几丁质

几丁质是自然界中最普遍的氨基多糖聚合物，是赋予昆虫、甲壳类动物和真菌外骨骼强度的基本构成部分。通过化学或酶促脱乙酰作用，几丁质能够转化为其最著名的衍生物——壳聚糖。虾和蟹壳是食品加工业中丰富的副产品，也是几丁质的主要天然来源。这些生物聚合物被大量用于生物医学应用。为了维持体内平衡，合成几丁质的生物体中几丁质的产生和分解必须受到酶的严格调控。几丁质合成过程中的关键酶——几丁质合成酶，利用UDP-N-乙酰葡糖胺（UDPGlcNAc）来生成几丁质聚合物，而几丁质酶则负责分解几丁质。人们认为细菌是几丁质分解的主要天然媒介。由于其独特的生化特性，包括成膜能力、生物相容性、生物降解性和无毒性，几丁质和壳聚糖在生物医学领域发现了多种潜在应用。此外，基于几丁质和壳聚糖的材料在纳米技术的最新进展中得到了更广泛的应用。长期以来，使用几丁质和壳聚糖制造聚合物支架已是常见做法。

此外，关于利用壳聚糖制造定制纳米载体和促进药物、生物制品和疫苗递送的微胶囊化方法的研究正在进一步进行。每种应用可能都需要具有特定尺寸和载荷释放特性的基于壳聚糖的纳米/微米颗粒。如何持续生产具有高载荷效率并能封装蛋白质载荷的壳聚糖纳米/微米颗粒，仍然是当前面临的挑战之一。壳聚糖可以有效地用于水凝胶、纳米颗粒和微凝胶等溶液中。通过改变脱乙酰度，它还可以被制成具有特定生化特性的无限多种衍生物。因此，壳聚糖是研究最多的生物材料之一。本研究旨在探讨几丁质和壳聚糖的生物合成、分离，并总结其在纳米技术中的应用，包括组织工程、伤口敷料、抗菌剂、抗衰老化妆品和疫苗佐剂。

几丁质 (C₈H₁₃O₅N) _n 是N-乙酰葡糖胺的长链聚合物，N-乙酰葡糖胺是葡萄糖的一种酰胺衍生物。作为自然界中仅次于纤维素的第二大普遍多糖，生物圈每年产生的几丁质估计达10亿吨。它是某些线虫和硅藻细胞壁、节肢动物（如昆虫和甲壳类动物）外骨骼、软体动物的齿舌、内壳和头足类喙的主要成分，以及丝状和形成蘑菇的真菌的细胞壁成分。此外，至少有一些鱼类和现存两栖类也能合成它。几丁质主要从螃蟹、对虾、贝类和龙虾等重要海产品副产品的壳中提取以供商业使用。几丁质的结构与纤维素相似，形成结晶纳米纤维或晶须。它的功能类似于角蛋白。几丁质在多种生物、工业和医疗应用中显示出巨大潜力。

历史

1811年，法国科学家亨利·布拉科诺被认为是几丁质的发现者。他最初从蘑菇中分离出一种不溶于硫酸的化学物质，并将其描述为“fungine”。此外，法国科学家奥古斯特·奥迪尔成功地从甲虫角质层中分离出这种物质，并给它起了个法语名字“chitine”，这是希腊词“chiton”的翻译，意为“覆盖物”。最终，“chitin”（几丁质）取代了该化学物质最初的名称。

此后，几丁质在商业和医学领域都得到了应用。由于其无毒、可生物降解和抗菌的特性，它具有多种用途，并且更加环保。例如，它已被用于可随时间分解的手术缝合线。此外，某些乳液和化妆品也将其作为成分之一。1929年，因发现麦角酸二乙酰胺（LSD）而闻名的瑞士化学家阿尔伯特·霍夫曼（1906-2008）揭示了甲壳素的结构。

结构

在结构功能方面，几丁质类似于角蛋白，一种存在于人类头发和指甲中的蛋白质。然而，它的碳水化合物（多糖）结构成分使其与角蛋白区别开来。其结构类似于纤维素。几丁质是一种含氮的改性碳水化合物。它由N-乙酰-D-葡糖胺 (C₈H₁₃O₅N) n»1 的单体线性聚合物组成。这些单体通过β(1→4)糖苷键相互连接，就像纤维素一样。然而，纤维素中的单体是葡萄糖单元。

