固體殼聚糖鹽制備方法及其應用研究進展

劉長霞+劉樹恒+范小振

摘要：殼聚糖鹽是通過簡單質子化改性得到的殼聚糖衍生物，保持了殼聚糖聚陽離子特點。水溶性固體殼聚糖鹽能直接溶解于水中，穩定性好，而且具有許多獨特的生理活性和功能性質，在食品保鮮、保健品、醫藥等方面得到廣泛應用。疏水性固體殼聚糖鹽具有極好的油脂吸附性能和藥物緩釋作用。綜述了國內外固體殼聚糖鹽的制備方法和應用研究進展，并展望了固體殼聚糖鹽的潛在應用。

關鍵詞：殼聚糖鹽；固體；制備；應用

中圖分類號： TS201.2 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0019-03

甲殼素是天然高分子聚合物，化學名稱為（1，4）-2-乙酰氨基-2-脫氧-D-葡萄糖，廣泛存在于蝦、蟹、昆蟲的外殼中[1]。殼聚糖是甲殼素脫乙酰化產物，是自然界中存在的唯一堿性多糖。由于殼聚糖及其衍生物具有無毒、生物相容性好、抑菌、吸附等功能，使其在食品、日化、醫藥、環境等領域得到廣泛應用[2]。然而殼聚糖只能溶解在酸性介質中，限制了其應用范圍。可通過化學改性如季銨化、羥乙基化、羧基化等途徑，制備水溶性良好、功能性質各異的衍生物，拓寬其應用范圍[3]。有些改性工藝繁瑣，而且改變了殼聚糖聚陽離子的特性。殼聚糖鹽通常可分為2種：一種是殼聚糖的酸溶液，即殼聚糖直接溶解在酸性水溶液中發生質子化反應。殼聚糖酸溶液貯存過程中容易發生降解，質量難以保證，而且使用不方便，極大限制了其應用范圍[4]。另一種是固體殼聚糖鹽（solid chitosan salts ），以固體粉末形式存在。根據固體殼聚糖鹽的溶解性能，可將其分為水溶性固體殼聚糖鹽和疏水性固體殼聚糖鹽。水溶性固體殼聚糖鹽能直接溶解在酸性、中性、弱堿性水溶液中，溶解性能大大改善，在食品保鮮、醫藥、日用化工等領域廣泛應用[5-6]。疏水性固體殼聚糖鹽表現出極好的油脂吸附性能和藥物緩釋作用，日益受到關注[7]。固體殼聚糖鹽能長時間穩定存在，使用方便、安全，生物相容性好，制備工藝相對簡單，是非常重要的殼聚糖應用型態。本研究對近年來固體殼聚糖鹽的制備方法和應用進展進行評述。

1 固體殼聚糖鹽制備方法

固體殼聚糖鹽制備方法可分為2類：一種是干法制備，即有機酸或無機酸直接與殼聚糖定量混合，機械剪切研磨得到固體殼聚糖鹽產品，此方法屬于簡單的物理混合，殼聚糖氨基沒有質子化，化學成分均勻性不好，導致樣品溶解性不一致；另一種是濕法制備，酸溶液使殼聚糖氨基發生質子化反應，然后脫水干燥制備固體殼聚糖鹽，樣品均勻、穩定、溶解性好。固體殼聚糖鹽的濕法和干法制備方法分別綜述如下。

1.1 濕法制備固體殼聚糖鹽

目前研究較多的固體殼聚糖鹽制備方法是濕法制備，按照反應介質和產品分離方法可分為以下幾種。

1.1.1 水溶劑法 首先配制適量的相應酸水溶液，然后將殼聚糖溶解于酸水溶液中，攪拌，進行質子化反應，制備出固體殼聚糖鹽。此方法雖然操作方法簡單，但產品不易分離、干燥。殼聚糖在酸性水溶液中溶解成黏稠溶液，若用普通烘箱干燥，樣品不能被粉碎。因此，按照產品的分離純化方法又可分為噴霧干燥法、有機溶劑沉淀法、冷凍干燥法。

噴霧干燥法[8]：殼聚糖酸溶液在175～180 ℃進行噴霧干燥，得到干燥殼聚糖鹽粉末，干燥設備昂貴，不適合小規模制備。有機溶劑沉淀法[9]：向發生質子化殼聚糖酸溶液中加入有機溶劑，將殼聚糖鹽沉淀析出，用大量有機溶劑洗滌，干燥、粉碎。此方法需要大量有機溶劑，生產成本高，環境污染重。殼聚糖酸溶液加入有機沉淀劑后往往會生成一種凝膠產物，難處理、難粉碎。冷凍干燥法：趙希榮等將殼聚糖溶解在乳酸溶液中，溶解、過濾、透析、冷凍干燥，得到固體殼聚糖乳酸鹽[4]。此方法制備過程簡單，但需要特殊的冷凍干燥儀器，生產成本較高。

