甲壳素和壳聚糖的性质及应用

附件1：外文资料翻译译文

甲壳素和壳聚糖的性质及应用

摘要甲壳素主要存在于海洋中的甲壳类，虾和蟹中，是世界上第二种最重要的天然聚合物。甲壳素在碱性的固态中，利用选定好的应用方法进行表征和化学改性来评鉴多糖是比较难的。P.Austin，S.Tokura和S.Hirano，他们在甲壳素应用方面贡献很突出，尤其是在纤维形态方面。壳聚糖是甲壳素最重要的衍生物，下面我们对壳聚糖在表征方法和使用中遇到的主要问题进行概括。壳聚糖可溶于酸性的水溶液中，应用于许多领域（食品，化妆品，生物医学和药学）。我们简要的描述一下，在某些领域壳聚糖的化学改性已经被初步提出，但在工业方面却尚未开发。近几年的论文都着重评论了高附加值的材料在医药和化妆品上的应用。

关键词甲壳素结构壳聚糖结构壳聚糖衍生物生物材料壳聚糖基材料化妆品

1 引言

甲壳素，其化学名称（β-（1-4）-N-乙酰基-D-氨基葡萄糖），是一种重要的天然多糖，其在1884年首次被发现（图1）。这种聚合物是由大量的活性有机体合成，并且在世界上每年的产量都很大的，它的产量仅次于纤维素。甲壳素在自然界中存在于节肢动物的外壳中或真菌和酵母的细胞壁中，并以有序的微纤维晶体形式出现。它也存在一些低等的植物界和动物界中，同时许多功能上还需要强化。

图1 （a）甲壳素的化学结构，化学式是N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖，（b）是壳聚糖，化学式是D-氨基葡萄糖，（c）是部分乙酰化的壳聚糖，其特征是在于，它的DA共聚物的平均乙酰化程度。

尽管甲壳素的存在范围广泛，但到目前为止甲壳素最主要的商业来源是虾和蟹的外壳。在工业加工方面，甲壳素是从甲壳类动物中提取出来的，经酸处理溶解于碳酸钙中，再经碱萃取溶解，从而得到蛋白质。此外，脱色工序往往是去除残留的颜料，而得到无色的产品。由于原料的超微结构存在差异，所以，这些处理方式必须适合于每种甲壳素的来源。（甲壳素的提取和预处理不在这篇论文的描述）。对于进一步利用时，所产生的剩余的蛋白质和剩余的色素，可能会导致问题，因此人们在纯度和颜色方面对甲壳素进行分级，特别是生物医药产品。在应用方面甲壳素在碱性条件下脱乙酰基，获得壳聚糖，它是最重要的甲壳素衍生物。

这篇论文的目的是介绍在当今技术的水平上认识甲壳素和壳聚糖的形态，并且提出在溶液或固态中表征的最佳方法。过去十年的发展以及甲壳素的扩大利用，在化学改性方法上给予研究。

2 甲壳素

2.1 甲壳素在固态中的结构

根据甲壳素的来源，甲壳素以两种结晶多型异构体的形式出现，即α形式和β形式[1，2]，它们可以通过红外光谱、固相核磁共振光谱和X射线衍射加以区分。经过详细的分析，人们也发现第三种异构体γ-甲壳素[1，3]，它只是α-甲壳素的另一种形式[4]。α-甲壳素是最为丰富，它存在于真菌和酵母菌的细胞壁中、磷虾，龙虾和螃蟹肌腱和壳中、虾壳中、以及昆虫的表皮中。它也分布或存在于各种海洋生物中。在这方面，例如圆锥形钉螺[5]、脊椎前部的耳石[6～8]、海藻喷射出的丝状物[9]等。自从证明了α-甲壳素的特殊结构，与具有丰富甲壳素的节肢动物相比，其中一些结构呈现出非常高的结晶度连有较高的纯度[10]。除了天然的甲壳素以外，α-甲壳素的体系由溶液中析出的晶体[11～12]、体外生物合成[13～14]或酶促聚合[15]这三个方面形成的。

β-甲壳素较罕见，其分布在乌贼的顶骨内[1，3]和管状虫的交联蛋白质中，通过蠕虫蠕动而合成[16～17]。它也存在于北美豹蝶的刚毛中[18]以及在海藻或原生动物的兜

甲中[19，20]。高纯度的β-甲壳素在藻类植物Thalassiosira fluviatilis[20～22]所分泌的单晶刺中发现。到目前为止，人们并没有从溶液中或体外生物合成中，得到β-甲壳素。

