甲壳素和壳聚糖作为天然生物高分子材料的研究进展
基金项目:本研究由黑龙江省青年科学技术专项资金项目(QC06C047),黑龙江省教育厅项目(11513072),黑龙江大学青年科学基金(Q L200643),兽医生物技术国家重点实验室开放课题基金项目(NK LVB 2200501,NK LVB 2200601)资助;
作者简介:车小琼,(1983-)女,四川绵阳人,在读硕士,主要进行天然高分子材料的研究。
知识介绍
甲壳素和壳聚糖作为天然生物高分子材料的研究进展
车小琼,孙庆申,赵 凯
(黑龙江大学生命科学学院微生物黑龙江省高校重点实验室,黑龙江大学,哈尔滨 150080)
摘要:甲壳素是自然界中含量仅次于纤维素的天然高分子,壳聚糖是甲壳素脱乙酰化后带有阳离子的多
糖。壳聚糖中的自由氨基以及它的高结晶性,使得它能溶于酸,而不溶于碱和绝大数的有机溶剂。同时壳聚糖具有无毒性、无刺激性、良好的生物相容性、生物可溶解性,以及高的电荷密度,因而被作为一种新型的天然生物材料得到广泛应用。文章介绍了甲壳素和壳聚糖的结构和性质,综述分析了甲壳素和壳聚糖在制备微球和作为支架材料中的应用,并总结了甲壳素和壳聚糖在这两个方面存在的问题和发展前景。
关键词:甲壳素;壳聚糖;微球;组织工程;支架
甲壳素(chitin )又名甲壳质、几丁质,是一种广泛存在于昆虫、海洋无脊椎动物的外壳以及真菌细胞中
的天然高分子化合物[1]。壳聚糖(chitosan )是甲壳素脱乙酰基后的产物,具有良好的生物相容性和生物
可降解性,因此可用作生物材料,甲壳素和壳聚糖具有来源广泛、取材方便等优点[2,3]。
1 甲壳素、壳聚糖的理化性质
甲壳素是一种天然高分子化合物,其学名是β2(1→
4)222乙酰胺基222脱氧2D 2葡萄糖,是由N 2乙酰胺基葡萄糖以及β21,4糖苷键缩合而成[4]。如果把此结构中糖基上的N 2乙酰基大部分去掉的话,就成为
甲壳素最为重要的脱乙酰化衍生物壳聚糖。壳聚糖是由D 2氨基葡萄糖和适量的N 2乙酰2D 2氨基葡萄糖
以2β(1,4)糖苷键连接而组成的。其化学名是(1,4)222氨基222脱氧2β2D 2葡萄糖,结构类似于纤维素[1,2]。
111 甲壳素、壳聚糖的物理性质
甲壳素呈灰白色或白色片状、半透明、略有珍珠光泽的无定性固体,相对分子量因原料和制备方法的差异而从数十万到数百万不等。不溶于水、稀碱、稀酸及一般的有机溶剂,可溶于浓的盐酸、硫酸、硝酸等无机酸和大量的有机酸[1]。
壳聚糖是葡糖胺和N 2乙酰葡萄糖胺的复合物,由于聚合程度的不同其分子量在50～1000kDa 之间。壳聚糖的外观呈半晶体状态,晶体化程度与去乙酰化相关。50%去乙酰化时,其晶体化程度最低。
甲壳素和壳聚糖均具有非常复杂的螺旋结构,且甲壳素和壳聚糖的结构单元不是单胺(N 2乙酰胺基葡萄糖或者氨基葡萄糖),而是二胺。
112 甲壳素、壳聚糖的化学性质
甲壳素和壳聚糖分子中含有—OH 基、—NH 2基、吡喃环、氧桥等功能基,因此在一定的条件可以发生生物降解、水解、烷基化、酰基化、缩合等化学反应[4]。作为氨基多糖,壳聚糖(p K a =615)溶解性与pH 值
紧密相关,在酸性条件下,由于氨基质子化而溶于水。在pH<5时,壳聚糖完全溶于水形成十分粘稠的液体(其特性黏度受pH和离子强度的影响),经碱化处理后,可以形凝胶而沉淀。
壳聚糖是一种带正电荷的阳离子聚合物[3],在酸性水溶液中可与聚阴离子化合物如:肝素、海藻酸钠、梭甲基甲壳素等相互作用,形成聚电解质配合物。
壳聚糖分子链吡喃糖环C
2上有氨基,C6上有羧基,因此能在较温和的条件下发生化学反应,制备出具有新特性的衍生物。并且可以通过改造修饰其侧链基团而赋予性的化学衍生物以新的生物活性。因为从自然界中获取的甲壳素脱乙酰化而得到的壳聚糖只溶于酸性环境中,使得它在体内的应用受到很大的限制。现在我们可以通过在其分子上加上水溶性基团而使之溶于生理盐水中,从而减少酸性溶液对人体组织的刺激。
2 壳聚糖在微球制备中的应用
壳聚糖(CS)是甲壳素的部分脱乙酰基产物,是自然界中唯一的碱性多糖。作为甲壳素的脱乙酰化衍生物,CS有良好的生物相容性、生物可降解性、粘合性和无毒性,因而被广泛用于医学等领域[4～6]。
药物微球由于对特定器官和组织具有靶向性及对包敷在微球中的药物具有缓释和控释效应,因此载药微球的制备已经成为目前的研究热点。而CS微球作为一种具有广泛应用前景的新型药物载体,除了具有亲水性能可以延长药物微球在体内循环的时间和减少巨噬细胞捕获,从而提高药物生物利用度以外;它还可以提高药物的包封率和载药量[6]。根据CS微球应用目的的不同,可以用CS制成不同大小的微球。现在,利用CS制备化疗药物、消炎药、胰岛素、抗生素等药物的缓释制剂已取得了良好的效果,并已用于临床。
壳聚糖微球的制备方法有乳化交联法、蒸发溶剂、喷雾干燥、液中干燥、沉淀/凝聚以及复凝聚法等。复凝聚法是指利用两种聚合物在不同的pH值下电荷的变化,即一种带负电荷的胶体溶液与一种带正电荷的胶体溶液相混,由于异种电荷之间的相互作用形成聚电解质复合物而发生分离,沉积在囊芯周围而得到微胶囊。海藻酸钠、聚丙基酸钠等高分子材料均能分别与壳聚糖起复凝聚作用。目前,壳聚糖微球已经用于包封多种药物[7-13]、蛋白质(多肽)[14～18]、激素类物质[19]、氨基酸[20,21]等等。慕容等[22]采用反相悬浮交联法合成了直径为100nm,粒度分布均匀,磁响应强,有吸附能力的,具有核壳结构的磁性壳聚糖纳米微球(magnetic chitosan nanoparticles,MC NP),考察了MC NP的吸附和释放药物的性能。
虽然壳聚糖具有一些良好的特性可用于载药微球的制备,但是在制备微球过程中,壳聚糖一般需要两次脱乙酰化反应。由于制备条件的不同和原料来源的差异,分子量、脱乙酰化的程度波动较大。此外,在制备微球时,壳聚糖须用酸溶液溶解,因此,制备水溶性的壳聚糖衍生物的技术有待进一步完善。
3 壳聚糖在组织工程中的应用
甲壳素具有广泛的抗菌和止血、止痛的作用,同时具有选择性促进表皮细胞生长的独特的生物活性。壳聚糖是甲壳素的脱乙酰化产物,与细胞能够发生非特异性吸附,从而有利于细胞在其表面黏附。因此,可以将壳聚糖作为良好的支架材料广泛的应用在组织工程学中[5]。曾春[23]的研究证实,壳聚糖支架具有较高的孔隙率,并且孔隙相互连通,孔径较均匀,适于细胞的物质交换、生长代谢。黄志海等[24]用冷冻诱导相分离的方法制备了壳聚糖—胶原多孔复合支架。实验证明该支架具有很高的孔隙率和吸水率,在水中基本不溶胀,能够保持细胞支架的形态,满足作为组织工程支架的要求。
311 在皮肤组织工程中的应用
壳聚糖的纤维刚性结构可以增强真皮基质的机械耐受力,延长创面细胞胶原酶对真皮基质的降解。石研超等[25]以胶原和壳聚糖为原料制备了具有三维多孔结构的胶原—壳聚糖Π硅橡胶双层皮肤支架。动物实验表明,该支架在原位诱导了真皮的再生,并有高达94%的移植成功率。鲁元刚等[26]将具有真皮和表皮的复合壳聚糖人工皮肤移植到家兔的全层皮肤缺损处,创面愈合良好,无明显免疫排斥反应,2个月后表皮结构清楚,角质层较厚,真皮血管较多,无明显的炎性细胞,新生纤维明显增多。结果表明,复合的
人工皮肤动物体内修复实验的效果良好,可以考虑作为下一步临床实验的材料。杨军等[27]利用自体表皮细胞和壳聚搪Π明胶膜能够构建出人表皮细胞膜片,应用于临床增殖性疤痕治疗6例,经过3月随访,创面愈合时间(1612±15)天,移植膜片存活良好,结构较完整,90天随访无明显疤痕增生,疗效肯定。他们认为,壳聚糖Π明胶膜片对增殖性疤痕具有良好治疗效果,组织工程皮肤进人临床具有现实的可行性及广阔的应用前景。
312 在骨组织工程中的应用
甲壳素作为骨组织工程支架材料的研究也有报道。杨操等[28]取2周龄幼兔的长骨采集骨髓,培养骨髓间充质细胞,体外扩增1周后,分别种植于壳聚糖和壳聚糖Π明胶共混材料的表面。在倒置光学显微镜、扫描电镜下观察细胞的粘附和生长情况,种植7天后用透射电镜观察细胞功能状况,用MTT方法检测种植后2天、4天、6天和8天细胞的增殖情况。结果表明:壳聚糖Π明胶共混材料和壳聚糖单独使用都能促进骨髓间充质细胞在材料表面粘附并保持其在机体内的形态。壳聚糖Π明胶共混材料表面的骨髓间充质细胞功能活跃。在材料表面和培养板表面培养的骨髓间充质细胞均能持续增殖,壳聚糖Π明胶共混材料能显著促进骨髓间充质细胞的增殖(P<0101)。他们认为壳聚糖Π明胶共混材料保持了壳聚糖的某些生物活性,同时由于加入明胶,能促进骨髓间充质细胞的增殖,可作为骨髓间充质细胞的载体应用于组织工程。韩旭彤等[29]利用有机官能团对无机物矿化的调控作用,在壳聚糖多孔支架表而原位沉析轻基磷灰石(H Ap)。研究结果表明壳聚糖分子结构中的氨基作为成核位点,在碱性条件下首先吸附Ca2+,再
