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甲壳素,壳聚糖,壳寡糖的农业用途 [复制链接]

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离线郑宏啟

只看楼主 倒序阅读 使用道具 楼主  发表于: 2018-02-08
文稿 甲壳素和壳聚糖20180205.docx (347 K) 下载次数:11 甲壳素,壳聚糖,壳寡糖的农业用途

1 前言
壳寡糖是一种什么物质?是糖生物工程的产物,是继基因工程、蛋白质工程后生物工程领域最后一个重要的研究领地。 随着科学的不断发展,科学家们发现细胞糖链中所蕴藏的生命信息是生物体内核酸和蛋白质的上千倍,壳寡糖是生物细胞中真正主宰生命的使者,自然界中蛋白质、脂肪、水、矿物质和糖统称为五大要素。

早在400年前,《本草纲目》中就有螃蟹壳应用的记载,这是甲壳素最早的应用纪录。  

1811年法国学者布拉克诺H.Braconnot首先在蘑菇中发现了甲壳几丁质,他用温热的稀碱处理蘑菇,得到一些纤维状的残渣,他以为是纤维素,并命名为Fungine,意思是真菌纤维素。紧接着1823法国学者A.Odier欧吉尔在昆虫的外壳中也发现了类似的物质,并用希腊语命名为Chitin,即铠甲、信封,外衣的意思。1859年,法国人Rouget将甲壳素放置于浓KOH溶液中煮沸,洗净后可溶于有机酸中。1894年德国科学家Hoppe-Seler在此基础上发现了这种修饰过的甲壳素称为几丁聚糖(Chitosan)

1811年发现几丁质Chitin 1859年发现壳聚糖Chitosan,再到1910年的100年间,全世界仅有不到20篇论文发表,这些开创性的工作大多由法国人完成。可是由于没有加工提取的合适方法,也没有发现其特殊的功能,在其后的100年中,甲壳质慢慢的被科学界所遗忘。

1934年在美国首次出现了关于它们的专利,并在1941年制备出了壳聚糖人造皮肤和手术缝合线。

20世纪70年代后,研究重心又移到了日本。在日本,许多食品和保健品中都添加有壳聚糖或其衍生物制品。20世纪80年代后,全世界范围内进入了研究高潮,这期间几乎每3天就有1项专利。

20世纪下半叶,随着对纤维素、蛋白质和甲壳素及其他糖类等生物大分子的研究,有机化学诞生和发展起来。甲壳素的研究重心也从欧洲转向日本。广岛原子 弹事件后,有学者发现,小螃蟹“死里逃生”。关于甲壳质的研究才重新成为科学界的热点。通过多年的实验研究,日本科学家终于找出了让小螃蟹死里逃生的神奇物质,它就是藏在螃蟹壳中的壳寡糖。又经过科学家们10年的研究证实,这种甲壳质中的有效成分----壳寡糖具有增强机体免疫力、调节血脂、防癌抗癌和抑制肿瘤转移等多项生理功效,甚至具有抗炎止痛等多种应用价值。  

1977年英国Muzzarelli教授发起并主持了第一届甲壳素和壳聚糖国际会议,以后每2年召开一次。在1991年的会议上,美、欧的医学科技界、营养食品研究机构将其誉为“第六要素”。随着科学家对糖生物学研究的深入,壳寡糖越来越多的功能和特性得到了证实并引起世界各国的高度重视。美国,欧洲,日本,在上个世纪90年代,相继投入大量人力物力着手展开壳寡糖的制备与应用研究。   1993年,美国第一届糖生物工程学会上,著名生物学家,哈特主席说,生物化学中最后一个重大的前沿,糖生物学的时代正在加速来临。  

中国是1952年开展甲壳素研究的。1954年第一篇研究报告发表,1958年国内首先将 乙酰化甲壳素应用于印染工业,后来研究工作一度停止。直至lJ20世纪80年代中期,国内 逐渐开始宣传甲壳素和壳聚糖,影响较大的有1983年谢雅明和1984年严俊的文章。较为详细的综述了甲壳素的有关性质与应用,对中国的甲壳素研究热潮起到了推动作用。20世纪90年代是研究的全盛时期。1995年中国科学院大连化学物理研究所筹备成立天然产物与糖生物工程课题组。1997年,研究开发课题列入国家科委九五攻关计划,归属863计划。2000年前后酶法生产壳寡糖的方法被攻克。

2 几丁质CHITIN
中文学名:几丁质、甲壳素,
英文名称:Chitin
CAS 号码:1398-61-4
一般通称:甲壳质,甲壳素,
化学名称:β-14-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖,
别名:壳多糖、几丁、甲壳质、明角质、聚乙酰氨基葡糖,
分子式:(C8H13NO5) n

分子量: (203.19)n

几丁质 (chitin),又称几丁、甲壳素、甲壳质、壳蛋白、蟹壳素等,是生物体内的天然高分子聚合物。甲壳素广泛存在于低等植物菌类以及海洋无脊椎动物的外壳中,还是某些真菌细胞壁的重要组成成分。甲壳素-壳聚糖作为自然界中大量存在的、碱性阳离子聚合物具有多种生物学活性功能,


1 几丁质(甲壳素)的化学结构式

几丁质合成与降解是昆虫最重要的生理过程之一。昆虫几丁质的生物合成通路始于海藻糖,终止于几丁质,其中共有8个酶参与。目前研究最多的为海藻糖酶和几丁质合成酶。昆虫存在2个海藻糖酶基因和2个几丁质合成酶基因。可溶性海藻糖酶基因对昆虫表皮的几丁质合成影响更大,而膜结合海藻糖酶基因则主要影响中肠的几丁质合成。几丁质合成酶A主要负责表皮和气管几丁质的合成,而几丁质合成酶B则负责中肠围食膜的几丁质合成。如今,昆虫几丁质合成的调控途径主要有两种:利用RNAi技术和几丁质合成抑制剂来实现。

