壳聚糖查看源代码讨论查看历史

原图链接 图片来自达奇钓鱼论坛网

壳聚糖（chitosan）甲壳素N-脱乙酰基的产物，甲壳素、壳聚糖、纤维素三者具有相近的化学结构，纤维素在C2位上是羟基，甲壳素、壳聚糖在C2位上分别被一个乙酰氨基和氨基所代替，甲壳素和壳聚糖具有生物降解性、细胞亲和性和生物效应等许多独特的性质，尤其是含有游离氨基的壳聚糖，是天然多糖中唯一的碱性多糖。 壳聚糖分子结构中的氨基基团比甲壳素分子中的乙酰氨基基团反应活性更强，使得该多糖具有优异的生物学功能并能进行化学修饰反应。因此，壳聚糖被认为是比纤维素具有更大应用潜力的功能性生物材料。 壳聚糖为天然多糖甲壳素脱除部分乙酰基的产物，具有生物降解性、生物相容性、无毒性、抑菌、抗癌、降脂、增强免疫等多种生理功能，广泛应用于食品添加剂、纺织、农业、环保、美容保健、化妆品、抗菌剂、医用纤维、医用敷料、人造组织材料、药物缓释材料、基因转导载体、生物医用领域、医用可吸收材料、组织工程载体材料、医疗以及药物开发等众多领域和其他日用化学工业。

中文名： 壳聚糖

英文名： chitosan

又 称：脱乙酰甲壳素

基本结构地位： 壳二糖

应用方: 医药、食品、化工、化妆品

发现者: Rouget

研究历史

在虾蟹等海洋节肢动物的甲壳、昆虫的甲壳、菌类和藻类细胞膜、软体动物的壳和骨骼及高等植物的细胞壁中存在大量甲壳素。甲壳素在自然界分布广泛，储量仅居于纤维素之后，是第二大天然高分子，每年甲壳素生物合成的量约有100亿吨，是一种可循环的再生资源，取之不尽、用之不竭，这些天然聚合物的主要分布在沿海地区，印度、波兰、日本、美国、挪威和澳大利亚等国家，壳聚糖已经商业化生产。

甲壳素（chitin）首先是由法国研究自然科学史的布拉克诺（H.Bracolmot）教授于1811年在蘑菇中发现，并命名为Fungine。1823年，另一位法国科学家奥吉尔从甲壳类昆虫的翅鞘中分离出同样的物质，并命名为几丁质；1859年，法国科学家C.Rouget将甲壳素浸泡在浓KOH溶液中，煮沸一段时间，取出洗净后发现其可溶于有机酸中；1894年，德国人Ledderhose确认Rouget制备的改性甲壳素是脱掉了部分乙酰基的甲壳素，并命名为chitosan，即壳聚糖；1939年Haworth获得了一种无争议的合成方法，确定了甲壳素的结构；1936年美国人Rigby获得了有关甲壳素/壳聚糖的一系列授权专利，描述了从虾壳、蟹壳中分离甲壳素的方法，制备甲壳素和甲壳素衍生物的方法，制备壳聚糖溶液、壳聚糖膜和壳聚糖纤维的方法；1963年Budall提出甲壳素存在着三种晶形；20世纪70年代，对甲壳素的研究增多；20世纪80-90年代，对甲壳素/壳聚糖研究进入全盛时代。

应用方向

壳聚糖被发现已经有100多年，也有许多人在对它进行研究，广泛应用于农业、食品、医疗、工业。

甲壳素及其衍生物的用途大量研究表明，甲壳质及其衍生物具有成膜性、可纺性、抗凝血性，促进伤口愈合等功能。因此，甲壳质及其衍生物在食品、生化、医药、日用化妆品及污水处理等众多领域得到广泛的应用，将其主要用途归纳如下。

在食品工业中的应用

壳聚糖在食品工业中可作为黏结剂、保湿剂、澄清剂、填充剂、乳化剂、上光剂及增稠稳定剂；而作为功能性低聚糖，能降低胆固醇，提高机体免疫力，增强机体的抗病抗感染能力，尤其有较强的抗肿瘤作用。因其资源丰富，应用价值高，已被大量开发使用。工业上多用酶法或酸法水解虾皮或蟹壳来提取壳聚糖。

1.作为固定酶载体

将壳聚糖醋酸溶液喷入到碱液中进行凝固，经分离再生得壳聚糖微细颗粒，它可作为固定化酶的载体，被壳聚糖固定的酶可用于制糖、酿酒、造醋蛋白质水解等生物制备工程。

2.用作食品添加剂

微晶壳聚糖作为食品増稠剂和稳定剂可用于蛋黄酱、花生酱、芝麻酱、玉米糊罐头、奶油代用品等调味品的生产，通常食醋久放常产生沉淀，这主要是其中的金属离子与单宁等酚酸类物质形成大分子复合物所致。用甲壳素与壳聚糖处理后的食醋贮存一年也未发生沉淀。生产酱油时，添加适量壳聚糖，可除去蛋白质防止沉淀，在大酱中加入少量壳聚糖，可适当降低食盐添加量，且产品长期贮存也不会变质。

