（纺织工程专业论文）甲壳素的生物脱乙酰技术研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

摘要 甲壳素的生物脱乙酰技术研究 摘要 当今社会，绿色纺织品已是纺织研究的热点之一，因而研究开发 新的绿色环保浆料，进一步减小浆料的化学污染，也逐步为纺织界所 重视。甲壳素及其衍生物被公认为是绿色高分子材料，它在环保、食 品、日用化工、医学领域和纺织工业等方面有着非常广泛的应用。其 衍生物壳聚糖溶液对纺织纤维有着良好的粘附性和亲和力，可用作纺 织经纱的上浆剂，适用于棉、毛以及化学纤维。这种来自天然的高分 子物质完全符合环保要求，其优良的性能使其可被开发为新一代绿色 浆料。目前，壳聚糖的制备大多采用化学的方法即浓碱热解法。但是 这种方法生产的壳聚糖质量不高，且容易造成能源的浪费和对环境的 污染。利用生物的方法可避免这些问题，而且可以制备出性能独特的 高质量壳聚糖产品。因此本文对利用甲壳素脱乙酰酶对甲壳素进行生 物脱乙酰工艺进行研究，从菌种培养、发酵以及所产酶的检验筛选、 优化及甲壳素脱乙酰工艺条件等方面进行试验研究，得出了生物脱乙 酰的最优工艺技术。 本文从对产酶菌种的培养开始着手，对两种所购菌种进行恢复培 养和筛选培养，观察了菌落的形态，通过培养基的显色反应检验出有 甲壳素脱乙酰酶活力的菌株，并用摇瓶发酵培养产生甲壳素脱乙酰 酶。为了提高产脱乙酰酶的酶活，研究了各培养条件p h 、碳氮源、 金属离子的添加、温度以及时间等对产酶的影响。通过单因子试验， 摘要 得出液体培养的最佳条件：当初始p h 值为6 5 ，添加可溶性壳聚糖 作为碳源，添加蛋白胨、酵母粉等作为有机氮源，辅加金属c 矿， 发酵温度3 1 3 3 ，培养时间9 6 小时，所产甲壳素脱乙酰酶的酶活 相对较高。其中蓝色犁头霉所产酶活达到0 3 5 5 u n l l ，构巢曲霉所产 l t 。 酶活达到0 3 8 6 u m l 。 本文还对发酵产生的粗酶液作用于经过降解后的甲壳素的脱乙 酰效果进行了研究。以构巢曲霉产生的脱乙酰酶作用于降解后的甲壳 素为研究对象，研究工艺条件p h 值、温度和时间等对脱乙酰效果的 影响，主要以对脱乙酰度的影响为判断标准，以粘度作为辅助指标。 通过正交化设计试验，找出了最优的工艺条件，生产制备出脱乙酰度 为3 2 4 的壳聚糖产品。另外，本文还对制备出的脱乙酰甲壳素样品 进行红外光谱测试，也验证了甲壳素先经过降解再经酶作用后达到了 一定的脱乙酰效果。 关键词：甲壳素，壳聚糖，脱乙酰酶，生物法，酶活，脱乙酰度 a b s t r a c t s t u d yo n t e c h n o l o g yo fb i o l o g i c a l d e a c e t y l a t i o no fc h i t i n a b s t r a c t n o w a d a y s ，g r e e nt e x t i l e sa r eo n eo ft h eh o t s p o to ft e x t i l er e s e a r c h s ot h ed e v e l o p m e n to fn e wg r e e ns i z i n gm a t e r i a l sa n df u r t h e rr e d u c t i o n o fc h e m i c a lp o l l u t i o nh a v e g r a d u a l l yi m p o r t a n c ef o rt h et e x t i l e f i e l d c h i t i na n di t sd e r i v a t i v e sh a v eb e e nr e g a r d e da sg r e e np o l y m e r m a t e r i a l s ， a n dh a v ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni ne n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，f o o d ， h o u s e h o l dc h e m i c a l s ，m e d i c i n e ，a n dt e x t i l e i n d u s t r y i t sd e r i v a t i v e ， c h i t o s a ns o l u t i o nh a sg o o da d h e s i o na n da f f i n i t yt ot h et e x t i l ef i b e r s ，a n d i tc a nb eu s e da st h et e x t i l es i z i n ga g e n t s ，a n da p p l i e dt oc o t t o n ，w o o la n d c h e m i c a lf i b e r s e n t i r e l yf r o mt h en a t u r a le n v i r