（材料学专业论文）新型O油溶性壳聚糖衍生物的制备与应用基础研究.pdf

天津大学硕士学位论文 摘要 本文通过定位氨基保护技术，对壳聚糖6 位羟基进行亲油性修饰，制备了 o 9 - 十八烷酸壳聚糖( o n n c s ) 和o 2 羟丙基- n n 二甲基十八烷基氯化铵壳 聚糖( d m o a c s ) 。通过f t - i r 、 ”cn m r 、x r d 和d s c 对其结构、结晶性能、 和热力学性能进行了表征，测试了二者在通用有机溶剂中的溶解性能。利用 o n n c s 对食用油中游离脂肪酸、不饱和脂肪酸和重金属离子进行了吸附性能及 流变性能测试；研究了d m o a c s 对脂蛋白和胆汁酸的吸附性能。在此基础上， 以肥胖大鼠为模型，将这两种油溶性o 壳聚糖衍生物添加到动物饲料中，喂养 大鼠，进行肥胖的治疗与预防动物实验。 结果表明：改性反应主要发生在壳聚糖c 6 位羟基上，长链分子的引入降低 了壳聚糖的结晶程度和热力学转变温度。o n n c s 在油酸中具有很好的溶解性， 可在猪油脂和食用油中溶胀；d m o a c s 可很好的溶解于d m s o 和去离子水中。 o n n c s 可很好的吸附食用油中的不饱和脂肪酸和油脂，以及p b 2 + 和c u 2 + 两种重 金属离子。d m o a c s 对l d l 的吸附率较低，但对h d l 吸附率却高达8 5 。与 壳聚糖相比，d m o a c s 对胆汁酸的吸附性能显著升高，但o n n c s 有所降低， 且吸附性能与胆汁酸初始浓度正相关。 肥胖治疗与预防试验结果显示：实验6 周后大鼠体重明显降低，比对照组 下降18 - - 4 0 ，体脂含量下降4 0 8 0 ；动物的肝体比同时明显下降，肝脏胆固 醇含量下将9 0 - 6 0 ，肝脏脂肪含量下降3 0 - - 4 0 ：营养性肥胖大鼠粪便中脂肪 含量明显增加，高剂量组大鼠粪脂含量与对照相比增加2 0 - - 4 0 ：肥胖对照组大 鼠肝细胞呈严重的脂肪变性，而壳聚糖衍生物高剂量添加组大鼠肝细胞未见水变 性，肝窦恢复正常，细胞浆内仅见少许脂滴，脂肪变性程度明显减轻。壳聚糖衍 生物具有降低血糖、升高血清胰岛素水平的作用，与高脂饲料组相比较，壳聚糖 衍生物能够降低体内瘦素的水平。 关键词：壳聚糖衍生物油溶性吸附性能食用油胆汁酸脂肪 肥胖大鼠治疗与预防 摘要a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t w on o v e lo i ls o l u b l ec h i t o s a nd e r i v a t i v e s - - o n n c sa n dd m o a c s w e r ep r e p a r e dt h r o u g hi n t r o d u c i n go l e i ca c i da n dn ，nd i m e t h y l o c t a d e c y l aq u a t e r n a r y a m m o n i u ms a l tg r o u po n t ot h e6 - h y d r o x y lo fc h i t o s a nr e s p e c t i v e l y , w i t ht h e l o c a t i o n a lp r o t e c t i o no fa m i n og r o u p ，b e c a u s eo ft h ep r e s e n c eo fs o m eh a r m f u l s u b s t a n c e s ，s u c ha sf i e ef a t t ya c i d s ，s o m ek i n do fu n s a t u r a t e df a t t ya c i d s ，h e a v y - m e t a l i o n ，a n da s p e r g i l l u sf l a v u s ，t h ea b s o r b a b i l i t ya n dr h e o l o g i c a lb e h a v i o ro fo n n c si n t h ee d i b l eo i lw e r et e s t e d m o r e o v e r , t h ea b s o r b a b i l i t yt ol i p o p r o t e i na n db i l ea c i do f d m o a c sw e r ea l s os t u d i e d f i n a l l y , t h et w oo i ls o l u b l ed e r i v a t i v e sw e r er e s e a r c h e d i na n i m a le x p e r i m e n tw i t l lt h et r e a t m e n ta n dp r e c a u t i o nm e t h o d sr e s p e c t i v e l