壳聚糖是甲壳素N-脱乙酰基的产物。又称脱乙酰甲壳素，是由自然界广泛存在的几丁质经过脱乙酰作用得到的，化学名称为β-（1，4）－2脱氧一D一葡萄糖。壳聚糖具有生物降解性、细胞亲和性和生物效应等许多独特的性质，尤其是含有游离氨基的壳聚糖，是天然多糖中唯一的碱性多糖。壳聚糖具有生物降解性、生物相容性、无毒性、抑菌、抗癌、降脂、增强免疫等多种生理功能，广泛应用于食品添加剂、纺织、农业、环保、美容保健、化妆品、抗菌剂、医用纤维、医用敷料、人造组织材料、药物缓释材料、基因转导载体、生物医用领域、医用可吸收材料、组织工程载体材料、医疗以及药物开发等众多领域和其他日用化学工业。

简介

壳聚糖是甲壳质经脱乙酰反应后的产品，脱乙酰基程度(D.D)决定了大分子链上胺基(NH2)含量的多少，而且D.D增加，由于胺基质子化而使壳聚糖在稀酸溶液中带电基团增多，聚电解质电荷密度增加，其结果必将导致其结构，性质和性能上的变化，至今壳聚糖稀溶液性质方面的研究都忽略了D.D值对方程的影响。

壳聚糖是以甲壳质为原料，再经提炼而成，不溶于水，能溶于稀酸，能被人体吸收。壳聚糖是甲壳质的一级衍生物。其化学结构为带阳离子的高分子碱性多糖聚合物，并具有独特的理化性能和生物活化功能。

结构性质

壳聚糖分子结构与纤维素相似，呈直链状，极性强，易结晶，可根据分子主链的排列方式将其分为α-、β-两种：α-分子主链以反平行方式排列，分子间氢键作用强；β-分子则相反。

主要用途

主要应用于食品、医药、农业种子、日用化工、工业废水处理等行业。壳寡糖具有提高免疫、活化细胞、预防癌症、降血脂、降血压、抗衰老,调节机体环境等作用,可用于医药、保健、食品领域。农业领域可应用于饲料添加、种子处理、土壤改良、水果保鲜等。

制备方法

制备壳聚糖的主要原料来源于水产加工厂废弃的虾壳和蟹壳，其主要成分有碳酸钙、蛋白质和甲壳素（20％左右）。

由虾蟹壳制备壳聚糖的过程实际上就是脱钙、去蛋白质、脱色和脱乙酸的过程。

目前国内外制备壳聚糖的方法包括酸碱法、酶法、氧化降解法及机械加工法。

酸碱法是利用稀盐酸将难溶的碳酸钙转化为可溶性的氯化钙而随溶液分出，再用稀碱将蛋白质溶出，再经过脱色及水洗、干燥等过程即可得到甲壳素，然后通过脱乙酸化反应，可使甲壳素脱去分子中的乙酸基，转变为壳聚糖。

酶法则是利用乙二胺脱钙、用酶去蛋白质的过程。机械加工法则是利用精选的虾蟹壳经过干燥、压碎、研磨、分选、精筛等过程。

其中最常用的方法是酸碱法，但此法仍存在许多问题，如酸碱性过强、降解速度慢、降解产物聚合度低、产物纯化难、生产成本高等。

主要功能

免疫活性

壳聚糖对免疫系统有多方面的调节作用。如可通过激活补体系统，介导补体的系列生物学效应，增强机体非特异性免疫系统功能。同时能分泌多种免疫因子，调节细胞免疫与体液免疫，从而增强机体抗感染能力。

巨噬细胞的表面存在着细菌多糖的受体，而壳聚糖作为细菌多糖的类似物，能刺激巨噬细胞活化，从而促进其吞噬能力，提高其分泌的水解酶活性。它还能激活T细胞和B细胞，增强其在免疫应答中的协同效应、介导机体的细胞免疫应答和体液免疫应答。

