殼聚糖的改性及應用研究進展

黃道龍，張明杰，崔 進

（1.天津大學理學院化學系，天津300072；2.天津市產品質量監(jiān)督檢測技術研究院，天津300384）

殼聚糖經甲殼素脫乙?；幚淼玫?，其生物合成量僅次于纖維素。殼聚糖是天然多糖中唯一的堿性多糖，被稱為人體生命必需物質中除蛋白質、脂肪、糖類、維生素和礦物質五大要素之外的“第六大要素”，在醫(yī)藥、化工、材料、水處理、重金屬回收等領域有廣泛用途，例如：作為藥物載體控制藥物釋放；制成保鮮膜對食物進行保鮮；改進紙張質量；制備殼聚糖功能材料；處理工業(yè)污水；吸附重金屬離子等。我國具有豐富的殼聚糖資源和生產加工的優(yōu)越條件，因此，開發(fā)利用這一資源具有很重要的意義。

殼聚糖的結構中具有活潑的氨基和羥基，在活潑部位通過修飾、交聯(lián)、接枝等方法可以引入新型接枝物，實現殼聚糖功能的選擇性大幅提升，具有重要的科研和經濟價值，受到廣泛關注。作者在此著重介紹近年來在生物醫(yī)藥、化工材料、環(huán)境保護等領域殼聚糖的改性及應用研究進展。

1 生物醫(yī)藥領域

殼聚糖接枝共聚物可以作為藥物載體［1－2］。Du等［2］將200mg寡殼聚糖（CSO）加入10mL 去離子水中，將與寡殼聚糖氨基成不同比例（5%、10%、20%）的聚乳酸（LA）溶解于10 mL 乙醇中。然后二者混合，同時加入溶解于去離子水的碳二亞胺（EDC）（EDC∶LA＝100∶1，物質的量比）作催化劑，在80 ℃下攪拌反應12h，得到不同接枝度的CSO－LA。用CSO－LA制備球形納米膠束，對模型藥物阿霉素的包封率可達75%以上。

Huang等［3］利用氬等離子體或氧等離子體以及層粘連蛋白對脫乙酰度85%以上的殼聚糖表面進行改性，獲得促進神經再生的殼聚糖接枝共聚物。Changerath等［4］利用殼聚糖和聚甲基丙烯酸甲酯微球制備接枝共聚物，對氨芐西林進行控制釋放，結果發(fā)現共聚物對氨芐西林具有較高的吸附能力，藥物釋放周期長達8d以上。Ito等［5］利用殼聚糖以及羥基磷灰石、氧化鋅和氧化鈣等制備了一種可快速硬化、固定時間短、釋放熱量少、pH 值中性、抗壓強度高的骨填充材料，該材料適用于骨移植并且具有誘導骨生成的作用。

程松等［6］首先對殼聚糖進行羥乙基化改性，降低殼聚糖的結晶性能和氫鍵作用，然后以辛酸亞錫為催化劑，采用本體開環(huán)聚合方法，以羥乙基殼聚糖為大分子引發(fā)劑引發(fā)消旋丙交酯開環(huán)聚合制備了一系列不同組成的羥乙基殼聚糖接枝聚乳酸共聚物，接枝率大幅提高，合成路線見圖1。

段孔榮［7］采用殼聚糖接枝聚己內酯，制備出可降解、易修飾、具有生物兼容性和一定機械強度的共聚物，用于制備納米藥物載體。具體步驟為：稱取干燥的殼聚糖（0.66g，4 mmol結構單元）懸浮于15 mL MeSO3H中，45 ℃攪拌至殼聚糖完全溶解后，加入精制的己內酯（5.47g，48mmol），氮氣保護下繼續(xù)攪拌4～5h，再向反應體系滴加100 mL 0.2 mol·L－1KH2PO4溶液、16mL 10mol·L－1NaOH 溶液和50g碎冰制備的緩沖溶液，過濾，收集沉淀，用100 mL 去離子水洗滌4次后，繼續(xù)于4℃去離子水中透析，干燥得到殼聚糖接枝聚己內酯共聚物（CS－g－PCL，1∶12），產率81%，合成路線如圖2所示。

圖1 羥乙基殼聚糖接枝聚乳酸共聚物的合成路線Fig.1 The synthetic route of copolymer by hydroxyethyl chitosan with poly（lactic acid）

圖2 殼聚糖接枝聚己內酯共聚物的合成路線Fig.2 The synthetic route of copolymer by chitosan with polycaprolactone

Radhakumary等［8］利用甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）改性殼聚糖制備血液透析膜。根據不同的反應底物組合分別制成代碼為CH－0、CH－5、CH－7.5、CH－10和CH－12.5［9］5種接枝共聚物滲透膜，在37℃下用肌酸酐、尿素、葡萄糖和高分子量白蛋白4種生命必需物質對共聚物滲透膜進行體外評估，結果發(fā)現，CH－12.5對肌酸酐有特別優(yōu)異的滲透效果，CH－7.5 和CH－12.5對葡萄糖和高分子量白蛋白的滲透性能明顯優(yōu)于殼聚糖膜，5種共聚物滲透膜對尿素的滲透性都強于殼聚糖膜。與此同時，5種共聚物都具有高血液相容性和對實驗大鼠纖維細胞無毒性特征，具備醫(yī)療研究價值。