-等其它离子促使H Ap晶体在壳聚糖支架材料表面的成核、通过静电作用力吸附仿生溶液中的PO3-
4、OH
长大。此类材料有望成为一种生物活性的肾组织工程材料。Jiang等[30]制备了新的三维壳聚糖ΠP LAG A 多孔复合支架。支架的压缩系数和压力强度都在骨小梁的范围之内,使得该多孔复合支架很适合应用于骨组织工程[31]。赵营刚等[32]利用冷冻干燥法制备出用于骨和软骨组织工程的壳聚糖一明胶Π溶胶凝胶生物玻璃(CS2G elΠSG BG)仿生型复合多孔支架,并进行了孔隙率的测定和显微形貌的观察,探讨了各组分不同用量对(CS2G elΠSG BG)复合支架显微结构的影响以及复合支架在模拟生理体液中的仿生矿化性能。研究表明,通过调节各组分的不同用量,可以制备出三维连通的复合多孔支架,且孔隙率达到90%以上;在模拟生理体液中浸泡后发现(CS2G elΠSG BG)支架表面有大量结晶态类骨碳酸羟基磷灰石生成,表明复合支架有良好的生物矿化性能。
313 在软骨组织工程中的应用
有研究表明,转化生长因子2β(trans form growth factor2β
)壳聚糖缓释微球具有良好的载药、释药性能,
1
微球支架可以较好的维持软骨细胞的表型,促进其粘附、增殖,作为软骨细胞的载体在组织工程软骨的构建及软骨损伤的修复中有良好的应用前景[33]。史德海等[34]利用壳聚糖和Ⅱ型胶原成功的研制了三维多孔复合支架。实验表明,壳聚糖可以作为支架载体应用于组织工程软骨的构建。高海玲等[35]探讨了利用软骨细胞和新型生物材料壳聚糖动物体内构建软骨组织的可行性。她们在体外分离培养猪耳软骨细胞,扩增后以510×107Πm L的终浓度接种于壳聚糖支架并植入猪皮下。标本于8周后取材进行组织学及免疫组织化学等相关检测。结果表明细胞2生物材料复合物在植入猪皮下8周后形成了单一成熟的软骨组织,并保持了支架材料的大小和形状;免疫组织化学染色结果表明其大量表达软骨特异性细胞外基质II型胶原。所以她们认为壳聚糖是一种良好的生物材料,能够提供软骨细胞生长的三维环境并用于体内构建软骨组织。
314 在神经组织工程中的应用
在构建人工神经时,不仅要求支架材料不影响周围正常神经的功能,也要求材料能促进神经再生,为雪旺氏细胞的附着、迁移、增殖发挥正常功能提供条件。甲壳素及其衍生物凭借其良好的生物相容性和生物可降解性,已在人工神经的研究中得到了广泛的应用。
于炎冰等[36]应用壳聚糖神经导管作为神经再生室桥接大鼠坐骨神经缺损,术后12周再生轴突已长入长达12mm的神经缺损间隙,24周后再生完全,导管大部分被降解吸收,再生神经功能良好。丁文龙等[37]探讨了壳聚糖纤维与体外培养Schwann细胞的相容性和亲和力。他们把新生S D鼠的臂丛和坐骨
神经组织块种植于壳聚糖纤维支架上培养Schwann细胞。结果发现壳聚糖纤维支架上的Schwann细胞为橄榄形或椭圆形,细胞在纤维上分裂、迁移,形成链状结构,细胞突起的末端呈扁平状膨大,伸出爪形伪足贴附于纤维。所以他们认为壳聚糖纤维不仅与Schwann细胞的相容性良好,而且对在其表面培养的Schwann细胞形成髓鞘可能有诱导作用。张黎等[38]应用壳聚糖材料制备神经导引管作为神经再生室桥接大鼠坐肾神经缺损.并观察了对神经再生的作用。她们先手术造成90只Wistar大鼠右后肢坐骨神经长约15mm的缺损,A组以含有NG F的壳聚糖神经导引管桥接神经缺损;B组单纯采用壳聚糖导管;C组则不用导管。以左侧正常坐骨肾神经作为正常对照,分别于术后4、12、24周进行大体及显微解剖观察、组织学检查、电镜观察和神经电生理测定。结果表明A、B组在促进神经再生,加快血管化进程,再生神经纤维排列规律化,提高再生神经髓鞘化,加速再生神经功能重建等方而均优于C组。所以她们认为壳聚糖是制备神经导引管的理想材料,壳聚糖神经导引管可以为大鼠坐骨肾神经再生提供良好的再生微环境。
315 在其它组织工程中的应用
自从组织工程技术出现以来,已经对多种器官进行了研究,例如:皮肤、肌腱、血管、肝脏、胰腺等等。李结良等[39]的研究结果表明,细胞在多孔壳聚糖支架上生长良好,且密度、代谢话性较单层培养条件下有大幅度提高,细胞在7天后仍能保持较强的分泌白蛋白和合成尿索的功能,肝细胞在壳聚糖复合物上的代谢话性更高。赵东愕等[40]探讨了应用胶原壳聚糖支架体外构建组织工程心脏瓣膜的可行性。结果表明以胶原壳聚糖膜为支架体外构建组织工程心脏瓣叶.种植细胞不仅能在材料表面生长.还能合成细胞间质和血管活性物质,初步提示应用该种材料和方法构建组织工程心脏瓣叶是可行的。王迎军等[41]实验发现壳聚糖一胶原复合膜具有优异的透光率和适宜的湿态力学强度,细胞培养实验中,人角膜缘上皮细胞能在支架上较好地粘附和增殖分化,显示复合膜支架具有良好的细胞亲和性。张立国等[42]以液体石蜡作分散介质,开环乳糖作交联剂,反相悬浮法制备了性能优良的壳聚糖微载体,结果表明开环乳糖交联壳聚糖微载体是一种优良的肝细胞培养支架。
甲壳素及其衍生物作为一种天然的医用生物材料,因其具有的无毒性、良好的生物相容性和生物可降解性,在组织工程研究中有广阔的应用前景。但是随着组织工程的迅猛发展,对支架材料提出了更高的要求和挑战。而甲壳素及其衍生物由于它们自身的一些缺陷则在某种程度上限制了它们的应用,这需要我们的进一步研究。同时,还应该加强与其它生物材料的复合研究,以组成新的复合材料,从而取长补短,这也应该是目前组织工程中生物材料的研究重点之一。
综上所述,壳聚糖和甲壳素是一类具有良好生物相容性的生物材料,可以在药物载体和组织工程领域中得到多方面的应用。
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Progress in the research on Chitin and Chitosan as N atural Biopolymer
CHE X iao2Qiong,S UN Qing2Shen,ZH AO K ai
(Laboratory o f Microbiology,College o f Life Science,Heilongjiang Univer sity,Harbin150080,China)
Abstract:Chitin is a kind of natural biopolymer with high content only inferior to cellulose.Chitosan is cationic polysaccharide derived by deacetylation of chitin.Due to the existence of free amino groups and the high crystallinity, chitosan is s oluble in acid,but ins oluble in alkaline and m ost organic s olvents.Properties such as non2toxic,non2 irritant,g ood biocom patibility,biodegradability and high charge density make chitosan suitable for wide use as a new natural biomaterial.This review is an insight into the structure and properties of chitin and chitosan.The applications of these materials in preparing microspheres and making scaffolds are als o reviewed.The problems and prospect in the application of the chitin and chitosan are als o summarized.
