甲壳素及其在水产养殖业的用途

文/王玉堂

早在2001年就有报道显示，甲壳类（虾蟹类）加工产业中有近40%下脚料——甲壳废物产生，而甲壳中蕴涵着丰富的甲壳素（或称壳聚糖）。随着水产品加工业的发展和渔业科技的进步，甲壳素的提取工艺日臻成熟，其功能与用途的多样性也日益被揭示。目前，壳聚糖在我国多个行业得到了广泛应用，包括水处理、农业、纺织业、化妆品和食品加工等。研究表明，壳聚糖具有良好的安全性、生物降解和生物相容性。使得壳聚糖在水产养殖中有着广泛的应用，具体功能包括抗菌、促生长和免疫刺激等。

世界性的甲壳素研发热潮和即将到来的甲壳素时代，对中国来说将是一次难得的机遇和挑战。目前，我国甲壳素的研发与应用已经快速崛起，全国有数千家科研院所、大专院校和企事业单位从事甲壳素的应用研发和生产经营，近年全国甲壳素的产量已增至4000吨以上，先后召开过多次全国性学术研讨会，已发表相关学术报告数百篇。但我国的甲壳素生产技术和工艺水平不高、产品档次较低、应用范围尚窄、研发力量分散、研究内容重复等问题较突出，还需要做出更大努力。

一、甲壳素及其来源

甲壳素（Chitin）又称几丁质、甲壳质、壳多糖、壳聚糖、壳蛋白，是自然界第二大丰富的生物聚合物，仅次于植物纤维，广泛存在于昆虫、甲壳动物等的外壳及真菌的细胞壁中。

甲壳素最早是由法国科学家布拉克诺（Braconno）于1811年首先从真菌——蘑菇中提取到的一种类似植物纤维状的六碳聚合体。甲壳素其实是甲壳动物（虾蟹类）外骨骼和真菌类（蘑菇等）细胞壁的重要组成成分，在昆虫外壳、藻类细胞、软体动物的外壳和软骨中也有存在。

经化学结构分析，甲壳素是人类迄今为止发现的自然界中唯一带正电荷阳离子基团的一种天然高分子聚合物，也是糖类中唯一的碱性多糖，属于直链氨基多糖。其化学名（1，4）-2-乙酰氨基-2-脱氧-ß-D-葡萄糖，分子式：（C8H13NO5）n，单体之间以ß（1→4）糖苷键连接，分子量一般在106左右，理论含氮量6.9%，被认为自然界中唯一含氮量最高的天然资源。分子结构特点是氧原子将每个碳原子的糖环连接到下一个糖环上，侧基团挂在这些环上。甲壳素分子化学结构与植物中广泛存在的纤维素类似，所不同的是，若把组成纤维的单个分子——葡萄糖分子第二个碳原子上的羟基（OH）换成乙酰氨基（NHCOH3），这样纤维素就变成了甲壳素。从这个意义上讲，甲壳素可以说是一种可食的动物纤维。甲壳素有α、ß、γ三种晶型，其中α-甲壳素的存在最为丰富，也最稳定。由于大分子间强氢键作用，导致甲壳素成为保护动物的一种结构性物质，结晶构造坚固，不易熔化、不溶于水、也不溶于一般的有机溶剂和酸碱，仅溶于浓盐酸、磷酸、硫酸、乙酸等，其化学性质非常稳定。

二、甲壳素的功能

（一）抗菌性能

早在1979年，就有研究人员对壳聚糖的抗菌功能进行了研究。研究表明，壳聚糖对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌都有很高的抑制性，尤其是革兰氏阴性菌对壳聚糖更敏感。据报道，研究人员倾向于将壳聚糖划分为抑菌剂而非杀菌剂，作用方式如图1所示。

