（应用化学专业论文）壳聚糖的化学改性及生物功能研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 甲壳素壳聚糖是一种极其重要的海洋多糖。由于其良好的生物相容性、可 降解性、无毒以及独特的物化性质和生理活性，甲壳素壳聚糖的研究在世界范 围内掀起了研究热潮。甲壳素壳聚糖及其衍生物在医药、生物、化工、轻工和 农业等各方面都展示其巨大的应用潜力。其相关的理论研究和应用探索将对糖生 物学、糖工程以及海洋药物的发展和产业化产生深刻的影响。 本文首先从糖生物学、糖工程以及海洋药物的发展的角度阐述了甲壳索壳 聚糖这一研究领域的重要意义。然后对甲壳素壳聚糖化学进行了详细的综述， 最后在这一领域的研究热点化学改性方面进行了一些初步的探索研究。本文 采用醚化和接枝改性对壳聚糖进行了多重衍生化，获得了系列水溶性好的多重衍 生化壳聚糖详细研究了壳聚糖衍生物( 羟丙基壳聚糖和羧甲基壳聚糖) 的接枝聚 合规律，并首次报道了多重衍生化壳聚糖的生物功能抗菌性和抗氧化性。主 要内容如下： 1 壳聚糖衍生物的合成与表征。采用碱性醚化法合成了壳聚糖的两种重要 的衍生物：羟丙基壳聚糖( h p c t s ) 和羧甲基壳聚糖( c m c t s ) ，并通过红外光谱 ( f t i r ) ；核磁共振( n m r ) 、元素分析以及粘度测定等对所得产物进行了详细的表 征。羟丙基和羧甲基取代主要发生在c 6 位置上，这可以从二者的f t m 图中的 1 5 9 9 c m “的n f l 2 吸收峰看出。n m r 研究表明：羟丙基的质子峰的化学位移依次 为3 ，i p p m ，5 0 5 p p m 和3 8 p p m 。羧甲基的质子峰的化学位移为3 3 9 p p m 。元素 分析计算得出h p c t s 和c m c t s 的取代度分别为0 2 5 和0 5 5 。与壳聚糖相比， h p c t s 和c m c t s 的粘度都有所降低，表明壳聚糖发生了支链化，因而对科l 度 的贡献减少了。 2 壳聚糖衍生物的接枝聚合研究。以甲基丙烯酸为例，研究了h p c t s 和 c m c t s 的接枝聚合规律。兀 氓表明：壳聚糖接枝衍生物具有壳聚糖和聚甲基丙 烯酸的特征峰。与h p c t s 和c m c t s 相比，接枝产物的水溶性有了明显的改善。 引发剂用量、单体浓度、反应时间和反应温度等对接枝聚合反应( 接枝率和接技 效率) 均有深刻的影响。通过改变上述条件可以获得接枝率不同和水溶性不同的 浙江大学博士学t 奇论文 接枝产物。 3 多重衍生化壳聚糖的制备和抗菌性。采用醚化和接枝改性合成了一系列 水溶性好的多重衍生化壳聚糖( 壳聚糖接枝衍生物) ：h p c t s - g m a s1 ，2 ，3 ， c m c t s g - m a s1 ，2 ，3 ，h p c t s g m a a sl ，2 ，3 ，c m c t s - g - m a a sl ，2 ，3 ， h p c t s g - a a s1 ，2 ，3 和c m c t s g - a a s1 ，2 ，3 。用滤纸片法、活菌计数法和光密 度法考察了壳聚糖接枝衍生物对叵c o l i 、sa u r e u s 和且s a b t i l i s 的抑菌活性。结 果表明：壳聚糖衍生物的水溶性对抑菌性起重要作用。h p c t s g - m a s3 对s a u r e g $ 的抑制作用比对叵c o l i 的作用强。c m c t s g - m a a s 对ec o l i 的抑制作用 比c m c t s g a a s 强。壳聚糖接枝衍生物的抑菌活性与其接枝率和作用浓度密切 相关。透射电镜( 狲d 的研究表明：壳聚糖接枝衍生物的抑菌作用与膜破坏机理 有关。 4 壳聚糖接枝衍生物的抗氧化性。采用化学发光法考察了壳聚糖接枝衍生 物的抗氧化活性。接枝率不同的壳聚糖接枝衍生物具有不同的清除羟基自由摹和 超氧阴离子自由基的能力，表现为具有不同的半抑制浓度i c 5 0 。h p c t s g - m a s 和c m c t s g m a s 对羟基自由基的清除能力的不同与其取代基的作用不同有关。 关键词：糖生物学，海洋药物，甲壳素，壳聚糖羟丙基壳聚糖，羧甲基壳聚糖， 醚化，f t i r ，n m r ，多重衍生化，接枝共聚，接技率，接枝效率，甲基丙烯酸， 丙烯酸，马来酸，多重衍生化壳聚糖，壳聚糖接枝衍生物，生物功能，抗菌性， 活菌计数法，光密度法。