（材料学专业论文）水溶性壳聚糖衍生物在粘胶抗菌纤维中的应用.pdf

摘要 本文制备了乙胺羟乙基壳聚糖( e h c s ) 、，d 一羧甲基壳聚糖( m o - - c m c s ) 和d 一羧甲基壳聚糖( o - - c m c s ) 三种壳聚糖衍生物，优化了其制备工艺，对 其理化性质进行了系统的分析。制备了三种壳聚糖衍生物的粘胶纤维纺丝液和共 混膜，并根据抗菌性挑选了d 一羧甲基壳聚糖粘胶纤维纺丝液进行了纺丝，对 其微观结构进行了更为深入的研究。对三种壳聚糖衍生物粘胶纤维纺丝液进行 了流变行为的研究，探讨了壳聚糖衍生物抗菌剂的加入对纺丝液流变行为的影 响；又研究了共混膜的微观结构、分散状况、热力学转变、结晶性、力学性能等。 结果表明：在低剪切速率下，壳聚糖衍生物粘胶纤维纺丝液与粘胶原液的 流体特性相同，皆为牛顿流体，壳聚糖衍生物的加入降低了纺丝液的粘度，提高 了其可纺性。d 一羧甲基壳聚糖均匀的分散在粘胶纤维连续相中，而壳聚糖衍生 物的加入，没有改变粘胶纤维的热转变曲线，对粘胶纤维的热稳定性没有影响； 在共混膜中，壳聚糖衍生物的加入没有对粘胶纤维的结晶度造成大的降低，微观 形态观察和热分析表明具有良好的相容性。实验所制得的共混膜及共混纤维具有 良好的抗菌性能。纺出的d 一羧甲基壳聚糖粘胶抗菌纤维达到了相应品质的国 家标准。 关键词：乙胺羟乙基壳聚糖；彤俨羧甲基壳聚糖；俨羧甲基壳聚糖；纺丝； 共混膜；流变行为：粘胶纤维 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，e t h y l a m i n eh y d r o x y e t h y lc h i t o s a n ( e h c s ) ，a t , 0 一c a r b o x y m e t h y l a t e d c h i t o s a n ( n , o - c m c s ) a n do - c a r b o x y m e t h y l a t e dc h i t o s a n ( o - c m c s ) w e r ep r e p a r e d a n dt h es y n t h e s i sm e t h o d sw e r ei m p r o v e d t h e i rp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s w e r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y t h es p i n n i n gs o l u t i o n sa n df i l m so ft h ed e r i v a t i v e sw i t h v i s c o s er a y o n ( uw e r ep r e p a r e d , a n dt h eo - c m c s v rc o m p o u n ds p i n n i n gs o l u t i o n w a ss p i n n e dt of i b e rt e x t i l ef o ri t sa n t i b a c t e r i a la c t i v i t y ，f o l l o w e dw i t hi n t e n s i v e l y m i c r o s t r u c t u r es t u d y t h er h e o l o g i c a lb e h a v i o ro ft h es p i n n i n gs o l u t i o n sa n dt h ee f f e c t c a u s e db yt h ea d d i t i o no fc h i t o s a nd e r i v a t i v ei nv i s c o s er a y o ns o l u t i o nw a sd i s c u s s e d ； t h em i c r o s t r u c t u r e ，d i s p e r s i o ns t a t u s ，t h e r m o d y n a m i c st r a n s i t i o n ，c r y s t a l l i n i t ya n d m e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h et h r e ec h i t o s a nd e r i v a t i v e s v i s c o s er a y o nc o m p o u n df i l m s w e r es t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t e st h a ta l lt h ec h i t o s a nd e r i v a t i v e s v i s c o s er a y o nc o m p o u n d s p i n n i n gs o l u t i