甲壳素的化学名称:(1,4)2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖,是N-乙酰-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖以β-1,4糖苷键连接而成的无分支的线形高分子化合物。是自然界中唯一含氨基的均态多糖,是地球上除蛋白质外数量最大的含氮的天然有机化合物,也是自然界大量存在的唯一的天然碱性多糖,甲壳素广泛分布于在于节肢动物(主要是甲壳纲如虾、蟹等,含甲壳素高达58-85%)、软体动物、环节动物、原生动物、腔 肠动物等中,另外在动物的关节、蹄、足的坚硬部分,动物肌肉与骨结合处,及一些低等植物(如真菌、藻类等)的细胞壁中。

节肢动物的外壳中有35%的蛋白质、30%的钙和无机盐、剩下的就是35%甲壳质。在提取几丁质的加工工艺中,需要经过酸液及碱液的处理才能得到几丁质,而后再经脱乙酰化的处理才能得到具有生理活性的几丁聚糖(壳聚糖)。因此可以说,几丁质脱乙酰化的程度越高,其有效成分的浓度就越高,相对而言对人体的生理功能也就越强。从 虾蟹壳提炼的几丁质,约含有 15% 的胺基(-NH2)与 85% 的乙酰基(-COCH3)。 几丁质具有强吸湿性,保湿效果亦相当好,并且具有吸附重金属离子的功能。

几丁质结构为β-- N-乙酰葡糖胺。这种物质含 碳水化合物 ,性柔软,有 弹性,与钙盐混杂则硬化,形成节肢动物的外 骨骼。几丁质不溶于水、酒精、弱酸和弱碱等液体,有保护功能,但可溶于浓 盐酸 硝酸 硫酸。在强碱作用下分解成脱乙酰几丁质和 乙酸,脱乙酰几丁质进一步在浓盐酸的作用下则水解成 葡糖胺和乙酸。

甲壳素是目前自然界中唯一带正电荷的天然高分子聚合物,属于直链氨基多糖,也可称做氨基葡萄糖。甲壳素分子化学结构与植物中广泛存在的纤维素非常相似,所不同的是,若把组成纤维素的单个分子———葡萄糖分子第 2个碳原子上的羟基(-OH)换成乙酰氨基(-NHCOH3)或者氨基(-NH2),这样纤维素就变成了甲壳素或壳聚糖,故甲壳素可以说是动物性纤维。

甲壳素是自然界中仅次于纤维素的第二大天然聚合物(多糖),也是地球上除蛋白质外数量最大的含氮天然有机化合物,据估计每年自然界生物合成的甲壳素达1×1013kg. 和其衍生物壳聚糖被科学家誉为继蛋白质、糖、脂肪、维生素、矿物质以外的第六生命要素.

甲壳素分子结构中含有N-乙酰氨基、羟基、β_1,4糖苷键,可以通过甲壳素酶或化学方法进行结构改造和修饰产生一系列应用价值高的多功能的甲壳素衍生物,如壳聚糖、甲壳素 壳聚糖酯、甲壳素 壳聚糖醚、壳聚糖N_衍生物、壳聚糖氧化产物、甲壳素 壳聚糖水解产物、甲壳素 壳聚糖接枝共聚和交联产物等.

甲壳素在自然界中分布十分广泛。目前,人类对甲壳素的开发仅处于初级阶段。据推算,自然界的生物每年能生产1000 亿吨甲壳素,包括海洋生物10亿吨以上的生成量,其中能被现代化工业利用的仅为 200 万吨。.由于海洋、江河、湖沼的水圈,海底陆地的土壤圈,以及动植物的生物圈中的甲壳素酶、溶茵酶、壳聚糖酶等将其完全生物降解,参与生态体系的碳和氮源循环,它在地球环境和生态保护系统中起着重要的调控协同作用.虾蟹壳是提取甲壳素优良原料.中国每年有万吨以上的虾蟹壳被丢弃,不仅造成了环境的污染,也浪费了资源。

甲壳素的分子是一种直链多糖, 有三种结构, 分别为 α 型、 β 型和 γ 型。 这种多糖分子由葡萄糖结构单元组成, 构与纤维素极其相似, 只是甲壳素第二位上是乙酰胺基, 而纤维素是羟基。 甲壳素中含量最丰富, 最稳定的是 α 型结构, 它不易分解, 不溶于水和某些常见有机溶剂以及稀酸稀碱, 可溶于浓无机酸。 如果甲壳素与浓碱反应, 便生成可溶于水的壳聚糖,

甲壳素为白色或灰白色的半透明片状固体或粉末状的固体,不溶于水、稀酸、稀碱或一般有机溶剂,可溶于浓无机酸,无毒性,可与金属离子形成鳌合物.而甲壳素经浓碱液处理后,脱去N一乙酰氨基葡萄糖的乙酰基就成为其重要的衍生物—壳聚糖. 甲壳素的不溶性限制了它的应用, 所以各个领域大多数使用的是可溶性的壳聚糖, 也就是将甲壳素分子脱去乙酰基后的产物。

甲壳素目前是一种通称,包括各种类似结构的物质,作为一种多糖类物质,甲壳素具有较高的生物相容性和安全性。大部分甲壳素类特质是大分子非水溶的,其分子量越小越易被植物吸收利用,应用在植物上的效果也越明显。因此,壳寡糖在植物上应用效果最为明显,壳寡糖分子量 200~2000 之间,糖分子数 1~10 之间;其次是甲壳低聚糖,其分子量在2000~6000 之间,糖分子数在 10~30 之间。

