（应用化学专业论文）壳聚糖改性及在化妆品中的应用研究.pdf

摘要 摘要 本文主要研究了高脱酰度壳聚糖、n ，n 二甲基壳聚糖、及最终水溶性壳聚糖衍生物 n ，n ，n 三甲基壳聚糖碘化铵( t m c i ) 和n ，n ，n 一三甲基壳聚糖硫酸甲酯铵( t m c s ) 的合成。 作为化妆品添加剂，测定了季铵盐衍生物的一些性质。 由脱乙酰度为7 0 的壳聚糖出发制备高脱酰度壳聚糖的较优条件是：采用在浓度为 4 5 的n a o h 溶液于8 0 下间歇反应8h ，并重复一次。其脱乙酰度高达9 0 以上， 分子量测定为3 2 1 0 5 。 高脱酰度壳聚糖再与过量甲酸和甲醛反应，得到n ，n 二甲基壳聚糖中间体。对合成 工艺条件进行了优化，得到的较优条件是反应温度7 0 ，时问5h ，投料比为疗( 壳聚 糖量) ：珂( 甲醛量) ：n ( 甲酸) = 1 ：8 ：6 。 选定1 甲基一2 一吡咯烷酮与水作为反应混合溶剂，并控制它们的比例。反应温度在 3 6 、搅拌条件下与碘甲烷反应，合成水溶性的n ，n ，n 三甲基壳聚糖碘化铵( t m c i ) ， 进一步离子交换得到n ，n ，n 三甲基壳聚糖氯化铵( t m c c ) 。t m c i 的最大取代度可达 到8 0 ，超过国外文献报道的其它方法。并确定了反应时间、溶剂用量、投料比对取 代度的影响。 在上述基础上，选用硫酸二甲酯为季铵化试剂，利用中间体n ，n - 一- - 甲基壳聚糖，合 成了新型壳聚糖季铵盐衍生物：n ，n j “三甲基壳聚糖硫酸甲酯铵( t m c s ) 。以1 甲基 - 2 一毗咯烷酮为溶剂，在4 5 下反应1 8h ，产品经i r 、1 h - n m r 鉴定，并利用热重和差 示扫描量热仪分析其物理性质。重结晶后产物经元素分析，得取代度在6 0 左右。 性能的测定主要研究壳聚糖季铵盐性质与取代度( d q ) 以及分子量( m w ) 的关 系。壳聚糖季铵盐能溶于p h l 1 4 的水溶液中，并体现出阳离子表面活性剂的一般特 点；测定了产品的乳化性能，t m c i 乳化性能d q 7 8 7 5 6 8 4 7 s d s ；抗氧化 实验中，t m c i 取代度为3 3 9 时，对o h 的最大清除率为4 0 2 ，对0 2 。的最大抑制 率为6 5 6 ，且清除率随d q 上升呈下降趋势；采用称重法在人工气候箱内测定壳聚糖 季铵盐的保湿性和吸湿性，控制人工气候箱在2 5 ，4 0 、6 0 和8 0 湿度条件下， t m c i 与其它保湿剂进行比较。结果t m c i 保湿性能尤其在6 0 与8 0 湿度下最好，高 于h a 及其它保湿剂，表明t m i c 是一种优秀的保湿剂。并在2 5 ，4 0 、8 0 湿度 下，测定不同取代度产品的吸水率，1 8h 后8 0 湿度下d q 7 8 7 产品吸湿率达到了3 0 0 。t m c i 和t m c s 的合成原料来源丰富，性质优良，将来很有可能作为添加剂应用于 化妆品中。 关键词：壳聚糖；n , n , n 三甲基壳聚糖硫酸甲酯铵盐；n ，n , n 三甲基壳聚糖碘化铵；抗 氧化；保湿性；化妆品 江南大学硕士学位论文 a b s t a c t i nt h i sp a p e r , w h i c hi n t r o d u c e st h es y n t h e s i so fh i g hd e g r e eo fd e a c e t y l a t i o nc h i t o s a n 、 n ，n d i m e t h y lc h i t o s a n 、a n dt h ew a t e r - s o l u b l ed e r i v a t i v e s ：n n ，n - t r i m e t h y lc h i t o s a ni o d i d e ( t m c i ) 、n ，n ，n - t r i m e t h y lc h i t o s a nm e t h y l s u l f a t e ( t m c s ) ，a n ds t u d ys o m e o f t h e i rp r o p e r t i e s a st h ea d d i t i v e sw h e nu s e di no o s m e t i c s b e g i nw i t hc h i t o s a nw i t h7 0 d e g r e eo fd e a c e t y l a t i o n , t h eo p t i m i z e dw a yt op r e p a r e h i g hd e g r e eo f d e a c e t y l a t i o nc h i t o s a ni s ：c h i t o s a ni sm i x e dw i t h4 5 n a o hs o l u t i o na t8 0 f o r8 hb yi n t e r m i r e n tm e t h o df o rt w i