3.用作食品包装膜

将壳聚糖、淀粉与水混合均匀制成薄膜，干燥后再用碱液处理，可制成壳聚糖-淀粉合成食品包装膜，此膜无毒、可食、耐油，不溶于冷、热水，抗张强度髙，可用于包装固体、半固体和液体食品，该膜能自动生物降解，故无白色环境污染。

4.用于食品防腐保鲜

壳聚糖可用于在蔬菜保鲜、肉制品保鲜、海产品保鲜、淀粉、大豆制品保鲜以及蛋、乳与豆制品保鲜。

果蔬摘采后由于生理成熟作用影响，其会软化，导致硬度下降，给运输带来困难，品质、营养价值下降，对细菌的抵御能力也随之减弱。因此，怎样对果蔬进行保鲜长期受到人们的关注。壳聚糖具有成膜性，不仅对人体无害，还具有生理保健作用，其对果蔬的保护作用越来越得到人们的肯定。将壳聚糖覆盖于果蔬表面，可减少果蔬的蒸腾作用，而且对气体有一定的选择渗透作用，能阻挡外界O2进入膜内，提高果蔬组织内CO2的含量和减少乙烯逸出，从而降低了果蔬呼吸代谢强度，减缓果蔬熟化，达到保鲜目的。

壳聚糖对冷却猪肉有明显的保鲜作用，且脱乙酰度越高的壳聚糖对冷却肉的保鲜效果越好。溶于1%醋酸的1%壳聚糖溶液能使冷却肉的货架期达到1周，且冷却肉的感官品质好；2.5%的水溶性壳聚糖溶液的保鲜效果略低于1%酸溶性壳聚糖，但水溶性壳聚糖处理的冷却肉样品完全没有酸味，且感官品质良好。

壳聚糖对于富含不饱和脂肪酸类的海产食品，是优良的天然抗菌抗氧化剂-由雪蟹制备的不同分子质量的壳聚糖，浓度为50-200mg/kg，可有效控制鳕鱼肉在烹煮过程中的脂类氧化，而且浓度越高，抗氧化能力越强。

在日用化学方面的应用

壳聚糖无毒、无味、有抑菌作用，配入化妆品中，可提高产品的成膜性，具有抑菌、保湿功能，又不引起任何过敏刺激反应。如在壳聚糖分子中引入羟丙基氯化铵基团，得到的壳聚糖羟丙基三甲基氯化铵能增强壳聚糖的水合能力，提高其吸湿、保湿效能，成为来源丰富、性能良好的化妆品保湿材料。添加壳聚糖制成的各种洗发、护发用品，具有易于梳理、头发蓬松、手感丰满、发色光亮的功效。对于易折断、分叉的纤细头发效果更佳。在欧洲、美国、日本等国家和地区已有上百种含壳聚糖的日用化妆品出售。

在医药行业方面的应用

国家药典（四部）中规定，壳聚糖用于药用辅料，崩解剂，增稠剂等。

1.载体材料

用壳聚糖作为药物载体可以稳定药物中的成分，促进药物吸收，延缓或控制药物的溶解速度，帮助药物达到靶器官，并且抗酸、抗溃疡，防止药物对胃的刺激。

壳聚糖可用于制备微球，制成的微球黏附性好，比较适于口、鼻、胃肠等黏膜给药；壳聚糖微球表面富有多糖链，能被特异性细胞或组织所识别，可靶向投递药物至病灶部位贮存、释放；壳聚糖微球表面可接功能基团，以吸附或包裹的方式灵活负载不同药物。壳聚糖载药微球药物释放与壳聚糖分子量有关，一般药物的释放速率随壳聚糖的分子量增大而减小，且壳聚糖浓度越高，药物从壳聚糖中扩散进入生物介质的速率越低。

2.成膜材料

壳聚糖可用作膜剂的成膜材料，制备口腔用膜剂、中药膜剂等。其相对分子量的大小对成膜性和膜的性质影响较为突出，通常分子量越低，膜的抗拉强度越低，通透性越强。可选择适宜的交联剂改善膜的强度、改变膜的阻隔性能。

3.增稠剂壳聚糖作增稠剂时，随着浓度增加，溶液黏度增大；当浓度较高时，浓溶液的黏度表现触变性。当温度升高时，其黏度减小，规律和一般高聚物浓溶液的流动规律一致。

4.靶向制剂材料壳聚糖及其衍生物可用作靶向制剂材料。其结构单元含有羟基、氨基等官能团，可用于连接细胞外或细胞内的靶向配体，从而构建靶向药物载体用于靶向给药治疗。以壳聚糖为载体材料的靶向制剂剂型有很多，主要以纳米粒和微球为主。

5.其他应用 壳聚糖可作为片剂填充剂及矫味剂使用。壳聚糖生物相容性和生物可降解性良好，降解产物可被人体吸收，在体内不蓄积，无免疫原性，可制成吸收型外科手术缝合线。