t e m ，ec o l i ，a u r e u s ，1 3 s a b t i l i s ，抗氧化性，化学 发光法，羟基自由基，超氧阴离子自由基，半抑制浓度，i c s o 浙江太学博士学位论文 a b s t r a c t c h i t i n c h i t o s a ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm a r i n ep o l y s a c c h a r i d e s c h i t i na n d c h i t o s a nh a v ea t t r a c t e dm o s ta t t e n t i o ni nt h ew o r l dd u et ot h e i rg o o db i o c o m p a t i b i l i t y , d e g r a d a b i l i t y , l o w t o x i ca n ds p e c i a l p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e s a n d b i o l o g i c a l a c t i v i t i e s ，t h e yh a v ep r o s p e c t i v ea p p l i c a t i o n si nm a n y f i e l d ss u c ha sb i o m e d i c i n e ， c h e m i c a l i n d u s t r y , l i g h ti n d u s t r y , a n da g t i c u l t u r e t h er e s e a r c ho nt h e o r ya n d a p p l i c a t i o n o fc h i t i n c h i t o s a nw i l lh a v e g r e a t e f f e c to nt h e d e v e l o p m e n t o f g l y c o b i o l o g y , g l y e o t e c h n o l o g y , a n d m a r i n e d r u g i nt h i sp a p e r , c h i t o s a nw a s m u l t i p l ed e r i v a t e db ye t h e r i f i c a t i o nf o l l o w e db yg r a f t c o p o l y m e r i z a t i o nf o rt h ef i r s tt i m e t h eg r a f tc o p o l y m e r i z a t i o no fm e t h y l a c r y l i c a c i d o n t oc h i t o s a nd e r i v a t i v e s ( h y d r o x y p r o p y la n dc a r b o x y m e t h y lc h i t o s a n ) w a ss t u d i e d t h ea n t i b a c t e r i a la n da n t i o x i d a n ta c t i v i t i e so f m u l t i p l e d e r i v a t e dc h i t o s a n sw e r ef i r s t r e p o r t e d t h em a i n c o n t e n ti ss h o w na sf o l l o w i n g ： h y d r o x y p r o p y lc h i t o s a n ( h p c t s ) a n dc a r b o x y m e t h y lc h i t o s a n ( c m c t s ) ，w h i c h a r e i m p o r t a n tc h i t o s a nd e r i v a t i v e s ，h a v eb e e np r e p a r e db ye t h e r i f i c a t i o nr e a c t i o n u n d e ra l k a l i n ec o n d i t i o n t h es t r u c t u r e so fh p c t sa n dc m c t sw e r ec h a r a c t e r i z e d b yf t i r ，1 hn i v l r ，e l e m e n t a la n a l y s i sa n dv i s c o s i t yd e t e r m i n a t i o nf r o mt h er e s u l t s o fe l e m e n t a la n a l y s i s ，t h ed e g r e eo fs u b s t i t u t i o nw e r ec a l c u l a t e da so 2 5a n do 5 5 ， r e s p e c t i v e l y c h i t o s a nd e r i v a t i v e sh a v er e l a t i v e l yl o wv i s c o s i t yb e c a u s eo fb r a n c h e d c h a i n s 1 r h eg r a f tp o l y m e r i z a t i o no f m e t b y l a c r y l i ca c i d ( m a a 、o n t oc h i t o s a nd e r i v a t i v e s ( h