（应用化学专业论文）配位催化氧化方法降解壳聚糖的GFC研究.pdf

摘要 将壳聚糖先与金属离子形成配合物，再催化氧化降解以得到窄分子量分布寡糖是所 在课题组提出的一种新型壳聚糖降解方法。其原理是向壳聚糖的醋酸稀溶液中加入适量 金属盐溶液，利用壳聚糖中部分氨基及羟基与加入的适宜金属离子发生配位反应形成壳 聚糖金属离子配合物，通过控制壳聚糖与金属离子摩尔数的比例来控制配位点的个 数，使配位结点在壳聚糖高分子链中均匀分布，以保证配位结点之间未配位糖苷链中糖 数的均一性。再采用氧化剂对配合物进行氧化，壳聚糖中的葡糖胺从配位结点或结点附 近处断键，控制反应条件，得到不同窄分子量分布的低聚壳聚糖。这种方法的特点是利 用壳聚糖与某种金属离子形成配位中间体，人为制造特异性降解，使得反应条件温和、 降解产物分子量易于控制。 本人首次采用凝胶色谱探索了金属盐用量、氧化剂用量、温度及反应时间等条件下 所得降解产物的数均分子量、分子量分布结果，为这种方法用于未来工业化生产提供了 原始参数。同时对部分产物的抗活性氧活性进行了研究。 具体工作包括：分别向壳聚糖稀溶液中加入不同的金属盐，控制反应条件，降解制 各了不同窄分子量分布的壳聚糖，考察了各种降解条件对降解产物分子量及分子量分布 的影响，使用不同金属配位催化氧化降解制备不同分子量壳聚糖的条件及降解效果的对 比，以及不同分子量壳聚糖的抗氧化活性。 从降解产物的o f c ( 凝胶过滤色谱) 谱图中可以看出：降解条件对降解产物的分 子量和分子量分布影响大小顺序为：h 2 0 2 用量 降解时间 金属用量，h 2 0 2 用量在 降解中起到了重要的作用。采用该法，降解迅速，降解首先从大分子量的壳聚糖开始， 且随着反应条件的加剧，降解产物的分子量变小，分子量分布变窄；通过控制条件，可 得到不同分子量及分子量分布的壳聚糖：当聚糖数( d p ) 高于1 0 个时，d p 越小，分 子量分布指数越小。由降解效果可以得到不同金属的催化活性：过渡金属的催化活性顺 序为：c u 2 + m n2 + c 0 2 + n i2 + z n 2 + ；稀土金属的催化活性为：s m 3 + g d 3 + ，e d + s c 3 + ； 过渡金属与稀土金属的催化活性存在交叉性，稀土金属介于m n ”、c 0 2 + 与n i 2 + 、z n 2 + 之间。将所有金属的降解结果及纯过氧化氢降解的进行比较可得：p b ( i i ) c t s 体系的降 解速度最慢，还不如纯过氧化氢体系的：在较短时间内( 2 4 0 r a i n 之前) 过渡金属 n i ( i i ) c t s 体系和z n 0 i ) c t s 体系的降解速度慢于纯过氧化氢体系，当降解时间超过 2 4 0 r a i n 时，纯过氧化氢体系的降解速度趋于平缓，当降解时间超过3 2 0 r a i n 时，过渡金 属n i ( i i ) 一c t s 体系和z n ( n ) - c t s 体系降解所得的壳聚糖的d p 数小于纯过氧化氢体系的。 同时，考察了壳聚糖c a ( i i ) 和z n ( i i ) 配合物对0 2 的清除效果。结果显示：两者 均对0 2 甫一定的清除作用。且清除率随降解产物d p 数的减小而增大；当降至单糖时 i i i 清除率几乎为零；当d p 1 5 时，相当分子量的壳聚糖与z n ( i i ) 的配合物对0 2 一的清除 率明显高于与c a ( i i ) 配合物的：当d p 1 5 时，清除率超过9 0 4 8 ，控制因素主要在 于壳聚寡糖的分子量。 关键词：壳聚糖金属配合物降解分子量分布g f c 抗氧活性 a b s t r a c t o u rs t u d yg r o u ph a v ei n t r o d u c e dan e w d e g r a d a t i o nm e t h o df o rc h i t o s a n ，w h i c hw a s c o n t r o l l i n gd e g r a d a t i o nb yf o r m i n gc h i t o s a nm e t a lc o m p l e x e s ，t op r o d u c en a r r o wm o l e c u l a r w e i g h td i s t r i b u t i o n ( m w d lo l i g o m e r s t h ep r i n c i p l eo ft h i sm e t h o dc o u l db ed e s c r i b e da s f o l l o w s a st h e r ea r ea1 0 to f n h 2a n d - o hg r o u p si nt h ec h i t o s a nc h a i n s ，i tw a se a s yf o r c h i t o s a nt oc o o r d i n a t ew i t ht r a n s i t i o na n dr a r e e a r t hm e t a l s i fw ea d d e ds o m em e t a li o n s ， m