o n m e n t ，t h i sp o l y m e r m a t e r i a lh a si t se x c e l l e n t p r o p e r t i e s t ob e d e v e l o p e df o rt h en e w g e n e r a t i o no fg r e e ns i z i n gm a t e r i a l c u r r e n t l y , t h ep r e p a r a t i o no fc h i t o s a n m o s t l yu s e sc o n c e n t r a t e da l k a l is o l u t i o nt h a ti s ap y r o l y s i sm e t h o d h o w e v e r , t h i sm e t h o dd o e sn o tp r o d u c et h eh i g h q u a l i t yc h i t o s a n ，a n di t i sa l s oe a s yt oc r e a t eaw a s t eo fe n e r g ya n dr e s u l ti nt h ee n v i r o n m e n t p o l l u t i o n u s eo fb i o l o g i c a lm e t h o d sm a ya v o i dt h e s ep r o b l e m s ，b u ta l s o p r o d u c eh i g h q u a l i t yp r o d u c t sw i t hu n i q u ep r o p e r t i e s t h i sp a p e rs t u d i e s t h ep r o c e s s e so fb i o l o g i c a ld e a c e t y l a t i o no fc h i t i nd e a c e t y l a s e ( c d a ) o n c h i t i n ，f r o mc u l t i v a t i n gb a c t e r i a ，f e r m e n t a t i o n ，t e s t i n ga n ds c r e e n i n g ，a n d o p t i m i z a t i o no fp r o d u c i n gc o n d i t i o n so fc d a , t ot h et e c h n i c a lc o n d i t i o n s o fc h i t i n d e a c e t y l a t i o n ，a n d r e a c ht h e o p t i m a l c r a f t t e c h n o l o g y o f b i o l o g i c a ld e a c e t y l a t i o na tl a s t b a s e do nt h er e s u m p t i o nt r a i n i n ga n ds c r e e n i n gt r a i n i n go ft w o s e l e c t e de n z y m ef u n g i ，c o l o n ym o r p h o l o g yi so b s e r v e d a n dt h r o u g ht h e c o l o rr e a c t i o no fs o l i dm e d i u m ，t h ef u n g iw i t hc d a a c t i v i t y c a nb e d e t e c t e da n ds t r a i n e d ，a n dt h e nc d ac a nb e p r o d u c e db yl i q u i d f e r m e n t a t i o nm e d i u m s i no r d e rt oi m p r o v et h ed e a c e t y l a s ea c t i v i t y , t h e c u l t u r ec o n d i t i o n so fp h ，c a r b o na n dn i t r o g e ns o u r c e s ，a n dt h ea d d i t i o no f m e t a li o n s ，t e m p e r a t u r ea n dt i m eo nt h ei m p a c to fe n z y m ep r o d u c t i o na r e s t u d i e d b ym w a n s o fs i n g l e f a c t o re x p e r i m e n t s ，t h eb e s tl i q u i dc u l t u r e c o n d i t i o n sa r e ：w h