羧甲基壳聚糖（教学课件）

1、壳聚糖,1.概述,甲壳素的发现和命名 甲壳素的存在 壳聚糖的物理性质 壳聚糖的化学性质,1.1 甲壳素的发现和命名,1811年 H.Braconnot 温热的稀碱容易反复处理蘑菇 1823年 A.Odier 甲壳类昆虫翅鞘中分离，命名Chitin 1843年 A.Payen 发现Chitin与纤维素性质不同 J.L.Lassaigne 发现Chitin中有氮元素,1.1 甲壳素的发现和命名,1878年 G.Ledderhose 从Chitin的水解反应液中检出 了氨基葡萄糖和乙酸 1894年 E.Gilson 进一步证明Chitin中含有氨基葡萄 糖，后来研究证明，Chitin是有N-乙酰基葡

2、 萄糖缩聚而成的。,1.1 甲壳素的发现和命名,甲壳素(Chitin),1.1 甲壳素的发现和命名,纤维素,1.1 甲壳素的发现和命名,1859年 C.Rouget将甲壳素浸泡在浓度KOH溶液 中煮沸一段时间，取出发现可溶于有机 酸中。 1894年 F.Hoppe-Seiler确认这种产物是脱掉了部 分乙酰基的甲壳素，并命名为Chitosan。,1.1 甲壳素的发现和命名,壳聚糖(Chitosan),1.1 甲壳素的发现和命名,壳聚糖是甲壳素的N-脱乙酰基的产物，一般而言，N-乙酰基脱去55%以上就可以称之为壳聚糖，这种脱乙酰度的壳聚糖能溶于1%乙酸或1%盐酸。 作为有实用价值的工业品壳聚糖，

3、N-脱乙酰度必须在70%以上。,1.1 甲壳素的发现和命名,1.1 甲壳素的发现和命名,根据N-脱乙酰度可以把壳聚糖分为： 55%-70%为低脱乙酰度壳聚糖 70%-85%为中脱乙酰度壳聚糖 85%-95%为高脱乙酰度壳聚糖 95%-100%为超高脱乙酰度壳聚糖（极 难制备）,1.2 甲壳素的存在,天然有机化合物中，数量最大的是纤维素（植物生成），其实是甲壳素（动物生成）。 甲壳素是地球上除蛋白质外数量最大的含氮天然有机化合物。,1.2 甲壳素的存在,在自然界的存在 甲壳素广泛存在于甲壳纲动物虾和蟹的甲壳、真菌（酵母、霉菌）的细胞壁和植物（如蘑菇）的细胞壁中。,1.2 甲壳素的存在,1.2 甲

4、壳素的存在,存在状态 甲壳类动物外壳的结构材料就是甲壳素，它既有生理作用，又能保护机体防止外来机械性冲击；同时，还具有吸收高能辐射的性能。在真菌的细胞壁中，甲壳素与其他多糖相连，在动物体内，则是与蛋白质结合成蛋白聚糖。,1.2 甲壳素的存在,存在状态 甲壳素的结构因氢键类型不同而有三种结晶体： -甲壳素，由两条反向平行的糖链组成 -甲壳素，由两条同向平行的糖链组成 -甲壳素，由三条糖链组成，其中两条同向，一条反向。,1.3 壳聚糖的物理性质,一般物理性质 甲壳素是白色或灰白色无定形、半透明固体，分子量因原料不同而有数十万至数百万，不溶于水、稀酸、稀碱、浓碱、一般有机溶剂，可溶于浓的盐酸、硫酸、

5、磷酸和无水甲酸，但同时主链反生降解。,1.3 壳聚糖的物理性质,一般物理性质 壳聚糖也是白色无定形、半透明、略有珍珠光泽的固体，因原料和制备方法不同，分子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，壳聚糖的主链会缓慢水解，溶液黏度会逐渐降低，所以壳聚糖溶液应随用随配。,1.3 壳聚糖的物理性质,结构特征 研究证实，甲壳素与其他多糖一样，其分子链也是螺旋形，XRD照片给出的螺距为0.515nm，一个螺旋平面由6个糖残基组成。,1.3 壳聚糖的物理性质,红外光谱,1.3 壳聚糖的物理性质,核磁共振氢谱（1HNMR）,1.4

