我国甲壳素生物质研究的对策与借鉴

彭靖+邓同兰

摘 要：甲殼素是仅次于纤维素的第二大天然高分子多糖材料，天然可再生。中国是海洋大国年产丰富，将其转化为燃料及高附加值化学品，对于缓解能源危机，以及解决环境污染问题意义重大。本文简要概述了近年来国内外甲壳素研究的发展历程，特别是甲壳素生物质研究的现状，以及目前存在的问题。同时借鉴经济发达国家对于甲壳素有效管理的经验，首次在国内提出甲壳素“精加工”的概念，以及尽快制定“五年发展规划”的建议和相关措施，为推动甲壳素生物质作为可再生能源替代石化资源提供理论支持。

关键词：甲壳素 壳聚糖 生物质 精加工 发展规划

在21世纪，人类已经进入大规模开发与利用海洋资源的新时期。中国是海洋大国，拥有丰富的海洋资源。提高海洋资源的开发能力，推动“蓝海”经济发展是中国重要的战略决策。海洋生物资源中，甲壳素是仅次于纤维素的第二大天然高分子多糖材料，它主要存在于虾、蟹的外壳，年产量丰富，天然可再生，目前已成为国际科技界研究热点之一。由于甲壳素具有优异的生物相容性，从80年代开始，中国的科研人员先后将其应用在医药、纺织、食品、化妆品、农业及水处理等多方面[1]。但是，对于甲壳素生物质转化为高附加值材料的研究方面，国内外尚属于起步阶段。

随着全球石油、天然气等传统能源逐渐枯竭，人们正在努力寻找新的替代能源。将甲壳素生物质降解为获取燃料和高附加值化合物，不仅能给现代社会带来巨大的经济利益，而且对于废弃物处理和环境保护也有着重要意义。因此，本文拟对甲壳素生物质研究现状、存在的问题、资源化利用的未来发展方向及其对策、措施等方面内容进行探讨。

一、甲壳素/壳聚糖研究历程简要回顾

在全球甲壳素研究的学者中，1977年意大利Ancona大学的Muzzarelli教授，出版了第一本甲壳素研究专著《Chitin》，并于当年在美国主持召开了第一届甲壳素/壳聚糖国际学术研讨会。之后，他又相继在日本（1982年）、意大利（1985年）、挪威（1988年）主持召开过三届学术会议，以后每3—4年召开一次，有利推动了甲壳素研究的国际化进程[2]。

日本的Shigehiro Hirano教授很早就认识到甲壳素/壳聚糖独特的生物性质和功能，在20世纪80—90年代就已发表大量关于甲壳素生物医用材料的研究或综述性文章，对甲壳素在生物医用材料领域的应用起到了推动作用；

在中国国内，甲壳素在工业上最早的应用领域是在纺织行业。自1986年开始，哈尔滨纺织研究所与哈尔滨工业大学合作，首次将甲壳素提取液用于无甲醛整理剂，作为纺织品后整理助剂，应用于纯棉布、涤棉布染色工艺中，并申报了国家发明专利。从1988年初，当年从事纺织研究的学者，本文作者彭靖开始从事甲壳素/壳聚糖提取研究工作，对于美国的提取专利进行过改进，并申报了中国发明专利。根据研究工作进展的需要，彭靖后来跨学科与医科大学邓同兰教授合作，1989年成功地将高效制备的壳聚糖薄膜，用于制备人造皮肤的临床实验阶段，并于1990年10月，在国家级杂志上发表了第一篇关于甲壳素/壳聚糖合成人造皮肤的应用性研究论文[3]。1991—1995年期间，又先后在纺织与医学两个学科杂志上，相继发表了多篇研究或综述性文章[4][5][6]，同时于1992年、1995年两次参加了由国家计委、国家科委、中国科学院三家单位联合举办的，有关资源综合利用方面的高层次和国际性学术研讨会，发表的论文先后被收录到相关论文集中，并被许多大学的博士、硕士论文广泛引用，对甲壳素在中国国内生物医用材料领域的应用，以及发展方向与规划等方面起到了积极的推动作用。从研究时间与研究成果方面，都不比日本学者落后。