Wang等［10］利用不同比例膠原蛋白殼聚糖和非織造聚丙烯（PP）以及丙烯酸（AA）制備出具有三層結構的膜材料，具有較好的抗菌性和吸水性，能較好地促進皮膚傷口愈合。具體制備過程為：用丙酮洗去聚丙烯中的油污和雜質，在氮氣保護下加入到含有甲苯（25g·L－1）、氯化鈉（0.17 mol·L－1）和過氧化苯甲酰（0.62×10－2mol·L－1）的體系中，分別與不同量（0.56mol·L－1、0.69 mol·L－1和0.83 mol·L－1）的丙烯酸在80 ℃下反應90min，產物用冰自來水充分洗滌，隨后置于純凈水中超聲10min除去未反應的單體和均聚物，105 ℃下干燥，將干燥物與不同比例膠原蛋白殼聚糖交聯(lián)，得到最終產物。結果發(fā)現：隨著膠原蛋白殼聚糖中殼聚糖含量的提高，膜材料中殼聚糖膠原蛋白的含量及其抗菌性都隨之提升，而與之相對應的水吸收和膨脹系數卻下降，殼聚糖膠原蛋白的含量也隨著丙烯酸含量的提高而提高。隨后Wang等［11］又以N－異丙基丙烯酰胺替代丙烯酸用相同方法制備出具有三層結構的接枝共聚物膜，用于治療皮膚傷口。

2 化工材料領域

程建華［12］利用殼聚糖、乙酸、丙烯酰胺和丙烯酸乙酯季銨鹽制備出殼聚糖三元共聚高分子絮凝劑（CAS），對垃圾滲透液起到較好的處理效果。具體制備過程為：殼聚糖和乙酸按1∶1（質量比）配制質量分數為2%的殼聚糖乙酸溶液，以過硫酸銨和亞硫酸氫鈉為引發(fā)劑，與定量的丙烯酰胺和丙烯酸乙酯季銨鹽在氮氣保護下反應1～5h，得到殼聚糖共聚物CAS。用CAS 處理垃圾滲透液時的COD 去除率達到58.2%、色度去除率達到98.1%。

劉毅等［13］通過殼聚糖接枝丙烯酸制備高強吸水材料。具體步驟為：將脫乙酰度為97.37%的殼聚糖溶于丙烯酸溶液中，待其充分溶解后通氮氣，攪拌下加入適量錳離子作為引發(fā)劑，在90 ℃下反應1.5h完成接枝，將接枝物進行酸解處理，用氫氧化鈉溶液中和，脫水干燥、粉碎過篩得到黃色吸水樹脂。

陳煜等［14］以水溶性過硫酸銨為引發(fā)劑，實現丙烯酸和殼聚糖接枝聚合，并加入N，N－亞甲基雙丙烯酰胺進行交聯(lián)，得到高吸水性樹脂，其最大吸水倍率可達1 180g·g－1、吸鹽水倍率可達120g·g－1。樹脂制備最優(yōu)化反應條件為：m丙烯酸／m殼聚糖＝10，引發(fā)劑和交聯(lián)劑與單體的質量比分別為3.3% 和0.16%，在65 ℃下反應5.5h。

王開明等［15］首先在堿性條件下以殼聚糖和氯乙酸為原料制備水溶性羧甲基殼聚糖，然后和丙烯酸接枝共聚，獲得了具有一定抑菌性能的羧甲基殼聚糖接枝聚丙烯酸高吸水樹脂。在堿∶殼聚糖＝6∶1（質量比）、氯乙酸∶殼聚糖＝5.5∶1（質量比）的條件下，可以在保證羧甲基殼聚糖的產率較高（73.5%）的同時，取代度（1.115%）也能達到較好的效果，兼具較好的水溶性。當羧甲基殼聚糖用量為丙烯酸質量的1.8%時，能得到既滿足較高吸水倍率又具有優(yōu)良抑菌性能的吸水樹脂。樹脂的吸水倍率高達980g·g－1，且對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均具有較好的抑菌性，抑菌率分別達到91.7%和70.6%。

張光華等［16］制備了殼聚糖接枝苯丙共聚物乳液，并將其應用于文化用紙的施膠，提高了文化用紙的印刷適性。殼聚糖共聚物由苯乙烯、丙烯酸丁酯和N－羧甲基丙烯酰胺通過無皂乳液聚合制備，制備過程中以亞硫酸鐵和雙氧水組成氧化還原體系調節(jié)反應環(huán)境。對共聚物乳液的實驗監(jiān)測發(fā)現其黏合性和成膜性對紙張的改進起到重要作用。

