【正文】 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，從而改進它們的性能，滿足特殊的需要。 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提高其質量而不會降低醋的酸度。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合。 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。 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，從構象上來看，平伏鍵這種特殊結構，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本科畢業(yè)設計（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。 ③季銨鹽化： 殼聚糖分子鏈上有氨基，與季胺化試劑（如 CH3I）反應可以一系列季胺鹽。 圖 13 殼聚糖的 N羥烷基化 Nhydroxyalkylation of chitosan ②希夫堿：殼聚糖在中性介質中很容易與芳香醛（或酮）、脂肪醛反應生成希夫堿。 ① N烷基化：殼聚糖與鹵代烷的 O烷基化反應時，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，得到的是 N烷基化衍生物，這個反應的特點是同時引進了兩個親水性的羥基。 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烷基化反應也能發(fā)生 N?；磻?。 酯化反應的位置控制，在理論上是很有意義的。如果用鹵代烷與殼聚糖反應，則 N烷基化反應較多， O烷基化次之，因此，若殼聚糖的氨基不加以保護，在醚化反應中首先發(fā)生的是 N烷基化。 醚化 甲殼素和殼聚糖的羥基可與烴基化 試劑發(fā)生反應生成醚，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。殼聚糖分子結構中有很多氨基，破壞了一部分氫鍵，?；磻燃讱に匾菀椎枚啵话悴挥么呋瘎?，反應介質常用甲醇或乙醇。?；磻烤瓜仍谀膫€官能團上發(fā)生，與反應溶劑、?；噭┑慕Y構、催化劑、反應溫度等因素有關。 殼聚糖的化學性質 ?；? 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，導入不同相對分子量的脂肪族或芳香族?；?。 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。 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。相對分子質量越大，纏繞越厲害，溶解度越小。 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。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用現配。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，致使氨基呈現弱堿性，能從溶液中結合一個氫離子，從而使殼聚糖成為帶正電荷的聚電解質（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本科畢業(yè)設計（論文） 3 子內的氫鍵被破壞而溶于水中。 殼聚糖的物理性質 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]。作為工業(yè)品的殼聚糖， N脫乙酰度在 70%以上。 圖 12:殼聚糖的結構 : 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虼宋覀兺ǔＶ苽涞募讱に?，實際上已被脫除了 15% 20%的 N乙酰基。其化學名稱為 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，其結構式如圖 11。 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)新產品上，和國外相比仍有很大的差距。后來研究工作一度停止，直到 20 世紀 80 年代中期，國內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年嚴俊的文章，較為詳細的綜述了殼聚糖的有關性質與應用，對中國的甲殼素研究熱潮起到了推動作用。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。 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”。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史的 Braconnot 發(fā)現。人體內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]。青島科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 1 1. 緒論 引言 甲殼素又名甲殼質、幾丁質，是地球上除蛋白質外數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。 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、藻類細胞膜和高等植物的細胞壁中，其分布極其廣泛。 1823 年，另一位法國科學家 Odier 從昆蟲的甲殼中分離出同樣的物質，命名為 chitin(甲殼素 )。 從 1811 年發(fā)現甲殼素到 1859 年發(fā)現殼聚糖，直到 1910 年的 100 年間，全世界僅有不到 20 篇有關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。 1958 年國內首先將可溶性甲殼質作為印染助劑應用于印染工業(yè)。 “十一五”期間，科學技術部發(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用受到了高度關注。 殼聚糖的理化性質 殼聚糖的結構 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。 