a d et h ep o l y m e rt i l l h o m o g e n e o u si nt h es o l u t i o ns y s t e m ，t h e na d d e do x i d a n t ( s u c ha sh 2 0 2 ) ， t h ec l e a v a g ew o u l do c c u ri ns u p e r i o r i t yp o s i t i o n i ft h es u p e r i o r i t yp o s i t i o n sw e r ew e l l d i s t r i b u t e di nt h ep o l y m e r , a f t e ro x i d a t i v ed e g r a d a t i o n ，t h en a r r o wm w dp r o d u c tw o u l db e o b t a i n e d t h i sm e t h o dw a sa a r t i f i c i a ls p e c i a ld e g r a d a t i o n m e t h o d ，b e c a u s ec h i t o s a nc o u l d c 0 0 r d i n a t ew i t hm e t a li o n st of o r mc o o r d i n a t i o ni n t e r m e d i a t e t h e r e f o r e ，t h er e a c t i o n c o n d i t i o nw a sl i g h ta n dt h em o l e c u l a rw e i g h t ( m w ) w a se a s i l yc o n t r o l l e d f o rt h ef i r s tt i m e ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h a tt h eq u a n t i t yo fm e t a ls a l t s ，t h eq u a n t i t yo f h 2 0 2 t h er e a c t i o nt e m p r a t u r ea n dt h er e a c t i o nt i m ee f f e c t e do na v e r a g em wa n dm w do f p r o d u c t s t h e s ei n v e s t i g a t i o np r o v i d e dt h er a wd a m sf o rc o m m e r c i a lp r o d u c t i o nw i t ht h i s m e t h o d t h es t u d i e si n c l u d e dt h o s ef o l l o w i n ga s p e c t s d i f f e r e n tc h i t o s a no fn a r r o wm w dw e r e p r o d u c e db ya d d i n gd i f f e r e n tk i n d so fm e t a ls a l t sa n dc o n t r o l l i n gr e a c t i o nc o n d i t i o n s t h o s e q u e s t i o n sh a db e e ns t u d i e d ：w h i c hd e g r a d a t i o nc o n d i t i o n se f f e c to nm w d a n dm wo f p r o d u c t i o n ? h o wa b o u tt h ec a t a l y s ta c t i v i t yo fd i f f e r e n tm e t a ls a l t so nc h i t o s a n ? a n dh o w a b o u tt h es c a v e n g i n go f c h i t o s a ne f f e c to nt h es u p e r o x i d er a d i c a l ( 0 2 3 9 s t u d y i n g t h eg f c ( g e lf i l t r a t i o nc h r o m a t o g r a p h ) c h r o m a t o g r a m f i g u r e s ，t h o s e f o l l o w i n gc o n c l u s i o nw e r eo b m i n e d f i r s t l y , t h e r ew a sas e q u e n c ea b o u tt h ee f f e c t so f d e g r a d a t i o nc o n d i t i o n so nm w o fc h i t