p c t sa n dc m c t s ) w e r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i lu n d e rd i f f e r e n tr e a c t i o nc o n d i t i o n s m a aw a s r e s p e c t i v e l yg a f f e do n t o ，h p c t sa n dc m c t sb ys o l u t i o np o l y m e r i z a t i o n m e t h o d ，i nw h i c ha m m o n i u mp e r s u l f a t e ( a p s ) w a su s e da sa ni n i t i a t o r 1 1 1 ei n f l u e n c e o fv a r i o u sr e a c t i o nc o n d i t i o n so ng r a f tc o p o l y m e r i z a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d ，s u c ha s c o n c e n t r a t i o no fi n i t i a t o r , c o n c e n t r a t i o no fm o n o m e lr e a c t i o nt i m ea n dr e a c t i o n t e m p e r a t u r e ，f r o mw h i c ht h eo p t i m u mr e a c t i o nc o n 击t i o no fg r a f tc o p o l y m e r i z a t i o n c a nb eo b t a i n e d i i | 浙江大学博士学位论文 t h eo p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o no fm a a g r 心甜o n t oh p c t s w a ss h o w na s f o l l o w i n g i s p c t s 】- 8 9 九，i a p s l 2 4 m m o i k 。，【m a a l 2 1 2 m o l l ， r e a c t i o n t e m p e r a t u r e = 7 0 c ，r e a c t i o nt i m e = 1 2 0 m i n t h eo p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o no fm a a g r a f t e do n t oc m c t s w a ss h o w na s 【c m c t s = 8 9 l ，【a p s 2 8 m o l l ，【m a a = 2 4 m o l l ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e = 6 0 7 0 0 c ， r e a c t i o nt i m e = 1 2 0 m i n t h eg r a f t e dp o l y m e r so b m i n e du n d e rt h eo p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o nh a v eg o o d w a t e rs o l u b i l i t y ，w h i c hw i l lb eh e l p f u lt ow i d et h e i ra p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do f b i o m e d i c i n e t oo b t a i nm u l t i p l e - d e r i v a t e dc h i t o s a n ，m a l e i ca c i ds o d i u m ( m a s ) w a sg r a f t e d o n t oh p c t sa t7 0 cf o r2hi na n a q u e o u s s o l u t i o nu s i n ga m m o n i u m p e r s u l f a t ef a p s ) a sa ni n i t i a t o r t h eg r a r e dc o p o l y m e rw a sc o n f i r m e db yf t i ra n dd e t e r m i n a t i o no f w a t e rs o l u b i l i t y a th i g hg r a f t i n g p e r c e n t a g e ，g o o dw a t e rs o l u b i l i t y a tv a r i o u sp h v a l u e sw i l