壳聚糖(chitosan)甲壳素N-脱乙酰基的产物,甲壳素(几丁质)、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。
物理性质:
壳聚糖又名脱乙酰甲壳质、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。
甲壳素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(平均相对分子质量)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。
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0.1 mmol/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0.1 mmol/L的稀盐酸中,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。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。