o s a na sf o l l o w s ：t h eq u a n t i t yo fh 2 0 2 d e g r a d a t i o n t i m e t h eq u a n t i t yo fm e t a ls a l t s i tw a si m p o r t a n tf o rt h eq u a n t i t yo fh 2 0 2t oe f f e c to n d e g r a d a t i o n s e c o n d l y ，u s i n gt h i sm e t h o d ，t h ed e g r a d a t i o nl a s t l ys t a r t e df r o mh i g hm o l e c u l a r w e i g h tr a n g eo fc h i t o s a n a n d t h em w b e c o m c ds m a l l e ra n ds m a l l e ra n dt h em w db e c o m e d n a r r o w e ra n dn a r r o w e r 谢t l lt h er e a c t i o nc o n d i t i o ni n t e n s i f i e d t h e r e f o r e d i f f e r e n tm wa n d m w dc h i t o s a nw e r ep r o d u c t e d a n dw h e nt h ed p ( d e ；g r e eo fp o l y m e r i z a t i o n ) w a sb e y o n d10 ， t h es m a l l e ro fd p , t h es m a l l e ro fm w d t h i r d l y , t h es e q u e n c eo ft r a n s f f i o nm e t a l s c a t a l y s t a c t i v i t yw a sc u 2 + m n 抖 c 0 2 + n i2 斗 z n 2 + a n dt h a to f r a r e e a r t hm e t a l ，c a t a l y s ta c t i v i t y v w a ss m 3 + g d 3 + 【，+ s c 3 + t h es e q u e n c eo ft h o s et w ok i n d so fm e t a l s c a t a l y s ta c t i v i t y w a so v e r l a p p i n g t h ec a t a l y s ta c t i v i t i e so fr a r e - e a r t hm e t a l sw e r eh i g h tt h a nt h a to fn i2 + a n d z n “b u tl o w e rt h a nt h a to fm n2 + a n dc 0 2 + w ea l s of o u n dt h a tt h ed e g r a d a t i o ns p e e do f c h i t o s a n - p b ( i i ) s o l u t i o nw a ss l o w e rt h a no t h e r s ，c o m p a r i n gt h ep r o d u c t i o n so ft h i sm e t h o d w i t ho x i d a t i o nm e t h o d ，w ef c l a n dt h a tu s i n go x i d a t i o nm e t h o d ，c h i t o s a nc o u l db ee a s i l y d e g r a d e dt h a nc h i t o s m a n i ( i i ) a n dc h i t o s a n - z n ( i i ) i ns h o r tt i m e ( 1 e s s2 4 0m i n ) ，b u tw h e n d e g r a d a t i o nt i m ew a so v e r3 2 0m i n u t e s ，t h ed e 萨a d i n gs p e e do fc h i t o s a n - n i ( i i ) a n d c h i t o s a n z n 口) w e r ef a s t e r t h es c a v e n g i n ge f f e c to i lt h es u p e r o x i d er a d i c a l ( 0 2 _ ) a n dt h ei n h i b i t o r ye f f e c t so n p e r o x i d e s 、e r ei n v e s t i g a t e d t o o