K ey w ords:Chitin;Chitosan;Microsphere;T issue engineering;Scaffold
甲壳素 几丁质 壳聚糖的区别
甲壳素、几丁质、壳聚糖的区别 甲壳素：又称甲壳多糖、几丁质。甲壳动物（虾、蟹）等的骨骼和菌类（地衣）等的细胞膜的重要成分。白色半透明固体。不溶于水、乙醇和乙醚。是由N-乙酰α-氨基-D-葡萄糖胺以β(1→4)糖苷键连结而成的含氮多糖。溶于浓无机酸和无水甲酸。在浓酸或浓碱中发生水解而成α-氨基葡萄糖。可用于纺织品的防皱和防缩处理；直接染料或硫化染料的固色；涂料印花的固着；木材的胶合以及防雨篷布的上浆等。也可用作制人造纤维和塑料等的原料。由含有甲壳质的物质如虾壳、蟹壳等提取制得。 壳聚糖是甲壳素的脱乙酰化产物，又称可溶甲壳素、壳多糖、甲壳胺，是一种天然生物高分子聚合物，白色结品性扮末。有很强的吸湿性，仅次于甘油，高于聚乙二醇、山梨醇。在吸湿过程中，分子中的羟基、胺基等极性基团与水分子作用而水合，分子链逐渐膨胀，随着pH值的变化，分子够从球状胶束变成线状。具有很好成膜性、透气性和生物相容性。无毒，且可生物降解。 甲壳素（几丁聚糖）俗称壳聚糖、几丁质，也称壳胺糖或救多善，学名为几丁聚糖（chitosan）。广泛存在于蟹、虾等甲壳动物的外壳及各种昆虫的表皮和贝类等软体动物的骨骼、外壳中，以及蘑菇和灵芝等的细胞壁中，是自然界中唯一带正电荷的动物性膳食纤维素。 甲壳素的用途广泛，除工业、农业、轻纺、环境保护、化妆品等领域外，它的医疗保健作用更令人刮目相看，因为它完全不同于一般的营养保健品。它对于人体具有调节免疫功能，有活化细胞、抑制老化、预防疾病、调节人体生理功能等作用，被欧美学术界誉为与蛋白质、脂肪、糖类、维生素、矿物质并列的第六大生命要素。
是功能最全面、效果最显着的第三代机能性健康食品。 （一）甲壳素的特点：“五个一” １．甲壳素是目前唯一天然的含有正电荷阳离子基团的可食性动物纤维； ２．甲壳素是糖类中唯一的碱性多糖； ３．甲壳素保健食品是日本政府批准的唯一允许宣传疗效的机能性保健食品； ４．甲壳素资源是自然界里含氮量最高的天然资源； ５．日本国际健康研究所所长金子今朝夫在其着作《七种最佳抗癌食品》一书中把甲壳素摆在灵芝、刺五加、螺旋藻、蜂胶、啤酒糟、半藻类之冠；上海胸科医院廖美琳教授在第六届全国肺癌会议报告中，把甲壳素摆在三种抗癌细胞特种的物质（甲壳素、多肽、肝素）之首。 （二）甲壳素结构式： 1．如将虚线方块去掉（即去乙酰基），则实线括号内的结构，即为壳聚糖分子式。如把虚线方块去掉再把 -NH ˉ换成 OH, 则实线内的结构即为葡萄糖分子式。 2 ．甲壳素结构式中的 n ，代表 1~2,000 个分子。壳聚糖结构式中的 n ，代表1~2,000 分子。 葡萄糖结构式中的 n ，代表 1~1,000 个分子。如 n 数为 350~1,000 时叫植物性纤维素。亦然，甲壳素叫动物性纤维素。
壳聚糖的制备与纯化
甲壳素是一种白色或灰白色的半透明无定形固体，通常在270℃分解。甲壳素基本上不溶解于水、乙醇、乙醚、稀酸以及稀碱等物质，它可溶于浓度较高的无机酸，但不溶于稀硫酸等稀酸。壳聚在溶液状态时，需要被放置在酸性环境中，但是，由于壳聚糖具有醛基结构，因此，壳聚糖在酸性溶液中易发生降解，从而使壳聚糖溶液粘度下降，通过加入甲醇、丙酮、乙醇等物质可以使壳聚糖的溶液粘度升高，在试验中一般常用乙醇，作用最为明显。由于甲壳质中含有羟基，壳聚糖中同时含有羟基和氨基，因此，壳聚糖和甲壳质可以通过酚化、羧基化、氰化、螫合、水解、醚化、酯化、醛亚胺化、烷化、叠氮化、羟基化、成盐、氧化、卤化、接枝与交联等反应生成不同结构和不同性能的衍生物[29]。 甲壳质通过脱乙酰反应可制得壳聚糖，通常使用质量分数为50%左右的氢氧化钠溶液处理甲壳质并加热到105℃，在该温度下保持两小时，然后将材料水洗至中性，经过抽滤、干燥即可得到白色的壳聚糖。壳聚糖的脱乙酰度和相对分子量受反应温度、反应时间以及碱液浓度的影响，使用蟹虾壳海蟹壳、对虾壳、河虾壳和蚕蛹等原料在同一方法和条件下制备壳聚糖，其中以海蟹壳的产率最高，可见海蟹壳是制备壳聚糖的最佳原料。除此之外，还以使用酶法、微波法等方法制备壳聚糖[30]。2.1.2.2 壳聚糖的纯化及脱乙酰 壳聚糖（Chitosan）的纯化： （1）用天平称取6 g chitosan 于800 ml 1％（V/V）的醋酸溶液中，磁力搅拌 溶解2h，待完全溶解后静置2h，可见烧杯底有大量沉淀； （2）将壳聚糖溶液倒入离心管，用普通天平平衡后，再用高速离心机9 000 rmp, 离心10 min 收集上清，倒入另一干净的1 L 烧杯中； （3）边用磁力搅拌器搅拌，边用5 ％NaOH 溶液缓慢调pH 值到9，静置2 h， 待chitosan 完全析出； （4）再用高速离心机9 000 rmp, 离心10 min，或者使用真空泵抽滤以收集 纯化的chitosan； （5）放入－70 ℃冰箱过夜，用冻干机干燥备用[31]。 壳聚糖（Chitosan）的脱乙酰： 1）用500 ml 三口瓶配40 ％(W/V) NaOH 溶液，与壳聚糖混合，然后将洗 净的磁力搅拌子放入其中； （2）打开磁力搅拌器总开关及加热开关，将反馈式温度计插入硅油中，并将温 度计导线接入仪器后座插口，调节温度计旋钮将温度设定为95℃，待温度达到预定 值时，将三口瓶架入油浴槽，装好冷凝管，打开自来水水龙头和搅拌开关，反应2 h； （3）关闭仪器各开关，将三口瓶架在空中，让瓶底的油滴到用油浴槽内，同时 让温度自然冷切； （4）加入三蒸水稀释后，倒入垫有双层定性滤纸的陶瓷漏斗中，用真空泵抽滤， 多次稀释抽滤洗涤至中性； （5）收集脱乙酰壳聚糖，放入－20 ℃冰箱过夜，用冻干机干燥[31]。 脱乙酰度测定 测定脱乙酰度的方法很多，常用的有FT－IR、NMR、紫外、元素分析等，但是 常用为双突跃电位滴定法，其步骤如下[31]： （1）配制壳聚糖溶液：用电子天平精确称量0.2 g Chitosan 于100 ml 烧杯中， 加入20 ml 0.1 M HCl 溶液，再加40 ml 三蒸水，用保鲜膜封口后磁力搅拌至充分溶解； （2）配制0.4 g/ml NaOH 标准溶液：用电子天平精确称量1.6 g NaOH 于50 ml 烧杯中，溶解后用100 ml 容量瓶定容； （3）用标准缓冲液校正酸度计； （4）边搅拌边滴定，记录数据； （5）用Excel 和Origin 处理数据，画出滴定曲线,得出取代度。 2.1.2.3 壳聚糖改性
壳聚糖
壳聚糖 壳聚糖(chitosan)是由自然界广泛存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖，自1859年，法国人Rouget首先得到壳聚糖后，这种天然高分子的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等优良性能被各行各业广泛关注，在医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多领域的应用研究取得了重大进展。针对患者，壳聚糖降血脂、降血糖的作用已有研究报告。 分子式:C56H103N9O39 分子量:1526.4539 简介 壳聚糖是甲壳质经脱乙酰反应后的产品，脱乙酰基程度(D.D)决定了大分子链上胺基(NH2)含量的多少，而且D.D增加，由于胺基质子化而使壳聚糖在稀酸溶液中带电基团增多，聚电解质电荷密度增加，其结果必将导致其结构，性质和性能上的变化，至今壳聚糖稀溶液性质方面的研究都忽略了D.D值对方程的影响。 壳聚糖是以甲壳质为原料，再经提炼而成，不溶于水，能溶于稀酸，能被人体吸收。壳聚糖是甲壳质的一级衍生物。其化学结构为带阳离子的高分子碱性多糖聚合物，并具有独特的理化性能和生物活化功能。 近年来国内外的报导主要集中在吸附和絮凝方面。也有报道表明，壳聚糖是一种很好的污泥调理剂，将其用于活性污泥法废水处理，有助于形成良好的活性污泥菌胶团，并能提高处理效率。但研究其对活性污泥中微生物活性的影响以及其强化生物作用的机理，国内外均未见有报导。
