羧甲基壳聚糖研究进展

2014-05-27

1 甲壳素和羧甲基壳聚糖

甲壳素(ChitinCHT)是目前自然界中发现的唯一碱性天然多糖有机物,其在自然界中的数量仅次于纤维素,是第二大天然合成物质,主要来源于虾壳和蟹壳等,是一种可再生的自然资源,其废弃物可自然降解,并且对环境不会造成污染。甲壳素经过浓碱处理脱去N -乙酰基的产物称作脱乙酰甲壳素,即壳聚糖(ChitosanCS)。但由于壳聚糖具有紧密晶体结构,仅能溶于稀酸,不能溶于中性水和一般有机溶剂,因此使它的应用受到限制。于是,有研究人员对壳聚耱进行化学改性,制成水溶性的壳聚耱衍生物,很大程度上拓宽了它的应用范围,其中羧甲基化就是它的一种改性方法。1977 年,Muzzarelli R A A首次采用碱化甲壳素与氯乙酸反应, 经过加热制备出羧甲基壳聚糖(Carboxymethyl chitosanCMCS)。羧甲基壳聚糖为壳聚糖的羧甲基化产物,是一种两性聚电解质,无毒、无味,具有优良的成膜性、水溶性、吸湿保湿性、增稠性等。相较于壳聚糖,羧甲基壳聚糖的水溶性有所提高,可适用于广泛的pH 值范围,生物相容性和生物降解性好,所以羧甲基壳聚糖在农业、食品、日化、医药、水处理等多领域中得到广阔的应用。

2 羧甲基壳聚糖的结构与性能

2.1 羧甲基壳聚糖的结构

羧甲基壳聚糖是壳聚糖经羧甲基化反应后的一种壳聚糖衍生物。由于壳聚糖分子链中存在游离的氨基和羟基,反应时取代基可进入OC6)、OC3)和NC2),根据羧甲基的取代位置不同,可分为O-羧甲基壳聚糖(O CMCS)N -羧甲基壳聚糖(N CMCS) N, O -羧甲基壳聚糖(N, O CMCS),它们的结构式分别见图1、图2、图3。但相较而言,C3-O-羧甲基的含量较少,主要因为C3 上的位阻效应以及C2 C3 之间的氢键作用影响了C3 上的羧甲基取代反应,而C6-O-羧甲基的含量最多。对于C6 OH C2 NH 来说,在碱性条件下羧甲基在羟基上的取代活性高于氨基。有研究人员发现,只有当取代度接近1 或高于1 时,氨基上的羧甲基取代反应才会发生,形成N, O -羧甲基壳聚糖。

2.2 羧甲基壳聚糖的性能特点

2.2.1 水溶性

羧甲基壳聚糖的水溶性,除了因为是一种羧酸钠盐而溶于水外,另一原因是由于羧甲基的导入,破坏了壳聚糖分子的二次结构,使其结晶度大大降低,几乎成为无定型。所以,羧甲基壳聚糖相较于只溶于稀酸的壳聚糖,其水溶性大大增强,且随着其取代度的增大,其水溶性也相应的提高。有研究表明,当羧甲基壳聚糖的取代度大于0.16 时,易溶于水。

2.2.2 成膜性

羧甲基壳聚糖的成膜性较好,郑化等人把羧甲基壳聚糖溶于纤维素的新溶剂NaOH/尿素中制备出纤维素/羧甲基壳聚糖共混膜。在共混膜中,羧甲基壳聚糖与纤维素分子间存在较强的氢键作用。实验表明,共混膜中羧甲基壳聚糖质量含量低于50%时,二者具有良好的相容性,随着羧甲基壳聚糖含量的增加,共混膜的拉伸强度逐渐增大,其干、湿态拉伸强度在羧甲基壳聚糖含量20%时达到最大,比纯纤维素膜的拉伸强度高。Zhang 等人研制出O -羧甲基壳聚糖/海藻酸共混膜,结果表明,与海藻酸及海藻酸/纤维素共混膜相比,这种共混膜的强度和热性能更好,其主要原因在于O -羧甲基壳聚糖中的氨基与海藻酸中的羧基之间存在较强的静电力。

2.2.3 保湿保水性

甲基壳聚糖是壳聚糖经羧甲基化后的产物,其分子链上含有阳离子氨基和阴离子羧基的两性聚电解质,可以溶解于酸液和碱液,不仅具有良好的水溶性,还有良好的吸水保水性能。有研究结果表明,当羧甲基取代在C6 位羟基上时,保湿能力最强,保湿效果会随着其分子量的增大而增强。羧甲基壳聚糖相较于常常用在高档化妆品中的透明质酸,其保湿性更好,并且成本低。