o n sa r en e w t o nf l u i dw i t ht h es a m ef l u i dp r o p e r t i e sa tl o ws h e a rr a t e a st h ef o r m e rv i s c o s er a y o ns o l u t i o n t h ea d d i t i o no ft h ec h i t o s a nd e r i v a t i v e st ot h e s o l u t i o nd e c r e a s e dt h ev i s c o s i t ya n di n c r e a s e dt h es p i na b i l i t i e s o - c m c sd i s p e r s e si n t h ec o n t i n u o u s p h a s e o ft h ef i b e r h o m o g e n e o u s l y ，w i t h o u ti n f l u e n c i n gt h e t h e r m o d y n a m i ct r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h e r m o d y n a m i c ss t a b i l i t yo ft h ev i s c o s e r a y o n t h ea d d i t i o no f t h ec h i t o s a nd e r i v a t i v e si n t ot h ec o m p o u n df i l m sd e c r e a s e st h e c r y s t a l l i n i t yal i t t l e ；t h em i c r o c o s m i cs u r v e ya n dt h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i ss h o w st h a t t h e yh a v eg o o dc o m p a t i b i l i t y t h et e s t e da n t i b a c t e r i a la c t i v i t i e so fa l lt h ec o m p o u n d f i b e r sa r eg o o da n dt h ep r o p e r t i e sa c h i e v et h ec o r r e s p o n d i n gn a t i o n a ls t a n d a r d s k e yw o r d s ：e h c s ，n , o - c m c s ，o - c m c s ，s p i n ，c o m p o u n df i l m , r h e o l o g i c a l b e h a v i o r , v i s c o s er a y o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：葫物月 签字日期： 叼年厂月7 e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位做作者勰隰铜 新躲 斟扬妒 l i 签字日期：卅年月7 日 签字日期：刁年月夕日 第一章绪论 1 1 抗菌织物概述 1 1 1 引言 第一章绪论 微生物在人类的生存环境中无处不在，它们在适宜的环境中生存，并通过 不同的途径传播。人体皮肤的表面经常留有脂肪质、皮屑、汗水等新陈代谢产物， 为微生物提供了极好的营养品，尤其在高温潮湿的条件下，成为微生物良好的生 存环境。微生物在皮肤表面大量繁殖，不仅会使人穿着的纤维制品发霉、变色、 脆化、降解，还可以通过皮肤侵入人体，对人体造成危害。例如皮肤表面皮肤丝 状菌的大量繁殖会侵害皮肤表层，引起湿疹、脚癣、头癣等；白色念珠菌则能引 起+ j l 鹅口疮、念珠茵性肠炎、阴道炎、膀胱炎、肾盂肾炎、支气管炎、肺炎、 脑膜炎等疾病；而金黄色葡萄球菌侵入到皮肤裂口、伤口或汗腺处，则易引起疖、 痈、新生儿先天疱疮、急性乳腺炎、脓肿中耳炎等疾病；其它如大肠杆菌侵入到 泌尿系统时能引起尿道炎、膀胱炎、肾孟肾炎等疾病【1 】。 在传递致病菌的过程中，纺织品总是一个重要媒介。如果纺织品具有杀灭 致病菌的功能，不仅减少了一个重要的传播途径，还可以阻止微生物繁殖和分解 织物上污物产生的臭味。 人们在很早以前就开始进行抗菌织物的研制与开发，1 9 3 5 年，德国人g d o m a k 曾用季胺盐处理军服来防止伤口感染。经过几十年的发展，抗菌织物逐 步转向民用商品而进入市场。近年来，随着科学技术的发展、人民生活的改善和 卫生保健意识的增强，积极开发具有抗菌保健功能的纺织品已引起国内外纺织界 的密切关注。二十世纪8 0 年代以来，抗茵卫生整理已走向稳定的发展阶段，出 现了抗菌易去污、抗菌防静电和抗菌拒水拒油等多功能产品，以及抗菌漂白一浴 法、抗菌染色一浴法等新工艺，实现了工业化生产。