在甲壳素分子中，因其内外氢键的相互作用，形成了有序的大分子结构．溶解性能很差，这限制了它在许多方面的应用， 而甲壳素经脱乙酰化处理的产物一壳聚糖，却由于其分子结构中大量游离氨的存在，溶解性能大大改观，具有一些独特的物化性质及生理功能，在农业、医药、食品、化妆品、环保诸方面具有广阔的应用前景。 物性数据 1. 性状:白色无定形透明物质，无味无臭。 2. 密度（g/mL,25℃）：未确定 3. 相对蒸汽密度（g/mL,空气=1）：未确定 4. 熔点（oC）：未确定 5. 沸点（oC,常压）：未确定 6. 沸点（oC,5.2kPa）：未确定 7. 折射率：未确定 8. 闪点（oC）：未确定 9. 比旋光度（o）：未确定 10. 自燃点或引燃温度（oC）：未确定 11. 蒸气压（kPa,20oC）：未确定 12. 饱和蒸气压（kPa,60oC）：未确定 13. 燃烧热（KJ/mol）：未确定
有机抗菌剂研究现状及发展趋势
有机抗菌剂研究现状及发展趋势 张葵花1, 2 , 林松柏 1 , 谭绍早 2 (1. 华侨大学材料学院 , 泉州 362000; 2. 暨南大学化 学系 , 广州 510630) 摘要: 综述了国内外天然、低分子、高分子有机抗菌剂的研究现状及应用 , 探讨了不同抗菌剂的结构与性能的关系 , 展望其发展趋势。指出有机 - 无机复合抗菌剂兼有了有机抗菌剂的高效性、持续性及无机抗菌剂的安全性、耐热性 , 将是今后国内研究的热点。 关键词: 天然有机抗菌剂 ; 低分子有机抗菌剂 ; 高分子有机抗菌剂 ; 研究现状 ; 发展趋势 0 引言 随着生活水平的提高, 人们对生活环境的认识和要求在不断提高, 特别是对健康的意识也在不断增强。由于有害细菌在自然界分布非常广泛 , 而且种类繁多 , 数量庞大 , 严重威胁着人类的健康[ 1 ] 。由细菌传播感染产生的疾病 , 已构成了一大社会问题 , 引起广泛关注。有机类抗菌剂具有杀菌速度快 , 抗菌效能高 , 加工方便, 颜色稳定等特点, 使用历史长 , 在某些领域中有着不可替代的作用。近年来, 科研人员致力于发展高效、低毒、环境友好、缓释、长效的有机抗菌剂。 1 天然有机抗菌剂 天然有机抗菌剂主要是从蟹和虾的壳中提炼出来的壳聚糖 , 壳聚糖是一种价廉、具有活性— NH 2 的天然高分子 , 具有广谱抗菌性 , 对霉菌、细菌都有很好的抗菌性能 , 对人体无毒、无刺激。不过壳聚糖的抗菌性能受 pH 值、相对分子质量、脱乙酰度的影响 , 一般 pH 值为 5 . 5 ～ 6 . 5 时抗菌性最强 , 相对分子质量在 10 000 ～100 000 范围内抗菌性能更好 , 随着脱乙酰度的增加而出现极值 [ 2 ] 。为了更好地利用壳聚糖作抗菌剂, J ia Zhishen 等[ 3 ] 在壳聚糖上接上不同长度的烷基季铵盐 , 制备了一系列的壳聚糖衍生物。由于壳聚糖的衍生物在酸性和碱性条件下都可溶 , 因此有着更广泛的应用。对抗菌性能的研究表明经过改性的壳聚糖抗菌活性有所提高 , 而且抗菌活性随着烷基链的增长而增加。 Sun Yun 等[ 4 ] 通过两步法在海藻酸钠 ( SA) 中引入壳聚糖齐聚物 (COS) 支链 , 实验表明SA - COS 中 , 只需含 1 . 8% 的 COS, 就能使金黄色葡萄球菌减少 99 1 9% 。这种抗菌海藻酸盐可以与多价金属离子 ( 通常为Ca 2 + ) 交联形成各种形状的水凝胶。用这种水凝胶做成的伤口覆盖物 , 既能保持有利于伤口愈合的湿度 , 又能防止细菌感染。由于壳聚糖及其衍生物对人体无毒和具有生物相容性 , 被广泛用于食品加工行业及医药行业。但是天然有机抗菌剂的耐热性差 , 不适宜用在塑料等对耐热性要求较高的行业。 2 低分子有机抗菌剂 低分子有机抗菌剂主要有季铵盐类、季鏻盐、双胍类、醇类、酚类、有机金属、吡啶类、咪唑类等。其抗菌机理主要是与细菌和霉菌的细胞膜表面的阴离子相结合 , 或与巯基反应 , 破坏蛋白质和细胞膜的合成系统 , 从而抑制细菌和霉菌的繁殖。 2. 1 季铵盐类抗菌剂 季铵盐类抗菌剂由于价格低廉 , 杀菌速度快 , 已经被人们广泛研究和利用。国际上已经开发出 4 代有典型意义的季铵盐抗菌剂。这类抗菌剂的抗菌能力和毒性随结构变化的一般规律是[ 5 ] : 同类季铵盐抗菌剂含短烷基
壳聚糖的应用研究进展(综述性论文)
绿色原料——壳聚糖的应用研究进展 09化学1班 XXX 指导老师：沈友教授 (惠州学院化学工程系，广东，惠州，516007) 摘要:本文综述了绿色原料壳聚糖的应用研究进展，着重介绍了壳聚糖在食品，水处理，生物药用，造纸业等方面的应用。 关键词:壳聚糖应用食品水处理 前言 原料在化学品的合成中非常重要，其可以成为影响一个化学品的制造、加工与使用的最大因素之一。如果一个化学品的原料对环境有负面的影响，则该化学品也很可能对环境具有净的负面影响。要实现绿色化学，在选择原料时应尽量使用对人体和环境无害的材料，避免使用枯竭或稀有的材料，尽量采用回收再生的原材料，采用易于提取、可循环利用的原材料，使用环境可降解的原材料。 自然界的有机物，数量最大的是纤维素，其次是蛋白质，排在第三位的是甲壳素，估计每年生物合成甲壳素100 亿t。甲壳素N-脱乙酰基的产物壳聚糖就是一种重要的绿色原料。 壳聚糖化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖，壳聚糖的外观为白色或淡黄色半透明状固体, 略有珍珠光泽, 可溶于大多数稀酸如盐酸、醋酸、苯甲酸等溶液, 且溶于酸后,分子中氨基可与质子相结合, 而使自身带正电荷。自1859年，法国人Rouget首先得到壳聚糖后，这种天然高分子的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等优良性能被各行各业广泛关注，在医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多领域的应用研究取得了重大进展。壳聚糖无毒无害,具有良好的保湿性、润湿性,能防止静电; 化学稳定性良好, 但吸湿性较强, 遇水易分解。对壳聚糖进行化学改性, 得到的壳聚糖衍生物在许多物化性质方面都得到改善，其应用也更加受到关注。本文着重介绍了壳聚糖在食品，医药，水处理方面的应用进展。
壳聚糖的制备方法及研究进展
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/1d7253736.html, 壳聚糖的制备方法及研究进展 作者：张立英 来源：《山东工业技术》2018年第02期 摘要：壳聚糖作为一种碱性多糖被广泛应用于食品、生物、化工、医疗等领域。本文重点介绍了壳聚糖的制备方法及其研究进展，并对其发展趋势进行了展望。 关键词：壳聚糖；碱性多糖；制备方法 DOI：10.16640/https://www.360docs.net/doc/1d7253736.html,ki.37-1222/t.2018.02.016 壳聚糖本身的分子结构类似于纤维素，因其多了一个带正电荷的胺基，使其化学性质较为活泼。目前壳聚糖正因其优良的生理活性在食品、化妆品、医药、化工、污水处理等方面展现出广阔的应用前景，近十年来国内外对于壳聚糖的开发研究热度一直持续不减，各种新颖的制备方法也是层出不穷。 1壳聚糖的来源 壳聚糖通常是由甲壳素（又名几丁质）经脱乙酰基作用获得，甲壳素在自然界中广泛存在于高等真菌以及节肢动物（虾、蟹、昆虫等）的外壳中，其中虾壳、蟹壳是工业生产壳聚糖的主要原料。由于大分子间的氢键作用，天然存在的甲壳素构造坚固，化学性质稳定，不溶于水、酸碱和一般的有机溶剂，这也使得甲壳素的应用范围非常有限，因此甲壳素只有经脱乙酰基处理成壳聚糖才能获得广泛应用。 2壳聚糖的制备方法 （1）化学降解法。传统的壳聚糖生产多采用化学降解法。作为壳聚糖工业生产最常用的制备方法，化学降解法简便易行，效率高，整个生产过程容易控制，但该法环境污染较为严重，对周边环境具有一定的破坏性。欧阳涟等从蟹壳中获取甲壳素，并通过脱乙酰反应制备出了壳聚糖。试验探究了影响产物壳聚糖脱乙酰反应的各种因素，如反应温度、碱液含量及反应时间等，最终确定制备高脱乙酰度壳聚糖的条件为反应温度70℃，碱液质量分数47%，反应时间10 h。 （2）微生物培养法。微生物发酵法生产壳聚糖起源于美国，我国从上世纪90年代开始研究。其主要原理是利用微生物自身生产的酶进行催化，从而脱去甲壳素中的乙酰基，进而制备壳聚糖。目前该领域研究重点主要集中在优良菌株的选育和培养基的优化上。 贺淹才等首先采用电解法从培养的黑曲霉湿菌体中制得甲壳素，然后采用碱提取法从培养的黑曲霉湿菌体中制备壳聚糖。试验基于黑曲霉细胞壁的主要成分为蛋白质与甲壳素，而蛋白质带有可电离的基团，于溶液中可形成带电荷的阳离子和阴离子，在外加电场作用下发生迁
