殼聚糖及其衍生物抗菌活性研究進展

胡新良，王 勤

（孝感學院化學與材料科學學院，湖北孝感 432100）

甲殼素是自然界中含量僅次于纖維素的有機物，每年生物合成甲殼素約100億t[1]，也是自然界中含氮量僅次于蛋白質的有機物。全球每年水產加工產生的甲殼素廢棄物達140多萬t。甲殼素是目前尚未被充分利用的天然資源之一。殼聚糖通常是以蝦類、蟹類以及昆蟲的外殼或真菌、藻類等細胞壁提取的甲殼素經脫乙酰化反應而得到的純天然多糖類有機聚合物，是存在于自然界中的眾多天然多糖中唯一豐富的堿性多糖。從分子結構上看，殼聚糖是由大部分2-氨基-2-脫氧-D-吡喃葡萄糖以及少量2-乙酰氨基-2-脫氧-D-吡喃葡萄糖通過β-(1-4)糖苷鍵連接而成的二元線性聚合物。已有大量研究顯示，殼聚糖具有抗菌作用。該文將對有關殼聚糖及其衍生物抗菌活性的應用研究、影響因素及抗菌機理等進行綜述。

1 殼聚糖及其衍生物的抗菌活性

1.1 殼聚糖的體外抗菌活性

蔣玉燕等[2]研究表明，殼聚糖對革蘭氏陽性菌及革蘭氏陰性菌都有明顯的抑制效果，且對革蘭氏陽性菌的敏感性高于革蘭氏陰性菌，當殼聚糖濃度為5 mg/mL時，對革蘭陽性菌的抑菌率達75%以上，而對大部分革蘭陰性菌的抑菌率僅為20%～30%。F.Seyfarth等[3]研究了殼聚糖抗真菌作用，結果發現，殼聚糖對白色念珠菌、克柔氏念珠菌、光滑念珠菌都有抑制作用，且隨著分子量的降低，殼聚糖抗菌活性減弱。另有研究發現，在燒傷病人發生金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌和釀膿鏈球菌感染時，殼聚糖具有顯著的抑菌作用；對一般人體表皮的皮膚細菌也有顯著的抑菌效果。

1.2 殼聚糖衍生物的體外抗菌活性

殼聚糖分子結構中存在的大量氨基和羥基為其化學改性創造了有利條件。近年來，人們通過對殼聚糖的化學改性，獲得了多種衍生物。殼聚糖的衍生化不僅能改善其水溶性差的缺點，而且保留甚至增強了其抗菌活性。Muzzarelli等[4]研究發現，羧丁基殼聚糖對革蘭陽性菌和念珠菌特別有效，在濃度為8 mg/mL時抑制了大部分被試菌株；對革蘭陰性菌，在濃度為9 mg/mL時抑菌率達到90%以上。Chen CS等[5]研究發現，磺酸殼聚糖和苯甲磺酰殼聚糖也具有抗菌作用，對痢疾志賀菌、嗜水氣單胞菌、鼠沙門菌、蠟樣芽孢桿菌的最低抑菌濃度比殼聚糖低。Qin等[6]用微量熱法研究了N-2-羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖的抑菌作用，結果表明，其對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和白色念珠菌的生長具有抑制作用，且在弱堿性環境中比在弱酸性環境中的作用強。R.L.Patale和V.B.Patravale[7]制備了羧甲基殼聚糖-鋅復合物并研究了其抗菌活性，發現該復合物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均表現出抗菌活性，且羧甲基殼聚糖-鋅復合物的抗菌活性明顯強于殼聚糖-鋅復合物。

