壳聚糖化学研究现状

2022-09-12 版权声明 我要投稿

壳聚糖是一种高附加值且供不应求的精细化学品[1], 世界范围主要生产国家有美、日、英、德、印度等国家。我国壳聚糖生产企业集中在沿海地区, 且企业普遍规模小、资源浪费严重, 质量参差不齐且价格昂贵。本文简要分析壳聚糖的研究与使用, 为产业发展提供参考。

壳聚糖 (Chitosan) 俗称脱乙酰甲壳素;化学名称是 (1, 4) -2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖, 分子式为 (C6H13NO5) n;CAS登记号为9012-76-4。其结构是如图所示:

1 壳聚糖的来源及制备方法

壳聚糖是甲壳素的脱乙酰产物, 自然界中来源广泛。甲壳素大量存在于如下:真菌及藻类细胞壁 (猴头菇、香菇) , 节支动物 (虾、蟹) , 动物骨骼, 昆虫外壳 (蟋蟀、蝇蛆、蚕蛹) , 软体动物内壳和软骨 (乌贼、鱿鱼) , 高等植物的细胞壁 (桑白皮) , 腔肠动物 (海哲) , 抗生素和酶的酿造副产物 (日本根霉) 。

壳聚糖是甲壳素重要的降解产物, 目前壳聚糖制备工艺有三种:碱溶法、碱液法、综合生产法。三种工艺的工艺流程包括但不限于清洗、酸浸、碱处理、脱乙酰、脱色及干燥工序;关键步骤是三脱, 即为脱钙、脱蛋白、脱乙酰。通常, 脱钙工艺采用稀盐酸溶液, 而脱蛋白、脱乙酰工艺则采用氢氧化钠溶液。

2 壳聚糖的性质

2.1 壳聚糖的三大重要参数

壳聚糖有三个重要参数:脱乙酰度、分子量及其分布、结晶度。脱乙酰度或转化率是指乙酰化与脱乙酰化产品之间的转化程度, 工业可用壳聚糖脱乙酰度至少达到75%;脱乙酰度主要取决于反应温度及辅助物用量;脱乙酰度直接关系到壳聚糖的溶解与结晶性能。壳聚糖的分子量分布从几十万到几百万, 分子量及其分布对壳聚糖材料的成纤性、强度等性能有着直接影响。结晶度对壳聚糖的降解速率和材料性质有明显作用, 壳聚糖的晶型结构因溶液酸碱性而发生转化。

2.1 壳聚糖的溶解性及其影响因素

壳聚糖分子链上存在大量的羟基和氨基, 从而容易形成众多氢键而使得壳聚糖形成更加稳定有序的排列, 且大量的活性基团被包裹, 因此壳聚糖难溶于一般的溶剂。一般壳聚糖脱乙酰度>50%的中、高密度壳聚糖难溶于中性水, 可溶于稀盐酸、硝酸等无机酸和大多数有机酸, 但不溶于稀硫酸和稀磷酸;还溶于某些离子液体中, 已用于溶解壳聚糖的离子液体有咪唑类与甘氨酸类[4]。

可见溶解性是制约壳聚糖研究及应用的因素之一, 而影响壳聚糖溶解的主要因素则包含了脱乙酰度、相对分子质量、溶剂的种类、温度等。

3 壳聚糖的改性研究

壳聚糖具有无毒性、无刺激性、相容性、降解性、吸湿性、抗菌性、成纤成膜性、安全性、保湿性、保鲜性等特性, 但是受其溶解性能等因素的制约, 壳聚糖的发展应用受到极大的限制。因此, 对壳聚糖进行化学修饰来提高其应用范围已经成为壳聚糖工业的一个重要发展方向。

壳聚糖中大量存在2位氨基、3位仲羟基、6位伯羟基以及糖苷键。对这些官能团进行衍生或结构修饰得到各种功能性物质。已有研究报道的壳聚糖化学改性反应[4,5,6,7]主要有醚化反应、酰化反应、酯化反应、氧化反应、O-糖苷化反应、磺原酸化反应、交联反应、N-烷基化反应、席夫碱反应、接枝共聚、羧基化反应、降解反应、两亲性改性反应、壳聚糖支链化反应、还原性烷基化反应、螯合吸附等。在聚壳糖主体结构不变的基础上, 上述反应对活泼官能团进行选择性的反应得到性质不同的产物, 进而增加壳聚糖新的应用空间。

4 壳聚糖及其衍生物的应用

壳聚糖有着诸多优异特性, 因此, 壳聚糖在化工 (催化剂载体、重金属脱除剂、原材料) 、医药 (壳聚糖缓释体系、纳米胶囊、药用辅料、抗肿瘤药物、支架涂层) 、水处理 (净水剂、沉降剂) 、食品 (澄清剂、亚硝酸盐消除剂、保鲜剂、防腐剂、包装膜、脱色剂) 、化妆品 (保湿剂、润肤剂、面膜) 、纺织 (固色剂) 、保健品 (提高免疫力、抗衰老、降血压) 、生化、环保 (絮凝剂、螯合剂) 、塑料、酶载体以及生物医学工程等领域有着广泛的应用及应用前景[8,9,10,11]。因此, 壳聚糖及其衍生物的开发应用及市场发展前景较为可观, 对它进行深入研究和利用, 应用领域也将逐渐扩大。

摘要:壳聚糖是自然界大量存在的碱性多糖, 本文从壳聚糖的来源、性质、改性、应用几个方面进行概述, 为壳聚糖的工业发展提供支撑。

关键词:壳聚糖,来源,改性,应用

参考文献

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[2] 王东阳等.壳聚糖的提取及应用技术[J]中国甜菜糖业.2008 (2) .

[3] 索一婷等.壳聚糖的提取来源及方法研究[J]吉林农业2011 (04) .

[4] 孙丹丹等.壳聚糖在离子液体中的改性[J]化学世界, 2015 (11) .

[5] 张爱琴等.壳聚糖的化学改性研究进展[J]化学试剂, 2003 (6) .

[6] 汪源浩等.壳聚糖的化学改性及应用研究进展[J]济南大学学报, 2007 (2) .

[7] 赵希荣.壳聚糖化学改性新进展[J]精细与专用化学品, 2003 (18) .

[8] 薛俊礼等.壳聚糖对食品中亚硝酸盐的消除[J]黑龙江科学, 2015 (6) .

[9] 李晓红等.壳聚糖澄清剂在蓝莓冰酒中的应用[J]吉林工程技术师范学院学报, 2015 (12) .

[10] 金政等.壳聚糖缓释体系研究进展[J]化学与黏合.2015, 37 (1) .

[11] 陈诗琪等.天然高分子壳聚糖的特性及其应用[J]应用化工, 2016 (1) .

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