壳聚糖参与免疫系统免疫球蛋白（IgM）的生成，它刺激在不含血清介质中培养的人杂种瘤细胞HB4C5，与淋巴细胞内IgM的产生；但对IgG、IgA没有影响。ICR/JCL鼠长时间饲喂甲壳素能增加其在脾与骨髓中免疫细胞的数量。

因而，壳聚糖对动物机体非特异性免疫及特异性免疫均有不同程度的促进作用，是一种良好的免疫促进剂。

抑菌活性

壳聚糖与其他多糖一样，在其复杂的空间结构中含有高活性的功能基团，表现出类抗生素的特征，能够抑制多种细菌的生长与活性。

大量的实验表明，壳聚糖对大肠杆菌有抑制效果。研究发现，在pH值为5.5，浓度达0.5％和1％，经过两天潜伏期可以使其完全失活。不同脱乙酸度的壳聚糖具有不同的抑菌浓度，脱乙酸度越高其抑菌效果越好。在pH值为7时，壳聚糖不再具有抗菌效果。这是由于木带电荷的氨基酸残基比例的增加及与其更低的可溶性所致。

壳聚糖的抗菌活性还依赖于它的分子量与细菌类型。

在浓度为0．1％时，壳聚糖通常对革兰氏阳性菌表现更强的抗菌活性。根据不同细菌类型与壳聚糖分子量的分析，壳聚糖的最低抑菌浓度在0.05％–l％之间。当分子量为746ku的壳聚糖与分子量为470ku的壳聚糖相比时，分子量为746ku的壳聚糖对大肠杆菌与荧光假单胞杆菌具有更强的抑制效果。壳聚糖的抗菌效果与pH值呈反相关，pH值越低活性越高。

抗肿瘤活性

具有增强抗肿瘤药物作用，能促进白细胞介素2（IL一2）的生成，IL－2对NK、T和B细胞活性均有增强作用。

壳聚糖是一种带正电荷的天然高分子生物聚合物，显示极强的生理活性。肿瘤细胞表面带有更高负电荷，聚阳离子电解质能吸附到癌细胞表面使电荷中和，抑制肿瘤细胞生长与转移。在酸性环境中能形成阳离子基团，与体细胞产生亲和性，活化体细胞，增强机体免疫力。壳聚糖具有清除体内自由基细胞毒素的能力，可作为早期癌症的治疗药物。

调节胆固醇代谢

壳聚糖具有多聚物性质，粘滞度高，在上消化道不易被消化，吸水性高；而在下消化道吸水性低。还由于壳聚糖含有氨基，在体外试验的低pH值条件下通过离子键作用能与一系列阴离子如胆汁酸或游离脂肪酸结合。壳聚糖还可通过减少肠道脂质吸收，从而降低血浆中胆固醇与甘油三酯的水平。

应用价值

壳聚糖分子结构中大量游离氨的存在，溶解性能大大改观，具有一些独特的物化性质及生理功能，在农业、医药、食品、化妆品、环保诸方面具有广阔的应用前景。

工业价值

①与金属离子的螯合

壳聚糖是一种天然的高分子螯合剂，应用领域很广。在一定的PH条件下具有富集能力。壳聚糖对过度金属离子具有鳌合作用，因此，壳聚糖可作为盐溶液、天然水、海水、含盐废水等富集过渡金属离子的螯合剂，使其使用效果要比合成螯合树脂要优越得多。此外壳聚糖稀酸溶液的聚电解质性质可作为阳离子型无毒絮凝剂广泛用于食品工业和饮料工业。

②壳聚糖的混凝作用

壳聚糖分子链上分布着大量的游离氨基，在稀酸溶液中质子化，从而使壳聚糖分子链上带有大量的正电荷，成为一种聚电解质，一种典型的阳离子型混凝剂。

在应用上，壳聚糖是自来水厂（主要指使用地表水）净化水质的理想混凝剂，它不但可以除去水中的无机固体悬浮物，还可除去有害的极性有机物，如农药、表面活性剂等。壳聚糖的用量，取决于悬浊液的浓度、共存离子的浓度及悬浊液的pH等因素，一般而言，大约是悬浮液中干物质量的0.2％一10.0％。而从废水中可回收30％一70％的蛋白质，在某些情况下还能回收30％一50％的脂肪。