e nt h ei n i t i a lp hv a l u eo f6 5 ，a d d i n gs o l u b l ec h i t o s a n a sac a r b o ns o u r c e ，p e p t o n ea n dy e a s tp o w d e ra sa no r g a n i cn i t r o g e n s o u r c e ，a d d i n gc 0 2 + ，t h ef e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u ro f31 3 3 c ，i n c u b a t i o n t i m eo f9 6h o u r s u n d e rt h ec o n d i t i o n ，t h ep r o d u c i n gc d a a c t i v i t yi s r e l a t i v e l yh i g h a b s i d i ac o e r u l e ap r o d u c i n ge n z y m ea c t i v i t y r e a c h e d 0 3 5 5 u m l ；a s p e r g i l l u sn i d u l a n sr e a c h e d0 3 8 6 u m l t h ep a p e ra l s os t u d i e st h ee f f e c to ff e r m e n t e de n z y m ei nt h er o l eo f d e a c e t y l a t i o no fd e g r a d e dc h i t i n t a k et h e 。c d ao fa s p e r g i l l u sn i d u l a n si n t h ed e a c e t y l a t i o no fd e g r a d e dc h i t i na st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h ec r a f t c o n d i t i o no fp hv a l u e ，t h et e m p e r a t u r ea n dt h et i m eo nt h ee f f e c to f 4 d e a c e t y l a t i o n a r e s t u d i e d ，m a i n l yt h ed e g r e eo fd e a c e t y l a t i o n a st h e j u d g i n gc r i t e r i aa n dt h ev i s c o s i t ya sas u p p l e m e n t a r yi n d e x t h r o u g ht h e o r t h o g o n a ld e s i g ne x p e r i m e n t ，t h eo p t i m a l p r o c e s s c o n d i t i o n sa r e i d e n t i f i e d t h ed e a c e t y l a t i o no ft h ec h i t o s a np r o d u c tw i t hd e g r e eo f d e a c e t y l a t i o n3 2 4 c a nb ep r e p a r e da n dp r o d u c e d i na d d i t i o n ，t h ep a p e r a l s oc a r r y so nt h ei n f r a r e ds p e c t r u mt e s to ft h ep r o d u c e ds a m p l e t h e e n z y m ea c t so i lt h ed e g r a d e dc h i t i nw i t hc e r t a i nd e a c e t y l a t i o ne f f e c t ，a n d t h es t r u c t u r eo ft h ep r o d u c ti sf a i r l yc l o s et oc h i t o s a n w a n gx i n g ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) 一一，一一- s u p e r v i s e db yp r o f g u oj i a n s h e n g k e yw o r d s ：c h i t i n ，c h i t o s a n ，c h i t i nd e a c e t y l a s e ( c d a ) ，b i o l o g i c a l m e t h o d ，a c t i v i t y , d e g r e eo fd e a c e t y l a t i o n 5 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本入亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：3 - 癌 日期：卯夕年月3 日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密晒。 