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壳聚糖及壳聚糖纤维壳聚糖概述壳聚糖又称为可溶性甲壳质、甲壳胺、几丁聚糖等，是甲壳素的N-脱乙酰基的产物。壳聚糖是由甲壳素经脱乙酰化后得到的一种生物高分子物质，是生物界中唯一大量存在的碱性多糖，具有良好的生物相容性、生物可降解性以及抗菌、防腐、止血和促进伤口愈合等优良性能。壳聚糖大分子链上分布着许多羟基和氨基，性质比较活泼，通过化学改性，能得到各种具有特殊性质及用途的壳聚糖衍生物。壳聚糖及其衍生物有良好抑菌性、保湿性和成膜性，故作为纯天然无毒防腐剂和保湿剂广泛用于食品等工业。壳聚糖的来源地球上存在的天然有机化合物中，数量最大的是纤维素，其次就是甲壳素，前者主要由植物生成，后者主要由动物生成。估计自然界每年生物合成的甲壳素将近100亿吨。甲壳素亦是地球上除蛋白质外数量最大的含氮天然有机化合物。仅此两点，就足以说明甲壳素的重要地位。甲壳素在自然界的存在，还有一个重要的方面往往被人忽视，那就是在自然界生长、繁衍着的含有甲壳素的各种各样的生物，在其死亡腐烂后成为肥料的同时释放出甲壳素，甲壳素在自然界经受降解和脱乙酰基过程，产生不同分子量的甲壳素及不同分子量、不同脱乙酰度的壳聚糖。在广袤的田野、森林和大草原的土壤中，都有甲壳素和壳聚糖的存在。甲壳素甲壳素水溶性壳聚糖壳聚糖壳聚糖概述壳聚糖纤维素OOONHCOCH3OHHO*OOHOHHO*ONH2HOOH*O***nnn甲壳素壳聚糖及甲壳素的结构与纤维素非常相似，如结构图，不同的是纤维素葡萄糖单元二位碳上是羟基，壳聚糖是氨基，甲壳素是乙酰氨基。壳聚糖的性质化学性质添加文本生物性质物理性质物理性质一般物理性质壳聚糖也是白色无定形、半透明、略有珍珠光泽的固体，因原料和制备方法不同，分子量也从数十万至数百万不等，不溶于水和碱溶液，可溶于稀的盐酸、硝酸等无机酸和大多数有机酸，不溶于稀的硫酸、磷酸。在稀酸中，壳聚糖的主链会缓慢水解，溶液黏度会逐渐降低，所以壳聚糖溶液应随用随配。物理性质根据N-脱乙酰度可以把壳聚糖分为：55%-70%为低脱乙酰度壳聚糖70%-85%为中脱乙酰度壳聚糖85%-95%为高脱乙酰度壳聚糖95%-100%为超高脱乙酰度壳聚糖（极难制备）物理性质结构特征物理性质红外光谱物理性质核磁共振氢谱（1HNMR）物理性质成丝成膜性吸湿、透气、渗透溶解性物理性能化学性质化学性能123甲壳胺中的胺基可进行能应用于有机胺化合物的大多数反应甲壳质、甲壳胺分子中的羟基、氨基可以与离子起螯合作用，因此是良好的阳离子絮凝剂可以凝聚溶液中带负电荷的悬浮物、有机物（如染料、蛋白质、氨基酸、核酸、脂肪、酸、卤素等）化学性质O-酰化和N-酰化壳聚糖可与多种有机酸的衍生物（酸酐、酰卤）反应，导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基。壳聚糖分子链的糖残基上既有羟基，又有氨基，酰化反应既可在羟基上成酯，也可在氨基上成酰胺。化学性质含氧无机酸酯化甲壳素和壳聚糖的羟基，尤其是C6-OH，可与一些含氧无机酸（或其酸酐）发生酯化反应，类似于纤维素的反应在壳聚糖的氨基上也可能发生反应。化学性质含氧无机酸酯化在含氧无机酸的酯化反应中，最常见的是甲壳素和壳聚糖的硫酸酯。这些酯类的结构与肝素相似，也具有抗凝血作用，而肝素的提取和生产较为困难，价格很高。肝素还有引起血浆脂肪酸浓度增高的副作用。化学性质醚化甲壳素和壳聚糖的羟基与烃基化试剂反应生成醚（甲基醚、乙基醚、苄基醚等），广泛用于日化工业。此外，用低分子冠醚通过接枝于高分子化合物分子上，可制备具有高分子化合物和冠醚化合物双重结构特性的高分子冠醚。化学性质N-烷基化壳聚糖的氨基是一级氨基，有一孤对电子，具有很强的亲核性，能发生很多反应。甲壳素的乙酰氨基的N上只有一个H，很稳定，但在一些强烈条件下，也能发生取代反应。化学性质氧化甲壳素和壳聚糖可以被氧化剂氧化。