③生物大分子物质的回收

壳聚糖能沉淀水溶液中的透明质酸、硫酸软骨素、黏朊和核酸。同时也能凝集哺乳动物细胞。壳聚糖的这些作用可在生物化学、组织化学和细胞化学的研究中作为一个得力的工具。

壳聚糖对蛋白质、核酸、多糖等生物大分子物质的凝集和回收，无疑是具有很大吸引力的。

④污泥脱水

污水或废水处理后均产生大量的污泥，其中既有无机物又有有机物及微生物，成分十分复杂，经生化方法处理后仍存在许多问题，因此，污泥脱水一直是困扰人们的一大难题。壳聚糖被认为是一种无毒的、易降解的污泥脱水剂。配合其他混凝剂，效果更好，在日本已使用较多。

⑤在分析化学中的作用

由于甲壳素和壳聚糖结构上的特殊性，具有离子交换、螯合、吸附等作用，加上本身是一种高分子化合物，不溶于水和大多数有机溶剂，有一定的刚性和抗压性，便于制备各种各样的衍生物，因此在分析化学上会得到较广泛的应用。这方面的研究工作报道较多，涉及的范围也很广泛。

⑥功能材料

膜材料的最基本特点是具有透过作用，用于物质分离过程，如咸水的淡化，废水处理，食品工业和发酵工业中的物质分离，浓缩，人工肾中血液渗析等等。作为膜材料，除了具有一定的透过性能外，还要求有好的物理机械性能，而对于血液的渗透膜这样的医疗卫生材料，还需具有优良的生物学性能。

甲壳素和壳聚糖是极有发展前途的天然高分子膜材料。甲壳素和壳聚糖具有很好的成纤性。甲壳素和壳聚糖纤维的生产成本要高于黏胶纤维或醋酸纤维，这就决定了它们只能用于一些特殊场合，如作外科手术缝合线、离子交换纤维、辐射能防御布等。

⑦饮用水的净化

自来水的消毒，普通使用氯气或漂白粉，虽然消毒效果好，成本低，但在自来水中会产生和残留三氯甲烷、四氯化碳等卤代物，它们有潜在的致癌作用，活性炭也不能有效地去除。壳聚糖却能有效地除去这些卤代物。用包覆壳聚糖的活性炭作净水剂，既有效地提高活性炭的吸附性能，又降低了单用壳聚糖的费用。

⑧织物的整理剂

壳聚糖可作为织物的永久整理剂，使织物耐水洗，耐磨擦，具有固色和增强作用，提高织物的坚牢度，减少皱缩率，并使织物具有滑爽光洁和挺括的外观和手感。衬领和衣衬垫使用壳聚糖处理后既硬挺又不怕水洗。电线的绝缘包布用壳聚糖处理后可提高其绝缘性能及热老化性能。此外，甲壳素和壳聚糖也可制成具有特殊用途的纤维。

⑨日用化学品

壳聚糖溶于稀的弱酸中即为阳离子型高分子电解质，它无色无味、无嗅、无毒副作用，有很高的吸湿和保湿作用，因其含有氨基，与毛、发、皮肤有很好的亲和、渗透作用，而且还有抗菌作用，因此是一种理想的化妆品用高分子化合物。可以用于固发剂、头发调理剂、洗发香波、护肤剂、口腔卫生剂等。

医学价值

甲壳素和壳聚糖在医药和卫生材料方面应用研究由来已久，有些研究成果已付诸实际应用，甚至已工业化生产。目前美国、日本等已经尝试将其应用于生物医学领域，如止血剂、治癌剂、抗高胆固醇等。

