甲壳质、壳聚糖的制备、生理活性和药理作用
作者：郑婵卿 孙俊华 何康明 黄志良
单位：郑婵卿 孙俊华 暨南大学510632 何康明 黄志良 华南农业大学510630
关键词：虾壳甲壳质壳聚糖
医疗 摘要：本文报导利用虾壳制造甲壳质及壳聚糖的最佳方法和甲壳质、壳聚糖的生理活性和药理作用。
前言
甲壳质存在于甲壳类动物(如虾、蟹)的外壳，昆虫表皮，软体动物(如贝类、乌贼)的器官、菌类(如菇类、霉菌)的细胞壁。自然界每年合成量高达100亿吨，仅次于植物纤维素。甲壳质是1823年法国科学家Odier首次从蟹壳中提取出来的，由于甲壳质的性质非常稳定，溶解性很差，限制了它的应用。经一个多世纪世界各地科学家对它在结构上进行改良、修饰，并开发应用研究，它的衍生物壳聚糖在工业、农业、畜产、渔业、食品、化妆品及医药行业上得到广泛应用，尤其是近十多年来，壳聚糖的动物试验及临床观察得到科学家们的肯定，誉为人类第六生活要素(蛋白质、脂肪、维生素、矿物质和壳聚糖)。是一种机能性食品。为了更充分利用自然资源，变废为宝，造福于人类，本文介绍甲壳质、壳聚糖最优制备条件，并从结构上讨论它们的生理活性及药理作用。
, http://www.100md.com
1实验部分
1.1材料及仪器
虾壳：北冰洋红虾虾壳，佛山水产进出口公司提供；氢氧化钠及盐酸，工业品，广州化工厂；其它化学试剂均为分析纯。DRZ-电阴炉温度控制器(沈阳市电炉厂)乌氏粘度计
1.2实验方法
1.2.1虾壳处理：将虾壳解冻，洗净，粉碎
1.2.2甲壳质制备
改变盐酸浓度、用量及反应时间，并通过测定产品灰份，计算其脱钙率，以观察虾壳脱钙的效果，结果见图1、图2及图3。改变氢氧化钠浓度、用量、反应温度及反应时间，并通过双缩脲反应以观察虾壳脱蛋白质的效果，结果见表1、表2、表3和表4。
, 百拇医药
图1盐酸浓度与脱钙率关系
图2反应时间与脱钙率关系
图3盐酸用量与脱钙率关系
表1NaOH浓度对除虾壳蛋白质的影响
No
1
2
3
4
5
, 百拇医药
NaOH浓度%
0.5
0.8
1
2.5
5
双缩脲反应
+
-
-
-
-
表2反应温度对除虾壳蛋白质的影响
, 百拇医药
No
1
2
3
4
5
反应温度。C
60
70
80
90
100
双缩脲反应
, 百拇医药
+
+
+
-
-
表3反应时间对除虾壳蛋白质的影响
No
1
2
3
4
5
反应时间min
, 百拇医药 5
10
15
30
60
双缩脲反应
+
+
+
-
-
表4NaOH用量对除虾壳蛋白质的影响
No
, 百拇医药 1
2
3
4
5
NaOH用量V/W
5
8
10
13
15
双缩脲反应
+
+
, 百拇医药
-
-
-
1.2.3壳聚糖的制备
采用方开泰均匀设计U7(76)表(见表5)及其使用表(见表6)，安排三因素七水平(见表7)的均匀试验方案(见表8)制造壳聚糖，测定产品脱乙酰度及分子量来评价壳聚糖制备的最佳条件。测定最佳条件制备的产品的理化指标和卫生指标，结果见表9和表10。表5 U7(76)均匀设计表
列号
1
2
3
, http://www.100md.com 4
5
6
NO
1
1
2
3
4
5
6
2
2
4
, http://www.100md.com
6
1
3
5
3
3
6
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5
1
4
4
4
1
, 百拇医药
5
2
6
3
5
5
3
1
6
4
2
6
6
5
, 百拇医药
4
3
2
1
7
7
7
7
7
7
7
表6 U7(76)的使用表
因素数
列号
, 百拇医药
2
1 3
3
1 2 3
4
1 2 3 6
5
1 2 3 4 6
6
1 2 3 4 5 6
表7 因素水平表
水平
1
, http://www.100md.com
2
3
4
5
6
7
因素
NaOH浓度%
38
41
44
47
50
53
, 百拇医药
56
反应温度。C
90
100
110
120
130
140
150
反应时间min
60
80
100
, 百拇医药
120
140
160
180
表8 U73试验方案及结果
NO
列号、因素与水平
脱乙酰度%
分子量106
1
NaOH浓度%
2
, 百拇医药
反应温度。C
3
反应时间min
1
1
38
2
100
3
100
67.5
2
2
, 百拇医药