c e t h ed e g r e eo fd e a c e t y l a t i o nc a nb ei m p r o v e dt o a b o v e9 0 t h em o l e c u l ew e i g h ti sd e t e r m i n e dt ob e3 2 x 1 0 5 t h e nn - n d i m c t h y lc h i t o s a ni ss y n t h e s i z e db yc h i t o s a nw i t he x c e s s i v ef o r m i ca c i da n d f o r m a l d e h y d e 1 1 l eo p t i m i z e dc o n d i t i o ni sa t7 0 f o r5h n ( c h i t o s a n ) ：n ( f o r m a l d e h y d e ) ： n ( f o r m i ca c i d 、= 1 ：8 ：6 t h eq u a t e m i z a t i o no f n , n - d i m e t h y lc h i t o s a ni sc a r r i e do u tb ym e t h y li o d i d ei nn m pa n d w a t e rs o l u t i o na t3 6 t op r o d u c en ，n ，n t r i m c t h y lc h i t o s a ni o d i d e ( t m c i ) ，t h ep r o d u c t s u b s e q u e n t l yi se x c h a n g e dt h ei o d i d ei o nw i t hc h l o r i d et oa f f o r dn n n t r i m e t h y lc h i t o s a n c h l o r i d e ( t m c c ) t h eh i 曲i s td e g r e eo ft h eq u a t e m i z a t i o n ( d q ) r e a c h e st o8 0 b y t i t r a t i o n m e t h o d ，b e t t e rt h a na n yo t h e rr e p o r t s t h ei n f l u e n c eo nd qo ft m c i i n c l u d e st h er e a c t i v e t i m e ，m a t e r i e lp r o p o r t i o na n dt h es o l u t i o na n dm e y a r es t u d i e di nt h i st h e s i s b a s e do nt h en n d i m e t h y lc h i t o s a n ，t h ed i m e t h y ls u l f a t ei su s e dt og e tan o v e lc h i t o s a n d e r i v a t i v e s ：n ，n ，n t r i m e t h y lc h i t o s a nm e t h y l s u l f a t e ( t m c s ) t h er e a c t i o ni sc a r r i e do u ti n n m p , w i t hs t i r r i n gf o r1 8ha t4 5 t m c si s c h a r a c t e r i z e du s i n gi ra n d1 h - n m r s p e c t r o s c o p y , s o m ep h y s i c a lp r o p e r t i e s a r ea n a l y z e d b yt h e r m o g r a v i m e t r y ( t g ) a n d d i f f e r e n t i a l s c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) a f t e rr e e r y s t a l l i z a t i o n ，t h ed qo fp r o d u c ti s d e t e r m i n e dt ob e6 0 b ye l e m e n t a r ya n a l y s i s 1 1 1 ea i mt or e s e a r c ho nt h ep r o p e r t i e si st os t u d yt h er e l a t i o nb e t w e e ni tw i t hd qa n d m w q u a t e r n a r ya m m o n i u ms a l to fc h i t o s