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user: 3. 壳聚糖抗菌性能的影响因素 由于壳聚糖分子内存在游离羟基和氨基，因而具有很好的抗菌性能。壳聚糖及其衍生物的抑菌作用随着其自身和环境条件的改变而呈现出不同的结果，其抗菌性能主要受到分子量、脱乙酰度、分子结构改性、菌类、浓度、温度、pH值、离子强度等的影响。 3.1. 壳聚糖本身的影响 3.1.1. 分子量与脱乙酰度 壳聚糖的分子量与脱乙酰度是与抗菌效果密切相关的两个因素，而分子量又是争论最多的因素。宋献周等 [ 13 ] 认为低分子量壳聚糖的抑菌效果优于高分子量壳聚糖。夏文水等也报道了分子量为1500的甲壳低聚糖对大肠埃希菌的抑菌效果最强，随分子量上升，抑菌效果逐渐下降。陈凌云等 [ 14 ] 证明了分子量大于10万时不具有抑菌功能，而分子量小于5000时对金黄色葡萄球菌等细菌才具有抑制杀灭作用。郑连英等 [ 15 ] 认为分子量30万以下的壳聚糖对革兰阳性菌的抑制作用随分子量增大而增强，而对革兰阴性菌的抑制作用随分子量减小而增强。Jeon等 [ 16 ] 发现高分子量的壳聚糖抗菌性最好，随分子量增加抗菌能力增强。壳聚糖经辐射处理后，分子量小于10万时对金黄色葡萄球菌无明显作用。郑铁生等也发现壳聚糖的分子质量对其抑菌性能有很重要的影响，壳聚糖分子质量小，对5种被试菌的抑制效果最好。在一定范围内(50~200 KD)，随着分子质量的提高，壳聚糖的抑菌效果相应降低。之所以在壳聚糖的抑菌作用与其分子量的关系上的说法比较混乱，可能是因为壳聚糖是一种混合物，是由大分子量和小分子量的壳聚糖组合而成的，其分子量只是平均分子量。不同分子量的壳聚糖取决与其组成中大分子量和小分子量壳聚糖在混合物中所占的比例。 对于壳聚糖分子量对抗菌性能的影响主要有以下几点结论：1) 高分子量的壳聚糖溶于酸后，成为一种阳离子型生物絮凝剂，在絮凝过程中使菌体细胞聚沉，高分子链密集于细菌菌体表面，形成一层高分子膜，影响细菌对营养物质的吸收，阻止代谢废物的排泄，导致菌体的新陈代谢紊乱，从而起到杀菌和抑菌的作用 [ 17 ] ；2) 随着分子量的增大，壳聚糖分子链的卷曲和缠结程度增大，使得有效基团 -NH 3 + 被包埋在其中，降低了对菌体的吸附及杀菌能力；3) 壳聚糖分子量降低，则可以通过渗透作用穿过多孔细胞壁，尤其是革兰氏阴性菌，细胞壁较薄，交联松散，低分子量壳聚糖进入细菌内部，破坏细胞质中内含物的胶体状态，使其絮凝、变性，细菌无法进行正常的生理活动，或者直接干扰其带负电荷的遗传物质DNA和RNA [ 18 ] [ 19 ] ，抑制细菌的繁殖，导致微生物的死亡；4) 如果分子量进一步减少，则有效基团减少，壳聚糖的絮凝能力降低，甚至没有抗菌能力。通过渗透作用进入细菌细胞后，可能被几丁质酶或壳聚糖酶所降解 [ 20 ] ，从而作为营养物质而被利用，反而促进了菌体的生长； 另外，付强 [ 21 ] 研究了壳聚糖抗菌性与脱乙酰度的关系。认为在22%~92%的脱乙酰度范围内，壳聚糖抗菌性随脱乙酰度的增加呈先升后降趋势，以脱乙酰度70%左右抗菌性最强。 3.1.2. 壳聚糖分子改性的影响 由于壳聚糖的难溶于一般的有机溶剂和水中，人们对壳聚糖进行了改性得到了一些衍生物，并对于改性产物的抗菌性能进行了研究。李治等 [ 22 ] 对O-羧甲基壳聚糖的抗菌性进行了研究发现，O-羧甲基壳聚糖表现出了一定的抗菌性，其抗菌性随着羧甲基化度的升高呈现出先升后降的规律。同壳聚糖相比，O-羧甲基壳聚糖在比较宽的羧甲基化度范围内表现出了更强的抗菌性。Kim等 [ 23 ] 在壳聚糖的氨基上接上了不同长度的烷基，制备了一系列的壳聚糖季铵盐衍生物。由于壳聚糖的衍生物在酸性和碱性条件下都可溶，因此有着更广泛的应用。对抗菌性能的研究表明经过改性的壳聚糖抗菌活性有所提高，而且抗菌活性随着烷基链的增长而增加。樊李红，杜予民等在2005年也对于壳聚糖季铵盐的抗菌性能进行了研究，发现壳聚糖季铵盐与壳聚糖相比有更高的正电荷密度和阳离子性，更易于与细菌带负电荷的表面发生相互作用，从而抑制细菌生长，使壳聚糖季胺盐具有比壳聚糖更强的抗菌性。 另外，Song等 [ 24 ] 将壳聚糖接枝到海藻酸上，以赋予化合物抗菌性能。Hu等用等离子照射的方法将壳聚糖接枝到对聚苯二甲酸乙二酯上。高分子抗菌剂比小分子抗菌剂有更好的抗菌活性，而且使用安全，易加工，稳定性好。壳聚糖衍生物具有很好的抗菌性，部分品种的抗菌效果明显高于壳聚糖，是目前最理想的抗菌剂。 3.2. 外界因素的影响 3.2.1. 菌类 壳聚糖的抗菌作用与细菌的种类有关。