常麗，陳安國(guó)，黃思齊，李建軍，唐慧娟，潘根，鄧勇，張翠萍，李德芳，趙立寧

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部麻類生物學(xué)與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410205）

在日常生活中，人們不可避免地要接觸到各種各樣的細(xì)菌、真菌等微生物，這些微生物在適合的環(huán)境條件下會(huì)迅速生長(zhǎng)繁殖，并通過(guò)接觸傳播疾病，影響人們的身心健康和正常的工作、學(xué)習(xí)和生活。世界范圍內(nèi)，因細(xì)菌傳染而引起的霍亂、肺炎、瘧疾、結(jié)核病和肝炎等導(dǎo)致人類死亡的事件頻頻發(fā)生，觸目驚心。隨著人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)生活質(zhì)量、環(huán)境衛(wèi)生日益重視，抗菌問(wèn)題也隨之受到世界各國(guó)的高度重視。降低和有效防止環(huán)境中各種病原微生物對(duì)人類健康造成的影響和危害，逐漸成為社會(huì)的共識(shí)。

人的皮膚是一種很好的營(yíng)養(yǎng)基，而各種各樣的紡織品是細(xì)菌的優(yōu)良寄居地，更是疾病的傳播源。抗菌纖維作為重要的功能紡織材料，具有防止細(xì)菌滋生、阻斷疾病傳播、保持人體清潔衛(wèi)生和防止紡織品變質(zhì)變色等作用，特別適用于作戰(zhàn)、執(zhí)勤、消防和救災(zāi)等從事特殊工作的人群。人的皮膚亦是隔絕和保護(hù)人體免受外界刺激性傷害的第一道防線。當(dāng)皮膚受到傷害時(shí)，傷口會(huì)迅速止血，閉合受損的皮膚會(huì)迅速再生，從而再次起到屏障的作用。傷口的修復(fù)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，正常的傷口愈合通常會(huì)在兩周內(nèi)完成創(chuàng)傷修復(fù)過(guò)程。傷口愈合最需要解決的問(wèn)題是通過(guò)各種手段延緩愈合過(guò)程中的細(xì)菌感染。研究表明，單寧酸因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，尤其對(duì)多種病菌具有較強(qiáng)抗菌功能性，同時(shí)能促進(jìn)細(xì)胞增殖、組織再生和傷口愈合，被廣泛用于生物材料的改性［1］。本文就單寧酸抗菌及加速傷口愈合的研究做一綜述，以期為單寧酸作為功能成分用于生物醫(yī)用材料的改性提供翔實(shí)的參考依據(jù)。

1 單寧酸的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

單寧酸（Tannin acid，TA）又稱鞣酸、單寧，是一種天然高分子量的水溶性多酚，具有較高生物安全性，來(lái)源豐富，廣泛存在植物中，如：中國(guó)五倍子、豆類、谷類、石榴、蘋果、香蕉、柿子、金縷梅、漆樹葉和塔拉果莢等［2］。單寧酸的化學(xué)式為C76H52O46，其分子結(jié)構(gòu)如圖1所示，是由一個(gè)葡萄糖核的五個(gè)羥基與沒(méi)食子?；ㄟ^(guò)酯鍵結(jié)合形成。常溫常壓下，單寧酸主要以固體粉末的形式保存，顏色呈淡黃，但會(huì)隨著氧化而逐漸加深至淺棕色。單寧酸可以溶于水、乙醇、丙酮中，但不溶于氯仿、石油酸、乙醚。

圖1 單寧酸的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 The molecular structure of tannic acid