a nc a nd i s s o l v ei np h l 1 4w a t e r , a n de x p r e s st h e c h a r a c t e r i s t i c so fc a t i o ns u r f a c ea c t i v ea g e n t ；1 1 1 ee m u l s i f i c a t i o no f t m c id a m si n d i c a t e st h a t p r o d u c t sw i t h7 8 7 d q 5 6 8 d q 4 7 d q s d s ；t h ea n t i o x i d a t i v ea c t i v i t yo f t m c i i sa l s os t u d i e d t h er e s u l t sr e v e a l st h a tt h es c a v e n g i n ga c t i v i t yo n o hr e a c h e su pt o4 0 2 a n dt h es c a v e n g i n ga c t i v i t yo n0 2 i s6 5 6 w h e nt m c lw i t h3 3 9 d q a n dw i t ht h e i n c r e a s eo fd q ，t h es c a v e n g i n ga c t i v i t i e so nb o t h o ha n d0 2 - d e c r e a s e s t h em o i s t u r e r e t e n t i o na n da b s o r p t i o np r o p e r t i e so ft m c ia r er e s e a r c h e db yw e i g h tm e t h o di nm a n u a l c l i m a t eb o x t h em o i s t u r er e t e n t i o no ft m c ii st e s t e dc o m p a r i n gw i mo t h e rm o i s t u r e r e t e n t i o nr e a g e n t s c o m p a r i s o nw i t ht h el o s so fm o i s t u r e , t h em o i s t u r er e t e n t i o no fa l l r e a g e n t si so b t a i n e d ，w h i c hi sd e t e r m i n e do nt h ed e f i n i t ec o n d i t i o n s ( 2 5 a n dh u m i d i t y4 0 ， t i 摘要 6 0 a n d8 0 i n d i v i d u a l l y ) a tt h es a m ec o n c e n t r a t i o na n dc o n d i t i o n , e s p e c i a l l ya th u m i d i t y 6 0 a n d8 0 t h em o i s t u r er e t e n t i o no ft m c ii sb e s tt h a na n yo t h e rr e a g e n t sc v 吼h a t h e m o i s t u r ea d s o r b a b i l i t yo ft m c i 祈t h7 8 7 d qi s3 0 0 a f t e r1 8hi n8 0 h u m i d i t y a l l r e s u l t ss h o wt h a tt m c ih a se x c e l l e n tm o i s t u r er e t e n t i o na n da b s o r p t i o na b i l i t y d u et ot h e a b u n d a n tm a t e r i a la n de x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，q u a t e r n a r ya m m o n i u ms a l to fc h i t o s a nw i l lb e u s c dt h ei nc o s m e t i c sa sap o t e n t i a la d d i t i v e k e yw o r d s ：c h i t o s a n ；n ，n ，n t r i m e t h y lc h i t o s a nm e t h y l s u l f a t e ；n , n , n - t r i m e t h y l c h i t o s a n m e t h y l s u l f a t e ；a n t i o x i d a t i v ea c t i v i t y ；m o i s t u r er e t e n t i o n ；c o s m e t i c s 1 1 1 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 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 本人为获得江南大学或其它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 确的说明并表示谢意。 