41
4
120
6
160
75.6
1.73
3
3
44
6
140
2
80
, 百拇医药
70.9
4
4
47
1
90
5
140
85.0
1.95
5
5
50
3
, 百拇医药
110
1
60
80.0
1.96
6
6
53
5
130
4
120
97.0
1.67
, http://www.100md.com
7
7
56
7
150
7
180
98.0
0.56
注：No:1、3因产物不完全溶于乙酸及NaC1混合溶液，故不能测得分子量
表9壳聚糖的理化指标
项目
, http://www.100md.com 实验值
外观
洁白
分子量
>1
脱乙酰度，%
≥85
灰份，%
≯0.2
蛋白质含量，%
≯0.2
表10壳聚糖卫生指标
项目
, http://www.100md.com
实验值
菌落总数，个/ml
1×
大肠菌落，个/100ml
阴性
致病菌
未检出
1.3检测方法
1.3.1钙含量测定：采用灰化法[4]。
1.3.2蛋白质检测：采用双缩脲反应[4]。
1.3.3脱乙酰度测定：按文献[7]进行。
, 百拇医药 1.3.4分子量测定：按文献[5]测定，结果见表5。
1.3.5卫生指标测定：按文献[6]测定产品的菌落总数，大肠菌群及致病菌，结果列于表10。
2结果与讨论
2.1甲壳质最佳制备条件
从虾壳提取甲壳质，工艺主要是将虾壳的成份分离，虾壳中含有无机盐(主要为碳酸钙)蛋白质和甲壳质。利用碳酸钙能溶于盐酸的机理，将其离析，从图1、图2及图3中可看出虾壳除去无机盐最佳工艺条件是盐酸浓度为5%，反应时间为4小时，用量比(V/W)为10，除钙率可达到98%以上。蛋白质在碱性条件下能被水解生成短肽及氨基酸，它们能溶于水，与甲壳质分离，从表1、表2、表3及表4可看出，虾壳除蛋白质最佳条件是NaOH浓度为0.8%，反应温度为90℃，反应时间为30分钟，NaOH用量比(V/W)为10。在最佳条件下，甲壳质产率为24.63%，颜色洁白。
, http://www.100md.com
2.2壳聚糖最佳制备条件
从表8结果可看出壳聚糖最佳制备条件是NaOH浓度为47%，反应温度为90℃，反应时间为140min，产品脱乙酰度达到85%可做为食品级使用[1]，分子量也较高(1.95×106)，这有利于做为材料使用，如人造皮肤，手术线等。增加NaOH浓度，提高反应温度并延长反应时间，虽然能提高产品的脱乙酰度，但却使分子量大大的降低，要制高分子量的壳聚糖最好是采用较低浓度的NaOH溶液，较低的反应温度延长反应时间来实现。脱乙酰度的多少影响其溶解性，壳聚糖的溶解性也与溶剂的性质有关，从表8可看出，脱乙酰度低于71%的壳聚糖不能全溶于醋酸，但能溶于盐酸。因前者是弱酸，后者是强酸。所以用途不同采用不同脱乙酰度的壳聚糖。作为食品用的可采用高脱乙酰度的，而作为工业品用的，则可采用脱乙酰度低的壳聚糖。
2.3甲壳质、壳聚糖的结构，生理活性及药理作用
2.3.1甲壳质
, 百拇医药
从图5可看出甲壳质的结构与图4纤维素的结构非常相似，都是六碳糖的聚合体，只是纤维素链节上第二个碳原子上羟基(-OH)换为乙酰胺基(-NHCOCH3)，因此，甲壳质有动物纤维素之称，在人体内也有纤维素之功率，增加肠蠕动，预防大肠癌。
图4纤维素 图5甲壳质
2.3.2壳聚糖
甲壳质在碱性条件下脱去乙酰基，生成聚胺糖，结构式如图6。工业上很难100%脱去乙酰基，所以工业制得的实际上是甲壳质和聚葡胺糖两个结构单元的结合，见图7，称为壳聚糖。
壳聚糖结构中有胺基(-NH2)，具碱性，因此，它能溶于很多酸，如硫酸、盐酸、胃酸等。溶液后生成阳离子聚合体，反应式如下：
, http://www.100md.com
图6聚葡胺糖 图7壳聚糖
阳离子聚合体呈凝胶状，有很强的吸附能力，在体内能聚集在带负电荷的油脂周围，形成屏障而妨碍人体对脂肪的吸收，可减少肥胖，血液中脂肪减少了，胆固醇含量也随之减少。同样能吸附氯离子排泄在粪便中便血压不会升高。壳聚糖进入胃内，可中和胃酸，对胃溃疡有治疗作用。
壳聚糖结构上胺基(-NH2)的邻位为羟基(-OH)能与人体内重金属，如砷、镉、钴、汞、铅，包括放射性元素等形成络合物排泄在粪便中排出体外，具有解毒的功率，可做体内重金属的排泄剂。