2.2.4 抗菌性

羧甲基壳聚糖的生物相容性和降解性较好,有良好的抑菌作用。羧甲基壳聚糖在酸性条件下,成为一种阳离子型生物絮凝剂,使菌体细胞聚沉,高分子链吸附于细菌表面,形成一层高分子膜,影响细菌对营养物质的吸收和细胞膜的选择透过性,致使菌体的新陈代谢紊乱,从而达到杀菌和抑菌的目的。羧甲基壳聚糖还可渗透进入细菌体内,细菌的DNA 转录为RNA,进而达到抑制细菌繁殖的作用。陈凌云等人通过对体外抑菌实验及采用微量热法检测到羧甲基壳聚糖对金黄色葡萄球菌等细菌具有抑制杀灭作用。实验结果表明N, O-羧甲基壳聚糖分子量越小,抗菌性能越强。

2.2.5 絮凝性

羧甲基壳聚糖分子中含有氨基和羧基,在酸性条件下,酸性基团电解受到抑制,电解质带正电荷,能够中和染料废水中带负电荷的胶体粒子,生成沉淀,起到絮凝作用;同时,羧甲基壳聚糖为高聚物,对废水中的胶体粒子有吸附架桥的作用,所以在酸性条件下,对染料废水的脱色效果较好。同时,由于其具备絮凝和螯合重金属的能力,也可作为重金属污染土壤的提取剂,从而达到修复土壤的效果。

3 羧甲基壳聚糖的制备方法

羧甲基壳聚糖通常是以壳聚糖为原料,在异丙醇、乙醇等有机溶剂中浸泡数小时,在碱性条件下与氯乙酸反应,控制好反应温度和时间,反应后调节pH 值。将上述反应混合物过滤,再用适当的溶剂洗涤,在一定温度下烘干至恒重,即可得到产物羧甲基壳聚糖。这一制备方法,关键在于实验参数的确定,而不同的实验方案和条件,就有不同的实验参数相对应。一直以来,众多研究人员通过实验,研究了投料比、反应温度、反应时间、反应的碱浓度及催化剂等参数对合成有良好水溶性的羧甲基壳聚糖的影响。丘增萍等人以壳聚糖为原料,研究了在碱性条件下,与氯乙酸进行化学改性,合成了具有良好水溶性的N, O -羧甲基壳聚糖。实验结果表明:壳聚糖、氢氧化钠、氯乙酸3 者质量之比为144.550%NaOH 溶液,温度为60℃,反应时问为5h 时,所得羧甲基壳聚糖的取代度可达1.18,产率为145%。

曾德芳等人在参考大量国内外相关文献的基础上,研究了制备N, O -羧甲基壳聚糖的新工艺,主要是在不同温度段添加不同碱量。结果表明,这种方法不仅提高了产品的羧化度和收率,降低了制备成本,且其主要经济技术指标均优于传统制备工艺。王聪等人以壳聚糖为原料,与乙醛酸作用形成希夫碱,在强碱性条件下经NaBH4 还原制得N -羧甲基壳聚糖。此制备方法产率可达90%,取代度达到65%;反应时间短,步骤简单,降低了成本。由于用壳聚糖为起始原料制取羧甲基壳聚糖,成本较高,所以有研究人员改用甲壳素为起始原料。当甲壳素用浓碱处理脱乙酰基成为壳聚糖,不进行分离,而是直接进行羧甲基化反应。这样可减少试剂消耗和用水量,缩短制备时间。

王洪振等人用超声波法制备羧甲基壳聚糖,该方法是将溶液置于超声波清洗器中反应。这种方法的特点是反应时间短,羧甲基化程度高。王永娟等人用微波法将壳聚糖溶于氢氧化钠溶液中碱化,然后在微波加热的条件下与氯乙酸反应,冷却后加稀盐酸调酸碱性,加乙醇析出羧甲基壳聚糖,这种方法对表面与内部实现同时加热,使内外受热均匀,缩短了反应时间,但要安全使用微波炉。相较于通常的有机反应,微波辐射法反应时间短,溶剂用量少,反应收率高,成本低。徐云龙等人用相转移催化剂制备羧甲基壳聚糖。结果表明,使用相转移催化剂,缩短了反应时间,提高了羧甲基壳聚糖的取代度和收率。另外,相转移催化还具有条件温和反应速度快等优点。张荣莉以壳聚糖为原料,将微波辐射与相转移催化技术相结合制备O-羧甲基壳聚糖,其取代度高达92.3%。将微波辐射与相转移催化相结合的方法用于有机合成中,具有缩短反应时间、提高产率、简化操作等优点。

4 羧甲基壳聚糖的应用

4.1 在日用化妆品中的应用

由于羧甲基壳聚糖优良的水溶性、保湿性、乳化性、成膜性等特性,常被作为化妆品的功能性成分。羧甲基壳聚糖水溶液黏度比其它相同浓度的保湿剂高,与生物高分子透明质酸相当,在广泛的pH 范围内,即使是高温和持续加热都非常稳定,特别适用于清洗液、洗面奶等化妆品。透明质酸是目前化妆品中应用很广泛的一种基本原料,它具有抗衰老、防皱,可增加皮肤弹性等功能。但由于工序复杂,成本极高,使其应用受到了限制。而羧甲基壳聚糖的工艺简单,原料廉价,可显著降低化妆品的成本。羧甲基壳聚糖还能使头发柔软,光泽,富有弹性,防止开叉和断裂。羧甲基壳聚糖具有良好生物相容性、降解性,有止血、促愈合和良好的抑菌作用,可作为牙膏配方成分,达到护理口腔的作用。