2 殼聚糖及其衍生物抗菌活性的應用研究

2.1 在食品中的應用

殼聚糖及其衍生物可作為延長食品保存期的保鮮劑和防腐劑。趙博等[8]以紅橘為原料,研究了室溫條件下不同配比的殼聚糖與生姜大蒜提取物的復配涂膜液對果實的保鮮效果。結果表明，用殼聚糖和生姜大蒜提取物的復配液來處理紅橘對其采后貯藏期間的生理代謝具有明顯的抑制作用，可以顯著降低紅橘果實的腐爛率和失重率，延緩果實總酸和Vc含量的下降。Ghaouth等[9]、李紅葉等[10]研究發現，用殼聚糖處理的蘋果比未涂膜的發病率低，且對褐腐病菌、軟腐病菌和灰霉病菌有直接抑制作用。Papineau[11]等研究發現，0.2 mg/mL的殼聚糖乳酸鹽對大腸桿菌的繁殖具有較好的抑制作用，且殼聚糖能很好的抑制酵母菌（如釀酒酵母）的繁殖，1 mg/mL的殼聚糖乳酸鹽會使酵母菌在17 min內完全失去活性。Chen[12]等研究了脫乙酰度為69%、磺化度分別為0.63%、13.03%的殼聚糖和硫代苯甲酰殼聚糖對牡蠣的防腐作用，結果表明，除芽孢桿菌外，這4種化合物對細菌的繁殖均具有很好的抑制效果。

2.2 醫藥領域的應用

鄧婧等[13]研究發現，殼聚糖對常見的傷口感染菌、皮膚癬菌、口腔致病菌均有較為顯著的抑菌效果，在pH6.5時，殼聚糖對牙齦卟啉單胞菌、白色念珠菌、變形鏈球菌、金黃色葡萄球菌和幽門螺桿菌等口腔常見致病菌均有抑制作用，同時還證明了殼聚糖熱穩定性好。王科兵[14]等以水溶性殼聚糖為載體與碘絡合制備的碘殼聚糖無紡布，結果發現，殼聚糖碘液對常見致病性皮膚癬菌均有明顯的殺菌作用，3 h即能殺死全部真菌。在傷口敷料材料中加入殼聚糖可以緩慢地釋放有效抗菌成分，使材料的抗菌效果大幅增加[15]。S.Y.Ong等[16]制備了殼聚糖-聚磷酸鹽敷料，該敷料具有加速血液凝固、血小板附著、凝血酶產生等作用。

2.3 殼聚糖在織物上的抗菌活性

理想的織物抗菌處理應該是對人體安全并且對環境友好的，殼聚糖作為一種天然高分子，具有無毒、生物可降解和生物相容性，同時又具有抗菌活性，是用于織物抗菌的理想材料。陸淼泉等[17]研究證明，殼聚糖對織物上的白色念珠菌、大腸桿菌及金黃色葡萄球菌的抗菌率為100%，經多次皂洗后，對上述3種菌的抗菌率仍在75%以上。Gupta等[18]研究發現，以0.1%水溶性羧甲基殼聚糖處理過的棉纖維對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌表現出良好的抗菌活性，同時有利于棉織物褶皺的平復。張偉等[19]比較了殼聚糖及殼聚糖季銨鹽的抗菌性，并將其用于桑蠶絲織物的抗菌整理。結果表明：殼聚糖及其季銨鹽對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均有顯著的抑菌性；經殼聚糖及其季銨鹽處理后，桑蠶絲織物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率均明顯提高。

