壳聚糖及壳聚糖酶的研究进展与应用现状【文献综述】

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毕业论文文献综述食品科学与工程壳聚糖及壳聚糖酶的研究进展与应用现状[摘要]壳聚糖(chitosan)是目前被广泛研究多糖类分子，在医药、食品、化工等领域具有广泛的应用价值，而壳聚糖酶是专一性降解壳聚糖产生壳寡糖的水解酶，水解得到的壳聚寡糖在医药领域中也有着广阔的应用前景。本文对近几年国内外研究壳聚糖应用研究的现状进行了综述，主要介绍了壳聚糖及壳聚糖水解酶的研究进展以及它们在食品、工业等各领域的应用现状及其前景。[关键词]壳聚糖；壳聚糖酶；应用；进展1壳聚糖、壳寡糖及壳聚糖酶的性质研究壳聚糖(Chitosan)，由几丁质经脱乙酰作用得到，学名为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖。壳聚糖为天然高分子，它的血液相容性、安全性、微生物降解性等优良性能被各行各业广泛关注，在医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化工程及生物医学工程等诸多领域被广泛研究及应用[1]。壳寡糖[2](Chitooligosaccharide，COS)，也叫壳聚寡糖，也称几丁寡糖，学名β-1，4-寡糖-葡萄糖胺，是将壳聚糖经水解后得到的一种新产品，是水溶性较好、功能作用大、生物活性高的低分子量产品。它与壳聚糖相比，具有较高的溶解度，以及容易被生物体吸收，其作用为壳聚糖的14倍。壳聚糖酶(Chitosanase)，是最近发现的降解壳聚糖的专一性酶，壳聚糖经其降解后生成低分子量壳聚寡糖，并且在医药领域中有着广泛的应用前景。目前在生产壳寡糖的工业领域中，壳聚糖酶因其产率高，比其他方法易于控制，且对环境污染少而逐步被引起重视[3]。2在食品中的应用2.1抗菌剂壳聚糖及其衍生物有较好的抗菌活性[4]，能抑制一些真菌、细菌、和病毒 的生长繁殖。目前认为可能有三种机制：一是由于带负电荷的基团与壳聚糖分子的多聚阳离子作用，从而改变了病原菌细胞膜的通透性和流动性；二是DNA的复制与转录被干扰；三是病原菌代谢被阻断。2.2果蔬保鲜剂通过壳聚糖对番茄的保鲜进行研究[5]，结果证明，番茄的转色能被壳聚糖显著减缓，同时果实的硬度保持的很好。壳聚糖浓度越高，保鲜效果越好。作用于苹果保鲜上时，涂膜阻碍了贮藏间维生素C的下降，苹果的呼吸强度被降低，采后苹果的膜脂过氧化也减少。将2%改性后的壳聚糖涂膜在柑橘、苹果表面后，结果在30℃下贮藏一周的柑橘没出现明显的斑痕，而另一半则正好相反。草莓经1%的壳聚糖溶液处理后并且贮藏一段时间后，维生素C和超氧化物岐化酶含量依旧保持较高的水平。2.3抗氧化剂肉类食品腐败变质的原因是因为肉类食品中含有高含量的不饱和脂类化合物，而这些化合物易被氧化，因此缩短了肉制品的贮存寿命，并且破坏了肉制品的风味。用经过壳聚糖处理过的牛肉来进行氧化稳定性的研究[6]，结果发现，加了1%的壳聚糖，并且在4℃下贮藏3天的牛肉中的硫代巴比土酸减少了70%。Shahidi报道，对抑制熟肉的氧化非常有效的化合物包括：N,O-羧甲基壳聚糖(NOOC)及其乳酸盐，吡咯烷羧酸盐，并且加了该化合物的熟肉冷藏9天后风味几乎不变。而且研究还发现，这种抑制氧化作用的机理与肉中自由的铁离子和壳聚糖有关。在热处理肉的过程中，从肉的血红蛋白中释放出了自由铁离子，与加入的壳聚糖螯合形成了螯合物，从而抑制了铁离子的催化活性，进而防止了腐败作用。2.4保健食品添加剂人体的胃肠很难消化吸收壳聚糖，当它们被摄入人体内后，相当于它们自身质量许多倍的脂肪酸、甘油三酯、胆固醇、胆汁酸等与它们生成络合物，而该络合物不能被胃酸水解，消化系统无法吸收，从而阻碍了人体吸收这类的物质，结果是壳聚糖穿肠而过最后排出体外。