1.1.2 混合溶劑法 采用水/有機溶劑混合作為反應介質，一方面水能提高有機溶劑的介電常數，保證反應進行，否則質子化效率低；另一方面有機溶劑保證殼聚糖在酸性條件下不發生溶解，避免形成黏稠溶液從而不利于傳質，產品難干燥、粉碎。Albisetti等將殼聚糖分散到介電常數為30～40之間的甲醇、乙醇、異丙醇/水混合溶劑中，然后加入相應量的脂肪酸、芳香酸、無機酸，加熱攪拌，使殼聚糖在分散狀態下進行異相質子化反應，結果表明，醇溶劑的種類、水的質量、固液比等均對反應產生影響，常溫下反應時間從幾小時到十幾小時不等，回流溫度下須反應若干小時[10]。此方法缺點在于需要大量有機溶劑，反應時間長，屬于異相反應，質子化效率較低。于樂軍等將殼聚糖加入到65%乙醇/水混合溶劑中，密封溶脹12 h，然后加入含醋酸的乙醇溶液，攪拌均勻，靜置12 h，抽濾、烘干，得到白色或淡黃色粉末狀殼聚糖醋酸鹽產品[11]。

1.1.3 酸溶劑法 酸溶劑法可以分為2種：一種是采用過量的酸直接作為反應介質，如殼聚糖鹽酸鹽制備，殼聚糖在濃鹽酸中加熱回流，待殼聚糖溶解后，冷卻溶液，殼聚糖鹽酸鹽析出[12]，這種方法殼聚糖分子降解嚴重，得到低分子量殼聚糖鹽酸鹽。另一種方法是采用稀醋酸或鹽酸作為反應介質，此方法通常用于疏水性殼聚糖鹽即水不溶性殼聚糖鹽的制備。Muzzarelli等首先將殼聚糖粉末溶解在適量的0.5%醋酸溶液中，將牛磺膽酸、甘氨膽酸溶解在水中，將后者倒入殼聚糖溶液中，產生白色沉淀，透析24 h，-92 ℃下冷凍干燥，得到水不溶性殼聚糖牛磺膽酸鹽和甘氨膽酸鹽粉末[13]。林少琴將殼聚糖溶解在3%鹽酸溶液中，加熱至80 ℃，滴入硬脂酸鈉水溶液，高速攪拌，形成殼聚糖/硬脂酸離子復合物沉淀物，過濾、洗滌，真空干燥得到殼聚糖硬脂酸鹽[14]。

1.1.4 離子液綠色溶劑法 離子液是一種新型的綠色溶劑。研究表明，一些離子液體或其水溶液能夠溶解殼聚糖或甲殼素，為殼聚糖的應用提供可能[15]。Wang等首先將殼聚糖溶解在綠色反應溶劑離子液中，然后將溶解在蒸餾水中的富馬酸單甲酯滴入上述溶液中，25 ℃下反應24 h，得到殼聚糖單甲酯富馬酸鹽，然后用蒸餾水透析純化[16]。由于離子液中含有大量離子，導致產品純化、干燥困難。

1.2 干法制備固體殼聚糖鹽

1.2.1 干法制備 Rogovina等在高溫下將殼聚糖和固體酸或酸酐如硬脂酸、琥珀酸以及馬來酸酐等在機械壓力和剪切力作用下發生質子化反應[17]，此方法優點是不須使用溶劑、產品純凈、無污染，缺點是反應轉化率較低并需要特殊設備。

1.2.2 半干研磨法 劉長霞等將與殼聚糖氨基等當量的酸溶解在少量水中，一邊慢慢滴加酸的水溶液，一邊在研缽中充分研磨，得到蓬松、絮狀產品，用普通干燥箱干燥得到水溶性、易于粉碎的固體殼聚糖鹽[5]。此方法優點是操作簡單、成本低、無污染。

2 固體殼聚糖鹽的應用

水溶性固體殼聚糖鹽溶解性能大大改善并保持殼聚糖聚陽離子特點，具有良好的成膜性、抑菌性，使用貯存方便，在食品保鮮、親水性藥物吸收促進劑、醫用載體、食品保健等方面得到廣泛應用。疏水性固體殼聚糖鹽表現出極好的油脂吸附性能及控制藥物運輸、釋放作用，日益受到人們關注。