在这方面，欧美、日本等 发达国家发展迅速，新产品层出不穷。据有关资料介绍，自1 9 8 3 年2 月日本有 4 1 个单位发起组织纤维制品卫生加工协议以来，会员单位在1 0 年之内发展到1 0 9 个。1 9 9 0 年抗菌防臭整理产品的销售总额约为1 4 0 0 亿日元。1 9 8 7 年1 月至1 9 9 1 年的四年间，日本提出抗菌防臭加工方面的专利就有1 5 8 件。英国和法国的抗菌 第一章绪论 卫生整理在军事医疗方面也获得了广泛的应用。我国抗菌织物的研制起步较晚， 但上世纪8 0 年代以来也取得了长足的进步，中国纺织大学的a b 布就是其中的 代表作1 2 1 。 表1 - 1 日本及欧美的抗菌纤维 t a b l ei la n t i b a c t e r i a lf i b e r si nj a p a n ，e u r o p ea n da m e r i c a 1 1 2 抗菌纤维的生产方法 纺织品的抗菌加工有抗菌后整理和纺丝改性两种方法，抗菌后整理法以其 工艺简单、流程短等优点一直被广泛应用于抗菌织物的开发和生产之中，目前市 场上的抗菌织物大多由抗菌后整理法制得。已工业化的抗菌整理剂主要有有机硅 第一章绪论 季胺盐、有机氮类、卤代芳烃和铜化合物等【3 】。纺织品经过抗菌整理后具有良好 的抗茵性，大大超过了人们对抗茵织物的要求标准， 但抗菌持久性差，生产的 三废污染严重。 纺丝改性法是指用抗菌剂处理纤维，直接制得具有抗菌功能的纤维，用这 种纤维织成的织物具有较好的抗菌耐久性、耐洗涤性、耐热性和安全性。与纺丝 改性法相比，后整理法在上述几个方面都有一定程度的差距。近年来，随着人们 对抗菌织物的研究越来越深入，纺丝改性抗菌织物在抗菌纺织品中所占的比重也 稳步增加。用于纺丝改性的抗菌剂主要有无机化合物( 如：沸石、磷酸盐等) 、 与纤维配位的金属、甲壳素和壳聚糖等等。纺丝改性主要的实施方法有共混纺丝 法和复合纺丝法两种1 4 j 。 共混纺丝法是指在合成纤维纺丝过程中把抗菌剂加入到聚合物中混炼纺 丝，制成抗菌防臭纤维，有抗菌防臭涤纶、腈纶、尼纶等。主要有湿法纺丝和熔 融纺丝两种方法。前者是将合适的抗菌剂经溶解后加入纺丝原液中湿纺。后者是 将抗茵剂制成母粒与原料共混熔融纺丝。此法引入的抗菌剂，由于其均匀分布在 纤维中，所以制得的抗菌纤维及其产品具有优良的耐洗涤性能，因而抗菌效力也 就更持久，如，英国c o u r t a u l d s 公司的“考泰克纤维，是丙烯腈中含氯乙啶乙 二酸和银，采用湿纺制成；德国a k z o e n k a 公司的“蒂尔纶”，是含抗菌性泡沸 石的聚酯纤维，采用熔纺制成；美国m a n n 工业公司的“巴尔克瑞尔”，是含酚 类化合物的聚丙烯纤维，采用熔纺制成；日本有可乐丽公司的“萨尼达- - 3 0 ”、 帝人的“开米达克q ”、钟纺的“利普费莱休a ，n ”、日本合纤的“拉尔佛瑞西 n ”、日本医疗的“巴依克纶”、东丽的“泰利卡纳”等。 复合纺丝法即将抗菌剂制得的抗菌母粒和原料通过复合纺丝的方法制成皮 芯结构的纤维。以抗菌母粒为皮层，原料为芯层。此法所得的抗茵纤维，抗菌剂 只分布于纤维的皮层，因此与上面所介绍的共混纺丝法相比，所需的抗菌剂少， 从而可以减少因抗菌剂的引入对原料物理力学性能和服用性能的影响，其主要缺 点是生产技术复杂，成本较高。这种制法的代表之一是日本帝人公司开发的“利 帕尔泰”双组分抗菌、消臭p e t 纤维。具有海岛结构、镶嵌结构的复合抗菌防 臭纤维尚在开发中。 1 1 3 抗菌剂的种类 随着纺织品抗菌加工技术的不断发展，使用的抗菌剂也在不断更新，早期使 用的一些重金属化合物和一些有机抗菌剂如卤代二苯醚类、抗生素磺胺药类由于 第一章绪论 其潜在毒性，已经被淘汰。目前使用的有代表性的抗菌剂主要有以下几类： 1 1 3 1 季铵盐类抗菌剂 日本大和化学工业公司的以一苄基一，二甲基一一烷基氯化铵为主要 成份的抗菌防臭剂，能杀灭金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和肺炎杆菌。其它还有聚 氧乙烯基三甲基氯化铵、十六烷基二甲基苄基氯化铵、十八烷基二甲基氯化铵等 【5 1 。它们利用抗菌防臭剂的表面吸附作用使组织发生变化而引起细菌细胞膜损 伤。但季胺盐活性较低，抗菌持久性差，因此人们利用有机硅的反应活性，使有 机硅带有季胺盐基团，以增加其抗菌持久性，这就是下面介绍的有机硅季胺盐类 抗菌剂。 1 1 3 2 有机硅季胺盐类 日本东洋纺织公司的，t 彳才夕i t , 是有机硅季铵盐系抗菌剂的代表性制品，此 品由d o wc o m i n g 公司引进，开发为d c 5 7 0 0 抗菌剂，有效成分是3 ( - 甲氧基硅 烷基) 丙基二甲基十八烷基季胺氯化物【6 1 。此抗菌剂在使用时，其三甲氧硅烷基与 纤维表面上的羟基发生脱甲醇反应，抗茵剂通过共价键固着于纤维表面，同时有 机硅接枝聚合在纤维表面形成薄膜，因此可确保耐洗涤性，可长期保持抗菌性。 