t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tb o t h c h i t o s a n - c a ( i i ) a n d c m m s a n - z n 0 i ) e x h i b i ts c a v e n g i n ge f f e c t t h es m a l l e ro f d p , t h eb e t t e ro f e l i m i n a t i n gr a t e ，b u t w h i l ed e g r a d e dt og l u c o s a m i n e ，t h es c a v e n g i n ge f f e c to fm e t a lc o o r d i n a t i o nw a sa l m o s t d i s a p p e a r e d w h e nd p 1 5 ，t h ee l i m i n a t i n g r a t eo f c h i t o s a n - z n ( i i ) w a s b e t t e rt h a n c h i t o s a n - c “i i ) w h e nd p 1 5 ，t h ee l i m i n a t i n gr a t ew a so v e r9 0 4 8 ，a n da f f e c t i o nf a c t o r w a sm wo f c h i t o s a n k e yw o r d s ：c h i t o s a n , m e t a lc o m p l e x ，d e g r a d a d t i o n ，m o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o n ，g f c a n t i o x i d a f i o np r o p e r t y v i 原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下独立完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注的地方外，不包含其他人已经发表的研 究成果，也不包含本人为获得其他学位而使用过的成果。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中进行了说明并表示谢 意。本声明的法律后果由本人承担。 本人筝字：毒p 红乞 沥年砭月o o 日 使用授权说明 为保障学位论文的著作权，授权学校“有权保留送交学位论 文的原件，允许学位论文被查阅和借阅，学校可以公布学位论文 的全部和部分内容，可以影印、缩印或其他复印手段保存学位论 文”，学校必须严格按照授权对论文进行处理，不得超越授权对毕 业论文进行任意处置。 授权人：办红之 2 西年名月o o 日 1 1 甲壳素与壳聚糖的发展史 1 前言 甲壳素( c h i t i n ) ，化学名称为2 脱氧2 乙酰胺基b 一( 1 4 ) 葡聚糖，是迄 今发现的唯一天然碱性高分子多糖。在自然界中储量丰富，广泛分布于自然界甲 壳纲动物虾、蟹和昆虫的外壳及菌类和低等植物的细胞壁中，年生物产量高达1 0 0 亿吨，仅次于纤维素。甲壳素经浓碱处理脱乙酰基后即得壳聚糖( c h i t o s a n ) ，化 学名称为2 脱氧2 氨基- b 一( 1 4 ) 葡聚糖，结构见图1 1 。 图1 1 壳聚糖和甲壳素的结构 f i g 1 1t h es t r u c t u r eo f c h i n t i na n dc h i t o s a n 甲壳素在自然界的存在量虽然仅次于纤维素，而且一直在默默地为人类作贡 献，然而直到1 8 1 1 年，才被法国位研究自然科学史的h b r a c o n n o t 教授发现， 他当时用温热的稀碱溶液处理蘑菇，得到一些纤维状的白色残渣，称之为 f u n g i n e ，意即真菌纤维素。1 8 2 3 年，法国科学家a o d i e r 从甲壳类昆虫的翅鞘中 分离出同样的物质，他认为此物质是一种新型的纤维素，便命名为c h i t i n 。1 8 4 3 年，l a s s i g n e 用氢氧化钾和亚氯酸钾从蚕中分离出甲壳素。1 8 7 8 年，l e d d e r h o s e 明确指出甲壳素是由葡萄胺和乙酸组成，并写出了水解方程式。1 8 5 9 年，r o u g e t 发现了壳聚糖，但直到1 8 9 4 年，h o p p e s e y l e r 才重新研究并取名为c h i t o s a n 。 1 9 0 9 年，v o nf u r t h 与r u s s o 的研究表明，壳聚糖与酸形成结晶盐类，并可由生 物碱沉淀剂从酸溶液中沉淀出来。同年，l o w y 确定了壳聚糖的基本组成及硫酸 壳聚糖的结晶形态【1 1 。从1 8 1 1 年发现甲壳素到1 9 1 0 年的1 0 0 年间，全世界仅有 2 0 篇有关甲壳素和壳聚糖的研究论文发表。从1 9 2 6 年开始到1 9 4 9 年，每年也只 有3 7 篇文章发表。