甲壳素的化学结构和植物纤维素非常相似。都是六碳糖的多聚体,分子量都在100万以上。纤维素的基本单位是葡萄糖,它是由3002500个葡萄糖残基通过β14糖甙链连接而成的聚合物。几丁质的基本单位是乙酰葡萄糖胺,它是由10003000个乙酰葡萄糖胺残基通过p14糖甙链相互连接而成聚合物。而几丁聚糖的基本单位是葡萄糖胺。甲壳素有以下来源:
1)节肢动物主要是甲壳纲,如虾、蟹等,含甲壳素高达58%~85%;其次是昆虫纲(如蝗、蝶、蚊、蝇、蚕等蛹壳等含甲壳素20%~60%)、多足纲(如马陆、蜈蚣等)、蛛形纲(如蜘蛛、蝎、蜱、螨等,
2)软体动物 主要包括双神经纲(如石鳖)、腹足纲(如鲍、蜗牛)、掘足纲(如角贝)、瓣鳃纲(如牡砺)、头足纲(如乌贼、鹦鹉)等,
3)环节动物 包括原环虫纲(如角窝虫)、毛足纲(如沙蚕、蚯蚓)和蛭纲(如蚂蝗)三纲,有的含甲壳素极少,
4)原生动物 简称原虫,是单细胞动物,包括鞭毛虫纲(如锥体虫)、肉足虫纲(如变形虫)、孢子虫纲(如疟原虫)、纤毛虫纲(如草履虫)等,
5)腔肠动物包括水螅虫纲(中水螅、简螅等)、钵水母纲(如海月水母、海蛰、霞水母等)和珊瑚虫纲等,一般含甲壳素很少,
6)海藻 主要是绿藻,
7)真菌 包括子囊菌、担子菌、藻菌等,含甲壳素从微量到45%不等,
8)其他动物的关节、蹄、足的坚硬部分,以及动物肌肉与骨接合处均有甲壳素存在。除此之外,在植物中也发现低聚的甲壳素或壳聚糖,一种情况是植物细胞壁受到病原体侵袭时,一些细胞壁中的多糖降解为有生物活性的寡糖,其中就有甲壳六糖,典型的例子是树干受伤后,在其伤口愈合处发现了甲壳六糖;另一种情况是根瘤菌产生的脂寡糖,也是甲壳四糖、甲壳五糖和甲壳六糖。

1.0g/kg 甲壳素处理可提高土壤中细菌/真菌值,并且提高了土壤中蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶活性,分别比对照提高了 8.6%40.5%81.1%15.3%187% 49.8%2.5 g/kg 甲壳素处理则降低土壤酶活性或者使土壤酶活性与对照相当。根据T-FLP 的图谱中OUT 的数量、种类及丰度,分别计算了不同处理土壤的真菌多样性,发现 1.0 g/kg 甲壳素处理的连作土具有最高的多样性、均匀度和丰富度指数,分别比对照增加了 52.2%8.0% 87.1%

一般来讲,从虾壳和蟹壳中提取甲壳素比较方便。通常在虾壳和蟹壳中主要有三种物质,包括以碳酸钙为主的无机盐、蛋白质和甲壳素,另外还含有痕量的虾红素或虾青素等色素。甲壳素在虾、蟹壳中的含量则视其品种不同一般在15%~25%。从虾、蟹壳中提取甲壳素的工艺过程主要由两部分组成,第一步用稀盐酸脱除碳酸钙;第二步用热稀碱脱除蛋白质,再经脱色处理便可得到甲壳素。
图解甲壳素的加工工艺流程.

3壳聚糖 CHITOSAN
中文名: 壳聚糖,甲壳胺,聚胺基葡萄糖,脱乙酰甲壳素
英文名: chitosan

CAS 号码:9012-76-4
化学名:β-(14)-2-氨基-2-脱氧-D- 葡萄糖
分子式: (C6H11NO 4)N

单元体的分子量为:161.2

2 壳聚糖的化学结构式


壳聚糖 CHITOSAN 又名甲壳胺,是甲壳类动物(如虾、蟹)、昆虫和其他无脊椎动物外壳中的甲壳中的甲壳质,经脱乙酰化(提取)制得的一种天然高分子多糖体,是动物性的食物纤维。它是一种线型的高分子多糖,即天然的中性粘多糖,若经浓碱处理去掉乙酰基即得脱乙酰壳多糖(几丁聚糖)。壳聚糖是甲壳质脱乙酰的产物, 学名为(14)2一氨基一2一脱氧一BD一葡聚糖,可溶于酸和酸性水溶液。壳聚糖中仍有N 一乙酰基存在,它与甲壳质在结构上的区别在于 脱乙酰度的大小,脱乙酰度在70%以上的甲壳质 即为壳聚糖。

3,甲壳素和壳聚糖在化学结构式上的区别

甲壳素是高分子量物质,其分子量可达100万以上。分子量越高吸附能力越强,适合工业、环保领域应用。低分子量容易被人体吸收。分子量为7000左右的几丁聚糖,大约含30个左右的葡萄糖胺残基。几丁质经过脱乙酰基成为几丁聚糖。几丁质因为不溶于酸碱也不溶于水而不能被身体利用。脱乙酰基后可增加其溶解性因此可被身体吸收。N-乙酰基脱去55%以上的则称为壳聚糖。

壳聚糖比甲壳素的溶解性要好。壳聚糖是葡糖胺和N一乙酰葡萄糖胺的复合物,由于聚合程度的不同,其分子量在501000kDa之间。 壳聚糖的外观呈半晶体状态,晶体化程度与去乙酰化相关。50%去乙酰化时,其晶体化程度最低。

纯甲壳素是一种无毒无味的白色或灰白色半透明的固体,在水、稀酸、稀碱以及一般的有机溶剂中难以溶解,因而限制了它的应用和发展。后来人们在研究探索中发现,甲壳素经浓碱处理脱去其中的乙酰基就变成可溶性甲壳素,又称甲壳胺或壳聚糖或简称聚胺基葡萄糖。这种壳聚糖由于它的大分子结构中存在大量氨基,从而大大改善了甲壳素的溶解性和化学活性,。

壳聚糖多由蟹壳等海鲜壳加工而成,以优质海蟹为原料的几丁聚糖是纯白色的;另外,壳聚糖加工工艺中有需要除蛋白质,这是影响甲壳素纯度的一个重要指标,蛋白质去除不尽,颜色会偏黄。壳聚糖的生产过程中,脱乙酰基是一个关键过程,也是影响其产品品质的一个重要因素,脱乙酰度越高,壳聚糖的品质越好,一般建议选择脱乙酰度90%以上的产品。

