甲壳素和壳聚糖.docx

第7章甲壳素和壳聚糖 :备注7.1甲壳素和壳聚糖的结构、性能 |7.2甲壳素的存在状态与提取方法 |7.3甲壳素与壳聚糖的改性 |7.4甲壳素与壳聚糖及其改性产物的应用 :掌握甲壳素和壳聚糖的基本结构和反应性能 ：了解甲壳素和壳聚糖的结构改性和应用 ；7.1甲壳素和壳聚糖的结构、性能 |7.1.1甲壳素的发现与命名 !1、 1811年H.Braconnot温热的稀碱溶液反复处理蘑菇，提取甲壳素，|命名Fungine，真菌纤维素 ：2、 1823年A.Odier甲壳类昆虫翅鞘中分离，命名Chitin ：3、 ：4、 1878年G.Ledderhose从Chitin水解反应液中检出氨基葡萄糖和乙！酸 |5、 1894年E.Gilson进一步证明Chitin中含有氨基葡萄糖，后来研究j证明，Chitin是由N-乙酰基葡萄糖缩聚而成的 ：6. 1859年C.Rouget将甲壳素浸泡在浓KOH溶液中煮沸一段时间，取出! 发现可溶于有机酸中 ！7.1894年F.Hoppe-Seiler确认这种产物是脱掉了部分乙酰基的甲壳素，并命名为壳聚糖（Chitosan） j壳聚糖是甲壳素的N-脱乙酰基的产物，一般而言，N-乙酰基脱去55%以； 上就可以称之为壳聚糖，这种脱乙酰度的壳聚糖能溶于1%乙酸或1%盐酸。

作为有实用价值的工业品壳聚糖，N-脱乙酰度必须在70%以上 I根据N-脱乙酰度可以把壳聚糖分为： ；55%-70%为低脱乙酰度壳聚糖 ；70%-85%为中脱乙酰度壳聚糖 :85%-95%为高脱乙酰度壳聚糖 |95%-100%为超高脱乙酰度壳聚糖（极难制备） |7.1.2甲壳素与壳聚糖的结构与性质 |一、一般性质 !尝素是白色或灰白色无定形、半透明固体，分子量因原料不同而有数« 十万至数百万，不溶于水、稀酸、稀碱、浓碱、一般有机溶剂，可溶于浓的«盐酸、硫酸、磷酸和无水甲酸，但同时主链发生降解 ：二、 结构特征 !研究证实，甲壳素与其他多糖一样，其分子链也是螺旋形，XRD照片给出j 的螺距为0.515nm，一个螺旋平面由6个糖残基组成 |测定方法：红外、核磁共振 i三、 壳聚糖的主要特性 |1. 不能完全溶解于水和碱溶液中，但可溶于稀酸(pH<6)，游离氨基质子!化促进溶解溶于稀酸呈黏稠状，在稀酸中壳聚糖的B-1，4糖苷键会慢慢! 水解，生成低相对分子质量的壳聚糖 ；2. 壳聚糖在溶液中是带正电荷多聚电解质，具有很强的吸附性 ；3. 壳聚糖的溶解性与脱乙酰度、相对分子质量、黏度有关，脱乙酰度越!高，相对分子质量越小，越易溶于水. !4. 壳聚糖具有很好的吸附性、成膜性、通透性、成纤性、吸湿性和保湿;性 |N-脱乙酰度和黏度(平均分子量)是壳聚糖的两项主要性能指标 ；脱乙酰度 |(1) 脱乙酰度(D.D.)的高低，直接关系到它在稀酸中的溶解能力、黏!度、离子交换能力、絮凝性能和与氨基有关的化学反应能力。

2）测定的方法有酸碱滴定法、电位滴定法、氢漠酸盐法、胶体滴定法、 苦味酸分光光度法、UV、IR法等5、黏度黏度反应了高分子物质的分子量大小，在壳聚糖的生产上，常用旋转黏 度计来测定其黏度，这是表观黏度，其数值可大体反映出壳聚糖分子量的大 小常由此说高黏度壳聚糖、中黏度壳聚糖、低黏度壳聚糖7.2甲壳素的存在状态与提取方法7.2.1甲壳素的存在状态天然有机化合物中，数量最大的是纤维素（植物生成），其实是甲壳素 （动物生成）估计自然界每年生物合成的甲壳素将近100亿~1000亿吨甲壳素是地球上除蛋白质外数量最大的含氮天然有机化合物一、在自然界的存在甲壳素广泛存在于甲壳纲动物虾和蟹的甲壳、昆虫外壳、真菌（酵母、 霉菌）的细胞壁和植物（如蘑菇）的细胞壁中二、存在状态 ：甲壳类动物外壳的结构材料就是甲壳素，它既有生理作用，又能保护机! 体防止外来机械性冲击；同时，还具有吸收高能辐射的性能在真菌的细胞! 壁中，甲壳素与其他多糖相连，在动物体内，则是与蛋白质结合成蛋白聚糖」甲壳素的结构因氢键类型不同而有三种结晶体： |? a-甲壳素，由两条反向平行的糖链组成 |? B-甲壳素，由两条同向平行的糖链组成 :? Y-甲壳素，由三条糖链组成，其中两条同向，一条反向。