从这个方面看，壳聚糖类的物质有降脂，减少食品热量的作用，因此可用来作保健食品的添加剂。Agullo[7]等人的研究还表明了，具有非常爽口的甜味的壳二、三糖，不仅能调解血压、增强免疫力、降低胆固醇和消除脂肪肝，而且还能提高食品的保水性以及调节水分，因此完全可以添加到糖尿病人和肥胖病人的食物中，起到保健作用。 2.5果汁的澄清剂在果汁中存在大量的带负电荷的纤维素、鞣质、果胶和多聚戊糖等物质，这些东西会导致果汁浑浊。而壳聚糖带有正电荷[8]，因此与果汁中带负电荷的物质吸附后，二者絮凝，使果汁澄清，且经过该处理方法后澄清的果汁具有稳定的热力学系统，能长期存放且不产生浑浊。同时一些研究也表明，不单是果汁，对葡萄柚果汁作用的话，壳聚糖也能起到很好的净化作用。并且无论有没有用果胶酶处理该葡萄柚果汁，壳聚糖起到的澄清效果依旧很显著。此外还有关于葡萄酒的研究，由于Spagna[9]等报道，由于聚苯酚类化合物如肉桂酸与壳聚糖有好的亲合性，因此当把壳聚糖加入纯葡萄酒中时，二者的亲和作用能使淡黄色的葡萄酒变为深金黄黄色，葡萄酒的质量被大大提高。对葡萄果汁而言，壳聚糖也能起到很好的净化作用，且能够较好地降低果汁的酸度。3在医学上的应用3.1促进凝血和伤口愈合壳聚糖能够促进血液凝固[10]，因此可用来作止血剂。此外，塌还具有促进伤口愈合、灭菌、吸收伤口渗出物质等作用，而且不易脱水收缩，因此还可以用作伤口填料物质。3.2作为药物的缓释基质溶菌酶可以将壳聚糖降解生成天然的代谢物，而这种代谢物无毒，而且能被生物体完全吸收，因此用它来作药物的缓释剂具有强大的优越性。在日本，已经有用壳聚糖来作为基质的缓释药物出售[11]。3.3用于人造组织和器官磷酸钙与壳聚糖的复合物可以用来作为骨的替代物，用来修补骨骼以及牙的填料；同时，可以用壳聚糖的衍生物和聚酯的复合材料来作人造血管。曾经有一种新型的材料———“人造皮肤”，它具有天然皮肤的功能，不但能够保护伤口，使其免受细菌的感染，而且还能够渗透空气和水分，从而促进伤口愈合。用甲壳素和壳聚糖混合之后可以制成高强度的丝状纤维的手术线，生物体内的溶菌酶可以降解这种手术线，然后被机体吸收，且不会产生过敏，免除伤口愈合之后拆除的麻烦和痛苦。3.4具有免疫调节活性 壳聚糖在免疫调节方面具有强大的作用：如激活机体系统[12]、提高吞噬细胞的功能以及参加机体系统的一系列的生物学效应。壳聚糖本质是细菌多糖的类似物，可以与巨噬细胞的表面存在着的细菌多糖的受体反应，从而刺激巨噬细胞，使其活化，进而产生反应：促进它的吞噬功能，在其他系统的免疫反应中增强了它的协同效应，实现了机体对T细胞、B细胞和NK细胞的调节。因此，壳聚糖在对机体的免疫调节方面有着重要作用。3.5其它医学用途壳聚糖能强化肝脏机能[13]，具有吸附和排泄残留在体内的毒素、化学色素、重金属、农药的功效。可作为牙抗菌素的载体，具有消炎、止血和伤口愈合的功能；可以用于降胆固醇剂，使肝脏和血清中的胆固醇浓度降低。癌症患者服用壳聚糖后，可激活体内具有免疫功能的淋巴细胞，使其能分辨正常细胞和癌细胞，并杀死癌细胞。壳聚糖能调节体内的pH值，使其减到弱碱性，提高胰岛素的利用率，有利于防治糖尿病。此外，它还能抑制血糖升高，并且具有调节内分泌系统的功能，降低血脂。4在环保中的应用壳聚糖分子中起到净化环保作用的是部分是其分子中的氨基以及与氨基相邻的羟基，它们能与许多金属离子(如Ni2+、Ca2+、Hg2+、Ag+、pb2+、Cu2+、pb2+等)进行吸附作用[14]，从而形成了稳定的螯合物，可以用来治理工业生产中的重金属废水，此外还可以净化自来水。同时，在湿法冶金中还可以用来分离金属离子等。值得一提的是，因为壳聚糖具有络合及离子交换的功能，对酶、氨基酸、染料、核酸、蛋白质、卤素等进行吸附，在用于染料废水、食品工业废水、印染废水的处理中起到重要的作用。