[農學院] 甲殼素、殼聚糖、殼寡糖的農業用途 (1/3)

 甲殼素、殼聚糖、殼寡糖的農業用途

1 前言

殼寡糖是一種什麼物質？是糖生物工程的產物，是繼基因工程、蛋白質工程後生物工程領域最後一個重要的研究領地。 隨著科學的不斷發展，科學家們發現細胞糖鏈中所蘊藏的生命資訊是生物體內核酸和蛋白質的上千倍，殼寡糖是生物細胞中真正主宰生命的使者，自然界中蛋白質、脂肪、水、礦物質和糖統稱為五大要素。

早在400年前，《本草綱目》中就有螃蟹殼應用的記載，這是甲殼素最早的應用紀錄。 

1811年法國學者布拉克諾H.Braconnot首先在蘑菇中發現了甲殼幾丁質，他用溫熱的稀堿處理蘑菇，得到一些纖維狀的殘渣，他以為是纖維素，並命名為Fungine,意思是真菌纖維素。緊接著1823法國學者A.Odier歐吉爾在昆蟲的外殼中也發現了類似的物質，並用希臘語命名為Chitin，即鎧甲、信封，外衣的意思。1859年，法國人Rouget將甲殼素放置於濃KOH溶液中煮沸，洗淨後可溶於有機酸中。1894年德國科學家Hoppe-Seler在此基礎上發現了這種修飾過的甲殼素稱為幾丁聚糖(Chitosan)。

從1811年發現幾丁質Chitin 到1859年發現殼聚糖Chitosan，再到1910年的100年間，全世界僅有不到20篇論文發表，這些開創性的工作大多由法國人完成。可是由於沒有加工提取的合適方法，也沒有發現其特殊的功能，在其後的100年中，甲殼質慢慢的被科學界所遺忘。

1934年在美國首次出現了關於它們的專利，並在1941年製備出了殼聚糖人造皮膚和手術縫合線。

20世紀70年代後，研究重心又移到了日本。在日本，許多食品和保健品中都添加有殼聚糖或其衍生物製品。20世紀80年代後，全世界範圍內進入了研究高潮，這期間幾乎每3 天就有1項專利。

20世紀下半葉，隨著對纖維素、蛋白質和甲殼素及其他糖類等生物大分子的研究，有機化學誕生和發展起來。甲殼素的研究重心也從歐洲轉向日本。廣島原子 彈事件後,有學者發現,小螃蟹“死裡逃生”。關於甲殼質的研究才重新成為科學界的熱點。通過多年的實驗研究，日本科學家終於找出了讓小螃蟹死裡逃生的神奇物質，它就是藏在螃蟹殼中的殼寡糖。又經過科學家們10年的研究證實，這種甲殼質中的有效成分----殼寡糖具有增強機體免疫力、調節血脂、防癌抗癌和抑制腫瘤轉移等多項生理功效，甚至具有抗炎止痛等多種應用價值。  

1977年英國Muzzarelli教授發起並主持了第一屆甲殼素和殼聚糖國際會議，以後每2年召開一次。在1991年的會議上，美、歐的醫學科技界、營養食品研究機構將其譽為“第六要素”。隨著科學家對糖生物學研究的深入，殼寡糖越來越多的功能和特性得到了證實並引起世界各國的高度重視。美國，歐洲，日本，在上個世紀90年代，相繼投入大量人力物力著手展開殼寡糖的製備與應用研究。   1993年，美國第一屆糖生物工程學會上，著名生物學家，哈特主席說，生物化學中最後一個重大的前沿，糖生物學的時代正在加速來臨。  

