甲壳素-壳聚糖抑菌性能研究

  甲壳素-壳聚糖是一种极有前途的天然高分子聚合物,自20世纪60年代以来,人们对它们的研究、生产、应用变得十分活跃。特别是近几年,研究人员认识到它们的抑菌效能,通过深入研究,有些甲壳素-壳聚糖的抑菌产品已经问世。

  甲壳素脱乙酰基产物为壳聚糖。据研究,壳聚糖的抑菌作用可能有两种机理,一种是壳聚糖通过正电荷的-NH3吸附带负电荷的细胞壁,使壳聚糖吸附在细胞膜表面形成一层高分子膜,改变了细胞膜的选择透过性,阻止营养物质向细胞内的运输,致使细胞质流失、细胞质壁分离,从而起到抑菌杀菌作用;另外一种机理是壳聚糖通过渗入进细胞体内,吸附细胞体内带有阴离子的细胞质,并发生絮凝作用扰乱细胞正常的生理活动,从而杀灭细菌。近几年,随着对该特性认识的加深,人们不仅对能够影响其抑菌性能的机理进行了深入的研究,而且,也开始应用化学方法对其进行改性,从而提高壳聚糖的抑菌性能,最终达到扩大其应用范围的目的。目前,针对影响壳聚糖抑菌性能方面的研究主要有以下几个方面:分子量对壳聚糖抑菌性能的影响多数研究认为,寡聚糖和低分子量的壳聚糖的抑菌效果较好,随分子量上升效果逐渐下降。特别是对大肠杆菌,壳聚糖分子量越小,抑菌作用愈明显。例如:宋献周等就几种不同分子量的α-壳聚糖对几种常见菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草杆菌、产气荚膜杆菌)的抑制研究表明,低分子量的α-壳聚糖的抑菌效果优于高分子量的α-壳聚糖。夏文水等采用E.coli作为试验菌株,测得分子量为1500的壳低聚糖抑菌效果最强。但是,也有一些研究利用不同的试验菌得出结论认为,壳聚糖分子量较大时,其抑菌能力更强。例如:Yousook等报导分子量为4万的壳聚糖在浓度为0.5%时,对S.taureus和E.coli的杀灭率为90%:分子量为18万的壳聚糖在浓度为500PPM时,对S.taureus和E.coli的杀灭率为100%:分子量在30万以下时,壳聚糖对金黄色葡萄球菌的抑制作用随分子量减小而逐渐减弱。

  pH值对壳聚糖抑菌性能的影响

  严钦等人研究认为,壳聚糖因为具有质子化铵,能与细菌大负电荷的细胞膜作用,干扰细菌细胞膜功能,造成细菌体内细胞质流失,扰乱细胞的正常生理代谢,从而达到杀菌的目的。而在pH为中性时,壳寡糖中的氨基没有被质子化,因而不能抑制细胞的生长,反而是作为一种糖被细菌利用。由此可见,通常在微酸条件下,壳聚糖具有明显的抑菌作用,但是当pH值为7时,壳聚糖不但没有抑菌效果,反而还有一定的促进细菌生长的作用。晶体形状对壳聚糖抑菌性能的影响甲壳质有3种晶型,即α、β和γ-壳二糖聚合物,目前,人们对壳聚糖的研究绝大多是针对α晶型,对其他两种研究甚少。蒋霞云等通过对比α-壳聚糖和β-壳聚糖的抑菌性能得出,具有高黏度和高脱乙酰度的β-壳聚糖的抑菌性能强于α-壳聚糖,从而填补了壳聚糖抑菌性能研究在该方面的空白。

  辐射对壳聚糖抑菌性能的影响

  目前,由辐射方法改变壳聚糖的抑菌性研究已经逐步深入进行,分别有金黄色葡萄球菌、酵母菌等多个菌种被测试,并分别得出了不同的作用效果及不同的作用浓度。王勇、张成刚等人将壳聚糖经100Kgy60Coγ-射线辐射处理后,发现其对金黄色葡萄球菌抑菌效果最强,比为辐射前增加100倍,且最适作用浓度为0.01%。孟玲、张中泽通过对酵母菌的抑菌试验验证,经辐射处理后壳聚糖的抑菌活性明显增强,并且0.2g/L的辐射壳聚糖具有明显的抑菌活性。

  化学改性对壳聚糖抑菌性能的影响

  羧甲基化羧甲基壳聚糖是目前研究的较多一种物质,由于羧甲基化后其水溶性增强,因此大大拓宽了壳聚糖的应用范围。目前,羧甲基壳聚糖大多被用于食品保鲜方面。李治等人经实验证实,羧甲基壳聚糖在羧甲基化度小于0.6~0.8时,抗菌性均大于壳聚糖,当羧甲基化度0.3~0.6范围内,羧甲基壳聚糖具有较强的抗菌性,羧甲基化度大于或小于此范围,抗菌性均有所下降。

  磺化由于壳聚糖上具有较多的活泼集团,因此较容易进行各类集团的转化与连接。黎碧娜等对磺化壳聚糖的抑菌性能进行了研究认为,磺化壳聚糖对大肠杆菌、枯草杆菌、葡萄球菌、黑曲霉、假丝酵母都有抑制作用,并且浓度越高,抑菌效果越好。此外,磺化羟丙基壳聚糖和黄原酸壳聚糖也具有一定的抑菌性。

  与金属离子的配位甲壳素和壳聚糖的残基在C2上有一个乙酰氨或氨基,在C3上有一个羟基,从构象上说,都是平伏键,这种特殊的结构使得它们对具有一定离子半径的一些金属在一定的pH值下具有螯合作用,即甲壳素和壳聚糖是一种天然高分子螯合剂,这无疑拓宽了壳聚糖的应用领域。

  研究认为,壳聚糖对过渡金属螯合作用具有很重要的应用价值。赵玉清等人合成了壳聚糖-Ag(I),并对其抑菌性研究认为,壳聚糖-Ag(I)对金黄色葡萄球菌有良好的抑制作用,并且,抑菌性能随配合物中Ag的配位比的增大而增大。其后,湛学军等人通过与传统的常用烧治制剂硝酸银对比,证明羧甲基壳聚糖银不仅具有创口愈合和抑菌两种特性,而且其对某些菌类的抑制效果较硝酸银强,同时可以弥补硝酸银在实际应用中的许多不足之处。可见,壳聚糖与某些金属络合后,会增加其抑菌性能。(作者:沈阳农业大学)