3 殼聚糖抗菌活性的影響因素及抗菌機理

3.1 影響因素

殼聚糖及其衍生物的抗菌活性受多種因素影響，包括分子量、環境pH、濃度及脫乙酰度等。何日安等[20]通過測定最小抑制濃度和抑制圈,研究不同分子量的低分子量殼聚糖對稻胡麻葉斑病菌等13個植物原病菌的抑制作用，結果表明，對多數植物病原菌來說，可溶性的低分子量殼聚糖分子量在662～5 492范圍內,隨分子量的增加，其抑菌能力增強,抑菌效果更明顯,最小殺菌濃度減小，殺菌能力增強。其中以聚合度在10～34,分子量在1 628～5 492的低分子量殼聚糖抑菌效果最好，對野油菜黃單孢28004菌、青枯雷爾氏菌GMI1000菌株和辣椒斑點病菌的抑菌效果都很好。成慶利等[21]研究了pH、殼聚糖分子量和濃度對殼聚糖殺菌效果的影響，結果表明，最適pH為5～6;殼聚糖分子量為4.4 kd時,殺菌效果最好;殼聚糖殺菌率隨濃度的增大而增大。Jeon等[22]發現，在pH為6的條件下，分子量大的殼聚糖表現出較高的殺菌活性。但也有研究表明，抑菌對象不同，分子量對殼聚糖抗菌特性也不同。對革蘭氏陽性菌，殼聚糖的抗菌作用隨分子量增大而增強；而對革蘭氏陰性菌，抗菌作用卻隨分子量減小而增強。Simpson等[23]研究了脫乙酰度對殼聚糖抗菌活性的影響，發現高脫乙酰度比低脫乙酰度的殼聚糖更能有效地抑制大腸桿菌的生長。胡瑛等[24]研究發現，1.0 g/L的酰化殼聚糖對葡萄灰霉病病菌、小麥穎枯病病菌、黃色鐮刀菌和立枯絲核菌4種植物病原真菌具有明顯抗菌性，抗菌性隨著乙酰基團的增加而增強，酰化殼聚糖和殼聚糖對葡萄灰霉病病菌和小麥穎枯病病菌的最低抑菌濃度（MIC）分別為0.5、1.0 g/L。較高乙酰度的水溶性殼聚糖具有抗菌性，隨著重均分子量的下降，對黃色鐮刀菌的抗菌性增強，而對其他3種菌的抗性下降。由于殼聚糖及其衍生物的抗菌活性受到的影響因素較多，研究結果不盡相同，但基本認為pH>7的環境中其活性很弱。

3.2 抗菌機理

殼聚糖的抗菌機理目前還不十分清楚，人們提出了多種機理，主要有以下3種：①殼聚糖能夠結合一些微生物正常生長所必需的微量元素、金屬元素或營養物質，從而抑制微生物生長[25]；②酸性環境下，殼聚糖以聚陽離子形式存在，可與微生物帶負電荷的細胞膜通過靜電作用結合，使細胞發生凹陷、變形和泄露[26]；③殼聚糖可透過微生物細胞壁進入到細胞內部，與DNA形成穩定的復合物，干擾DNA聚合酶或RNA聚合酶的作用，阻礙DNA或RNA的合成，從而抑制微生物繁殖[23]。

4 結語

殼聚糖作為唯一的自然界中含量豐富的天然堿性多糖，其抗菌活性已成為人們關注的焦點。隨著人們對殼聚糖及其衍生物的研究不斷深入，以及對其抑菌機理的不斷探索，其應用前景將更為廣闊。

[1]KUMAR MNVR,MUZZARELLI RAA,MUZZARELLI C.Chitosan Chemistry and Pharmaceutical perspectives[J].Chemical Reviews,2004,104(12):6017-6084.

[2]蔣玉燕,畢憶群,汪子偉,等.聚氨基葡萄糖的體外抗菌活性[J].中國抗生素雜志,1996,21(1):54-56.

[3]F.SEYFARTH.Antifungal effect of high-and low-molecularweight chitosan hydrochloride,carboxymethyl chitosan,chitosan oligosaccharide and N-acetyl-d-glucosamine against Candida albicans,Candida krusei and Candida glabrata[J].International Journal of Pharmaceutics,2008,353(1-2):139-148.

[4]MUZZARELLI R,TARSI R,FILIPPINI O,et al.Antimicrobial properties of N-carboxybutyl chitosan[J].Antimicrobial Agents and Chemotherapy,1990,34(10):2019-2023.

[5]CHEN CS,LIAU WY,TSAI GJ.Antibacterial effects of N-sulfonated and N-sulfobenzoyl chitosan and application to oyster preservation[J].Journal of Food Protection,1998,61(9):1124-1128.