原图链接 图片来自大地康恩网

【注意事项】与强氧化剂有配伍禁忌。

【案例解析】氟尿嘧啶壳聚糖微球

1.制法 将2g壳聚糖溶于100ml0.2mol/L醋酸溶液中配制成质量浓度为20g/L的壳聚糖溶液。按氟尿嘧啶：壳聚糖为1：6称取相应量的氟尿嘧啶投放到25g上述壳聚糖醋酸溶液中，搅拌使其完全溶解后，慢慢加入到盛有200g/L司盘80和5g/L硬脂酸镁的混合油中（真空泵油：液状石蜡=1:4），充分搅拌至体系呈乳液状，维持0.5小时，向乳液分散体系中加入相应量的戊二醛溶液，在40℃反应2小时，用氢氧化钠溶液调节pH约为7，继续反应1小时。离心分离产物，先用汽油洗涤，再用无水乙醇洗涤。最后在50℃真空干燥，得到产品。

2.解析

本制剂中药物氟尿嘧啶略溶于水。壳聚糖为载体，戊二醛为交联剂，司盘80和硬脂酸镁为复合乳化剂，真空泵油和液状石蜡混合为油相。

在轻工业方面的应用

利用壳聚糖的可溶性和成膜性，以壳聚糖与甲壳素化学结构的可相互转换的特点，采用乙酸酐作为壳聚糖-甲壳素的转型固定剂，从而制成一种甲壳素型且真正不含甲醛的新型织物整理剂（既保留了甲壳素天然高聚物的优点，又保证了整理剂与整理工艺无毒无害）。以甲醛和乙酸配为交联剂，壳聚糖为母体制备的壳聚糖凝胶，既不溶于水、稀酸和碱溶液，也不溶于一般的有机溶剂，具有较好的机械强度和化学稳定性等优良性能。

在环保方面的应用

壳聚糖能与戊二醛作用，用流延法制备离子交换树脂-壳聚糖交联膜，该树脂可吸附金属离子，从而可用于工业废水的处理及重金属的提取。壳聚糖能通过分子中的氨基、羟基与金属离子Hg+、Ni2+、Pb2+、Cd2+、Mg2+、Zn2+Cu2+、Fe3+都可形成稳定的螯合物，因而可广泛应用于贵金属的回收、工业废水处理等方面。利用壳聚糖制备高黏度可溶性壳聚糖，所得产品黏度高、质量好，用于活性污泥处理，效果极佳，又由于它无毒，可生物降解，将其用于废水处理和金属提取，将不会造成二次污染，因此它是一种很有前途的高分子絮凝剂和金属螯合剂。 ==理化性质

本品的性质与它的聚电解质和聚糖的性质有关。大量氨基的存在允许壳聚糖与阴离子系统发生化学反应，因此这两种物质合用会引起理化性质的改变。壳聚糖作为溶液被存放和使用时，需处于酸性环境中，但由于缩醛结构的存在，使其在酸性溶液中发生降解，溶液黏度随之下降。如果加入乙醇、甲醇、丙酮等可延缓壳聚糖溶液黏度降低，以乙醇作用最明显。

本品又名脱乙酰甲壳质、可溶性甲壳素、聚氨基葡萄糖，为类白色粉末，无臭，无味。本品微溶于水，几乎不溶于乙醇。本品是一种阳离子聚胺，在pH<6.5时电荷密度高（因此可吸附于阴离子表面并可与金属离子螯合）。本品是一种带有活泼羟基与氨基的线型聚电解质（可进行化学反应和成盐）。

纯净的壳聚糖为白色或灰白色半透明的片状固体，溶于稀酸呈黏稠状，在稀酸中壳聚糖的β-1，4-糖苷键会慢慢水解，生成低相对分子质量的壳聚糖。溶于酸性溶液形成带正电的阳离子基团。壳聚糖在溶液中是带正电荷的多聚电解质，具有很强的吸附性。壳聚糖分子中含有氨基，具有碱性，在胃酸的条件下可生成铵盐，可以使肠内pH值转为碱性，改善酸性体质。甲壳素对人体细胞有很强的亲和性，进入人体内的甲壳素被分解成基本单位。人体内存在的葡萄糖胺。而乙酰葡萄糖胺是体内透明质酸的基本组成单位。因此甲壳素和壳聚糖对人体细胞有很好的亲和性，不会产生排斥反应。

甲壳索在反应中生成带正电荷的阳离子基团，这是自然界中唯一存在的带正电荷的可食性食物纤维。甲壳素食物纤维单独食用是不易被消化吸收的，如果与牛奶、鸡蛋、蔬菜、植物性食品等一起食用就可以被吸收，这是因为在壳糖胺酶、去乙酰酶（在植物和肠内细菌中存在）、溶菌酶（体内存在）及卵磷脂（牛奶、鸡蛋中存在）等共同作用下甲壳素可以被分解成寡聚糖，低相对分子质量的寡聚糖可以被吸收，吸收部位主要在大肠。

