【正文】 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 1. 緒論 引言 甲殼素又名甲殼質(zhì)、幾丁質(zhì)，是地球上除蛋白質(zhì)外數(shù)量最大的含氮天然有機化合物 [1]，是存在于自然界中唯一一種帶陽離子且能生物降解的高分子材料 [23]。據(jù)估計，甲殼素的貯藏量是纖維素的三分之一，是一種極具潛在實用價值，可再生利用的自然資源。人體內(nèi)雖然不含有甲殼素和殼聚糖，但是卻含有甲殼素酶和殼聚糖酶，所以人體能降解甲殼素和殼聚糖 [1,4]。 甲殼素廣泛存在于海洋節(jié)肢動物，如蝦、蟹的甲殼之中，也存在于菌類、昆蟲類、藻類細(xì)胞膜和高等植物的細(xì)胞壁中，其分布極其廣泛。雖然甲殼素在自然界的存在量巨 大，然而直到 1811 年，才被法國研究自然科學(xué)史的 Braconnot 發(fā)現(xiàn)。 1823 年，另一位法國科學(xué)家 Odier 從昆蟲的甲殼中分離出同樣的物質(zhì)，命名為 chitin(甲殼素 )。 1859 年，法國人 將甲殼素浸泡在濃 KOH 溶液中煮沸，取出洗凈后發(fā)現(xiàn)其可溶于有機酸中； 1894年， 將這種脫掉了部分乙?；募讱に孛麨?Chitosan，即為“殼聚糖”。 從 1811 年發(fā)現(xiàn)甲殼素到 1859 年發(fā)現(xiàn)殼聚糖，直到 1910 年的 100 年間，全世界僅有不到 20 篇有關(guān)甲殼素和殼聚糖的論文發(fā)表，開創(chuàng) 性的工作大多由法國人完成。中國是 1952年開展甲殼素研究的， 1954 年第一篇研究報告發(fā)表。 1958 年國內(nèi)首先將可溶性甲殼質(zhì)作為印染助劑應(yīng)用于印染工業(yè)。后來研究工作一度停止，直到 20 世紀(jì) 80 年代中期，國內(nèi)逐漸開始加大對甲殼素、殼聚糖研究工作的宣傳力度，影響較大的有 1983 年謝雅明 [5]和 1984年嚴(yán)俊的文章，較為詳細(xì)的綜述了殼聚糖的有關(guān)性質(zhì)與應(yīng)用，對中國的甲殼素研究熱潮起到了推動作用。 “十一五”期間，科學(xué)技術(shù)部發(fā)布了“高靶向緩釋納米醫(yī)藥制劑研發(fā)”、“納米生物材料研發(fā)”、“納米生物器件研發(fā)”和“新型海洋生物制 品研究開發(fā)”重點項目申請指南，甲殼素和殼聚糖在這些方面的應(yīng)用受到了高度關(guān)注。 我國對甲殼素和殼聚糖的研究多年以來取得了蓬勃的發(fā)展， 已 成為世界上甲殼素和殼聚糖生產(chǎn)量最大的國家，但是長久以來僅用于出口國外，在深加工和研制開發(fā)新產(chǎn)品上，和國外相比仍有很大的差距。 殼聚糖的理化性質(zhì) 殼聚糖的結(jié)構(gòu) 甲殼素是一種天然高分子化合物，屬于碳水化合物中的多糖。其化學(xué)名稱為 β（ 1,4）2乙酰氨基 2脫氧 D葡萄糖，是 N乙酰氨基葡萄糖通過 β（ 1,4） 糖苷鍵縮合而成的，其結(jié)構(gòu)式如圖 11。 異相體系中低分子量殼聚糖的制備 2 圖 11: 甲殼素的結(jié)構(gòu) : The structure of chitosan 殼聚糖是甲殼素的 N脫乙?；a(chǎn)物，是甲殼素最重要的衍生物，化學(xué)名稱是 β（ 1,4）2氨基 2脫氧 D葡萄糖，其結(jié)構(gòu)式如圖 12。 圖 12:殼聚糖的結(jié)構(gòu) : The structure of chitosan 天然甲殼素分子中約有 %的氨基沒有 N乙?；?，在用酸、堿分離，提取時，又有一些 N乙?；幻摮?，因此我們通常制備的甲殼素，實際上已被脫除了 15% 20%的 N乙?；?。 一般而言，甲殼素的 N乙?；撊?55%以上的就可稱之為殼聚糖。作為工業(yè)品的殼聚糖， N脫乙酰度在 70%以上。 