氧化剂不同，反应的pH不同，机理和产物也不同，既可使C6-OH氧化成醛基或羧基，也可使C3-OH氧化成羰基（成酮），还可能发生部分脱氨基或脱乙酰氨基，甚至破坏吡喃环及糖苷键。化学性质螯合甲壳素和壳聚糖的糖残基在C2上有一个乙酰氨基或氨基，在C3上有一个羟基，它们都是平伏键，这种特殊结构使得它们对具有一定离子半径的一些金属离子在一定的pH条件下具有螯合作用，尤其是壳聚糖。化学性质壳聚糖与金属离子通过离子交换、吸附、螯合三种形式发生结合。特点:①壳聚糖与金属离子螯合后，本身的结构并未改变，但产物性质变了。②正因为碱金属和碱土金属不会被壳聚糖螯合，因此壳聚糖可在存在这些离子的水溶液中螯合分离过渡金属离子。化学性质交联为了使壳聚糖得到很好的应用，需要把它制成交联产物。交联剂有戊二醛、甲醛、环氧氯丙烷、环硫氯丙烷及二异氰酸酯等。交联后的产物不溶于稀酸，吸附性能好，可再利用。1、良好的抗菌性壳聚糖为多聚阳离子，与细菌表面产生的酸性物质相互作用，形成复杂的高分子电解质，细菌使其膜功能发生紊乱。壳聚糖分子聚集到细菌的细胞壁，减弱了细菌的新陈代谢功能，壳聚糖分子渗入细菌细胞内，与DNA形成稳定的复合物，干扰DNA聚合酶或RNA聚合酶的作用，阻碍了细菌DNA或RNA的合成，从而影响细菌的繁殖，导致细菌死亡。生物学性质壳聚糖具有广谱抗菌性，对绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌、酿脓链球菌有显著的抑菌作用，对一般人体表皮存在的皮肤细菌如表皮葡萄球菌，肠细菌如大肠杆菌和人体真菌如白色念珠菌，也有显著的抑菌作用。人体表皮细菌在用粉状甲壳素处理过的琼脂培养板上培养都被杀死；表皮葡萄球菌只要用0.1%或1%的甲壳素乙酸溶液处理就能全部被抑制。2、良好的生物相容性天然材料具有人工材料所不具有的优点，甲壳素及壳聚糖是自然界中极少存在的带正电荷的聚合多糖，含有某些有助于细胞黏附和保持细胞分化功能的信息。它可以减少成纤维细胞的生长，减少瘢痕形成，从而促进内皮细胞、毛细血管、心肌细胞及神经轴突的再生。具有良好的生物相容性将壳聚糖植入小鼠体内，全部存活，皮毛无异常，切开皮肤局部无充血、无水肿。3、无毒性对动物进行全身毒性急性实验、热源实验、原发性皮肤刺激实验、皮内注射实验、眼结膜刺激实验和溶血实验，均证明对机体无毒副作用，并且能广泛用于全身多个部位。4、生物降解性甲壳素及壳聚糖可被人体内的酶如甲壳素酶和溶菌酶等水解成相应的氨基葡萄糖，被人体吸收。降解率与其结晶度及脱乙酰化作用成反比。在兔体内试验观察，甲壳素手术缝合线4个月可以完全吸收。5、可修饰性壳聚糖具有自由氨基，呈阳离子性，因此可用多种化学试剂进行修饰，增强其性能。6、生物学活性甲壳素及壳聚糖具有良好的生物活性，主要有以下几个方面①免疫调节②调节pH值③调节荷尔蒙及内分泌系统④排出体内重金属离子、化学毒物⑤排出体内多余胆固醇，对防止动脉硬化、心脑血管疾病有积极作用壳聚糖的生理活性1、控制胆固醇壳聚糖有两个机制降低胆固醇：一个是阻止脂肪的吸收；另一个是将人体血液内的胆固醇排泄掉。，壳聚糖抑制那些助于脂肪吸收的脂肪酶的活性。脂肪酶分解脂肪使人体进行吸收。另外一个是排泄胆酸。一旦胆酸排泄，则血液中的胆固醇被用于制造胆酸。这两种机制使得壳聚糖成为强胆固醇清除剂。壳聚糖是一种天然材料，具有强大的阴离子吸附力，适用于降低胆固醇而没有任何副作用。2、预防和控制高血压对高血压最有影响力的因素之一就是氯离子（cl-）。它通常通过食盐摄入。血管紧缩素转换酶产生血管紧缩素Ⅱ，一种引起血管收缩的材料，其活力来自氯离子。高分子壳聚糖象膳食纤维一样发挥作用，在肠内不被吸收。壳聚糖通过自身的氯离子和氨根离子之间的吸附作用，排泄氯离子。壳聚糖降低血管紧缩素Ⅱ，它有助于防止高血压，特别是那些过量摄入食盐的人群。3、吸附和排泄重金属壳聚糖的一个显著特性是吸附能力强，许多低分子量的材料，比如金属离子、胆固醇、甘油三酯、胆酸和有机汞等，都可以被壳聚糖吸附。壳聚糖不仅可以吸附镁、钾，而且可以吸附锌、钙、汞和铀。壳聚糖的吸附活性可以有选择地发挥作用，壳聚糖是高效的螯合物介质。