学位论文作者签名：4 - 够 日期：口声月r 日 指导教师签名： 日期：o7 年月厂日 第一章前言 第一章前言 当今社会，绿色纺织品已是纺织研究的热点之一。对经纱上浆这一环节来说， 开发新的绿色浆料，进一步减小浆料的化学污染，也逐步为纺织界所重视。甲壳 素及其衍生物被公认为是绿色高分子材料，其溶液对纺织纤维有着良好的粘附性 和亲和力，可用作经纱上浆剂，适用于棉、毛、合成纤维以及化学纤维。这种来 自天然的高分子物质完全符合环保要求，其优良的性能使其可以被开发成为新一 代的绿色浆料。 1 1 浆纱与浆料概述 经纱上浆是织造前经纱准备工作中的一个关键环节，它可以改善经纱可织 性，使其在织造时能承受织机上强烈的机械作用。上浆效果的好坏直接影响到织 布车间的生产效率和产品质量。经纱上浆的主要目的是增加耐磨和贴伏毛羽。因 此对浆料的性能有一定的要求。 目前经纱上浆的浆料主要有淀粉浆料、聚乙烯醇( p v a ) 和丙烯酸类浆料等三 大类。 淀粉作为经纱上浆的主要浆料，已经有悠久的历史。由于它的资源丰富、价 格低廉、环境污染较低等特点，使其在各种浆料中占据着最大比例。它对亲水性 的天然纤维有较好的粘附性，并具有一定的成膜能力，基本上能满足天然纤维的 上浆要求。但其上浆性能不令人十分满意，所以常需要添加各种辅助浆料加以弥 补。为了改善其上浆性能，扩大使用范围，经常运用物理或化学的方法使淀粉变 性，得到变性淀粉。 p v a 是聚乙烯醇( p o l y v i n y la l c o h 0 1 ) 的简称，是由聚醋酸乙烯通过甲醇钠作 用，在甲醇中进行醇解而制得。它是一种典型的水溶性高分子化合物，具有优良 的成膜性、良好的粘附性及与其他浆料相容性等特点，一度被认为是“理想 的 浆料。它在刚问世就解决了当时混纺纱的上浆难题，开始在世界范围内迅速发展 为三大浆料之。但p v a 浆料最大的问题在于它是一个很难分解的物质，不易 完全退净，且很难生物降解，因此在环保上受到了较大的限制。自9 0 年代后， 第一章前言 它已被一些国家列为禁止使用的浆料范围。 丙烯酸类浆料是丙烯酸类单体的均聚物、共聚物或共混物的总称。对合成纤 维的粘附性能优良，水溶性好，易退浆，是锦纶丝等一些合成纤维的优良上浆剂。 它是一类性能调节余地很大的实用浆料，可以通过不同单体组合和适当的聚合方 法得到所期望性能的丙烯酸类浆料，用于喷水织机和特殊织物的织造，有利于织 造高速高效化。它的缺点是浆膜软，易吸湿再粘，价格高。 今后浆料的发展方向中很重要的一个方面就是研究绿色浆料。甲壳素及其衍 生物具有良好的可降解性和生物相容性，被公认为绿色高分子材料之一，其溶液 对纺织纤维、玻璃纤维等有良好的粘附性和亲和力，可作为纺织经纱上浆剂，适 用于棉、毛、合成纤维以及化学纤维，且上浆剂用量少，上浆后的纱线织成的织 物硬挺度高、厚实、耐洗，并且有利于后续加工，如提高染料上染率和匀染性， 提高染色牢度，还可改善织物的抗折皱、抗静电和抗菌性能。2 0 世纪6 0 年代我 国曾用其作为经纱上浆的浆料使用，今后在纺织纤维上浆中将有很大的潜力【。 1 2 甲壳素和壳聚糖的研究概况 1 2 1 甲壳素和壳聚糖的结构和性质 甲壳素在自然界的储藏量仅次于纤维素。1 8 1 1 年，法国科学家h b r a c o n n o t 发现，当他用水、乙醇和稀碱反复处理蘑菇时，最后能得到一些呈纤维状的白色 残渣，于是他就把它当作为一种纤维素，并命名为f u n g i n e ，意即真菌纤维素。 1 8 2 3 年，又一位法国科学家ao d i e r 从甲壳昆虫的翅鞘中分离出同样的物质， 他没有进一步化验此物质中是否含有氮，认为此物质是一种新型纤维素，即命名 为c h i t i n ( q a 壳素) 。到了1 8 4 3 年，法国的a p a y e n 发现c h i t i n 与纤维素不同，同 年，法国人j ll a s s a i g n e 发现c h i t i n 中含有氮，从而证明c h i t i n 不是纤维素。 1 8 7 8 年，gl e d d e r h o s e 用盐酸水解c h i t i n 得到氨基葡萄糖和醋酸。1 8 5 9 年，法 国人c r o u g e t 将c h i t i n 放在浓k o h 溶液中煮沸，洗净后可溶于有机酸中，1 8 9 4 年，eh o p p e s e i l e r 把这种化学修饰过的c h i t i n 叫做c h i t o s a n ( 壳聚糖) 。 甲壳素是又称甲壳质、几丁质、蟹壳素和壳多糖等，是自然界中除蛋白质外 数量最大的含氮天然有机高分子物质，又是蕴藏量仅次于纤维素的有机再生资 源，广泛存在于甲壳动物和节肢动物以及细菌细胞壁中，被欧美学术界誉为继蛋 第一章前言 白质、脂肪、糖类、维生素和无机盐之后的第六生命要素。