①杀虫抑菌

a、杀灭寄生虫

许多温血动物容易感染蜱、螨等寄生虫。动物的寄生虫与细菌、病毒一样，也含有抗原物质，而甲壳素正好是这些寄生虫或某些细菌及真菌最有效的抗原。实验证明，把粉碎得很细的甲壳素用生理盐水配制后，给试验狗受蜱侵害的部位涂抹，数天之后，蜱全部被杀死，而且很快长出新毛。把壳聚糖溶于1％乙酸溶液中配成1％浓度的壳聚糖溶液，每天涂抹成年猕猴被螨损害而发生皮炎的部位，连续3天，就使顽固的皮炎治愈，10天后就开始长出新毛。

b、提高对卫生害虫的杀灭效果

为了防治苍蝇、蚊子等卫生害虫，常用的防治手段之一是在门窗上使用滞留喷洒杀虫剂，但若经风吹、雨淋等，杀虫剂会逐渐流失，药效降低，持效期缩短。为此，使用大分子的壳聚糖作为缓释成膜剂，可在药物表面形成具有通透性的不溶于水的半透膜，可延长杀虫剂的持效期，使灭蝇效果提高2倍多。

c、抑菌作用

在烧伤病人发生绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌和酿脓链球菌感染时，甲壳素和壳聚糖具有明显的抑菌作用，对于一般人体表皮存在的皮肤细菌如表皮葡萄球菌，肠细菌如大肠杆菌和人体真菌如热带白色念珠菌，也是如此。

我国南方人易患的“脚气病”，也是一种真菌感染。如果用l％壳聚糖乙酸溶液涂抹，连续五六天，就能止痒并治愈。口腔溃疡为临床常见多发病之一，以口服或给予抗生素等方法治疗，疗效不够理想。洛美沙星为氟喹酮类抗菌药。李平等以壳聚糖、甘油、明胶为辅料制备的洛美沙星壳聚糖口腔溃疡膜，用于口腔溃疡的治疗，疗效可靠，无不良反应。

②医用纤维和膜

a、手术缝合线

用甲壳素作原料可以制成外科手术缝合线，它的一个好处就是可以被有机体吸收而不用拆线，原因是因为甲壳素被酶水解成单糖或寡糖而实现的。目前外科手术仍是使用羊肠线，它的不足之处是缝合和打结不好操作，且容易产生抗原抗体反应，伤口愈合后必须拆线。

壳聚糖纤维制成的缝合线，在预定时间内有很强的抗张强度，在血清、尿、胆汁、胰液中能保持良好的强度。缝合和打结操作性好，在体内有良好的适应性，尤其是经过一定时间，壳聚糖缝合线能被溶菌酶所酶解，从而被人体自行吸收，因此，当伤口愈合后，不必再拆线。

b、医用纤维纸和膜

现在，外科手术常用纸代替纱布贴于人体组织表面。由植物纤维或合成纤维制成的纸容易引起炎症，甲壳素有消炎作用，用甲壳素纤维造的纸既柔软又消炎，是理想的材料。另外可用壳聚糖纤维或甲壳素纤维制成无纺布，还可以将聚氨基酸溶液与甲壳素混合均匀后涂在平板玻璃上浸人凝固剂制成薄膜，同样用做医用材料，这种薄膜均匀、透明、手感柔软，具有良好的弹性和强度。

c、人工肾膜

壳聚糖具有足够的机械强度，可以透过尿素、肌酐等水分子有机物，但不透过Na＋、K＋、Cl¯等无机离子及血清蛋白，透水性好，是一种理想的人工肾用膜。

d、人造皮肤

用壳聚糖或甲壳素造成的人造皮肤，柔软、舒适，与创面的贴合性好，既透气，又吸水，具有抑制疼痛和止血的功能，有抑菌消炎作用，随着伤口慢慢愈合，自身皮肤生长，它能自行溶解被机体吸收，免除了揭除时流血多及病人的痛苦，同时能促进皮肤的再生，对治疗高热创伤特别有效。

③药物载体

近年来，药理学的一个热门课题就是采用新材料、新工艺制造缓释药物和定向输送药物。现在市场上已出现这类新剂型的药物。甲壳素和其衍生物也是颇受青睐的载体材料，因为它们能使人体内的溶菌酶分解，分解产物不会对人的健康带来任何妨害，这是合成高分子和一些天然高分子所无法比拟的。