此外，几丁质的每个单体都有一个乙酰胺基团，而不是一个羟基。这为几丁质的聚合物之间形成额外的氢键提供了更多可能性，从而增加了蛋白质的结构强度。当几丁质中的乙酰基 COCH3 被去除时，会产生壳聚糖，壳聚糖与几丁质不同，因为它可溶于水。

几丁质的类型

已鉴定出三种主要的几丁质晶型

1. α-几丁质

这种几丁质形式更常见。它表现为微纤维的反平行排列。它具有很高的机械性能，但在水中的溶解度较低。链内氢键导致其水溶性差。它存在于节肢动物，包括昆虫体内。在甲壳类动物中，它与钙盐和镁盐高度矿化。

2. β-几丁质

这种类型的几丁质存在于平行排列的微纤维中。与α-几丁质相比，它更容易水合。它也相当有适应性。硅藻的刺和乌贼的内壳中都含有它。

3. γ-几丁质

这种类型的几丁质由β-和α-几丁质组成。它可以在某些甲虫的茧中找到。

几丁质的物理和化学性质

阿尔伯特·霍夫曼于1929年发现了甲壳素的结构。他使用了从蜗牛（Helix pomatia）中提取的甲壳素酶的粗糙版本来水解甲壳素。

几丁质是一种含氮的改性多糖，由N-乙酰-D-葡糖胺单元，特别是2-(乙酰氨基)-2-脱氧-D-葡萄糖构成。这些单元结合形成共价β-(1→4)-键，这类似于将葡萄糖单元结合形成纤维素的键。因此，几丁质可以被描述为每个单体上用一个乙酰胺基团代替一个羟基的纤维素。结果，相邻聚合物之间可能形成更多的氢键，从而加强了几丁质-聚合物基质。

当几丁质纯净且未经改变时，它是透明、柔韧、坚固且相当耐用的。然而，在大多数节肢动物中，它通常被改变，主要作为复合材料的一部分出现，例如骨蛋白，这是一种鞣制过的蛋白质基质，构成了昆虫外骨骼的很大一部分。当几丁质与碳酸钙混合时，如在软体动物和螃蟹壳中看到的那样，所得的复合材料会更加坚固。与纯几丁质相比，这种复合材料明显更硬、更坚固。它也比纯碳酸钙更不易碎、更耐用。比较甲虫坚硬而轻的鞘翅（含有大量骨蛋白）和毛毛虫柔软的体壁（主要由几丁质构成），可以揭示纯净形式和复合形式之间的另一个区别。

蝴蝶翅膀鳞片中的几丁质排列成由光子晶体制成的螺旋二十四面体堆栈，作为用于交配和进食的表型信号和通信设备。这些晶体产生各种虹彩颜色。蝴蝶翅膀中观察到的复杂几丁质螺旋二十四面体结构为仿生学进步提供了有前景的光学设备模型。金龟子科 Cyphochilus 属的圣甲虫也使用几丁质来制造非常薄的鳞片，这些鳞片能漫反射白光，厚度在五到十五微米之间。这些光散射鳞片由随机排列的几丁质细丝网络构成，尺寸从几百纳米到几千纳米不等。鳞片的非凡白度被认为是由于光的反复散射造成的。此外，某些社会性黄蜂，如 Protopolybia chartergoides，会口吐主要由几丁质构成的物质，以加固纸质的巢穴外壳。

商业壳聚糖是通过用氢氧化钠处理几丁质进行脱乙酰化制备的。壳聚糖有许多生物学用途，包括组织工程、药物输送和伤口愈合。由于其独特的分子间氢键网络，几丁质特别耐溶于水。相反，壳聚糖（脱乙酰度超过约28%）可以溶解在弱酸性水溶液（pH值低于6.0）中，如乙酸、甲酸和乳酸。当壳聚糖的脱乙酰度高于约49%时，它能溶于水。

生物学功能

人类和其他哺乳动物

人类和其他动物除了拥有多种可以检测到几丁质及其分解产物并触发免疫反应的免疫受体外，还含有几丁质酶和类几丁质酶蛋白，可以分解几丁质。

几丁质主要在肺部或胃肠道中被检测到，它可以通过T辅助细胞引发适应性免疫反应，也可以通过嗜酸性粒细胞或巨噬细胞引发先天免疫系统反应。皮肤角质形成细胞也可能对几丁质碎片做出反应。