根據(jù)脫乙酰度的不同，殼聚糖又被劃分為低脫乙酰度殼聚糖（ N脫乙酰度為55%70%）、中脫乙酰度殼聚糖（ 70%85%）、高脫乙酰度殼聚糖（ 85%95%）、超高脫乙酰度殼聚糖（ 95%100%） [6]。 殼聚糖的物理性質(zhì) 甲殼素是白色或灰白色無定型、半透明固體，溶解性極差，不溶于水、稀酸、稀堿及絕大部分溶劑，僅溶于純甲酸、甲磺酸、二氯乙酸、六氟異丙醇、六氟丙酮這些溶劑以及5%氯 化鋰 /二甲基乙酰胺（或 N甲基 2吡咯烷酮）、 1,2二氯乙烷 /三氯乙酸（重量比 :）等混合溶劑體系 [7]。 殼聚糖外觀為白色或灰白色，略有珍珠光澤，呈半透明的片狀固體，不溶于水和堿溶液，可溶于稀的鹽酸、硝酸等無機酸和大多數(shù)有機酸。在酸性溶液中，殼聚糖分子鏈上氨基的氮原子上具有一對未共用的電子，致使氨基呈現(xiàn)弱堿性，能從溶液中結(jié)合一個氫離子，從而使殼聚糖成為帶正電荷的聚電解質(zhì)（實際上可看作是一種高分子鹽），其分子間和分青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 子內(nèi)的氫鍵被破壞而溶于水中。因此，實際上不是殼聚糖溶于酸中，而是帶正電荷的殼聚糖 聚電解質(zhì)溶于水中。在稀酸中，殼聚糖的主鏈也會緩慢水解， 致使其黏度和分子量的降低，因此殼聚糖溶液要求現(xiàn)用現(xiàn)配。 影響殼聚糖溶解性的因素主要有：殼聚糖的脫乙酰度、相對分子質(zhì)量和酸性介質(zhì)的種類。 脫乙酰度越高，分子鏈上的游離氨基越多，離子化強度越高，也就越易溶于水；反之，脫乙酰度越低，溶解度越小。 殼聚糖因原料不同和制備方法不同，相對分子質(zhì)量從數(shù)十萬到數(shù)百萬不等，殼聚糖分子在分子內(nèi)和分子間形成許多強弱不同的氫鍵，使分子鏈彼此纏繞在一起且比較僵硬。相對分子質(zhì)量越大，纏繞越厲害，溶解度越小。另外，相對分子質(zhì)量不但影 響其溶解性，也影響一些特殊性質(zhì)如液晶性、流變性和成膜性等。 殼聚糖溶于一些有機酸和低濃度的無機酸，但不溶于稀硫酸、稀磷酸，如果把殼聚糖與稀酸的作用看成是形成了一種高分子鹽，那么，有的鹽能溶于水，有的鹽就不能溶于水。另外，殼聚糖具有縮醛結(jié)構(gòu)，在酸性環(huán)境中可發(fā)生降解，導(dǎo)致溶液黏度降低，如果加入甲醇、乙醇、丙酮等，可延緩其黏度降低，尤以乙醇的作用明顯。 加熱和攪拌能促進殼聚糖的溶解和降解，如果溫度高，時間長，酸濃度大，攪拌太激烈，則殼聚糖分子鏈降解更厲害?？偟膩碚f，溶解性差、難于找到合適的溶劑，是限制甲殼素和殼聚 糖應(yīng)用的主要原因。 殼聚糖的化學(xué)性質(zhì) 酰化 甲殼素和殼聚糖可與多種有機酸的衍生物如酸酐、酰鹵 (主要是酰氯 ) 等反應(yīng)，導(dǎo)入不同相對分子量的脂肪族或芳香族?；ぞ厶欠肿渔湹奶菤埢霞扔辛u基，又有氨基，因此，酰化反應(yīng)既可在羥基上發(fā)生，生成酯，也可在氨基上發(fā)生，生成酰胺。?；磻?yīng)究竟先在哪個官能團上發(fā)生，與反應(yīng)溶劑、?；噭┑慕Y(jié)構(gòu)、催化劑、反應(yīng)溫度等因素有關(guān)。 甲殼素分子內(nèi)和分子間強大的氫鍵使結(jié)構(gòu)特別緊密，?；磻?yīng)很難進行，一般要用酸酐作酰化試劑，相應(yīng)的酸作反應(yīng)介質(zhì)，在催化劑催化并且 在冷卻下進行。殼聚糖分子結(jié)構(gòu)中有很多氨基，破壞了一部分氫鍵，?；磻?yīng)比甲殼素要容易得多，一般不用催化劑，反應(yīng)介質(zhì)常用甲醇或乙醇。 氧化 甲殼素和殼聚糖的每個糖殘基上有兩個羥基，殼聚糖的糖殘基上還有一個氨基，都易被氧化劑氧化，氧化反應(yīng)過程很復(fù)雜，氧化劑的種類不同，反應(yīng)的 pH 值不同，氧化機理和氧化產(chǎn)物也不同，既可使 C6OH 氧化成醛基或羧基，也可使 C3OH 氧化成羰基（成酮反應(yīng)），還可能發(fā)生部分脫氨基或脫乙酰氨基，甚至破壞吡喃環(huán)及糖苷鍵。 