二 签名：王遂日期：) 。7 年6 月f f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名娅 导师签名_ _ 孓0 山一 日期：年 月 日 第一章绪论 第一章绪论 地球上存在的天然有机化合物中，数量最大的是纤维素，其次就是甲壳素，前者主 要是由植物合成，后者主要由动物生成。估计自然界每年生物合成的甲壳素将近1 0 0 亿 吨，它也是地球上除蛋白质外数量最大的含氮天然有机化合物【l 】。甲壳素由于其溶解性 较差，不溶于水、稀酸、稀碱、浓碱、一般有机溶剂，只能溶于浓的盐酸、硫酸、磷酸 及无水甲酸，这给其应用带来很大影响。将甲壳素脱乙酰，大于5 5 脱乙酰度的甲壳 素称为壳聚糖，溶解性能较好，但也只能溶于一些稀酸中。所以对壳聚糖进行化学结构 修饰，改善溶解性能，拓宽其应用范围是该领域重要的课题，有着十分重要的实际意义， 其中对壳聚糖进行季铵化改性是一种有效手段。 甲壳素( c h i t i n ) 又名几丁质，是天然存在的阳离子型高分子化合物，也是地球上 除蛋白质外数量最大的含氮天然有机物，属于碳水化合物中的多糖。甲壳素脱去分子中 的乙酰基转变成壳聚糖( c h i t o s a n ) ，又名甲壳胺、脱乙酰甲壳素，化学名称为( 1 ，4 ) - 2 一 氨基2 一脱氧b d 葡萄糖。1 8 1 1 年，法国科学家b r a c o n n o t 从霉菌中首先发现了甲壳素， 之后，1 8 5 9 年，r o u g e t 在把甲壳素与氢氧化钾溶液中共煮时发现了壳聚糖。但由于当 时科研水平较低，在近1 0 0 多年的时间里对壳聚糖的研究时断时续。直到2 0 世纪5 0 年 代以来，对甲壳素、壳聚糖的研究才变得活跃起来。采用了多种方法对甲壳素、壳聚糖 进行了结构确认，分子量大小的测定以及制取工艺对其结构的影响等研究。对本身具有 许多优良特性的甲壳素、壳聚糖进行化学修饰，从而得到多种衍生物，弥补了甲壳素、 壳聚糖的水不溶性等缺点，拓宽了它们的用途。现在，对甲壳素及壳聚糖的研究持续升 温，每年报导的文章与申请的专利都相当可观。全世界关于甲壳素及壳聚糖的大型专题 研讨会每两年都会举行一次。 1 1 壳聚糖的物化性质及用途【2 】 壳聚糖，又名壳多糖、聚氨基葡萄糖等，是甲壳素的脱乙酰化产物，两者单元结构 式为： n 甲壳素壳聚糖 一般而言，乙酰基脱去5 5 以上的甲壳素就可称之为壳聚糖，这种脱乙酰度的壳 聚糖能溶于1 乙酸或1 盐酸。因此，凡是能溶于l 乙酸或1 盐酸的甲壳素都可 称之为壳聚糖。作为有实用价值的工业品壳聚糖，脱乙酰度必须在7 0 以上。 l 江南大学硕士学位论文 1 1 1 甲壳素和壳聚糖的来源 甲壳素广泛存在于甲壳纲动物虾、蟹的甲壳，昆虫的甲壳，真菌( 酵母、霉菌) 的 细胞壁和植物( 如蘑菇) 的细胞壁中，详细的情况大致如下： 1 节肢动物，主要包括甲壳纲，如虾、蟹等，含甲壳素2 0 3 0 ，高的达5 8 一8 5 ；其次是昆虫纲，如蝗、蝶、蚊，蝇、蚕等蛹壳中含甲壳素2 0 6 0 ；多足纲如马 陆、蜈蚣等，蛛形纲如蜘蛛、蝎、螨等，甲壳素含量达4 - 2 2 ； 2 软体动物，包括头足纲如乌贼、鹦鹉等，甲壳素含量为3 - 2 6 ； 3 环节动物，包括原环虫纲如角蜗虫等，有的含甲壳素极少，高的含量为2 0 3 8 ： 4 原生动物，简称原虫，含甲壳素较少； 5 腔肠动物，一般含甲壳素很少，但有的可达3 3 0 ； 6 海藻，主要是绿藻，含少量甲壳素； 7 真菌，包括子囊菌、担子菌、藻菌等，含甲壳素从微量到4 5 不等； 8 动物的关节、蹄、足的坚硬部分，以及动物肌肉与骨接合处均有甲壳素存在。 综上可以看出，由于含量高，工业上一般以甲壳纲动物虾、蟹的甲壳为原料制备。 自然界存在大量的甲壳素，现在估计全世界每年可获得的甲壳素可能有1 5 万吨， 真正能生产出来的，估计有数万吨。而壳聚糖作为甲壳素的脱乙酰产物，可由甲壳素制 得，可见来源相当丰富。 1 1 2 壳聚糖的物化性质【1 】 壳聚糖是一个高度弯曲折叠的纤维状的糖胺聚糖，也具有与蛋白质相似的一、二、 三、四级结构，级结构是线性链中b 1 ，4 糖苷键连接n 氨基有萄萄糖残基的顺序，不涉 及次级的相互作用；二级结构是指骨架链中以氢健结合所形成的各种聚合体，二级结构 只关系到壳聚糖分子主链的构象，不涉及侧链的空间排布；三级结构是指有重复顺序的 一级结构和非共价相互作用造成的有序的二级结构导致空间有规则而粗大的构象；四级 结构是指长链间非共价结合形成的聚集体。 