图1 - 1d c 5 7 0 0 与纤维的结合模型 f i g 1 - 1m o d e lo fc o m b i n a t i o nb e t w e e nd c 5 7 0 0a n df i b e r d c 5 7 0 0 具有广谱抗菌性，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、结核杆菌、白色 念珠菌等几十种细菌都有良好的抗菌效果，同时对人体安全，无毒副作用，其安 全性获得美国环境保护局( e p a ) 的认可。其抗茵机理是季铵盐的铵阳离子吸附 于微生物细胞表面的阴离子部分，通过硫水性相互作用，破坏细胞表层结构，使 细胞内容物外泄，丧失呼吸机能而死亡。d c 5 7 0 0 的用途十分广泛，在棉、聚酰 州 o ， 一 一 弋心 刚l o 墨 第一章绪论 胺、聚酯、聚丙烯腈等纤维和无纺布、合成皮革等材料上均有应用，是一种较为 理想的抗菌整理剂。 1 1 3 3 酚类抗菌剂 早在1 8 6 7 年，l i s t e r 就用苯酚处理伤员的绷带来防止伤口感染。近来，酚类 抗菌剂在纺织品方面的应用逐渐多起来。主要有2 ，4 ，4 一三氯一2 一羟基二苯 醚、5 ，5 一二羟基一5 ，5 一二氯一二苯基甲烷和4 一异丙基环庚二烯酚酮等。 1 1 3 4 银系无机抗菌剂 用无机载体固定银离子或其化合物制得的银系无机抗菌剂具有优异的广谱 抗菌能力和其它金属离子不可比拟的安全性，已经被广泛应用于抗菌纤维、抗菌 塑料和抗菌陶瓷的生产中。据高丽宽纪在1 9 9 9 年统计，日本有2 5 家企业生产和 销售的2 9 种无机抗菌材料，基本都是银系抗菌材料【7 】。以日本东亚合成公司推 出的银系无机抗菌剂n o v a r o n 为例，它是对新开发的抗菌剂用磷酸锆系无机离子 交换体，用银离子进行特殊处理而制成。其特征有：粒径均匀而细，没有水分； 含银率高，且有高度稳定地保持银离子的能力【8 】。 值得一提的是，我国在这一领域的研究处于世界领先水平，中国科学院化 工冶金研究所研制的以层状磷酸盐为载体的层状银离子无机抗菌剂不但具有优 异的抗茵性能，而且解决了银系抗菌剂的变色问题。将此抗菌剂以母粒的形式添 加到聚酯母粒中进行熔融纺丝，成功制得了抗菌性能优异的聚酯纤维。 1 1 3 5 光催化抗菌剂 一接触光就会发挥消臭、抗菌等功能的光催化剂最近引起了广泛的关注。 这类光催化物质在光的照射激发下可以产生电子( e 一) 一空穴( h + ) 对，并迅速 迁移到材料表面，与表面吸附的水、空气反应，如： e 一+ 0 2 一o z h + + h 2 0 一o h + i - i + 生成化学活性很高的氢氧自由基( o h ) 和超氧化物自由基( 0 2 一) 【9 】。当遇 到细菌时，直接攻击细菌细胞，将之分解、杀灭。 光催化抗菌剂中研究最多的是t i 0 2 系列抗菌剂。高温煅烧后经表面处理的 纳米t i 0 2 能满足纳米分布尺度的要求，并呈现长效、安全、无污染的广谱抗菌 性，是应用前景十分广阔的材料。日本a e r o s y l 公司已经将光催化抗菌剂应用于 抗菌性聚酯纤维的生成之中f 】o l 。 第一章绪论 1 1 3 6 天然抗菌剂 近些年来，随着保护环境、回归自然呼声的不断高涨，人工合成抗菌剂对人 体的毒副作用和对环境的污染日益被人们所重视，天然抗菌剂在纺织品抗菌加工 中的使用越来越多。已经被采用的纺织品抗菌剂有芦荟、丁香子、甘草等中草药 萃取物等。 天然高分子壳聚糖以其优异的抗菌性能成为近几年抗茵纺织品开发和研究 的重点。用壳聚糖改性纤维制造抗菌织物的报道层出不穷，目前已有壳聚糖改性 棉纤维、聚氨酯、尼龙和粘胶纤维等研究出列1 1 j 。 1 。2 壳聚糖简介 甲壳素( c h i t i n ) ，化学名称：( 1 ，4 ) 一2 一乙酰氨基一2 一脱氧一夕一d 一 葡聚糖，是一种白色无定形半透明的氨基多糖生物聚合物，是许多低等动物特别 是节肢动物如虾、蟹和昆虫等外壳的重要成分，还广泛存在于低等植物如菌、藻 类的细胞壁中。壳聚糖( c h i t o s a n ) 是由甲壳素经4 0 - - 一6 0 浓碱加热至8 0 1 2 0 。c 处理数小时，脱去一乙酰基的衍生物。化学名称：聚葡萄糖胺【( 1 ，4 ) 一2 一氨基一2 一脱氧一夕一d 一葡聚糖 。壳聚糖化学结构式为如图l 一1 所示。 0 图1 1 壳聚糖的结构式 f i g 1 1s t i u c t u r eo fc h i t o s a a 随脱乙酰化度的不同，其分子链中存在含量不同的2 一一乙酰基葡萄糖和 2 一氨基葡萄糖两种结构单元。壳聚糖是白色或淡黄色片状固体。不溶于水、乙 醇和丙酮，能溶于无机酸和水杨酸、酒石酸及抗坏血酸等有机酸，也能溶于许多 稀酸溶液中。在酸性介质中，壳聚糖的分子中的- - n h 2 基团被质子化为- - n h 3 + 离子，产生酸性溶解；而未被脱一乙酰基的甲壳素无溶解性。因此，壳聚糖的 溶解性与脱乙酰化度密切相关：脱乙酰化度在6 0 以下的壳聚糖只有部分离析溶 解于稀醋酸溶液中：脱乙酰化度为6 0 8 0 的壳聚糖呈絮凝悬浮于稀醋酸溶液 中；脱乙酰化度为8 0 以上的则以油状清澈地溶于稀醋酸溶液中。 壳聚糖具有如下一些特性：吸湿性：甲壳素的吸湿率可达4 0 0 - 一5 0 0 ，是 第一章绪论 纤维素的两倍多，壳聚糖的吸湿性比甲壳素更强；透气性：壳聚糖膜透气率可达 到7 x1 0 l l ( c m 2 s ) ；降解性：壳聚糖在浓无机酸中会降解生成氨基葡萄糖。