壳聚糖价钱
壳聚糖主要能够排出体内毒素，过多营养物质以及重金属，最主要的是能够调节人体酸碱平衡。同时，壳聚糖作为增稠剂、被膜剂被用于食品添加剂。那么这样它的价位是怎么样的，相信是很多人关心的。通过下文为您说明。 壳聚糖作为一种食品抗菌剂，食物保鲜剂，抗氧化剂，保健品添加剂、果汁澄清剂。而被许多的行业普遍使用。市场上的壳聚糖价格在1Kg在150元-200元之间。该价格仅供参考，您可以向相关生产厂家了解。皇朝化工生产的壳聚糖的口碑很好，价位合理，与许多的食品生产厂家达成长久合作。 壳聚糖在医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多领域的应用研究取得了重大进展。针对患者，壳聚糖降血脂、降血糖的作用已有研究报告1、化妆品专用壳聚糖 化妆品专用壳聚糖具有良好的吸湿、保湿、调理、抑菌等功能；适用于润肤霜、淋浴露、洗面奶、摩丝、高档膏霜、乳液、胶体化妆品等；有效的弥补了一般壳聚糖的缺陷。
2、絮凝剂专用壳聚糖 壳聚糖及其衍生物都是具有良好的絮凝、澄清作用。作为饮料的澄清剂，可使悬浮物迅速絮凝，自然沉淀，提高原液的得率；在中药提取液中，大分子的蛋白质、鞣酸和果胶，可以用壳聚糖溶液方便地除去，精制出纯度较高的中药有效成份；利用壳聚糖的吸附性，在水质净化方面有良好的效果。 3、农业、饲料、饵料专用壳聚糖 壳聚糖是天然的植物营养促长剂--叶面肥的原料，由壳聚糖复配而成的叶面肥，既能给植物杀虫，抗病，起到肥料的作用，又能分解土壤中动植物残体及微量金属元素，从而转化为植物的营养素，增强植物免疫力，促进植物的健康；虾壳、蟹壳中含有丰富的蛋白质、微量元素,动物食入吸收后，有良好的营养价值。 4、UTA(吸附剂)专用壳聚糖 UTA专用壳聚糖是经过特殊工艺加工的壳聚糖系列产品；它能有效地吸附
利用壳聚糖制作食品包装的探索与研究
利用壳聚糖制作食品包装的探索与研究 【摘要】壳聚糖（chitosan）属含氨基的均态直链多糖衍生物，是由自然界广泛存在的几丁质（chitin）经过脱乙酰作用得到的少数具有荷电性的天然产物之一，也是迄今发现的唯一一种天然碱性多糖。在大多数弱酸条件下壳聚糖可以溶解成胶体，可以制成薄膜。本文就壳聚糖成膜后具有抗菌性，抗氧化性等对食品有保鲜功能展开研究，并证明其利用在食品包装材料上具有广阔的前景。 【关键词】壳聚糖保鲜食品包装 引言 虾壳、蟹壳是水产工业的废弃物，堆放一段时间就会腐坏，造成环境污染；而广泛存在于蟹、虾和昆虫的外壳及菌类、藻类的细胞壁中的甲壳素等物质（还有蛋白质和红色素）可经过1，4键链接而成的线形聚合物――壳聚糖（化学名称为：聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-B-D葡萄糖），是天然多糖中唯一的碱性多糖。壳聚糖具有优良的物理化学性能、生物相容性、抗菌性、生理活性、成膜性，由壳聚糖制得的功能材料且有较强的抗菌性能，可应用于医药、农业、工业、食品及化妆品等行业[1]。 （1）研究发展过程。1811年，法国科学家H.Braconnot
从动物的甲克中提取到甲壳素。1859年，法国一位名叫Rouget的研究者将甲壳素放在浓KOH溶液中煮沸，洗净后溶于有机酸，便得到了壳聚糖。1934年，在美国才首次出现了关于制备壳聚糖及相关物质的专利，并于1941年成功制备壳聚糖人造皮肤和手术缝合线。20世纪90年代，壳聚糖的应用和生产达到了高潮――全球壳聚糖的年产量数万吨。 （2）结构。经研究证实，壳聚糖的空间结构是一个复杂的双螺旋结构，每个螺旋平面有6个糖残基，螺距为 0.515nm。壳聚糖的基本组成单位是氨基葡萄糖，基本结构单元是壳二糖。 （3）物理性质。壳聚糖是一种白色或灰白色固体，没有固定形状，色泽上呈半透明，略带有珍珠光泽。不能溶于水和碱溶液中，可溶于烯酸（pH<6）。壳聚糖在溶液中是带正电荷多聚电解质，具有优良的吸附性、成膜性和通透性、保湿性等。 （4）化学性质。壳聚糖链官能团较多，能发生各种反应，O-酰基化和N-酰基化、含氧无机酸酯化、醚化、N-烷基化、氧化、螯合、酸吸附、接枝共聚和交联反应，其中比较重要的是酰基化和醚化反应[2]。 （5）壳聚糖的制备。壳聚糖的制备有化学制备法、生物降解法、机械加工法，其中化学制备法如下流程：虾壳→稀酸溶液搅拌（1.5h）→加入氢氧化钠水溶液（加热2h）→
水溶性壳聚糖的制备方法
水溶性壳聚糖的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（１）、原料处理：将壳体去除肉后，清水漂洗备用；（２）、稀酸处理：用壳体重２～４倍４～１０％的盐酸浸泡１～２天，再用清水漂洗；（３）、碱煮除蛋白脱脂：用２～４倍８～１２％氢氧化钠煮沸２～４小时，用清水漂洗；（４）、再脱钙处理：用２～４倍１０～１５％盐酸浸泡，以除去碳酸钙和磷酸钙，再用清水漂洗；（５）、脱色处理：用２～４倍清水调节ＰＨ值在５左右、在酸性条件下加入１％的ＫＭｎＯ↓［４］至紫红色不褪为止，以除去壳体的有机色素，再用清水漂洗；（６）、还原除去ＭｎＯ↓［２］：将脱色后的壳体浸泡于１～３％的ＮａＨＳＯ↓［３］溶液中，以除去ＭｎＯ↓［２］，再用１～４％的草酸漂白得到白净甲壳素；（７）、脱乙酰度：用２～４倍５５～７０％的浓氢氧化钠在７５～９５℃处理１０～２０小时，获得壳聚糖粗品；（８）、纯化分离：将粗品溶于８～１０倍３～６％稀醋酸，慢慢加入１０％左右的浓碱至出现粘液，冷却至５～２５℃，静置水解２～４小时，用稀盐酸中和至ＰＨ值在８～９，并产生絮状物，不断搅拌，至絮状物不再产生，过滤，洗涤除去氯化钠获得可溶性壳聚糖精品。 壳聚糖的结构、性质及其应用 张洁 海洋药学0844130 摘要：生物相容性好、可降解、对组织和细胞无毒副作用的生物材料一直是生物医学领域研究的热点。壳聚糖(α(1-4)2-氨基2-去氧β-D葡聚糖)是甲壳素脱乙酰得到的天然多糖中惟一的碱性多糖,具有很多优良的特性。本文就壳聚糖的结构、性质及其应用进行综述。 关键词：壳聚糖，结构，性质，应用 壳聚糖(Chitosan，简称CTS)，壳聚糖是由N-乙酰糖胺组成,其中糖胺的含量超过90%,具有黏多糖相似的结构特点,而黏多糖在组织中分布广泛,是细胞膜有机组成成分之一,故壳聚糖具有优异的生物相容性⑴~⑵。表现为无毒、无刺激、无免疫抗原、无热原反应、不溶血,有抗菌消炎、促进伤口愈合,抗酸、抗溃疡、降脂和降低胆固醇的作用⑶~⑸。而且具有直接抑制肿瘤细胞的作用,并可通过活化免疫系统显示抗癌活性,与现有的抗癌药合用可增强抗癌效果,近年来其作为药物微球材料的研究也受到了极大的重视⑹,是一种安全可靠的天然生物活性多糖。本文就壳聚糖的结构、性质及其应用进行综述。 一．壳聚糖的结构与性质1.壳聚糖的来源—甲壳素 壳聚糖来源于一种自然资源十分丰富的线性聚合物一甲壳素，是甲壳素经脱乙酰化反应后得到的一种生物高分子Ⅲ。甲壳素是一种天然多糖类生物高分子聚合物，在自然界中广泛存在于低等生物菌类、藻类的细胞，节支动物虾、蟹、昆虫的外壳，软体动物(如鱿鱼、乌贼)的内壳和软骨，高等植物的细胞壁等，将甲壳动物的外壳通过酸碱处理，脱去钙盐和蛋白质，即可得到甲壳素。甲壳素化学名为[(1，4)一2一乙酰胺基一2一脱氧一B—D-葡萄糖]，分子式为(C8H13N05)。，单体之间以B(1-4)糖苷键连接，分子量一般在lO6左右，理论胺含量为6．9％。甲壳素的化学结构与植物中广泛存在的纤维素结构非常相似(见图l)，故又称为动物纤维素。
壳聚糖的制备