壳聚糖是甲壳素脱N-乙酰基的产物,一般而言,N-乙酰基脱去55%以上的就可称之为壳聚糖,或者说,能在1% 乙酸或1% 盐酸中溶解1%的脱乙酰甲壳素,这种脱乙酰甲壳素被称之为壳聚糖。事实上,N-脱乙酰度为55%以上的甲壳素,就能在这种稀酸中溶解。作为工业品的壳聚糖,N-脱乙酰度在70%以上。N-脱乙酰度在55%~70%的是低脱乙酰度壳聚糖,70%~85%的是中脱乙酰度壳聚糖,85%~95%的是高脱乙酰度壳聚糖,95%~100%的是超高脱乙酰度壳聚糖。N-脱乙酰度100%的壳聚糖极难制备。 甲壳素的每个糖基上,也许都有N-乙酰基,也许不一定都有N—乙酰基,凡是N—乙酰度在50%以下的,都被称之为甲壳素,因为它肯定不溶于上述浓度的稀酸。

脱乙酰基程度(D.D)决定了大分子链上胺基(NH2)含量的多少,而且D.D增加,由于胺基质子化而使壳聚糖在稀酸溶液中带电基团增多,聚电解质电荷密度增加,其结果必将导致其结构,性质和性能上的变化,
纯甲壳素和纯壳聚糖都是一种白色或灰白色半透明的片状或粉状固体,无味、无臭、无毒性,纯壳聚糖略带珍珠光泽。生物体中甲壳素的相对分子质量为1×10 62×10 6,经提取后甲壳素的相对分子质量约为3×10 57×10 5,由甲壳素制取壳聚糖相对分子质量则更低,约2×10 55×10 5。在制造过程中甲壳素与壳聚糖相对分子质量的大小,一般用粘度高低的数值来表示。商品壳聚糖视其用途不同有三种不同的粘度,即高粘度产品为0.71Pa·s、中粘度产品为0.250.65 Pa·s、低粘度产品<0.25 Pa·s

在特定的条件下,壳聚糖能发生水解、烷基化、酰基化、羧甲基化、磺化、硝化、卤化、氧化、还原、缩合和络合等化学反应,可生成各种具有不同性能的壳聚糖衍生物,从而扩大了壳聚糖的应用范围。

壳聚糖大分子中有活泼的羟基和氨基,它们具有较强的化学反应能力。在碱性条件下C-6上的羟基可以发生如下反应:羟乙基化——壳聚糖与环氧乙烷进行反应,可得羟乙基化的衍生物。羧甲基化——壳聚糖与 氯乙酸反应便得羧甲基化的衍生物。磺酸酯化—— 甲壳素和壳聚糖与纤维素一样,用碱处理后可与二硫化碳反应生成磺酸酯。氰乙基化—— 丙烯腈和壳聚糖可发生加成反应,生成氰乙基化的衍生物。
上述反应在甲壳素和壳聚糖中引入了大的侧基,破坏了其结晶结构,因而其溶解性提高,可溶于水,羧甲基化衍生物在溶液中显示出聚电解质的性质。

因壳聚糖分子中带有游离氨基,在酸性溶液中易成盐,呈阳离子性质。壳聚糖随其分子中含氨基数量的增多,其氨基特性越显著,这正是其独特性质的所在,由此奠定了壳聚糖的许多生物学特性及加工特性的基础 [1]

根据甲壳素的脱乙酰程度的不同可以 将壳聚糖分为不溶性壳聚糖和可溶性壳聚糖。 比如将甲壳素中的 50%乙酰基脱去, 成为半制壳聚糖, 这种壳聚糖不能溶于酸, 但是会溶胀。 如果继续脱去分子中剩余的乙酰基, 便可以制成可溶性壳聚糖, 它在简单有机酸及无机酸中分散溶解成粘稠胶体, 并在酸性溶液中逐渐水解, 其最终分解产物为葡萄糖胺。

由于甲壳质脱乙酰化后游离氨基的产生,使壳聚糖易于溶解在大多数有机酸和无机酸中,但壳聚糖不溶水。但若采取适当条件,对其进行降解,当其平均分子量小于一万时,则成为低聚水溶性壳聚糖 (简称低聚壳聚糖)。壳聚糖降解而获得的 210个氨基葡萄糖以beita l4一糖苷键连接而成的低聚糖,叫做壳寡糖,也叫壳聚寡糖或几丁寡糖,学名为beital4一寡糖一葡萄糖胺。

甲壳素和壳聚糖均具有非常复杂的螺旋结构,且甲壳素和壳聚糖的结构单元不是单胺(N-乙酰胺基葡萄糖或者氨基葡萄糖),而是二胺。
  
在自然界中果品蔬菜获得甲壳素的途径有两种,一种是在与昆虫直接接触时果品蔬菜分泌甲壳素酶,直接将接触部位的甲壳素分解吸收;另一种是从土壤中获得,即昆虫死后的残骸或真菌自溶的菌丝体、子实体进入土壤后被微生物分解,其被分解的甲壳素被果品蔬菜根部吸收。

甲壳素(壳聚糖)促进土壤中有益菌的生长,改善土壤中微生物的分布。在土壤中施入甲壳素后,能促进放线菌、固氮菌、纤维素分解菌、乳酸菌等有益菌的增生,其中放线菌的数量增加 3 0 倍以上,并能抑制霉菌等有害菌的生长。
   甲壳素可以被微生物分解后作为养分供植物生长,而且可以改善土壤的微生物体系以及团粒结构,可以作为土壤改良剂。1963年美国Michell等在土壤中添加龙虾壳或直接添加甲壳素,可以减少土壤中植物病原菌引起的病害。甲壳素可以使土壤中放线菌数量增加,病原菌的数量减少,能分解甲壳素的细菌数量也增加35倍,这些分解甲壳素的细菌产生几丁质酶能抑制部分真菌的生长或杀死线虫的卵。