5其他作用：抑脂作用1.通过模拟体外消化，壳聚糖与胆汁酸作用，在比例为1∶8时，壳聚糖可以较好的络合胆汁酸，干扰机体对脂肪的吸收，使摄入的脂肪排出体外。2.通过冰水游泳实验，证明食用适量壳聚糖对体质有增强和改善作用。6未来展望中国国内用甲醛和乙酸酐为交联剂，制备了以壳聚糖为母体的壳聚糖凝胶[15]，国内外关于壳聚糖凝胶的研究及应用报导较少。制备LCM-X既不溶于水，稀酸和碱溶液，也不溶于一般的有机溶剂，但是LCM-X是具有活性基团(NH2)的凝胶，并且具有较好的机械强度 和化学性质稳定性等优良性能且不需特殊处理，即带有活性基团(NH2)，以及其母体几丁质资源丰富，价格低廉，是一种很有应用前景的生物多聚物。但是由于尚未找到适宜的分散剂，致使LCM-X未能形成颗粒化的产品，应用受限制。这一点有待于进一步研究解决。中国国内外对水凝胶的方面的研究很重视，开发新的水凝胶资源是主要的任务之一，水凝胶具有优良的生物相容性，抗凝血性，吸水溶胀性和良好的光学性能。在固定化酶，细胞分离，蛋白制备，缓释药物，较接触旋的制造以及人工脏器的研究中具有重要的作用。但是在中国国内外见详细的报导有关壳聚糖水凝胶性质的研究，中国国内仅对水凝胶的初步性质进行了探索，结果认为水凝胶以甲醇为成胶介质凝胶的吸胀性最强，交链度与壳聚糖水凝胶的RV值成反比。关于壳聚糖凝胶的研究有待于进一步开展。[参考文献][1]JeonYJ，ParkPT，KimSK.AntimicrobialEffectofChitooligosaccharidesProducedbyBioreactor[J].CarbohydratePolymer，2001,44:71-76.[2]王德源，楚杰，马扭宏等.壳寡糖的酶法制备及应用进展[J].山东食品发酵，2003,(3):9-10.[3]韩永萍，林强.壳聚糖降解制备低聚壳聚糖和壳寡糖的研究进展[J].食品科技，2006,(7):35-38.[4]MonaghanRL，EveleighDE，TewariRP，etal.Chitosanase，anovelenzyme.NATURENEWBIOL.[J]，1973,245(142):78-80.[5]ParkRD，JoYY，LeeHC，etal.Endochitosanaseproducedbacillussp.P21asapotentialsourcefortheproducitonofchitooligosaccharides.KoreanJournalofAppliedMicrobiologyandBiotechnology[J].1998.26(4):345-351.[6]方祥年，杜昱光，黄秀梨，等.球孢白僵菌胞外壳聚糖酶的纯化和性质[J].菌物系统，2002,21(1):77-83.[7]ParkJK，ShimonoK，OchiaiN，etal.Purification，CharacterizartionandGeneAnalysisofaChitosanase(ChoA)fromMatsuebacterchitosanotabidus3001[J]，2000,32:197-203.[8]ZhangY，DaiAL，KuriowaK，etal.CloningandCharacterizationofaChitosanaseGenefromtheKojiMoldAspergillusoryzaeStrainIAM2660[J].BiosciBiotechnolBiochem，2001,64:977-981.[9]SekiguchiY，KariyaK，OgawaK.PurificationandsomePropertiesofaNovelChtosanase 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