它的化学名称是 ( 卜4 卜2 - 乙酰氨基一2 一脱氧一b d 一葡萄糖，是由n - 乙酰氨基一胪葡萄糖单体通过 b - 1 ，4 糖苷键连接而成的直链高分子化合物( 见图1 1 ) 。甲壳素是白色或灰白色无 定型、半透明固体，相对分子质量因原料不同而有数十万至数百万，但因其分子 内部的结晶结构和很强的氢键作用导致形成胶态分子团结构，所以它在水、稀酸、 稀碱、浓碱以及一般的有机溶剂中很难溶解，高温下也不熔化，只溶于浓的盐酸、 硫酸、磷酸和无水甲酸，但同时主链发生降解，因而限制了它的应用和发展。 甲壳素脱乙酰化产物壳聚糖，又名甲壳胺、脱乙酰甲壳素，是一种较易 处理的物质。它的化学名称是( 卜4 卜2 一氨基- 2 - 脱氧一b d 卜葡萄糖，是生物界中大 量存在的唯一的碱性多糖( 见图1 2 ) 。壳聚糖也是白色无定型、半透明、略有珍 珠光泽的固体，因原料不同和制备方法不同，相对分子质量也从数十万至数百万 不等，不溶于水和碱溶液，可溶于稀的盐酸、硝酸等无机酸和大多数有机酸，不 溶于稀的硫酸、磷酸。在稀酸中，壳聚糖的主链也会缓慢水解，溶液的粘度逐渐 降低1 2 l 。由于壳聚糖分子中有大量的游离氨基，分子带正电荷，且分子内存在 c _ 3 和c - 6 羟基基团以及c 一2 氨基等基团，易于对其进行各种化学修饰，使反应 活性大大增加。因此，壳聚糖在食品、纺织、医疗、保健、印染、化妆品、废水 处理等领域具有广泛的应用价值，具有很大的产品开发和市场推广能力。 c h 2 0 h o c h 2 0 h c = o i c h 3 宁h 3 c = o i n h c h 2 0 h 图1 - 1 甲壳素的分子结构示意图 c h 2 0 h g h 3 h 图1 2 壳聚糖的分子结构示意图 h 第一章前言 一般而言，n 一乙酰基脱去5 5 以上的就可称之为壳聚糖，事实上，n - 脱乙 酰度为5 5 以上的甲壳素，就能在这种稀酸中溶解。由此可见，壳聚糖与甲壳素 的差别，仅仅是n 脱乙酰度不同而已。换言之，甲壳素结构中，也有氨基葡萄 糖的糖基，壳聚糖结构中，也有n - 乙酰氨基葡萄糖的糖基。而糖链上n 乙酰基 的多少，对它们的性质具有重大的影响【3 , 4 1 。 1 2 2 甲壳素和壳聚糖的应用 甲壳素和壳聚糖具有许多天然的优良性质，如吸湿透气性、反应活性、生物 相容性、生物可降解性、无抗原性、无致炎性、无有害降解产物、吸附性、粘合 性、抗菌性和安全性等，从而被广泛应用于纺织工业、生物医学和日用环保等方 面。 ( 1 ) 在环保方面的应用 在众多优异特性中，吸附性能是其最令人瞩目的特性之一。目前甲壳素和壳 聚糖作为絮凝剂或吸附剂在废水处理中的应用研究取得了巨大的进展，其缘由主 要是常规使用的无机或有机絮凝剂，或者常用药剂量大、操作繁杂、污泥生成量 大，处理成本高；或者处理后的残留物毒性大，易造成二次污染。而甲壳素和壳 聚糖作为重金属离子的螯合剂和活性污泥絮凝剂，絮凝作用强、无毒，不会产生 二次污染，且能被生物作用分解，是一种理想的废水处理絮凝剂材料。 壳聚糖不仅能通过分子中的氨基、羟基与汞、镍、铜、铬、金、银等重金属 离子形成稳定的螯合物，还可以通过配合、离子交换等作用对染料、酚类、卤素 和蛋白质、核酸、氨基酸等非金属物质进行吸附。所以，除了废水处理，壳聚糖 还被用于净化自来水及在湿法冶金中分离金属离子等【5 1 。 ( 2 ) 在日用化工方面的应用 利用甲壳素和壳聚糖及其衍生物良好的吸湿性、成膜性、透过性、抑菌性、 抗静电性、保湿性、防尘性和活化细胞的功能，可以加工成各种洗发液、染发香 波、护发素、润发素、定型发胶摩丝及不同的护肤品、唇膏、指甲油和眉笔等1 6 1 。 壳聚糖在酸性条件下成为带正电荷的高分子聚电解质，有很强的增粘、保温、 抗静电作用，可以直接用于香波、洗发精等的配方中，是洗发剂理想的活性物质。 甲壳素分子中的氨基带正电荷，头发表面带负电荷，这种带电防止的效能可以防 4 第一章前言 止脱发，用作洗发香波，可使头发柔软顺滑，增添光泽，是目前理想的护发产品。 甲壳素可制成理想的护肤产品。由于甲壳素及其衍生物与人体皮肤中存在的 透明质酸相似，因此对皮肤具有良好的调理性，是传统化妆品无法比拟的。利用 甲壳素的保湿性、成膜性、抑菌性和活化细胞的功能制备的高级护肤化妆品，可 增强表皮细胞的代谢，促进细胞的年轻化和再生能力，保持皮肤的湿润，防止皮 肤粗糙、生粉刺，并具有减轻体臭，预防皮肤疾病发生的特殊作用【7 1 。 ( 3 ) 在食品工业中的应用 由于有良好的生物安全性，壳聚糖在食品工业上可用作食品添加剂、食物保 鲜剂、果汁脱酸剂、果汁澄清剂、保水剂、脱色剂、乳化剂、香味增补剂和功能 性甜味剂等，且在提高食品的保湿性、耐热性等方面优于砂糖，应用潜力很大。 壳聚糖作为食品添加剂多用于改善食品的风味、流动性和食品结构形状，增 加纤维含量等嗍。由于壳聚糖具有三调节( 免疫调节、p h 值调节、荷尔蒙调节) ， 三排除( 排除有害胆固醇、排除体内金属离子、排除农药及体内自由基等毒素) ， 三降( 降血脂、降血糖、降血压) 作用，因此被认为是继维他命丸、麦乳精以及卵 磷脂、螺旋藻之后的第二代保健食品1 9 l 。