單寧酸屬于多酚類化合物的一種，是典型的葡萄糖梏?；衔铩螌幩岫喾恿u基的結(jié)構(gòu)賦予其突出的化學(xué)性質(zhì)。（1）單寧酸與蛋白質(zhì)、生物堿、多糖、核酸的相互作用：目前，提出多酚與蛋白質(zhì)的作用機(jī)制主要包括靜電吸附、多點(diǎn)氫鍵、疏水結(jié)合及疏水-多點(diǎn)氫鍵協(xié)同作用。最為公認(rèn)的是由Haslam等［3］于1988年提出的疏水-多點(diǎn)氫鍵協(xié)同作用機(jī)制，他認(rèn)為多酚和蛋白質(zhì)的結(jié)合存在兩個(gè)階段，首先，當(dāng)多酚靠近蛋白質(zhì)時(shí)，由于疏水作用，多酚優(yōu)先向蛋白質(zhì)分子鏈上的疏水殘基區(qū)域接近，同時(shí)這些區(qū)域的氨基酸側(cè)鏈在多酚分子周圍緊密排列形成疏水“口袋”，然后，多酚分子表面和蛋白質(zhì)分子鏈上的氫鍵結(jié)合位點(diǎn)（如：胍基、酰胺鍵、氨基、羥基和羧基）間形成密集的氫鍵穩(wěn)定多酚的位置，最終形成一種可逆的復(fù)合物。由于蛋白質(zhì)表面水分子層減少，最終發(fā)生聚集和沉淀。在該過(guò)程中，多酚相當(dāng)于多齒配體（擁有多個(gè)酚羥基），蛋白質(zhì)則是一個(gè)多齒受體分子。這就是著名的“手套-手”動(dòng)態(tài)模型。蛋白質(zhì)和多酚的結(jié)合能力受二者分子量和分子結(jié)構(gòu)的影響。單寧酸既有疏水性的醅?；?，又有親水性鄰位酚羥基，因此，它和蛋白質(zhì)、生物堿、多糖、核酸等多種生物大分子能發(fā)生上述類似的疏水-多點(diǎn)氫鍵協(xié)同［4］。（2）單寧酸與金屬離子的螯合反應(yīng)：?jiǎn)螌幩嵬瑫r(shí)具有大量鄰苯二酚和鄰苯三酚結(jié)構(gòu)，能與多種金屬離子相互作用形成螯合物。當(dāng)單寧酸與二價(jià)金屬離子反應(yīng)時(shí)，相鄰的兩個(gè)酚羥基以氧負(fù)離子的形式與同一個(gè)金屬離子通過(guò)配位鍵形成穩(wěn)定的五元環(huán)結(jié)構(gòu)；鄰苯三酚結(jié)構(gòu)上的第三個(gè)酚羥基并不直接參與螯合反應(yīng)，而是促進(jìn)另外兩個(gè)相鄰酚羥基解離形成氧負(fù)離子，間接地促進(jìn)螯合物的形成和穩(wěn)定，最終以沉淀的形式在溶液中沉積。Guo等［5］報(bào)道，單寧酸可與鋁（Al）、釩（V）、鉻（Cr）、錳（Mn）、鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鋯（Zr）、鉬（Mo）、釕（Ru）、銠（Rh）、鎘（Cd）、鈰（Ce）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）等 18種金屬離子配位形成穩(wěn)定的配位化合物，而不同的金屬離子與單寧酸會(huì)形成不同顏色的沉淀物。（3）單寧酸的衍生化反應(yīng)：?jiǎn)螌幩岱肿又械谋江h(huán)使其具有一定的疏水性，但苯環(huán)上豐富的酚羥基使整個(gè)分子表現(xiàn)為更強(qiáng)的親水性，從而阻礙了單寧酸與疏水化合物的反應(yīng)。例如：在生物體內(nèi)，單寧酸的苯環(huán)骨架可以與細(xì)胞膜磷脂分子的極性端發(fā)生相互作用生成復(fù)合物，所以難以跨越磷脂雙分子層，導(dǎo)致單寧酸難以進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮生理活性。因此，為了拓展單寧酸的應(yīng)用領(lǐng)域并充分發(fā)揮其作用，常常通過(guò)衍生化反應(yīng)，如：酯化、磺化、酰基化、醚化、亞硫酸化及偶氮化反應(yīng)等對(duì)單寧酸分子進(jìn)行改性［4］，以滿足其各種場(chǎng)合的需求。