壳聚糖及其衍生物的制备 甲壳素（chitin）在自然不仅含量十分丰富，而且可生物降解，是环境友好产品，利用沿海地区丰富的虾蟹壳为原料，可生产出甲壳素，变废为宝，净化环境。甲壳素经浓碱处理去掉乙酰其后得壳聚糖（chitosan），分子结构如下： O O CH2OH OH NH2n O 壳聚糖经化学改性可得系列的衍生物，如：羧甲基壳聚糖、低聚壳聚糖等。这些系列产品在许多方面有着极其广泛的用途。如在医学方面可作为抗癌制剂、手术缝线、人造皮肤、药物载体等；在轻工业上可作为化妆品填料、增白剂、固发剂或增强纸张的光洁度；在环保方面可作为絮凝剂、吸附剂，用于污水处理，还可用作饮料的澄清剂、无毒包装材料等；在农业方面是一种新型植物生长调节剂，促进植物生长、增加产量、提高品质、诱导植物的广谱抗病性，还可用于生产生物农药，用于果蔬保鲜。因此壳聚糖及其衍生物系列产品有很好的潜在需求和市场前景。 一、实验目的 1.了解壳聚糖及其衍生物的应用概况； 2.学习壳聚糖及其衍生物的制备原理和方法； 3.强化学生环保意识，变废为宝； 4.制备2～5g的产品。 二、实验内容 1．利用强碱制备壳聚糖； 2．测定壳聚糖的脱乙酰度。 三、实验原理
甲壳素是酰胺类多糖，壳聚糖的制备过程，就是酰胺的水解过程。酰胺有如下几种结构： 酰胺可在强酸或强碱条件下水解，对于低分子的酰胺，水解可以进行得比较 完全，但对于多糖来说，强酸更容易水解糖苷键，所以甲壳素的脱乙酰基，一般 情况下不采用强酸水解；相对说来，强碱造成糖苷键的断裂不像强酸那么严重， 所以都用强碱来脱乙酰基。 酸碱滴定法的原理是壳聚糖的自由氨基呈碱性，可与酸定量地发生质子化反应，形成壳聚糖地胶体溶液： 溶液中游离的H+用碱反滴定，这样，从用于溶解壳聚糖的酸量与滴定用去的碱量 之差，即可推算出壳聚糖自由氨基结合酸的量，从而计算出壳聚糖中自由氨基的 含量。 四、实验材料与设备 1．实验设备与仪器 水浴锅，电炉，烧杯，三角瓶，碱式滴定管，电子天平。 2．实验材料与试剂 甲壳素，NaOH，HCl，甲基橙指示剂，乙醇、丙酮。 五、实验步骤 1．壳聚糖的制备 （1）取三个烧杯，编号1﹟、2﹟、3﹟，于每个烧杯中加入甲壳素5g，于1﹟ 烧杯中加入40％NaOH 100mL,2﹟烧杯中加入50％NaOH 100mL, 3﹟烧杯中加入 60％NaOH 100mL,100℃煮沸2h,脱乙酰基。 （2）反应完毕取出，用蒸馏水洗至中性，再用乙醇、丙酮洗涤后，干燥，即得 白色壳聚糖。 2．脱乙酰度的测定 准确称取上述方法制备的三种壳聚糖各0.5g，分别置于250mL三角瓶中，加入
壳聚糖抗菌剂研究进展
Bioprocess 生物过程, 2017, 7(4), 41-48 Published Online December 2017 in Hans. https://www.360docs.net/doc/1d7253736.html,/journal/bp https://https://www.360docs.net/doc/1d7253736.html,/10.12677/bp.2017.74006 Research Progress on Chitosan Antimicrobial Maotao Wu SunRui Marine Environment Engineering Co., ltd, Qingdao Shandong Received: Nov. 20th, 2017; accepted: Dec. 1st, 2017; published: Dec. 7th, 2017 Abstract Chitosan is a nature macromolecule. With the investigation, its applications are broad. The article summarizes the research and application of chitosan as an antimicrobial, the mechanism and the infective factors, and the development foreground of the chitosan antimicrobial is prospected. Keywords Chitosan, Antimicrobial, Mechanism, Prospect 壳聚糖抗菌剂研究进展 吴茂涛 青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东青岛 收稿日期：2017年11月20日；录用日期：2017年12月1日；发布日期：2017年12月7日 摘要 壳聚糖是一种天然的高分子，随着研究的深入发展，应用范围越来越广泛。本文概述了壳聚糖在抗菌剂领域的研究应用情况，归纳总结了其抗菌机理及其影响因素，同时展望了壳聚糖抗菌剂的发展前景。 关键词 壳聚糖，抗菌剂，机理，展望
改性壳聚糖的研究进展
改性壳聚糖的研究进展 1壳聚糖的理化性质 壳聚糖(chitosan，(1,4)-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖)是甲壳素(chitin,(1,4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖)部分脱乙酰化的产物。甲壳素广泛存在于蟹、虾以及藻类、真菌等低等动植物中，含量极其丰富，自然界每年产量约在100亿吨，是仅次于纤维素的第二大多糖。它是由葡萄糖结构单元组成的直链多糖，此多糖中含有数千个乙酰己糖胺残基，因此在分子间形成很强的氢键，导致其不溶于水和普通有机溶剂，这就大大限制了其应用范围。 将甲壳素在碱性条件下加热，脱去N-乙酰基后可生成壳聚糖。人们常将N-脱乙酰度和粘度(平均相对分子质量)作为衡量壳聚糖性能的两项指标。N-脱乙酰度是判定壳聚糖溶解性的依据，脱乙酰度越高，分子链上的游离氨基就越多，在酸中的溶解性就越好；而壳聚糖相对分子质量越大，分子之间的缠绕程度就越大，溶解度就越小。壳聚糖是自然界中唯一的一种碱性多糖，它一般是白色无定型、半透明、略有珍珠光泽的固体。壳聚糖可溶于大多数稀酸，如盐酸、醋酸、苯甲酸溶液，且溶于酸后分子中氨基可与质子结合，使自身带上正电荷。甲壳素及壳聚糖的结构式如图1所示：
图1壳寡糖与壳聚糖的结构式 甲壳素和壳聚糖在自然界可以被各种微生物降解。微生物中的甲壳素酶(chitinase)可以随机地水解甲壳素的N-乙酰-β-(1-4)糖苷键。而壳聚糖可以被多种酶水解，包括壳聚糖酶(chitosanase)、麦芽糖酶、脂肪酶、以及各种来源的蛋白酶。在人体内甲壳素酶和壳聚糖酶并非普遍存在，通过测定显示N-乙酰壳聚糖在人血清中可以被人体内普遍存在的溶菌酶(lysozyme)降解。 壳聚糖的主链结构中引入了2-氨基，化学性质区别于3,6-羟基，与甲壳素相比增加了反应选择性的功能基团。由于C6-OH是一级羟基，C3-OH是二级羟基，空间位阻不同反应活性也不同，再加上C2-NH2，壳聚糖就具有三个活性不同的可供修饰的基团。根据不同的需要，被修饰的壳聚糖作为一种功能大分子广泛用于各种领域。由于壳聚糖只在酸性水溶液中溶解，而在中性或碱性水溶液中以及多数有机溶剂中不溶，限制了它的应用范围，因此科学家们采用衍生化的方法对壳聚糖进行改性获得了多种水溶性和可溶解于某些有机溶剂的衍生物，大大扩展了壳聚糖的应用范围。其中包括对壳聚糖进行N-,O-酰化，含氧无机酸酯化，醚化，N-烷基化，C6-OH和C3-OH的氧化，以及鳌合、交联等，在此过程中获得了许多性能良好，甚至是
壳聚糖的制备
壳聚糖的制备 甲壳素是许多甲壳类动物(如虾、蟹)及昆虫等外壳的重要组成成分,同时也存在于菌类的细胞壁中，还可来源于有机酸类，抗生素与酶酿造副产物。甲壳素是一种十分丰富的天然资源，在自然界蕴藏量仅次于纤维素。它不溶于水和酸性介质，甲壳素脱乙酰后形成壳聚糖（CTS）。其溶解性较甲壳素大。它是生物合成的天然高 分子, 葡聚糖,酰度 ( 滴定法、热分析法、气相色谱法、元素分析法、紫外光谱一阶导数、苦味酸分光光度法等。常用的有酸碱滴定法、红外光谱法、紫外光谱法、电位滴定法等。 一、壳聚糖的制备 将虾壳去腿去杂质后,流水冲洗,洗净残余的虾肉,于60℃烘箱中烘干，用研钵