[6]QIN CQ,XIAO Q,LI HR,et al.Calorimetric studies of the action of chitosan-N-2-hydroxypropyl trimethyl ammonium chloride on the growth of microorganisms[J].International Journal of Biological Macromolecules,2004,34(1-2):121-126.

[7]R.L.PATALE,V.B.PATRAVALE.O,N-carboxymethyl chitosanzinc complex: A novel chitosan complex with enhanced antimicrobial activity[J].Carbohydrate Polymers,2011,85(1):105-110.

[8]趙博.殼聚糖生姜大蒜提取物復合保鮮劑對紅橘的保鮮效果[J].安徽農業科學,2007,35(20):6228-6230.

[9]EI GHAOUTH A,PONNAMPALAM R,CASTAIGNE F,et al.Chitosan coating to extend the storage life of tomatoes[J].HortScience,1992,27(9):1016-1018.

[10]李紅葉.脫已酰殼聚糖對桃軟腐、褐腐病菌的抑制和采后軟腐病的防治研究[J].浙江農業學報,1997,9(2):87-92.

[11]PAPINEAU AM,HOOVER DG,KNORR D,et al.Antimicrobial Effect of Water-Soluble Chitosans with High Hydrostatic Pressure[J].Food Biotechnology,1991,5(1):45-57.

[12]CHEN CS,LIAU WY,TSAI GJ.Antibacterial Effects of NSulfonated and N-Sulfobenzoyl Chitosan and Application to Oyster Preservation [J].Journal of Food Protection,1998,61(9):1124-1128.

[13]鄧婧,符大勇,宋文斌,等.殼聚糖對幾種口腔常見致病菌的體外抑制作用[J].上海口腔醫學,2005,14(1):74-77.

[14]王科兵,肖激文,王芳宇,等.殼聚糖碘液體外抗真菌活性研究[J].解放軍藥學學報.2002,18(6):372-373.

[15]KNILL CJ,KENNEDY JF,MISTRY J,et al.Alginate fibers modified with unhydro-lyzed and hydrolyzed chitosans for wound dressings[J].Carbohydrate Polymers.2004,55(1):65-76.

[16]S.Y.ONG.Development of a chitosan-based wound dressing with improved hemostatic and antimicrobial properties[J].Biomaterials,2008,29(32):4323-4332.

[176]陸淼泉,王蔚.殼聚糖加工布料的抗菌性研究[J].浙江醫科大學學報,1997,26(6):255-257.

[18]GUPTA,D.,HAILE,A.,Multifunctional properties of cotton fabric treated with chitosan and carboxymethyl chitosan[J].Carbohydrate Polymers,2007,69(1):164-171.

[19]張偉,朱蓓,陳宇岳.殼聚糖季銨鹽在桑蠶絲織物抗菌整理中的應用[J].紡織學報,2010(10):70-74.

[20]何日安,岳武,姚評佳,等.低分子量殼聚糖對植物病原菌的抑制作用研究[J].安徽農業科學,2009,37(4):1566-1568.

[21]成慶利,劉秉濤,閆金霞.殼聚糖對公園污水渠殺菌效果研究[J].安徽農業科學,2006,34(23):6266-6267,6270.

[22]鄭連英,朱江峰,孫昆山,殼聚糖的抗菌性能研究[J].材料科學與工程,2000,18(2):22-24.

[23]SIMPSON BK,GAGNE N,ASHIE INA,et al.Utiization of chitosan for preservation of raw shrimp(Pandalus Borealis)[J].Food Biotechnology,1997,11(1):25-44.

[24]胡瑛,林建國,胡振,等.不同乙酰度殼聚糖的制備及抗菌活性的測定[J].湖北農業科學,2009,48(8):1894-1896.

[25]JACKSON SL,Heath IB,Roles of calcium ions in hyphal tip growth [J].Microbiology and Molecular Biology Reviews,1993,57(2):367-382.

[26]PAPINEAU AM,Hoover DG,Knorr D,et al.Antimicrobial effect of water-soluble chitosans with high hydrostatic pressure[J].Food Biotechnology,1991,5(1):45-57.