第六章-甲壳素基材料

生物质材料東北林業大學材料科学与工程学院NortheastForestryUniversity主要内容第一章绪论第二章纤维素基材料第三章木质素第四章木材第五章淀粉基材料第六章甲壳素基材料第七章蛋白质基材料第八章其他生物质材料第六章甲壳素目的和要求了解甲壳素的来源、化学结构、性质、改性及应用、甲壳素的主要衍生物，重点掌握甲壳素的化学结构、化学改性。内容和要点6.1甲壳素的存在与发现6.2甲壳素与壳聚糖的结构与性质6.3甲壳素与壳聚糖化学6.4甲壳素、壳聚糖及其衍生物的应用

6.1甲壳素的存在与发现

（1）甲壳素的存在

甲壳素的化学名称为1,4-二-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖，又称为甲壳质，是虾、蟹等甲壳动物或昆虫外壳和菌类细胞壁的主要成分。在全部天然高分子中，最丰富、最容易获得的应属纤维素和甲壳素，据推测甲壳素每年有100亿~1000亿吨。从蟹、虾中分离甲壳素是最普遍使用的方法。由于甲壳中除了甲壳素外还有蛋白质、碳酸钙等成分，因此需要用碱或酸分解，去除残存的成分，得到分离的甲壳素。但由于甲壳素不溶、不熔，利用及处理极其不便，因此是目前还未很好利用的丰富天然资源之一。

6.1甲壳素的存在与发现（2）甲壳素的发现

1811年，法国学者Braconnot首先从蘑菇中提取了甲壳素，并命名为Fungine，意即真菌纤维素。1823年，法国学者Odier从昆虫的护膜中分离出同样的物质，并命名为甲壳素。1843年，法国人Lassaigne发现甲壳素中含有氮，从而证明甲壳素与纤维素不是同一种物质。1859年法国人Rouget发现将甲壳素在浓氢氧化钾水溶液中煮沸，可以制备一种“改性甲壳素”，其可溶解于稀的有机酸溶液中。1894年德国人Hoppe-Seiler确认这种“改性甲壳素”是脱掉了部分乙酰基的甲壳素，并命名为Chitosan，即壳聚糖。

6.1甲壳素的存在与发现1878年，德国人Ledderhose将甲壳素溶于热浓盐酸中，得到一种晶体，经测定为含氮糖类，并命名为glycosamin，即氨基葡萄糖；1939年，Haworth证明了这一论断。20世纪50年代，X射线分析技术的出现推动了真菌中甲壳素/壳聚糖的研究。人们对甲壳素/聚糖的化学结构、性能和制备方法有了较为深入的了解。1963年，Budall根据X射线衍射光谱得到的结果，提出甲壳素存在着

-、

-、

-三种晶型。20世纪70年代，源于对大量海鲜产品剩余物的利用，对甲壳素/壳聚糖的研究日益增多。20世纪80~90年代是甲壳素/壳聚糖研究的全盛时期。6.2甲壳素与壳聚糖的结构与性质（1）甲壳素的结构甲壳素的结构与纤维素非常相似，只是2位上的-OH基被-NHAc置换。由于甲壳素分子中-O-H···O型及-N-H···O型强氢键作用，分子间存在有序结构，使结晶致密稳定，因而一般反应较纤维素更困难，成本更高。壳聚糖：甲壳素在浓碱条件下脱乙酰得到壳聚糖。壳聚糖因有游离氨基的存在，反应活性比甲壳素强。在脱脂过程中伴随着分子量的降低。6.2甲壳素与壳聚糖的结构与性质纤维素、甲壳素和壳聚糖的结构6.2甲壳素与壳聚糖的结构与性质一级结构是指线性链中