1 9 3 4 年在美国首次出现了关于工业制备壳聚糖的专利和制各 壳聚糖膜、壳聚糖纤维的专利，并在1 9 4 1 年制备出了壳聚糖人造皮肤和手术缝 合线。至此，甲壳素和壳聚糖的研究方迎来其明媚的春天【2 。1 9 6 3 年，b u d a l l 根 据x 衍射光谱得到的结果，提出了甲壳素存在着口- 、卢一、y 一三种晶型。a 一甲壳 素由两条反向平行的糖链组成，具有紧密的组成，大多数结晶的多晶区是逆平行 ( a n t i p a r a l l e ) 链状排列；卢一甲壳素由两条同向平行的糖链组成，其多晶型是平行 链状排列；产甲壳素由三条糖链组成，两条同向，一条反向，其多晶型是两条链 之间上下排列。 此后，甲壳素和壳聚糖研究逐渐增多，5 0 年代后已有专著出版。8 0 年代起， 壳聚糖衍生物的液晶性陆续被报道。 我国早在5 0 年代就对甲壳素的制备及其应用进行了研究。1 9 5 8 年，国内首 先将乙酰化甲壳素应用于印染工业。从1 9 7 7 年起，每隔几年召开一次关于甲壳 素及壳聚糖的国际会议，极大地促进了这方面的研究。有关论文涉及到化工、纺 织、印染、造纸、涂料、颜料、染料、饲料、饮料、食品、烟草、照相、化妆品、 超滤膜、环保、医疗、贵金属提取、药物制剂等许多领域。2 0 世纪8 0 年代上半 期，国内逐渐开始宣传甲壳素和壳聚糖。2 0 世纪9 0 年代是我国甲壳素和壳聚糖 研究和开发的全盛时期，到了9 0 年代中期，全国有上百家大专院校和科研单位 投入到甲壳素和壳聚糖研究、开发中来，每年有数十篇文章发表，新产品也开始 出现。 1 2 壳聚糖的应用 壳聚糖因其具有降脂、降胆固醇，抗肿瘤，提高人体免疫力等生理活性且 无毒，可生物降解，良好的生物相容性等特性，近年来在食品、医药、化妆品、 农业等方面得到越来越广泛的应用。， 1 2 1 在食品工业中的应用 甲壳素和壳聚糖可作为许多液体产品或半成品的除杂处理剂，实质上大部分 也是发挥壳聚糖的絮凝作用。在酸性介质中，壳聚糖作为阳聚电解质与果汁中的 蛋白质等阴电解质絮凝，形成絮凝物而沉淀，从而达到果汁澄清的目的。将其用 于各种流体如饮料、果汁包括苹果汁、山楂汁、葡萄汁和其它甜果汁的处理，以 及作为酿酒澄清剂、原料糖汁纯化剂、饮用水高效复合絮凝剂等，效果极佳【2 1 。 壳聚糖及其衍生物在人体内降解后生成无害的氨基葡萄糖，故作为保水剂、 乳化剂、增粘剂在食品工业中广泛使用【3 】。壳聚糖还有抗菌、杀菌作用，可抑制 细菌、霉菌的生长，常添加于腌制食品中或用于海产( 虾) 、水果( 荔枝、猕猴 2 桃) 的保鲜。壳聚糖已被f d a ( 美国食品药物管理局) 批准为食品添加n t “。 食品壳聚糖为带氨基葡萄糖，与胃酸作用生成水溶性壳聚糖胺盐，有助于调 节消化道的酸性平衡，是一种天然的机能性食品。研究表明，壳聚糖对人体有五 大功能一一免疫强化机能，抑制老化，预防疾病，促进疾病痊愈和调节人体的生 理机能。因此，1 9 9 1 年被欧美学术界誉为继蛋白质、脂肪、糖类、维生素和无机 盐之后的第六生命要素。甲壳素和壳聚糖及其衍生物在食品工业方面作为食品和 饮料的功能组分、营养添加荆己得到应用，如作为减肥食品、功能性甜味剂蟑j 。 1 2 2 在环境保护中的应用 在壳聚糖众多优异特性中，螯合、吸附性能是最令人瞩目的特性之一，尤其 是壳聚糖，能通过分子中的氨基和羟基与许多金属离子形成稳定的螯合物，可以 吸附金属离子、染料、蛋白质等，用于金属富集、回收、分离、污水处理等领域。 壳聚糖对于多种金属离子，如c u “、a g + 、a u + 、z n ”、p b ”等有很强的吸附作用， 能有效地从工业废水中吸附各种金属离子，实现在处理废水的同时回收贵重金属 6 1 。作为絮凝剂，壳聚糖对于活性污泥有很强的絮凝作用，而且毒性低，能被生 物降解。还能有效地处理食品工业废水，沉淀废水中的悬浮物。利用壳聚糖处理 食品加工废水的最大优势除絮凝效果好外，还能回收淀粉、蛋白质做饲料，对保 护环境、合理利用资源十分有利。因此，壳聚糖广泛应用于废水处理，食品厂蛋 白质回收，中药药液的提纯精制( 除去蛋白质、核酸、鞣酸、果胶等大分子物质 及对酚、卤素等中小分子的吸附) 。除去酱油沉淀物，氨基酸光学异构体的分离， 小麦胚芽凝集素的分离【7 l ；在化学工业上可作为水分离膜，复合型染料添加剂， 玻璃纤维整理剂，皮革整理剂，化学试剂等。壳聚糖及其衍生物也可做成颗粒剂 或多孔微球，吸附重金属离子，用于含金属离子的废水处理p j 。 1 2 3 在医药保健品和医学中的应用 1 2 3 1 抗癌方面的应用 抗癌作用是目前壳聚糖研究的热点，关于抗癌作用的机理，报道很多。 其中，一种观点认为：癌细胞中的糖酵解酶一一二糖激酶、磷酸果糖激酶和 丙酮酸激酶活性很高，产生的酸使体系的p h 偏酸性，导致淋巴细胞活性下降， 免疫功能减弱。壳聚糖与胆汁酸作用使人体p h 偏碱性，激活淋巴细胞，增强机 体免疫力。另一方面，癌细胞表面带有较正常细胞更多的负电荷，使细胞表面电 桃) 的保鲜。壳聚糖已被f d a ( 美国食品药物管理局) 批准为食品添加剂i ”。 食品壳爱糖为带氨基葡萄糖，与胃酸作用生成水溶性壳聚糖胺盐，有助于调 节消化道的酸性平衡，是一种天然的机能性食品。研究表明，壳聚糖对人体有五 大功能免疫强化机能，抑制老化，预防疾病，促进疾病痊愈和调节人体的生 理机能。