殼聚糖的羧甲基化及其產物在化妝中的應用

吳月蘭 林珊萍

摘要：以蝦頭蝦殼為原料，經過鹽酸脫鈣，NaOH溶液脫蛋白，制得甲殼素。甲殼素用微波法經過脫乙酰基制得殼聚糖。然后以一氯乙酸為羧甲基化試劑用超聲波法制得羧甲基殼聚糖。研究了產物羧甲基殼聚糖在化妝品中的吸濕保濕性、抗菌性、與表面活性劑的配伍性等。

關鍵詞：甲殼素 殼聚糖 羧甲基殼聚糖 微波法 超聲波法 吸濕性保濕性 抗菌性 配伍性

1.引言

甲殼素是唯一的天然堿性多糖，它廣泛存在于自然界低等動物、菌類及甲殼綱動物蝦、蟹等的外殼中。甲殼素是大分子多聚體，無毒、無味、白色、耐酸堿、耐曬、耐腐蝕、不溶于水和酸堿，只能溶于少數的混合濃酸溶劑中。

由于甲殼素的特殊機能，被廣泛運用于以下方面：

1.食品工業中的運用：澄清和抗沉淀劑，增稠劑[1]，功能食品，抑菌和保鮮劑[2]。

2.在環境保護中的應用：廢水的絮凝，生物大分子物質的回收[3]，重金屬的吸附[4]。

3.功能材料：功能膜[5]，催化劑，液晶[6]。

4.在醫藥衛生方面的應用：降脂、降膽固醇和防治動脈粥樣硬化[7]，抗凝血和抗腫瘤[8]，提高機體免疫力。

5.在農業中的應用：飼料添加劑，種子處理劑，農藥載體[9]。

6.日用化學品

殼聚糖是甲殼素脫乙酰基后的衍生物。與甲殼素相比，殼聚糖分子結構中含有游離的氨基，溶解性能大大改善，從而使其應用大為廣泛。但由于殼聚糖分子中存在氨基與羥基，它們形成強的分子間氫鍵，從而使殼聚糖只能溶于酸或酸性水溶液中，不能溶于一般的有機溶劑，這就很大程度上限制了它的應用。因而，改善殼聚糖的溶解性能，特別是對它進行化學改性合成水溶性的殼聚糖衍生物是引人注目的研究方向之一。

羧甲基殼聚糖是對殼聚糖進行化學修飾，使其分子中的氫原子被羧甲基取代所得到的產品。羧甲基殼聚糖是一種水溶性的殼聚糖衍生物，本文利用羧甲基化試劑對殼聚糖進行化學改性，可以得到O-羧甲基殼聚糖（O-CM-chitosan），N-羧甲基殼聚糖（O-CM-chitosan）和O，N-羧甲基殼聚糖（O，N-CM-chitosan）三種混合產物，并研究了羧甲基殼聚在化妝品中的運用性能。

2.實驗部分

2.1原料及儀器

儀器：美的微波爐，超聲波清洗器，離心分離機，分析天平，干燥器，搖床，

所用原料：氫氧化納，鹽酸，一氯乙酸，異丙醇，硫酸銨，碳酸鈉，透明質酸， 檸檬酸， 金黃色葡萄球菌ATCC25923，大腸埃希菌ATCC 25922，磷酸二氫鉀（PBS），瓊脂，十二烷基硫酸鈉，十六烷基三甲基氯化銨，椰油脂肪酰二乙醇胺，十二烷基二甲基甜菜堿。

2.2羧甲基殼聚糖的制備

2.2.1甲殼素的制備

將蝦頭蝦殼洗凈，用1 mol/l HCl溶液浸泡過夜，直到沒有氣泡，以使完全脫鈣。然后將蝦殼從酸液中撈出，洗滌到中性，干燥，粉碎到20目左右。把粉碎后的蝦殼倒入燒杯中，加入5%的NaOH溶液，蝦殼與NaOH溶液的質量比為1：10。在廢水浴中反應2-4小時。冷卻后過濾洗滌，得淡紅色微顆粒狀產物，即甲殼素。

2.2.2.殼聚糖的制備

在圓底燒瓶中裝入甲殼素，加入50% NaOH溶液，甲殼素與NaOH溶液的質量比為1：8。在微波爐中低火反應20分鐘，得粘稠狀混合物，抽慮后得比甲殼素更為細小的微黃色粉狀物，即殼聚糖。

2.2.3超聲波法制備羧甲基殼聚糖

將2g殼聚糖與15mL異丙醇、30mL 10%-40%的NaOH溶液混合，再加入溶于30 mL異丙醇的一氯乙酸（異丙醇與一氯乙酸的質量比為1：3—1：4）。搖勻后置于超聲波清洗器中振蕩1—5小時。

所得產物分層，傾去上層清液，向黏狀物中加入40mL的水，攪拌溶解后，再用10%鹽酸中和到Ph=7，濾去不溶物，濾液中加入適量甲醇沉淀，過濾，沉淀較大，如果難于過濾的可改用離心分離機分離。真空干燥，得乳白色的羧甲基殼聚糖。

2.3羧甲基殼聚糖在化妝品中的運用研究

2.3.1吸濕和保濕性能測定[13]

吸濕性能測定：室溫下，準確稱取0.5g羧甲基殼聚糖干燥樣品2份，分別置于稱量瓶中，再將稱量瓶分別置于2個干燥器內，1個干燥器內放有飽和硫酸銨水溶液（相對濕度及H=81%），另1個放有飽和碳酸鈉水溶液（相對濕度及H=43%），于放置10、22、30和44h后分別稱量，計算吸濕率（%）=[（mn—m0）/ m0]×100%， m0和mn分別為放置前后樣品的質量。