-1,4-糖苷键连接N-乙酰氨基葡萄糖残基的顺序。二级结构是指糖链之间以氢键结合形成的各种聚集体。分子内氢键

分子间氢键

6.2甲壳素与壳聚糖的结构与性质三级结构是指由一级结构和非共价相互作用造成的有序的二级结构致使甲壳素在空间形成有规则而宏大的构象。四级结构是指甲壳素长链间以非共价结合规整排列和堆砌在一起而形成的聚集体。

甲壳素的螺旋结构

6.2甲壳素与壳聚糖的结构与性质甲壳素的晶体结构

-甲壳素的分子链排列

-甲壳素的分子链排列

6.2甲壳素与壳聚糖的结构与性质（2）甲壳素、壳聚糖的提取原料：蟹、虾食品加工厂废弃的生物甲壳。方法：将蟹虾外壳浸泡在4%~6%的HCl溶液24小时以上，再将其浸泡在3%~5%的氢氧化钠水溶液于80℃下浸泡数小时，重复以上步骤，得到的不溶物即为甲壳素。将甲壳素在40%的氢氧化钠溶液中，135℃氮气保护下反应3小时，使之脱乙酰基，得到壳聚糖。甲壳素和壳聚糖的制备工艺流程6.2甲壳素与壳聚糖的结构与性质（3）甲壳素的性质甲壳素是白色或灰白色半透明片状固体，不溶于水、稀酸、稀碱和一般有机溶剂，可溶于浓碱、浓盐酸、浓硫酸、浓磷酸和无水甲酸，但同时主链发生降解。壳聚糖是白色或灰白色略有珍珠光泽的半透明片状固体，不溶于水和碱液，可溶于大多数稀酸。结晶构造：蟹的甲壳中所包含的甲壳素通常是α-甲壳素，它的分子链是互相逆向配列的逆平行型。与之比较，鱿鱼等的软甲壳中的甲壳素是β-甲壳素，分子链是同方向排列的平行型。以上两种的混合型叫做γ-甲壳素。

6.2甲壳素与壳聚糖的结构与性质溶解性与吸湿性α­甲壳素是刚硬的结晶构造，在通常的溶剂中不溶。但β-甲壳素能在甲酸中完全溶解，另外由于它在各种溶剂中润胀较容易，化学改性中β-甲壳素比α­甲壳素具有高得多的反应性。无论是甲壳素还是壳聚糖都具有相当好的吸水性，β-甲壳素比α-甲壳素吸水性好。吸湿性、保水性最好的还是水溶性甲壳素。生物降解性：微生物降解6.3甲壳素与壳聚糖化学甲壳素与壳聚糖的改性甲壳素及其衍生物壳聚糖具有生物降解性和生物相容性，但其难溶性限制了它们的应用。化学反应主要有两类：与糖残基官能团有关的反应和与主链降解有关的反应。前者主要包括与糖残基羟基和氨基有关的碱化、酰化、醚化、酯化、接枝共聚、交联等化学反应；后者主要包括各种水解、降解反应。

6.3甲壳素与壳聚糖化学碱化

酰化

6.3甲壳素与壳聚糖化学酰化

6.3甲壳素与壳聚糖化学酰化壳聚糖的非均相酰化反应在润胀状态下可进行。在非质子性溶剂（甲醇/乙醇或甲醇和甲酰胺的双相混合介质）中可完全酰化，而在甲醇/乙酸中只获得部分酰化产物。直链脂物酰基（如甲酰、乙酰、己酰、十二烷酰、十四烷酰）衍生物可在甲酸或吡啶/氯仿溶剂中制得。支链脂肪酰基（如N-异丁酰基、N-三甲基乙酰基、N-异戊酰基）衍生物可在甲酰胺溶液中反应。芳烃酰基衍生物常在甲磺酸溶剂中制备。6.3甲壳素与壳聚糖化学酯化