自然界中存在的甲壳素有三种结晶聚合形式：a 甲壳素、b - 甲壳素、7 甲壳素。这 三种形式的甲壳素的主要区别在于结晶区内分子结构排列不同，a 甲壳素的分子链是反 向排列的，而b 甲壳素分子链是平行排列的，丫甲壳素则一般认为是由两条平行链与一 条反向链组成。尽管a 和b 甲壳素均有c = o h - n 分子间氢键，但b 甲壳素的c h 2 0 h 基 团间没有氢键的作用，而a 甲壳素有，因而b 甲壳素在水中的溶胀性比a 甲壳素好。 壳聚糖外观为半透明状白色固体，略带珍珠光泽。由于壳聚糖分子中含有大量的羟 基和氨基，分子之间存在很强的氢键作用，且分子量很高，结构紧密，使得它不溶于水、 碱性溶液和一般的有机溶剂，但可溶于稀的盐酸、硝酸等无机酸和大多数有机酸，不溶 于稀的硫酸。在酸性溶液中，分子中的n h 2 与h + 结合，生成带正电荷的聚电解质，这在 天然多糖中是惟一的，赋与它许多独特的物理化学性质。壳聚糖具有很好的吸附性、成 纤性、成膜通透性、吸湿保湿性、生物活性等。 2 第一章绪论 在酸性介质中，壳聚糖的分子中的r - n h 2 被质子化为r - n h 3 + 而产生酸性溶解，而未 被脱乙酰的甲壳素则无溶解性。因此，壳聚糖的溶解性与脱乙酰度密切相关。脱乙酰度 在6 0 以下的壳聚糖只有部分离析溶解于稀醋酸溶液中；脱乙酰度为6 0 - 8 0 的呈絮 凝悬浮于稀醋酸溶液中；脱乙酰度为8 0 以上的则能以油性状清澈的溶于稀醋酸溶液 中。 。 壳聚糖由于分子的基本单元是带有胺基的葡萄糖，分子中同时含有氨基和羟基，性 质比较活泼，可修饰、活化和偶联，表现如下： 1 壳聚糖分子中的活性侧基- n h 2 ，可酸化成盐类，导入羧基官能团，取代合成侧 链铵盐、混合醚、聚氧乙烯醚等等，制备具有水溶性、醇溶性、有机溶剂溶解性、表面 活性以及纤维性等各种衍生物； 2 壳聚糖分子中o h 和- n h 2 具有配位螯合功能； 3 壳聚糖分子中o h 和- n h 2 均可与交联剂进行交联接枝改性成网状聚合物； 4 壳聚糖分子中n h 2 先与过渡金属离子形成配合物，再与交联剂进行交联，具有 “模板剂”的“记忆力”和选择吸附性能； 5 壳聚糖在适当条件下进行酰基化，可制备具有低碳数水溶性衍生物和高碳数疏水 性衍生物。 壳聚糖也是迄今为止发现的自然界中唯一存在的阳离子型可食用纤维，在医药、食 品、化妆品和农业等方面都有广泛且重要的应用价值。 1 1 3 壳聚糖在化妆品中的应用【3 4 】 由于壳聚糖具有优良的生物相容性、降解性、成膜性、保湿性、润湿性、增稠性、 抗静电作用、毛发柔软和保护作用，以及对皮肤无刺激无毒等特性，已引起化妆品界的 广泛关注。目前，在日本、法国、美国等许多大型日化公司己大量使用壳聚糖及其衍生 物，国内也有以壳聚糖为原料的化妆品进入市场，将壳聚糖用于化妆品中将成为行业的 一个新趋势。 1 1 3 1 护发用品 壳聚糖在弱酸性条件下可成为带正电的高分子聚电解质而直接用于香波、沈发精等 的配方中，使乳胶稳定化以保护胶体；壳聚糖分子中的氨基质子带正电荷，使其具有抑 制静电荷的蓄积与中和负电荷的作用，这种防止带电的效能可以防止脱发；壳聚糖对头 发具有良好的亲和性，能在毛发表面形成一层有润滑作用的覆盖膜，是理想的固发原料 和头发调理剂；用壳聚糖固发剂发型持久，且不易沾灰尘，向固发剂中加入质量分数1 0 5 2 1 0 壳聚糖，即能达到固发效果；与染料复配，同时起固发和染发作用，使头发 增添色彩和光泽；壳聚糖在任一聚合步骤均不含有毒单体，在生理上有绝对的安全性。 1 1 3 2 护肤用品 研究证明，皮下水分的散失是人的皮肤衰老的主要原因之一，而壳聚糖与当今人们 公认的“超级保湿剂”透明质酸相类似，具有优良的保湿性和润湿性。与某些化学合 成的保湿剂相比较，它无毒、无害、对皮肤和眼粘膜无刺激，不存在接触过敏的问题， 3 江南大学硕士学位论文 而且价格便宜。添加壳聚糖的洁肤、护肤液具有良好的吸湿、保湿性能。将壳聚糖酰基 化、羧基化、羟基化、酸化反应等可得到水溶性的壳聚糖衍生物，并依然有良好的保湿 性。此种类透明质酸壳聚糖具有水溶性，粘度可高可低，其吸湿和保湿效果优于同相对 分子质量的透明质酸，因而在保湿化妆品中可替代透明质酸。壳聚糖可渗透进入皮肤毛 囊孔可消除由于微生物积累而引起的黑色素、色斑等。壳聚糖本身还可以抑制黑色素形 成酶- 酪氨酸酶的活性，从而消除由于代谢失调而引起的黑色素。膏霜类化妆品中适量 加入壳聚糖可增加人体对细菌、真菌的免疫力，阻碍原菌生长，消除由于微生物侵害而 引起的皮炎、粉刺，对破损的皮肤不但不会引起感染，还会促使其愈合，消除面部疾患。 壳聚塘与其他高分子物质复合制备的面膜，由于这种多糖类物质良好的亲水性、亲蛋白 性，对皮肤无过敏、无刺激、无毒性反应，且在成膜过程中使得整个面膜材料与皮肤接 触感明显柔和。壳聚糖分子结构中的游离氨基，可与金属离子如f e ”、m n 4 + 、a u 3 + 、h 矿、 p b ”、z n 2 + 、c u 2 + 、a g + 等产生螯合作用，形成络合物或沉淀，对金属离子予以封锁，使 产品质量提高。 