中國是1952年開展甲殼素研究的。1954年第一篇研究報告發表，1958年國內首先將 乙醯化甲殼素應用於印染工業，後來研究工作一度停止。直至lJ20世紀80年代中期，國內逐漸開始宣傳甲殼素和殼聚糖，影響較大的有1983年謝雅明和1984年嚴俊的文章。較為詳細的綜述了甲殼素的有關性質與應用，對中國的甲殼素研究熱潮起到了推動作用。20 世紀90年代是研究的全盛時期。1995年中國科學院大連化學物理研究所籌備成立天然產物與糖生物工程課題組。1997年，研究開發課題列入國家科委九五攻關計畫，歸屬863 計畫。2000年前後酶法生產殼寡糖的方法被攻克。

2 幾丁質CHITIN

中文學名：幾丁質、甲殼素，英文名稱：Chitin，

CAS 號碼：1398-61-4，

一般通稱：甲殼質，甲殼素，

化學名稱：β-（1→4）-2-乙醯氨基-2-去氧-D-葡萄糖，

別名：殼多糖、幾丁、甲殼質、明角質、聚乙醯氨基葡糖，分子式：(C₈H₁₃NO₅) n，分子量： (203.19)n，

幾丁質 (chitin)，又稱幾丁、甲殼素、甲殼質、殼蛋白、蟹殼素等，是生物體內的天然高分子聚合物。甲殼素廣泛存在於低等植物菌類以及海洋無脊椎動物的外殼中，還是某些真菌細胞壁的重要組成成分。甲殼素-殼聚糖作為自然界中大量存在的、鹼性陽離子聚合物具有多種生物學活性功能，

圖1 幾丁質（甲殼素）的化學結構式

幾丁質合成與降解是昆蟲最重要的生理過程之一。昆蟲幾丁質的生物合成通路始於海藻糖，終止於幾丁質，其中共有8個酶參與。目前研究最多的為海藻糖酶和幾丁質合成酶。昆蟲存在2個海藻糖酶基因和2個幾丁質合成酶基因。可溶性海藻糖酶基因對昆蟲表皮的幾丁質合成影響更大，而膜結合海藻糖酶基因則主要影響中腸的幾丁質合成。幾丁質合成酶A主要負責表皮和氣管幾丁質的合成，而幾丁質合成酶B則負責中腸圍食膜的幾丁質合成。如今，昆蟲幾丁質合成的調控途徑主要有兩種：利用RNAi技術和幾丁質合成抑制劑來實現。

甲殼素的化學名稱:(1,4)－2－乙醯氨基－2－去氧－D－葡萄糖，是N-乙醯-2-氨基-2-去氧

-D-葡萄糖以β-1,4糖苷鍵連接而成的無分支的線形高分子化合物。是自然界中唯一含氨基的均態多糖，是地球上除蛋白質外數量最大的含氮的天然有機化合物，也是自然界大量存在的唯一的天然鹼性多糖，甲殼素廣泛分佈於在於節肢動物（主要是甲殼綱如蝦、蟹等，含甲殼素高達58-85%）、軟體動物、環節動物、原生動物、腔 腸動物等中，另外在動物的關節、蹄、足的堅硬部分，動物肌肉與骨結合處，及一些低等植物(如真菌、藻類等)的細胞壁中。

節肢動物的外殼中有35%的蛋白質、30%的鈣和無機鹽、剩下的就是35%甲殼質。在提取幾丁質的加工工藝中，需要經過酸液及堿液的處理才能得到幾丁質，而後再經脫乙醯化的處理才能得到具有生理活性的幾丁聚糖（殼聚糖）。因此可以說，幾丁質脫乙醯化的程度越高，其有效成分的濃度就越高，相對而言對人體的生理功能也就越強。從 蝦蟹殼提煉的幾丁質，約含有 15% 的胺基（-NH2）與 85% 的乙醯基（-COCH3）。 幾丁質具有強吸濕性，保濕效果亦相當好，並且具有吸附重金屬離子的功能。

幾丁質結構為β-聚- N-乙醯葡糖胺。這種物質含 碳水化合物和 氨，性柔軟，有 彈性，與鈣鹽混雜則硬化，形成節肢動物的外 骨骼。幾丁質不溶于水、酒精、弱酸和弱鹼等液體，有保護功能，但可溶於濃 鹽酸、 硝酸、 硫酸。在強鹼作用下分解成脫乙醯幾丁質和 乙酸，脫乙醯幾丁質進一步在濃鹽酸的作用下則水解成 葡糖胺和乙酸。