2.1 在農產品方面的應用

殼聚糖及其衍生物具有良好的抑菌性、成膜性、無毒、生物降解等優良性質，被廣泛應用于果蔬、食品保鮮等方面[18]。殼聚糖稀醋酸溶液涂膜被廣泛應用于果蔬保鮮，但是由于酸具有刺激性，如果涂覆不均勻造成局部酸濃度過大，容易加速果蔬褐變、腐爛。水溶性固體殼聚糖鹽制備工藝簡單，不僅能改善殼聚糖溶解性能、保持殼聚糖聚陽離子特性，而且由于攜帶的陰離子不同從而展現許多獨特的性能。水楊酸在水果貯藏過程中能抑制其吸呼強度并增強保護酶活性，是一種常用的食品添加劑。黃廣君等采用研磨法制備殼聚糖水楊酸鹽，改善殼聚糖的溶解性，將殼聚糖水楊酸鹽直接溶解于水中制備保鮮涂膜劑，對荔枝進行采后涂膜處理、貯存，結果表明，殼聚糖水楊酸鹽水溶液性質溫和，在果皮表層形成保護膜，能有效抑制荔枝的失重、褐變，殼聚糖水楊酸鹽水溶液延緩水果褐變效果顯著優于殼聚糖醋酸溶液[19]。研究表明，采用殼聚糖水楊酸復合涂膜芒果，在延長其后熟過程和貯存效果方面都優于單一殼聚糖涂膜，這一方面可能是由于水楊酸參與調節植物的生理過程；另一方面是由于殼聚糖成膜和抑菌性能[20]。抗壞血酸是一種常用的防褐變劑，是人體必需的水溶性維生素。胡位榮等分別用殼聚糖和殼聚糖-抗壞血酸結合涂膜處理鮮切香芋，結果表明殼聚糖-抗壞血酸結合比單獨殼聚糖處理能更好地減緩鮮切香芋的褐變程度[21]，這可能是由于抗壞血酸的抗褐變作用與殼聚糖的成膜、抑菌作用的協同效果。劉靜娜等研究表明，殼聚糖抗壞血酸復合鹽不僅能改善殼聚糖的溶解性能，而且殼聚糖的大分子結構能保護抗壞血酸，延緩其被空氣中的氧氣氧化速度，為其在食品、醫藥等領域的應用奠定基礎[22]。楊凌霄等采用半干研磨法制備的殼聚糖醋酸鹽、鹽酸鹽、乳酸鹽、抗壞血酸鹽、苯甲酸鹽等均展現出良好的水溶解性、成膜性及強抑菌性。采用固體殼聚糖鹽水溶液涂膜保鮮雞蛋，效果良好而且其抑菌性能與青霉素相比無顯著差異[23]。水溶性固體殼聚糖鹽制備工藝簡單、使用方便，有望作為一種廣譜食品保鮮劑被廣泛推廣使用。

2.2 水產品方面應用

殼聚糖具有凈化水質、抗菌、提高機體免疫力等優良特性[24]，但關于其在水產品病蟲害方面應用研究較少。殼聚糖鹽酸鹽改善了殼聚糖的溶解性能而且保持了其聚陽離子特點。孫玉英等研究表明，殼聚糖鹽酸鹽對副溶血弧菌、哈維氏弧菌、鰻弧菌等水產致病菌均有抑菌效果而且對副溶血弧菌的最小抑菌濃度為2.5 mg/mL[25]。黃盛東等研究了不同分子量殼聚糖對羅非魚片的保鮮作用，結果表明，分子量小的殼聚糖保鮮效果更好[26]。殼聚糖的保鮮機理通常被認為是殼聚糖高分子的成膜性和陽離子的抑菌性。鮮魚片pH值為 6.4，殼聚糖在此弱酸性環境下不能溶解，成膜性差。分子量小的殼聚糖保鮮效果好于高分子量的殼聚糖可能是由于殼聚糖具有溶解性。水溶性固體殼聚糖鹽溶解性能大大改善，有望取代殼聚糖作為水產品的保鮮劑。