甲壳素的硫酸酯化（非选择性）反应-6.3甲壳素与壳聚糖化学酯化

壳聚糖C3位硫酸酯化产物的制备过程

6.3甲壳素与壳聚糖化学酯化

6.3甲壳素与壳聚糖化学酯化甲壳素具有很多羟基，因此可进行酯化反应，在含氧无机酸酯化剂的作用下，甲壳素和壳聚糖中的羟基形成有机酯类衍生物。常见的反应有硫酸酯化和磷酸酯化。硫酸酯化试剂主要有浓硫酸、SO2-SO3、氯磺酸等，反应一般为非均相反应。硫酸酯化反应通常发生在O上，N上也可进行。磷酸酯化试剂主要为P2O5。甲壳素和壳聚糖磷酸酯衍生物的制备可用P2O5在甲磺酸中进行。各种取代度的甲壳素磷酸酯化物都易溶于水。壳聚糖磷酸化物低取代度的溶于水，而高取代度的不溶于水。6.3甲壳素与壳聚糖化学醚化

羧甲基化反应

羟乙基化反应6.3甲壳素与壳聚糖化学醚化

羟烷基化反应6.3甲壳素与壳聚糖化学醚化

氰乙基化反应

6.3甲壳素与壳聚糖化学N-烷基化

6.3甲壳素与壳聚糖化学羧基化羧基化反应是指用氯代烷酸或乙醛酸在甲壳素或壳聚糖的6位羟基或氨基上引入羧烷基基团。基本制备方法：将甲壳素在冷冻下用十二烷基硫酸钠碱化，悬浮于异丙醇中，室温下与氯乙酸反应制得。甲壳素与壳聚糖在碱性条件下与氯乙酸反应可得羧甲基化衍生物，反应最后得到可溶于水的两性电解质产物。研究最多的是羧甲基化反应，相应的产物为羧甲基甲壳素、O-羧甲基壳聚糖、N-羧甲基壳聚糖和O,N-羧甲基壳聚糖。N-羧甲基壳聚糖：将壳聚糖与乙醛酸反应形成可溶性酰亚胺，再用NaBH3CN还原即得。O,N-羧甲基壳聚糖：将壳聚糖悬浮于异丙醇中，加入氢氧化钠，搅拌使其膨胀，再与氯乙酸反应，加热后即得。6.3甲壳素与壳聚糖化学水解水解反应是较常见的降解反应。对于甲壳素和壳聚糖来说，水解方法一般有辐射法、高硼酸氧化法、酸溶液回流法和酶法。甲壳素和壳聚糖水解时，主链上β-1,4-糖苷键水解断裂，生成各种各样低相对分子质量的多聚糖、葡胺糖的衍生物。采用氢氟酸水解可保存酰胺键。若选用其他无机酸如盐酸、磷酸、三氯乙酸等水解，会生成N-脱乙酰产物。6.3甲壳素与壳聚糖化学氧化反应：醛基、羰基、羧基甲壳素和壳聚糖上的伯醇基可被氧化成羧基，然后再进行硫酸酯化反应，可得到结构与肝素更加相近的衍生物。接枝共聚反应：化学法、射线辐射法和机械法可以提高相对分子质量，而且还可获得所需的材料性能，如乙烯基单体在甲壳素和壳聚糖上进行接枝聚合，可得到新型的特种合成多糖聚合物。接枝共聚物在生物医学上具有很大的应用价值。6.3甲壳素与壳聚糖化学重氮化反应甲壳素和壳聚糖与亚硝酸反应消除氨基，得到末端链上带有醛基的低聚合度葡胺糖。可利用该反应对甲壳素和壳聚糖进行降解，这种降解作用比酸的随机降解更有选择性。也可用于测定-NH2在甲壳素和壳聚糖中的分布。螯合反应

Pd2+

Au3+

Hg2+

Pt4+

Pb2+

Mo(VI)