y i nt h er e s u l t ，o n n c sc a l ls o l v ei no l e i ca c i dw i t has o l u b i l i t yo f3 9 ，a n ds w e l li nl a r d o i la n de d i b l eo i l d m o a c sh a sag o o ds o l u b i l i t yi nd m s oa n dd e i o n i z e dw a t e r h o w e v e r , t h ed e s l r o yo fc r y s t a ls t r u c t u r ea l s od e c r e a s e st h e i rt h e r m o d ) r n a m i c a l c h a r a c t e r i s t i c o n n c sc a l ls e l e c t i v e l ya b s o r bu n s a t u r a t e df a t t ya c i d sa n dl i p i di n e d i b l eo i lw i t ht h er e s e r v a t i o no fo l e i ca c i dw h i c h4 sb e n e f i c i a lt oh e a l t h t sm o r e o n n c sa l s oh a sa ne x c e l l e n tc h e l a t i o nt op b 2 + a n dc u 2 + o n n c sh a sl i t t l ee f f e c tt o t h er h e o l o g i c a lb e h a v i o ro fo l e i ca c i d 嘶mac o n c e n t r a t i o nb e l o w1 5 h o w e v e r , w h e nt h ec o n c e n t r a t i o ni sb e l o w1 5 i tw i l li m p r o v et h ef l u i d i t ya t3 0 0 c t h ea b s o r p t i v i t yt ol d lo fd m o a c si sn o ti m p r o v e dc o n s p i c u o u s l y , b u tt h eo n et o h d li s h i 【g h e rt h a n8 5 c o m p a r i n gw i t hc h i t o s a n ，d m o a c sh a s ah i g h e r a b s o r b a b i l i t yt ob i l ea c i d ，b u tt h eo n eo fo n n c si sl o w e r a n dt h ea b s o r p t i v i t yi si n d i r e c tp r o p o r t i o nt ot h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o n b o t ho ft h et w om e t h o d so fa n i m a le x p e r i m e n ts h o wt h a tt h et w oo i ls o l u b l e c h i t o s a nd e r i v a t i v e sc a l ls i g n i f i c a n t l yl o w e rt h eb o d yw e i g h ta n db o d yf a tc o n t e n t t h e yc a nl o w e rt h es e r u n 2l i p i d ，g l u c o s ea n dl d lo fr a t s a n di n c r e a s eh d lt o d i f f e r e n tl e v e lw h i l ei n c r e a s et h ef e c e sf a te x c r e t i o na tt h es a l t l et i m e b e c a u s ea l lo ft h e s ec h a r a c t e r i s t i c s 、i mt h en o n t o x i ca n dg o o db i o c o m p a t i b i l i t yo f c h i t o s a n ，d m o a c si se x p e c t e dt ob eu s e di nt h et r e a t m e n ta n dp r e c a u t i o no fo b e s i t y , h i g hb l o o df a t ，a t h e r o s c l e r o s i s ，a n dt h e i