甲壳素及壳聚糖可以促进植物生长甲壳素及壳聚糖能有效的促进植物根、茎、叶的生长,可以提高作物的产量,改善作物的品质。由于壳聚糖对于植物的氮代谢具有特别的调节功能帕,,所以对于低蛋白作物提高储存蛋白含量作用显著。由于甲壳素及壳聚糖含有丰富的CN元素,被微生物分解利用后可以作为养分供植物生长,同时甲壳素可以改善土壤中的微生物体系,抑制放线菌等病原菌的生长,促进有益微生物的生长,同时还能改善土壤的团粒结构。

4 纤维素,几丁质(甲壳素)和壳聚糖的区别

    在河南烟草试验里壳聚糖与硫酸铜互作中,低浓度(0.1)壳聚糖和高浓度(O.2)硫酸铜最有利于烤后烟叶中性致香物质含量的增加,作用效果最佳,尤其对提升类胡萝卜.紊类致香物质作用显著;有助于致香成分的形成,提升烟叶品质。

    海南的试验结果表明:水杨酸壳聚糖复合 涂膜能够延缓芒果后熟进程,延长芒果贮藏时间。效果优于单一的壳聚糖涂膜;水杨酸壳聚糖复合涂膜对炭疽病和蒂腐病均有一定的抑制效果.在水杨酸浓度为O520mmol/L的条件下。随着水杨酸浓度的增加,防治效果越来越明显,其中以 2.Ommol/L水杨酸+壳聚糖复合涂膜处理的效果最好,其对炭疽病和蒂腐病的防效分别为42.15%和87.19%.对蒂腐病的防治效果比炭疽病更明显。

山西的试验结果表明,当壳聚糖浓度为15%~2%,药种比为l50时, 其处理效果最好,可为菜豆抗旱种衣剂的进一步研究提供基础。壳聚糖能促进种子萌发,对菜豆种子发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数等均有提高作用。

以黄瓜为材料,在江苏通过盆栽和田间药效试验,测定外源壳聚糖(CTS)和水杨酸(SA)处理对黄瓜根结线虫的卵块形成抑制率、病情指数及防效和黄瓜产量的影响。不同浓度外源壳聚糖(CTS)和水杨酸(SA)均对黄瓜根结线虫具有一定的防效,且两者具有协同增效作用,田间试验喷施叶面处理和灌根处理中均以150 mgL 水杨酸(SA100 mg/L外源壳聚糖(CTS)混合处理防效最佳,且灌根处理优于喷雾叶面处理,防效达4455%,小区产量比对照增加273%。150mgL水杨酸(SA) 100mgL外源壳聚糖(CTS)混合灌根处理对黄瓜根结线虫具有良好的防效与增产作用,显示出一定的应用价值。

甘肃农大的试验结果说明一定浓度的外源壳聚糖(CTS)浸种可促进盐胁迫下小麦种子萌发和幼苗生长,减缓盐胁迫伤害。在 NaCl胁迫处理下,研究了不同浓度的外源壳聚糖(CIS)对小麦种子萌发及幼苗生理特性的影响。结果表明:盐胁迫下,0.1%~0.5%外源壳聚糖(CTS)浸种预处理的小麦种子具有较高的发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数和Q一淀粉酶活性.

沈阳农大的试验结果表明:100 mgL壳聚糖和0.02 mIL爱密挺溶液能够有效提高低温胁迫下茄子幼苗的叶绿素含量、净光合速率(P)、气孔导度(G)、和表观量子效率(AQY),降低了胞间CO2浓度(Ci)。说明爱密挺和壳聚糖能够提高低温胁迫下茄子幼苗的光合作用,增强其低温耐受性。

甲壳质和壳聚糖有利于改良土壤中微生物的分布,改善作物的生存环境,防止土壤病害。甲壳素进入土壤后可促进有益菌如固氮菌、纤维分解菌、乳酸菌、放线菌的增生,抑制有害细菌如霉菌、丝状菌的生长。有报道表明甲壳质及壳聚糖可以使土壤中放线菌增加近30倍。甲壳质/壳聚糖有改善土壤性质的作用,加上壳聚糖的抑菌作用,可将壳聚糖与可溶性蛋白(如胶原蛋白) 台成液体土壤改良剂

壳聚糖是氨基多糖类聚合物,含有丰富的CN,可被微生物分解利用并作为植物生长的养 份,同时,土壤中施用壳聚糖或其他甲壳素衍生物可改变土壤微生物区系,促进有益微生物的生长而抑制一些植物病原菌。早在1963年,美国Mitchell等人在土壤中加入龙虾壳或甲壳素,结果使土传植物病原真菌引起的病害如大豆根腐病,葫萝卜、莴苣、甜菜苗期猝倒病,线虫病发生减轻,进一步研究发现,施用甲壳素衍生物后,土壤中放线菌数量增加,真菌数量减少,能分解几丁质的细菌数量也增加35倍,这些分解几丁质的细菌产生几丁质酶抑制部分真菌的生长或杀死线虫的卵。此外,壳聚糖与其它材料混合可配成抗旱剂或保水剂。

         壳聚糖等甲壳素衍生物在作物增产和提高品质方面有很大的潜力口]。美国Freepon s2壳聚糖喷涂冬小麦种子后,分蘖数增加,每亩增产34.1%。华盛顿大学研究人员用壳聚糖处理小麦种子,可保护小麦免受土壤真菌的侵染,

用壳聚糖处理冬小麦种子,可增产5%~30%,品质也有提高,如蛋白质增加3.36%,湿面筋增215%,干面筋增加20%。用壳聚糖为主要成分的93—4增产剂浸泡马铃薯种薯,最终产量增加20%。用0.05%和003%浓度的壳聚糖浸种,可分别使玉米增产14.8%和8.5%,壳聚糖处理后,穗长、穗粗、穗粒数和百粒重均有提高。

利用成膜性以及对一些微生物有抑制作用的特性,甲壳素衍生物可用于保藏水果、蔬菜、鲜花。如加拿大HaiseN0一羧甲基壳聚糖涂抹在梨、桃、苹果、番茄上形成一层薄膜可减少氧气进入,阻碍二氧化碳逸出水果,日本铃木隆司等人以壳聚糖和甲壳素为主要成份制成一种保鲜剂,涂布或浸泡水果蔬菜,使其形成被膜,可防止果实、蔬菜腐烂,保存时间比未处理的长23倍,而且味道不发生变化,外观漂亮、商品性好。