此外，将壳聚糖用作药物的载件和运输工具，控制壳聚糖在体内的酶水解速度，就可控制药物的释放速度。

a、缓释膜

经研究证实，分子量低于2900的化合物可以透过壳聚糖膜，作为分子量更低的药物，则更能顺利地透过此膜，这是壳聚糖或甲壳素可作为药物缓释膜的基础。许多药物可以制成甲壳素衍生物的缓释膜，例如抗菌素类的四环素、新霉素和杆菌肽，抗病毒类的碘苷，抗过敏性的氯曲米通，抗炎类的氢化可的松等。

b、缓释凝胶

缓释凝胶是在制备过程中直接用干燥的方法排除溶剂，最后形成凝胶，药物被包埋在其中，它们被植人体内后是蚀解式的缓释，即表层高分子材料吸水膨胀和形成凝胶，使水分不能很快进人内部溶解药物，只有当水分能进人内部后，才有药物慢慢溶出，直至药物释放完全为止。

c、缓释胶囊

缓释胶囊既不同于常见的明胶硬胶囊药物，也不同于微胶囊药物。它是由高分子材料制成的中空纤维或膜内装填药物，药物通过该中空纤维或膜的壁恒定地向外扩散，并在相当长的时间内维持恒定的释药速率。甲壳素或壳聚糖作为这种载体的一个突出好处是药物释放尽后，载体会被人体内的溶菌酶分解并能够完全被组织吸收。用它制成的中空纤维或薄膜是一种很好的缓释胶囊材料。

④抗癌作用

壳聚糖具有直接抑制肿瘤细胞的作用。在含有1×10¯５癌细胞的溶液中，加人0.5毫克/毫升壳聚糖溶液，24小时后癌细胞全部死亡。但甲壳素不能直接抑制癌细胞，必须通过活化免疫系统显示抑制癌细胞的作用。

⑤凝血剂和抗凝血剂

壳聚糖本身有很强的凝血作用，可以将其硫酸化后，又变成肝素类似物而具有抗凝血作用。高黏度壳聚糖溶液的使用效果要比明胶海绵好，还能防止感染。用粉末壳聚糖或壳聚糖溶液处理医用纱布，能制得止血纱布。涤纶人工血管经壳聚糖溶液浸渍过植入人体后，很快就会形成凝血层，减少了血液的损漏和病人的痛苦。

⑥眼科材料

甲壳素和壳聚糖可以制作接触镜片（即隐形眼镜）和接触镜片的清洗液，还可制作人造眼泪和消炎眼药膏。壳聚糖制作带色接触镜片，颜色可以持久。

a、隐形眼镜清洗液

b、人造泪

眼内自然泪分泌不足或使用隐形眼镜的人感到眼内干涩时，可滴加人造泪。人造泪可用1.8％一3.4％无菌壳聚糖溶液与0.5％聚氧化乙烯脱水山梨酸一油酸醋配成等渗溶液，并用0.5％氯化丁醇作防腐剂。

农业价值

1、种子处理剂

壳聚糖可用作许多粮食、蔬菜作物种子的处理剂，激发种子提前发芽，促进作物生长，提高抗病能力，从而提高粮食和蔬菜产量。

壳聚糖能在种子表面形成一层保护膜，利于保持种子水分供作物需要，如果土壤水分过多，又能阻断水分，防止种子烂掉，有利于种子发芽和出苗。用不同数量壳聚糖处理小麦、水稻、玉米等几个作物种子，均有取得增产的报道，国外报道壳聚糖可使茶叶味道更香醇，水稻的抗寒能力更强，可使番茄颜色靓丽，含糖量提高等。

2、液体土壤改良剂

利用壳聚糖的抗菌能力和改善土壤的作用，可将壳聚糖与可溶性蛋白（如胶原蛋白）合成液体土壤改良剂。这种改良剂有适当的稳定性和具有可降解性，降解以后是优质的有机肥料，可供作物吸收。并且能抑制土壤中的病原菌生长和繁殖，同时能有效地改善土壤的团粒结构，因此是一种比较理想的液体土壤改良剂。

