壳聚糖及其结构特点

第一章 绪 论

1．1 壳聚糖及其结构特点

壳聚糖(Chitosan)是甲壳素(Chitin)脱乙酰基后的产物，是甲壳素最基本、最重要的衍生物。甲壳素又名甲壳质、几丁质，化学名为(1,4)—2—乙酰胺—2—脱氧—β—D—葡聚糖，主要存在于虾、蟹、蛹及昆虫等动物外壳以及菌类、藻类植物的细胞壁中。节肢类动物的干外壳约含20~50%甲壳素。自然界中甲壳素有三种结构：α、β、γ，其中最为常见、普通的是α型。地球上每年甲壳素的生物合成量为数十亿吨，是产量仅次于纤维素的天然高分子化合物。下图1-1是甲壳素和壳聚糖的结构：

图1-1 甲壳素、壳聚糖分子的结构示意图

Fig.1-1 The configuration schematic of chitin and chitosan

纯净的甲壳素和壳聚糖均为白色片状或粉状固体，比重0.3，常温下能稳定存在。甲壳素分子之间存在强烈的氢键作用，使得甲壳素形成高度的结晶结构，因而甲壳素分子高度难溶。甲壳素不溶于水及绝大多数有机溶剂，也不溶于稀酸、稀浓碱，只溶于浓酸和某些溶剂。壳聚糖分子的活性基团为氨基而不是乙酰基，因而化学性质和溶解性较甲壳素有所改善，可溶于稀酸、甲酸、乙酸，但也不溶于水和绝大多数有机溶剂。由于氨基和羟基比较活泼，壳聚糖的化学性质较甲壳素活泼，可以发生多种化学反应，比如烷基化、酰基化反应等等。

1．2 壳聚糖及其衍生物产品的应用

壳聚糖及其衍生物由于其可再生性、生物相容性以及结构中的多种活性基团，具有多种优良的性质，已经广泛应用于化妆品、食品、医药、农业、环保等多个行业中。

1．2．1 在环保中的应用

壳聚糖及其衍生物能够通过分子中的氨基和羟基与多种金属离子形成稳定的整合物且可帮助微粒凝聚，故广泛用作化工、轻工纺织等废水处理中的吸附剂和絮凝剂。壳聚糖作为吸附剂和絮凝剂，能够有效地捕集溶液中的重金属离子和

有机物，并可以抑制细菌生长，使污水变清，特别是对于汞、铬、铜、铅、钴、3n n

甲壳素壳聚糖

锌和砷等元素的离子有明显的吸附滤除作用[1-2]。

1．2．2在食品中的应用

壳聚糖在食品中的应用很广，此处只提它在补充微量元素方面的应用。人体需要吸收微量元素。在适宜的pH值条件下，壳聚糖分子所含有的氨基和羟基可以有效地螯合某些金属离子。把这些螯合物添加到食品中，就可以制成微量元素补充剂。此外，在食品中添加壳聚糖，可以在胃内的环境下结合一些微量元素，起到防止这些微量元素流失的作用。

1．2．3在日用化妆品工业中的应用

壳聚糖及其衍生物具有极强的附着力，同时有成膜、保温、防尘、抗静电等优良性能，因此可用于制备发型固定剂、毛发保护剂、柔软剂等，不仅能使头发蓬松、易于梳理、保持头发的色泽，而且还具有促进毛发生长的作用，广泛应用于配制香波、润肤剂、固发摩丝和洗发水等，其性能优于传统的配料产品。

1．2．4在医药工业中的应用

在医药工业中，由壳聚糖制得的手术缝合线机械强度好，可长期存放，能用常规方法消毒，能被人体内组织液降解而吸收，伤口愈合后无须拆除手术线。由壳聚糖制成的人造皮肤，具有柔软、舒适的特点，覆盖在烧伤面上能减轻痛苦，加速伤口愈合，促进皮肤再生[3]。此外，壳聚糖还可用于微型胶囊的制备和疫苗的缓释，用作消炎眼膏的载体和用于制造隐形眼镜等。

1．2．5在纺织工业中的应用

用壳聚糖醋酸溶液作直接染料和疏化染料的固化剂，不仅可以增进织物和花布的耐光和耐磨性，而且可使织物富有滑爽和硬挺的外观。

1．2．6在造纸工业中的应用

壳聚糖及其衍生物可有效地提高纸张的干、湿强度和改善表面印刷性，广泛地应用于印刷的生产，以适应高速印刷、高粘度油墨的要求。

1．3国内外壳聚糖的市场现状及前景展望

1．3．1世界壳聚糖市场的概况

全世界每年由生物合成的甲壳素约为100亿吨，可提取壳聚糖20亿吨以上。在日本，壳聚糖类保健品是该国政府特许的唯一准许宣传疗效的功能型保健食品；而欧洲及美国的营养学界称壳聚糖为六大要素之一，并投入大量人力、物力、财力研制开发生产以壳聚糖为主要原料的第四代保健食品。

壳聚糖在国际市场上供不应求，仅美国、日本每年壳聚糖的消费量就分别高达400吨和2000吨，这一半以上需要是通过进口来满足国内市场的需求。

由于国际市场壳聚糖需求趋旺，日本和美国等从我国大量购买壳聚糖粗品，生产壳聚糖精品和壳聚糖衍生物，再以高科技产品返销我国，成倍获取利润。

1．3．2我国壳聚糖市场的概况及前景展望

我国具有丰富的壳聚糖生产原料——甲壳素来源，发展壳聚糖产业具有得天独厚的优势条件，市场潜力大，前景看好。主要是因为：

国内对壳聚糖的需求势头旺盛。1999年产量为400吨，而国内需求量则高达800吨，仅能满足市场容量底线，处于供不应求的状态。

壳聚糖的应用范围不断扩大。近些年来，随着各国对壳聚糖的认识不断提高和应用研究的进一步深化进行，壳聚糖已应用于许多领域中，其中化妆品，保健品，食品工业等行业对壳聚糖的需求增长最快；在医药、化工、造纸、农业、环保、轻纺等领域中正在得到广泛的应用。

据了解，目前甲壳素的市场售价约为每吨4.5万元，经进一步加工制得的壳聚糖价格为每吨15万元，而其原料的湿虾壳仅为每吨200元。结合其他成本，按照这样测算，建设一套年产食品工业级壳聚糖生产装置，其利润是可观的。

1．4壳聚糖改性现状及其意义

壳聚糖、甲壳素在许多领域都展示了良好的应用前景。但是，由于甲壳素的高度紧密晶体结构，不溶于普通溶剂，壳聚糖也只溶于稀酸和某些特定的溶剂，大大限制了它的应用。因此，对壳聚糖进行化学修饰，引入其它官能团，开发更加高级的用途，是壳聚糖研究中最热门最活跃的课题之一。

目前，对壳聚糖进行化学改性主要集中在酰化反应、烷基化反应、羧甲基化反应、交联反应、希夫碱反应等几个领域。这里主要介绍本课题研究得较多的羧甲基化反应。

壳聚糖的羧甲基化

在碱性环境中，壳聚糖可以与氯乙酸反应引入羧甲基形成具有强极性的羧酸盐基结构，因而直接溶于水。

壳聚糖结构式表示为：

的电负性大于氮的电负性，因而-OH基的亲核反应大于-NH2基；C3和C6中，伯