第7章-甲壳素和壳聚糖

1第7章甲壳素和壳聚糖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备注27.1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Chitin3、1843年A.Payen发现Chitin与纤维素性质不同，J.L.Lassaigne发现Chitin中有氮元素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，3并命名为壳聚糖（Chitosan）。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。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4一、一般性质甲壳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5三、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(pH6)，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β-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、氢溴酸盐法、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。67.2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：α-甲壳素，由两条反向平行的糖链组成β-甲壳素，由两条同向平行的糖链组成γ-甲壳素，由三条糖链组成，其中两条同向，一条反向。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。7（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。（3）剩余下来的就是甲壳素。【举例子】《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pH9，后在pH3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，用该方法处理已粉碎的虾壳时，效果不如上述文献中的理想。2、实验过程概述及结论：（1）根据pH13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，40min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，8生产周期短、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。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—脱钙—脱蛋白质—脱色—甲壳质—脱乙酰基—壳聚糖。92、微生物法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α-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，壳聚糖的黏度也有提高（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很严重。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℃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110℃均匀保温1h左右，也可得到黏度在1Pa·s以上的壳聚糖。102、高脱乙酰度壳聚糖一般工业使用，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反应时间即可。当用40%的烧碱，反应温度在135~140℃，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。（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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糖往水溶液中滴加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+→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，这种壳聚糖能溶于水。11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。4、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。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）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，即糖苷键的断裂，形成许多分子量大小不等的片段。12（2）氧化法：过氧化氢氧化法最为常见，加入H2O2进行降解反应。（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。6、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。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13活性碳纤维的壳聚糖改性，可以解决活性碳纤维生物材料的杀菌性、疏水性、与酶的相容性，这些进一步发展，有望制成生物传感器和微电极。不溶形态的壳聚糖沉淀在碳纤维表面，电位是负900毫伏，热加工100-120℃，时间4h，壳聚糖沉淀实现在初始纤维，比表面积：平均700m2/g，孔容积0.4cm3/g，孔的平均半径0.4纳米。7.2.3壳聚糖的质量控制脱乙酰度的测定黏度的测定灰分的测定砷、汞、铅的测定含氮量的测定水分测定微生物检测147.3甲壳素与壳聚糖的改性7.3.1甲壳素与壳聚糖化学一、碱化C6-OH和C3-OH与浓碱反应，生成碱化甲壳素。常温下进行甲壳素的碱化反应，会伴随着甲壳素的脱乙酰化反应。二、O-酰化和N-酰化壳聚糖可与多种有机酸的衍生物（酸酐、酰卤）反应，导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基。壳聚糖分子链的糖残基上既有羟基，又有氨基，酰化反应既可在羟基上成酯，也可在氨基上成酰胺。甲壳素的乙酰化反应在非均相条件下进行缓慢，而且必须在乙酸酐和盐酸存在条件下才能获得乙酰化的产物。乙酰化反应优先发生在游离氨基上，其次发生在羟基上。壳聚糖在乙酸水溶液或吡啶溶剂中先形成高度溶胀的胶体，然后进行N-乙酰化反应。针对不同的酰化要求，大致有三类不同的酰化体系。1、甲磺酸酰化体系:双O-长链酰基化壳聚糖产物，也可用于制备N-芳酰基化壳聚糖产物。152、氯仿和吡啶等非质子极性溶剂中壳聚糖或甲壳素与酰氯反应,得到N