6、 壳聚糖的化学性质,O-酰化和N-酰化 壳聚糖可与多种有机酸的衍生物（酸酐、酰卤）反应，导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基。 壳聚糖分子链的糖残基上既有羟基，又有氨基，酰化反应既可在羟基上成酯，也可在氨基上成酰胺。,1.4 壳聚糖的化学性质,含氧无机酸酯化 甲壳素和壳聚糖的羟基，尤其是C6-OH，可与一些含氧无机酸（或其酸酐）发生酯化反应，类似于纤维素的反应。 在壳聚糖的氨基上也可能发生反应。,1.4 壳聚糖的化学性质,含氧无机酸酯化 在含氧无机酸的酯化反应中，最常见的是甲壳素和壳聚糖的硫酸酯。 这些酯类的结构与肝素相似，也具有抗凝血作用，而肝素的提取和生产较为困难，价格很高。肝素还有引起血浆

7、脂肪酸浓度增高的副作用。,1.4 壳聚糖的化学性质,醚化 甲壳素和壳聚糖的羟基与烃基化试剂反应生成醚（甲基醚、乙基醚、苄基醚等），广泛用于日化工业。 此外，用低分子冠醚通过接枝于高分子化合物分子上，可制备具有高分子化合物和冠醚化合物双重结构特性的高分子冠醚。,1.4 壳聚糖的化学性质,N-烷基化 壳聚糖的氨基是一级氨基，有一孤对电子，具有很强的亲核性，能发生很多反应。 甲壳素的乙酰氨基的N上只有一个H，很稳定，但在一些强烈条件下，也能发生取代反应。,1.4 壳聚糖的化学性质,氧化 甲壳素和壳聚糖可以被氧化剂氧化。 氧化剂不同，反应的pH不同，机理和产物也不同，既可使C6-OH氧化成醛基或羧基，

8、也可使C3-OH氧化成羰基（成酮），还可能发生部分脱氨基或脱乙酰氨基，甚至破坏吡喃环及糖苷键。,1.4 壳聚糖的化学性质,螯合 甲壳素和壳聚糖的糖残基在C2上有一个乙酰氨基或氨基，在C3上有一个羟基，它们都是平伏键，这种特殊结构使得它们对具有一定离子半径的一些金属离子在一定的pH条件下具有螯合作用，尤其是壳聚糖。,1.4 壳聚糖的化学性质,壳聚糖与金属离子通过离子交换、吸附、螯合三 种形式发生结合。 特点: 壳聚糖与金属离子螯合后，本身的结构并未改变，但产物性质变了。 正因为碱金属和碱土金属不会被壳聚糖螯合，因此壳聚糖可在存在这些离子的水溶液中螯合分离过渡金属离子。,1.4 壳聚糖的化学性质,

9、当有两种或两种以上的过渡金属离子共存于一种溶液中时，将是离子半径合适的离子优先被壳聚糖结合。 氧化价态不同，结合能力也不同。 壳聚糖对过渡金属离子的结合受到阴离子的影响，氯离子会抑制金属离子的结合量，硫酸根离子会促进结合。,1.4 壳聚糖的化学性质,交联 为了使壳聚糖得到很好的应用，需要把它制成交联产物。交联剂有戊二醛、甲醛、环氧氯丙烷、环硫氯丙烷及二异氰酸酯等。 交联后的产物不溶于稀酸，吸附性能好，可再利用。,2.壳聚糖的生产技术,脱乙酰化原理 资源化法 微生物法 微波法 壳聚糖的质量控制,2.1 脱乙酰化原理,三个特点：a. b. c.,2.2 资源化法,综合生产法 蝇蛆壳（干蛆皮含有30

10、%54.8%的甲壳素） 蚕蛹壳（含有33%44%的甲壳素） 柠檬酸发酵渣（发酵废渣主要是废菌丝体，含有20%22%的甲壳素，成本低） 蝉蜕（产率约27.0%33.3%）,2.3 微生物法,甲壳素是绝大多数真菌细胞壁的主要组成成分，只有少数真菌的细胞壁不含甲壳素。甲壳素处于真菌细胞壁的内层部位，临近质膜，是真菌菌丝尖端延长部位的主要组分。 真菌中的甲壳素是-甲壳素。,2.4 壳聚糖的质量控制,脱乙酰度的测定 黏度的测定 灰分的测定 砷、汞、铅的测定 含氮量的测定 水分测定 微生物检测,2.5 壳聚糖的质量控制,3.特种壳聚糖的制备,高黏度壳聚糖 高脱乙酰度壳聚糖 水溶性壳聚糖 羧甲基壳聚糖 低聚