1 1 3 3 美容化妆品 在美容化妆品中，壳聚糖具有易成膜、皮肤调理性能好、防止皮肤干裂、粗糙及老 化、加速伤口愈合、增强化妆品有效成分的透皮吸收、加速表皮细胞的代谢和再生能力 的功能。从两达到减缓衰老，修饰美容的效果。如果把它添加到霜膏，不但可以给皮肤 提供营养成分如胶原蛋白等，而且可填充在表皮产生的干裂缝中，和表皮脂膜层中神经 酰胺作用，最终和表皮长成一体，以达到修饰美容的效果。添有壳聚糖的化妆品对紫外 线和激光损伤的皮肤有很好的疗效，起到使损伤的皮肤再生，补充皮肤的水分，增加皮 肤的弹性，减少炎症减轻皮肤干燥症状的作用。壳聚糖与染料合成着色剂，将其精制成 的微粒，可以作为粉剂、唇膏、指甲油和眉笔等的底物，使它们更加易涂布和滑润，并 且不易结块，毒性明显降低。 1 1 3 4 其他洗涤用品 固体肥皂中加入壳聚糖和水溶性壳聚糖，能使皮肤有很好的润湿感；壳聚糖及其衍 生物可以预防龋齿和牙周溃疡，除去或减轻口臭。在牙膏中加入5 甲壳素无机酸或有 机酸颗粒，还可以改进研磨性与外观，同时有抗菌消炎的作用，成为口腔卫生的佳品。 1 1 4 壳聚糖在其它领域的应用【5 j 1 1 4 1 在医药和保健食品中的应用 壳聚糖在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，近来被作为保健食品的发展较快。壳聚糖对疾病的预防和保健作用有： 强化机体免疫功能，对身体进行全方位的调节，抑制老化，降低胆固醇，降血压，降血 糖，强化肝脏机能，抑制肿瘤。对神经内分泌系统有调节作用，使血管扩张，从而改善 腰酸背痛症状。治疗烧伤，烫伤，加速外伤愈合，增殖肠道有益菌，调节免疫功能，防 治痛风及尿酸过多症，防治胃溃疡，吸附体内有害物质并排出体外等。 4 第一章绪论 1 1 4 2 在食品工业中的应用 壳聚糖特别是甲壳低聚糖具有很好的抗菌活性，其抗菌机理与其结构中的氨基有 关，将其添加到固液食品中，既会对汁液有一定的澄清作用，又可起防腐保鲜作用，特 别适合于酸性或低酸性的食品保鲜。将壳聚糖的稀酸溶液或其衍生物的水溶液喷涂在果 蔬或鲜肉制品的表面后成膜，该膜对0 2 、c 0 2 等气体有选择通透性，既具隔氧透气的功 能，可以抑制果蔬的呼吸强度，达到保湿、护色、延长保鲜效果。由于壳聚糖能溶解于 弱酸中，是很方便的成膜材料。且这种膜是可食用膜，同时又可在水和热水中保持原状， 特别适合于固体、液体食品的包装。壳聚糖与其它物质复合可制成如香肠肠衣等的膜。 1 1 4 3 农业和环保领域的应用 壳聚糖作为酶固定化的载体的研究应用较多。目前，常见的方法是壳聚糖为载体， 戊二醛为偶联剂将酶固定。国内学者对多种蛋白酶的固定化的研究成果较多，甲壳低聚 糖( 特别是四、五、六糖) 对多种水果、蔬菜、粮食等作物在抗病虫害和促生长方面有显 著作用，在农业方面被认为是一种新型植物生长调节剂、土壤改良剂、植物病害诱抗剂 等，这将在农业生产上得到大力推广应用。壳聚糖因其分子链上的氨基和羟基都是很好 的配位基团，使其具有很多纤维素不具有的用途，它既是一种天然的高分子螯合剂，可 与重金属如c u ”、h 矿+ 、a g + 形成稳定的螯合物，用于提纯回收金属和从污水中去除有 害的重金属离子，又是一种天然的阳离子型絮凝剂，能使水中的悬浮物凝结而下降，用 于污水的净化处理。 1 2 壳聚糖衍生物 由甲壳素脱乙酰基而得到的壳聚糖，虽具有良好的吸湿、保湿性能，但仍不溶于水， 只能溶于稀酸溶液，使得其呈微酸性，用于化妆品中不仅对皮肤具有刺激作用，且不能 复配，而且随着时间的延长，会缓慢的降解，造成产品的粘度下降。壳聚糖酸性溶液的 这种不稳定性在很大程度上限制了其在化妆品中的应用。因此，人们广泛研究水可溶性 甲壳素和壳聚糖衍生物的制备。甲壳素和壳聚糖的大分子链上有氨基或羟基，利用它们 的反应活性，引入亲水基团，可得到水溶性衍生物， 1 2 1o 衍生物 甲壳素和壳聚糖的糖残基上都有羟基，可与多种物质发生反应。它们的糖残基上有 两种羟基，一种是c 6 一o h ，这是一级羟基；另一种是c 3 o h ，这是二级羟基。c 6 o h 既 是一级羟基，在空间构象上来说，又可以较为自由地旋转，位阻也小，而c 3 o h 是二级 羟基，不能自由旋转，空间位阻也大一些，所以o 衍生物主要发生在c 6 o h 位。 1 2 1 1o 一烃基化 将甲壳素与浓碱先制成冻结的碱化甲壳素，然后再与卤代烷烃反应，即可制得o 烃基化产物，如甲基醚、乙基醚及苄基醚，这样可以改善它们的溶解性或赋予另外的特 性，开发出一些新材料。目前国内在这方面研究不多，主要原因在于反应难以实现，有 待人们的进一步开发。 江南大学硕士学位论文 例如o 羟烷基化【6 】，很早的时候人们就对甲壳素和壳聚糖的羟基化进行了研究，结 果发现，壳聚糖与环氧乙烷类物质反应得到的羟基化衍生物都可以溶于水并且显示了良 好的吸湿性和形成的凝胶的保湿性。 羟乙基壳聚糖就是壳聚糖的一种重要衍生物，在工业上可用作纺织的上浆剂、塑料 的增塑剂、乳胶的稳定剂和织物的洗涤剂等。