2.1.1 甲壳素的晶体结构

甲壳素的晶体结构已经研究了很长的一段时间。如图2和图3是经过X射线衍射的[23～26]。乍看起来，虾壳（α-甲壳素）和鱿鱼顶骨（β-甲壳素）的粉末X射线衍射图几乎是一样的，但经过精确的分析，两者主要的不同点：（1）在0.338nm处的强衍射环通常是α-甲壳素的标志（图2a），而β-甲壳素的特征衍射环在0.324nm 处。（2）β-甲壳素在0.918nm处的内环是水合作用敏感带，在有液体时这个内环移动到1.16nm处，而α-甲壳素在0.943nm处的强衍射环对水缺乏敏感性。

通过电子衍射，从图中的分析可以得到高度结晶的α-甲壳素和β-甲壳素晶体结构的信息。例如图3，图3a是提取脊椎动物的矢耳石的一个片段，而图3b是在合成软体动物上提取的微纤丝。这两副图从b﹡和c﹡的方向来研究的，从图中可以清楚地看到，沿b﹡方向α-甲壳素的单元参数接近β-甲壳素的两倍，而沿c*方向两者相近。另外在a﹡c﹡方向上衍射（未在图中标出），α-甲壳素和β-甲壳素这两种异构体几乎相同。这些结果与目前公认的结晶度参数，α-甲壳素和无水的β-甲壳素的对称原理一致（如表1）。根据α-甲壳素和β-甲壳素的结晶的参数可以看出，在α-甲壳素中每个单位细胞分子链是反平行的，而β-甲壳素的分子链是平行排列的。尽管它们存在差异，但这两个异构体在N-乙酰基的糖基部分呈现出独立的晶体单元。

图2 甲壳素的粉末X射线衍射图

（a）α-甲壳素（虾壳）（b）β-甲壳素（鱿鱼顶骨）

图3高度结晶甲壳素的电子衍射图

（a）α-甲壳素（b）β-甲壳素

表1 α-甲壳素和β-甲壳素的晶体参数

a (nm)

b (nm)

c (nm) γ (°) 空间群参考文献

α-甲壳素0.474 1.886 1.032 90 P212121 [25]

无水β-甲壳素0.485 0.926 1.038 97.5 P21 [26] 图4和图5说明了α-甲壳素和β-甲壳素的晶体结构。通过甲壳素内部的氢键将分子链紧紧地组织在一个平面上，建立一种氢键模型。在这么紧密的网状结构中，以C-O…NH氢键为主，单元晶胞中分子链以a为参数其间距要维持在0.47nm（图4a，4c，5a，5c）。在α-甲壳素中也有一些氢键结构是以b为参数，这样就会与羟甲基相邻的链相连。这样的特性在β-甲壳素的结构中还没有发现，因此，β-甲壳素比α-甲壳素更容易在晶体内溶胀。在当前的模型下α-甲壳素晶体结构显示了，膜内氢键分布在两组上（图4b），个组都占用了一半[26]。目前这种特性是否能用于对一般α-甲壳素样品的结构测定或针对龙虾肌腱中的甲壳素的结构测定还不清楚。关于这方面，可以通过观察各种各样α-甲壳素样品的衍射图，从而发现一些差异。特别是龙虾肌腱中甲壳素的X射线图，其呈现001这样的衍射点[26]，这种衍射点点在许多矢耳石甲壳素晶体中是不存在的[7，8，10]。因此，需要通过更多的工作，来确定不同的α-甲壳素的晶体结构。与此相反，无水β-甲壳素的结构似乎是很好确定的。但是，β-甲壳素的水化物晶体结构仍然是精致而成，其晶胞参数存在一定的不确定性[17，27]。

图4 α-甲壳素的结构

（a）ac投影面（b）bc投影面（c）ab投影面。

一个混合物结构中包含2个-CH2OH基团构象[26]。

图5 无水β-甲壳素的结构

（a）ac投影面（b）bc投影面（c）ab投影面。

根据参考文献[25]可知N-酰化中存在一个错误，所以定义的坐标系没有被使用，代替该坐标系的是根据Y. Noishiki，Y. Nishiyama和M. Wada改善，而绘制出β-甲壳素分子结构坐标系。

2.1.2 甲壳素晶内溶胀可逆和不可逆

总体来说β-甲壳素的晶体结构中没有面内氢键，而面与面膜之间仍有一定数量的氢键而紧紧密连接。这种特殊的性质解释了为什么一些极性分子，包括水，乙醇和有机胺类，可以能轻易地渗透到β-甲壳素晶格中而不影响膜组织结构和样品的结晶度。这种溶胀过程非常迅速，实验发现高度结晶的β-甲壳素能够在一分钟内迅速溶胀[28]。一旦客体分子进入到β-甲壳素的晶格中，它就会成为β-甲壳素的晶体络合物。从本质上来说，在溶胀时β-甲壳素的结构单元参数b扩大了，而参数a、c不变。溶胀试剂与晶格的结合可以通过010衍射点表现出来。表2列举了典型的客体分子对于衍射点的变化。这种晶内的溶胀是可逆的，当进入的客体分子被清除时可以恢复到最初无水β-甲壳素的状态，尽管有一些晶体的损失。