rs y n d r o m e s 、v i 1t h ea b s o r p t i o no fb i l ea c i d t 1 天津大学硕士学位论文 a n ds e r u ml i p i d s o n n c sc a nb eu s e dt oa d j u s tt h ec o m e n to fe d i b l eo i la n dc l e a nt h e h e a v ym e t a li o n sa n dl i p i d si nt h eb o d ya n d e d i b l eo i l k e yw o r d s ：c h i t o s a nd e r i v a t i v e s o i l s o l u b l e a d s o r b a b i l i t ye d i b l eo i l b i l ea c i d l i p i d a n i m a le x p e r i m e n tt r e a t m e n ta n dp r e c a u t i o n i i i 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，也不包含为获得鑫鲞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：丑娃乡约( l 签字日期：w 6 年月_ z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼基鲎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) 学位论文作者签名：2 3 旌夕去色i 乙 导师签名 婶。 签字同期：p s 年月2 日 签字日期：乒万年f 月7 1 日 天津大学硕士学位论文 1 1 壳聚糖及其衍生物 第一章绪论 壳聚糖( c h i t o s a n ) 是由甲壳素( c h i t i n ) 经_ 4 0 6 0 浓碱加热至 8 0 1 2 0 处理数小时，脱去n 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 一脱氧一1 3 一d 一葡聚糖 。壳聚糖化 学结构式为如图1 1 所示。 0 图1 - 1 壳聚耱的结构式 f i g u r e l 一1s t r u e t u r eo fc h i t o s a n 随脱乙酰化度的不同，其分子链中存在含量不同的2 一n 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，可溶于无机酸和水杨酸、酒石酸及 抗坏血酸等有机酸中【i 】。在酸性介质中，壳聚糖的分子中的一n h 2 基 团被质子化为一n h 3 + 离子，产生酸性溶解；而未被脱n 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。但壳聚糖不能 溶解于大多数有机溶剂中。 壳聚糖具有如下一些特性：( 1 ) 吸湿性：甲壳素的吸湿率可达 4 0 0 5 0 0 ，是纤维素的两倍多，壳聚糖的吸湿性比甲壳素更强： ( 2 ) 透气性：壳聚糖膜透气率可达到7 1 0 “1 ( c m 2 s ) ：( 3 ) 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。( 4 ) 生物活性：壳聚糖本身无毒，降解后生成 氨基葡萄糖，具有良好的生物降解性和生物相容性，是安全的人体用 材料。( 5 ) 螯合性：壳聚糖游离的氨基有螯合二价金属离子的作用， 第一章绪论 是高性能的金属离子捕集剂。( 6 ) 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。( 7 ) 抗菌性： 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1 2j 。依靠以上特性，在水处理、环境保护、金属的提取和回收、 纺织、印染、造纸、食品、医学和制药等领域，壳聚糖都展示出了广 阔的应用前景，已引起国内外的广泛关注。 1 2 油溶性壳聚糖衍生物 1 2 1 引言 壳聚糖分子内含有大量活泼的氨基和羟基，易进行酰化、醚化、 烷基化、酯化、磺化、羧基化、季铵化等多种化学改性，可在分子链 中引入多种官能团从而获得许多性能各异的壳聚糖衍生物，赋予其 更多的特殊功能；但这些基团也易于形成分子内和分子间氢键，使其 具有紧密的晶体结构 3 l ，从而难溶于大多数有机溶剂，并且很难进行 物理微细粉碎，限制了壳聚糖更广泛的，应用。 很多研究力求通过改变溶剂体系来使壳聚糖更好地溶解于某些 复合有机溶剂中，以扩展其应用范围。日本富士纺织株式会卒土- 研制了 水一二氯乙酸c u c o3 一( n h 4 ) o h 复合溶剂体系来溶解壳聚糖制备壳聚 糖纤维；日本尤尼契克公司同样研制了三氯乙酸二氯甲烷复合溶剂 溶解壳聚糖；最近，还有报道以氯化锂n ，n 二甲基乙酰胺和n 甲基 吗琳一n 一氧化物水作为壳聚糖的溶剂体系，研究其溶解性和溶剂纺丝 性能。 