子量为4.4 kd时,杀菌效果最好;壳聚糖杀菌率随浓度的增大而增大。Jeon等[22]发现，在pH为6的条件下，分子量大的壳聚糖表现出较高的杀菌活性。但也有研究表明，抑菌对象不同，分子量对壳聚糖抗菌特性也不同。对革兰氏阳性菌，壳聚糖的抗菌作用随分子量增大而增强；而对革兰氏阴性菌，抗菌作用却随分子量减小而增强。Simpson等[23]研究了脱乙酰度对壳聚糖抗菌活性的影响，发现高脱乙酰度比低脱乙酰度的壳聚糖更能有效地抑制大肠杆菌的生长。胡瑛等[24]研究发现，1.0 g/L的酰化壳聚糖对葡萄灰霉病病菌、小麦颖枯病病菌、黄色镰刀菌和立枯丝核菌4种植物病原真菌具有明显抗菌性，抗菌性随着乙酰基团的增加而增强，酰化壳聚糖和壳聚糖对葡萄灰霉病病菌和小麦颖枯病病菌的最低抑菌浓度（MIC）分别为0.5、1.0 g/L。较高乙酰度的水溶性壳聚糖具有抗菌性，随着重均分子量的下降，对黄色镰刀菌的抗菌性增强，而对其他3种菌的抗性下降。由于壳聚糖及其衍生物的抗菌活性受到的影响因素较多，研究结果不尽相同，但基本认为pH>7的环境中其活性很弱。

3.2 抗菌机理

壳聚糖的抗菌机理目前还不十分清楚，人们提出了多种机理，主要有以下3种：①壳聚糖能够结合一些微生物正常生长所必需的微量元素、金属元素或营养物质，从而抑制微生物生长[25]；②酸性环境下，壳聚糖以聚阳离子形式存在，可与微生物带负电荷的细胞膜通过静电作用结合，使细胞发生凹陷、变形和泄露[26]；③壳聚糖可透过微生物细胞壁进入到细胞内部，与DNA形成稳定的复合物，干扰DNA聚合酶或RNA聚合酶的作用，阻碍DNA或RNA的合成，从而抑制微生物繁殖[23]。

4 结语

壳聚糖作为唯一的自然界中含量丰富的天然碱性多糖，其抗菌活性已成为人们关注的焦点。随着人们对壳聚糖及其衍生物的研究不断深入，以及对其抑菌机理的不断探索，其应用前景将更为广阔。

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