在使用时，喷到土壤表面的液体土壤改良剂能形成一层薄膜，因此还有保墒作用。也可将农药或化肥掺入其中，使它们均匀分散和取得缓释放的效果。土壤中含有壳聚糖，能促进植物生长。

3、病虫害防治剂

壳聚糖对植物病原菌的孢子萌发和生长有阻碍作用，并对病原菌感染的防护机制有诱导作用。在25℃时，随壳聚糖浓度或脱乙酰基程度的增加，其抑菌作用增强。

4、植物或园艺作物的抗病诱活剂

甲壳素（几丁质）的诱导抗病性，近年来报道较多，如壳聚糖的降解产物对黄瓜幼苗离体叶片及整株都能诱导出几丁质酶活性，而且这种诱导作用是可以传导的。

植物体内不含甲壳素、壳聚糖的成分，但却具有几丁质酶。这些酶能与植物病原菌或害虫外皮的甲壳素反应，并阻止其侵入植物组织内，从而增强了植物自身对敌害的防御能力。树组织附上一层几丁质膜后，这些植物组织中的几丁质酶的活性比没有附上的提高4倍，可加快树组织的伤口愈合。

5、杀线虫剂

线虫近年来给水果、蔬菜和有核作物造成很大危害、将壳聚糖与适当的载体物质相混，可制成一种对防治线虫非常有效的天然物农药。它不溶于水，不会对地下水造成污染。它的杀虫作用与化学制剂不同，不是直接杀死害虫，而是促使上壤中微生物产生一种能杀死线虫及其虫卵的酶，而达灭火虫的目的。

6、果蔬保鲜剂和食品防腐剂

壳聚糖保鲜剂天然、安全、无毒，是来自于自然又回归自然的环保保健型保鲜剂；具有优良的成膜性和附着性。形成一层选择透气性保护膜，限制了氧气的进入，但不影响二氧化碳的通透，使果实处于自发调节的微气调状态从而延缓了果实的成熟衰老进程，具有广谱的抗菌活性。

不但能抑制果实表面的细菌，还能抵御外面病菌的侵人，达到防腐保鲜的作用；具有良好的保湿性。壳聚糖保鲜剂的功能在于为果蔬产品创造了一个良好的气体环境，减缓了果蔬成熟衰老的生化反应，降低了水分的蒸腾，抵抗和抑制了病原菌的侵染，提高了保鲜率，延长了货架寿命，从而达到保鲜的效果。

前景展望

产气荚膜梭菌食物中毒是美国第二大常见的细菌性食源性疾病，每年影响上百万人。一个国际研究团队发现，从甲壳类动物中提取的一种名为壳聚糖的天然碳水化合物有望成为对付产气荚膜梭菌食物中毒的有效“武器”。

产气荚膜梭菌存在于土壤、腐烂的植物以及脊椎动物的肠道内。没有充分烹煮或保存不当的肉类可能导致产气荚膜梭菌繁殖，人吃了这些肉类会中毒，出现腹痛、腹泻等症状。

产气荚膜梭菌能产生一种顽固的、处于代谢休眠状态的孢子，许多食物加工方法都无法将其杀灭。但从虾等甲壳类动物中提取的壳聚糖不但能阻止产气荚膜梭菌在熟鸡肉中的生长，还能抑制孢子的萌发和生长。

研究人员之一、美国俄勒冈州立大学的马赫祖福·萨卡尔说，在实验室环境中，低浓度的壳聚糖就可以起效；在熟鸡肉中，由于鸡肉含有许多抑制壳聚糖活动的成分，需要较高浓度的壳聚糖发挥抗菌作用。

萨卡尔说，这是首次观察到壳聚糖在实验室环境和熟鸡肉中产生一致的抗菌作用。研究人员接下来将研究壳聚糖在其他肉类和肉制品中的效果，并优化使用壳聚糖的条件，如壳聚糖与山梨酸、苯甲酸等其他食品保鲜剂一同使用效果是否更好。