但复杂的溶剂体系并不能从根本上解决壳聚糖溶解在通用有机 溶剂中而广泛应用的问题，所以研制一种能够溶解于通用有机溶剂中 的壳聚糖衍生物对于壳聚糖的发展和应用是至关重要的。对于壳聚糖 难溶于有机溶剂的原因较为普遍的观点是氨基与羟基通过分子间和 分子内氢键形成强硬的结晶结构1 4j 。所以大多数对于改进壳聚糖溶解 性的努力主要是针对氨基，通过移除其上两个氢原子，引入一些憎水 性基团或在羟基上引入长链分子等大基团来破坏内部结晶结构，从而 提高其在有机溶剂中的溶解性。此外还可通过形成电解质或降低壳聚 糖分子量后进行修饰的方式来提高壳聚糖的油溶性。 第一章绪论 是高性能的金属离子捕集剂。( 6 ) 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。( 7 ) 抗菌性： 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j 。依靠以上特性，在水处理、环境保护、金属的提取和回收、 纺织、印染、造纸、食品、医学和制药等领域，壳聚糖都展示出了广 阖的应用前景，已引起国内外的广泛关注。 1 2 油溶性壳聚糖衍生物 i 2 1 引言 壳聚糖分子内含有大量活泼的氨基和羟基，易进行酰化、醚化、 烷基化、酯化、磺化、羧基化、季铵化等多种化学改性，可在分子链 中引入多种官能团从而获得许多性能各异的壳聚糖衍生物，赋予其 更多的特殊功能；但这些基团也易于形成分子内和分子问氢键，使其 具有紧密的晶体结构”j ，从而难溶于大多数有机溶剂，并且很难进行 物理微细粉碎，限制了壳聚糖更广泛的- 应用。 很多研究力求通过改变溶剂体系来使壳聚糖更好地溶解于某些 复合有机溶剂中。以扩展其应j i ；】范围。日本富士纺织株式会丰土_ 研制了 水- 二氧乙酸- c u c o r ( n h 4 ) o h 复合溶剂体系来溶解壳聚糖制备壳聚 糖纤维；日本尤尼契克公司同样研制了三氯乙酸二氯甲烷复合溶剂 溶解壳聚糖：晟近，还有报道以氯化锂n ，n 二甲基乙酰胺和n ；- _ 基 吗琳一n 一氧化物水作为壳聚糖的溶剂体系，研究其溶解性和溶剂纺丝 性能。 但复杂的溶剂体系并不能从根本上解决壳聚糖溶解在通用有机 溶剂中而广泛应用的问题，所以研制一种能够溶解于通用有机溶剂中 的壳聚糖衍生物对于壳聚糖的发展和应用是至关重要的。对于壳聚糖 难溶于有机溶荆的原因较为普遍的观点是氨基与羟基通过分子间和 分子冈氢键形成强硬的结晶结构1 4 ，。所以大多数对于改进壳聚糖溶解 性的努力主要是针对氨基，通过移除其上两个氢原子，引入一些憎水 性基团或在羟基上引入长链分子等大基团来破坏内部结晶结构，从而 提高其在有机溶剂中的溶解性。此外还可通过形成电解质或降低壳聚 糖分子量后进行修饰的方式来提高壳聚糖的油溶性。 糖分子量后进行修饰的方式来提高壳聚糖的油溶性。 2 天津大学硕士学位论文 1 2 2 在氨基上进行修饰 1 2 2 1n 邻苯二酰壳聚糖 k e i s u k ek u r i t a 等1 4 】制各了n 邻苯二酰壳聚糖( 式1 1 ) ，可很好 地溶解于通用有机溶剂，且作为中间体经修饰可继续转化为多种油溶 性衍生物1 5 “】。即，用邻苯二酰基对氨基进行保护，以使其溶解于某 有机溶液，从而允许在均相条件下引入功能基团，而后用水合肼可在 1 0 0 0 c 除去邻苯二酰保护基。例如：在嘧啶存在的条件下对n 邻苯二 酰壳聚糖进一步修饰，可制备6 o 三苯甲基化一n 邻苯二酰壳聚糖。 由于是均相反应，产率很高，且产物与n - 邻苯二酰壳聚糖相比有更 好的油溶解性。某些衍生物甚至可溶解于低沸点的有机溶剂中。 避。一 。 1 2 2 2n 长链酰化壳聚糖衍生物 z o n g z 等1 9 1 将壳聚糖与己酰、癸酰、月桂酰的氯化物反应制备 了一系列酰化壳聚糖衍生物，在氯仿、苯、嘧啶、t h f ( 四氢呋喃) 等 普通有机溶液中有很好的溶解性。但在极性溶剂中的溶解性很差，可 在二氧杂环乙烷，d m f ，d m a c 中溶胀，不溶于d m s o ，只有己酰化 壳聚糖可在d m s o 中溶胀。 h i r a n o ，s h i g e h i r o 等1 0 ，1 在长链酰化壳聚糖衍生物方面做了很 多工作，制备了乙酰化、丙酰化直到硬脂酸酰化各种碳链长度的壳聚 糖衍生物。 1 2 2 3n 马来酰化壳聚糖衍生物 与n 邻苯二酰壳聚糖可溶于有机溶剂的机理相似，在壳聚糖氨 基上接入马来酸酐可使壳聚糖中自由氨基减少，部分氢键受到破坏， 得到的n 马来酰化壳聚糖衍生物( 式1 2 ) ，可溶于甲酸、二氧乙酸、 三氟乙酸、甲酰胺、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和二甲亚砜中：部 分溶于吡啶和丙酮：但不溶于苯、氯仿、四氢呋喃、乙酸、丙烯酸、 西 第一章绪论 甲醇、乙醇、间甲酚和水12 1 。 马来酸酐 d m f , 11 0 1 2 2 4n 一甲基磷酸一壳聚糖 在有机磷化合物中，二磷酸和磷酸起着重要的作用，且二磷酸对 钙离子有很强的亲和作用，可用于调节钙的新陈代谢。