甲殼素是目前自然界中唯一帶正電荷的天然高分子聚合物，屬於直鏈氨基多糖，也可稱做氨基葡萄糖。甲殼素分子化學結構與植物中廣泛存在的纖維素非常相似，所不同的

是，若把組成纖維素的單個分子———葡萄糖分子第 2個碳原子上的羥基(-OH)換成乙醯氨基(-NHCOH3)或者氨基（-NH2)，這樣纖維素就變成了甲殼素或殼聚糖，故甲殼素可以說是動物性纖維。

甲殼素是自然界中僅次於纖維素的第二大天然聚合物（多糖）,也是地球上除蛋白質外數量最大的含氮天然有機化合物,據估計每年自然界生物合成的甲殼素達1×1013kg. 和其衍生物殼聚糖被科學家譽為繼蛋白質、糖、脂肪、維生素、礦物質以外的第六生命要素.

甲殼素分子結構中含有N-乙醯氨基、羥基、β_1,4糖苷鍵,可以通過甲殼素酶或化學方法進行結構改造和修飾產生一系列應用價值高的多功能的甲殼素衍生物,如殼聚糖、甲殼素殼聚糖酯、甲殼素 殼聚糖醚、殼聚糖N_衍生物、殼聚糖氧化產物、甲殼素 殼聚糖水解產物、甲殼素 殼聚糖接枝共聚和交聯產物等.

甲殼素在自然界中分佈十分廣泛。目前，人類對甲殼素的開發僅處於初級階段。據推

算，自然界的生物每年能生產1000 億噸甲殼素，包括海洋生物10億噸以上的生成量，其中能被現代化工業利用的僅為 200 萬噸。．由於海洋、江河、湖沼的水圈，海底陸地的土壤圈，以及動植物的生物圈中的甲殼素酶、溶茵酶、殼聚糖酶等將其完全生物降解，參與生態體系的碳和氮源迴圈，它在地球環境和生態保護系統中起著重要的調控協同作用．蝦蟹殼是提取甲殼素優良原料.中國每年有萬噸以上的蝦蟹殼被丟棄，不僅造成了環境的污染，也浪費了資源。

甲殼素的分子是一種直鏈多糖, 有三種結構, 分別為 α 型、 β 型和 γ 型。 這種多糖分子由葡萄糖結構單元組成, 結 構與纖維素極其相似, 只是甲殼素第二位上是乙醯胺基, 而纖維素是羥基。 甲殼素中含量最豐富, 最穩定的是 α 型結構, 它不易分解, 不溶于水和某些常見有機溶劑以及稀酸稀堿, 可溶於濃無機酸。 如果甲殼素與濃堿反應, 便生成可溶于水的殼聚糖,

甲殼素為白色或灰白色的半透明片狀固體或粉末狀的固體，不溶于水、稀酸、稀堿或一般有機溶劑，可溶於濃無機酸，無毒性，可與金屬離子形成鼇合物.而甲殼素經濃堿液處理後，脫去N一乙醯氨基葡萄糖的乙醯基就成為其重要的衍生物—殼聚糖. 甲殼素的不溶性限制了它的應用, 所以各個領域大多數使用的是可溶性的殼聚糖, 也就是將甲殼素分子脫去乙醯基後的產物。