4.2 在农业中的应用

国外研究表明,羧甲基壳聚糖能有效提高作物叶片中叶绿素的含量和甘薯、木薯、玉米等作物贮藏器官或种子的蛋白质含量,一般可使贮存蛋白质的含量增加2 3 成。Gottardt 研究表明,羧甲基壳聚糖能够显著提高小麦悬浮培养液中过氧化酶活性,并能促进RNA 的合成及苯丙氨酸水解酶的合成,而后者有助于植物防御素酚类物质及木质素的形成,从而提高产量。师素云等人发现羧甲基壳聚糖对作物氮代谢有关酶(硝酸还原酶、谷氨酰胺转化酶和蛋白质水解酶)的活性有明显影响,可显著提高玉米籽粒中贮藏蛋白的含量,对种子蛋白质的合成与积累具有明显的生理调节作用。孙海燕等人用自制的一定浓度的羧甲基壳聚糖溶液浸泡小白菜种子,经测试,种子发芽率高,芽长、根长都有所提高。

4.3 在食品中的应用

目前,国内外对羧甲基壳聚糖用于食品领域的研究较多。由于羧甲基壳聚糖的成膜性好,喷涂在水果表面的羧甲基壳聚糖水溶液干燥后可在水果表面形成一层选择透气性薄膜,能将二氧化碳留在膜内,将氧阻隔在膜外,诱使乙烯自由逸出,抑制了水果的新陈代谢,从而达到长期保鲜的目的。在美国和加拿大已有一种商品名为“Nutri-save”的NOCC 水果保鲜剂上市。我国也有相关研究,如对草莓、桃子、蜜桔、黄瓜等果蔬的保鲜。在保存肉类方面,N CMCS 的鳌合作用也发挥了有利的作用,它能避免乙醛和不愉快气味的形成,起到抗氧化的效果。

4.4 在医药中的应用

羧甲基壳聚糖因其良好的生物相容性和可生物降解性,在医药领域有重要的应用。羧甲基壳聚糖不仅可以增大生物大分子药物的透膜能力, 而且其生物黏附性和生物可降解性也得到提高, 促进了生物体对生物大分子药物的吸收。羧甲基壳聚糖能够抑制关节炎软骨中基质金属蛋白酶的表达,减慢软骨的退变,从而保护软骨,也常作为骨损伤修复材料。另外,羧甲基壳聚糖可以作为药物载体材料起到药物缓释、控释和靶向给药等作用。尹承慧等将羧甲基壳聚糖/环丙沙星制成微球,研究发现微球局部用药的药物浓度稳定,且其他部位的药物浓度较低,从而能减少药物引起的全身不良反应。在交联剂的作用下,羧甲基壳聚糖分子链中的-NH2 -COOH 可以发生分子间和分子内的交联,进而制备出亲水性的羧甲基壳聚糖凝胶,而其凝胶也可用于医学。Zhou 等将羧甲基壳聚糖凝胶及溶液作用于自己制作的动物模型的损伤处,研究表明,羧甲基壳聚糖凝胶及溶液能减少组织的粘连,从而可以用于医用敷料等。

4.5 在水处理方面的应用

羧甲基壳聚糖分子中含有氨基和羧基,在水处理方面可用作絮凝剂、吸附剂、离子交换剂、膜制剂等,可以螯合多种过渡金属离子,但其螯合效果和pH 值有关。研究人员发现HgCuZnPb 等金属在pH 值为6 7 时的螯合效果最佳,且其螯合效果优于离子交换树脂和活性炭。此外,羧甲基壳聚糖与染料介质中的相互作用也倍受关注。黄惠莉,林文銮等人用羧甲基壳聚糖处理印染废水,结果表明,羧甲基壳聚糖在PH 6 7 的范围之内,对单一染料的废水处理脱色效果很好,但对较复杂的印染废水处理效果稍差,所以其在污水处理方面的应用还需要进一步探讨和研究。

5 总结

通过上面的综述,我们已了解到羧甲基壳聚糖具有许多良好的特性,如水溶性,成膜性,抗菌性等等,其制备方法也在朝着操作工艺简单、快速,成本低,污染小等方向发展。目前,羧甲基壳聚糖已被广泛应用于洗涤剂、食品、纺织、印染、造纸、医药、陶瓷、涂料、化妆品等许多工业和制造业部门,是一种可再生,无味,无毒副作用的天然高聚物,其在各领域将会有更精细而广阔的发展前景。利用羧甲基壳聚糖的天然、无毒、无味、水溶性好,将棉短纤分散于其水溶液中制备出环境友好型等多功能的棉工艺长丝,可进一步探讨其在纺织上的研究和应用奠定基础。_

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