因此，1 9 9 1 年被欧美学术界誉为继蛋白质、脂肪、糖类、维生素和无机 盐之后的第六生命要素。甲壳素和壳聚糖及其衍生物在食品工业方面作为食品和 饮料的功能组分、营养添加荆已得到应用，如作为减肥食品、功能性甜味剂【5 】。 1 2 2 在环境保护中的应用 在壳聚糖众多优异特性中，螯合、吸附性能是最夸人瞩目的特性之一，尤其 是壳聚糖，能通过分子中的氨基和羟基与许多金属离子形成稳定的整合物，可以 吸附金属离子、染料、蛋白质等，用于金属富集、回收、分离、污水处理等领域。 竞聚糖对于多种金属离子，如c u ”、a r 、a r 、z n ”、p b 2 等有很强的吸附作用， 自& 有效地从工业废水中吸附各种金属离子，实现在处理废水的同时回收贵重金属 睥j 。作为絮凝剂，壳聚糖对于活性污泥有很强的絮凝作用，而且毒性低，能被生 物降解。还能有效地处理食品工业废水，沉淀废水中的悬浮物。利用壳聚糖处理 食品加工废水的最大优势除絮凝效果好外，还能回收淀粉、蛋白质做饲料，对保 护环境、合理利用资源十分有利。因此，壳聚糖广泛应用于废水处理，食品厂蛋 白质回收，中药药液的提纯精制( 除去蛋白质、核酸、鞣酸、果胶等大分子物质 及对酚、卤素等中小分子的吸掰于) 。除去酱油沉淀物。氨基酸光学异构体的分离， 小麦胚芽凝集索的分离 7 1 ；在化学工业上可作为水分离膜，复合型染料添加剂， 玻璃纤维整理剂，皮革整理剂，化学试荆等。壳聚糖及其衍生物也可做成颗粒剂 或多7 l 微球，吸附重金属离子，用于含金属离子的废水处理】。 1 2 3 在医药保健品和医学中的应用 l2 3 1 抗癌方面的应用 抗癌作用是目前壳聚糖研究的热点，关于抗癌作用的机理，报道很多。 其中，一种观点认为：癌细胞中的糖酵解酶一一二糖激酶、磷酸果糖激酶和 丙酮酸激酶活性很高，产生的酸使体系的p h 偏酸性，导致淋巴细胞活性下降， 免疫功能减弱。壳聚糖与胆汁酸作用使人体p i t 偏碱性，激活淋巴细胞，增强机 体免疫力。另一方面，癌细胞表面带有较正常细胞更多的负电荷，使细胞表面电 体免疫力。另一方面，癌细胞表面带有较正常细胞更多的负电荷，使细胞表面电 荷不平衡，导致癌细胞表面粘附力下降，使癌细胞较正常细胞更易发生转移；癌 细胞表面上的特异体与血管内壁细胞表面的接触分子结合后进入血管，与血液接 触分子结合而移动，从而与其它部位接触分子结合，粘附形成病灶，壳聚糖与细 胞接触分子结合，封闭毛细血管内壁，使癌细胞不能结合受体，而无法粘附、转 移、从而达到治疗和预防癌症的目的钟。 另一种说法是，癌细胞表面比正常细胞表面的阴电荷要高的多，造成细胞表 面电荷不平衡，于是使细胞之间黏附力下降，组织遭破坏。而聚阳离子电解质能 吸附到癌细胞的表面而使电荷中和，抑制癌细胞的生长和转移l l 。 壳聚糖还可用做癌症病人化疗的保护剂，因为壳聚搪能吸附化疗中产生的多 种有害物质，形成人体不能吸收的复合物而排出体外，起到减少化疗副作用的效 果。壳聚糖还可作为药物缓释剂，将抗癌药物附载到壳聚糖上，减缓药物释放速 度，延长药物释放时间，增强药效、降低毒性。 1 2 3 2 防治心脑血管疾病中的作用 体内过高胆固醇含量会导致其在血管内壁形成堆积物，引起动脉粥样硬化， 血管变窄、血流不畅或毛细血管变脆，引起血压升高、血管易破裂出血，给人体 带来严重的危害。胆汁酸做为胆固醇在肝脏内转化生成的消化液，在胆囊中存储， 壳聚糖可与胆汁酸结合并排出体外，为了保持胆囊中有一定的储量，胆固醇在肝 脏中加速转化生成胆汁酸，从而大大减少了进入血管中的胆固醇的含量。另一方 面，脂肪消化需要肠胰脂酶以胆汁酸盐做乳化剂，胆汁酸盐将脂肪中大油样变为 小的乳糜微粒，增加了脂肪酶与脂肪的接触面积，促进脂肪被消化成为甘油一酯、 脂肪酸、甘油等易被吸收的物质，壳聚糖与胆汁酸结合，可以阻止脂肪的消化从 而减少人体对脂肪和胆固醇的吸收，降低体内胆固酵的含量j 。 现在医学界对高血压的发病原因有一个正确的认识，研究证实，体内的c i 。 作为激活剂活化了血管收缩肤转换酶，促进血管收缩素原a c e 转化为活化的a c e i i ，a c e i i 一方面促进醛酮的分泌，使体内n a + 、h 2 0 血容量增加，血压升高， 另一方面增加末梢血管的收缩力，致使血压升高。壳聚糖的一n h 2 可与c l + 结合， 脱除掉体内多余的c l ，防止高血压的发生。 1 2 3 3 在防治糖尿病中的作用 壳聚糖独特的化学结构使其能通过多种途径抑制血糖的升高。首先，壳聚糖 的化学结构与纤维素相似，因此壳聚糖也具有膳食纤维的某些特性，壳聚糖在肠 液中能发生膨胀溶解，成凝胶状，增加胃腹饱胀感，减少食物摄入量，而且壳聚 4 糖凝胶增大了肠液的粘稠度，降低葡萄糖向肠壁的扩散速度；另一方面壳聚糖吸 附葡萄糖，降低其在血液中的浓度，抑制淀粉酶的催化活力，延长酶作用于淀 粉的时间，减缓葡萄糖的释放。其次，人体胰岛素的活性与p h 值有关，糖尿病 人的体液呈酸性，胰岛素的敏感性降低，壳聚糖在胃中形成的正电荷阳离子可使 胃肠p h 值升高0 5 个单位，将胰岛素的敏感性提高约1 5 0 ，大大提高胰岛素的 利用率；壳聚糖还可调节内分泌系统，促进胰岛细胞恢复功能，使胰岛素分泌量 趋向正常，维持血糖正常代谢。