壳聚糖在体内可被溶菌酶水解生成低分子物质，被人体吸收。若被水解为六个葡胺糖聚合体，其生理调节作用最为显著，最终水解产物为葡胺糖和N-乙酰基葡胺糖。葡胺糖为碱性物质，能中和肌肉活动代谢产生二氧化碳，使体液和血液维持在弱碱性(pH=7.4左右)，防止体液和血液酸化易引起疾病。因为体液一旦酸性，淋巴细胞的功能就会迟钝，使免疫功能下降，易引起各种疾病，也为淋巴细胞杀死癌细胞提供环境，因为淋巴细胞杀死癌细胞的作用，在pH7.4左右最为活泼。一乙酰基葡胺糖也是构成透明质酸的基本单位，因而与人体具有良好的亲和性。水解产物都能刺激迷走神经，使细动脉扩张，因此，食用壳聚糖会改善腰酸背痛。
, http://www.100md.com
壳聚糖作用对象不限于特定器官，对全身都可以发挥作用，是一种机能性食品。
为省高教厅重点攻关项目内容
作者简介：孙俊华为课题负责人
参考文献
1王蕾.《几丁质、几丁聚糖》，中国甲壳质研究会筹委会编辑委员会出版.
2方开泰.《均匀设计与均匀设计表》科学出版社，1994.
3来恩国际事业特刊《救多善》
4无锡轻工业学院，天津轻工业学院合编《食品分析》，轻工业出版社，1987.
5伍茂福等.甲壳质的理化研究Ⅰ，分子量的测定，中国生化药物杂志，1995年第4期.
6苏翠华主编《食品卫生微生物检验手册》沈阳辽宁大学出版社出版，1994.
7潘正尧.甲壳质的改性研究(Ⅰ)，暨南大学学报(自然科学版)，1994第15卷第1期，73-79., http://www.100md.com
单位：郑婵卿 孙俊华 暨南大学510632 何康明 黄志良 华南农业大学510630
关键词：虾壳甲壳质壳聚糖
医疗 摘要：本文报导利用虾壳制造甲壳质及壳聚糖的最佳方法和甲壳质、壳聚糖的生理活性和药理作用。
前言
甲壳质存在于甲壳类动物(如虾、蟹)的外壳，昆虫表皮，软体动物(如贝类、乌贼)的器官、菌类(如菇类、霉菌)的细胞壁。自然界每年合成量高达100亿吨，仅次于植物纤维素。甲壳质是1823年法国科学家Odier首次从蟹壳中提取出来的，由于甲壳质的性质非常稳定，溶解性很差，限制了它的应用。经一个多世纪世界各地科学家对它在结构上进行改良、修饰，并开发应用研究，它的衍生物壳聚糖在工业、农业、畜产、渔业、食品、化妆品及医药行业上得到广泛应用，尤其是近十多年来，壳聚糖的动物试验及临床观察得到科学家们的肯定，誉为人类第六生活要素(蛋白质、脂肪、维生素、矿物质和壳聚糖)。是一种机能性食品。为了更充分利用自然资源，变废为宝，造福于人类，本文介绍甲壳质、壳聚糖最优制备条件，并从结构上讨论它们的生理活性及药理作用。
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1实验部分
1.1材料及仪器
虾壳：北冰洋红虾虾壳，佛山水产进出口公司提供；氢氧化钠及盐酸，工业品，广州化工厂；其它化学试剂均为分析纯。DRZ-电阴炉温度控制器(沈阳市电炉厂)乌氏粘度计
1.2实验方法
1.2.1虾壳处理：将虾壳解冻，洗净，粉碎
1.2.2甲壳质制备
改变盐酸浓度、用量及反应时间，并通过测定产品灰份，计算其脱钙率，以观察虾壳脱钙的效果，结果见图1、图2及图3。改变氢氧化钠浓度、用量、反应温度及反应时间，并通过双缩脲反应以观察虾壳脱蛋白质的效果，结果见表1、表2、表3和表4。
, 百拇医药
图1盐酸浓度与脱钙率关系
图2反应时间与脱钙率关系
图3盐酸用量与脱钙率关系
表1NaOH浓度对除虾壳蛋白质的影响
No
1
2
3
4
5
, 百拇医药
NaOH浓度%
0.5
0.8
1
2.5
5
双缩脲反应
+
-
-
-
-
表2反应温度对除虾壳蛋白质的影响
, 百拇医药
No
1
2
3
4
5
反应温度。C
60
70
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90
100
双缩脲反应
, 百拇医药
+
+
+
-
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表3反应时间对除虾壳蛋白质的影响
No
1
2
3
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5
反应时间min
, 百拇医药 5
10
15
30
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双缩脲反应
+
+
+
-
-
表4NaOH用量对除虾壳蛋白质的影响
No
, 百拇医药 1