磨碎.称取10g虾壳3份,于100mL5%HCl中浸泡4h至无气泡冒出,再补加50mL5%HCl,浸泡2h,除去虾壳中的钙质和无机盐,抽滤用去离子水洗至中性,加100mL10%NaOH于50℃水浴中加热2h,除去蛋白,过滤,用去离子水80℃水浴中反应4h,水洗至中性,抽滤,烘干后得白色粉末状甲壳素分别为2.08,2.00,2,12g，平均产率为20.6%。 二、壳聚糖制备工艺的设计 30%以下,,但是 ℃进行 , ,真空干燥, 1. ,可与酸定量反应生成盐,且胺基特别稳定,即使在50%氢氧化钠溶液中，在150℃也不会分解,基于上述特性来测定脱乙酰度。准确称取0.2g样品置于250ml三角烧瓶中,加入0.2mol/L盐酸标准溶液25ml,搅拌0.5～1h完全溶解,以甲基橙作指示剂,0.2mol/L氢氧化钠标准溶液滴定过量的盐酸至终点,另取1份样品于105烘箱中
至恒重,测定样品含水量。 这种方法简单,但由于达到终点时,壳聚糖析出沉淀,使终点判定容易产生误差,尤其在样品摩尔质量较大情况下更是如此,从而导致实验的重复性差。而且样品受溶解度影响较大,有时需加热才能使样品完全溶解,这样使盐酸挥发,测定结果受到影响。但这种方法不需大型仪器,操作简便易行,经常操作,积累一定操作经验,会改 2. ,作 单,,应 3. , , 红88与壳聚糖的作用。酸性红88这种带负电荷的染料与壳聚糖大分子上质子化的氨基以1∶1的化学计量形成络和物,此时酸性红88的最大吸收波长为505nm,吸光度达到最低点,可以定量利用这一变色作用。本文用酸性红143,与已知含量壳聚糖作用,测定未知含量壳聚糖。
壳聚糖的抑菌机理及抑菌特性研究进展
壳聚糖的抑菌机理及抑菌特性研究进展 吴小勇 曾庆孝 阮征 张立彦 (华南理工大学轻工与食品学院,广州510640) 摘 要:本文介绍了壳聚糖的抑菌作用及其在食品防腐保鲜方面的应用,还对壳聚糖的抑菌机理及其影响因素进行了较为全面的讨论。 关键词:甲壳素,壳聚糖,抑菌,防腐保鲜 Progress in the Study of Antimicrobial Activities of Chitosan Xiaoyong Wu,Q ingxiao Z eng,Zhen Ruan,Liyan Zhang (College of Light Industry&Food Science,South China Univ.of Tech.,Guangzhou510640) Abstract:The antimicrobial activities of chitosan and its a pplication in food preservation were introduced in this article. Moreover,the antimicrobial mechanisms and the effect factors of chitosan were com pletely discussed. K ey w ords:Chitin,Chitosan,Antimicrobial activities,Preservation 0 简介 甲壳素是可以再生的生物大分子物质,在自然界中广泛存在,是自然界中存在的数量仅次于纤维素的第二大有机物,估计每年的生物合成量达100亿吨[1]。甲壳素的脱乙酰产物%%壳聚糖,由于存在自由氨基,其溶解性和化学反应活性大大改善,表现出比甲壳素更广泛的应用前景。壳聚糖在食品工业的应用主要有:食品防腐保鲜、酒类除浊和果汁的澄清、功能性食品添加剂、水净化等。Fereidoon Shahidi 等综述了甲壳素和壳聚糖在这方面的应用[2],宋清华等也有类似的介绍[3]。近年来,随着消费者对化学防腐剂的安全性的担忧和对天然防腐剂的喜好,关于壳聚糖在食品防腐保鲜方面的应用的研究也越来越多;但是在壳聚糖的抑菌机理和抑菌特性方面,不同的研究者得出的结论不同,有的结论一致,有的结论不一致,甚至相反;因此,对这些研究成果进行回顾,从中找出一些基本正确的,有规律性的结论是很有必要的。本文将努力在这方面做一些工作,并介绍部分关于壳聚糖的抑菌机理及应用研究方面的最新成果,供读者参考。 1 壳聚糖的抑菌机理 抗微生物的物质,其作用方式主要有以下几种[4]:损伤细胞壁、改变细胞的透性、改变蛋白质和核酸分子、抑制酶的作用、作为抗代谢物、抑制核酸的合成。关于壳聚糖及其衍生物的抑菌机理,从目前的研究结果来看,主要有以下几种可能:(1)分子量小于5000kDa的壳聚糖可以透过细胞膜[5],小分子壳聚糖进入微生物细胞内,与细胞内带负电的物质(主要是蛋白质和核酸)结合,使细胞的正常生理功能(例如DNA的复制和蛋白质的合成等)受到影响,导致微生物死亡[6]。(2)大分子的壳聚糖吸附在微生物细胞表面,形成一层高分子膜,阻止了营养物质向细胞内运输,从而起到杀菌和抑菌作用[5,6]。(3)壳聚糖的正电荷与微生物细胞膜表面的负电荷之间的相互作用,改变了微生物细胞膜的通透性,引起微生物细胞死亡[7]。(4)壳聚糖作为一种螯合剂,选择性地螯合对微生物生长起关键作用的金属离子,从而抑制微生物的生长和产毒; 64
壳聚糖制备工艺。改
实验一：壳聚糖制备工艺 一、实验目的 1、了解制备甲壳质和壳聚糖的意义； 2、学习甲壳质和壳聚糖制备工艺。 二、实验原理 壳聚糖是碱性多糖，有止酸、消炎作用，可抑制胃溃疡。动物实验表明，可降低胆固醇、血脂。国外已报道用作心血管系统降低胆固醇的药物。经分子修饰制得的肝素类似物，具有抗血栓作用，能与肝素妣美。壳聚糖广泛用于食品与医药，如用作药物的载体具有缓释、持效的优点；用于制作人造皮肤、人造血管、人工肾、手术缝合线等。 虾蟹壳含无机盐碳酸钙和磷酸盐约占45%；蛋白和脂肪约占27%；甲壳质约占20-25%（蟹壳含甲壳质17.1-18.2%;龙虾含甲壳质22.5%;虾壳含甲壳质20-25%）甲壳质是聚-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-吡喃葡萄糖，以β-（1，4）糖苷键连接而成，是一种线型高分子多糖，天然的中性粘多糖。甲壳质一般与蛋白质或碳酸钙或两者紧密结合在一起。盐酸浸泡处理可除掉壳里的无机盐碳酸钙、磷酸盐，壳中的CaCO3与HCL生成CaCL存在于废酸液中被除掉。碱处理可除掉壳中的蛋白和脂肪。经分离制得的甲壳质为白色无定型粉末，或亮白色半透明的小片状物。甲壳质不溶于水、稀酸、碱溶液和乙醇、乙醚等有机溶剂，溶于无水甲酸、浓无机酸。 浓热碱液与甲壳质作用，可脱掉甲壳质分子结构上的乙酰基，生成壳聚糖。即壳聚糖是由甲壳质在高浓度碱液中脱乙酰制备而成。壳聚糖为可溶性甲壳质，化学名称为聚-2-氨基-2-脱氧-D-吡喃葡萄糖，以β-（1，4）糖苷键连接而成。相对分子量约为12万-59万，是一种大分子阳离子聚合物。壳聚糖不溶于水和一般有机溶剂，不溶于碱，可溶于酸性水溶液（但不溶于硫酸）。 制备高黏度（高分子量）壳聚糖，脱乙酰工艺路线有几条，学生自行设计： 1.60-70℃，40-41%NaOH溶液保温20h； 2.110-120℃，45-50% NaOH溶液反应1h左右； 3.间歇式工艺路线：100℃条件下，45%的NaOH 溶液，1+1间歇反应2次，每次反应1h，每次反应后水洗至中性。 三、实验材料 1.材料与试剂 虾壳，1mol/L盐酸，5%氢氧化钠，95%乙醇，乙醚，硼氢化钠 2.仪器与设备 粉碎机，20目筛，方盘，磁力搅拌器，电磁炉，恒温水浴锅，真空干燥箱，布氏漏斗，抽滤瓶，循环水泵，三口烧瓶，冷凝管，温度计，烧杯，量筒，pH试纸，滤纸，纱布。 四、实验步骤 虾壳（称重，取25g），加1mol/L盐酸溶液，（固液比1:10，搅拌，静置12h）过滤。加5% 氢氧化钠溶液，（固液比1:8），搅拌,隔水煮1h，过滤，得甲壳质，烘干，粉碎，待用。 取5g甲壳质于三口瓶中，加45%氢氧化钠溶液（固液比1:20），再加1% 硼氢化钠，于110-120℃搅拌反应1h，冷却，离心，移去上清液，水洗沉淀，再离心，再移去上清液，水洗沉淀，再移去上清液，以95%乙醇洗涤沉淀，一起倒入抽滤瓶中，抽滤，留滤饼，得壳聚糖，晾干，称重。 五、实验结果 1.测定产品的主要质量指标黏度和脱乙酰度；