将其引入壳聚 糖，得到的n 一甲基一磷酸壳聚糖【13 1 可在d m f 和嘧啶中形成高粘度 溶胶，丙酮、乙醇中可形成低粘度溶胶，但不溶于d m s o 。含有磷酸 的化合物的活性要比含有羧基的化合物高。 1 2 2 5n 还原性烷基化壳聚糖 将壳聚糖溶解于稀醋酸水溶液和甲醇中，室温下用含有羰基的糖 ( 如：醛、酮、脂类糖) 对其进行还原性烷基化，制成的衍生物在水 中和有机介质中均可溶解【“】。此过程也可应用于非糖残基，如：脂 肪族、芳香醛和酮类与壳聚糖反应，可得到环己酮和多种邻羟基苯醛 类衍生物。当乳糖和丙醛以1 ：1 3 的比例混合，可获得水溶性衍生 物，且与丙酮、醚、乙醇和氯仿完全相溶。此方法简单，且其溶解性 可以调节，如通过改变取代基中疏水性基团的种类或疏水性基团与亲 水性基团的比例都可调节其在水中或有机溶剂中的溶剂性。 1 2 3 在羟基上进行修饰 1 2 3 1o 氰乙基壳聚糖 室温下壳聚搪的氰乙基化反应在氧原子上发生1 15 1 。o 氰乙基壳聚 糖可溶于甲酸、乙酸、丙烯酸、问甲酚、二氯乙酸、三氟乙酸、甲酰 胺、d m f 、d m a c 和d m s o 等溶剂中，可在甲醇、乙醇、丙酮、苯、 氯仿、四氢呋喃和吡啶中溶胀。o 氰乙基壳聚糖可用稀溶液浇铸法制 膜，其膜半透明，但韧性较差。 1 2 3 2o 苯甲酸壳聚糖衍生物 在壳聚糖羟基上引入对有机溶剂有较好亲和性的憎水基团一苯甲 4 1吣 、强 天津大学硕士学位论文 酰基，大大削弱了分子间氢链的作用。从而提高了其油溶性。o 苯甲 酸壳聚糖( 式1 3 ) 能溶于水和甲酸、乙酸、丙烯酸、二氯乙酸、三 氯乙酸、间甲酚、二甲亚砜、甲酰胺、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、 吡啶等多种有机溶剂中【16 1 ，且溶解性与介质的p h 值无关。 n ：- i t o & m “c h t * i d e l d c ：t l l m n e l u t p h o n k 扯i “d n h l 0 a i p i n gz h u 等”】在o 苯化壳聚糖基础上制备了磷酸胆碱o 苯 化壳聚糖( p c b c s ) 。通过引入苯基团使其可溶于d m f 和d m s o ， 进一步的反应可在均相体系中进行。 1 ，2 3 3o 丁酸壳聚糖衍生物 丁酸壳聚糖能溶于水和甲醇、甲酸、乙酸、二氯乙酸、三氟乙酸、 二甲亚砜、丙烯酸、甲酰胺、二甲基乙酰胺和间甲酚等多种有机溶剂 中，且溶解性与p h 值无关1 引。 1 2 4 聚电解质复合物 g a m z a z a d e ，a i 等 1 9 , 2 0 】制备了壳聚糖氢氯化物和硫酸右旋糖酐 钠的聚电解质复合物，此两种多糖分子都为半刚性链，但电荷相反。 研究表明此聚合电解质复合物在尿素存在的条件下有很强的静电性， 复合物溶液的浊度和稳定性对p h 值和加入的低分子量盐的性质有明 显的依赖性。此聚合电解质复合物可溶解于水、脲的水溶液，及水 油混合物中。 溶解性的扩展依赖于复合物的组成，且随某种低分子量盐的浓度 而改变。而复合物在某种有机溶剂中的溶解性与复合物的组成无关， 但随水的加入或温度的升高溶解性不断提高。获得最高溶解性的条件 为：水d m s 0 = 3 0 ：7 0 。此外，研究还表明：增强壳聚糖氢氯化物的质 子化作用或改变介质的性质都会改变复合物在水介质或水油混合物 中的溶解性。 1 2 5 低分子量壳聚糖 用n a b o3 处理溶于醋酸水溶液的壳聚糖均相体系，再用乙酸酐 叶伸商 ) 、 蚤 第一章绪论 处理可降低壳聚糖分子量，得到半氨基乙酰化壳聚糖衍生物2 。分 子量的降低使水溶性得到了提高，在d m a 和d m s o 中也有较高的溶 解性，且分子量越低，其溶解性越高。在d m s o 中的溶解性略高于 d m a c 中的溶解性。 1 2 6 小结 表1 1 各油溶性壳聚糖衍生物的溶解性 ! 苎垒! ! ! ：! ! 坠竺兰21 坚坠! ! i ! z2 q ! ! 曼21 坚垒! ! 曼皇! ! 竺! 苎坠旦! ! i ：璺! i ：宝! s u b s t i t u t e or g an i cs o i v e n t 舢扪“i 鬲鬲i 赢五百而i 忑瓦而 n - p h t h a l o y l c h i t o s a n 6 一o t r i m e t h y l s i l y l - n - p h t h a l o y l c h l t o s a n 半氨基乙酰化壳聚糖 l o n g c h a i n - a c y l c h i t o s a n n - m e t h y l e n ep h o s p h o n i c c h i t 0 s a n o - c y n a o e t y l c h i t o s a n 且y d r o x y p r o p y l - c h i t o s a n b e n z o y l c h i t o s a n 聚电解质 低分子量壳聚糖 ( o ：d is s o i v e d ，：s w e l l i n g ，o ：g e l ) 注：此衰中数磊为综合各文献而得出没有标明的并不表明不溶解，只是相关文献中 没有指出。 