二、甲壳素生物质降解研究进展现状及存在的问题

近年来，随着全球能源紧缺，以及对于甲壳素研究与认识的不断深入，甲壳素生物质的降解研究逐渐成为新的热点，特别是直接降解为高附加值的精细化学品，具有巨大的研究价值和应用前景。近年，在国际方面，新加坡国立大学的颜宁教授等人，于2014—2016年期间，在国际著名期刊《Nature》等刊物上，发表多篇研究论文，提出了甲壳素生物质“精炼”的概念[7]，同时指出甲壳素生物质来源丰富，应该像纤维素生物质一样被充分利用，使其转化成为具有较高价值的化学品。同时，该课题组在甲壳素生物质转化为含氮精细品方面做了大量研究工作，并取得丰硕的成果，为甲壳素生物质的有效利用开辟了一条新的途径。

在中国国内，2015年12月，天津工业大学环境化学学院藏洪俊教授带领硕士研究生李明广等人，合成了三种噻唑类化合物，以及一系列固体酸，并将其应用于转化甲壳素/壳聚糖制备HMF的研究中[8]。同时，通过选择最佳反应时间、反应温度和催化剂作用量，并且在最佳反应条件下，直接转化甲壳素/壳聚糖，分别得到HMF产率为31.4%和21mol%。噻唑类化合物具有重要的药物和生物活性，这种化合物的研制成功，为医药中间体提供了新的选择。

但是，目前的研究成果多是将甲壳素生物质降解为5-羟甲基糖醛、乙酰丙酸等不含氮平台化合物，这样不仅浪费了宝贵的N资源，而且目标产物收率低。相比之下，不如以纤维素生物质为原料有优势[9]。

至今为止，中国国内尚未见到，有关对于甲壳素/壳聚糖生物质利用，进行规划和发展方向研究的论文发表，国际上的相关论文也不多见。2015年，武汉大学施晓文、杜予民等人编著《甲壳素/壳聚糖材料及应用》一书[10]，虽然作为“十二五”国家重点图书，但仅是对甲壳素的发展史、基本性质，以及在食品、生物材料、农业、纺织、造纸等方面的研究成果进行综述与归纳，并没有对于甲壳素/壳聚糖下一步研究方向进行规划与指导的内容，更没有涉及到甲壳素生物质的降解研究的问题。作为中国化学会甲壳素专业委员会承办单位出版的学术著作，不得不说是一件非常遗憾的事。

三、经济发达国家政府对于甲壳素资源有效管理的经验endprint

为了确保甲壳素/壳聚糖研究的健康发展，我们不仅要对目前存在问题有清醒认识，还应该借鉴经济发达国家的成功经验，制定中国的产业发展规划与发展方向。任何一项好的产业，其开发与应用都离不开政府部门的投入与扶持[11]。

20世纪70年代，日本兴起了对于甲壳素的研究，从1982年开始编制了十年的开发计划（1982—1992年），1984年由文部省（教育部）拨款60亿日元作为研究经费，资助全国13所大学和研究机构，从事有关改善和增进人体健康的各项研究。同年，成立了日本甲壳素研究会，并召开了第一届学术研讨会。在日本政府的支持和推动下，从1980—1990年，日本几乎每三天就要批准一项关于甲壳素/壳聚糖研究的专利；日本许多食品和保健品中，都添加有甲壳素及其衍生物。日本政府重视制定产业发展规划的措施，以及在科技投入的力度值得中国学习与借鉴。

美国化学学会从第239届（2010年）到249届（2015年），五年期间共召开了十届学术年会，涉及的主题分别为“化学致力于可持续发展世界”、“天然资源化学”、“化学为了生活”、“能源与食品化学”和“自然资源化学”。基于论文篇幅的要求，不便过多展开，但从会议的主题就可以看出，美国对于化学领域的研究关注重点，逐步从可持续发展、天然资源，到能源开发与利用方面转化。

在新加坡，虽然未见公开发表国家对于甲壳素/壳聚糖研究制度发展规划的报道，但是在文章前面已经提及，新加坡国立大学的科研人员开始关注，在甲壳素/壳聚糖研究中，必须高效利用宝贵资源的问题，并提出了甲壳素生物质“精炼”的概念。上述国家的做法值得我们学习与借鉴。