在 水中长期放置会发生水解，葡萄糖环开环；生物活性：壳聚糖降解后生成氨基葡 萄糖，是安全的人体用材料：螯合性：壳聚糖游离氨基的邻位为羟基，有螯合二 价金属离子的作用，是高性能的金属离子捕集剂；酶固定化作用：壳聚糖的游离 氨基，可作为酶、抗原、抗体等生理活性物质的固定化载体。由于壳聚糖具有良 好的物理、化学及生物性能，分子内含有氨基和羟基，对有机溶剂稳定性极好， 容易二次加工，使壳聚糖在纺织、印染、造纸、食品、医疗、环境保护、水处理、 重金属回收等方面，具有独特而广泛的应用前景。在壳聚糖的众多性质之中，其 抗菌性在近二十年来，一直都是学术界研究和关注的热剧1 2 】。 壳聚糖具有广谱抗菌性，对几十种细菌和真菌的生长都有明显的抑制作用 【13 1 。a l l a n 等早在1 9 9 7 年，就对壳聚糖的抗菌性作了系统的研究，他提出壳聚糖 具有广谱抗菌性【l4 1 。壳聚糖的抗菌性受粘均相对分子质量、脱乙酰化度、浓度和 p h 值等因素的影响。本课题组的研究结果表明：随脱乙酰化度的增加出现极值； 粘均相对分子质量对抗菌性的影响表现为先增强后又减弱的趋势，而在m 。约为 9 1 6 1 0 4 时表现出最优的抗菌性，在p h 值为5 5 - - , 6 5 范围内抗菌性最强【1 5 】。壳 聚糖作为抗菌剂的应用，是近几年来抗菌织物开发和研究的热点，其中对壳聚糖 改性纤维制造抗菌织物的报道最多。1 9 9 2 年日本富士纺织株式会社报道了壳聚 糖混炼入粘胶纤维后，制成特性纤维c h i t o p o l y 的研究情况，并于19 9 6 年首 家正式推出含c h i t o p o l y 纤维的商品【1 6 - 1 圳。 但是壳聚糖仍不能直接溶解于水和普通有机溶剂，其应用受到很大限制。因 此，改善壳聚糖的溶解性能，尤其是水溶性，是开拓壳聚糖应用领域的重要环节。 因而人们对壳聚糖进行各种化学改性，寻求溶解性更好尤其能溶于水的衍生物， 以扩大其应用范围。 1 2 1 水溶性壳聚糖衍生物的制备发展 水溶性壳聚糖的研制方法常用的有三种：控制甲壳素的脱乙酰化条件和脱乙 酰度，可得到较高粘均相对分子质量的水溶性壳聚糖；在壳聚糖分子的主链上引 入亲水性基团或进行接枝，可以得到不同结构的水溶性壳聚糖：壳聚糖在适当的 条件下解聚而得到低粘均相对分子质量的水溶性壳聚糖。以下分别进行介绍： 1 2 1 1 控制甲壳素的脱乙酰化条件和脱乙酰度 使甲壳素在均相条件下进行脱乙酰化反应，并控制脱乙酰度在5 0 左右可得 水溶性产物，研究表吲2 0 】：脱乙酰度高于6 0 或低于4 0 的产物以及在非均相 第一章绪论 条件下控制得到的产物均不溶于水。同样，具有较高脱乙酰度的壳聚糖在温和均 相条件下进行乙酰化，控制脱乙酰度在5 0 左右也可得到水溶性壳聚糖。化学结 构分析结果表明，脱乙酰度在5 0 左右的壳聚糖的分子链中乙酰氨基和氨基呈无 规则分布。 1 2 1 2 引入亲水性基团或进行接枝 壳聚糖分子中c 2 位上的- - n h 2 和c 3 、c 6 位上一o h 均具有较强的反应活性， 在适当的条件下可进行多种化学改性，从而得到不同结构的水溶性产物。 ( 1 ) 酰化改性：在甲壳素和壳聚糖的化学改性中、酰化改性是研究得较多 的。甲壳素和壳聚糖通过与酰氯或酸酐反应、在大分子链上导入不同粘均相对分 子质量的脂肪族或芳香族酰基。酰化反应可在羟基( 0 一酰化) 或氨基( 一酰化) 上 进行。最早是用干燥氯化氢饱和的乙酐对甲壳素及壳聚糖进行乙酰化的，这种反 应较慢，而且甲壳素的降解产物很多。近年来人们一直在探索壳聚糖酰化的方法， 有在甲磺酸中进行的酰化反应的报道。如：用4 份甲磺酸和6 份乙酸酐与l 份甲 壳素在均相中的反应，4 份甲磺酸、6 份冰醋酸和计算量的乙酸酐与l 份甲壳素 在非均相中的反应。还有沸腾的壳聚糖在乙酰氯、癸酰氯或十二酰氯介质中，可 制得完全乙酰化衍生物。最近汪琴等用经碱处理后的壳聚糖与丁二酸酐在6 0 反应合成了一琥珀酰壳聚糖，结果表明一琥珀酰壳聚糖可溶于水，比透明质 酸钠有更好的吸湿性和保湿性【2 1 | 。酰化壳聚糖及其衍生物中的酰基破坏了壳聚糖 及其衍生物大分子间的氢键，改变了它们的晶态结构，提高了壳聚糖在水中的溶 解性。 ( 2 ) 醚化改性：壳聚糖碱与氯代烷基酸或乙醛酸反应，在壳聚糖的氨基上和 羟基引入羧烷基基团，得到溶于水的羧烷基壳聚糖。研究最多的羧甲基化反应， 可以得到羧甲基壳聚糖( c m c s ) 。壳聚糖分子中c 2 位上的- - n h 2 和c 3 、c 6 位上一 o h 上的氢原子均可被羧甲基取代，生成m d 一羧甲基壳聚糖、一羧甲基壳聚 糖和d 一羧甲基壳聚糖。 壳聚糖在低温下碱化，与氯乙酸反应进行羧甲基化反应，则产物为d 一羧甲 基壳聚糖；若加热到6 0 ，可得到，d 一羧甲基壳聚糖。要得到一羧甲基壳聚 糖，可使反应在酸性介质中进行，采用乙醛酸作为羧甲基化试剂，经还原得到。 利用该反应将0 一羧甲基壳聚糖再与乙醛酸缩合还原后也可得到一羧甲基壳 聚糖。该反应的特点是取代有选择性，不需要加热，可在水溶液中进行，且为均 相体系【2 2 1 。