壳聚糖的溶解性与脱乙酰度、相对分子质量、黏度有关，脱乙酰度越高，相对分子质量越小，越易溶于水；脱乙酰度越低，相对分子质量越大，黏度越大。壳聚糖具有很好的吸附性、成膜性、通透性、成纤性、吸湿性和保湿性。脱乙酰度和黏度（平均相对分子质疑）是壳聚糖的两项主要性能指标。

溶解后的壳聚糖呈凝胶状态，具有较强的吸附能力。壳聚糖中含有羟基、氨基等极性基团，吸湿性很强，甲壳素的吸湿率可达400%-500%，是纤维素的两倍多，壳聚糖的吸湿性比甲壳素更强，可以用作化妆品的保湿剂。壳聚糖游离氨基的邻位为羟基，有螯合二价金属离子的作用，壳聚糖可以螯合重金属离子，作为体内重金属离子的排泄剂，是高性能的金属离子捕集剂。壳聚糖在水中长期放置会发生水解，葡萄糖环开环。壳聚糖因为具有游离氨基可以被开发作为抗原、抗体、酶等生理活性物质的固定化载体。壳聚糖由于物理、化学及生物性能良好，对有机溶剂稳定性极好，方便进行二次加工，所以壳聚糖在食品、造纸、印染、环境保护、纺织、水处理、医疗、重金属回收等方面应用前景广阔。

结构特征

化学名：β-（1→4）-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖 分子式： （C6H11NO4）N 单元体的分子量为：161.2 氨基葡萄糖是壳聚糖的基本组成单位，壳二糖是壳聚糖的基本结构的糖单元，采用壳聚糖酶自然降解壳聚糖得到的最终产物是壳二糖。

壳聚糖呈现双螺旋结构特征，螺距为0.515nm，6个糖残基组成一个螺旋平面。甲壳素和壳聚糖的氨基、羟基、N-乙酰氨基形成的氢键，形成了甲壳素和壳聚糖大分子的二级结构。壳聚糖的氨基葡萄糖残基的椅式结构中有2种分子内氢键，一种壳聚糖分子间氢键是C3-OH与相邻的另一条壳聚糖分子链上的糖苷基形成的，另一种分子间氢键是氨基葡萄糖残基的C3-OH与相邻壳聚糖呋喃环上的氧原子形成的。甲壳素和壳聚糖的C3-OH、C2-NH2、C6-OH等官能团均可形成分子内和分子间氢键。

壳聚糖分子的基本单元是带有氨基的葡萄糖，分子内同时含有氨基、乙酰氨基和羟基，故性质比较活泼，可进行修饰、活化和偶联。壳聚糖分子链上的氨基、羟基、N-乙酰氨基等会参与分子内和分子间氢键的形成，壳聚糖具有膨润、扩散、吸附、保水、难以被人体消化吸收等长链糖分子特性，同时壳聚糖分子因为分子具有规整性在氢键作用下容易形成结晶区，这对材料的性能有很大的影响。

壳聚糖通过大分子链上分布的羟基、氨基、N-乙酰氨基相互作用形成各种分子内和分子间氢键。壳聚糖分子因为数量众多的氢键更容易形成结晶区，从而具有较高的结晶度，具有很好的吸附性、成膜性、成纤性和保湿性等物理机械性能。

相对分子质量

壳聚糖无味、无臭、无毒性，纯壳聚糖略带珍珠光泽。生物体中甲壳素的相对分子质量为1×106-2×106，经提取后甲壳素的相对分子质量约为3×105-7×105，由甲壳素制取壳聚糖相对分子质量则更低，约2×105-5×105。在制造过程中甲壳素与壳聚糖相对分子质量的大小，一般用粘度高低的数值来表示。

相对分子质量为10000的壳聚糖具有许多优异功能，如抑制肿瘤细胞的生长，降低血清和肝脏中的胆固醇、血糖及血脂，增强机体免疫力，强化肝功能，促进脾脏抗体生成，促进双歧杆菌增殖，抑制大肠杆菌生长，吸湿保湿等。

溶解性质

壳聚糖溶液的性质对其应用有重要影响。壳聚糖溶液有其自身特性，也具有高分子化合物溶液的通性。壳聚糖不溶于水、碱以及一般有机溶剂，但是因为壳聚糖结构单元中存在- NH2基团，极易与酸反应成盐，因此，壳聚糖可以溶解在盐酸、甲酸、乙酸、乳酸、苹果酸、抗坏血酸等许多稀的无机酸或某共有机酸中，长时间加热搅拌条件下也能溶解在浓的盐酸、硝酸、磷酸中。

壳聚糖溶液的表面能先随着溶度参数增大而减小，然后迅速上升。壳聚糖和甲壳素的解离性能与脱乙酰度的变化关系不是很大。壳聚糖的解离常数pKa，与溶液中离子强度和种类有关。同一壳聚糖溶液，在相同水解时间下，水解产物的相对分子质量的倒数和温度呈正比关系。在0.1mmol/L乙酸溶液中壳聚糖存在明显的白聚现象，随着壳聚糖浓度的增加，壳聚糖分子链由舒展链结构自聚转变为单链线团结构，单链线团结构进一步转变为相互缠绕的线团结构。在0.1mmol/I.稀盐酸中，壳聚糖乙酰基水解速率与壳聚糖的解聚速率基本相等。而在12.08 mmol/L的浓盐酸中，壳聚糖的解聚速率是壳聚糖乙酰基水解速率的十倍还多。