抑菌的作用机制如下：

1.基于静电相互作用的方式。阳离子化胺的数量越多，抑菌作用越明显，通过静电相互作用而引起膜壁渗透性变化导致内部渗透失衡，从而抑制微生物的生长。

2.与微生物的DNA相互作用，从而抑制mRNA和蛋白质的合成。这一说法还存在争议，有研究人员认为，壳聚糖是外膜破坏物，而非胞内的渗透材料。

3.金属离子螯合作用。壳聚糖具有良好的金属离子结合能力，其分子内部的脱乙酰氨基通过螯合作用牵引金属阳离子，从而抑制微生物的生长，这一机制在高pH条件下更有效。

研究表明，多种因素会影响壳聚糖的抑菌效果，包括：（1）细菌的种类和年龄等内部因子；（2）壳聚糖分子的内在因素，包括正电荷密度、分子量和浓度等；（3）壳聚糖的物理状态；（4）环境因素，温度、pH和作用时间等。有研究发现，饲料中添加不同浓度的壳聚糖，罗非鱼肠道中总厌氧和有氧菌的数量降低，且呈现密度依赖性。

（二）抗真菌活性

许多研究表明，壳聚糖有很强的抑制真菌能力，能够抑制真菌的孢子萌发、真菌牙管伸长与径向生长。通过显微镜观察发现，壳聚糖能够扩散到真菌内部，影响真菌生长所需要的酶活性。此外，壳聚糖对真菌细胞壁的抑制作用取决于浓度、乙酰化程度和局部pH高低。研究表明，壳聚糖对琼脂平板上的立枯丝核菌有抑制作用，然而，壳聚糖用于水产养殖鱼类的直接抗真菌作用还有待深入的研究。

（三）抗氧化特性

图1 壳聚糖抗菌作用方式

据报道，壳聚糖及其许多合成衍生物具有抗氧化活性，壳聚糖的抗氧化活性可归因于其对羟基自由基的清除活性及螯合能力。研究显示，壳聚糖的抗氧化性能随着浓度的增加而逐渐提高。有学者研究了饲料中添加维生素C和壳聚糖等抗氧化剂在氯化镉环境下对欧洲鲤鱼的影响，结果显示，单独或联合添加壳聚糖或维生素C可提高暴露于氯化镉环境中的鱼类抗氧化防御系统的效率，调节丙氨酸氨基转移酶、ALT、肌酸激酶、CPK和过氧化氢酶的活性。还有研究表明，壳聚糖或其衍生物对对虾消化腺抗氧化防御和氧化应激状态有一定的影响。大量研究表明，壳聚糖作为一种强有力的抗氧化成分在水产养殖中的积极作用，但仍需对其作用进行更多的研究。例如，壳聚糖对鱼类的抗氧化防御机制和最佳有效水平尚不清楚。

（四）促生长特性

壳聚糖是一种活性生长促进剂。研究表明，壳聚糖能够改变小肠的形态结构，促进营养物质的吸收，增强生长性能。例如，在黑鲈的饲料中添加壳聚糖，能够提高其生长性能和饲料利用率。低浓度的壳聚糖能够提高氮的利用率和氨基酸的消化率。大量研究探讨了壳聚糖的浓度对生长性能的影响。例如，中等浓度的壳聚糖对鲤鱼、罗非鱼的生长性能有明显改善；凡纳滨对虾的饲料中添加2.13g/kg和2.67g/kg的壳聚糖，能够通过增加其蜕壳率和消化吸收效率而提高其生长性能，然而，高浓度（20g/kg～100g/kg）的壳聚糖反而会抑制其生长。以上研究表明，不同物种需要的最适壳聚糖浓度有差异，其适用浓度受养殖种类、年龄和体重的影响。

（五）免疫刺激特性

免疫刺激物是一种能够激活机体的先天性免疫和特异性免疫的天然或合成化合物，近年来的研究表明，壳聚糖是一种有效的免疫刺激物。实验显示，通过添加适量的壳聚糖，虹鳟的血细胞参数与存活率都受到了明显的影响。而在亚洲鲈鱼的实验中，短期内，中等浓度的壳聚糖刺激能够提高其先天性免疫的指标，但在长时间、高浓度的壳聚糖刺激下，会抑制白细胞和巨噬细胞。说明不同物种对壳聚糖的耐受浓度差异较大，具有物种依赖性。