lb eo b t a i n e d a n t i b a c t e r i a la c t i v i t i e so ft h ed e r i v a t i v e s a g a i n s t s t a p h y l o c o c c u sa u r e u s a u r e u s ) a n d e s c h e r i c h i ac o l i 假c o l i ) w e r e e x p l o r e db yt h e f i l t e rp a p e rm e t h o da n dt h ev i a b l ec e l lc o u n t i n gm e t h o di ns t e r i l ep h y s i o l o g i c a ls a l i n e m o r et h a n9 9 9 o fs a u r e u sa n dec o l iw e r ek i l l e dw i t h i n3 0m i no fc o n t a c tw i t h t h ed e r i v a t i v eh p c t s - g m _ a s3a tt h ec o n c e n t r a t i o no f1 0 0n g m l t h ea c t i o nw a s m o r ee f f e c t i v ea g a i n s ts a u r e u st h a ne c o l i 、w h i c hc o u l db ea t t r i b u t e dt ot h ef a c tt h a t t h el a t t e rh a sac o m p l i c a t e d b i l a y e rc e l ls t r u c t u r e t h em e c h a n i s mo f a c t i o ns h o u l db e r e l a t e dt ot h ef a c t t h a tt h ed e r i v a t i v eh a ss t r o n gc o o r d i n a t i o nc a p a b i l i t ya n di t s a m p h i p h i l i c s t r u c t u r e ， o t h e rm u l t i p l e - d e r i v a t e dc h i t o s a n sw e r eo b t a i n e db ye s t e r i f i c a t i o no fc h i t o s a nw i t h m o n o c m o r a c e t i ca c i du n d e ra l k a l i n ec a t a l y s tf o l l o w e db yt h eg r a f tc o p o l y m e r i z a t i o n o fa c r y l i ca c i d ( a a ) o r m e t h y l a c r y l i ca c i d ( m a a ) t h eg r a f tc o p o l y m e r i z a t i o nw a s a l s oc a r r i e do u t a c c o r d i n g t ot h es i m i l a r p r o c e s s a n t i b a c t e r i a la c t i v i t i e so f s o d i u ms a l t o f g r a f tc o p o l y m e r sa g a i n s ts t a p h y l o c o c c u s 口淞( sa u r e b l s ) a n de s c h e r i c h i ac o i l ( e c o i l ) w e r et e s t e db yt h ef i l t e rp a p e rm e t h o da n dt h ev i a b l ec e l lc o u n t i n gm e t h o di n s t e r i l ep h y s i o l o g i c a ls a l i n e t h ei n h i b i t i o na c t i v i t yw a sm o r et h a n9 9 9 f o rt w o b a c t e r i aw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fg r a f tc o p o l y m e r sw e l e1 n g m l ，t h ed e r i v a t i v e s 浙江大学博士学位论文 w e r em o r ee f f e c t i v ea g a i n s tec o i lt h a nsd “w 郴t h em e c h a n i s mo fa c t i o ns h o u l db e r e