第三，壳聚糖在胃肠道内形成胶体，作用于胰岛 素受体，使其增强敏感性，抑制血糖升高，改善尿糖，还可减轻对胰岛素分泌的 刺激和芦- 细胞的负担。第四，壳聚糖还可强化肝脏功能，调节血糖平衡，壳聚糖 通过降低胆固醇和脂肪含量，防止形成脂肪肝和肝炎，并能够修复肝细胞，强化 肝机能。增强糖的贮存能力，达到调节血液葡萄糖浓度的目的。另外，壳聚糖对 糖尿糖引发的并发症也有一定的治疗预防作用【1 2 】。 1 2 3 , 4 对消化道疾病的作用 壳聚糖在胃酸中膨胀溶解可形成胶状液，附着在胃壁上形成保护膜，可防止 胃酸对胃肠壁粘膜的刺激，还可减少对已损伤面的刺激，有利于损伤面的修复， 因而对胃溃疡和十二指溃疡有极好的防治作用。另外，壳聚糖还可调节消化道内 细菌的分布，可提高二裂菌的生长速度，二裂菌在肠内存在可以抑制其它类型微 生物的生成；壳聚糖对有害菌如白色念珠菌、大肠杆菌、霉变细菌等均有很好的 抗菌抑菌性；此外，壳聚糖还可以调节人体有益菌双歧杆菌和乳酸杆菌的数量， 并且产生消化乳糖所需要的乳糖酶。壳聚糖对人体代谢产生的有害物质如氨、胺、 吲哚、硫化氢等以及摄入体内的重金属离子、放射性元素等均有良好的鳌台吸附 功能，可吸附脱除掉这些有害物质，对人体起到保护作用。壳聚糖还可作为锌、 铁、钙、镁、锰等人体健康必须的微量元素的载体；低聚壳聚糖还可抑制导致牙 虫形成的非水溶性葡聚糖在牙齿表面上的附着，起到防治龋齿、治疗牙周炎和牙 靓炎的作用l ”j 。 1 2 3 5 在医药材料中的应用 壳聚糖具有生物可降解性。生物相容性、无毒、能促进伤愈合、消炎、止血、 杀菌抑菌、成膜性和高通透性等良好的性质，因此可将壳聚糖制成一些医用材料 用于临床治疗。壳聚糖制成的医用敷料如无纺布、纱布、绷带、止血棉、薄膜等 对治疗烧、烫伤病人可止血、消炎、减轻伤口疼痛、促进组织生长、加速伤口愈 合、氧渗透性好有利于伤口，而且愈合后的创砸与正常组织相似，无疤痕。用壳 聚糖制备的人工皮肤粘着性好，便于表皮细胞长入，具有镇痛止血功能，可促进 伤口愈合，愈合后不发生粘连；用壳聚糖作基体大量培养表皮细胞，将其贴于深 度烧、创伤表面，有助于新生真皮生成。另外，还可以制备不同的壳聚糖来控制 这些产品的生物降解速度，达到最佳的治疗效果。壳糖膜对尿素、肌着等小分子 有机物有很好的通透性，但对n a + 、k + 等无机离子及血清蛋白不透过，因此以壳 聚糖膜作为人工肾膜可以净化血液以维持慢性肾衰竭病人的生命1 “。 1 2 3 6 壳聚糖作为药物缓控释辅料 壳聚糖具有生物粘附性和多种生理活性，且其生物相容性好、毒性低、不溶 血，可被体内溶菌酶、胃蛋白酶等多种酶生物降解，降解产物无毒且能被生物体 完全吸收，因而适合作药物缓控释辅料。研究表明【l ”壳聚糖能有效地增强亲水性 药物如肤和蛋白质通过鼻腔和肠上皮的吸收，壳聚糖可通过打开分子间的紧密结 合，增加小肠上皮细胞间的渗透从而增加肤类药物在小肠的吸收；壳聚糖的用量、 脱乙酰度和分子量大小对药物的吸收性能有较大的影响，当壳聚糖用量和分子量 增加，药物的吸收速率减慢：壳聚糖还可增加某些难溶性药物在溶剂中的溶解度， 提高药物与吸收部位的接触时间，提高药物的生物利用度。壳聚糖可以微粒的形 式将药物包埋在其中，或将药物、壳聚糖及其它成分压制成片，也可以将壳聚糖 与交联剂作用，做成敏感性水凝胶和膜剂用于缓控药物的释放。另外，对壳聚糖 进行结构修饰，改变其在不同介质中的溶解性，提高壳聚糖药物缓释体系的靶向 性，提高药物的药效，减少药物用量，减轻药物给病人带来的副作用i l 。 1 2 4 在农业上的应用 1 2 4 1 植物病害的防治 壳聚糖可以诱导植物产生广谱抗性【l ”，增强植物自身的防卫能力，抑制多种 病源微生物的生长。壳聚糖还可以诱导植物产生抗性蛋白，包括植物抗毒素、几 丁质酶、壳聚糖酶，伊1 ，3 葡聚糖酶等。植物抗毒素是一种低分子量化合物，如 类黄酮，具有明显的抗微生物活性，对植物有保护作用：而几丁质酶、壳聚糖酶 和1 ，3 葡聚糖酶这些酶的底物几丁质、壳聚糖和葡聚糖是真菌细胞壁的主要组 分，几丁质酶，特别是在肛l ，3 葡聚糖酶的共同作用下可在体外抑制真菌的生长。 壳聚糖可以诱导植物产生木质素、愈创葡聚糖的形成。木质素是由多种苯基 类丙烷醇缩合而成的多聚物，是植物维管组织次生细胞壁的主要组分，决定细胞 壁的强度和刚性，它本身抗微生物的降解：愈创葡聚糖是一种富含伊l ，3 葡萄糖 的多糖，在植物受到病原微生物侵害时，常在细胞间沉积愈创葡聚糖，从而将受 菌感染的部位与正常的细胞分割开，形成物理屏障，而起到抗病作用。 壳聚糖还可以改变植物的酚类代谢。壳聚糖诱导细胞中酚类组成迅速变化， 如苯丙烷、香豆酸和绿原酸等都明显增加。酚类即是杀菌物质，又是木质素的前 体，所以植物体内酚类增多，不但自身可以抗病，而且还可促使病原侵染处木质 化，因而使植物抗病能力增强。 壳聚糖本身还对植物病原微生物有直接的抑制作用。研究发现，壳聚糖对大 多数真菌都有一定的抑制作用。 壳聚糖还对植物病毒、类病毒有抑制作用。壳聚糖的抗病毒作用是通过宿主 细胞实现的，且壳聚糖的聚合程度越高，其抗病毒作用也越强，但与其脱乙酰度 关系不大，而脱氨基壳聚糖对t m v ( 烟草花叶病毒) 的抑制作用比未经修饰的壳聚 糖聚合物强。 1 2 4 2 新型植物生长调节剂 壳聚糖可以促进植物生长，提高种子发芽率。