壳聚糖的活性吸附中心是表面自由氨基，许多无机酸、有机酸和酸性化合物，甚至两性化合物，都能被壳聚糖吸附结合。壳聚糖吸附低浓度游离酸的过程遵循甲分子层机制进行。吸附速度随着吸附介质的介电常数的减小而减慢。壳聚糖一般不溶于碱，但当甲壳素在均相条件下脱乙酰基或者将高度脱乙酰化的壳聚糖在均相介质中进行乙酰化反应，当乙酰化度在50%左右时，获得的水溶性产物能溶于碱性条件。

结晶结构

壳聚糖由于分子内和分子间很强的氢键作用而具有规整的分子链和较好的结晶性能。壳聚糖按晶体结构可以分为。α晶型、β晶型和γ晶型三种，其中α晶型最为稳定，并在大自然中广泛存在。壳聚糖的α晶型、β晶型和γ晶型的存在形式不同。α晶型通常与矿物质沉积在一起，两条反向平行的糖链排列而组成α晶型，α晶型参与形成坚硬的外壳，组成紧密；β晶型和γ晶型通常与胶原蛋白相结合，两条平行的糖链排列组成β晶型；两条同向、一条反向且上下排列的三条糖链组成γ晶型。β晶型和γ晶型则表现出一定的硬度、柔韧性和流动性，而γ晶型甲壳素则可在乌贼的胃内形成厚上皮组织。甲壳素和壳聚糖的分子内和分子间氢键不同，导致。α晶型、β晶型和γ晶型三种晶型的分子链在晶胞中的排列各不相同。β晶型在盐酸中回流及经乙酰化处理都可以转变为α晶型。

壳聚糖的脱乙酰度影响本身的结晶度，脱乙酰度为100%的壳聚糖，在分子结构中，具有分子链均匀、规整性好、结晶度高的特点。经X光衍射测试，壳聚糖脱乙酰度从74%增加到85%的样品，x光衍射峰随着脱乙酰度增加依次变得尖锐，结晶度从21.6%增加到28. 0%。

脱乙酰度

脱乙酰度（degreeofdeacetylation，DD）是脱去乙酰基的葡萄糖胺单元数占总的葡萄糖胺单元数的比例，它是考察甲壳素/壳聚糖最基本的结构参数之一。脱乙酰度对壳聚糖的溶解性能、黏度、离子交换能力以及絮凝性能等都有重大影响。通常，脱去55%以上N乙酰基的甲壳素能溶于1%乙酸或盐酸，被称为壳聚糖，但脱乙酰度在70%以上的壳聚糖才能作为有使用价值的工业品。脱乙酰度在55%-70%、70%-85%、85%-95%、95%-100%的壳聚糖分别称为低脱乙酰度壳聚糖、中脱乙酰度壳聚糖、高脱乙酰度壳聚糖、超高脱乙酰度壳聚糖，极难制备脱乙酰度为100%的壳聚糖。

壳聚糖在水、乙醇和丙酮中不溶解，在无机酸和酒石酸、水杨酸、抗坏血酸等有机酸及许多稀酸溶液中能溶解。壳聚糖分子中的-NH2，基团在酸性环境中会被质子化形成 NH3+离子，从而在酸性条件下会溶解。而甲壳素的N-乙酰基不能质子化所以无溶解性，可见壳聚糖的脱乙酰化度与溶解性关系密切。脱乙酰化度在50%以下、60%-80%、80%以上的壳聚糖溶解状态分别为部分离析溶解于稀醋酸溶液中、呈絮凝态悬浮于稀醋酸溶液中、以油状清澈地溶于稀醋酸溶液中，脱乙酰度在50%以下的，肯定不溶于浓度1%的烯酸。由此可见，甲壳素与壳聚糖的差别，仅仅是脱乙酰度不同而已。制备高脱乙酰度的壳聚糖在开发壳聚糖产品过程中非常重要，因为脱乙酰度可以决定甲壳素的溶解性，也是对其进行化学修饰功能化改性的前提条件。通常使用的高脱乙酰度中低相对分子质量、低黏度的壳聚糖都需要将厂家商品进一步水解、降解处理。

在特定的条件下，壳聚糖能发生水解、烷基化、酰基化、羧甲基化、磺化、硝化、卤化、氧化、还原、缩合和络合等化学反应，可生成各种具有不同性能的壳聚糖衍生物，从而扩大了壳聚糖的应用范围。