壳聚糖或其脂肪酸络盐可以作为脂肪清 除剂添加到食品中去，一方面它能减少人体对脂类物质的吸收，促使脂类物质排 出体外，另一方面因结合食品中的脂肪而降低了食品的热量，同时又能满足人们 对脂肪的口感要求，这种食品成了一种无副作用的减肥食品【1 0 l 。 ( 4 ) 在医学领域的应用 近年来的研究发现，甲壳素和壳聚糖不仅无毒、可被生物降解，而且具有显 著抑制真菌繁殖等多种医学功能和药理作用，作为一类无毒而有效的生物药剂应 用在医疗和卫生保健领域。产品包括吸收性手术缝合线、人工韧带、人工骨和止 血材料、医用敷料、人造皮肤、药物缓释剂、抗肿瘤等。 壳聚糖纤维制成的缝合线，在预定时间内，其相对韧度、伸长率、打结强度 等机械强度在血清、尿、胆汁、胰液中都显示了较好的适应性，尤其是经过一定 时间，壳聚糖缝合线能被溶菌酶酶解，而被人体自行吸收。因此，当伤口愈合后， 不必再拆线。同时该手术线可以用常规方法消毒和长期保存，毒性试验表明，它 在所有诱变、急性中毒、发热、溶血、皮肤反应方面都显示阴性。研究发现，利 用甲壳素优良的抗菌、消炎、抗感染作用，用其制造的纸既柔软，又消炎，是理 5 第章前言 想的医用外科手术材州1 1 l 。 壳聚糖还可用于伤口填料的配方，这种含有壳聚糖的复合物具有灭菌、伤口 愈合、吸收伤口渗出物且不脱水收缩等性质，已广泛用于医用敷料。东华大学吴 清基在这方面进行了大量研究，已成功地将壳聚糖无纺布、壳聚糖流涎膜、壳聚 糖涂层纱布等多种医用敷料用于临床，其中用壳聚糖醋酸溶液制成的壳聚糖无纺 布，透气透水性能极佳，用于大面积的烧、烫伤，效果很好【1 2 1 。 用壳聚糖或甲壳素制成的仿生膜含有一些与人体皮肤与组织相似的成分，是 制造人造皮肤的理想材料，它质地柔软、舒适，与创面的贴合性能好，无刺激性， 既透气、又吸水，不仅有抑菌消炎作用，而且具有抑制疼痛、止血和促进伤口愈 合的功能。随着患者创伤的愈合与自身皮肤的生长，壳聚糖人造皮肤能自行溶解 并被机体吸收，既不会留下碎屑而延缓伤口的愈合，相反还会促进皮肤再生。壳 聚糖人造皮肤的使用免除了常规揭除时流血多及病人的痛苦，对治疗高热创伤特 别有效。 壳聚糖不仅具有很好的生物相容性，在体内能降解并代谢，而且本身就具有 一定的抗肿瘤作用和抗细菌作用。其机理主要是由甲壳素或壳聚糖水解生成的 d _ 2 一氨基葡萄糖在体内对某些癌细胞有明显的杀灭作用，而对正常组织几乎没有 影响，因此甲壳素和壳聚糖都可作为癌症的化疗药物【1 3 】。 ( 5 ) 在纺织工业中的应用 在纺织工业上，甲壳素可作为织物的永久整理剂，使织物耐水洗，耐磨擦， 增强可染性，具有固色和增色作用，可作直接染料和硫化染料的固色剂，提高染 料对织物的染色效果，改善色调，提高色牢度，还能增强织物的坚牢度，减少经 缩率，并使织物具有滑爽光洁和挺括的外观和手感。另外，甲壳素也是无纺布的 主要原料【1 4 1 。 ( a ) 纤维 甲壳素、壳聚糖为直链型大分子，分子间力由氢键相接，其结构有序、取向 度高，可作为一种纤维资源。将壳聚糖溶于稀醋酸后，成为具有相应粘度的溶液， 然后过滤，离心脱泡纺丝成型，成为均匀纤细的长丝，成丝性能良好。用改性甲 壳素制成的纤维具有抗y 射线的能力，可用作手术缝合线，能促进伤口愈合，并 有消炎抗病毒的功效。它对蛋白质具有高度的亲和性、透气性，其使用无毒性， 6 第一章前言 且对各种细菌、真菌具有良好的抗菌防臭效果【1 5 1 。 ( b ) 抗菌整理 由于纺织品极易附着微生物，为微生物的繁殖和传播创造了条件，从而很容 易造成疾病的传播，因此对纺织品进行抗菌处理或赋予织物杀菌或抑菌的功能， 可以减弱细菌对人体的侵害。壳聚糖具有广谱抗菌性，实验证明，壳聚糖对大肠 杆菌、枯草杆菌、金黄色葡萄球菌、乳酸杆菌等常见菌种都有明显的抑制作用， 且由于壳聚糖的水不溶性，经多次洗涤后的抗菌效果也不会减弱。 壳聚糖的抗菌机理主要有两种理论。一是认为壳聚糖的抑菌性主要来源于分 子链带正电荷的圳3 + 。细菌的细胞带负电荷，带正电荷的基团与微生物细胞壁 表面的阴离子相结合，从而束缚了微生物的自由度，在表面形成的一层高分子膜 阻碍了微生物细胞内外营养物质的输送，并使微生物发生絮凝、聚沉，从而抑制 其生长能力。壳聚糖的抑菌能力受游离氨基数量的影响。二是认为低分子量的壳 聚糖分子侵入到微生物细胞内，可以阻碍微生物遗传密码由d n a 向r n a 复制， 扰乱细胞正常的生理活动，从而阻碍微生物的繁殖，最终起到抗菌的目的【1 6 1 。 试验证明，甲壳素纤维含量为2 5 的棉织物和涤棉混纺织物的染色和漂白产 品均具有明显的抗菌效果，且耐久性好。甲壳素纤维棉织物和甲壳素纤维涤棉混 纺织物对大肠杆菌的平均抑菌率分别为9 2 8 6 和9 3 2 7 ，对金黄色葡萄球菌的 平均抑菌率分别为9 9 9 2 和9 8 2 3 1 1 7 1 。经壳聚糖的醋酸溶液处理后的真丝织物， 随着壳聚糖吸附率的增加，其抑菌性也随着提高。当壳聚糖附着率为0 9 时，真 丝织物处理后微生物的繁殖量仅为处理前的1 3 0 ，具有优良的抗菌性【1 8 】。东华大 学许莹等对经壳聚糖处理后的棉织物的抗菌性进行测试，发现壳聚糖与棉织物中 的纤维素通过氢键结合，并发生一定程度的化学交联，且抗菌性随着壳聚糖分子 量的降低和脱乙酰度的增大而有所提蒯1 9 】。 ( c ) 抗皱整理 将壳聚糖溶于乙酸溶液中制成溶液，在一定工艺条件下对织物进行浸轧处 理，可提高织物的抗折皱性能。由于壳聚糖分子和纤维素分子的相似性和所带电 荷的不同性，使两者具有非常好的亲和力。经壳聚糖溶液处理后的棉织物，其折 皱回复角( 经纬向之和) 可提高到1 5 0 0 一1 9 0 0 ，且在防皱整理过程中无毒、无环 境污染，与传统的低甲醛整理剂相比，整理后的织物不泛黄，白度、强力、耐水 7 第一章前言 洗性能均较好。添加适量的柔软剂和催化剂后，还可作为永久性防皱整理剂使用， 适合对纯棉厚、簿型织物进行整理，会大大改善其抗皱性划刎。 经壳聚糖溶液与乙酸酐乙醇的混合体系处理后的亚麻织物，表面可形成一层 甲壳素整理膜，经扫描电镜分析显示该膜与亚麻纤维有很强的亲和力。由于形成 的整理膜可以增加纤维无定形区的强度，大大地提高织物的抗折皱性能，折皱回 复角可提高6 0 。7 0 【1 6 1 。此外，经壳聚糖的醋酸溶液处理后的真丝织物其折皱 回复角也可由2 3 5 0 提高到2 8 5 0 ，从而使真丝织物具有更好的悬垂性，且处理后 的真丝织物，其原有的光泽与色牢度可以保持不变i 堋。 ( d ) 抗静电整理 由于壳聚糖分子中含有删3 + ，因此与纤维相结合后能产生一定的抗静电功 能。在处理过程中加入一定的交联剂和催化剂可大大提高织物的抗静电耐久性。 其抗静电机理主要有三种说法：一是壳聚糖赋予纤维离子导电性，可使静电荷发 生泄漏；二是带正电荷的壳聚糖分子可与纤维表面所带的负电荷发生中和；三是 壳聚糖的吸湿性使纤维表面储蓄了大量的水膜，从而提高了表面的电导率【1 6 1 。 聚酯纤维经碱减量、壳聚糖涂层整理后，具有明显的抗静电效果，可将电压 降至1 6 v 。聚酯织物在用壳聚糖改性加工后，由于静电压极低，产品具有抗静电 压耐久性【3 1 3 。 ( c ) 改善织物染色性能 由于壳聚糖与纤维素具有相似的结构，很容易吸附在织物上，同时带正电荷 的壳聚糖可以提高阴离子染料的上染率和固色率。将壳聚糖的稀醋酸溶液施加在 纤维素纤维上，会减少纤维上所带的负电荷和染色过程中纤维上的负电荷对染料 色素阴离子的库仑斥力，提高染料的上染率和匀染性。用壳聚糖可使直接染料在 棉纤维织物上的上染率增加2 0 3 0 ，可很好地遮盖不成熟棉结、白星，从而获 得均匀相。此外，壳聚糖本身具有优良的吸湿透气性、反应活性、吸附性、粘合 性等，在染整的多个工序中均可应用1 2 1 1 。 壳聚糖用于染色前处理，可提高织物的吸色性能，使染色增深，从而节约染 料；用于涂料染色和印花，可作为粘合剂和固色剂；用于染色后整理，可提高织 物的染色牢度，并使织物获得一定的抗皱性、抗菌性和抗静电性。经壳聚糖处理 后的羊毛织物能消除染色中的色泽差异，提高上染率，从而起到匀染和助染的作 8 第一章前言 用【2 1 。 由于壳聚糖分子中含有大量的圳2 与o h ，可与纤维中活性基团o h 与 - n 以氢键或共价键结合，又由于壳聚糖是含氮的阴离子型聚合物，除阳离子型 染料外，几乎不会与其它染料生成不溶性沉淀。因此壳聚糖被公认为是阴离子型 染料的理想固色剂，经常用作直接染料和硫化染料的固化剂，使棉、毛及合成纤 维织物印花色泽鲜艳，经久不褪【1 6 1 。 ( f ) 经纱上浆剂 壳聚糖溶液对纺织纤维、玻璃纤维等有着良好的粘附性和亲和力，适用于棉、 毛和各种合成纤维，且上浆剂用量少，上浆后的纱线织成的织物有利于后续加工。 若用此溶液浆丝，浆丝的强力可提高2 0 。2 5 ，纺织时不易断头，不易起毛， 用这样的织物制作服装，挺括、丰满、耐濯。目前已有成功使用甲壳素作为上浆 剂与防雨浆，除了可以提高织物坚牢度外，还具有优良的防水性。 2 0 世纪6 0 年代我国曾将水溶性甲壳素作为经纱上浆的浆料使用，以代替当 时供应十分紧张的淀粉。这种来自天然的高分子物质完全符合环保要求，其优良 的性能使其具有良好的开发前景。 1 2 3 甲壳素和壳聚糖的来源和制备 ( 1 ) 甲壳素的来源和制备 甲壳素来源于节肢动物和低等植物的真菌和藻类，前者大量存在于海洋之 中，以虾、蟹产量最大，且甲壳素含量也高，极具提取利用价值。陆上的节肢动 物有蚕蛹、家蝇的幼虫蛹壳、各类昆虫等，其中蚕蛹较为集中。但最主要的来源 还是海洋生物体，即虾蟹壳。近几年，从丝状真菌中提取甲壳素和壳聚糖的研究 在国内悄然兴起。采用生物发酵法，以黑曲霉、雅致毛霉、米根霉、蓝色犁头霉 等丝状真菌为原料提取甲壳素有良好的发展前景【2 2 】。 甲壳素的提取方法归纳起来为“三脱，即脱节肢动物中的蛋白质、脱无机 盐、脱色素。由于构成甲壳的重要成分是钙质，因此制作过程首先是用稀盐酸溶 去钙质，浸泡后，碳酸钙变成氯化钙，随酸溶液排出，再经水洗、干燥、粉碎， 再用n a o h 溶液浸泡，煮沸除去虾蟹中的蛋白质。经用碱液反复处理后，得到粗 品。用高锰酸钾溶液浸泡脱色水洗，再用草酸处理得到片状白色壳质产品或粉状 9 第一章前言 产品【2 3 1 。 ( 2 ) 壳聚糖的制备 将甲壳素进行脱乙酰处理即可制得壳聚糖。壳聚糖脱乙酰度的大小直接影响 着它的物化性质及其应用。甲壳素脱乙酰基的方法常见的有化学法与生物法，目 前工业生产主要采用各种改进的化学法。 化学法就是采用高温强碱脱乙酰制备壳聚糖。