侯懷恩等［17］利用1%的醋酸溶液配制不同比例的殼聚糖接枝水楊酸涂抹液，并將其涂抹于草莓表層，分別測定草莓的失重率、維生素C 含量、呼吸強度和腐爛指數，發(fā)現涂抹液在草莓表面形成一層薄膜，比單獨使用殼聚糖或水楊酸起到更好的保鮮作用。

3 環(huán)境保護領域

劉存海等［18］在氮氣保護下，將處理過的脫乙酰度為80%的殼聚糖2g和適量含2%（體積分數）乙酸的水溶液加入三口瓶中，同時加入0.4g丙烯酰胺，攪拌使各組分充分溶解。在50 ℃下以質量分數為1%的過硫酸銨和亞硫酸氫鈉為引發(fā)劑，反應4h。待反應充分后，停止通氮氣，冷卻至室溫，得到殼聚糖接枝丙烯酰胺共聚物（CAM），并將其應用于廢水Cr3＋的去除。對1L廢水，在CAM 用量為2mg、pH 值為7.8、以200r·min－1的速度攪拌3 min、沉降4h 的條件下，其去除效果最好，Cr3＋去除率達到94%。

陳曉青等［19］在β－環(huán)糊精上引入羧甲基，對羧甲基的羧基進行酰氯化取代，制備出活性較高的β－環(huán)糊精酰氯化合物，此化合物通過酰胺化接枝殼聚糖氨基，得到經過修飾的β－環(huán)糊精接枝殼聚糖（圖3）。分別測定殼聚糖和β－環(huán)糊精接枝殼聚糖對水溶液中苯酚、對壬基苯酚等苯酚類化合物的吸附，結果發(fā)現，β－環(huán)糊精接枝殼聚糖的吸附性能優(yōu)于殼聚糖，其最佳吸附條件是：溫度30 ℃、pH 值2.65、吸附時間6h、苯酚初始質量濃度120mg·L－1。

圖3 β－環(huán)糊精接枝殼聚糖的合成路線Fig.3 The synthetic route of copolymer byβ－cyclodextrin crystalline with chitosan

謝建軍等［20］利用自制木粉／殼聚糖接枝丙烯酸－丙烯酰胺，制備出能夠吸附Pb2＋的高分子樹脂。在30 ℃、pH 值為6、樹脂用量為0.2g·L－1、初始濃度為0.75mmol·L－1、吸附時間為8h（靜態(tài)）或6h（動態(tài)）時，樹脂對Pb2＋的吸附量達2.52 mmol·g－1，去除率為97.1%，反復使用性能良好。但是當溶液中含有氯化鈉等鈉鹽及尿素時，吸附量大幅下降，并且氯化鈉存在時吸附量下降最快。

黃春桃等［21－22］利用羧甲基殼聚糖和膨潤土制備出復合吸附劑，并研究了復合吸附劑在不同情況下對Cu2＋、Ni2＋和Cr3＋的吸附。首先將5g膨潤土配制成5%的懸浮液，調節(jié)pH＝5，再將十六烷基三甲基溴化銨和羧甲基殼聚糖按2∶1的比例分別加入懸乳液中。70 ℃下恒溫攪拌2h，減壓抽濾，用適量蒸餾水洗滌后再次抽濾，充分干燥后粉碎，得到復合吸附劑［23］。研究發(fā)現，該復合吸附劑對Ni2＋能以較快的速度達到動力學吸附平衡，對Cu2＋的吸附大約需要30 min 實現動態(tài)平衡，而對Cr3＋的吸附需要180min才能實現動態(tài)平衡。復合吸附劑在最優(yōu)pH 值（4～5）下對Cu2＋、Ni2＋和Cr3＋的吸附量分別達到114.54 mg·g－1、79.56mg·g－1和83.42mg·g－1。

4 結語

殼聚糖不僅在生物醫(yī)藥、化工材料和環(huán)境保護領域應用廣泛，在食品、化妝品、造紙等領域也起到很大作用。利用殼聚糖上活潑的氨基和羥基，通過修飾、交聯(lián)、接枝等改性方法引入新的基團，能夠得到性能大幅提高的接枝共聚物，具有重要的科研價值和經濟價值。

但是，生產殼聚糖需要處理大量的蝦殼和蟹殼，產生大量的工業(yè)廢水，之前已出現日本為了環(huán)保而從中國進口甲殼素的先例，并且大量捕撈蝦和蟹造成生物鏈的破壞；當殼聚糖改性共聚物作為食品添加劑或藥物載體進入人體后，會阻礙脂肪和其它營養(yǎng)的吸收，導致脂溶性維生素和礦物質的缺乏。因此，應合理處置殼聚糖生產廢水并回收利用；國家和企業(yè)應共同合理捕撈生物資源，科學開發(fā)利用；在攝取含殼聚糖類食品及藥品時，應采取必要措施進行防護，嚴格控制用量。

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