l a t e dt ot h ed i s r u p t i o no f c e l lm e m b r a n e s ，w h i c hw a sc o n f i r m e db yt e m o p t i c a ld e n s i t ym e t h o dw a s u s e dt ov a l u et h ei n h i b i t i o ne f f e c to fg r a f t e dc h i t o s a n d e r i v a t i v e s a g a i n s t 且s a b t i l i s g r a f t i n gp e r c e n t a g ea n dc o n c e n t r a t i o n o fg r a f t e d e h i t o s a nd e r i v a t i v e sp l a y e da ni m p o r t a n te f f e c to nt h ei n h i b i t i o na c t i o n t h ea n f i o x i d a m a c t i v i t yo f c m c t s g - m a s a n d h p c t s g - m a s w a ss t u d i e d t h e i r s c a v e n g i n g a c t i v i t i e s a g a i n s th y d r o x y l r a d i c a lo hw e l e i n v e s t i g a t e db y c h e m i l u m i n e s c e n c et e c h n i q u e t h e ye x h i b i ti c 5 0v a l u e s r a n g i n gf r o m2 4 6t o 4 9 8 u 咖l ，w h i c hs h o u l d b ea t t r i b u t e dt ot h e i rd i f f e r e mc o n t e n t so f h y d r o x y la n d a m i n o g r o u p sa n dd i f f e r e n ts u b s t i t u t i n gg r o u p s g r a r e dc h i t o s a nd e r i v a t i v e sh a dd i f f e r e n t s c a v e n g i n ga c t i v i t i e sa g a i n s ts u p e r o x i d er a d i c a l0 2 ，w h i c hs h o u l db er e l a t e dt h e i r d i f f e r e n tg r a f t i n gp e r c e n t a g e s ， k e y w o r d s ：g l y c o b i o l o g y ，m a r i n ed r u g ，c h i t i n ，c h i t o s a n ，h y d r o p m p y lc h i t o s a n ， c a r b o x y m e t h y lc h i t o s a n ，e t h e r i f i c a t i o n ，f t i r ，n m r ，m u l t i p l ed e r i v a t i o n ，g r a f t c o p o l y m e r i z a t i o n ，g r a f t i n gp e r c e m a g e ，g r a f t i n ge f f i c i e n c y ，m e t h y l a c r y l i ca c i d ， a c r y l i ca c i d ，m a l e i ca c i d ，m u l t i p l e d e r i v a t e dc h i t o s a n ，g r a f t e dc h i t o s a nd e r i v a t i v e ， b i o a c t i v i t y ，a n t i b a c t e r i a la c t i v i t y ，v i a b l ec e l lc o u n t i n gm e t h o d ，o p t i c a ld e n s i t y ， t e m ，ec o l i ，sa u r e u s ，b ，s a b t t l 括，a n t i o x i d a n ta c t i v i t y ，c h e m i l u m i n e s c e n c e ， h y d r o x y lr a d i c a l ，s o p e r o x i d ea n i o nr a d i c a l i c v 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 糖类化合物结构复杂，糖链中韵糖苷键的连接方式比蛋自质中的肽键和核酸 中的磷脂键要复杂得多，因此糖链中所蕴含的生物信息量远远超过蛋白质和核 酸。