壳聚糖的吸附能力的大小取决于其脱乙酰度脱乙酰度越大，吸附能力越强。4、免疫效果壳聚糖具有更高的蛋白吸附能力；在降解酶的作用下，壳聚糖具降解性；壳聚糖很容易加工成线，适合做成线状或片状的医用材料；壳聚糖具有亲和力和溶解性，适用于生产各类衍生物；在血清中，壳聚糖易降解吸收；壳聚糖具有更高的生物降解性；壳聚糖表现出有选择性的高度抑制口腔链球菌生长的作用，同时并不影响其他有益细菌的生长。一、农业领域二、化妆行业三、环保行业四、保健领域五、食品行业六、纺织行业七、医学领域八、其他方面的应用甲壳素与壳聚糖的应用应用一、在农业上的应用1）促进种子发育：经过壳聚糖处理的植物种子发芽率高，并能促进MRNA的重新合成。2）提高抗菌力：小麦种子经过壳聚糖处理后，可以增强抗土壤真菌的能力，提高麦秆的抗倒伏能力，可提高产量。还有阻止植物病原菌细胞的发育生长，诱导出宿主植物对病原菌的防护机能。3）药物胶囊：一次施药后，可达长期发挥药效的作用。4）地膜材料：用甲壳素作降解地膜，能在土壤中分解。5）土壤改良剂二、在化妆品原料中的应用1）洗发香波、头发调理剂：甲壳素粉沫比表面积大，孔隙率高，吸收皮脂类油脂远大于淀粉或其他活性物质，是洗发剂理想的活性物质。2）固发剂：壳聚糖分子中的氨基质子化带正电，能和头发的负电荷相互作用，有很强的亲合力，在头发表面形成薄层，是理想的固发剂原料。3）牙膏添加剂：壳聚糖是良好的牙膏添加剂，它能够中和由口腔链球菌产生的有机酸，减弱非溶性葡萄糖在牙齿表面的附着能力，对抗腐蚀、洁齿起一定的作用。三、在环保领域中的应用甲壳素和壳聚作为絮凝剂或吸附剂在废水处理中得到了广泛的应用。壳聚糖因其独特的分子结构，对许多类型的染料、有机物具有极高的亲合力，同时壳聚糖分子结构上含有大量的伯氨基，通过配位键结合，形成极好的高分子螯合剂，因此它既可凝集废水中的有机物、染料，无毒，又不产生二次污染。四、在保健领域中的应用（1）对消化系统的保护（2）减肥去脂作用（3）高血压的预防与治疗（4）增强免疫功能，延缓衰老五、在食品工业中的应用1）抗菌剂2）保鲜剂：壳聚糖膜可阻碍大气中氧的渗入和瓜果呼吸产生的二氧化碳的逸出，但可使乙烯气体逸出，从而抑制好氧微生物的繁殖和延迟瓜果成熟。3）抗氧化剂：壳聚糖与肉类的血红蛋白释放出来的金属离子鳌合形成鳌合物，抑制金属离子的催化活性，从而抑制氧化作用的形成。4）果汁的澄清剂5）保健食品添加剂6）婴儿乳品添加剂7）食物防腐剂六、在纺织行业的应用壳聚糖是线形高分子，具有成纤性，可纺成丝。由于壳聚糖具有生物相容性且无抗原性、可生物降解性以及广谱抗菌、防腐性、止血和促进伤口愈合等特殊功能。具有很多天然性能，如吸湿透气性、生物活性、吸附性、抗菌性、粘合性等，人们利用这些优良的性能来改善棉、毛、丝、麻等织物的染色、防皱、防缩、抗菌等性能。抗菌纤维和织物壳聚糖的吸水能力很强，是纤维素的两倍数以上，而且经多次洗涤也不会减弱；壳聚糖具有微细的小孔结构，有毛细管作用，吸收的汗液可以迅速散发出去，使细菌不易附着并滋生，从而增强了它的抗菌作用。织物上浆剂由于壳聚糖与纤维素有相似的结构，极容易吸附到织物表面上，并且在稀酸溶液中，壳聚糖带有正电荷，可以提高阴离子染料上染速率和固色率，对日晒牢度及水洗牢度有所改善。织物整理剂壳聚糖作为织物的整理剂，可使织物耐摩擦、耐水洗，并具有固色作用，提高了织物的坚牢度，改善织物的外观和手感，使织物滑爽光洁，对人体健康与环境保护有重要意义防皱整理剂壳聚糖具有较好的吸附性和相容性，壳聚糖的羟基和部分氨基与纤维的羟基形成众多的分子间氢键，能起防皱效果，制作特殊用途的布料。七、在医学领域中的应用（1）缝合线：在血清、尿、胆汁、胰液中能保持良好强度，使用它可被人体自行吸收，不易过敏。（2）人造皮肤：用壳质膜制成的人造皮肤柔软、舒适，与剖伤的贴眼性良好，且有抑痛、止血的功能。（3）止血剂：经过壳聚糖溶液浸渍过的涤纶人工血管，植入人体后，很快就会形成凝血层。（4）制备分离膜和高性能纤维：壳聚糖是制作人工肾的渗析膜和人工肝脏的良好材料。（5）药品的助