它的制备一般是由碱化甲壳素与环氧乙烷 或氯乙醇在碱性介质中进行的，如用环氧乙烷的制法：把粉状甲壳素在室温浸渍于n a o h 溶液中，制成碱化甲壳素，压滤切碎，与2 _ 4 倍量碎冰屑混合，降温至0 以下，搅拌 下加入环氧乙烷，即可制得羟乙基壳聚糖，其不足之处是化妆品对环氧物的残留规定严 格。 1 2 1 2o 一羧基化【7 ，8 】 壳聚糖在浓碱下与一氯醋酸反应可制得相应的羧甲基化产物6 0 羧甲基壳聚糖 ( c m c t s ) ，研究发现，它具有良好的溶解性能和优良的保湿性能。另外，6 0 羧甲基 壳聚糖还具有乳化稳定、增稠、抗静电的作用，与配方中各成分相容性好，并且6 0 羧甲基壳聚糖具有防腐作用，用于化妆品中时不需加防腐剂，其不足之处会生成难以分 离的副产物酰化产物。 1 2 1 3o 氰乙基化 甲壳素和壳聚糖都可以在碱性条件下与丙烯腈发生0 一氰乙基化，生成氰乙基醚。 1 2 2n 衍生物 9 】 甲壳素乙酰氨基n 上的h 是很稳定的，但在一些强烈的条件下，也能发生取代反 应。壳聚糖的氨基属于一级氨基，具有一对孤对电子，亲核性很强，n 上的h 较活泼， 既能发生n 酰化反应，也能发生n 烷基化反应。 1 2 2 1n 烷基化 壳聚糖与卤代烷和环氧衍生物发生反应，可制得n 烷基化衍生物，这种反应可同 时引进多个亲水性的羟基，增加衍生物的水溶性。如壳聚糖与环氧丙醇反应生成的n - 取代物，能溶于水；若壳聚糖与过量的环氧丙醇在水溶液中反应，壳聚糖氨基上的2 个 h 都被取代，生成n ，n - 双二- - 羟基正丙基壳聚糖，此产物易溶于水，如何用可以接受的原 料进行合成是此类产品开发的关键。 1 2 2 2n 酰化 壳聚糖与不同的羧酸酐发生反应，可制得n 一酰化衍生物。壳聚糖的n 一酰化作用， 一是用于壳聚糖氨基的保护，便于进行o 一衍生化反应，二是有些n 酰化衍生物对有些 癌细胞有选择性聚合作用，有作为抗癌药物的诱人前景。 研究还发现壳聚糖可与谷氨酸、天冬酸等反应生成n 酰化衍生物，它们具有很好 的稳定性，而且保湿性能优良，2 的衍生物的保湿性就明显优于1 0 甘油，但它们配 伍性能不好。 1 2 2 3n 羧基化 由壳聚糖与乙醛酸反应，得到席夫碱，然后用n a b h 3 c n 等还原剂作用得到吸湿、 6 第一章绪论 保湿性较好的n 羧基化壳聚糖衍生物。 如n 一羧丁基壳聚糖衍生物，证实了其保湿性、特性粘度及相对分子量与透明质酸 ( h a ) 的理化性质相近。从此意义上讲，它可以代替h a 。不仅如此，n 羧丁基壳聚糖 不含蛋白质、无异味，不影响化妆品( 如膏霜) 的乳化，更为主要的是n 羧丁基壳聚 糖具有很强的抑菌作用，这是h a 所不具备的，它可有效的抑制皮肤病菌。 1 2 2 4n n j 、三甲基季铵盐 见1 3 1 2 3 甲壳低聚【1 0 】 除上述两大类外，甲壳低聚糖也是重要的一种衍生物，它是甲壳素或壳聚糖经降解 生成的一类低聚物，制各方法有酸水解法、氧化法和酶解法三种。近年随着研究的深入， 甲壳低聚糖表现出独特的生理活性功能和显著的吸湿保湿性能。甲壳低聚糖相对分子质 量较小，较之大分子壳聚糖更易被皮肤吸收，以此制成的膏、霜类化妆品可通过毛孔等 直接渗入皮肤内部，起到调理、滋润的功效。研究表明，相对分子质量1 5 0 0 和3 0 0 0 的 甲壳低聚糖具有优良的水溶性，其吸湿和保湿能力均高于h a 、乳酸钠、甘油，且有显 著的抑菌作用。这类低聚糖将在化妆品中有一定的应用前景。 1 2 4 氧化衍生物】 甲壳素和壳聚糖的每个糖残基上有两个羟基，壳聚糖的糖残基上还有一个氨基，都 易被氧化剂氧化，氧化反应的机理很复杂，氧化剂的种类不同，反应p h 值不同，氧化 机理和氧化产物也不同。主要的现在比较成熟的研究是使c 6 o h 氧化成羧基，使得产品 水溶。为了避免c 2 和多糖链尽量不发生降解，必须使用选择性的氧化剂，如采用具有 选择性的氧化一级羟基的c r 0 3 作氧化剂，用高氯酸来保护氨基，得到c 6 全氧化的产物。 1 3 壳聚糖季铵盐的合成和应用 1 3 1 壳聚糖季铵盐的现有合成方法 由壳聚糖合成季铵盐国外一般有三种方法，一是在壳聚糖游离氨基是直接改性，与 碘甲烷反趔”】；第二种方法是先用壳聚糖用过量醛类及n a b h 4 还原合成n ，n - 二甲基壳 聚糖，然后与碘甲烷反应生成季铵盐【1 3 1 ；第三种方法所用较多，即和醛反应生成希夫碱 后用n a b h 4 还原成仲胺再与碘甲烷合成季铵盐【1 ”。现在国内多用是在氨基上接入一外 来的季铵盐分子，如壳聚糖羟丙基三甲基季铵盐，但该改性产物较壳聚糖三甲基季铵盐 可能有较大的毒性，且降解性能很差，不适合安全应用于化妆品中。 1 3 2 壳聚糖季铵盐的性质和应用 l 除了作为高分子阳离子表面活性剂的一般性质，壳聚糖季铵盐还有更多特殊的作 用。 自2 0 世纪7 0 年代以来，以季铵盐为相转移催化剂发展起来的相转移催化技术，为 有机合成和高分子合成提供了一种新技术，从而大大扩展了季铵盐的应用范围。正是由 于相转移催化技术的发展，壳聚糖季铵盐高分子季铵盐获得了人们的青睐，被称之为高 7 江南大学硕士学位论文 分子催化剂，也叫固相催化剂。 在环保中，利用其絮凝沉降作用以除去水中有害物质，是水处理研究的重点之一。 