糖在生命过程中不仅仅能充当细胞的能量来源和细胞骨架更为重要的是可 作为细胞识别的主要标记物、细胞信息传递物质和细胞的“天线”。目前的研究 已确认糖链参与生物体受精、发育、分化、免疫和神经系统的识别与调控。在微 生物与动植物的相互作用中担负着重要作用，同时也涉及老化和癌症等过程。 八十年代兴起的蛋白质工程和核酸的研究揭示了蛋白质和核酸在生命过程 中的重要作用。但越来越多的研究表明：很多生理过程中，蛋白糖的蛋白仅仅起 载体的作用，其生物功能的强弱甚至有无与其多糖侧链密切相关。对生命奥秘的 探索，促侵人类对糖类的研究产生了浓厚的兴趣。随着分子生物学的飞速发展， 现代分子生物学理论和研究技术口趋成熟，由核酸和蛋白质开始的关于生物大分 子结构与功能的研究已扩展到生物膜的蛋白质并向多糖类与脂类的结构与功能 延伸。由此促成了新型学科糖生物学和糖工程的形成和飞速发展，并将成 为二十一世纪的重大科学前沿之一一“。 糖生物学是以生物大分子组成部分寡糖链或寡糖本身为对象以糖化学、免 疫学及分子生物学等学科为基础，研究寡糖链作为“生物信息分子”在多细胞的 高层次生命中的功能的学科。它是九十年代发展起来的生物化学中的最后一个巨 大前沿。研究糖生物学的方法论和基本技术，以及把基础研究获得的知识进一步 转化为生产技术，则称为糖工程。目前国际上主要是美国、日本和欧洲国家对糖 生物学和糖工程研究非常重视，近儿年进展非常快。糖生物学的研究手段涉及现 代分析化学、分子生物学、免疫学、神经科学、发展生物学等等学科，其发展必 将推动这些学科的发展。 生物体内的多糖主要分为两大部分。一部分作为信息分子，种类多每种含 量少，结构复杂，信息量大。另一部分作为细胞和细胞外间质的主要构成成份， 种类少，结构规整庞大。作为信息分子的多糖，其主要功能为：以其糖链序列 浙江大学博士学位论文 特征作为生物识别的标志：维持和保护蛋白质的结构与构象，抗蛋白酶水解， 参与溶解度等1 2 ：免疫系统中参与活化补体，淋巴因子间及与免疫细胞间的相 互作用，免疫细胞对肿瘤细胞及病毒细菌的杀伤”；参与细胞的分化和生长。 而作为细胞和细胞外问质主要成份多糖，可以主动参与和影响细胞的各种行为， 与组织的形成、细胞的分化、移动、细胞问信息的交流、功能的发挥有着密切的 关系1 4 。 当机体自身免疫系统或细胞脱轨出现自身免疫疾病或癌症时，细胞表面的糖 分子会改变结构和组成，出现异常糖基化和异常细胞代谢。在机体衰老过程中， 糖链合成受累，糖链减短，密度变稀。由此可见多糖与许多疾病病理过程以及衰 老过程密切相关。寻找治疗上的多糖先导化合物加以改造和合成已成为当今医药 界的热点。多糖药物的作用位点是细胞表面，其特点是可作用于病理过程的第一 步，而e l 不进入细胞，是副作用相对最小的药物。多糖药物来源广泛，大多数是 天然存在的化合物。多糖药物的发展趋势之一是开辟广泛的糖药物来源。我国“中 药现代化”和“向海洋要药”的战略莫不基于这一点。 海洋药物的开发是现代海洋生物技术的重要内容。美、日、法、英、俄等国 家都投入巨资发展海洋药物。我国也把发展海洋药物的主攻方向定为海洋生物活 性物质的研究和新的海洋生物医用材料的开发等五个方面。我国海域辽阔，海洋 资源丰富而有特色，海洋药物的研究将成为二十一世纪我国药学研究的新热点 1 5 - 1 7 目前，国内外海洋药物的研究方法主要是：从海洋生物分离出生物活性物 质，进行结构鉴定，研究其生物合成途径，以期实现人工全合成。考虑到海洋生 物资源量的有限性以及海洋活性物质含量低微，上述研究思路对产业化开发几乎 无能为力。 海洋多糖是海洋药物的重要来源。对海洋多糖进行分子修饰，改变其结构， 可提高其生物活性，赋二哥其新的功能，并降低其毒副作用“。海洋多糖种类繁多， 且结构具有复杂性和多样性，对其进行分子修饰可获得各种结构类型和各种生物 活性的多糖衍生物，为多糖构效关系分析奠定基础，为多糖药物的设计、研究和 开发提供理论支持。作为海洋生物的结构组分，海洋多糖大多数具有来源，“泛和 含量丰富的优点。通过化学修饰来获得具有多种生物功能的海洋多糖药物的方法 可以为海洋药物的产业化提供种全新的思路，有利于促进我国海洋多糖药物的 2 浙江大学博士学位论文 发展。 甲壳素是广泛存在而又极其重要的一类海洋多糖，被誉为“第六生命要素”， 有种说法甚至把二十一世纪称为“甲壳素世纪”。近年来，甲壳素及其脱乙酰产 物壳聚糖的研究与应用在全球范围内已形成高潮1 9 - 4 0 。这也可以从近年来c a 和 s c i 中有关甲壳索和壳聚糖的文摘数旱不断增长的趋势中看出。 参考文献 l 王克夷化学进展1 9 9 6 8 ：9 8 2 孔繁祚大学化学1 9 9 6 ，1 1 ：1 3 金城等生物工程进展1 9 9 5 ，1 5 ：1 2 4 李远川生命的化学1 9 9 8 ，1 8 ：4 3 5 张树政生命的化学1 9 9 9 ，1 9 ：1 0 8 6 赵生才香山科学会议年报( 1 9 9 8 卜糖生物学与糖工程的前景，科学出版社。1 9 9 9 1 2 7 7 陈国民重庆医科大学学报1 9 9 9 ，2 4 ：9 9 8m c g a r v e y ，g je ta 1 ，l i e b i g s a n n - r e e l l 9 9 7 ，6 。