吳月蘭 林珊萍

摘要：以蝦頭蝦殼為原料，經(jīng)過鹽酸脫鈣，NaOH溶液脫蛋白，制得甲殼素。甲殼素用微波法經(jīng)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(chǎn)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(guān)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(dòng)物、菌類及甲殼綱動(dòng)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(shù)的混合濃酸溶劑中。

由于甲殼素的特殊機(jī)能，被廣泛運(yùn)用于以下方面：

1.食品工業(yè)中的運(yùn)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(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用：廢水的絮凝，生物大分子物質(zhì)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(yī)藥衛(wèi)生方面的應(yīng)用：降脂、降膽固醇和防治動(dòng)脈粥樣硬化[7]，抗凝血和抗腫瘤[8]，提高機(jī)體免疫力。

5.在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用：飼料添加劑，種子處理劑，農(nóng)藥載體[9]。

6.日用化學(xué)品

殼聚糖是甲殼素脫乙?；蟮难苌?。與甲殼素相比，殼聚糖分子結(jié)構(gòu)中含有游離的氨基，溶解性能大大改善，從而使其應(yīng)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(qiáng)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(jī)溶劑，這就很大程度上限制了它的應(yīng)用。因而，改善殼聚糖的溶解性能，特別是對(duì)它進(jìn)行化學(xué)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(duì)殼聚糖進(jìn)行化學(xué)修飾，使其分子中的氫原子被羧甲基取代所得到的產(chǎn)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(duì)殼聚糖進(jìn)行化學(xué)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(chǎn)物，并研究了羧甲基殼聚在化妝品中的運(yùn)用性能。

2.實(shí)驗(yàn)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(jī)，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(zhì)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?jīng)]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(zhì)量比為1：10。在廢水浴中反應(yīng)2-4小時(shí)。冷卻后過濾洗滌，得淡紅色微顆粒狀產(chǎn)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(zhì)量比為1：8。在微波爐中低火反應(yīng)20分鐘，得粘稠狀混合物，抽慮后得比甲殼素更為細(xì)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(zhì)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(shí)。

所得產(chǎn)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(jī)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(yùn)用研究

2.3.1吸濕和保濕性能測(cè)定[13]

吸濕性能測(cè)定：室溫下，準(zhǔn)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(gè)干燥器內(nèi)，1個(gè)干燥器內(nèi)放有飽和硫酸銨水溶液（相對(duì)濕度及H=81%），另1個(gè)放有飽和碳酸鈉水溶液（相對(duì)濕度及H=43%），于放置10、22、30和44h后分別稱量，計(jì)算吸濕率（%）=[（mn—m0）/ m0]×100%， m0和mn分別為放置前后樣品的質(zhì)量。

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

2.3.2抑菌試驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)用金黃色葡萄球菌ATCC25923、大腸埃希菌ATCC 25922標(biāo)準(zhǔn)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(shí)。

然后取振蕩后的樣液以瓊脂傾注法接種平皿，放入培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48小時(shí)。然后進(jìn)行菌落計(jì)數(shù)。

同時(shí)設(shè)不加羧甲基殼聚糖樣品的空白對(duì)照組。

抑菌率按下式計(jì)算：

X=（A-B）/A ×100%

式中：X——抑菌率，%

A——被測(cè)樣品振蕩前平均菌落數(shù)

B——被測(cè)樣品振蕩后平均菌落數(shù)

2.3.3與表面活性劑的配伍性試驗(yàn)

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(jìn)行復(fù)配，在室溫下用簡(jiǎn)單機(jī)械攪拌混合，不調(diào)節(jié)pH情況下進(jìn)行觀察。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1反應(yīng)條件對(duì)羧甲基殼聚糖取代度的影響

3.1.1 NaOH溶液濃度對(duì)取代度的影響

圖1 NaOH溶液濃度對(duì)取代度的影響

由圖1可知，NaOH溶液濃度在10%時(shí)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(gè)范圍內(nèi)升幅平緩，在NaOH溶液濃度在30%時(shí)就可以達(dá)到80%的取代度。

3.1.2反應(yīng)時(shí)間對(duì)取代度的影響

圖2 反映時(shí)間對(duì)取代度的影響

由圖2可知，反應(yīng)時(shí)間少于2小時(shí)時(shí)，取代度很低，反應(yīng)時(shí)間大于4小時(shí)時(shí)取代度升高的不明顯。故生產(chǎn)中反應(yīng)時(shí)間可選4小時(shí)即可。

3.2羧甲基殼聚糖在化妝品中的運(yùn)用研究結(jié)果

3.2.1吸濕和保濕性能

甲殼素由于分子中強(qiáng)烈的氫鍵作用及晶型結(jié)構(gòu)，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(zhì)，同時(shí)吸濕、保濕性能也大大提高。在相對(duì)濕度RH=81%時(shí)， 羧甲基殼聚糖的吸濕性能與透明質(zhì)酸的相當(dāng)（見表1），在RH=43%時(shí)，羧甲基殼聚糖仍有較強(qiáng)的吸濕性能，而且優(yōu)于透明質(zhì)酸，水分殘存率是透明質(zhì)酸的2倍多。只有在相對(duì)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(zhì)酸慢，說明其保濕性能優(yōu)于透明質(zhì)酸。

表1 48h后試樣的吸濕率和水分殘存率

結(jié)果表明，在引入強(qiáng)親水性的羧甲基后，一方面殼聚糖分子中的氫鍵作用進(jìn)一步被削弱，晶體結(jié)構(gòu)受到破壞，分子呈松散狀態(tài)，利于水分子的接近，與其分子中的親水性基團(tuán)如—OH和—NH2形成氫鍵；羧甲基殼聚糖的吸濕性能與透明質(zhì)酸的相當(dāng)，但保濕性能優(yōu)于透明質(zhì)酸。

3.2.2抑菌性能

不同濃度羧甲基殼聚糖對(duì)抑菌性能的影響

表2 不同濃度羧甲基殼聚糖對(duì)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(duì)大腸埃希菌和葡萄球菌的抗菌性能逐漸增強(qiáng)。當(dāng)用量為0.05%時(shí)，羧甲基殼聚糖對(duì)大腸埃希菌和葡萄球菌的抗菌效果接近100%，當(dāng)用量為0.10%時(shí)，其對(duì)大腸埃希菌和葡萄球菌抗菌率達(dá)到100%。

由此表明本實(shí)驗(yàn)制得的羧甲基殼聚糖對(duì)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(zhì)，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(fù)配，沒出現(xiàn)分層或沉淀現(xiàn)象。

4.結(jié)論

4.1羧甲基化反應(yīng)的條件對(duì)取代度有較大的影響：

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

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

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(zhì)酸的相當(dāng)，但保濕性能優(yōu)于透明質(zhì)酸。

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

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

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