2 單寧酸的抗菌研究進(jìn)展

單寧酸表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗菌活性主要因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)中含有許多酚羥基。研究表明，從許多植物中提取的單寧酸具有優(yōu)異的廣譜抗菌活性［6-9］，其抗菌活性取決于提取條件，如：pH、溫度、時(shí)間及溶劑種類等［10-11］。而大多數(shù)單寧酸顯示的是抑菌活性而不是殺菌活性［12］，其最小抑菌濃度MIC的范圍在15～3200 ug/mL。尉驍?shù)龋?3］測(cè)試了單寧酸對(duì)9種臨床常見(jiàn)菌的抗菌活性，并將每種菌分為多重耐藥組和非多重耐藥組。結(jié)果顯示，單寧酸對(duì)這9種致病菌均有一定的抗菌活性，對(duì)葡萄球菌屬的抗菌活性高于革蘭氏陰性菌的抗菌活性，尤其是單寧酸能抑制多重耐藥細(xì)菌的生長(zhǎng)。鄭正男等［14］測(cè)試了單寧酸對(duì)6種食品中常見(jiàn)腐敗菌的抗菌活性。結(jié)果顯示，單寧酸比常見(jiàn)食品防腐劑山梨酸鉀的抗菌效果好，且酸性環(huán)境更利于單寧酸抗菌活性的發(fā)揮，而氯化鈉、蔗糖、金屬離子的添加均會(huì)降低單寧酸的抗菌活性。Pandey等［15］從團(tuán)花樹果實(shí)中提取的單寧酸對(duì)大腸桿菌、銅綠假單胞菌、小腸結(jié)腸炎耶爾森菌、金黃色葡萄球菌、蠟狀芽孢桿菌和英諾克李斯特菌有良好的抗菌活性。

目前，提出的單寧酸抗菌機(jī)制主要包括：（1）妨礙細(xì)菌對(duì)鐵、多糖、氨基酸等攝取。鐵是細(xì)菌生長(zhǎng)必不可少的營(yíng)養(yǎng)因子，同時(shí)參與核苷酸前體的還原反應(yīng)。細(xì)菌自身能產(chǎn)生一種鐵載體，能夠結(jié)合外部環(huán)境中的鐵離子。與天然鐵載體相比，單寧酸顯示出更高的鐵結(jié)合效率［16］。單寧酸分子結(jié)構(gòu)中的鄰二羥基苯基優(yōu)先與鐵離子螯合，使細(xì)菌無(wú)法從周圍環(huán)境中攝取并螯合鐵離子，則生長(zhǎng)受抑制。Bag等［17］證實(shí)了從柯子果實(shí)中提取的沒(méi)食子單寧酸（1，2，6-tris-O-galloyl-β-D-glucose）對(duì)多藥耐藥性尿路致病菌的抗菌活性是由于單寧酸與鐵螯合妨礙了病菌對(duì)鐵的攝取而使其生長(zhǎng)受限。此外，Engels等［16］發(fā)現(xiàn)丹寧酸與鐵的螯合效率與沒(méi)食子酰基數(shù)量呈負(fù)相關(guān)，由于空間效應(yīng)，?；潭鹊脑黾咏档土藛螌幩崤c鐵的螯合能力。Pandey等［15］發(fā)現(xiàn)單寧酸是通過(guò)對(duì)糖和氨基酸的攝?。词杷?多點(diǎn)氫鍵協(xié)同作用）從而抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)。但乳酸菌的生長(zhǎng)無(wú)須鐵質(zhì)，因此，乳酸菌對(duì)單寧酸的敏感性較低。Chung等［18］研究表明單寧酸對(duì)嗜酸乳桿菌和嬰兒雙歧桿菌的MIC＞500 ug/mL。Chan等［19］比較了巴東肉桂、中國(guó)肉桂、牛至、虎杖、石榴皮和丁香6種食用香料及藥材的多酚提取物（包括：?jiǎn)螌幩?、丁香酚、肉桂醛等）?duì)食源性致病菌蠟樣芽孢桿菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、鼠傷寒桿菌、弗氏志賀氏菌及嗜酸乳桿菌、德氏乳桿菌、保加利亞乳桿菌、干酪乳桿菌、植物乳桿菌和鼠李糖乳桿菌的抗菌活性，結(jié)果顯示，所有多酚提取物對(duì)食源性致病菌具有明顯的抗菌活性，但無(wú)法抑制乳酸菌的生長(zhǎng)。（2）破壞細(xì)菌細(xì)胞壁及細(xì)胞膜。細(xì)菌細(xì)胞壁由肽聚糖、N-乙酰氨基葡萄糖和N-乙酰胞壁酸的重復(fù)亞單位通過(guò)短肽鍵連接組成，能保護(hù)細(xì)菌細(xì)胞免受周圍環(huán)境的影響并維持細(xì)菌形狀的完整性。Dong等［20］研究了單寧酸對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌活性及作用機(jī)制，推測(cè)單寧酸通過(guò)與細(xì)胞壁的肽聚糖結(jié)合而破壞細(xì)胞壁完整性。單寧酸與細(xì)菌細(xì)胞膜相互作用，通過(guò)影響膜電位或增加膜通透性實(shí)現(xiàn)其抗菌作用。Tian等［21］報(bào)道了單寧酸通過(guò)氫鍵直接與細(xì)菌膜蛋白相互作用，抑制鼠傷寒沙門氏菌和蠟狀芽孢桿菌的生長(zhǎng)，導(dǎo)致細(xì)胞膜通透性改變從而使細(xì)菌死亡。Wang等［22］研究了三葉草中的單寧酸對(duì)大腸桿菌的抑菌活性，50 ug/mL的單寧酸能降低細(xì)胞外膜不飽和脂肪酸與總脂肪酸的比例，透射電子顯微鏡直觀地顯示了單寧酸作用后的大腸桿菌外膜結(jié)構(gòu)遭到破壞，即單寧酸通過(guò)改變外膜脂肪酸的組成和破壞細(xì)胞外膜形態(tài)而實(shí)現(xiàn)其抗菌作用。（3）抑制生物膜的形成。生物膜是細(xì)菌生存的一種優(yōu)勢(shì)生活方式，細(xì)菌通過(guò)產(chǎn)生胞外基質(zhì)將細(xì)菌群體包裹起來(lái)，阻隔抗菌劑及免疫清除作用，細(xì)菌一旦形成生物膜，其耐藥性將會(huì)增加幾倍甚至幾十倍。尉驍?shù)龋?3］研究表明，0.08 mg/mL的單寧酸能使細(xì)菌形成生物膜的數(shù)量明顯減少；Samoilova等［23］研究表明，單寧酸能夠抑制大腸桿菌及其突變體（除鞭毛合成缺陷菌株）生物膜的形成，從而表現(xiàn)出有效的殺菌作用。