（六）封装性能

图2 壳聚糖的吸附作用示意图

在水产养殖中，许多生物活性物质的口服输送系统在通过胃肠道时有三个主要障碍，包括酶、免疫细胞和上皮细胞的物理屏障等。研究表明，当壳聚糖用于制备微胶囊时，它可以保护胶囊活性化合物在苛刻条件下顺利进入胃肠道，并增强吸收能。

（七）水处理特性

生物聚合物作为一类有前途的生物吸附剂，可用于去除水中的有机和无机污染物。壳聚糖作为一种生物吸附剂已被广泛应用于水中。这主要是由于壳聚糖具有良好的金属结合性能，氨基上的氢牵引带相反电荷的金属阳离子螯合形成聚合物，如图2所示。另外，由于其成本较活性炭低，而且其氨基和羟基含量高，对各种水生污染物具有很高的吸附潜力。

综上所述，壳聚糖有以下特性：壳聚糖对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌都有很好的抑制效果，研究人员倾向于将其划分为抑菌剂；壳聚糖以及衍生物具有抗氧化特性，一般可归因于对羟基自由基的清除活性和对亚铁离子的螯合能力；壳聚糖是一种生长促进剂，可能归因于其能够改善小肠的形态结构，促进营养物质的吸收；壳聚糖能够刺激免疫系统，促进炎性细胞的功能，例如巨噬细胞和溶菌酶的产生；壳聚糖能够促进活性化合物顺利通过胃肠道，提高其消化吸收；壳聚糖由于其生物降解性、与重金属的金属结合能力、对污染物的选择性高等诸多原因被广泛应用于水净化中。

三、甲壳素的主要用途

（一）甲壳素的用途综述

甲壳素被高浓碱水解后生成α-氨基葡萄糖，可用于纺织品的防皱和防缩水处理、直接染料或硫化染料的固色、涂料印花的固着、木材的胶合以及防雨篷布的上浆等，也可用作人造纤维和塑料等的原料。

甲壳素脱去乙酰氨基成为可溶性甲壳素（chitosan），溶解性大为改善，且吸湿性较强，仅次于甘油，高于聚乙二醇、山梨醇。在吸湿过程中，分子中的羟基、胺基等极性基团与水分子作用而水合，分子链逐渐膨胀，随着pH值的变化，分子链从球状胶束变成线状。具有极好的成膜性、透气性和生物相容性，无毒，可与生物降解，因而其应用十分广泛，在工业、农业、医药、化妆品、环境保护、水处理等领域都有应用。如在工业上可以作为布料、衣物、染料、纸张等；在农业上可以用作杀虫剂、植物抗病毒剂等；在水产领域可用于饲料；美容化妆领域可用作美容剂、毛发保护剂、保湿剂等；在医药领域可用作隐形眼镜、人工皮肤、缝合线、人工透析膜和人造血管等。

壳聚糖可生物降解，其代谢产物无毒，具有抗微生物活性、激活淋巴细胞、提高免疫力、调节脂肪代谢和降低血脂、胆固醇等多种生理功能。在饲料中添加壳聚糖可以提高花鲈、异育银鲫、真鲷、野鲮的吞噬细胞活性，增强其非特异性免疫功能。研究结果证实，在饲料中添加适量的壳聚糖，能使鲫鱼各种组织溶菌酶活性和白细胞吞噬活性增高，表明壳聚糖能激活水解酶的活性，增强机体抗感染能力。美洲红点鲑和虹鳟经壳聚糖溶液注射或浸泡后，血液中的一些免疫指标，如杀菌活力、过氧化酶活性和IgM浓度均显著提高，对杀鲑气单胞菌感染的抵抗力也显著增强。口服甲壳素可以显著提高金头鲷的巨噬细胞活性、细胞毒活性和血清补体活性等。