11、糖,3.1高黏度壳聚糖,高黏度壳聚糖，一般是指1000mPa/s以上的壳聚糖。 优点：分子量高，制成的膜或纤维强度大,3.1高黏度壳聚糖,高黏度壳聚糖制备注意的环节： 虾蟹壳比蚕蛹壳、柠檬酸发酵菌渣等其他原料较有可能制备出高黏度壳聚糖 虾蟹壳堆放长时间后因微生物破坏，不能用于生产高黏度壳聚糖。 生产甲壳素的过程中，不能用浓度大的强酸、强碱高温长时间处理。 在生产壳聚糖过程中，要掌握高温、短时间原则。 不能使用KMnO4等强氧化剂长时间脱色，强氧化剂对糖苷键的破坏很严重。,3.2 高脱乙酰度壳聚糖,一般工业使用，不要求壳聚糖有很高脱乙酰度，但在食品、医药、活细胞和酶的固定化、制作反渗透膜中常用高

12、脱乙酰度的壳聚糖。 如果只是要求高脱乙酰度，只要在脱乙酰化反应时提高反应温度和延长反应时间即可。当用40%的烧碱，反应温度在135140度，12h基本能得到100%脱乙酰度的壳聚糖。,3.3 水溶性壳聚糖,壳聚糖只能溶于一些稀的无机酸或有机酸 中，不能直接溶于水。 水溶性壳聚糖： 能溶于水的壳聚糖 能溶于水的壳聚糖盐 能溶于水的羧甲基壳聚糖 能溶于水的低分子甲壳素 能溶于水的低分子壳聚糖,3.3 水溶性壳聚糖,判断是不是水溶性壳聚糖的方法： 把壳聚糖溶于水，看溶液有无黏性，没有黏性的是低分子甲壳素或壳聚糖 往水溶液中滴加NaOH溶液，产生浑浊或沉淀，是壳聚糖盐。 如果滴加HCl溶液产生浑浊，则

13、是羧甲基壳聚糖。 R-COONa+H+R-COOH+Na+ R为氨基葡萄糖残基,3.3 水溶性壳聚糖,甲壳素在均相条件下进行脱乙酰化应， 当脱乙酰度为50%左右时，这种壳聚糖能溶 于水。 对较高脱乙酰度的壳聚糖进行乙酰化， 控制其脱乙酰度在5060%，也可得到水溶 性壳糖。,3.4 羧甲酸壳聚糖,羧甲基壳聚糖是一种水溶性壳聚糖衍生物，其抗菌性、具有保鲜作用、是一种两性聚电解质等。 羧甲基壳聚糖可以在碱性条件下用氯乙酸与壳聚糖反应而得到，但羧甲基既会在-OH上发生取代，也会在-NH2上发生取代，生成O-羧甲基壳聚糖和N-羧甲基壳聚糖。,3.4 羧甲酸壳聚糖,羧甲基壳聚糖的水溶性，除了因为它是一种

14、羧酸钠盐而溶于水外，还有一个原因是羧甲基的导入破坏了壳聚糖分子的二次结构，使其结晶度大大降低，几乎成为无定形。,3.4 羧甲酸壳聚糖,羧甲基壳聚糖的制备方法：（很多） 将壳聚糖溶于稀乙酸中，用过量丙酮沉淀，得到壳聚糖乙酸盐；转入带有搅拌的反应瓶中，加入一定量的NaOH溶液和异丙醇，边搅拌边滴加氯乙酸的异丙醇溶液，控制反应温度为70度，反应数小时，冷却至室温，用稀酸调pH至中性，用85%甲醇洗涤，干燥，即得到羧甲基壳聚糖。,3.5 低聚糖,低聚糖也叫做寡糖，过去把双糖到十糖称为寡糖，现在一般把范围扩大到二十糖，称作低聚糖。 相对分子量低于10000的壳聚糖具有许多优于高分子量壳聚糖的功能。比如具