林友文、许晨等应用超声波辐射方法制备水溶性的羧甲基壳聚糖，利 用胶体滴定法测定产物中羧基含量，探讨超声波作用下，反应时间、反应温度及 反应物投料比对羧甲基化程度的影响。结果表明，在其它反应条件相同时，使用 第一章绪论 超声波辐射比使用机械搅拌提高羧甲基取代程度，反应时间缩短5 h 。徐云龙、 冯屏等【2 3 】为了提高反应产物的取代度采用微波对壳聚糖进行多次羧甲基化制得 取代度较高的产物水溶性壳聚糖。 一羧甲基壳聚糖适合于阻止组织问粘结，以其凝胶或膜用于外科伤口，由 于粘度和弹性大于血浆，可阻止血液在组织表面凝结从而阻止粘结。锌是人类必 需的微量元素之一，在人体内具有重要作用，现在己知锌是8 0 多种酶的组成成 分及激活剂，锌的缺乏将导致一系列生理缺陷，例如生长障碍、男性机能低下、 皮肤损害、食欲不振等。目前常用的补锌剂( 如硫酸锌和葡萄糖酸锌等) 对胃肠有 一定的刺激作用，且吸收率不高。而羧甲基壳聚糖具有更强的络合能力，能吸附 z n 2 + ，能开发生物多糖型补锌剂。d 一羧甲基壳聚糖具有诱导半抗原特异性抗体 的免疫功能和作为控制释放的药物载体。对应低粘均相对分子质量的一羧甲基 壳聚糖，若在c 3 、c 6 位羟基和c 2 位n 上进行磺化，其产物对m v 一1 和r l v 病毒具有抗回复活性。由于该化合物在对细胞不产生毒性的剂量下，对病毒有良 好的抑制作用。另外，d 一羧甲基壳聚糖和m d 一羧甲基壳聚糖对金黄色葡萄球 菌等有抑制灭杀的作用，对口腔变形链球菌和口腔乳酸杆菌也有一定的抗菌作 用。 ( 3 ) 烷基化改性：烷基化反应既可以发生在壳聚糖的羟基上，也可以发生 在壳聚糖的氨基上，在氨基上的反应较易进行。王爱勤等【2 4 】用不同碳链长度的卤 代烷对壳聚糖进行化学改性，制备了乙基壳聚糖、丁基壳聚糖、辛基壳聚糖和十 六烷基壳聚糖，结果表明：壳聚糖烷基化产物除十六烷基壳聚糖外都有良好的水 溶性。壳聚糖引入烷基后明显削弱了壳聚糖分子间的氢键，从而使衍生化后产物 溶于水。但十六烷基壳聚糖引入的烷基链太长，故仍不完全溶于水，甚至不完全 溶于酸性水溶液。 ( 4 ) 酯化改性：常见的酯化反应有硫酸酯化。用含氧无机酸作酯化剂，使 甲壳素或壳聚糖中的羟基形成有机酯类衍生物。硫酸酯化试剂主要有浓硫酸、 s 0 2 、s 0 3 、氯磺酸等，反应一般为非均相反应，可以发生在c 6 位与c 3 的- - o h 上，也可以发生在c 2 位上的一n h 2 上。肝素是一种带有磺酸基、羧基的极有效 的抗凝血剂，硫酸酯化的甲壳素、壳聚糖在结构上与肝素相似，因此多年来为了 合成廉价的抗凝血剂，对甲壳素、壳聚糖的硫酸醋化反应进行了广泛的研究。硫 酸酯化甲壳素或壳聚糖抗凝血性高于肝素而且没有副作用。还可制成人工透析膜 【2 5 】 o ( 5 ) 壳聚糖季铵盐：用缩水甘油三甲基氯化铵对壳聚糖进行化学结构修饰， 可在壳聚糖分子中引入季铵盐基团，制得壳聚糖季铵盐一羟丙基三甲基氯化铵。 经红外光谱分析和核磁共振分析表明：取代反应发生在壳聚糖c 2 位上的- - n h 2 。 第一章绪论 由于位阻大、水合能力强的季铵盐基团的引人，壳聚糖分子间的氢健作用被大大 削弱，取而代之的是壳聚糖与水之间的水合作用，从而使其水溶性增大。该产物 对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和白色念珠菌生长都有抑制作用；用这种壳聚糖季 铵盐衍生物制成纳米颗粒具有很好的崩解效应和缓释特性，可以用来做蛋白药物 的载体系统【z 6 。 具有良好水溶性的另一种季铵化壳聚糖产物是一三甲基色氨酸壳聚糖氯 化物( h t t c ) ，壳聚糖部分季铵化( 大约1 2 ) 的产物就具有很好的水溶性。这种壳 聚糖季铵盐对肠黏膜吸收亲水性物质有促进作用，可以用来做亲水性药物的载体 系鲥2 7 1 。 最近，l i ms h 等在h t t c 分子中又引入了丙烯酰胺甲基基团得到的壳聚糖 水溶性衍生物，具有抑制葡萄球菌和大肠杆菌和在碱性条件下可以与纤维素共价 结合的特性1 2 8 】。 ( 6 ) 糖取代壳聚糖：以壳聚糖为原科利用希夫碱的还原反应，在壳聚糖的 c 2 位氨基上引入碳水化合物取代基，合成了壳聚糖的碳水化合物衍生物，碳水 化合物包括葡萄糖、半乳糖、乳糖等。壳聚糖与乳糖反应所得的产物一( 1 一脱 氧乳糖基一1 一取代) 壳聚精衍生物可直接溶于水，且在所有p h 值范围内都可溶； 壳聚糖与葡萄糖、半乳糖的反应产物一( 1 一脱氧葡萄糖基一l 一取代) 壳聚糖衍 生物与一( 1 一脱氧半乳糖基一1 一取代) 壳聚糖衍生物都不能直接溶于蒸馏水， 但加入少量稀h c l 则立刻溶解，并且再用n a o h 调p h 任意变化溶解性不型2 9 j 。 ( 7 ) 其他：在壳聚糖分子中引入亲水基团和疏水基团，生成水溶性两亲性 化合物。它具有亲水亲油的两亲性质，无须加入活性剂即可降低水溶液表面张力， 在保持原有优良性能的同时，具有乳化、增溶和增稠等性质，避免了在复配使用 时由于相互作用而产生不良的效果。现在大部分的研究是在羧甲基壳聚糖分子中 引入疏水基团合成了一系列两亲性羧甲基壳聚糖衍生物如( 2 一羧基一3 一烷氧 基) ，丙基羧甲基壳聚糖【j 。 