植物

几丁质激发子受体激酶1和几丁质激发子结合蛋白是植物中发现的另外两种受体，它们可以触发对几丁质的反应。2006年，第一个几丁质受体的克隆被制造出来。几丁质激活的受体会导致与植物防御相关的基因表达、茉莉酸激素的激活以及随后系统性防御的激活。截至2016年，关于共生真菌与宿主免疫反应相互作用的知识还很有限。

某些细菌会产生与几丁质结合的蛋白质，并隐藏它们从这些受体中排出的几丁质。一种具有这些阻断蛋白的真菌是小麦的一种严重害虫——小麦壳针孢菌（Zymoseptoria tritici）。

真菌

几丁质是真菌细胞壁的一个组成部分。与植物中的纤维素类似，几丁质与其他分子（如蛋白质）一起在细胞外沉积。这有助于生物体通过在细胞之间形成坚硬的细胞壁来保持其形状。与植物细胞中保持水分的方式类似，水压可以在细胞内积聚并压迫细胞壁。这增加了每个细胞的强度，被称为膨压。真菌能够穿过多层可能重达数磅的落叶层，这是一种了不起的成就。结构纤维几丁质的强度部分解释了这一点。

软体动物

软体动物有多种其他类型的几丁质。无论是较为衍生的头足类还是较为原始的软体动物都使用几丁质。几丁质是软体动物（如蜗牛）中齿舌的一个组成部分，齿舌是一个类似带刺舌头的器官。软体动物用它们的齿舌从它们生长的坚硬表面上刮取食物和藻类。头足类使用的几丁质是为了构建一个喙，使它们能够刺穿食物的坚硬外壳。大部分猎物是节肢动物，讽刺的是，它们的壳中也含有几丁质。

节肢动物

节肢动物科是世界上最多样化的动物科之一。无脊椎动物具有分节的身体结构和由不同蛋白质和几丁质构成的坚硬外骨骼，被称为节肢动物。在各种环境中，受保护的身体设计与可变节段的组合非常有效。节肢动物无处不在，从海底到生物栖息的最高海拔。节肢动物的大小也各不相同；它们可以小到毛发根部的螨虫，也可以大到数米长的螃蟹和昆虫。所有这些生物都拥有由沉积的几丁质和结构蛋白构成的外骨骼。几丁质与其他蛋白质结合，也赋予了许多昆虫更灵活的翅膀。因为几丁质可以被塑造成多种不同的形状，节肢动物已经能够进化成数百万种不同的形态。