1 0 5 9 9k o b a t a ag l y c o b i o l o g y2 0 0 1 ，1 1 ：9 9 1 0 金城中国科学院研究生院学报2 0 0 l ，1 8 ：6 6 11 r a d a a c h 盯，tn e ta la n nr c v b i o c h c m19 9 8 ，5 7 ：7 8 5 1 2z i e l m s k i ，bc ta lb i o m a t 日i a l s1 9 9 4 ，1 5 ：1 0 4 9 1 3 m a r d a s s i ，m e t a l v i r o l o g y1 9 9 6 ，2 2 19 8 1 4m e r t e n s ，g 吐a ljc e l lb i o l1 9 9 6 ，1 3 2 ：4 8 7 1 5 宋金民海洋科学2 0 0 1 ，2 5 ：5 0 1 6 关美君等中国海洋药物2 0 0 1 ，7 9 ：1 1 7 严小军海洋科学2 0 0 1 ，2 5 ：5 4 1 8 赵晓燕等海洋科学2 0 0 0 ，2 4 ：2 0 1 9 杜予民武汉大学学报( 自科版) 2 0 0 0 ，4 6 ：1 8 1 2 0 魏菁等洛阳医专学报2 0 0 ，1 8 ：2 5 8 2 l 胡道道等无机化学学报2 0 0 0 ，1 6 ：3 8 5 3 塑望查兰丝主兰堡堡兰 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 i 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 赵云强等贵州化工2 0 0 1 ，2 6 ：1 0 薛爱芳等分析科学学报2 0 0 1 ，1 7 ：1 7 7 江镇海化工之友2 0 0 1 5 ；1 5 黄光佛等高分子通报2 0 0 1 ，3 ：4 3 董佳等山东食品科技2 0 0 1 ，3 ：6 b o r c h a r d , ge ta la d vd r u gd e l i v e r r e v 2 0 0 1 ，5 2 ：1 0 3 u e n o he ta la d vd r u gd e l i v e rr e v 2 0 0 1 ，5 2 ：1 0 5 b o r z a c c h i e l l o ，ae ta l ，jm a t e rs c i - m a t e rm2 0 0 1 ，1 2 ：8 6 1 t a n , we t a lt i s s u e e n g2 0 0 1 7 ：2 0 3 c a r d e n a s g 就a lh a tj b i o lm a e r o m o l2 0 0 1 ，2 8 ：16 7 k u m a r ，mnvrr e a c tf t m e tp o l y m2 0 0 0 ，4 6 ：1 p a u l ，w ，e ta 1 s t p p h a r m as c i 2 0 0 0 ，1 0 ：5 s 访g h ，dk e t a ljm a c r o m o ls c imc2 0 0 0 ，c 4 0 ：6 9 k u m a r ，mn vrbm a t e rs c i1 9 9 9 ，2 2 ：9 0 5 h t r a n o ，sp o l y mh a t1 9 9 9 ，4 8 ：7 3 2 s h a h i d i ，f e t a lt r e n d s f o o d s c it e c h1 9 9 9 ，1 0 ：3 7 f e l s e ，pa ，e ta lb i o p r o e e s se n gi9 9 9 ，2 0 ：5 0 5 3 9 d o d a n e ，ve ta 1 p h a r ms c it e c h n o l1 9 9 8 ，1 ：2 4 6 4 0f e l t ，oe ta l d r u gd e vi n dp h a r m1 9 9 8 ，2 4 ：9 7 9 4 浙江大学博士学位论文 第二章甲壳素壳聚糖化学概论 2 1 概述 甲壳素又称甲壳质，几丁质，是一种天然高分子多糖。它广泛分布于自然界 甲壳纲动物虾蟹的甲壳，昆虫的甲壳和某些真菌的细胞壁中。每年生物台成量达 l 1 0 “吨，产量仅次千纤维索，足地球上第二大冉牛资源。 1 8 1 1 年，法国学者b r a c o n n o t 在霉菌中发现了甲壳素，o d i e r 在1 8 2 3 年为其 命名为甲壳素。1 8 5 9 年，r o u g e t 发现了壳聚糖1 ，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。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 e y 确定了壳聚 糖的基本组成及硫酸壳聚糖的结晶形态。此后，甲壳素和壳聚糖的研究逐渐增多， 5 0 年代后已对甲壳素的结构、性质和制造方法有了较透彻的了解，并有专著出 版。近二十年来，甲壳素和壳聚糖的研究得到了迅速的发展。 壳聚糖又称甲壳胺，甲壳糖，是甲壳素的脱乙酰产物。