4 壳寡糖 CHITOOLIGOSACCHARIDE

中文名:壳寡糖
通用名:几丁寡糖,壳聚寡糖,低聚壳聚糖,氨基寡糖素,聚氨基葡糖、甲壳低聚糖
英文名:Chitosanoligosaccharidechito-oligosaccharide
CAS:148411-57-8
分子式:C12H24N2O9
分子量:340.32696

名:β-14- 寡糖-葡萄糖胺
分子量: 约为聚合度*161
理化性质:易吸潮,溶液PH≤12的水溶液
商品名称:施特灵、好普、净土灵、天达裕丰
剂型:0.5%、2%,5%水剂

壳寡糖是指D-氨基葡萄糖以β-1.4糖苷键连接的低聚糖,由几丁质降解得壳聚糖后再降解制得。壳寡糖可以从虾蟹类生物外壳的甲壳素中直接提取,或由微生物发酵提取的产品。壳寡糖的制备方法很多,近几年常见的制备方法有物理法、化学法、酶解法、复合降解法和糖基转移法。这几种制备方法都有其自身的优缺点,其中,酶降解法以反应条件温和、所需反应试剂少、环境污染小、产率高、反应易控制、 产物均一性好等优点而成为制备壳寡糖的首选方法。

壳寡糖是将壳聚糖降解得到的一种聚合度在2~20之间寡糖产品,分子量≤3200Da,是水溶性较好、功能作用大、生物活性高的低分子量产品。它具有壳聚糖所没有的较高溶解度,全溶于水,容易被生物体吸收利用等诸多独特的功能,其作用为壳聚糖的14倍。壳寡糖是自然界中唯一带正电荷阳离子碱性氨基低聚糖,是动物性纤维素。

壳寡糖是指D-氨基葡萄糖以β-1.4糖苷键连接的低聚糖,由几丁质降解得壳聚糖后再降解制得,或由微生物发酵提取的低毒杀菌剂。农业级壳寡糖能对一些病菌的生长产生抑制作用,影响真菌孢子萌发,诱发菌丝形态发生变异、孢内生化发生改变等。能激发植物体内基因,产生具有抗病作用的几丁酶、葡聚糖酶、保素及PR蛋白等,并具有细胞活化作用,有助于受害植株的恢复,促根壮苗,增强作物的抗逆性,促进植物生长发育。

壳寡糖以其来源广泛、诱抗活性高并能调节植物生长发育等优势,逐渐成为国内外关注热点。作为生物农药,壳寡糖在防病和抗病方面有着多种机制,除了作为活性信号分子,迅速激发植物的防卫反应,启动防御系统,使植物产生酚类化合物、木质素、植保素、病程相关蛋白等抗病物质,并提高与抗病代谢相关的防御酶和活性氧清除酶系统的活性,寡糖对植物病原菌直接的抑制作用也是其抗病的必要组成部分。一般认为壳寡糖抗菌机理是:在酸性条件下, 壳寡糖分子中—NH+3与细菌细胞壁所含硅酸、磷酸脂等解离出阴离子结合,从而阻碍细菌大量繁殖;然后,氨基寡糖素进一步低分子化,通过细胞壁,进入微生物细胞内,使遗传因子从DNARNA转录过程受阻,造成微生物彻底无法繁殖。将壳寡糖用于制造生物农药是未来的发展方向,它在环境中易于降解,完全不会对环境造成污染,兼有药效和肥效双重生物调节功能的特点,可诱导激活植物免疫系统,提高植物抗病毒能力。

壳寡糖可作为植物功能调节剂,具有活化植物细胞,促进植物生长,调节植物抗性基团的关闭与开放,激活植物防御反应,启动抗病基因表达等作用。日本已将壳寡糖制成植物生长调节剂,用于提高某些农作物产量。张文清等研究了壳寡糖对黄瓜生长的促进作用,结果表明,壳寡糖处理过的黄瓜植物不但对霜霉病的抗性增强,而且对果实采收期可提前35d,产量明显提高。

壳寡糖作为一种植物生长调节剂及抗菌剂,可诱导植物产生PR蛋白和植保素,利用氨基寡糖素为基本成分研制的新型种衣剂,具有巨大的生产潜力。对壳寡糖油菜种衣剂剂型应用效果进行研究,利用壳聚糖酶降解壳聚糖获得的氨基寡糖素为基本成分,配以化肥、微量元素及防腐剂等成分进行混合,调制成较稳定的胶体溶液后拌种,对油菜种子发芽和出苗均无明显影响,但可促进油菜生长,提高壮苗率,增加产量,增产幅度在4.33%9.67%,增产以增加每角果粒数为主。壳寡糖拌种可明显抑制油菜菌核病的发生,3个油菜品种的防治率为34.19%44.1%

壳寡糖诱导作物的抗性不仅表现在抗病(生物逆境)方面,也表现在抵抗非生物逆境方面。施用壳寡糖对作物的抗寒冷、抗高温、抗旱涝、抗盐碱、抗肥害、气害、抗营养失衡等方面均有良好作用。这是由于氨基寡糖素对作物本身以及土壤环境均产生了多方面的良好影响,譬如壳寡糖诱导作物产生的多种抗性物质中,有些具有预防、减轻或修复逆境对植物细胞的伤害作用;

壳寡糖能促使作物生长健壮,健壮植株自然也有较强的抗逆能力。以草莓悬浮培养的细胞为对象,研究了壳寡糖处理对活性氧代谢的效应。结果表明壳寡糖可诱导草莓悬浮培养细胞的活性氧迸发,同时也可诱导活性氧清除酶活性上升,可以认为壳寡糖处理能直接诱导活性氧产生速率的早期直接增加。这可能有利于启动活性氧信号系统,并引起抗性信号的转导。而在处理后期活性氧清除酶———CATSOD活性显著增加,可以清除过多活性氧,避免活性氧积累对细胞的伤害作用。因而壳寡糖处理草莓细胞可以诱导产生抗性反应。浩瀚农业技术专家实践中发现:当作物幼苗遇低温冷害而萎蔫时,及时施用壳寡糖,很快植株就恢复了长势;当作物不论是什么原因导致根系老化时,施用氨基寡糖素能促发有活力的新根;当作物遭受农药药害导致枝叶枯萎时,施用壳寡糖可以辅助解毒并使之很快就抽出新的枝叶。
壳寡糖在国内农业上多被称为氨基寡糖素。主要是被登记为生物农药。