四、甲壳素生物质研究与管理方面的对策

1995年，本文作者在参加“95国际资源环境与经济增长学术研讨会”时，曾经发表过一篇题为“中国甲壳素资源综合利用的现状与对策”的论文，针对当时中国甲壳素研究的现状，提出过合理利用甲壳素资源的三方面建议：一是国家有关部门应该给予宏观指导，统筹安排；二是大力开发和合理利用水产资源；三是限制初加工产品出口，鼓勵高精产品生产。虽然时间已经过去20多年，但是这些对策在目前看来还是有一些可供参考之处。

纵观我国甲壳素开发与研究的发展历程，可谓是“醒来的早，起来的晚”。早在1952年，国内部分沿海城市就开始过甲壳素试验，1954年在《化学世界》杂志发表了国内第一篇有关甲壳素的研究报告。这个时间要比日本早出近20年，但是由于没有被国家及行业部门重视而搁浅。目前，中国化学会甲壳素专业委员会已经成立，并由武汉大学资源与环境学院承办，这对于甲壳素研发工作是个极大利好消息，建议对于甲壳素研究采取如下对策：

一是借鉴日本的作法，尽快制定甲壳素研究“五年发展规划”。作为行业专业委员会，其职责不仅是组织召开学术研讨会和出版书籍，更应该对于本行业的从业人员进行宏观指导，同时依据国家的要求进行统筹安排。建议借鉴日本的作法，参照国家“十三五规划”模式，尽快研究、制定中国甲壳素研究“五年发展规划”。同时，要重点强调甲壳素生物质的研究问题。

二是制定相关优惠政策，鼓励从事精加工产品研发与生产。随着传统能源逐渐枯竭，寻找新的可再生替代能源，这是国家急需解决的问题。建议甲壳素专业委员会要以课题招标形式，以及配合国家、省市专项扶持资金的多种方式，突出强调“精加工”的概念。在未来的甲壳素生物质降解研究中，引导研究单位将研究重点放在甲壳素转化制备含氮精细化学品上。

三是以资金资助为引导，推动“产学研”合作体系的建立。鉴于目前中国尚未形成紧密的“产学研”合作体系，建议国家及各级政府对于甲壳素各类资助项目申报时，应该以企业为申报主体，高校参与的合作形式，鼓励研究、生产单位组成项目“产学研”联合体，用资助资金的形式，引导甲壳素生物质项目产业化的实施。

五、结论与展望

综上所述，本文在概述了近年来国内外甲壳素研究发展历程的基础上，针对目前甲壳素生物质研究中存在的问题，提出了对于促进訪领域发展的三个方面的具体措施，期待甲壳素专业委员会能够切实牵头，带动国内的同行取得更多、更好的研究成果。

参考文献：

[1][10]施晓方等.甲壳素/壳聚糖材料及应用[M].北京：化学工业出版社，2015.

[2]R. Muzzarelli，et al. Chitin in Nature and Technology[M]. 1986. International Conference on Chitin and Chitosan（3rd：1985：Ancona Italy）.

[3]彭靖，邓同兰.壳聚糖的制备及其用于人造皮肤的实验研究[J].产业用纺织品，1990（10）.

[4]彭靖，邓同兰.甲壳素及其衍生物在医药工业中的应用[J].产业用纺织品，1991（8）.

[5]彭靖.甲壳素资源综合利用现状与对策[J].资源开发与保护，1993（4）.

[6]邓同兰，彭靖等.新型人造皮肤的研制及使用性能的组织形态观察[J].佳木斯医学院学报，1995（2）.

[7]YAN N CHEN X.Dont waste seafood waste[J].Nature，2015，524：155—157.

[8]李明广.噻唑衍生物的合成及离子液体在甲壳素生物质转化中的应用研究[D].天津工业大学，2015.

[9]张明川等.甲壳素生物质转化为高附加值化合物研究进展[J].化工进展，2017（3）.

[11]彭靖.对我国能源市场中加强政府有效管理的思考[J].建筑节能，2009（11）.

（彭靖，上海富申评估咨询集团。邓同兰，佳木斯大学医学院。）endprint