实验发现壳聚糖对曲霉的抗菌效果不是很明显，原因是黑曲霉属于真菌类，真菌的细胞壁含有壳聚糖，用黑曲霉制备壳聚糖的产率较高，可以达到12%以上，由于黑曲霉有较高的壳聚糖含量，决定了壳聚糖对黑曲霉没有较高的抑制能力。吴远根等通过抗菌检测表明壳聚糖膜对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌、酵母和霉菌等典型菌种的抑制效果是明显的，尤其是壳聚糖酸处理膜对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的抗菌效果最好。郑铁生等研究了壳聚糖对5种被试菌的生长均有明显的抑制作用，天然抗菌活性强，但对不同的被试菌，同一壳聚糖的抑菌效果又有一定的差异。 3.2.2. 浓度 Sudarshan等 [ 25 ] 对壳聚糖的抗菌性能进行了研究，他们认为适当的低浓度壳聚糖的抑菌能力最强。因为适当的低浓度壳聚糖可以中和细菌细胞壁表面所带的负电荷，使细菌细胞胶合在一起，而高浓度的壳聚糖可能使细菌细胞表面带上一定数量的正电荷，从而使细菌细胞处于悬浮状态，而不是胶合在一起。张伟等对水溶性壳聚糖的抗菌性进行了实验，发现水溶性壳聚糖的抗菌活性随其浓度的增加而增强，且它的抗真菌性要强于其抗菌性。黎军英等发现当壳聚糖浓度足够高时，能够激活部分微生物本身的几丁质酶活性，或使几丁质酶被过分表达，导致其对自身细胞壁几丁质的降解，从而损伤细胞壁。 3.2.3. 温度 壳聚糖具良好的热稳定性。郑铁生等将壳聚糖分子质量为50 KD，浓度为0.5 g/L溶液，分别在60℃、100℃、 121 ℃ 等不同温度条件下处理30 min后，立即置于水浴中冷却，然后进行杀菌试验，以室温不经热处理的壳聚糖为阴性对照，同时设空白对照，发现对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性无明显降低，说明温度对壳聚糖抑菌活性影响微小。但Tsai等 [ 26 ] 对大肠埃希菌抗菌性研究发现，在4℃~37℃范围内壳聚糖的杀菌性随温度升高而增强。 3.2.4. pH值 壳聚糖是一种聚电解质，其抗菌性对环境pH有很大的依赖性。张燕婉等报道了壳聚糖在pH = 5.5时对5种主要食物中毒菌：大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌、鼠沙门菌、李斯特单核细胞增生菌和小肠结肠耶尔森菌的抑制作用较pH = 6.5时强。付强等 [ 21 ] 认为壳聚糖在pH = 5.8时抗菌性最强，而羧甲基壳聚糖的有效抗菌pH为5.0~7.0，壳聚糖季铵衍生物却随pH增加抗菌性增强。Tsai [ 26 ] 等研究了pH值对壳聚糖抗菌性的影响发现在酸性pH值中杀菌活性最强。 由于壳聚糖的pKa = 6.2，当溶液pH值高于此值时，一方面溶液中H + 浓度下降，壳聚糖的质子化程度降低， -NH 3 + 逐渐转化为 -NH 2 ，作为抑菌有效因子的 -NH 3 + 减少；另一方面，壳聚糖的溶解性也下降，从而导致抗菌效果减弱。这可能是因为在壳聚糖分子中引入改性基团使 -NH 3 + 阳离子的pKa值增大，因而使得其具有抗菌性的pH值的适用范围向碱性移动。 3.2.5. 金属离子、离子强度及其他因素 壳聚糖抗菌性受离子强度和金属离子影响。Chung等用壳聚糖处理农业污水，水中的细菌主要是大肠杆菌和葡萄球菌，结果发现壳聚糖的抗菌活性随着金属离子浓度增加而减弱。高浓度的Zn 2+ 对壳聚糖的抗菌活性抑制性最强，而Mg 2+ 最弱；Tsai等 [ 26 ] 也同样认为金属离子对壳聚糖抗菌活性有抑制作用，并且Ba 2+ > Ca 2+ > Mg 2+ ，因为壳聚糖对金属离子的螯合能力的不同，壳聚糖表面的自由氨基基团螯合金属离子，降低有效氨基的含量，从而降低其杀菌能力，但是壳聚糖又可以作为阳离子聚合物吸附在细胞表面，与类脂多糖发生作用，使得脂多糖与Mg 2+ 、Ca 2+ 脂结合的可能性减小。叶磊等 [ 9 ] 发现壳聚糖的杀菌作用可以通过提高离子强度得到增强，主要是环境中的离子干扰壳聚糖形成分子内刚硬的晶体结构，增加溶解度实现的，但金属离子除外，因为壳聚糖表面的自由氨基基团可以有选择性地螯合对微生物生长起关键作用的金属离子，尤其是酶的辅助因子，从而抑制微生物的生长和繁殖，同时也降低有效氨基的含量，从而降低其杀菌能力。 环境中某些表面活性剂的存在可能会影响到壳聚糖抑菌性能的发挥。郑铁生等研究发现随着表面活性剂浓度的增大，壳聚糖的抗菌活性下降，这可能是壳聚糖分子中的阳离子( -NH 3 + )与表面活性剂中的阴离子结合，减少了抑菌功能团的数量，从而使其抗菌活性下降的原因，在应用中值得注意。