表1 1 列出了一些油溶性壳聚糖衍生物的溶解性，比较可知：各 油溶性壳聚糖衍生物所能溶解于的有机溶剂的范围和溶解度各不相 同，真正能溶于通用有机溶剂的衍生物并不多，只有n 邻苯二酰壳 聚糖、n 一长链酰化壳聚糖和o 苯甲酸壳聚糖的溶解性较宽，其他油 溶性壳聚糖只能溶解于特定的有机溶剂中，且以氨基修饰为主。但是 壳聚糖吡喃糖环上的氨基被认为是壳聚糖具有众多强大功能性的主 要原因之一，如抗菌性、金属螫合性等。这势必将影响其进一步应用 和性能的发挥。且许多油溶性壳聚糖均以大的憎水性基团进行取代， 有些制备过程中用到芳香族化合物和氰化物等有毒物质，而油溶性壳 聚糖应用的重要一方面就是在生物医学中作为油脂、胆固醇等的吸附 剂，金属螯合剂，或与人体接触的抗菌剂等，制各过程中残余的有毒 - o _ o - o o o o 0 o o o o o o o - o 霉l 霉l 帆 一 霉】 删 删 删 天津大学硕士学位论文 物质将对人体造成威胁，因此发展无毒无害的油溶性壳聚糖将成为油 溶性壳聚糖衍生物的主要研究方向。 1 3 壳聚糖及其衍生物在减肥及其并发症上的应用 1 3 1 引言 肥胖已成为当前全球性流行病。目前，世界上约有1 2 亿肥胖病 患者，欧美发达国家的肥胖发病率高达4 0 以上 2 2 1 ，中国的肥胖患 病率也正迅速上升。有专家预测，在未来1 0 年内，中国的肥胖人群 可能会超过两亿。肥胖的同时还伴随着危险的并发症 2 3 l ：肥胖者发 生i i 型糖尿病的相对危险性是普通人群的3 倍以上，患冠心病危险 是普通人群的2 至3 倍【2 4 】：肥胖也是心血管病的独立危险因素，此 外，肥胖可增加发生癌症、消化系统疾病、呼吸系统疾病和骨关节病 的危险性；肥胖还可导致高血压，进而诱发脑血管病，并己成为脑血 管病发病的最危险因素。近年来，对肥胖病人的遗传与能量代谢。脂 肪细胞的形态与功能及其代谢调节、分化机制等的研究，使人们对肥 胖的发病机制有了较深的认识。但由于肥胖的影响因素较多，相互作 用的机理较为复杂，此方面的研究仍尚未产生突破性进展。 治疗肥胖已成为最难的健康问题之一。目前虽然已有多种治疗方 法：如不同饮食行为矫正、营养咨询、药物治疗和饮食添加剂等，但 仍未根本解决问题。节食是减肥的主要手段，但不能对于食欲过盛的 人奏效，不断的饥饿会打乱减肥者的正常生活，还可能引起胃灼热或 烧心和胃酸的痛苦 2 4 1 。减肥药的出现弥补了这一缺点，但不同的减 肥机理使当今的减肥药品有着不同的功效。一般而言，减肥药物旨在 减少和保持负能量平衡状态以达到期望的体重。它们通常分成四类： 1 ) 通过其对脑的作用抑制能量( 食物) 摄取( 减少食欲) 降低饥 饿感：( 2 ) 通过脂肪末梢、胃肠作用机理抑制脂肪吸收，减低能量摄 入：( 3 ) 经末梢机理增大能量消耗；( 4 ) 刺激脂肪末梢代谢作用，降 低脂肪质量或减少甘油三酯合成。 壳聚糖己被证明对于脂肪具有明显的吸附作用【2 “，并开始被应 用于最新的减肥药物中。在日本壳聚糖减肥药品发展迅猛，已有成为 减肥药主流的趋势。日本厚生省1 9 8 5 年拨款6 0 亿日元给一些医科大 学，作为甲壳素基础研究和应用开发的费用。日本的几丁聚糖保健品 “救多善”，1 9 9 6 年进入中国市场，一年就从中国拿回10 亿人民币， 第一章绪论 折合1 4 3 亿日元，是厚生省当年拨款的2 3 倍。19 9 9 年，健康产业 新闻对全日本7 0 家食品店铺和药品店铺调查了主要畅销的减肥食 品材料，在药店系统中位居第一的就是壳聚糖减肥药 2 6 】。 1 3 2 肥胖及其并发症的相关基础理论 1 3 2 1 脂肪的消化和吸收的过程 人体中的脂类共分两种：脂肪和类脂，前者为三脂酰甘油或称甘 油三脂；后者主要指磷脂、糖脂、固脂等。类脂的量在人体中相当稳 定，不因肥胖或饥饿而增加、减少。 流入小肠内的胆汁中含有胆汁酸盐，是较强的乳化剂，可使疏水 的甘油三脂及胆固醇酯等乳化成小脂滴，有利于脂类的消化；同时可 与共脂肪酶作用激活脂肪酶，使甘油三脂水解为游离脂肪酸和甘油 2 一单脂。这些脂解产物在肠道表面细胞内形成乳糜微粒，部分经淋巴 系统进入血液，剩余的被肠道吸收进入粘膜细胞而合成脂肪【2 ”。 当体内能量匮乏时，通过脂肪酶优先动员和分解脂肪组织中的脂 肪，脂肪分解为自由脂肪酸和甘油进入血浆，运至其他组织进行代谢， 为肌体提供能量。所以如果对脂肪酸、胆汁酸盐和甘油进行适 量的吸 收可以促进脂肪的分解、抑制脂肪吸收而达到减肥、保持体型的效果。 现代医学认为脂肪组织是一个高度活性的内分泌器官，它涉及体 内的代谢与体内稳态。其生物活性首先表现为脂肪细胞特有的激素 一一瘦素( 1 e p t i n ) ，它对调控食欲及肝肌肉、上皮和肾上腺的末柏效 应起着重要作用。这样，如果能控制脂肪细胞的合成与分泌，以瘦素 等物质作为信号分子，即可以控制食物摄入及能量代谢，进而解决肥 胖问题。 1 3 2 2 脂蛋白代谢 血浆脂蛋白是脂质和蛋白的复合体，基本功能是作为血液中运 输脂质的载体。脂蛋白按密度的不同分为四种：乳糜微粒、极低密度 脂蛋白( v l d l ) 、低密度脂蛋白( l d l ) 和高密度脂蛋白( h d l ) 。