2
3
4
5
NaOH用量V/W
5
8
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13
15
双缩脲反应
+
+
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-
-
-
1.2.3壳聚糖的制备
采用方开泰均匀设计U7(76)表(见表5)及其使用表(见表6)，安排三因素七水平(见表7)的均匀试验方案(见表8)制造壳聚糖，测定产品脱乙酰度及分子量来评价壳聚糖制备的最佳条件。测定最佳条件制备的产品的理化指标和卫生指标，结果见表9和表10。表5 U7(76)均匀设计表
列号
1
2
3
, http://www.100md.com 4
5
6
NO
1
1
2
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表6 U7(76)的使用表
因素数
列号
, 百拇医药
2
1 3
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1 2 3
4
1 2 3 6
5
1 2 3 4 6
6
1 2 3 4 5 6
表7 因素水平表
水平
1
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2
3
4
5
6
7
因素
NaOH浓度%
38
41
44
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56
反应温度。C
90
100
110
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130
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反应时间min
60
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100
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表8 U73试验方案及结果
NO
列号、因素与水平
脱乙酰度%
分子量106
1
NaOH浓度%
2
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反应温度。C
3
反应时间min
1
1
38
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1.73
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70.9
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1.96
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1.67
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98.0
0.56
注：No:1、3因产物不完全溶于乙酸及NaC1混合溶液，故不能测得分子量
表9壳聚糖的理化指标
项目
, http://www.100md.com 实验值
外观
洁白
分子量
>1
脱乙酰度，%
≥85
灰份，%
≯0.2
蛋白质含量，%
≯0.2
表10壳聚糖卫生指标
项目
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实验值
菌落总数，个/ml
1×
大肠菌落，个/100ml
阴性
致病菌
未检出
1.3检测方法
1.3.1钙含量测定：采用灰化法[4]。
1.3.2蛋白质检测：采用双缩脲反应[4]。
1.3.3脱乙酰度测定：按文献[7]进行。
, 百拇医药 1.3.4分子量测定：按文献[5]测定，结果见表5。
1.3.5卫生指标测定：按文献[6]测定产品的菌落总数，大肠菌群及致病菌，结果列于表10。
2结果与讨论
2.1甲壳质最佳制备条件