1 2 1 3 水溶性低聚壳聚糖的制备 壳聚糖许多特异的功能只有在粘均相对分子质量降到一定程度时才表现出 来，而相对分子质量低于l 1 0 4 的低聚水溶性壳聚糖更有着独特的、优越的生 理活性和物化性质：具有促进脾脏抗体生成、抑制肿瘤细胞生长的生理功能：可 有效地降低肝脏和血清中的胆固醇、血压、血糖和血脂；增强免疫力和抗疾病的 能力；强化肝脏功能，防止痛风和胃溃疡；促进双歧杆菌的增殖，抑制大肠杆菌 及引起肠内感染的一些其他细胞生长：抑制成人病的发生等【3 1 】。壳降糖在适当条 件下降解可制得低聚壳聚糖，若相对分子质量降至1 0 0 0 时则可直接溶于水中。 第一章绪论 目前，国内外学者提出的降解方法主要有酶降解法、氧化降解法和酸降解法。 ( 1 ) 酶降解法：酶法降解可特异性地、选择性地切断壳聚糖的多厣一( 1 ，4 ) 一糖苷键，降解过程和降解产物的粘均相对分子质量易于被控制，因而可以方便 地对降解过程进行监控，得到所需粘均相对分子质量范围的水溶性低聚壳聚糖。 目前已发现3 0 多种酶可用于壳聚糖的降解反应，从而生成各种粘均相对分子质 量的低聚壳聚糖。这些酶包括专一性水解酶如壳聚糖酶；非专一性水解酶如脂肪 酶、溶菌酶、蛋白酶、元酶、聚糖酶等。 1 壳聚糖酶 壳聚糖酶主要存在于真菌细胞中。自然界中真菌和无脊椎动物( 主要结构成 分为甲壳素) 的年产量估计高达数十亿吨，它们的降解主要由细菌和真菌分泌的 甲壳素酶来完成，或者通过脱乙酰化作用形成壳聚糖，再由壳聚糖酶来降解。若 控制一定的条件，利用壳聚糖酶对壳聚糖大分子进行降解，则可方便得到聚合度 低至2 - - 7 的水溶性壳聚糖，甚至单糖。p e r k i n s 等【3 2 】利用芽抱杆菌属壳聚糖酶对 壳聚糖进行降解，得到了低粘均相对分子质量的降解产物。t a k i g u c h i 3 3 】使用芽抱 杆菌属s p 7 一m 株得到的壳聚糖酶对壳聚糖进行降解反应，成功得到了聚合度 为2 5 的低聚壳聚糖。i z u m e 等 3 4 】以从b a c i l l u s s p n o 7 一m 产生的壳聚糖酶对脱 乙酰度为9 9 的壳聚糖在乳酸溶液中进行降解，壳聚糖浓度为5 m a s s ，p h 值 为5 4 0 ，在3 7 纯度可达9 5 以上。由此可见，壳聚糖酶是降解壳聚糖的很好 的方法，特别是在制备聚合度比较小的低聚壳聚糖时，更显出其优越性。 2 溶菌酶 溶菌酶存在于鸡蛋蛋白、人的血清及唾液中，它的天然底物为某些真菌细胞 壁中的粘肽、甲壳素以及部分一乙酰化壳聚糖。其中从鸡蛋蛋白中提取的溶菌 酶之转糖苷化能力较强，而从人的唾液中提取的溶菌酶裂解一1 ，4 糖苷键的能 力较强。傅民等【3 5 】利用溶菌酶对壳聚糖的降解作用进行了研究。结果表明，溶菌 酶在一定条件下可有效地降解壳聚糖且初始速度很快，反应1 0 m i n 即可达5 5 。 若先对壳聚糖的乙酸溶液进行适当的处理，再由溶菌酶在3 7 c 进行较长时间( 6 天左右) 的降解，则经分离可得到较高收率的二至四糖产物。 3 脂肪酶 脂肪酶是作用于水一有机界面上不溶性底物的酶。近年来，脂肪酶对壳聚糖 的降解作用己引起了不少学者的兴趣。p a n t a l e o n e 等【3 6 3 7 1 研究了不同来源的5 种 脂肪酶( 1 种来自猪胰腺和4 种来自真菌) 在p h = 3 6 时对壳聚糖的降解作用，发现 来自猪胰腺的脂肪酶对壳聚糖有强烈的水解作用( 超过壳聚糖酶的水解作用) 。通 第一章绪论 过对降解产物的粘度分析可知：在一定的蛋白质和壳聚糖比率下，粘度降低百分 率可达1 0 0 。研究还表明，一羧甲基壳聚糖更容易被脂肪酶降解，其降解速 度为壳聚糖的2 倍，说明脂肪酶对一羧甲基壳聚糖有更高的活性。 4 其他 y a l p a n i 等1 3 6 - 3 7 1 研究了胃蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶和胰液素对壳 聚糖的作用后发现，它们对壳聚糖都有明显的降解作用，其降解能力甚至超过了 壳聚糖酶和溶菌酶的降解能力。研究了在p h = 3 6 - - 4 5 ，环境温度下6 种纤维素 酶对壳聚糖的降解作用，其中有3 种( 分别来源于a s p e r g i l l u s n i g e r ， t r i c h o d e r m a i r i d e 和t r e e s e i ) 对壳聚糖有明显的降解作用，这3 种纤维素酶可使壳 聚糖的粘度下降9 3 一9 9 。 ( 2 ) 氧化降解法：氧化降解是研究得比较多的一种壳聚糖的降解方法，其 中h 2 0 2 氧化法更是有大量的文献报道，而且该法已经用于壳聚糖产品的工业化 生产。较有代表性的几种氧化降解法如下。 5h 。0 ：氧化法 将壳聚糖溶于1 的乙酸溶液中，在催化剂存在下，加入适量的h 2 0 2 溶液， 调节溶液的p h 值为3 5 进行降解反应【3 8 】；也可以在碱性溶液中反应，调节壳聚糖 溶液的p h 值为1 1 5 ，温度7 0 c 左右，分批加入一定量3 5 h 2 0 2 的溶液进行降 解反应，氧化法制备的低聚壳聚糖的均粘均相对分子质量可达到2 6 0 0 。 