壳聚糖大分子中有活泼的羟基和氨基，它们具有较强的化学反应能力。在碱性条件下，C6上的羟基可以发生如下反应：羟乙基化--壳聚糖与环氧乙烷进行反应，可得羟乙基化的衍生物。羧甲基化--壳聚糖与氯乙酸反应便得羧甲基化的衍生物。磺酸酯化--甲壳素和壳聚糖与纤维素一样，用碱处理后可与二硫化碳反应生成磺酸酯。氰乙基化--丙烯腈和壳聚糖可发生加成反应，生成氰乙基化的衍生物。

壳聚糖分子中具有活性的-NH2侧基，可以通过化学方法被酸化成盐、导入羟基，得到具有水溶性、醇溶性、表面活性等各种功能的壳聚糖衍生物材料。活性的-NH2.，侧基还可以先与过渡金属离子形成配合物，然后交联制备具有模板剂记忆力和选择吸附性能的壳聚糖衍生物材料，这类材料具有良好的血液相容性、生物相容性、生物官能性，在医学领域对细胞组织不产生毒性。

可以利用壳聚糖分子上的OH和-NH2：发生化学反应制备具有抑菌活性的N，O-羟甲基化壳聚糖，其中相对分子质量对抑菌活性有显著影响，如随相对分子质量的降低抑菌活性显著增强，相对分子质量低于5000时，材料对金黄色葡萄球菌抑制杀灭作用明显。壳聚糖溶于酸后，糖链上的-NH2与H+、结合成强大的正电荷阳离子基团，非常有利于改善酸性体质。

甲壳素和壳聚糖的溶解性较差，在水、普通的有机溶剂中溶解性均不好，这大大制约了这类材料的应用，然而甲壳素和壳聚糖分子链上具有多种官能团，可以对其重复单元进行化学改性，引入不同基团，得到溶解性能改善的衍生物材料，同时因为引入了不同的取代基而使甲壳素和壳聚糖衍生物材料具有各异的功能。利用壳聚糖可溶于稀酸溶液的性质可以对壳聚糖进行均相溶液反应，在不同的反应条件下，可以对重复单元中的羟基和氨基及分子链进行硅烷基化、酰化、羟基化、接枝共聚、烷基化、羧基化、主链水解等化学反应。

抗菌性能

壳聚糖具有较强的抗真菌性的事实已为人熟知。Alen等人对46种真菌的抑菌实验发现壳聚糖对薄状菌属、脉孢菌属、座线孢菌属等32种真菌具有抑制作用。一般地，当壳聚糖的浓度达到100μg/mL时，即可表现出抗真菌性，且抗真菌性与壳聚糖颗粒的大小成反比。壳聚糖的聚合度对其抗真菌性有较大的影响，聚合度降低，则壳聚糖所能抑制的真菌种类减少，但抑制的程度加强。Kendra等人还发现，七聚体的壳聚糖具有最强的抗真菌性。

壳聚糖对大肠杆菌、荧光假单胞菌、金黄色葡萄球菌、枯草杆菌等有良好的抑制作用，并且还能抑制鲜活食品的生理变化。壳聚糖天然无毒，适用于偏酸性及含蛋白质少的食品保鲜，遇高分子和离子性复合物可凝集。例如水果的防腐保鲜，用量为醋酸0.1%+壳聚糖0. 05%-0.1%。

壳聚糖的衍生物也有很好的抗菌性，甚至强于壳聚糖。

以下主要介绍酰化、羟基化和主链水解

主链水解

• 单糖

甲壳素和壳聚糖主链水解制备单糖的主要途径是化学法。对甲壳素和壳聚糖进行水解得到的最终产物是D-氨基葡萄糖单糖，D氨基葡萄糖单糖具有刺激蛋白多糖合成、辅助治疗关节炎等功能。N-乙酰氨基葡萄糖具有免疫调节、促进双歧杆菌生长、改善肠道微生态环境、治疗和预防肠道疾病等功能。甲壳素用热的浓盐酸水解可得到D-氨基葡萄糖盐酸盐，用乙酸水解可得到N-乙酰基-D-氨基葡萄糖。

• 低聚寡糖

甲壳素和壳聚糖的部分水解产物是低聚寡糖。化学法中通常用酸和过氧化物进行降解。如用盐酸控制条件可得到5至7糖。在适宜条件下用亚硝酸钠进行降解可得到3糖。相对分子质量分布较窄的低聚物可以采用首先将壳聚糖与铜进行配位反应，然后用过氧化氢降解的方法制备。

酶水解法是以甲壳素和壳聚糖为原材料制备低聚寡糖的一种主要方法，因为酶水解法具有专一性的特点，可以用来制备确定聚合度的低聚寡糖，尤其是高效制备二聚体以上的寡糖，如采用壳糖酶降解壳聚糖，可得到不含单糖的壳二糖到壳五糖的系列产物，这些产物再进行乙酰化可得N乙酰化甲壳寡糖。

低聚寡糖有显著的生理活性，在医药、食品、农业和化妆品领域已显示出潜在实用价值。用纤维素酶来降解壳聚糖，得到的是六糖至十糖。用排阻色谱可将壳聚糖低聚混合物中聚合度为15的低聚糖分离出来。对低聚寡糖也可进行衍生化，如将壳三糖与三甲基缩水甘油氯化铵反应，所得目标化合物有非常强的抗菌活性。