提高产量和抗病性。裘迪红等 人【l b l 的研究发现，用壳聚糖处理水稻、玉米，出芽率和产量都明显上升；用水溶 性壳聚糖处理冬小麦种予，可促进小麦生长，增加分孽和有效穗数小麦的品质 也有踞显提高，并可抑制小麦纹枯病的发生；处理马铃薯，也可明显增产f 1 9 】。 1 2 5 在化妆品上的应用 1 ，2 5 1 添加到护肤品中 壳聚糖所具有的优良的保湿增湿性能、成膜功能、良好的透气性能使得它在 化妆品上也有许多应用。壳聚糖与人体皮肤中存在的透明质酸相似，其保湿增湿 效果比传统的保湿剂( 如透明质酸、甘油、乳酸钠等) e l q 【2 们，并且没有任何刺激 性，在护肤化妆品中添加一定量的壳聚糖，既可以防止化妆品中水分的逸失，使 用后又可以调节皮肤表面的水分，从而起到增湿保湿作用。 壳聚糖可在皮肤表面形成一层膜，可阻断或减弱紫外线对皮肤的伤害，而且， 壳聚糖良好的透气性又不影响皮肤排泄废物和毒素，本身所具有的抑菌作用还会 抑制或杀死皮肤表面的有害微生物，不会形成粉刺。壳聚糖还有刺激皮肤细胞再 生的作用 2 1 1 。 因为低聚壳聚糖分子较小，更易于被皮肤吸收，促进血液循环，因此，添加 低聚壳聚糖的护肤产品可以通过毛孔直接渗透到皮肤内部，甚至是细胞内部，起 到调理、保护、滋润皮肤的作用【2 2 1 。 1 ，2 5 2 用于洗发护发品中 壳聚糖的有机酸盐是阳离子电解质，溶于水，有增粘、保温、抗静电作用。 壳聚糖制得的摩丝，涂抹在头发上形成一层薄膜，硬度适中且不发粘，该摩丝具 有与头发亲和性大、无异味、无副作用，抗静电效果好，更易于头发梳理、定型， 美观光泽 2 3 1 。 1 3 壳聚糖的降解研究现状 近年来的科学越来越表明低聚合度、且分子量尽可能均一的壳聚寡糖在具有 更佳的生物利用度，在生物医学等诸多领域有着广泛的应用前景。然而，目前对 相对单一分子量( 窄分子量分布) 的优质壳聚寡糖在制备上还存在困难，难以满 足市场的需求。因此怎样制备低分子量壳聚糖成为目前学术界研究和关注的热 点。各国科学工作者提出了许多行之有效的降解方法并予以实施，取得了一批令 人瞩的成果。目前，按壳聚糖降解机理主要分为两大类：1 ) 特异性降解机理： 主要有酶降解法( 包括专一性和非专一性酶) ，2 ) 非特异性降解机理，有酸降解 法，氧化降解法和外场辅助降艉法等方法。 1 3 1 酶降解法 酶解法采用某种对壳聚糖具有生物活性的酶对壳聚糖进行降解，制取低聚壳 聚糖，能降解壳聚糖的酶可分为专一性酶和非专一性酶。专一性酶有几丁质酶、 壳聚糖酶；对壳聚糖具有降解作用的非专一性酶目前发现的将近4 0 种，如蛋白 酶、脂肪酶、溶菌酶等【2 4 。2 9 1 。酶降解是在较温和的条件下进行的，过程中没有其 他反应试剂的加入，不发生其他副反应，对环境污染较少；酶降解的过程和降解 产物的分子量分布也相对容易控制。 1 3 1 1 壳聚糖酶 壳聚糖酶主要存在于真菌细胞中。该酶对胶态甲壳素不水解，但是能降解完 全脱乙酰化的壳聚糖，其对壳聚糖具有水解专一性，可以将壳聚糖有效控制降解 为聚合度为6 8 的寡聚糖：p e r k i n s 等 30 】利用芽孢杆菌属s p 7 - m 株得到的壳聚 糖酶进行降解反应，成功地得到了二至五糖的低聚壳聚糖。由此可见，壳聚糖酶 对于壳聚糖的降解有明显作用。在制备聚合度较小的低聚壳聚糖时有着它的优越 性。 1 3 1 2 木瓜蛋白酶 木瓜蛋白酶是一种反应活性较高的蛋白酶，其来源丰富、价格便宜，故研究 其对壳聚糖的降解活性具有较好的实用意义。苏畅等人 3 1 】，用木瓜蛋白酶降解壳 聚糖，结果表明：木瓜蛋白酶在温度4 0 u 4 5 ，p h 4 0 5 0 和酶用量o 5 1 0 范围内，对壳聚糖的降解将随酶用量的增加而加快，但随脱乙酰度的升高而 减慢，适合作用于数均分子式量在5 2 0 万的壳聚糖。 1 3 1 3 脂肪酶 脂肪酶是作用于水一一有机界面上不溶性物的脂酶。最近几年，脂肪酶对于 壳聚糖的降解反应已引起许多研究者的兴趣，夏文水1 3 2 等使用麦胚脂肪酶对壳聚 糖及其衍生物的水解作用进行了研究。麦胚脂肪酶在微酸性条件下能非常有效地 使壳聚糖及其衍生物降解，这种酶能在几分钟内快速降低壳聚糖粘度，使壳聚糖 平均分子量降低，形成无任何偏向的分子量组分。 l ，3 1 4 其他非专一性水解酶 除了木瓜蛋白酶、脂肪酶、溶菌酶外，还有一些对壳聚糖具有良好的催化水 解的非专一性水解酶，如肮酶、胃蛋白酶、无花果蛋白酶等3 3 。34 1 。l i a o 等报道从 猪胃粘膜和杆状细菌提取物所得的粗蛋白水解酶可以促进壳聚糖的水鳃，反应中 溶液粘度降低和乙酸盐溶液中还原糖的增加证实了这点。由粗胃蛋白酶水解所得 的主要壳聚糖的分子量大约为3 0 k d a ，而由杆状细菌提取物所得的粗蛋白水解酶 降解所得的壳聚糖主要是壳聚糖，壳聚糖寡糖的组份为壳聚二糖至壳聚四糖，和 一些具有较长链的壳聚寡糖。 总的来说，酶降解法制备低聚水溶性壳聚糖的研究是非常有意义和发展前景 的。特别是由此能得到较高收率的六至八糖更是在食品及医药方面有着广泛的用 途。但是，酶的获取、纯化、固定化以及如何将酶与降解所得壳聚寡糖分离等都 存在困难，而且工业生产中酶容易失活等原因造成了生产成本非常高。 1 3 2 酸