表2 β-甲壳素络合物不同客体分子后010衍射点的变化

客体分子010衍射点的位置相应的b值/nm 参考文献无0.917 [25]

水 1.16a [25]

甲醇 1.30 [29]

正丁醇 1.55 [29]

正辛醇 1.97 [29]

正已胺 1.81 [30] 乙二胺（Ⅰ型） 1.18 [30]

乙二胺（Ⅱ型） 1.45 [30]丙烯酰胺 1.33 [31]

对氨基苯甲酸 1.31 [31]

D-葡萄糖 1.27 [31] a此值对应的是β-甲壳素的二水合，在β-甲壳素的一水合处的010衍射点的位置相应的b 值是1.04nm。

α-甲壳素的晶体溶胀极为特殊。因为水和乙醇不能渗入到α-甲壳素晶格内部，更强的溶胀试剂例如脂肪族二胺能插入到晶格中形成高结晶度的络合物[32]。在溶胀时α-甲壳素的结构单元参数b扩大了，而参数a、c为常数，这一点与β-甲壳素相同。溶胀过程b的增加与二胺类客体分子的碳链长度有关，例如含7个碳原

子的二胺扩大了0.7nm[32]。

β-甲壳素在强酸介质中，如HNO3和6～8mol/L HCl中，就会不可逆地转变为α-甲壳素[18，33]。在这种溶胀过程中，层内和层间的氢键都被打断[34]而且晶态也全部消[35]。当酸被除去后，能重新恢复α-甲壳素的晶体结构。在选取材料方面，如乌贼顶骨内甲壳素，从β-型到α-型的转换是通过结构中物质的收缩而完成的[33]。链的折叠原理解释了β-型到α-型的转换。可能还涉及到与β-甲壳素微纤丝极性相反有关的设想。在超微结构水平上，人们发现经过酸的处理大量的水解反应会发生部分溶解。随着水洗作用进一步应用，发现在底层未水解的甲壳素外延链上与最短的水解链发生重结晶，形成了一种串晶结构[35]。转换不是发生在单晶水平面上的，在重结晶过程中产生的酸性溶胀和α-甲壳素新晶体。从而破坏了部分β-甲壳素晶体或所有β-甲壳素晶体。β-型到α-型的转换不可逆，说明了α-甲壳素比β-甲壳素的热力学更稳定。这种稳定性说明了α-甲壳素是通过溶液结晶而获得的。

2.1.3 甲壳素的红外光谱

有关甲壳素红外光谱的描述和解释已有许多报道[36～41]。α-甲壳素和β-甲壳素的红外光谱见图6，是典型多糖的谱图。由于样品的高结晶度，该谱图中呈现出一系列尖锐的吸收带，通常的谱图可能没那么尖锐。酰胺基团中C=O伸缩振动的区域在1600cm-1—1500cm-1之间，有趣的是α-甲壳素和β-甲壳素的红外光谱存在差异。对于α-甲壳素，酰胺Ⅰ谱带是双峰，出现在1656cm-1和1621cm-1,而β-甲壳素的酰胺Ⅰ谱带是单峰，出现在1626cm-1。α-甲壳素和β-甲壳素的酰胺Ⅱ谱带也不同，分别出现在1556cm-1和1560cm-1。α-甲壳素在酰胺Ⅰ谱带出现两个吸收带成为讨论的热点。

图6 甲壳素的红外光谱图

（a）α-甲壳素单晶（b）β-甲壳素（脱蛋白并干燥的鱿鱼顶骨）

在1656cm-1的吸收带是聚酰胺和蛋白质类的常见的吸收带，它通常归属于与相邻链上N-H形成分子间氢键的C﹦O的伸缩振动。而1621cm-1的吸收带不存在于一般聚酰胺和蛋白质类，可能归因于C﹦O与同一链上相邻单元羟甲基形成的分子内氢键[41]。N-乙酰-D-氨基葡萄糖在此区域出现单峰证实了这种假设[37，42]。同时，观察到在α-甲壳素中1621cm-1处吸收带发生变化，而1656cm-1处的吸收带却不受影响[40]。另一种推测认为在1621cm-1处的吸收带是结合带或是由于酰胺的烯醇形式[37]。由于对α-甲壳素的分子结构和内部氢键的了解还不够精确，使人们尚不能够对这个特殊谱带提供明确的解释。

附件2：外文原文