15、有生物活性的甲壳素和壳聚糖的五糖至九糖，特别是六糖和九糖在抑制肿瘤方面有着令人鼓舞的作用。,3.5 低聚糖,低聚糖的常见的制备方法： 酸水解法：壳聚糖在酸性溶液中不稳定，会发生长链的部分水解，即糖苷键的断裂，形成许多分子量大小不等的片段。 氧化法：过氧化氢氧化法最为常见，加入H2O2进行降解反应。 酶解法：利用专一性或非专一性酶对甲壳素或壳聚糖进行降解。,壳聚糖的应用,功能材料 医药卫生方面的应用 食品工业中的应用 农业中的应用 轻纺工业中的应用 在水处理中的应用,4.功能材料方面的应用,液晶 由于壳聚糖分子链上有氨基和羟基，可进行各种化学修饰，从而可提供比纤维素液晶更多的液晶理论知识和开发出

16、更多的液晶材料。,4.功能材料方面的应用,催化剂 壳聚糖的一些衍生物具有催化作用。 有机金属配合物催化剂具有较高的催化活性和选择性。 人工模拟酶的研究。具有光学活性的特殊高级结构的高分子金属配合物是人工合成模拟酶的热点，以获取高活性、高选择性和在常温常压下有催化活性的人工模拟酶。,4.功能材料方面的应用,吸附剂 壳聚糖和甲壳素具有很好的吸附作用，不仅无毒，且有抑菌、杀菌作用，是食品饮料工业和饮用水净化的理想吸附剂。,4.功能材料方面的应用,智能材料 有一类高分子水凝胶，能感知外界环境的细微变化（如pH值、离子强度、温度、紫外光和可见光及特异化学物质等的变化），并通过体积的溶胀和收缩来响应这些来

17、自外界的刺激，利用这些特性，可作为人工智能材料。,4.功能材料方面的应用,智能材料 这种高分子水凝胶具有亲水性，但因经过交联而不溶于水，一般由交联的均聚电解质或共聚电解质构成，也可由复合聚电解质构成。 壳聚糖是一种亲水性天然高分子，能够形成水凝胶，也能形成复合聚电解质水凝胶。,5.在医药卫生方面的应用,活化能杀死癌细胞的淋巴细胞 人机体内有大量的淋巴细胞（如NK细胞、LAK细胞），它能分解正常细胞和癌细胞。淋巴细胞杀死癌细胞的作用，在pH=7.4左右最为活泼。但在癌细胞内及周围，由于癌细胞中的糖酵解作用的关键性酶-二糖激酶、磷酸果糖激酶的活性很高，会产生较多的酸，使得pH值偏向酸性，淋巴细胞功

18、能迟钝，免疫功能下降。因此在癌细胞周围的酸性环境下具有杀伤肿瘤的淋巴细胞受到抑制。壳聚糖与胆汁结合使人体内pH值偏于碱性，创造了淋巴细胞攻击癌细胞的环境。,5.在医药卫生方面的应用,提高吞噬细胞系统的功能 巨噬细胞表面存在着细菌多糖的受体，而壳聚糖作为细菌多糖的类似物，能刺激巨噬细胞活化，产生如下反应：促进其吞噬能力，增强抗原呈现能力，并增强其在其它免疫应答中协同效应，从而实现机体对T细胞、NK细胞和B细胞的调节，介导机体的细胞免疫应答和体液免疫应答，显示抗癌作用。,5.在医药卫生方面的应用,抑制癌细胞转移 癌细胞转移一般经过血管，在血管内皮细胞表面有一种接著因子，癌细胞和接著因子附着结合才能

19、进入血管，再和血液接著因子结合而移动，然后与其它部位接著因子结合、粘附形成癌栓成为转移灶。壳聚糖具血管细胞表面接着因子耐着特点，可封锁细胞对血管壁细胞的附着及移动，而达到抑制或延缓癌细胞转移的效果。,5.在医药卫生方面的应用,减轻放化疗对患者的损害 癌症病人化疗时，烷化剂是很强的细胞毒素物质，壳聚糖能吸附这些物质形成复合物而排出体外。放疗时，放射线对癌细胞、正常细胞均有杀伤作用，壳聚糖能保护正常细胞恢复。 壳聚糖在癌症的治疗中还可用于增强抗肿瘤药物作用。将小分子抗肿瘤药载接到高分子载体壳聚糖上，通过水解或酶解药物与载体骨架间有化学键，使之断裂，释放出药物，具有缓释、长效、低毒等优良特性。,5.