壳聚糖是天然多糖中 唯一的碱性多糖，被称为人体生命必需物质中除蛋白质、脂肪、糖类、维生素和 矿物质五大要素之外的“第六大要素”。 甲壳素可以用动物甲壳和微生物细胞壁来制备。目前工业是上均用虾蟹的甲 壳来生产。其基本流程如下： l o h c i1 2 n a o h n a h s 0 3 蟹壳叶选料_ + 脱钙_ 除蛋白_ 漂白、 烘干+ 包装+ 成品 s c h e m e21p r o c e s so f p r e p a r a t i o no f c h i t i nf r o mc r a bs h e l l 采用不同原料和不同方法制备的甲壳素，其溶解度、分子量、乙酰基值和比 旋光度等均有差别。 甲壳素经氢氧化钠加热处理，脱去乙酰基得到壳聚糖。反应条件和处理方式 的不同也导致壳聚糖的脱乙酰度和分子量不同。壳聚糖也能通过真菌类合成来获 浙江大学博士学位论文 得2 ，这为壳聚糖的生产扩大了资源。c r e s t i n i 从l e n t i n u se d o d e s 固体发酵制备低 乙酰度的壳聚糖，产率比真菌类合成高5 0 倍3 。 2 2 甲壳素，壳聚糖的性质 1 物理性质 甲壳素为白色无定型固体，由于晶态结构的不同，有a 、b 、y 三种晶形物。 甲壳索于大约2 7 0 * ( 2 分解。几乎不溶于稀酸，稀和浓碱，乙醇及其它有机溶剂， 可溶于浓盐酸，硫酸，7 8 9 7 磷酸以及无水甲酸。甲壳素可溶于一些特殊的或多 元的溶剂中，如c c l 3 c o o h - c h 2 c 1 2 ，d m a - l i c l 和c a c i2 h 2 0 - m e o h 4 等。 壳聚糖为白色或米黄色粉末或片状固体，于大约1 8 5 * ( 2 分解。壳聚糖可溶于 许多稀酸中如水杨酸、乙酸等有机酸和弱酸的稀溶液，也能溶于一些无机酸如硝 酸、盐酸等。此外，它也能溶于一些混合溶剂如d m f - n 2 0 4 ( 3 ：1 ) 等。 甲壳素及其衍生物可以很容易地制成膜、拉成丝。这种膜或丝具有透气性、 透湿性和渗透性有一定的拉伸强度和防静电作用。如壳聚糖膜的透氧率可达 7 1 0 。( c m 2 s ) ( m l 0 2 m l 1 3 3 p a ) 。壳聚糖膜的渗透性能比纤维素膜好，低分子量 化合物( 2 9 0 0 ) 都可以通过。 2 化学性质 甲壳素和壳聚糖的化学结构为，由l 舛连接，2 一乙酰氨基一2 - 脱氧6 d 吡喃 葡萄糖和2 氨基2 脱氧1 3 - 9 毗喃葡萄糖的二元线性共聚物组成5 。其结构式如图 2 所示。 甲壳素和壳聚糖的结构式： c h i t i n c h i t o s a n s c h e m e22c h e m i c a ls t r u c t u r eo f c h i t i ne n dc h i t o s a n 6 。一 浙江大学博士学位论丈 甲壳素壳聚糖有两个重要的基本参数：脱乙酰度和分子量与分子量分布。脱 乙酰度是表征乙酰化与脱乙酰化部分之间的平衡程度。其作用是在溶解度方面， 限定了甲壳素和壳聚糖两物质在稀酸中的溶解性。脱乙酰度对壳聚糖的物化性质 6 ，如溶解度7 、富集离子的能力8 ，壳聚糖膜的机械性能9 和絮凝能力1 0 等有着莺 大的影响。 脱乙酰度的测定方法有很多，如电位滴定法7 ，酸碱滴定法1 1 ，胶体滴定法 1 2 ，氢溴酸盐法”，莆昧酸法”，水杨醛反应法1 1 , 红外光谱法。6 和近红外光谱 法盯，紫外光谱法1 8 及紫外光谱一阶导数法1 9 ，气柏光谱法m ，凝胶渗透色谱法 ”，圆二色性测定法2 0 和热分析法2 1 等等。 但只有苦味酸法、水杨醛反应法及红外光谱法等方法才适用于低脱乙酰度样 品。高脱乙酰度样品( 可溶于酸溶液中) 宜采用高效而准确的电位滴定法。 壳聚糖分子量高低及其分散程度的大小对材料的物理机械性能如成膜性、成 纤性与强度以及对生理活性的影响都至关重要。甲壳素和壳聚糖的分子景测定， 可采用凝胶色谱法2 2 ，光散射法2 3 和粘度法。 粘度法是测定分子量的简单而快速的方法，但粘度法测f _ 的壳聚糖的分子量 是特定脱乙酰度的分子量，其经验式为m a r k h o u w i n k 方程： 【t 1 】= k m l 在01m h a c + 0 21 v i n a c l 体系中，k = 18 1 1 0 一，q = 0 9 3 。 粘度法测甲壳素分子量的经验式为s a k u m d a - h o u w i n k s 方程： 【喇= l 刚1 式中：k = 2 5 4 1 0 ，o r - - - - - 04 5 。 甲壳索和壳聚糖的化学性质主要体现在其分子中的羟基和氨基容易进行化 学改性，引入许多官能团。甲壳素和壳聚糖可以通过酰化、羧基化、羟基化、氰 化、醚化、烷化、酯化、醛旺胺化、叠氮化、接枝与交联等制各衍生物。( 具体见 甲壳素壳聚糖的化学改性一节1 。 此外甲壳素和壳聚糖的一个重要性质是其强的吸附与螯合能力，甲壳索和 壳聚糖分子中有羟基、氨基，可以与离子进行螯合作用。它们是良好的阳离子絮 凝剂，可以与金属离子形成稳定的螯合物，有效捕集或吸附溶液中的重金属离子， 也可以凝集溶液中带负电荷的悬浊物和有机物如染料、蛋白质、氨基酸、核酸、 7 浙