乳糜微 粒和极低密度脂蛋白都是以甘油三酯为主要组分的颗粒，乳糜微粒起 源于粘膜细胞，密度小于0 9 4 9 m l ，主要功能是作为将食物中的外 源性脂质向肝和外周组织运输的载体。极低密度脂蛋白的来源是肝 脏，密度为1 0 0 6 9 m 1 ，用于运输内源性脂质。低密度脂蛋白主要 由极低密度脂蛋白代谢产生，密度1 0 19 1 0 6 3 9 m l ，富含胆固醇 天津大学硕士学位论文 和胆固醇酯，低密度脂蛋白的主要功能是运送胆固醇到肝脏或肝外组 织。高密度脂蛋白颗粒最小，蛋白相对含量最高，富含胆固醇和磷脂， 密度1 0 6 9 1 2 1 9 i n l 。 高水平的l d l 与加快动脉粥样硬化有紧密联系，动脉粥样硬化 斑中沉积的脂肪主要来自l d l 与受体相关或无关的作用机制调节 了动脉粥样硬化血管壁内胆固醇的吸收与沉积。 流行病学研究显示，血浆中h d l 水平与冠心病的发生率呈负相 关关系。实际上h d l 是肝外组织中胆固醇的优先受体，它的“胆固醇 反向输送”机制将胆固醇从肝外组织运向肝脏，使胆圃醇在肝中被代 谢。h d l 可以抑制或清除动脉管壁上沉积的胆固醇，与此相反，l d l 将胆固醇运往动脉管壁。此外，h d l 对动脉粥样硬化发挥了多种有 益的作用。h d l 可作为抗氧化剂干扰l d l 对内表皮细胞的细胞毒性 作用和泡状细胞形成、抑制l d l 的聚集，并通过对l d l 受体的竞争 性抑制减少内表皮细胞对l d l 的吞噬作用【2 ”。 1 3 3 壳聚糖在减肥领域的应用 1 3 3 1 壳聚糖减肥机理 很早人们就发现单纯的壳聚糖可以吸附自身重量很多倍的油 脂，相关动物实验【2 9 】发现：壳聚糖能有效阻止消化系统吸收胆固醇 和甘油三脂，防止胆固醇及脂肪酸在体内蓄积，促进这些物质从体内 排出。如饲喂高脂肪混合饲料的大鼠，同时加入壳聚糖两周后，实验 组的粪便中脂肪含量明显高于对照组【3 。壳聚糖能够吸附油脂的机 理一般认为是自身的氨基使其成为聚阳离子体，可与带负电的脂肪酸 离子相吸附。 由于聚阳离子性，壳聚糖还可以与胆汁酸结合影响脂类乳化而 减少其吸收，促进胆固醇转化为胆汁酸的作用。由于壳聚糖容易和胆 汁酸结合并全部排出体外，那么，为了保持胆汁酸正常含量就必须在 肝脏中将胆固醇转化为胆汁酸，其结果是血液中的胆固醇含量随之下 降，从而具有显著地减肥功能。 从胃到肠，随着p h 值的增加，壳聚糖的吸附絮凝物( 包含壳聚 糖、胆汁酸和吸附的脂肪、胆固醇) 不会进入血液中，且不能被消化 而正常的被排出体外。这些特点都决定了壳聚糖自身很适于人体内的 减肥应用。 但是壳聚糖作为聚阳离子化合物，一般不能与中性油发生吸附 第一章绪论 反应，对脂肪物质在胃中会分解成的胆固醇、甾醇、甘油三酸酯等中 性油吸附能力不强；而且由于壳聚糖与脂肪不能互溶，极大的限制了 壳聚糖与脂肪及脂肪酸的相互作用；再者，由于壳聚糖在肠道环境中 为不溶解状态，降低了对脂肪酸的吸附效率：此外，单纯使用壳聚糖 会引起便秘等副作用。 因此人们开始将壳聚糖与其他具有减肥或可抑制其副作用的物 质共同使用而提高其对油脂的吸附能力。另外，还可以通过对壳聚糖 进行改性，使用其衍生物来提高吸附油脂的效率。 1 3 3 2 壳聚糖与具有特殊功效的天然产物复合作减肥药物 ( 1 ) 壳聚糖和植物提取物复合 使用壳聚糖或壳聚糖脂肪复合盐来进行减肥的缺点在于会导致 便秘。而芦荟中包含的芦荟皂角苷可起轻度腹泻来弥补壳聚糖导致的 便秘影响【3 ”。另外，加入盐酸甜菜碱可以增强抗脂肪肝活性，并提 高胃液酸度来促进壳聚糖在胃中的分散；加入燕麦纤维或d 葡萄糖 可通过增加胆汁酸分泌来降低血清蛋白h “。 维生素c 与壳聚糖抑制脂肪的消化吸收有协同作用【” 。如果在 给予s d 大鼠高脂饮食的同时持续大量给予壳聚糖和维生素c 钠盐， 在脂肪消化吸收受到抑制的同时，矿物质如钙离子以及脂溶性维生素 e 吸收受到了抑制，其效率要比单独的壳聚糖高的多。 烟酸是一种强力抗脂解药物，具有降低甘油三酯及游离脂肪酸 的作用。利用壳聚糖与烟酸反应并加入一些维生素酸如：维生素c 、 叶酸、泛酸和维生素h 等，制备减肥药，可以通过口服来降低血清 中胆固酵和高密度脂蛋白的含量。 3 4 - 3 7 1 红葡萄提取物具有很高的抗氧化活性，洋蓟提取物可有效地抑 制因脂肪肝引起的肝肥大及功能损伤，欧蒲公英提取物可有效地激活 肝、肾功能。最近日本相关专利 3 8 】以脱乙酰壳聚糖、红葡萄提取物、 洋蓟提取物和欧蒲公英提取物在亲水性溶剂中混匀来制备减肥药，用 于强化降低血胆圃醇、过氧化脂质和甘油三酯，减轻体重、脂肪组织 重量、应激和反弹。 ( 2 ) 壳聚糖与中药复合 我国在壳聚糖减肥方面研究较多的主要是壳聚糖与中药的复 合：运用壳核糖作为大黄的粘结剂与稳定荆，制成的大黄壳聚糖片 3 9 1 天津大学硕士学位论文 能使传统中药大黄的致泻副作用大大减弱。防胖和减肥试验中明确显 示大黄壳聚糖片能减轻大鼠体重，明显减少脂肪重量和脂体比，显示 有良好的减肥作用。 决明子是一种药食两用的中药，具有降脂，改善胃肠功能的作 用。