3 單寧酸加速傷口愈合的研究

傷口愈合目前仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的臨床問(wèn)題。在傷口愈合過(guò)程中，損傷和暴露的組織很容易遭受細(xì)菌感染，抑制傷口愈合，甚至導(dǎo)致愈合停止，并伴隨一系列慢性疾病的發(fā)生。傷口愈合要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是通過(guò)各種手段降低愈合過(guò)程的感染。單寧酸除了良好的抗菌性能外，還能作為一種收斂劑，加速體外和體內(nèi)傷口愈合。自20世紀(jì)20年代以來(lái)，單寧酸就被用于治療燒傷，能顯著降低死亡率［24］。Chen等［25］研究表明，單寧酸能顯著地促進(jìn)大鼠傷口愈合和毛囊再生，對(duì)大鼠創(chuàng)面愈合具有良好的促進(jìn)作用。其作用機(jī)制為：?jiǎn)螌幩岽碳A性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（bFGF）的分泌，激活細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2（Erk1/2）信號(hào)通路，促進(jìn)細(xì)胞増殖，從而達(dá)到促愈合的效果；同時(shí)，單寧酸能抑制NF-rB通路的激活來(lái)緩解創(chuàng)傷的炎癥反應(yīng)，并刺激巨噬細(xì)胞分泌外泌體，誘導(dǎo)纖維細(xì)胞的遷移和聚集，從而促進(jìn)創(chuàng)面組織的再生。此外，為了提高創(chuàng)面修復(fù)效率，通常要求創(chuàng)面敷料要能夠幫助細(xì)胞創(chuàng)造一個(gè)合適的再生環(huán)境，同時(shí)保護(hù)修復(fù)部位免受細(xì)菌攻擊。水凝膠作為敷料的一種，除了為皮膚再生提供濕潤(rùn)的環(huán)境外，還可以吸收多余的滲出物。目前，已將單寧酸作為功能成分與水凝膠結(jié)合，制備了理想的傷口敷料。如：Zheng等［26］利用明膠基水凝膠在體溫下與低含量的凝膠糖混合，通過(guò)生物聚合作用制備了可注射水凝膠，并將單寧酸作為功能成分摻入混合水凝膠中。試驗(yàn)證實(shí)負(fù)載單寧酸的混合水凝膠可加速小鼠模型的傷口愈合。Ninan等［27］制備了鋅離子交聯(lián)的pH響應(yīng)羧化瓊脂糖/單寧酸水凝膠，在酸性條件下水凝膠表現(xiàn)出最大的溶脹性，單寧酸可持續(xù)釋放，顯示出良好的抗菌和抗炎特性，并激活傷口修復(fù)過(guò)程。此外，Song等［28］通過(guò)單寧酸和Fe3+的螯合作用，將TA圖層組裝在石英/硅載玻片和醫(yī)用紗布上，并研究該材料的止血性能。結(jié)果顯示，金屬有機(jī)物螯合TA涂層與醫(yī)用紗布相比表現(xiàn)出更優(yōu)異的止血性能。這可能是由于TA涂層介導(dǎo)的輕微溶血作用，以及TA涂層能吸附大量蛋白質(zhì)，特別是纖維蛋白原轉(zhuǎn)化為纖維蛋白，進(jìn)一步誘導(dǎo)凝血酶催化血液凝固。該材料在傷口愈合等醫(yī)療應(yīng)用方面顯示出巨大的潛力。