醚化 甲殼素和殼聚糖的羥基可與烴基化 試劑發(fā)生反應(yīng)生成醚，如甲基醚、乙基醚、芐基醚、異相體系中低分子量殼聚糖的制備 4 羥乙基醚、羥丙基醚、氰乙基醚、羧甲基醚等。殼聚糖在堿性介質(zhì)中與硫酸二甲酯反應(yīng)生成甲基醚，產(chǎn)物主要是羥基取代，生成醚，也有少量氨基取代，生成 N甲基殼聚糖。如果用鹵代烷與殼聚糖反應(yīng)，則 N烷基化反應(yīng)較多， O烷基化次之，因此，若殼聚糖的氨基不加以保護，在醚化反應(yīng)中首先發(fā)生的是 N烷基化。 含氧無機酸酯化 甲殼素和殼聚糖的羥基，尤其是 C6OH，可與一些含氧無機酸（或其酸酐）發(fā)生酯化反應(yīng)，這類反應(yīng)類似于纖維素的反應(yīng)，如：生成硫酸酯、磷酸酯和硝酸酯都 屬于酯化反應(yīng)。 酯化反應(yīng)的位置控制，在理論上是很有意義的。甲殼素是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高分子化合物，結(jié)晶度高，分子量大， C6OH 和 C3OH 的活性雖有不同，但差別不是很大，尤其是都不能在均相中反應(yīng)，因此，酯化反應(yīng)的位置較難控制。 氨基取代衍生物 殼聚糖的氨基是一級氨基，具有一孤對電子，具有很強的親核性，既能發(fā)生 N烷基化反應(yīng)也能發(fā)生 N?；磻?yīng)。甲殼素的乙酰氨基的 N 上只有一個 H，很穩(wěn)定，但在一些強烈的條件下，也能發(fā)生取代反應(yīng)。 ① N烷基化：殼聚糖與鹵代烷的 O烷基化反應(yīng)時，首先發(fā)生的是 N烷基化，如殼聚糖與環(huán)氧衍生物的加成反應(yīng)，得到的是 N烷基化衍生物，這個反應(yīng)的特點是同時引進了兩個親水性的羥基。殼聚糖與環(huán)氧丙醇反應(yīng)，生成的產(chǎn)物引進了兩個親水性羥基，易溶于水。 圖 13 殼聚糖的 N羥烷基化 Nhydroxyalkylation of chitosan ②希夫堿：殼聚糖在中性介質(zhì)中很容易與芳香醛（或酮）、脂肪醛反應(yīng)生成希夫堿。該反應(yīng)可用于保護氨基，在羥基上進行各種反應(yīng)，待反應(yīng)結(jié)束后再脫掉保護基；另外，有一些特殊的醛形成的希夫堿，經(jīng)氰硼化鈉還原，可合成一些很有用的殼聚糖 氨基取代衍生物。 ③季銨鹽化： 殼聚糖分子鏈上有氨基，與季胺化試劑（如 CH3I）反應(yīng)可以一系列季胺鹽。 高分子季銨鹽作為陽離子表面活性劑，金屬離子的捕集劑，離子交換劑，絮凝劑，抗菌素等，發(fā)揮了許多作用，近二十多年來，它又成為相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)的催化劑，引起更多的注意。 螯合 甲殼素和殼聚糖的糖殘基在 C2上有一個乙酰氨基或氨基，在 C3上有一個羥基，從構(gòu)象上來看，平伏鍵這種特殊結(jié)構(gòu)，使得它們對具有一定離子半徑的一些金屬離子在一定的青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 pH 值條件下具有螯合作用，尤其是殼聚糖，與金屬離子的螯合更廣泛一些，更具 特色，甲殼素和殼聚糖是一類新的天然高分子螯合劑，而且無毒、無副作用。 甲殼素中氨基上乙酰基的存在，影響了對金屬離子的螯合作用，所以甲殼素對金屬離子的螯合作用都不如殼聚糖的螯合作用好。 對酸的吸附 殼聚糖的堿性由氨基葡萄糖殘基上的氨基決定。氨基氮原子上的未共用電子能結(jié)合溶液中的 H+形成銨鹽。許多無機酸、有機酸和酸性化合物，甚至兩性化合物，都能被殼聚糖吸附結(jié)合。