将水溶性的羧甲基壳聚糖与决明子复合制成复方壳聚糖 4 0 - 4 2 ， 对于内源性高胆固醇血症和由于外因胆固醇的迅速吸收或加速肝脏 中胆固醇的合成所致的血清胆固醇升高均有明显抑制效果，且对高密 度脂蛋白胆固醇具有显著升高作用，这对防治高脂血症和心血管病有 重要意义。 左旋肉碱化学名为l p 羟基一三甲基铵丁酸，是控制脂肪酸代 谢的重要因子，若消耗脂肪比作燃料，那么l 肉碱则是氧气。魔芋 中含有6 0 左右的葡萄甘露聚糖，为可溶性膳食纤维，具有促进肠 蠕动、降压、降血糖、降低胆固醇、通便等多种生理功能。将壳聚糖、 l - 肉碱和魔芋三者有机配合服用，他们可以不同方式协同作用，进而 达到减肥之功效，其效果比长时间服用大剂量的单一组分效果要好 【4 。此外，也有将亚麻油与壳聚糖复合用于减肥的报道 4 “。 1 3 3 3 壳聚糖衍生物作为减肥药物 交联的n o 羧甲基壳聚糖可以从乳清中吸附甘油三脂 4 5 ，4 。壳 聚糖经戊二醛交联后再用苯丙氨酸修饰，这种吸附剂在体外对胆固醇 的饱和吸附量达到5 4 7 5 m g g ：用色氨酸修饰的交联壳聚糖，当血清 胆固醇总浓度为9 5 4 m r n 0 1 1 时，在3 7 下吸附1 小时，血清脂蛋白 的去除率为4 6 1 ：苯丙氨酸修饰的交联壳聚糖吸附4 4 6 ，这神 壳聚糖树脂可用、于体外血清灌流1 3 0 。 f u r d a 2 9 1 发现壳聚糖能结合一定量的脂肪酸来合成复合盐。并称 这种结合是由于壳聚糖中的自由氨基形成离子键从而获得了比通常 吸附要强得多的结合效应。这种壳聚糖脂肪酸复合物在被哺乳动物摄 入后，将结合多余的脂肪，这些脂肪包括甘油三酸酯、脂肪酸、胆汁 酸、胆固醇和其他的固醇，而这些被结合的脂肪将被哺乳动物排出体 外 7 , 2 4 。 许加超等人1 4 7 将定量的壳聚糖与定量的油酸，在一定的温度条 件下，经高速搅拌器均化而成的高质量的壳聚糖油酸酯乳液，进行了 人体试验，观察了7 8 名肥胖症患者应用壳聚糖油酸酯前后体重和血 脂的变化。结果表明：应用了6 0 天降低体重总有效率为9 7 4 ，平 第一章绪论 均降低3 8 k g ，胆固醇、甘油三酯明显降低。 另外还可以通过改变壳聚糖的形态来提高其减肥效果。例如， 球状壳聚糖对血浆低密度脂蛋白及极低密度脂蛋白有较好的吸附性， 可用于高质血症患者的血液灌流：珠状壳聚糖对胆固醇，甘油三脂均 有明显的吸附作用，且随脱乙酰度的提高而吸附率增大【3 0 】。 1 3 3 4 壳聚糖减肥商品 美国f d a 对于壳聚糖作为减肥商品的评价是：壳聚糖可吸收其 自身重量4 - 5 倍的脂肪，与摄入其他天然纤维，如：木棉花、胶质、 瓜尔豆、纤维素、甲壳素、角叉菜、海藻酸钠、槐豆、魔芋、刺梧桐 树胶、琼脂等相比。摄入壳聚糖可以使肌体摔出5 1 0 倍的脂肪。壳 聚糖是一种不被消化的食用纤维，可以吸收脂肪和促进食用脂肪和胆 固醇的排出【4 ”。但并没有明确表示壳聚糖可用于有关人的减肥药品 中。 虽没得到政府文字上的认定，但以壳聚糖及其衍生物为主要成 分的各种减肥产品依然层出不穷。普通的壳聚糖产品己在欧渊和日本 卖了大约2 0 年，但其中大多数为纯壳聚糖制品，实际上并不能在人 体内吸附足够量脂肪来达到减肥的目的。此外，还有一些复合或改性 的壳聚糖减肥商品，如：c h i t o s o l 、c h i t o s a nh d l i p o s a nu l t r a 、 c h i t o s l i m 、x f a t 、c h i t o s a np l u s 、c h i t o r e x 、c h i t o s u r e 、维亭 及风暴减肥胶囊等。 1 3 4 展望 单纯靠天然壳聚糖利用其聚阳离子性来对油脂进行吸附进行减肥 显然是不现实的，其减肥产品的减肥效率也不会很高。而将壳聚糖与 其他物质进行复合也只是利用其他物质的特殊功效来中和壳聚糖的 一些副作用或进行一些辅助作用，并不能从根本上提高对脂肪的吸附 效率。因此需要通过对壳聚糖进行改性，增强其在油脂中的溶解能力， 改善壳聚糖吸附剂与油脂的作用环境，增加壳聚糖与油脂的作用面积 和作用力，从而提高对脂肪的吸附能力。 丕翌奎兰堡主堂堡丝苎 1 4 壳聚糖衍生物在食用油后处理领域应用初探 1 4 1 引言 食用油脂是每个人日常膳食中必不可少的组成部分，其成分十分 复杂，其中很多成分正威胁着人体健康；另一方面，人们对食用油脂 的质量要求也越来越高：除具有优秀的感官指标( 如无臭无味，色泽 浅和漂亮的外观) 和质量稳定性外( 氧化稳定性，低温稳定性，货架 期1 ，还需具有营养方面的指标，如反式酸含量低，含有丰富的天然 维生素和天然抗氧化剂，聚合物含量低和外来污染物如重金属、杀虫 剂、芳烃杂环化合物等含量低。因此，食用油脂精炼和后处理技术亟 待进一步提高。 表i - 2各类油脂的脂肪酸含量分析结果单位： ! ! 坠! ! ! ：z ! 坠! 墨! ! 旦! 12 1 垒翌苎! z ! ! ! ! 兰苎! ! z 垒! ! 垡i 翌! 坠宝三= i p i 旦l ：丝! 名称棕榈酸硬脂酸油酸亚油酸亚麻酸廿碳烯酸芥酸 常规菜籽油 常规菜籽二级毛油 常规菜籽色拉油 低芥酸菜籽油 3 。9 3l 。5 l1