2.3 降脂保健品方面應用

研究表明，普通的殼聚糖能夠吸附本身質量幾倍的油脂，可作為一種減肥降脂膳食纖維。殼聚糖吸附油脂的機理通常被認為是聚陽離子吸附帶負電的脂肪酸和高分子黏稠溶液的包封作用[27]。殼聚糖作為聚陽離子化合物，與脂肪不能互溶，對中性油脂吸附能力不強。由于殼聚糖在腸道pH值環境下為不溶解狀態，降低了對脂肪酸的吸附效率，因此靠普通殼聚糖進行降脂效果可能不佳。殼聚糖通過共價鍵改性提高溶解性能、陽離子化程度以及疏水基團數目的工藝繁瑣，成本較高。疏水性殼聚糖鹽是殼聚糖氨基與脂肪酸通過鹽鍵結合形成的復合物，在保持了殼聚糖聚陽離子特性的同時提高殼聚糖長鏈上疏水基團數目，較共價鍵改性簡單方便。Furda將殼聚糖與定量的油酸合成復合鹽，由于疏水基團的引入提高了對甘油三酸酯、膽固醇和其他固醇的吸附效能[28]。Muzzarelli等通過體外試驗研究了疏水性殼聚糖牛磺膽酸鹽和殼聚糖甘氨膽酸鹽對脂肪的吸附性能，研究表明，其比普通殼聚糖能更有效吸收脂肪[13]。目前研究較多的是殼聚糖與可食用的硬脂酸通過鹽鍵結合形成殼聚糖硬脂酸鹽[29]。殼聚糖硬脂酸鹽對中性油脂具有良好的吸附性能而且油溶性殼聚糖對油脂的吸附效能受pH值影響較小。

2.4 醫藥方面應用

殼聚糖鹽一方面可用來促進藥物溶解和吸收，另一方面可作為藥物緩釋載體，控制藥物釋放。Tengamnuay等研究了殼聚糖和2種水溶性固體殼聚糖鹽對鼻器官多肽藥物的吸收影響，結果表明，各種殼聚糖都能增強多肽藥物的吸收性能[30]。殼聚糖作為吸收增強劑，對多肽藥物的吸收增強性能隨著溶液pH值從4增加到6而逐漸減弱，然而水溶性固體殼聚糖鹽對多肽藥物的吸收增強性能不受pH值的影響。Maestrelli等研究了殼聚糖、殼聚糖谷氨酸鹽和鹽酸鹽對萘普生鎮痛藥的溶解和吸收性能影響，結果表明，殼聚糖谷氨酸鹽能改善藥物對細胞滲透性能從而促進奈普生的吸收[31]。高世博等分別以水溶性殼聚糖鹽酸鹽和普通酸溶性殼聚糖為原料，以戊二醛為交聯制備微球，結果表明，殼聚糖鹽酸鹽更易成球，球形圓整光滑[32]。于飛等首先制備了水溶性固體殼聚糖乳酸鹽，溶解于適量水中，然后加入冰晶生長劑叔丁醇制備得到具有垂直均勻孔道的海綿狀殼聚糖乳酸鹽，以紅霉素為模型藥物，研究該材料的藥物緩釋性能，結果表明，殼聚糖與脂肪酸通過鹽鍵結合制備的疏水性殼聚糖鹽在胃酸環境下不溶解而發生溶脹膠凝[33]，從而解決殼聚糖作為藥物載體在胃酸環境下溶解快、不能控制藥物釋放的缺點。Bani-Jaber等以治潰瘍藥雷尼替丁作為模型藥物，分別研究殼聚糖、殼聚糖脂肪酸鹽（月桂酸鹽和棕櫚酸鹽）制備藥物片劑后，藥物在胃酸pH值環境下的釋放速率，結果表明，殼聚糖壓片1 h藥物釋放84%，殼聚糖脂肪酸鹽壓片藥物釋放速率相當慢，8 h釋放70%～80%[7]。殼聚糖脂肪酸鹽制備較共價鍵交聯簡單容易而且安全無毒，有望作為化學藥物有效緩釋劑。

3 小結與展望

綜上所述，殼聚糖質子化改性工藝簡單，成本低廉，改性后的水溶性固體殼聚糖鹽能夠直接溶解在酸性、中性或弱堿性水溶液中，溶解范圍大大擴大，而且表現出許多獨特的生理活性和功能性質，為其應用奠定了良好的基礎。水溶性殼聚糖鹽不僅溶解性能得到改善而且水溶液黏度明顯高于相應殼聚糖酸溶液黏度，有望作為增稠劑、藥物增溶劑或油脂吸附劑。疏水性殼聚糖鹽由于具有安全、無毒等特性，可作為化學藥物的有效緩釋劑和新型吸油材料進行推廣。固體殼聚糖鹽攜帶的反離子不同直接影響其溶解性能和功能性質。目前，市場上常見的只有為數不多的幾種殼聚糖鹽，如鹽酸鹽、乳酸鹽、醋酸鹽、谷氨酸鹽等。開發新功能性固體殼聚糖鹽并改進殼聚糖鹽制備、純化工藝是未來重要的發展方向之一。

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