羧基化反应

氯代烷酸或乙醛酸可以与壳聚糖上的羟基或氨基进行反应，得到相应的羧基化壳聚糖衍生物，羧甲基壳聚糖因其良好的水溶性和绿色环保性，在环保水处理、医药和化妆品等领域得到越来越广泛的应用。如N，N-二羧甲基壳聚糖磷酸钙在促进损伤骨头的修复、再生中有重要应用。氯代烷酸与壳聚糖的化学反应可以在壳聚糖的羟基和氨基上发生，得到水溶性较高的N，O-羧甲基壳聚糖，羧甲基的取代度随着壳聚糖相对分子质量的降低而增大，N，O-羧甲基壳聚糖在防止心脏手术后心包粘连、蛋白质合成与积累、玉米氮代谢等方面效果显著。

酰化反应

壳聚糖分子中由于含有较多的氨基，氢键作用力相对减弱，酰化反应较甲壳素容易进行。壳聚糖分子链的糖残基同时携带有羟基和氨基，可通过与一些有机酸的衍生物（酸酐、酰卤等），实现酰化改性，导入脂肪族或芳香族酰基基团，酰化反应既可在羟基上发生（O-酰化），生成酯，也可在氨基上发生（N-酰化），生成酰胺。壳聚糖具有C6-OH（一级羟基），C3-OH（二级羟基）和氨基三种基团，一般情况下，酰化反应活性是氨基的活性>一级羟基的活性>二级羟基的活性。官能团活性、反应溶剂、酰化试剂的结构、反应温度等因素均影响酰化反应的进行。氨基的反应活性比羟基大，酰化反应首先在氨基上发生，通常要想得到O-酰化的壳聚糖衍生物，需要先将壳聚糖上的氨基用醛保护起来，再进行酰化反应，反应结束后脱掉保护基。

壳聚糖的酰化反应通过引入不同相对分子质量的脂肪族或芳香族酰基进行，所得产物溶解度得到改善，性能也发生变化。如没有酰化修饰的壳聚糖分子有序度较差且抗碎强度较低，用碳链较短（如C6）的酰氯对壳聚糖分子进行N-酰化修饰，产物表现出较显著的溶胀性能，使用碳链较长（如C6-C16）的酰氯对壳聚糖分子进行N酰化修饰，产物表现出较差的溶胀性能，分子有序度以及抗碎强度得到一定的提高。在乙酸和酸酐或酰氯中进行的酰化反应，反应条件温和、反应速率较快、试剂消耗多、分子链断裂较严重。

二氯乙烷-三氯乙酸、氯化锂-二甲基乙酰胺、甲醇-乙酸等混合溶剂可以作为壳聚糖的均相反应溶剂。在使用过量酰氯的条件下，通常可以得到高取代度且分布均一的酰基化壳聚糖衍生物。甲磺酸在，一定条件下可以替代乙酸作为均相酰化反应的溶剂，它本身又有催化剂的作用，得到的酰基化壳聚糖衍生物具有较高的酰化度。取代基碳链过长将会产生显著的空间位阻效应，影响酰基化壳聚糖衍生物的取代度。

壳聚糖的酰化反应不仅发生在氨基上，也会发生在羟基上，得到具有O-酰基化结构的衍生物。通过控制反应条件可以调节酰化位置及酰化衍生物的含量，如50%N-乙酰化壳聚糖可以通过在乙酸水溶液中或在高溶胀的吡啶凝胶中得到。将水溶性甲壳素的水溶液加入到二甲基甲酰胺、吡啶等有机溶剂中，可以得到高溶胀性凝胶，这类在有机溶剂中形成的凝胶具有反应活性好、二次修饰便捷等特点。酸酐（如邻苯二甲酸酐、均苯四甲酸酐等）可以与这类高溶胀性凝胶中的壳聚糖氨基发生N-酰基化反应。

完全脱乙酰化壳聚糖经过充分溶胀后，加入到邻苯二甲酸酐的吡啶溶液中，可以得到总取代度在0.25-1.81之间的N，O-邻苯二甲酰化壳聚糖，这一壳聚糖衍生物溶于甲酸、二氯乙酸和二甲亚砜中，可以形成溶致液晶。

制备有确定结构的壳聚糖衍生物对于材料制备来说是至关重要的，可以得到性能更好的功能材料，如N-邻苯二甲酰化壳聚糖的选择性反应，将壳聚糖DMF悬浮液与过量的邻苯二甲酸酐加热反应，生成O，N二种邻苯二甲酰化产物，但是邻苯二甲酰胺在甲醇和钠作用下活性较高，易发生酯交换反应，O位置上的酰基离去，从而反应体系中只剩下N邻苯二甲酰壳聚糖。N-邻苯二甲酰基可用于保护壳聚糖的氨基，在壳聚糖的选择性取代反应中有重要应用。