化学法中影响脱乙酰度的主要 因素有碱液浓度、反应温度和时间。三因素中，当其中两个因素一定时，另一个 因素与脱乙酰度成正比，与粘度成反比。如碱液的质量分数和加热温度一定时， 反应时间与脱乙酰度成正比，与粘度成反比；反之亦然。 生物法可分为两种【2 4 1 ：一种是利用微生物发酵技术和甲壳素脱乙酰酶的作用 生物合成壳聚糖，可直接得到壳聚糖而无需单独的脱乙酰步骤，例如利用酶的自 身催化，经过菌种培养，可以从黑曲霉废菌体丝状真菌中提取出壳聚糖，还可以 用蓝色犁头酶发酵法制备脱乙酰度较高的壳聚剖2 5 捌；另一种是在甲壳素的基础 上利用甲壳素脱乙酰酶的作用制备壳聚糖。本文主要介绍后者，利用甲壳素脱乙 酰酶的作用，可制备出具有高脱乙酰度、脱乙酰程度均匀、分子量分布范围窄且 性能独特的高质量壳聚糖产品【2 7 2 8 】。 1 3 生物技术与纺织工业 1 3 1 酶在纺织行业中的应用 酶是一种高效能、高专一性、高度可变性的高分子有机生物催化剂。生物体 内的化学反应基本上都是在酶催化下进行的。 酶在纺织中的应用在我国具有悠久的历史，并且正广泛受到人们的关注。如 今纺织用酶工艺已经在很多方面得到应用，从纤维的改性和原麻的脱胶，到染整 中的退浆、精练、整理和净洗加工，以及纺织印染的废水处理等。采用生物酶对 纺织品进行加工，不但服用性能得到提高，不损伤皮肤，而且生产能耗低，废液 容易生物降解，符合生态纺织品要求1 2 9 】。如羊毛用蛋白酶整理剂对羊毛的防毡缩、 低温染色、抗起毛起球、柔软整理和生物抛光等方面起着良好的作用，与化学的 方法相比减少了废水的排放和对人体的伤害；利用淀粉酶对淀粉的分解作用的酶 退浆具有鲜明的环保特色，相比碱退浆不需要剧烈的机械作用，减少了水的用量， 1 0 第一章前言 可以在低温条件下达到退浆效果，并且对退浆后的织物损伤小，手感柔软、丰满， 光泽好，染色鲜艳【3 0 1 。 绿色环保是酶在纺织中应用的鲜明特色，符合纺织技术发展的方向，因此正 逐步得到重视。随着酶生产成本的降低，品种的日益增多和性能的趋于稳定，它 在纺织行业的应用会越来越广泛，优点也会越来越突出，具有良好的发展前景。 1 3 2 甲壳素脱乙酰酶的来源及理化性质 ( 1 ) 甲壳素脱乙酰酶的来源 甲壳素脱乙酰酶( c d a ) 是一种催化甲壳素中n 乙酰基d 葡糖胺的乙酰氨基 水解的酶。首次报道该酶是在1 9 7 4 年，a r a k iy 等在接合菌纲的真菌鲁氏毛酶 ( m u c o r 删x i i ) 培养液中发现甲壳素脱乙酰酶1 3 1 1 ；1 9 8 2 年，k a u s sh 等又从半知菌 纲的植物病原体真菌豆刺盘孢( c o l l e t o t r i c h u ml i n d e m u t h i a n u m ) 中也发现了甲壳素 脱乙酰酶，这也是首次从非接合菌中发现该酶【3 2 】。此后又陆续发现在其他一些真 菌中也可以分离得到甲壳素脱乙酰酶，如蓝色犁头酶( a b s i d i ae o e r u l e a ) ，构巢曲 霉( a s p e r g i l l u sn i d u l a n s ) 等。另外，在酿酒酵母( s a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e ) 中以及某 些昆虫中也存在甲壳素脱乙酰酶；甚至在感染了植物病原真菌葫芦科刺盘孢 ( c o l l e t o t r i c h u ml a g e n a r i u m ) 的黄瓜叶中也检验出存在c d a 【3 3 1 。1 9 9 8 年，s f i n i v a s a n 从城市污水中分离出一种产碱杆菌属的细菌a l c a l i g e n e ss p a t c c 5 5 9 3 8 ，这种菌 含有甲壳素脱乙酰酶，该细菌可以无需纯化而被直接加以利用，它在大批发酵体 系中比真菌更易生长，速度更快【3 4 1 。最近，我国的一些专业人士又从海洋泥土中 分离出产甲壳素脱乙酰酶菌株，确定该菌株为产碱属芽孢杆菌，所产甲壳素脱乙 酰酶可以不经过必要的酶的纯化就可以直接获得利用1 3 5 】。 k a f e t z o p o u l o sd 等采用三步层析法对从真菌中提取得到的甲壳素脱乙酰酶 进行了纯化，其纯化程度经聚丙烯酰胺凝胶电泳和s d s 聚丙烯酰胺凝胶电泳测 试为电泳纯。整个纯化过程总得率为1 1 9 ，纯化后甲壳素脱乙酰酶比活力为 2 9 u m g ，纯化倍数为最初提取液的9 7 3 倍【矧。 m a r t i n o ua 等对此方法进行了改进，采用免疫亲和层析法对从m u c o rr o u x i i 中分离得到的甲壳素脱乙酰酶进行了纯化。经聚丙烯酰胺凝胶电泳和s d s 聚丙 烯酰胺凝胶电泳测试，纯化程度同样达到电泳纯，但整个纯化过程只需一步。采 第一章前言 用免疫亲和层析法提取的甲壳素脱乙酰酶表现出特殊的活性，其比活力达到 1 3 3 3 u r a g ，且纯化总得率y 口3 0 ，活力及得率均大大高于传统的层析方法【3 7 1 。 ( 2 ) 甲壳素脱乙酰酶的理化性质 ( a ) 分子量 甲壳素脱乙酰酶分子量的范围大约在3 1 5