几丁质的应用

1. 医药应用

• 伤口敷料

由于其止血特性，几丁质及其衍生物壳聚糖在伤口敷料中可用于减少出血。

• 缝合线

由于其生物可降解性和生物相容性，已经开发出基于壳聚糖的缝合线。

2. 生物医学工具

• 植入物

可以使用壳聚糖为各种医疗应用制造生物相容性植入物。

• 药物输送系统

由于几丁质和壳聚糖可以以受控方式包裹和释放药物，它们可用于药物递送系统。

3. 水处理

• 水净化

在水处理过程中，几丁质和壳聚糖可用作絮凝剂和混凝剂，以帮助澄清和去除污染物。

4. 农业

• 作物保护

由于其抗真菌和抗菌特性，壳聚糖是一种有用的天然杀菌剂和农药，用于作物保护。

• 植物生长促进剂

几丁质和壳聚糖可以增强植物生长和抗病能力。

5. 食品和饮料行业

• 食品包装

由于壳聚糖薄膜具有生物可降解性和抗菌性，它们可用于食品包装，以延长某些产品的保质期。

• 澄清

果汁和葡萄酒都可以从壳聚糖提供的澄清和过滤过程中受益。

6. 化妆品

• 护肤品

壳聚糖是护肤品和化妆品中的常见成分，因为它具有成膜和保湿能力。

7. 可生物降解物质

• 可生物降解塑料

减少环境影响的一种方法是在可生物降解聚合物的生产中使用几丁质和壳聚糖。

8. 纺织行业

• 织物处理

壳聚糖可用于纺织品，以提高其防水性、耐用性和抗菌活性。

9. 生物技术

• 酶固定化

在生物技术过程中，几丁质可作为酶固定化的支撑材料。

10. 药品

• 伤口愈合

由于其止血和组织修复特性，壳聚糖在促进伤口愈合方面的潜力已得到研究。

几丁质的工业生产

几丁质的大规模生产是一个复杂的过程，始于从各种自然来源，特别是虾和蟹等甲壳类动物的外骨骼中提取和纯化这种有用的多糖。由于废弃的壳富含几丁质，该过程通常从收集水产养殖业和渔业的海产品废料开始。为了分离几丁质，这些壳会经过一系列精心设计的步骤，首先是机械清洗以去除污染物和附着的组织。之后，通过一种称为脱矿质的化学过程，使用酸来溶解矿物质，并通过脱蛋白质来去除蛋白质。通过进一步的清洗和干燥过程，几丁质得到进一步纯化，产生原始的几丁质物质。脱乙酰化是通过用碱溶液处理几丁质以产生更易溶且生物活性更强的衍生物——壳聚糖的过程。根据期望的用途，所得的壳聚糖随后被加工成各种形式，如粉末、薄片或溶液。除了从甲壳类动物中获得的几丁质外，也可以使用真菌等其他来源，并且正在研究酶生物技术技术，以更环保和可持续的方式生产几丁质。工业生产几丁质的主要障碍之一是加工和废物处理的成本。为了克服这些障碍并发现新的用途，公司和研究人员正在努力开发几丁质在各种行业和应用中的潜力，从工业和医疗到农业和环境。只要技术突破和可持续实践不断涌现，几丁质的工业生产仍然是一个充满活力的领域，有潜力为各种行业做出重大贡献并促进环保实践。

研究

关于几丁质与植物和动物免疫系统之间关系的研究正在进行中。问题包括几丁质与哪些重要的受体相互作用，几丁质颗粒的大小是否会影响其触发的免疫反应类型，以及免疫系统反应的机制。壳聚糖是一种具有高度生物相容性的聚合物，在生物医学领域有多种用途，其生产需要对几丁质进行化学或酶促脱乙酰化。由于几丁质和壳聚糖可以引发免疫反应，它们已被研究作为疫苗佐剂。

研究组织形成和伤口愈合，以及试图开发更好的绷带、手术线和同种异体移植材料，都正在使用几丁质和壳聚糖作为支架。尽管几丁质缝合线已经进行了实验性生产，但其缺乏弹性和生产线的困难迄今为止阻碍了其商业成功。已经证明并建议壳聚糖可用于制造可重复使用的可生物降解塑料。几丁质纳米纤维从甲壳类动物和蘑菇的废料中提取，以潜在地制造用于组织工程、药物输送和医疗用途的产品。

有人建议使用几丁质与火星风化层制造复合材料，以制造工具、建筑物和其他固体物品。为了构建这一点，建议将几丁质中的生物聚合物作为风化层骨料的粘合剂，从而产生一种类似于混凝土的复合材料。作者认为，甲壳类动物和昆虫的外骨骼、鱼鳞以及食品工业的其他废料可用作工业运营的原料。

挑战与未来方向

• 生产成本

商业几丁质和壳聚糖合成的高昂成本阻碍了这些物质的广泛应用。

• 生物技术发展

关于降低成本和提高几丁质合成效率的生物技术方法的研究仍在进行中。

• 废物价值化

开发利用富含几丁质的废物流的技术可以支持循环经济理念和可持续实践。

• 生物医学进展

正在进行的研究旨在发现新的生物医学用途，例如药物输送和再生医学。

结论

几丁质和壳聚糖具有独特的生化特性，这意味着它们可以被认为是近乎完美的生物聚合物，在生物医学研究中具有广泛的用途。虽然这些材料可以加工成各种产品，但它们也可以用于制造支架和纳米颗粒，这在迅速发展的纳米医学领域变得越来越有用。在本文中，我们试图概述几丁质和壳聚糖的生物合成、分离和技术应用。在现有领域中，我们只能涉及生物医学应用的一小部分，而在农业、生物技术、化妆品以及食品加工和包装领域还有更多的应用。