N邻苯二甲酰壳聚糖在均相反应条件下，可进行较多的选择性修饰反应。例如，在吡啶溶剂中，将N邻苯二甲酰壳聚糖C6羟基先进行三苯甲基化保护反应，之后，C3发生乙酰化反应，最后脱去保护基得到C6的自由羟基。此反应可以在溶剂中定量进行。

用肼脱去三苯甲基化产物的邻苯二甲酰基可得到三苯甲基壳聚糖，溶解性良好，可作为反应原料进一步改性，如控制反应条件，可得到双取代和三取代的十六酰壳聚糖衍生物，产物还可以进一步磺酸化，得到一种可形成Langmuir层的两性分子。

酰化甲壳素和壳聚糖可吸附金属离子，且取代度、取代基体积对金属离子的吸附有影响，如乙酰化或壬酰化壳聚糖的取代度越低，对Cu（Ⅱ）的吸附量越大，少量酰基会破坏壳聚糖的晶体结构，占据功能基团氨基的位置较少，因而对金属的吸附量增加。辛酰基、苯酰基和月桂酰基壳聚糖衍生物对L型氨基酸比D型吸附量大，利用这一性质可以有效拆分氨基酸的旋光异构体，并且取代度越低，拆分效果越好。苯甲酰化壳聚糖薄膜，可用来分离苯-环己胺的混合物。3，4，6-三甲氧基苯甲酰甲壳素在化妆品工业中，可用于吸收紫外线、防晒护肤。磺酸化的壳聚糖衍生物在医药领域有重要用途，如C3位O-磺酸化的甲壳素衍生物，有较强的抗病毒活性，对HIV病毒有很好的抑制作用，C6位的O-磺酸基甲壳素有抗凝血功能。

因其分子中带有游离氨基，在酸性溶液中易成盐，呈阳离子性质。壳聚糖随其分子中含氨基组分数量的增多，其氨基特性更显著，这正是其独特性质所在，由此奠定了壳聚糖的许多生物学特性及加工特性的基础。

鉴别检查

鉴别

（1）本品的红外光吸收图谱应与对照品的图谱一致（通则0402）。 （2）称取本品0.2g，加水80ml，搅拌使分散，加羟基乙酸溶液（0.1→20）20ml，室温下缓慢搅拌使溶液澄清（搅拌约30～60分钟），加0.5%的十二烷基硫酸钠溶液5ml，生成凝胶状团块。

检查

• 黏度

精密称取本品1.0g，加1%冰醋酸100ml，搅拌使完全溶解，用NDJ—1型旋转式黏度计，依法检查（通则0633第三法），在20℃时的动力黏度不得过标示量的80%～120%。

• 脱乙酰度

取本品约0.5g，精密称定，精密加入盐酸滴定液（0.3mol/L）18ml，室温下搅拌2小时使溶解，加1%甲基橙指示剂3滴，用氢氧化钠滴定液（0.15mol/L）滴定至变为橙色。以下式计算脱乙酰度。脱乙酰度应大于70%。

式中D.D.%为脱乙酰度，%； NHCl为盐酸滴定液（0.3mol/L）的浓度，mol/L； VHCl为盐酸滴定液（0.3mol/L）的体积，ml； NNaOH为氢氧化钠滴定液（0.15mol/L）的浓度，mol/L； VNaOH为氢氧化钠滴定液（0.15mol/L的体积，ml； G为供试品称重，g； W为干燥失重项下减失重量，%； 0.016为与1mol/L盐酸相当的氨基量，g； 9.94%为理论氨基含量。

• 酸碱度

取本品0.50g，加水50ml，搅拌30分钟，静置30分钟，依法测定（通则0631），pH值应为6.5～8.5。

• 蛋白质

取本品0.1g，加入10ml量瓶中，以1%冰醋酸溶液溶解并稀释至刻度，摇匀，取适量该溶液，依法测定（通则0731第五法），蛋白质含量不得过0.2%。 干燥失重 取本品1.0g，在105℃干燥至恒重，减失重量不得过10%（通则0831）。

• 炽灼残渣

取本品1.0g，依法检查（通则0841），遗留残渣不得过1.0%。

• 重金属

取炽灼残渣项下的残渣，依法检查（通则0821第二法），含重金属不得过百万分之十。

• 砷盐

取本品2.0g，加氢氧化钙1.0g，混合，加水2ml，搅拌均匀，置水浴上蒸干，以小火烧灼使炭化，后以500～600℃炽灼使完全灰化，放冷，加盐酸5ml，加水23ml，依法检查（通则0822第一法），含砷盐不得过百万分之一。

标示

以mPa·S或Pa·s为单位标明黏度。 [商品壳聚糖视其用途不同有三种不同的粘度，即高粘度产品为0.7-1Pa·s、中粘度产品为0.25-0.65 Pa·s、低粘度产品<0.25 Pa·s。

贮藏

密闭、凉暗处干燥保存。

视频

CCTV10走近科学-杜予民-壳聚糖壳寡糖功能性质