抗菌剂(新)
1.抗菌的含义 抗菌方法可分为物理方法和化学方法两类。物理方法是通过温度、压力以及使用环境的电磁波、电子射线等物理手段杀菌；化学方法则是通过调节pH值进行气体交换、失水隔离营养源等手段灭菌。而目前在材料领域使用的方法主要是通过添加抗菌剂的办法来达到抗菌的效果，这种方法均有适用面广、效率高、有效期长的特点。 2.抗菌剂分类 抗菌剂大体上可分为无机系、有机系和天然生物系3大类。 表1 微生物抑制相关用语 2.1无机抗菌剂 利用银、铜、锌等金属的抗菌能力，通过物理吸附离子交换等方法，将银、铜、锌等金属（或其离子）固定在氟石、硅胶等多孔材料的表面制成抗菌剂，然后将其加入到相应的制品中即获得具有抗菌能力的材料。水银、镉、铅等金属也具有抗菌能力，但对人体有害；铜、镍、钻等离子带有颜色，将影响产品的美观，锌有一定的抗菌性，但其抗菌强度仅为银离子的 1/1000 。因此，银离子抗菌剂在无机抗菌剂中占有主导地位。
银离子类抗菌剂是最常用的抗菌剂，呈白色细粉末状，耐热温度可达1300℃以上。银离子类抗菌剂的载体有磷酸锆、沸石、陶瓷、活性炭等。有时为了提高协同作用，再添加一些铜离子、锌离子。 此外还有氧化锌、氧化铜、磷酸二氢铵、碳酸锂等无机抗菌剂。 银系抗菌剂的种类及其载体性质 抗菌剂有效成分载体性质抗菌能力 银---氟石银离子离子交换强 银---活性炭银离子吸附弱 银---磷酸铜银离子离子交换强 银---磷酸钙银离子//银吸附弱 银---硅胶银配位化合物吸附弱 银---溶解性玻璃银盐玻璃成分弱 银---多孔金属银离子//银吸附弱 目前，对抗菌剂的要求包括：（A）抗菌剂能力及光谱抗菌性；（B）持效性，既耐洗涤、耐磨损、寿命长；（C）耐侯性、既耐热、耐日照、不宜分解失效；（D）与基材的相容性或可加工性，既易添加到基材中、不变色、不降低产品使用价值或美感；（E）安全性，对健康无害，不造成对环境的污染；（F）细胞不易产生耐药性 2.1.1无机系抗菌材料： 无机系抗菌材料的抗菌方式，一种是利用金属本身（如Ag、Cu等）所具有的抗菌能力，通过物理吸附或离子交换等方法，将金属（或其离子）或具有锐钛矿型结构的二氧化钛（TiO2）光触媒材料固定在沸石、硅胶等多孔材料的表面制成抗菌剂，然后将其加入到制品中就可以获得具有抗菌性的材料，其制品有各种复合抗菌塑料、抗菌复合钢板等。另一种是利用具有抗菌作用的金属，使其固溶在一般不锈钢中，再通过特殊热处理方法，使具有抗菌作用的金属从基体中析出，这样在不锈钢表面就有了抗菌性。这种不锈钢也可以被称为抗菌不锈钢，目前抗菌不锈钢的研制与开发是抗菌材料的热点。
壳聚糖及其衍生物抗菌性能研究进展
中国实用口腔科杂志2011年7月第4卷第7期 甲壳素（chitin）是N-乙酰基-D-葡萄糖胺以β-l，4键结合而成的多糖，是蟹、虾等甲壳类、甲虫等的外骨骼及蘑菇等菌类的细胞壁成分，广泛存在于自然界。壳聚糖（chitosan）是甲壳素脱去乙酰基的产物，安全无毒具有良好的生物兼容性，与人体细胞有良好的亲和性，无免疫原性，具有抗癌和抗肿瘤的作用。壳聚糖及其衍生物因其特有生物活性对多种细菌、真菌具有广谱抗菌的功能，在口腔抗微生物方面的应用逐渐得到重视。本文就壳聚糖及其衍生物抗菌性能方面研究现状进行综述。 1壳聚糖的抗菌活性 1.1壳聚糖对细菌的抗菌作用壳聚糖具有广谱抗菌作用。近年来研究发现，壳聚糖可抑制大肠杆菌、沙门菌属、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌、李斯特单核细胞增生菌、小肠结肠炎耶尔森菌、链球菌、霍乱弧菌、志贺痢疾杆菌、产气单胞菌属及某些真菌等的生长［1］。 邓婧等［2］采用纸片药敏试验法，在pH6.5时对不同浓度壳聚糖进行抑菌实验，发现其对变形链球菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌、幽门螺杆菌、牙龈卟啉单胞菌均有抑制作用。2％壳聚糖对变形链球菌、金黄色葡萄球菌的抑制效果最好，1.5％、1.0％、0.5％对变形链球菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌的抑制效果优于幽门螺杆菌和牙龈卟啉单胞菌。有研究发现，在pH5.5时，1.0%壳聚糖（脱乙酰度为88.7%）对金黄色葡萄球菌、大肠埃希菌有强抑制作用［3］。 由于壳聚糖良好的成膜性和独特的抗菌性，它能有效抑制2种牙周致病菌——伴放线放线杆菌和牙龈卟啉菌的生长。Ikinci等［4］将壳聚糖凝胶或膜与洗必泰联用，证明壳聚糖对牙龈卟啉菌有一定的抑制作用，可避免洗必泰的不良反应，既可延长其作用时间，也能够明显抑制细菌生长。壳聚糖对促进血链球菌生物膜脱落有显著作用，且小分子量壳聚糖的作用效果最佳。壳聚糖对几种常见口腔致病菌不仅有抑制作用，而且经高温处理后其作用也很稳定，所以在治疗口腔感染方面壳聚糖将是有效药物［2］。1.2壳聚糖对真菌的抑制作用壳聚糖还具有抗真菌活性。壳聚糖可有效抑制皮肤浅表真菌的生长。刘晓等［5］研究壳聚糖凝胶对皮肤浅表真菌的抑制作用，发现壳聚糖凝胶剂对红色毛癣菌、断发毛癣菌均有较强抑菌作用，抑菌质量浓度为2.5～5g／L。Rhoades等［1］使用脱乙酰度为89%、质量浓度为1g／L的天然壳聚糖对念珠菌和白色隐球菌进行抑菌实验，发现其对2log cfu／mL念珠菌有明显的抑制作用，而对白色隐球菌却无抑制作用。Muhannad 等［6］在pH5.0条件下，使用0.5%壳聚糖（脱乙酰度92%）的乳剂对白色念珠菌的抗菌效果进行观察，发现24h后能使白色念珠菌数量减少达99%、黑曲霉菌减少达90%。可见壳聚糖对真菌也有很广泛的抑制作用，且作用效果与抗细菌作用类似。 作者单位：中国医科大学口腔医学院牙体牙髓科，沈阳110001 通讯作者：于静涛，电子信箱：Yjtao555@https://www.360docs.net/doc/1d7253736.html, 综述 壳聚糖及其衍生物抗菌性能研究进展 刘扬，于静涛，孙莹莹，宋雪莲 文章编号：1674-1595（2011）07-0437-03中图分类号：Ｒ78文献标志码：Ａ 提要：壳聚糖由天然多糖甲壳素经脱乙酰化处理而成，是生物相容性和水解性较好的低聚糖，具有较好的广谱抗菌性。近年来，壳聚糖及其衍生物的抗菌性是医药、保健、食品和化妆品等领域的研究热点，本文就壳聚糖及其衍生物抗菌性能方面研究进行综述。 关键词：壳聚糖；壳聚糖衍生物；抗菌性；抗菌机制 Research on antibacterial action of chitosan and chitosan derivatives.LIU Yang，YU Jing-tao，SUN Ying-ying，SONG Xue-lian.Department of Endodontics，School of Stomatology，China Medical University，Shenyang 110001，China Summary：Chitosan，made by dehydration of natural polysaccharide chitin，is a biocompatible and soluble oligosaccha?ride and a good broad-spectrum antimicrobial.In recent years，antibacterial activity of chitosan and its derivatives is of special interest of research in the field of medicine，health，food and cosmetics，etc.This paper is a review on anti-bacte?rial performance of chitosan and its derivatives. Keywords：chitosan；chitosan derivatives；antibacterial action；antibacterial mechanism 437