20、在医药卫生方面的应用,降血脂作用 高血脂症表现为血清总胆固醇和血清甘油三脂含量升高，同时高密度脂蛋白含量降低。食物中脂类的消化除胰脂肪酶外，还需要胆汁酸盐做乳化剂。壳聚糖能够降血脂的原因与其正电性有关。,5.在医药卫生方面的应用,降血脂作用 作用机理如下： 正电性的壳聚糖能与负电性的胆汁酸相结合而排出体外，脂肪不被乳化，因此会影响脂肪的消化吸收，降低血清甘油三脂含量。胆固醇的代谢主要在肝脏中转化成胆汁酸，在胆囊中有一定储量，胆汁酸通常在完成脂肪消化吸收后，约95%胆汁酸由小肠再吸收回到肝脏再到胆囊中。壳聚糖与胆汁酸结合排出体外，重吸收入肝脏中的胆汁酸减少，使胆囊排空。而胆囊中必须有一定量的胆汁

21、酸储备，这就促进肝脏将胆固醇转化成胆汁酸，血胆固醇进入肝脏，使血胆固醇降低。此外，壳聚糖为可食性纤维，能吸附胆固醇，减少它的吸收。,5.在医药卫生方面的应用,降血压作用 原发性高血压的治疗原则是限制食盐的摄取。实验证实，血压升高仅和食盐中的氯离子有关，而和钠离子无关。食盐中氯离子能使血管紧张素转换酶活化，该酶催化血管紧张素转变为血管紧张素，血管紧张素促进醛因酮分泌使体内潴留钠和水，血容量增加血压升高。带正电荷的壳聚糖与氯离子相吸引，而排泄于粪便中，体内缺少氯离子，转换酶无活性，血管紧张素减少，血压下降。,5.在医药卫生方面的应用,医用敷料 甲壳素和壳聚糖纤维制成的医用敷料有非织造布、纱布、绷带

22、、止血棉等，主要用于治疗伤、烫伤病人。作用： （1）给病人凉爽之敷感以减轻其伤口疼痛（2）具有极好的氧通透性以防止伤口缺氧；（3）吸收水分并通过体内酶自然降解而不需要另外去除； （4）降解产生可加速伤口愈合的N-乙酰葡萄糖胺，大大提高了伤口愈合速度。,5.在医药卫生方面的应用,吸附体内有害物质 随着科技的进步，也带来很多公害，其中重金属公害最为突出。壳聚糖为含大量氨基阳离子的高分子物质，具有很强膨润、络合、吸附能力，能吸附、结合体内毒素、化学色素，其分子结构中氨基的邻位羟基具有螯合重金属、放射性核素的能力，使之排出体外。,6.在食品方面的应用,作为人体肠道的微生态调节剂 低聚壳聚糖是一种双歧因

23、子，能选择性地刺激肠道内的有益菌生长繁殖或增强其代谢功能，从而提高肠内有益于健康的优势菌群的构成和数量，同时可抑制肠内有毒、有害菌的生长繁殖和腐败物质的生成，起到增强宿主机体健康的作用，并且低聚壳聚糖本身无毒副作用。,6.在食品方面的应用,作为功能性甜味剂 低聚壳聚糖具有非常爽口的甜味，在保温性、耐热性等方面优于砂糖，不易被体内消化液降解，故几乎不产生热量，是糖尿病人、肥胖病人理想的功能性甜味剂。,6.在食品方面的应用,作为食品的防腐剂 分子量在1500左右的壳聚糖的抗菌活性最高。由于游离胺基的电离程度与pH值有关，其抗菌活性也同样与pH值有关，在酸性条件下更有效。 由于壳聚糖本身的游离胺基带有大量的正电荷，而微生物细胞表面带负电荷，因此壳聚糖很容易被微生物吸附。壳聚糖被吸附后，干扰了微生物细胞表面的带电状态，导致细胞通透性增加，胞内物质外泄，使微生物死亡。,6.在食品方面的应用,可促进钙的吸收 低聚壳聚糖（n=3-7）能减少粪便钙排泄。壳聚糖