（二）甲壳素在食品工业上的应用

甲壳素以其稳定性、保温性、成膜性、凝胶性、絮凝性、生物安全性和生物功能性等优良性状而在食品工业中广泛应用。

1.增稠剂和絮凝剂：目前广泛用于各种液体饮料。

2.保水剂和乳化剂：甲壳素的吸湿性比纤维素要好，吸水后的甲壳素表面活性降低比纤维素要小。105℃气干的甲壳素易被水湿润，吸水后在-6℃条件下可完全冷冻。利用甲壳素的吸水性添加于食品中，可有效控制水分，达到变稠、胶凝、稳定乳液等效果。在蛋白质强化面包的制作过程中，加入微晶甲壳素，面包中蛋白质的含量随着甲壳素的添加率增加而增加、变大。微晶甲壳素的乳化性和持水性较好，能代替低温-80℃使乳化鱼肝油延长保质期，即可销往寒冷地区，也可销往炎热地区。

3.食品保鲜剂：由于甲壳素独特的分子结构和理化性质，能显著抑制细菌类的生长繁殖，非常适宜用于肉类和果蔬的保鲜。研究表明，甲壳素醋酸混合液对30℃条件下贮藏的鲜猪肉中各种腐败菌生长有抑制作用，可明显延长货架期80小时。用甲壳素涂膜法保鲜果蔬效果优于0℃冷藏保鲜法。不耐贮存的猕猴桃经3个月的甲壳素涂抹贮藏，好果率100%。

4.不溶水可食薄膜：一般可食薄膜都是水溶性的，不能包装含水分高的食品，而用甲壳素与淀粉共聚制成的薄膜经碱处理后，使其成为不能水溶化的可食薄膜，这种薄膜即使在沸水中长时间浸泡也不会溶解，适合包装水分很多的食品。

5.功能性甜味剂：甲壳素的低聚糖具有非常爽口的甜味，而且在保温性和耐热性等方面也优于砂糖，很难被体内消化液所降解，故几乎不产生热量。其低热值特点可避免过量摄入甜食带来的病症，是糖尿病人、肥胖病人理想的功能性甜味剂。据研究表明，低聚糖还能促进双歧杆菌增殖，在抗肿瘤、抗衰老、抑制多种肠道疾病方面效果良好。

6.功能食品添加剂：甲壳素经过改性后可质变为水溶性，作为功能性物质的载体可广泛用于生食品加工业，用于添加人体所必需的矿物质和微量元素钙、锌、铁等。目前我国市场上已出现近百种甲壳素功能性保健品。

由于甲壳素的特殊生理功能不断被发现，已引起全球科技界和产业界的重视。甲壳素也是机能性健康食品。1993年，日本厚生省受理了甲壳素作为癌细胞转移抑制剂静脉注射药品的申请。1996年，甲壳素又通过了美国药品食品管理局（FDA）及欧共体（EC）检定，核准在美欧销售。目前，甲壳素的研发及其商业产品已出现全球竞争趋势，并将保持持续稳定调整增长态势。

四、虾壳中甲壳素提取工艺简介

图3 甲壳素和壳聚糖制备工艺流程图（仿陆剑锋等，2006）

自然界的甲壳素大多是与不溶于水的无机盐及蛋白质紧密结合在一起的。甲壳素的制备也多是利用甲壳动物的外壳，通过化学方法或微生物方法。但在工业化生产过程中常采用化学方法，将甲壳用酸碱处理，脱去钙盐和蛋白质，然后用强碱在加热条件下脱去乙酰基，即可得到可溶性甲壳素（壳聚糖）。目前，国内甲壳素加工生产企业多为利用虾蟹甲壳提取甲壳素，因为虾蟹甲壳中含有甲壳素达20%～30%，无机物（碳酸钙为主）含量为40%，其他物质含量30%左右。我国甲壳类动物年产量在千万吨以上，资源潜力巨大。以甲壳类为原料制备甲壳素的工艺流程见图3。