異相體系中低分子量殼聚糖的制備 2 圖 11: 甲殼素的結構 : The structure of chitosan 殼聚糖是甲殼素的 N脫乙?；a物，是甲殼素最重要的衍生物，化學名稱是 β（ 1,4）2氨基 2脫氧 D葡萄糖，其結構式如圖 12。 一般而言，甲殼素的 N乙酰基脫去 55%以上的就可稱之為殼聚糖。 根據脫乙酰度的不同，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有機酸。因此，實際上不是殼聚糖溶于酸中，而是帶正電荷的殼聚糖 聚電解質溶于水中。 影響殼聚糖溶解性的因素主要有：殼聚糖的脫乙酰度、相對分子質量和酸性介質的種類。 殼聚糖因原料不同和制備方法不同，相對分子質量從數十萬到數百萬不等，殼聚糖分子在分子內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。另外，相對分子質量不但影 響其溶解性，也影響一些特殊性質如液晶性、流變性和成膜性等。另外，殼聚糖具有縮醛結構，在酸性環(huán)境中可發(fā)生降解，導致溶液黏度降低，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。總的來說，溶解性差、難于找到合適的溶劑，是限制甲殼素和殼聚 糖應用的主要原因。殼聚糖分子鏈的糖殘基上既有羥基，又有氨基，因此，?；磻瓤稍诹u基上發(fā)生，生成酯，也可在氨基上發(fā)生，生成酰胺。 甲殼素分子內和分子間強大的氫鍵使結構特別緊密，?；磻茈y進行，一般要用酸酐作?；噭鄳乃嶙鞣磻橘|，在催化劑催化并且 在冷卻下進行。 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，氧化反應過程很復雜，氧化劑的種類不同，反應的 pH 值不同，氧化機理和氧化產物也不同，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），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。殼聚糖在堿性介質中與硫酸二甲酯反應生成甲基醚，產物主要是羥基取代，生成醚，也有少量氨基取代，生成 N甲基殼聚糖。 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，這類反應類似于纖維素的反應，如：生成硫酸酯、磷酸酯和硝酸酯都 屬于酯化反應。甲殼素是一種結構復雜的高分子化合物，結晶度高，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，因此，酯化反應的位置較難控制。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。殼聚糖與環(huán)氧丙醇反應，生成的產物引進了兩個親水性羥基，易溶于水。該反應可用于保護氨基，在羥基上進行各種反應，待反應結束后再脫掉保護基；另外，有一些特殊的醛形成的希夫堿，經氰硼化鈉還原，可合成一些很有用的殼聚糖 氨基取代衍生物。 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，它又成為相轉移催化反應的催化劑，引起更多的注意。 甲殼素中氨基上乙?；拇嬖?，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。氨基氮原子上的未共用電子能結合溶液中的 H+形成銨鹽。殼聚糖的吸附性可應用于食品、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 。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。 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。 分子量對殼聚糖性質的影響 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。 分子量對其物理性質的影響 (1)溶解性 殼聚糖分子鏈結構中含有大量氨基和羥基。低分子量 殼聚糖分子內的氫鍵作用減弱， 鏈長度和分子構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。 (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的影響，結果表明在殼聚糖稀溶液中，其相對分子量變小，分子鏈變短，鍵之間的纏結減少，表現出更好的流動性。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。低聚殼聚糖的該性能較高分子量殼聚糖更優(yōu)。結果表明 :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)于透明質酸 、乳酸鈉和甘油。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，隨著分子量增加，殼聚糖抗菌活性先增加而后略有減弱，轉折點在 104左右。額外的膽固醇在體內通過代謝轉化成膽酸，以補償被排掉的部分，從而減少體內膽固醇，降低血脂。吳雁等人 [13]將殼聚糖 進行 降解，得到 了 低分子量的水溶性殼聚糖，并進一步衍生化，其 產物 降血脂性能隨之提高。研究表明低聚 殼聚糖能更有效抑制癌細胞的繁殖，抗癌抑癌作用更加顯。 目前，制備低聚殼聚糖的方法主要有化學降解法、物理降解法、生物降解法，聯合降解法和真菌提取法是近幾年新發(fā)展起來的降解方法。降解反應的機理為 :酸水解后生成 H+，H+與殼聚糖分子中的游離 NH2相結合，致使殼聚糖分子內與分子間的氫鍵發(fā)生斷裂，而且殼聚糖主鏈上的 ?(1,4)糖苷鍵發(fā)生斷裂，形成很多不同分子量的殼聚糖分子的片段，嚴重水解則大部分變成單糖。 采用酸降解法價格便宜，操作簡單， 易于實現產業(yè)化。雖然這種方法早已用于工業(yè)化生產，各種分子量范圍的殼聚糖產品都能得到，但要得到特定分子量范圍且具有較高收率的殼聚糖產品還是比較困難的，并且反應中所采用的大量濃酸會腐蝕反應設備，還會造成嚴重的環(huán)境污染。目前報道的氧化降解法主要有過氧化氫降解法 [15]、過硫酸鉀降解法、亞硝酸鹽降解法、過硼酸鈉降解法、次氯酸鈉降解法、臭氧降解法、二氧化氯和氯氣降解法等。 過氧化氫氧化降解殼聚糖的機理為： H2O2 → HO2 + H+ H2O2 + HO2 → HO+H2O和 O2 在酸性溶液中，殼聚糖分子溶解，分子間與分子內的氫鍵斷裂，分子伸展，整個分子上的基團對過氧化氫