Zn2+

Ag+

Ni2+

Cu2+

Cd2+

Co2+

Mn2+

Fe2+

Cr3+6.3甲壳素与壳聚糖化学交联6.3甲壳素与壳聚糖化学1、脱乙酰化反应2、络合物形成反应3、成盐反应4、醇化反应5、酯化反应6、硝化反应7、碱转移反应8a、N-芳基化和烷基化反应8b、O-芳基化和烷基化反应9a、N-酰化反应9b、O-酰化反应10、接枝交联聚合反应11、降解和热分解反应6.4甲壳素、壳聚糖及其衍生物的应用造纸工业：增强剂、助留助滤剂、表面施胶剂、施胶增效剂、造纸废水絮凝剂、功能纸助剂

食品工业：液体处理剂、食品添加剂、功能食品、抑菌和保鲜环境保护：絮凝剂、重金属螯合剂医药卫生：降脂和降胆固醇、凝血和抗凝血、医用纤维和人造组织材料、眼科材料

化妆品：保湿剂

农业：饲料添加剂、种子处理剂、农药载体6.4甲壳素、壳聚糖及其衍生物的应用酰基化衍生物甲壳素酰基化衍生物的溶解性能大大改善，如琥珀酰基甲壳胺可溶于水；脂肪族酰化甲壳素可作为生物相容性材料，形成膜时，其表面润湿性及凝血作用比硅玻璃要好；3,4,5-三甲氧基苯甲酰甲壳素具有吸收紫外线的作用，可用于化妆品中作为防晒护肤的添加剂；N-甲酰化壳聚糖用于人造纤维中，可提高纤维对酸性染料的亲和力，并增强其物理性能；N-顺丁烯二酰壳聚糖与丙烯酰胺的共聚物在任何pH值下都很稳定，能在水中膨胀形成有良好机械性能的凝胶，用这种材料固定的抗体能有效地减少血浆中肝炎病毒抗原值。6.4甲壳素、壳聚糖及其衍生物的应用羧基化衍生物羧甲基甲壳素能吸附Ca2+，对其他碱土金属离子也有吸附作用，在废水处理领域中可用于金属离子的提取和回收；在医药上可作为免疫辅助剂，能有效地诱导细胞毒性巨噬细胞；用于化妆品中能使化妆品具有润滑作用和持续的保湿作用，还能使化妆品的贮藏性能、稳定性能良好。N-羧甲基壳聚糖能螯合过渡金属离子，也可用于化妆品中，可辅佐抗皮肤过敏，具有很好的保温性能和稳定性能，还具有抑菌性，对口腔细菌特别有效。N-羧丁基壳聚糖对各种病原体具有抑菌、杀菌的作用，可防止伤口二次感染，促进伤口愈合，因此可用于医用领域。6.4甲壳素、壳聚糖及其衍生物的应用羧基化衍生物O-羧甲基壳聚糖的保水性能很好，几乎可与透明质酸相当，可作为保水剂应用于化妆品中取代透明质酸；O-羧甲基壳聚糖在农业上可用于抑制甲壳素酶和壳聚糖酶的活性，促进植物的生长。O,N-羧甲基壳聚糖能溶于pH值2~6范围之外的溶液中，与碱土金属离子和NH4+形成的盐是水溶性的，与重金属和大分子有机阳离子络合反应形成沉淀，利用此特性可用来纯化水；O,N-羧甲基壳聚糖在水溶液中易形成牢固的膜，此膜对气体有选择渗透性，适合于作食品保藏剂；O,N-羧甲基壳聚糖与双醛试剂交联形成凝胶，可作创可贴、止血剂；6.4甲壳素、壳聚糖及其衍生物的应用酯化衍生物和醚化衍生物甲壳素和壳聚糖的硫酸酯化衍生物在结构上与肝素相似，具有抗凝血作用，如N-硫酸酯化物对凝血有重要作用。除抗凝血作用外，有的硫酸酯化衍生物还显示了一定的抗癌作用。甲壳素和壳聚糖的磷酸化物与己二酰二氯