殼聚糖的吸附性可應(yīng)用于食品、藥品、生物制品的脫酸，避免用堿中和而增加鹽分；或從溶液、發(fā)酵液中提取酸性化合物，如氨基酸、核苷酸、青霉素等 。 在 pH= 時，甲殼素是不吸附乙酸的，可用甲殼素處理食醋的雜質(zhì)提高其質(zhì)量而不會降低醋的酸度。除此之外，甲殼素也能在堿性緩沖溶液中通過形成氫鍵而吸收陰離子化合物。 接枝共聚 甲殼素和殼聚糖分子鏈上的活性基團很多，可以進行接枝共聚反應(yīng)，從而改進它們的性能，滿足特殊的需要。 甲殼素、殼聚糖的接枝共聚物，是以天然聚合物（多糖鏈）為主鏈和以合成聚合物為側(cè)鏈的半合成聚合物，兼具天然聚合物和合成聚合物的某些性質(zhì)。接枝共聚反應(yīng)一般有化學(xué)法、輻射法和機械三種，從反應(yīng)機理來說，又可分為自由基引發(fā)接枝和 離子引發(fā)接枝。 分子量對殼聚糖性質(zhì)的影響 殼聚糖是一種大分子多糖，分子量通常在幾十萬左右，而低聚殼聚糖的分子鏈短、分子量下降。研究結(jié)果表明，殼聚糖的分子量對其物理、化學(xué)、生物性質(zhì)均有很大影響，只有當(dāng)分子量降到一定程度時，殼聚糖許多特殊功能才表現(xiàn)出來。 分子量對其物理性質(zhì)的影響 (1)溶解性 殼聚糖分子鏈結(jié)構(gòu)中含有大量氨基和羥基。 相對分子質(zhì)量越大，分子鏈纏繞越厲害，溶解度越小。低分子量 殼聚糖分子內(nèi)的氫鍵作用減弱， 鏈長度和分子構(gòu)象的變化使殼聚糖在水溶液中的無序性增加， 從而增大其溶解性。 (2)液晶性 汪劍偉等人 [8]研究發(fā)現(xiàn)：相對分子量越大，重復(fù)單元越多，分子構(gòu)象持續(xù)長度越大，則臨界濃度越低；三種殼聚糖在適當(dāng)濃度的二氯乙酸溶液中都能呈現(xiàn)膽甾液晶相，隨著相對分子量增大，平均螺距減小。 (3)流變性 王偉與徐德時 [9]研究了殼聚糖分子量對其溶液流變性質(zhì)的影響，結(jié)果表明在殼聚糖稀溶液中，其相對分子量變小，分子鏈變短，鍵之間的纏結(jié)減少，表現(xiàn)出更好的流動性。 異相體系中低分子量殼聚糖的制備 6 (4)成膜性 殼聚糖具有良好的成膜性，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程中。韓寶芹等人 [10]研究表明：殼聚糖膜的各種特性與其相對分子量有很大關(guān)系，高分子量的 殼聚糖膜表面較為光滑，透光性較好，但透氣性、滲透性和生物降解性較差低相對分子量的殼聚糖膜表面較為粗糙，透氣性、滲透性和生物降解性較好，但透光性較差。 分子量對其生理活性的影響 （ 1）吸濕、保濕性 殼聚糖分子中存在游離 OH 和 NH2，具有良好的氫鍵成鍵性，可與介質(zhì)中的 H2O 形成氫鍵，起到吸濕、保濕的作用。低聚殼聚糖的該性能較高分子量殼聚糖更優(yōu)。夏文水和吳焱楠 [11]研究了不同分子量低聚糖的保濕性、吸濕性。結(jié)果表明 :平均分子量為 1500 和 3000的殼聚糖具有優(yōu)良的吸濕保濕性，其吸濕保濕性優(yōu)于透明質(zhì)酸 、乳酸鈉和甘油。 （ 2）抗菌抑菌性 低分子量的殼聚糖對細(xì)菌、真菌感染的免疫力比高分子量的強，能更有效地抑制細(xì)菌生長，在抗菌抑菌方面具有很好前景。楊冬芝等人 [12]研究殼聚糖分子量 (5106)對大腸桿菌的影響時發(fā)現(xiàn)，隨著分子量增加，殼聚糖抗菌活性先增加而后略有減弱，轉(zhuǎn)折點在 104左右。 （ 3）降血脂性 殼聚糖具有降血脂和降膽固醇作用，口服后能與膽酸鹽及其它脂類物質(zhì)結(jié)合，從而抑制它們在腸道的吸收并使其排出體外。額外的膽固醇在體內(nèi)通過代謝轉(zhuǎn)化成膽酸，以補償被排掉的部分，從而減少體內(nèi)膽固醇，降低血脂。由于殼聚糖不溶于水，高分子量的殼