在陕西的烟草苗期或病毒病发病初期每隔7天连续喷施2.0%氨基寡糖素 3-4 次,对烟草病毒病的抑制作用明显,防治效果达到 72.4-77.9%,最佳使用浓度为300-400倍液。

陕西陕西植保站用2%氨基寡糖素防治番茄病毒病,晚疫病和灰霉病。结果表明,对番茄病毒病和晚疫病的控制作用明显,防治效果分别为69.3%-81.6%66.2-81.76%最佳使用浓度为300-500倍液。是番茄病毒病和晚疫病有效的生物防治措施。但对番茄灰霉病的防治效果不佳,防效仅为32%

陕西植保站用 2% 氨基寡糖素防治辣椒疫病、病毒病和枯萎病,结果表明,在疫病、病毒病发病初期喷施,防治效果分别达到69.03-73.91% 81.36%;枯萎病发病后喷施,病株率得到有效 控制。防治疫病最佳使用浓度为 500-800 倍液,防治病毒病、枯萎病最佳使用浓度为500倍液。

2013 陕西省在小麦拔节期、孕穗期和抽穗期施用5%氨基寡糖素(750倍稀释液),小麦生长安全,增产效果明显,每亩可增 6%以上

在湖北宜城,采用5%氨基寡糖素500倍液在播种前对砧木、西瓜种子浸种处理,在瓜苗移栽后3d及伸蔓期、现花期、果实膨大 期采用1000倍液对植株进行叶面喷雾处理,能起到较好的控病抗病和增产效果,瓜苗移栽后1012d防治效 果为82.2%,成熟期防治效果为73.5%

在山西万荣的万红宝桃树上喷施5% 氨基寡糖素后,对当地桃树主要病害桃穿孔病的防效可达 63% 以上。

在广西水稻生长分蘖期,孕穗期喷施 5%氨基寡糖素1000+10%醚菊酯1000倍液,可提高水稻产量并减轻稻穗瘟的危害(田间防效64.7%)。

新疆玛纳斯县田间试验表明:5%氨基寡糖素水剂对刀豆冷害具有良好的治疗效果,第3次施药后 7 d 93.76%的效果。

广西5%氨基寡糖素能够促进种子发芽整齐、秧苗生长、分蘖及秧苗根系生长(500倍液浸种),减少缓苗期返青时间,对水稻纹枯病防治效果为66.5%,增产效果达10.6%(800倍液叶面喷洒)。

新疆的试验表5%氨基寡糖素(800倍稀释)诱导棉花对枯、黄萎病防治效果最高分别可达 80%70%

氨基寡糖素(O5%水剂)防治黄瓜根结线虫病试验。试验结果表明,用氨基寡糖素(05 水剂)对水对黄瓜进行灌根处理,可以较好的防治黄瓜根结线虫病。其中:有效成分用量45 ghm2 60 ghm2的防效分别达到6573%和6910%:产量分别增加2288%和3061%。

浙江的试验表明5%氨基寡糖素对茶叶有较好增产作用,喷施 3次(800倍稀释)增产达22.51%,喷施2次增产达17.13%,增产主要表现在增加发芽密度、芽长和芽重。而且提高茶叶中茶多酚和咖啡碱含量,同时能降低稀土含量。

湖北的试验氨基寡糖素0.5%水剂防治番茄晚疫病效果显著. 能有效地增强番茄的抗病能力,使用剂量在1418.89 g.a.i./hm2时,防效均在80%以上。

农科院棉花所用3种氨基寡糖素水剂进行河南棉花田间试验,探讨了其对棉花黄萎病的防治效果及田间使用技术。结果表明:在本试验用量下,0.5%氨基寡糖素水剂对棉花黄萎病的防治效果可达37.5%,3%氨基寡糖素水剂对棉花黄萎病的防治效果可达54.0%;0.5%氨基寡糖素水剂有效成分用量在11.25/公顷 (稀释350)左右较为合适。氨基寡糖素水剂适合在棉花黄萎病发生初期进行叶面喷施,喷施用水量为 780/公顷。2左右,每7 d一次,连续34次。

新疆自治区植保站用氨基寡糖素对甜瓜、 制种西瓜等8种作物上的12种病害有一定的诱导抗病和防控作用,防效为8.1%~100%;对棉花、莴笋等6种作物有 不同程度的增产作用,较对照增产1.6%,53.4%;可以显著促进甜瓜、大枣、莴笋的生长;改善甜瓜、番茄、西瓜、大枣的品质;对缓解制种刀豆冷害和因2,4滴丁酯引起的棉花药害有较好作用。

云南的试验结果表明 0.5%氨基寡糖素(500倍稀释液)对烟草病毒病有较理想的防治效果,其最终防效达64.9%。

云南喷施 5%氨基寡糖素水剂对防治柑橘冻害,提高坐果率和果实品质方面效果明显,其中800倍液的处理在防冻、提高单果重、改善柑橘营养品质方面效果最好,500倍液的处理柑橘坐果率最高。

壳寡糖应用于农业上,有调控植物生长发育、激活植物防御反应、杀菌防病等功能。壳寡糖能提高多种作物的抗病性,并有助于提高抗寒能力、叶绿率含量、光合速率等,还具有促进生长、控制徒长等作用,可以提高作物产量、品质。