i壳聚糖（chitosan）是天然多糖中唯一的碱性多糖，也是少数具有电荷| 特性的天然产物之一，具有许多特殊的物理、化学性质和生理功能 ；7.2.2甲壳素与壳聚糖的提取 :一、甲壳素的制备 i制备甲壳素的主要操作是：脱钙和脱蛋白 |制备甲壳素的传统工艺 |（1） 酸的作用即为脱钙，即用于浸泡虾蟹壳时使其中的碳酸钙和无机盐!变为水溶性溶液和二氧化碳等 ：（2） 碱的作用即为脱蛋白，因为蛋白质在碱液中比在酸液中溶解得较快;也较完全 i（3）剩余下来的就是甲壳素 !【举例子】 i《EDTA处理虾壳制备甲壳素的研究》黄俊娴，杨建男 ：在提取工艺上大多围绕着如何将脱钙和脱蛋白进行得更彻底更完全 ；1、 实验原理： :（1） 传统工艺用虾壳制备甲壳素，一般是酸脱钙，用碱脱蛋白质，不仅!消耗较多的酸和碱，且易破坏甲壳素的结构，脱蛋白时往往还需加热 «（2） 前人Foster和Hackman曾用EDTA先在pH 9，后在pH 3条件下处：理蟹壳，钙和蛋白质的脱除率为100%和95% （存在10%~20%的误差） :（3） 但是经实验测定，用该方法处理己粉碎的虾壳时，效果不如上述文!献中的理想 i2、 实验过程概述及结论： |（1） 根据pH 13时，EDTA-Ca的lgk，=lgk的特征，且EDTA的溶解度接;近最大的特点，建立用EDTA在室温下一步处理虾壳制备甲壳素的方法，40 min : 时脱钙和脱蛋白率分别为100%和98.7%，且EDTA可回收循环使用。

|（2） EDTA 一步法处理虾壳制备甲壳素，可操作性强，操作步骤简单，生j 产周期短、原料和能量消耗小，生产成本低，对环境污染小等优点且在制：备甲壳素的同时回收了蛋白质等，使虾壳的利用价值增强 i二、壳聚糖的制备 !（一） 壳聚糖的一般制备 ！1、 化学法 |壳聚糖的制取通常采用化学法，制备工艺程序为：甲壳一脱钙一脱蛋白； 质一脱色一甲壳质一脱乙酰基一壳聚糖 :2、 微生物法 i甲壳素是绝大多数真菌细胞壁的主要组成成分，许多制药企业和酶制剂« 的发酵过程产生的下脚料中含有真菌的菌丝体，可从中提取甲壳素如黑曲| 霉、雅致放射毛霉鲁氏毛霉等，真菌中的甲壳素是a-甲壳素 ；3、 微波法 :微波法比常规法达到相同的脱乙酰度所需的反应时间可以缩短9/10,壳I 聚糖的黏度也有提高 i（二） 特种壳聚糖的制备 |1、高黏度壳聚糖 :高黏度壳聚糖，一般是指1000mPa/s以上的壳聚糖 ：优点：分子量高，制成的膜或纤维强度大 i高黏度壳聚糖制备注意的环节： ：（1） 虾蟹壳比蚕蛹壳、柠檬酸发酵菌渣等其他原料较有可能制备出高黏!度壳聚糖 ！（2） 虾蟹壳堆放长时间后因微生物破坏，不能用于生产高黏度壳聚糖。