国外对壳聚糖季铵盐抗菌效果研究比较多1 6 , 1 7 ，证明它具有明显的抑制霉菌、细菌 和酵母的效果。 另外国外报导较多的是用于药物载体 i s , l9 】，因为壳聚糖季铵盐良好的生物相容性及 水溶性，使得一些水溶性较差的药物发挥更好的药效。 在离子交换材料上及一些重金属的选择性捕集剂上，现在的研究也逐渐渗透到其 中。 2 在化妆品方面，壳聚糖分子中引入季铵盐基团，增强了其水溶性，且分子中引入 季铵盐基团越多，分子的水合能力越强，持水能力也越强，因此有望成为来源丰富、性 能良好的化妆品添加剂。 壳聚糖季铵盐无细胞毒性、不溶血、不致敏、具有优良的生物相容性和成膜性，可 充分保持营养成分，由于良好的成膜性，壳聚糖膜季铵盐在人体表皮上会形成一道天然 屏障，可以阻断或减弱紫外线和病菌等对皮肤的侵害，还有良好的抑菌抗菌性能。 壳聚糖膜季铵盐最大的特点是其优秀的吸湿性和保湿性，由于它的结构及保湿机理 透明质酸相似，被认为是透明质酸的良好替代品。 壳聚糖本身具有乳化能力 2 0 1 ，而壳聚糖膜季铵盐又是一种高分子阳离子表面活性 剂，在乳化以及增稠上的作用不可忽视， 作为一种高分子阳离子表面活性剂，壳聚糖膜季铵盐拥有表面活性同时又具有很好 的杀菌抑菌能力，而且还具有高分子阳离子表面活性剂一些独特性质，如抗静电在护发 产品上的应用前景，这一点是价格昂贵的透明质酸所不能比拟的。 总的来说，由于壳聚糖来源极为丰富，应用范围也十分广阔，对它的化学改性如季 铵化具有较强的实际价值。 1 4 小结 壳聚糖的来源极为广泛，但它狭窄的溶解范围限制了它的应用。对它的分子结构的 改性使之水溶甚至醇溶是近年来研究的热点，本论文从廉价的低脱乙酰度壳聚糖为原 料，利用合成的中间体n ，n 二甲基壳聚糖，合成两种壳聚糖季铵盐衍生物，对所得产物 的乳化、保湿、抗氧化性能进行了测定，并和相应的常用化妆品原料进行对比，为其在 化妆品中的应用作前期准备。 第二章甲壳素提取及高脱酰度壳聚糖的制各与分析 第二章甲壳素提取及高脱酰度壳聚糖的制备与分析 虾壳或蟹壳中的甲壳以甲壳素和不溶于水的无机盐及蛋白质结合形式存在，由动物 甲壳制取甲壳素的过程实际就是使甲壳素、无机盐、蛋白质三者分离的过型2 1 1 。虾壳、 蟹壳中含有大量的无机盐，其中主要是碳酸钙，还有少量碳酸镁，以及半微量和微量的 铅、汞、锰、铁等。这些金属的盐酸盐都能溶于水，因此，用稀盐酸浸泡虾壳、蟹壳时， 壳中的碳酸钙等可被去除。壳中蛋白质数量也很大，蛋白质是一类两性化合物，既能溶 于酸，也能溶于碱，一般而言，在碱液中溶解的快一些，也溶解的完全一些，用碱液浸 泡，可将壳中蛋白质完全溶解出来。这样，剩余下来的就是甲壳素了。脱色可采用k m n 0 4 法和日光脱色，前者溶液会造成产品粘度等性状的变化，所以采用在日常阳光下脱色， 在阳光紫外线作用下，虾红素能被空气中氧气漂白。 甲壳素是酰胺类多糖，甲壳素脱乙酰基得到壳聚糖的制备过程，实质是酰胺的水解 过程。酰胺可以在强酸或强碱条件下水解，对于低分子的酰胺，水解可以进行的比较完 全，但对于多糖来说，极难完全，而强酸更容易水解糖苷键，所以一般用强碱。酰胺的 碱水解是一个亲核取代反应，酰胺和其它羧酸衍生物一样，都含有羰基，羰基的存在， 给亲核进攻提供了一个目标。 虽然前人在这方面做了大量的工作 2 2 , 2 3 1 ，但在从甲壳素得到高脱乙酰度壳聚糖方面 仍存在大量的问题有待解决，特别是如何控制反应时间和反应温度以及强碱的浓度等方 面仍有待进一步研究。我们通过实验，得到了较为理想的脱乙酰基过程，使得到的壳聚 糖产品有较高的脱乙酰度和粘度，为下一步改性实验打下了良好的基础。 2 1 甲壳素的提取 2 1 1 试剂与仪鼍 太湖产河虾壳自制 氢氧化钠中国医药( 集团) 化学试剂公司 盐酸中国医药( 集团) 化学试剂公司 电热恒温水浴锅江苏医疗器械厂 1 0 1 1 a 型电热恒温鼓风干燥箱上海锦昱科学仪器有限公司 j a - 1 0 0 3 电子天平上海精密科学仪器有限公司 其它及未注明试剂均为分析纯，以下各章同 2 1 2 实验步骤 1 选用河虾壳用净水冲洗去除残留虾肉干净后烘干，称重1 5 9g ； 2 将虾壳浸入3 0 0m l2 5m o l ln a o h 中，稍微升温，3h 后，过滤、洗涤至中性， 烘干； 3 把经n a o h 处理过的甲壳在1 0 0m ll m o l l 的h c i 中浸泡5h ，重复一次操作，过 滤、洗涤至中性； 9 江南大学硕士学位论文 4 将甲壳于阳光下放置3 天，等浅红色脱去变成珍珠色为止，得最终甲壳素1 7g ； 5 参照2 3 实验步骤，脱乙酰得壳聚糖1 4g 。 2 1 3 结果讨论 浸酸脱钙时间可根据反应的程度来决定，反应过程中会产生二氧化碳气泡，一旦停 止气泡冒出，说明大部分钙已脱下，再适当延长2 3h ，就足以保证完全脱钙。 虾壳中含有虾红素，为了获得洁白的甲壳素，可采用氧化剂k m n 0 4 来破坏虾红素。 但是，k m n 0 4 同样会对甲壳素分子链起断裂作用，降低了它的聚合度，直接影响产品 的粘度。尤其对这种江河产的虾壳，本身聚合度就不大，为此，可不采用r j v i n 0 4 氧化， 而采用日光脱色法。虾红素可以被日