6h 2 0 2 一n a c l 0 2 法 在0 0 0 4 一1 0 的n a c l 0 2 及0 0 1 一3 5 0 h 2 0 2 的溶液中加入适量盐酸进 行降解反应，反应在8 0 进行u l 后，用n a o h 中和，再经n a b h 4 处理后可得到 平均粘均相对分子质量为6 0 0 的低聚水溶性壳聚糖。 7 n a b 0 3 法3 叼 利用过硼酸钠将壳聚糖在酸溶液中进行均相降解反应制得低粘均相对分子 质量的水溶性壳聚糖，确定了最佳降解条件：壳聚糖含量( 质量分数) 为6 ，氧化 剂用量0 2 5 9 ，反应温度为6 0 c ，反应时间4 h 。且降解前后壳聚糖的氨基含量没 有发生大的变化。 8h a c h 2 0 2 法 壳聚糖在h a c 介质中被氧化剂h 2 0 2 解聚，解聚速度与壳聚糖浓度、h 2 0 2 的浓度、温度及反应时间有关。通过正交实脸，得出了水溶性低聚壳聚糖的制备 第一章绪论 条件为：氧化剂与壳聚糖的比1 5 ，时间为6 h ，h a c 的质量分数l ，壳聚糖的质 量分数为5 。这种方法制备的壳聚糖的水溶性非常好，可溶成分在9 0 以上。 9 超声、超声辅助氧化法 利用微波辐射用过氧化氢作氧化剂，非均相降解高粘均相对分子质量壳聚 糖，设计了正交实验法得到结果最优反应条件为：5 过氧化氢、5 壳聚糖、微 波辐射功率约4 0 0 w 、辐射3 m i n 所得水溶性壳聚糖粘均相对分子质量为1 1 1 0 4 收率可达6 0 。而且，利用微波辐射来制备水溶性壳聚糖操作方便、快速、产率 高、实验重复性好，产品外观呈纯白粉末状【4 l j 。 近几年，有人将超声化学引入壳聚糖的降解，据报道，仅采用超声波降解， 降解7 h ，壳聚糖粘度能下降7 3 【4 2 】；采用超声波条件下n a n 0 2 法氧化降解壳聚 糖，可以大大提高降解速度，降解1 6 h ，降解效果明显1 4 3 1 。孙峰等在超声波条 件下用h 2 0 2 降解壳聚糖的方法，研究表明，在超声波条件下，h 2 0 2 降解壳聚糖 的反应能在较低温度( 3 0 ) 进行，降解反应速度提高近3 倍，且产物白度令人满 意。 ( 3 ) 酸降解法：壳聚糖很容易溶于稀酸溶液中，而要用酸对壳聚糖进行降 解反应以制备低聚水溶性壳聚糖，必须强化其反应条件。早在本世纪5 0 年代就 有人用酸对壳聚糖进行降解，得到了低聚水溶性壳聚糖。目前，已有多种以酸为 主要反应试剂的降解壳聚糖的方法。主要有盐酸、酸一亚硝酸盐、过醋酸、浓硫 酸和氢氟酸等。 1 2 2 壳聚糖及其衍生物抗菌性能的研究进展 1 2 2 1 壳聚糖的抑菌机理 近年来，人们对于壳聚糖的抑菌机理的认识已经有了长远的发展。但是，就 其确切的抑菌机理来讲至今还不太清楚，可以说是众说纷纭。可能的原因是影响 实验的因素较多。例如：实验所用的菌种的不同、采用的壳聚糖的分子质量的不 同、脱乙酰度的不同和应用不同的实验方法等都可以造成实验结果的不同。而且 人们的观察角度也有所不同，因此在抑菌机理方面还存在不同的看法。普遍认为 壳聚糖的抑菌机理有以下几种可能： ( 1 ) 壳聚糖干扰菌体细胞膜的功能，从而达到抑菌的效果。这种机制主要对 革兰氏阳性菌起主导作用。革兰氏阳性菌细胞壁主要是由肽聚糖形成的网状结构 组成，特点是厚度大( 2 0 - - - - 8 0r i m ) ，含有9 0 的肽聚糖和1 0 的磷壁酸。大分子 的壳聚祷容易形成致密的外膜，抑制了细胞膜的通透性，能够阻止营养物质进入 细菌的细胞内，因此随着分子质量的逐渐增大，其抗菌作用是逐渐增强的。而革 第一章绪论 兰氏阴性菌其细胞壁肽聚糖层较薄( 2 3r i m ) ，含量约占细胞壁总质量的1 0 ，不 含有磷壁酸。含有丰富的脂多糖，其厚度大约有8 1 0i 皿。壳聚糖容易进入到细 胞壁的空隙结构内，干扰细胞正常的新陈代谢，从而达到杀菌的目的【4 5 1 。 ( 2 ) 壳聚糖直接与菌体d n a 和m r n a 作用。l i u t 删在测试壳聚糖的抑菌能力 的实验中用f i t c ( 异硫氰酸荧光素) 来标记低分子质量的壳聚糖，并与大肠杆菌一 起培养。结果经过荧光检测发现，在大肠杆菌的细胞体内存在大量被标记的分子 质量为80 0 0u 和4 0 0 0a m 壳聚糖。推测可能是由于低分子质量的壳聚糖可以通过 渗透的方式进入到细菌的细胞体内。带有正电荷的壳聚糖与带有负电荷的d n a 发生了相互作用，影响了r n a 的转录和蛋白质的合成，从而实现了抑菌的目的。 ( 3 ) 壳聚糖激活几丁质酶，达到抑菌的目的。壳聚糖作为几丁质酶的底物，在 其大量存在的条件下，病原真菌的几丁质酶的活性可以被激发出来。对于大多数 病原真菌来讲，当壳聚糖浓度很高时，病原真菌体内的几丁质酶就被过分的表达。 从而导致了对其自身细胞壁几丁质的降解。而几丁质是真菌细胞壁的重要组成部 分，因此病原菌的细胞壁也就被损坏了，这样就达到了杀菌的效果【47 1 。 ( 4 ) 壳聚糖上的胺基起抑菌作用。王鸿等【4 8 】用不同脱乙酰度的壳聚糖做抑菌研 究，推测认为是壳聚糖上带正电荷的胺基与细菌的细胞壁结合而阻碍了细菌的增 殖。革兰氏阴性菌的细胞壁的最外层是一层较厚的类脂多糖物质，有吸附阳离子 的作用。吸附了质子化的壳聚糖后，与c a 结合的可