国内目前氨基寡糖素农药,经广泛的田间实验及室内验证西瓜枯萎病、棉花黄萎病、番茄晚疫病、烟草病毒病、黄瓜白粉病、生菜立枯病、辣椒疫病等多种病害均有很好的防效。

1 大陆地区登记的含氨基寡糖素的农药品种
生产企业
农药登记证:
有效成分:
含量
产品规格:
产品价格
河北奥德植保药业有限公司
PD20101201
氨基寡糖素0.5%(水剂)
0.50%
100g*60瓶/件
330
河北奥德植保药业有限公司
PD20101201
氨基寡糖素0.5%(水剂)
0.50%
100ml*40瓶/件
185
河北奥德植保药业有限公司
PD20101201
氨基寡糖素0.5%(水剂)
0.50%
100g*40瓶/件
355
石家庄金土地农业科技开发有限公司
PD20101201
氨基寡糖素0.5%(水剂)
0.50%
30ml*300袋/件
245
四川稼得利科技开发有限公司
PD20101201F080017
氨基寡糖素0.5%(水剂)
0.50%
100ml*40瓶/件
880
山东省乳山韩威生物科技有限公司
PD20100258
氨基寡糖素0.5%
0.50%
100ml*40瓶/件
450
山东省乳山韩威生物科技有限公司
PD20100258
氨基寡糖素0.5%(水剂
0.50%
300ml*20瓶/件
220
山东省乳山韩威生物科技有限公司
PD20100258
氨基寡糖素0.5%(水剂)
0.50%
500g*20瓶/件
320
山东省济南科海有限公司
PD20110346
氨基寡糖素0.5%(水剂)
0.50%
20g*300瓶/件
1725
陕西上格之路生物科学有限公司
PD20101072
氨基寡糖素0.5%(水剂)
0.50%
500ml*20瓶/件
385
福建新农大正生物工程有限公司
PD20097337
氨基寡糖素0.5%(水剂)
0.50%
20g*400袋/件
600
江西田友生化有限公司
PD20131246
氨基寡糖素2%(水剂)
2%
200g*25瓶/件
220
贵州贵大科技产业有限责任公司
PD20132683PD20092762
氨基寡糖素2%(水剂)+甲霜`噁
2%
(10g+20g)*300袋/件
865
青岛海纳生物科技有限公司
PD20141797
氨基寡糖素5%(水剂
5%
200g*20瓶/件
480

表内价格数字为2016年的信息,此处仅供参考。

国内登记的氨基寡糖素的用量水平大致在10-20克有效成分/公顷左右。在2017年底左右的市场调查数据表明,每15升水(俗称:每桶水)的用药成本大致为5元。

5 尾章
壳素,壳聚糖和壳寡糖属于同一来源的分子大小不同的化合物。甲壳素的溶解度最低,壳寡糖的水溶性最好。三种物质在农业上都可被利用。

甲壳素的化学制备法是目前工业化采用的最广泛,工艺最成熟的一种方法。先用稀酸脱除无机钙, 稀碱液脱去蛋白质, 最后用氧化剂脱色得到。我国湖南某单位发现, 只要将甲壳素水洗至中性, 然后置于阳光下晒干, 就能得到白色的产, 无需用化学试剂脱色。甲壳素再进一步用浓碱脱乙酰便得到了壳聚糖。



甲壳素可以直接施用到土壤中。甲壳素的添加实质上是激活土壤中的某些微生物种类,例如放线菌和依赖放线菌生活的细菌。因此,在施用了甲壳素的土壤中的这些菌类的数量会有明显的增加。据文献记载,这种增加的幅度可达到30倍之多,甚至有文献介绍这种变化可达到1000倍之多。由于线虫和昆虫的体壁上都含有甲壳素,因此这些放线菌的数量增加后也会对线虫和昆虫构成威胁。致使这些节肢动物的群体数量下降。 由于这种防治不是直接的作用,所以甲壳素呈现更多地是肥料特性。壳聚糖再农业中的应用或许更多是利用其成膜性。在种子处理和果品保鲜上的尝试比较多见。壳寡糖虽然成本最高,但是植物更容易吸收。所以多用于植物病害的防治。因此农药的特性比较突出了。

同样来源的物质经过不同的加工工艺得到不同的产品。无论是哪一类产品都具有其特点。在生产中根据这些特点有效的使用产品才能获得更多的优良效果。在过去的百年间,因为不同的科学家都会按照自己受教育的背景选择自己所用的名词。特别在国内的科技界更是混乱。 甲壳素,壳聚糖和壳寡糖的使用更像是他们都来自于虾蟹壳的加工产品。可是在昆虫学的研究中更愿意称甲壳素为几丁质。甚至某些学者也对这些词汇之间的关联不够重视。有意思的是在英文文献中,CHITINCHITOSAN并没有其他的同义词。所以我们在工作中或者以英文为准来确认这些物质,或者必须要自己规范。

甲壳素,壳聚糖和壳寡糖的信息在前面的章节中都做过介绍了. 最后还是要强调一点就是各位一定要注意各种产品的规格和用量。无论任何产品在使用时,首先就必须涉及到用量。这三类产品的使用也毫不例外. 2015Hafizur Rahman的试验结果表明在80微克/毫升是无论是高聚合度的壳聚糖(DP206) 和聚合度为3-10的壳寡糖对灰霉病菌都没有抑制作用.但是到了1300微克/毫升时,两种产品就都能表现出对病原菌的抑制效果.除了用量会影响效果,产品的规格也会影响效果.在上述的试验中,聚合度为23-41的壳寡糖即便是在80微克/毫升的水平时,也能表现出理想的对病原菌的抑制效果.

目前在大多数文献中, 都对用量水平有了比较明确的表述. 但是对产品的规格确还缺乏一个明确的指标.壳聚糖和壳寡糖类产品都应该有脱乙酰度DD和聚合度DP的标示.聚合度就是指聚糖和寡糖中糖链分子的大小. 另外一种表达化合物的方式就是达尔顿Da
 
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离线dos0001

只看该作者 沙发  发表于: 2018-02-08
不错的资料,辛苦楼主分享
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只看该作者 板凳  发表于: 2018-02-08
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只看该作者 地板  发表于: 2018-02-09
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只看该作者 4楼 发表于: 2018-02-09
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只看该作者 5楼 发表于: 2020-07-03
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