3） 生产甲壳素的过程中，不能用浓度大的强酸、强碱高温长时间处理」（4） 在生产壳聚糖过程中，要掌握高温、短时间原则 |（5） 不能使用KMnO4等强氧化剂长时间脱色，强氧化剂对糖苷键的破坏I很严重 i可采用以下两种方案： ：第一，较低温度、较长时间下进行反应如在常温或60〜65°C下脱乙酰化，:均能获得质量较好、黏度较高的壳聚糖产品 :第二，高温短时间如将甲壳素粗粉碎后，先用50%的NaOH溶液浸泡，|然后在110C均匀保温1h左右，也可得到黏度在1Pa・s以上的壳聚糖2、高脱乙酰度壳聚糖 j一般工业使用，不要求壳聚糖有很高脱乙酰度，但在食品、医药、活细；胞和酶的固定化、制作反渗透膜中常用高脱乙酰度的壳聚糖 |如果只是要求高脱乙酰度，只要在脱乙酰化反应时提高反应温度和延长I反应时间即可当用40%的烧碱，反应温度在135〜140C，1~2h基本能得到100%脱乙酰度的壳聚糖 ：3、水溶性壳聚糖 !壳聚糖只能溶于一些稀的无机酸或有机酸中，不能直接溶于水 i（1） 水溶性壳聚糖： |能溶于水的壳聚糖 ；能溶于水的壳聚糖盐 !能溶于水的羧甲基壳聚糖 i能溶于水的低分子甲壳素 |能溶于水的低分子壳聚糖 ；（2） 判断是何种水溶性壳聚糖的方法： |把壳聚糖溶于水，看溶液有无黏性，没有黏性的是低分子甲壳素或壳聚i糖 i往水溶液中滴加NaOH溶液，产生浑浊或沉淀，是壳聚糖盐。

；如果滴加HCl溶液产生浑浊，则是羧甲基壳聚糖 |R-COONa+H+一R-COOH+Na+ :R为氨基葡萄糖残基 ：甲壳素在均相条件下进行脱乙酰化应，当脱乙酰度为50%左右时，这种壳j 聚糖能溶于水 :对较高脱乙酰度的壳聚糖进行乙酰化，控制其脱乙酰度在50〜60%，也可| 得到水溶性壳糖 I4、 羧甲基壳聚糖 |羧甲基壳聚糖是一种水溶性壳聚糖衍生物，其抗菌性、具有保鲜作用、| 是一种两性聚电解质等 i羧甲基壳聚糖可以在碱性条件下用氯乙酸与壳聚糖反应而得到，但羧甲i 基既会在-OH上发生取代，也会在-NH2上发生取代，生成O-羧甲基壳聚糖和« N-羧甲基壳聚糖 «羧甲基壳聚糖的水溶性，除了因为它是一种羧酸钠盐而溶于水外，还有| 一个原因是羧甲基的导入破坏了壳聚糖分子的二次结构，使其结晶度大大降； 低，几乎成为无定形 !羧甲基壳聚糖的制备方法：（很多） i将壳聚糖溶于稀乙酸中，用过量丙酮沉淀，得到壳聚糖乙酸盐；转入带| 有搅拌的反应瓶中，加入一定量的NaOH溶液和异丙醇，边搅拌边滴加氯乙酸; 的异丙醇溶液，控制反应温度为70度，反应数小时，冷却至室温，用稀酸调: pH至中性，用85%甲醇洗涤，干燥，即得到羧甲基壳聚糖。

:5、 低聚糖 !低聚糖也叫做寡糖，过去把双糖到十糖称为寡糖，现在一般把范围扩大i 到二十糖，称作低聚糖 :相对分子量低于10000的壳聚糖具有许多优于高分子量壳聚糖的功能 比如具有生物活性的甲壳素和壳聚糖的五糖至九糖，特别是六糖和九糖在抑： 制肿瘤方面有着令人鼓舞的作用 |低聚糖的常见的制备方法： ；（1） 酸水解法：壳聚糖在酸性溶液中不稳定，会发生长链的部分水解，i即糖苷键的断裂，形成许多分子量大小不等的片段 !（2） 氧化法：过氧化氢氧化法最为常见，加AHO进行降解反应 «2 2 :（3） 酶解法：利用专一性或非专一性酶对甲壳素或壳聚糖进行降解I6、微晶壳聚糖和磁性壳聚糖 :微晶壳聚糖由于颗粒小，比表面积大大增加，具有更优越的性能，如保! 水性好、成氢键能力强、成膜性好、生物相容性和抗菌性强等，在农业、纺! 织、医药、水处理等领域有着广泛的应用 I可用2%的醋酸水溶液溶解一定量的壳聚糖，经过滤除去不溶物及凝胶颗： 粒；再于一定温度下进行热降解，并用氢氧化钠水溶液中和，使之产生絮状； 凝聚物，最后用蒸馏水洗涤并在真空下干燥，即得微晶壳聚糖 |壳聚糖由于具有生物相容性、生物亲和性和无毒等特性，分子链上大量! 存在的羟基和氨基又使其易于进行化学改性，因此常被用作磁性高分子材料； 的“外壳”。

壳聚糖与Fe3O4复合形成的磁性壳聚糖微球具有磁响应性，可作为分离富 集、靶'向药物、固定化酶的载体，从而广泛应用于医药、生物等领域7、俄罗斯研制壳聚糖碳纤维材料活性碳。