保濕性能測定：在室溫下，用含水量為質量分數10%的樣品2份，分別置于2個干燥器內，1個干燥器內放有飽和碳酸鈉水溶液（相對濕度及H =43%），另1個放有干硅膠，于放置10、22、30和44h后分別稱量，計算水分殘存率（%）=（Hn/ H0）×100%， H0和Hn分別為放置前后水分的質量。透明質酸也按相同方法測定吸濕率和水分殘存率。

2.3.2抑菌試驗

在250 mL的錐形瓶中加入1 mL 0.005%-0.1%的羧甲基殼聚糖樣品，然后分別加入70 mL PBS和5 mL的菌懸液。實驗用金黃色葡萄球菌ATCC25923、大腸埃希菌ATCC 25922標準菌株做為菌種配置菌懸液。將錐形瓶置于搖床上振蕩1小時。

然后取振蕩后的樣液以瓊脂傾注法接種平皿，放入培養箱中培養48小時。然后進行菌落計數。

同時設不加羧甲基殼聚糖樣品的空白對照組。

抑菌率按下式計算：

X=（A-B）/A ×100%

式中：X——抑菌率，%

A——被測樣品振蕩前平均菌落數

B——被測樣品振蕩后平均菌落數

2.3.3與表面活性劑的配伍性試驗

配制5%的羧甲基殼聚糖水溶液與陰離子、陽離子、非離子及兩性表面活性劑進行復配，在室溫下用簡單機械攪拌混合，不調節pH情況下進行觀察。

3.實驗結果與討論

3.1反應條件對羧甲基殼聚糖取代度的影響

3.1.1 NaOH溶液濃度對取代度的影響

圖1 NaOH溶液濃度對取代度的影響

由圖1可知，NaOH溶液濃度在10%時無取代，隨著NaOH溶液濃度的升高取代度也逐漸升高，NaOH溶液濃度在30%-50%這個范圍內升幅平緩，在NaOH溶液濃度在30%時就可以達到80%的取代度。

3.1.2反應時間對取代度的影響

圖2 反映時間對取代度的影響

由圖2可知，反應時間少于2小時時，取代度很低，反應時間大于4小時時取代度升高的不明顯。故生產中反應時間可選4小時即可。

3.2羧甲基殼聚糖在化妝品中的運用研究結果

3.2.1吸濕和保濕性能

甲殼素由于分子中強烈的氫鍵作用及晶型結構，使之難溶于水及一般的溶劑，脫乙酰基后得到的也只溶于酸及酸性溶液。殼聚糖羧甲基化后不但成為水溶性的兩性聚電解質，同時吸濕、保濕性能也大大提高。在相對濕度RH=81%時， 羧甲基殼聚糖的吸濕性能與透明質酸的相當（見表1），在RH=43%時，羧甲基殼聚糖仍有較強的吸濕性能，而且優于透明質酸，水分殘存率是透明質酸的2倍多。只有在相對濕度較小的硅膠干燥器中羧甲基殼聚糖才釋放出所吸收的水，釋放速度比透明質酸慢，說明其保濕性能優于透明質酸。

表1 48h后試樣的吸濕率和水分殘存率

結果表明，在引入強親水性的羧甲基后，一方面殼聚糖分子中的氫鍵作用進一步被削弱，晶體結構受到破壞，分子呈松散狀態，利于水分子的接近，與其分子中的親水性基團如—OH和—NH2形成氫鍵；羧甲基殼聚糖的吸濕性能與透明質酸的相當，但保濕性能優于透明質酸。

3.2.2抑菌性能

不同濃度羧甲基殼聚糖對抑菌性能的影響

表2 不同濃度羧甲基殼聚糖對抑菌性能的影響

由表可以看出隨著濃度的增大，羧甲基殼聚糖對大腸埃希菌和葡萄球菌的抗菌性能逐漸增強。當用量為0.05%時，羧甲基殼聚糖對大腸埃希菌和葡萄球菌的抗菌效果接近100%，當用量為0.10%時，其對大腸埃希菌和葡萄球菌抗菌率達到100%。

由此表明本實驗制得的羧甲基殼聚糖對大腸埃希菌和葡萄球菌有很好的抗菌效果。

3.2.3羧甲基殼聚糖與表面活性劑的配伍性

表4 羧甲基殼聚糖與表面活性劑的配伍性

由于羧甲基殼聚糖是兩性聚電解質，所以它與陽離子、陰離子、兩性表面活性劑的配伍性極好。通過與以上四種表面活性劑的復配，沒出現分層或沉淀現象。

4.結論

4.1羧甲基化反應的條件對取代度有較大的影響：

（1）NaOH溶液濃度在低于10%時無取代，隨著濃度的升高取代度也逐漸升高，濃度大于30%時取代度升幅平緩，濃度在30%時就可以達到80%的取代度。

（2）羧甲基化反應時間少于2小時時，取代度很低，反應時間大于4小時時取代度升高得不明顯。故生適宜反應時間為4小時。

4.2羧甲基殼聚糖的吸濕與保濕性能、抑菌性能和配伍性能均良好

（1）羧甲基殼聚糖的吸濕性能與透明質酸的相當，但保濕性能優于透明質酸。

（2）羧甲基殼聚糖對大腸埃希菌和葡萄球菌有很好的抗菌效果，用量為0.05%時，羧甲基殼聚糖對大腸埃希菌和葡萄球菌的抗菌效果接近100%，當用量為0.10%時，其對大腸埃希菌和葡萄球菌抗菌率達到100%。

（3）羧甲基殼聚糖可看作兩性聚電解質，所以它與陽離子、陰離子、兩性表面活性劑的配伍性極好。

參考文獻：

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