甲殼素目前是一種通稱，包括各種類似結構的物質，作為一種多糖類物質，甲殼素具有較高的生物相容性和安全性。大部分甲殼素類特質是大分子非水溶的，其分子量越小越易被植物吸收利用，應用在植物上的效果也越明顯。因此，殼寡糖在植物上應用效果最為明顯，殼寡糖分子量 200~2000 之間，糖分子數 1~10 之間；其次是甲殼低聚糖，其分子量在2000~6000 之間，糖分子數在 10~30 之間。甲殼素的化學結構和植物纖維素非常相似。都是六碳糖的多聚體，分子量都在100萬以上。纖維素的基本單位是葡萄糖，它是由300～2500個葡萄糖殘基通過β1，4糖甙鏈連接而成的聚合物。幾丁質的基本單位是乙醯葡萄糖胺，它是由1000～3000個乙醯葡萄糖胺殘基通過p1，4糖甙鏈相互連接而成聚合物。而幾丁聚糖的基本單位是葡萄糖胺。甲殼素有以下來源：

（1） 節肢動物主要是甲殼綱，如蝦、蟹等，含甲殼素高達58%~85%；其次是昆蟲綱

（如蝗、蝶、蚊、蠅、蠶等蛹殼等含甲殼素20%~60%）、多足綱（如馬陸、蜈蚣等）、蛛形綱（如蜘蛛、蠍、蜱、蟎等，

（2） 軟體動物 主要包括雙神經綱（如石鱉）、腹足綱（如鮑、蝸牛）、掘足綱（如角貝）、瓣鰓綱（如牡礪）、頭足綱（如烏賊、鸚鵡）等，

（3） 環節動物 包括原環蟲綱（如角窩蟲）、毛足綱（如沙蠶、蚯蚓）和蛭綱（如螞蝗）三綱，有的含甲殼素極少，

（4） 原生動物 簡稱原蟲，是單細胞動物，包括鞭毛蟲綱（如錐體蟲）、肉足蟲綱（如變形蟲）、孢子蟲綱（如瘧原蟲）、纖毛蟲綱（如草履蟲）等，

（5） 腔腸動物包括水螅蟲綱（中水螅、簡螅等）、缽水母綱（如海月水母、海蟄、霞水母等）和珊瑚蟲綱等，一般含甲殼素很少，

（6） 海藻 主要是綠藻，

（7） 真菌 包括子囊菌、擔子菌、藻菌等，含甲殼素從微量到45%不等，

（8） 其他動物的關節、蹄、足的堅硬部分，以及動物肌肉與骨接合處均有甲殼素存在。

除此之外，在植物中也發現低聚的甲殼素或殼聚糖，一種情況是植物細胞壁受到病原體侵襲時，一些細胞壁中的多糖降解為有生物活性的寡糖，其中就有甲殼六糖，典型的例子是樹幹受傷後，在其傷口癒合處發現了甲殼六糖；另一種情況是根瘤菌產生的脂寡糖，也是甲殼四糖、甲殼五糖和甲殼六糖。

1.0g/kg 甲殼素處理可提高土壤中細菌/真菌值，並且提高了土壤中蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶、過氧化氫酶和多酚氧化酶活性，分別比對照提高了 8.6%、40.5%、81.1% 、15.3%、18．7%和 49.8%，2.5 g/kg 甲殼素處理則降低土壤酶活性或者使土壤酶活性與對照相當。根據T-ＲFLP 的圖譜中OUT 的數量、種類及豐度，分別計算了不同處理土壤的真菌多樣性，發現 1.0 g/kg 甲殼素處理的連作土具有最高的多樣性、均勻度和豐富度指數，分別比對照增加了 52.2%、8.0%和 87.1%。

一般來講，從蝦殼和蟹殼中提取甲殼素比較方便。通常在蝦殼和蟹殼中主要有三種物

質，包括以碳酸鈣為主的無機鹽、蛋白質和甲殼素，另外還含有痕量的蝦紅素或蝦青素等色素。甲殼素在蝦、蟹殼中的含量則視其品種不同一般在15％～25％。從蝦、蟹殼中提取甲殼素的工藝過程主要由兩部分組成，第一步用稀鹽酸脫除碳酸鈣；第二步用熱稀堿脫除蛋白質，再經脫色處理便可得到甲殼素。

(尚有後續.......)

資料來源:  www.191.cn