4 展望

工業(yè)大麻（Industrial hemp）是我國(guó)傳統(tǒng)的纖維作物，長(zhǎng)期以來(lái)一直是主要的紡織原料，進(jìn)入20世紀(jì)，由于合成纖維的出現(xiàn)，大大降低了對(duì)大麻纖維包括其他天然纖維的需求。近年來(lái)由于天然資源的優(yōu)越性彰顯，人們對(duì)生命健康的珍愛(ài)，對(duì)環(huán)境保護(hù)的積極參與，對(duì)綠色消費(fèi)的渴求，使工業(yè)大麻纖維的本質(zhì)屬性與特征更加發(fā)揮到極致。與合成纖維相比，工業(yè)大麻纖維有難以比擬的優(yōu)勢(shì)：優(yōu)良的吸濕、散濕、透氣性，傳熱導(dǎo)熱速度快，穿著涼爽挺括，出汗不貼身，面料質(zhì)地輕及靜電少、消音吸波、防紫外線、可降解等；與其他天然纖維相比，工業(yè)大麻纖維仍有難以比擬的優(yōu)勢(shì)：其生物量巨大，每公頃大麻纖維產(chǎn)量是棉纖維的3倍多，種植成本低且在種植期間極少使用殺蟲劑，比棉纖維更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保，而在眾多麻纖維中，大麻纖維最細(xì)軟（約為苧麻的1/3，與棉纖維接近）且末端呈鈍圓狀態(tài)，使大麻纖維紡織品沒(méi)有其他麻紡織品的尖銳刺癢感。根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究報(bào)告，工業(yè)大麻韌皮纖維具有一定的抑菌性能，主要是由于纖維的中空多孔結(jié)構(gòu)可破壞厭氧菌生存環(huán)境及韌皮纖維所含的大麻素等化學(xué)物質(zhì)，但是紡織用大麻纖維必須經(jīng)過(guò)脫膠、漂白、精梳等加工過(guò)程，該過(guò)程會(huì)導(dǎo)致大部分抑菌成分流失，造成梳理后麻纖維的抑菌性能減弱，無(wú)法滿足人類對(duì)纖維的抗菌需求。單寧酸因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，可以通過(guò)靜電相互作用、氫鍵和疏水相互作用等多種反應(yīng)途徑與各種材料相互作用，賦予材料優(yōu)異的抗菌及止血功能，并加速傷口的愈合。目前，單寧酸已被添加到不同的生物聚合物、膠原蛋白和多糖，如殼聚糖、瓊脂糖和淀粉中。但仍未有將單寧酸結(jié)合大麻纖維制備醫(yī)用材料的報(bào)道。因此，期望能將單寧酸應(yīng)用于大麻纖維上，研發(fā)一種無(wú)毒副作用、高效、廣譜抗菌且能加速傷口愈合的單寧酸改性大麻功能纖維材料，成為抗菌領(lǐng)域及傷口治療領(lǐng)域中較有前景的新型醫(yī)用材料。大麻纖維具有多孔的纖維形態(tài)，且分子結(jié)構(gòu)中含有大量的羥基，能與丹寧酸表面豐富的酚羥基生成氫鍵，從而將丹寧酸吸附在麻纖維表面。但是，單寧酸與大麻纖維之間的氫鍵作用受使用環(huán)境影響較大，使用過(guò)程中不穩(wěn)定、易脫落，如何將單寧酸穩(wěn)定的共價(jià)接枝在大麻纖維的結(jié)構(gòu)中，并保證單寧酸良好的抗菌活性及加速傷口愈合作用，有待于進(jìn)一步地深入研究。