从虾壳提取甲壳质，工艺主要是将虾壳的成份分离，虾壳中含有无机盐(主要为碳酸钙)蛋白质和甲壳质。利用碳酸钙能溶于盐酸的机理，将其离析，从图1、图2及图3中可看出虾壳除去无机盐最佳工艺条件是盐酸浓度为5%，反应时间为4小时，用量比(V/W)为10，除钙率可达到98%以上。蛋白质在碱性条件下能被水解生成短肽及氨基酸，它们能溶于水，与甲壳质分离，从表1、表2、表3及表4可看出，虾壳除蛋白质最佳条件是NaOH浓度为0.8%，反应温度为90℃，反应时间为30分钟，NaOH用量比(V/W)为10。在最佳条件下，甲壳质产率为24.63%，颜色洁白。
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2.2壳聚糖最佳制备条件
从表8结果可看出壳聚糖最佳制备条件是NaOH浓度为47%，反应温度为90℃，反应时间为140min，产品脱乙酰度达到85%可做为食品级使用[1]，分子量也较高(1.95×106)，这有利于做为材料使用，如人造皮肤，手术线等。增加NaOH浓度，提高反应温度并延长反应时间，虽然能提高产品的脱乙酰度，但却使分子量大大的降低，要制高分子量的壳聚糖最好是采用较低浓度的NaOH溶液，较低的反应温度延长反应时间来实现。脱乙酰度的多少影响其溶解性，壳聚糖的溶解性也与溶剂的性质有关，从表8可看出，脱乙酰度低于71%的壳聚糖不能全溶于醋酸，但能溶于盐酸。因前者是弱酸，后者是强酸。所以用途不同采用不同脱乙酰度的壳聚糖。作为食品用的可采用高脱乙酰度的，而作为工业品用的，则可采用脱乙酰度低的壳聚糖。
2.3甲壳质、壳聚糖的结构，生理活性及药理作用
2.3.1甲壳质
, 百拇医药
从图5可看出甲壳质的结构与图4纤维素的结构非常相似，都是六碳糖的聚合体，只是纤维素链节上第二个碳原子上羟基(-OH)换为乙酰胺基(-NHCOCH3)，因此，甲壳质有动物纤维素之称，在人体内也有纤维素之功率，增加肠蠕动，预防大肠癌。
图4纤维素 图5甲壳质
2.3.2壳聚糖
甲壳质在碱性条件下脱去乙酰基，生成聚胺糖，结构式如图6。工业上很难100%脱去乙酰基，所以工业制得的实际上是甲壳质和聚葡胺糖两个结构单元的结合，见图7，称为壳聚糖。
壳聚糖结构中有胺基(-NH2)，具碱性，因此，它能溶于很多酸，如硫酸、盐酸、胃酸等。溶液后生成阳离子聚合体，反应式如下：
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图6聚葡胺糖 图7壳聚糖
阳离子聚合体呈凝胶状，有很强的吸附能力，在体内能聚集在带负电荷的油脂周围，形成屏障而妨碍人体对脂肪的吸收，可减少肥胖，血液中脂肪减少了，胆固醇含量也随之减少。同样能吸附氯离子排泄在粪便中便血压不会升高。壳聚糖进入胃内，可中和胃酸，对胃溃疡有治疗作用。
壳聚糖结构上胺基(-NH2)的邻位为羟基(-OH)能与人体内重金属，如砷、镉、钴、汞、铅，包括放射性元素等形成络合物排泄在粪便中排出体外，具有解毒的功率，可做体内重金属的排泄剂。
壳聚糖在体内可被溶菌酶水解生成低分子物质，被人体吸收。若被水解为六个葡胺糖聚合体，其生理调节作用最为显著，最终水解产物为葡胺糖和N-乙酰基葡胺糖。葡胺糖为碱性物质，能中和肌肉活动代谢产生二氧化碳，使体液和血液维持在弱碱性(pH=7.4左右)，防止体液和血液酸化易引起疾病。因为体液一旦酸性，淋巴细胞的功能就会迟钝，使免疫功能下降，易引起各种疾病，也为淋巴细胞杀死癌细胞提供环境，因为淋巴细胞杀死癌细胞的作用，在pH7.4左右最为活泼。一乙酰基葡胺糖也是构成透明质酸的基本单位，因而与人体具有良好的亲和性。水解产物都能刺激迷走神经，使细动脉扩张，因此，食用壳聚糖会改善腰酸背痛。
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壳聚糖作用对象不限于特定器官，对全身都可以发挥作用，是一种机能性食品。
为省高教厅重点攻关项目内容
作者简介：孙俊华为课题负责人
参考文献
1王蕾.《几丁质、几丁聚糖》，中国甲壳质研究会筹委会编辑委员会出版.
2方开泰.《均匀设计与均匀设计表》科学出版社，1994.
3来恩国际事业特刊《救多善》
4无锡轻工业学院，天津轻工业学院合编《食品分析》，轻工业出版社，1987.
5伍茂福等.甲壳质的理化研究Ⅰ，分子量的测定，中国生化药物杂志，1995年第4期.
6苏翠华主编《食品卫生微生物检验手册》沈阳辽宁大学出版社出版，1994.
7潘正尧.甲壳质的改性研究(Ⅰ)，暨南大学学报(自然科学版)，1994第15卷第1期，73-79., http://www.100md.com