甲壳素

甲壳素是一种含氮的多糖物，又称甲壳质、几丁质、壳蛋白、壳多糖、明角质等，是自然界第二大丰富的生物聚合物，分布十分广泛，是许多低等动物特别是节肢动物如虾、蟹、昆虫等外壳的重要成分，虾壳约含15%～30%，蟹壳约含15%～20%。也是低等植物菌类细胞膜的组成部分，地衣，绿藻、酵母、水母及乌贼体内也含有。据估计每年的生物合成量超过10亿吨，是一种巨大的可再生资源。外观呈白色或微黄色透明体，是2-乙酰氨基葡萄糖多聚体，其化学结构与天然纤维素相似，分子中除存在羟基外，还含有乙酰氨基和氨基功能基团，可供结构修饰的基团多，具有比纤维素及其衍生物更加丰富的功能性质，不溶于水、乙醇、乙醚、盐类和稀酸、稀碱;能溶于醋酸，与浓烧碱溶液作用，形成玻璃状胶体的可溶性甲壳素(也称多聚胺基葡萄糖、甲壳胺、糖液甲壳素、壳聚糖等)，它们可用于：①纯化水和从海水中提取铀的离子交换树脂；②凝胶色谱柱的填充物和分子筛；③制备能被生物或酶降解的食物包装膜或可溶性的体内手术线；④培植植物或微生物的保水剂；⑤纺织品的防缩、防皱处理，直接染料或硫化染料的固色。
甲壳素不溶于一般的酸碱，化学性质非常稳定，这是制约其长期得不到开发的重要原因。经脱乙酰基后的壳聚糖，呈白色至淡黄色的粉末，虽也不溶于水、碱溶液和有机溶剂中，但可溶于稀酸溶液中，包括无机稀酸 (盐酸、硝酸等) 和有机稀酸 (醋酸、乳酸、甲酸、抗坏血酸、苹果酸等) 中。在柠檬酸、酒石酸等多价有机酸的水溶液中，则是在加热高温时溶解，在温度下降后则呈凝胶状。
甲壳素是2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖经β (1→4)糖苷键连接的聚合物脱除乙酰基后的多糖化合物2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖的β (1→4) 聚合物，即壳聚糖。图2-7示出甲壳素、壳聚糖和纤维素的化学结构，这三者之间的结构相似。由于现存的技术尚不能将甲壳素完全脱去乙酰基变成100%的壳聚糖，也很难将两者完全分离开，故现有壳聚糖商品通常是甲壳素与壳聚糖的混合物，但要求壳聚糖含量在60%以上。不过作为功能性食品基料的壳聚糖要求壳聚糖含量在85%以上。 甲壳素衍生物是壳聚糖 (Chitosan) 经化学修饰而获得的产品，而壳聚糖是甲壳素(Chitin)经脱乙酰基而获得的，其结构式如下：

壳聚糖和壳聚糖衍生物的分子结构
壳聚糖衍生物克服了壳聚糖仅溶于酸，易降解，在有机溶剂中易沉淀，物理与化学稳定性差的弱点，从而大大拓展了甲壳素的应用领域。
壳聚糖可以通过化学改性，水解和与金属形成壳聚糖金属配合物等形式得到不同的衍生物，化学改性的方法有：
①酰化反应：甲壳素和壳聚糖通过与酰氯或酸酐反应，在大分子链上导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基，可以提高溶解性。
②烷基化反应：烷基化反应可以在甲壳素的羟基上(O-烷基化)，也可以在壳聚糖的氨基上进行(N—烷基化)，以N—烷基化较易发生，生成物的溶解性质决定于烷基链的长短。
③羧基化反应：羧甲基化甲壳素由碱性甲壳素和氯乙酸反应制得。
④酯化反应：壳聚糖的C6-羟基可与含氧无机酸发生酯化反应，如与浓硫酸、三氧化硫、氯磺酸反应，可制得壳聚糖硫酸酯。
⑤壳聚糖季铵盐反应：用缩水甘油三甲基氯化铵对壳聚糖进行化学结构修饰，可在壳聚糖分子中引入季铵盐基团，制得壳聚糖季铵盐。
⑥硅烷化反应：甲壳素可以完全三甲基硅烷化，得到具有很好的溶解性和反应性的衍生物，同时保护基又很容易脱去。因此，它可以在受控条件下进行改性和修饰。
⑦水解反应：甲壳素和壳聚糖可以完全降解也可以不完全降解，可以是酸法也可以是酶法。
⑧采用壳聚糖与金属盐类进行化学反应得到的壳聚糖金属聚合物[如壳聚糖铜聚合物(CCC)和壳聚糖锌配合物(CZC)]是一种新型有机高分子聚合物，目前报道的多用于防腐。
以上信息由Chemicalbook的晓楠编辑整理。 甲壳动物的外壳，如虾壳、蟹壳都由两部分组成，其表面是薄而透明的角质层，主要成份是钙，内部则是较厚的甲壳质层。需首先酸溶去钙，然后在碱作用下，使不溶性甲壳素转化为可溶性甲壳素。工艺流程：水洗原料→加盐酸→浸酸脱钙→水洗加稀碱→煮碱脱脂脱蛋白→水洗加酸→二次浸酸脱钙→水洗加稀碱→二次碱煮脱脂→水洗→甲壳素→加浓碱→碱煮保温脱脱乙酰基→水洗→干燥→包装→可溶性甲壳素。
用5%的盐酸浸泡虾壳或蟹壳1～2天，直至不冒气泡为止。取出后用大量清水冲洗至中性，此时甲壳中的碳酸钙等无机盐被除去，而呈柔软状。用8～10%的烧碱溶液再次浸泡已变软的甲壳1～2天后，加热煮沸1～2小时，取出后用大量清水洗至中性，以除去角质层和脂肪。用0.2%的高锰酸钾溶液浸泡经碱煮后的软甲壳的1小时，通过氧化作用除去甲壳上的有机色素。取出和清水冲洗后，，再浸入1%的亚硫酸氢钠溶液10分钟，然后加入少量盐酸，使溶液呈酸性，继续浸泡20分钟，以除去附在甲壳上的二氧化锰，此时甲壳应呈白色，即得不溶性甲壳素。制取可溶性甲壳素，取出不溶性甲壳素用清水冲至中性后，将其浸入40%的烧碱中，加热至40～60℃，浸泡时间约24小时，开始时每隔1小时翻动一次，以后逐渐延长5～6小时翻动一次，到规定时间后取出，用清水冲洗至中性，晒(烘)干即为成品。取少量成品浸入1%的醋酸溶液中，若能在短时间内溶解即为合格，不溶则说明反应不完全，可适当延长碱浸时间予以补救。用聚乙烯塑料袋密封，外罩木箱或纸箱包装。储运过程中不可与有毒物共储混运。 甲壳素是甲壳中的主要成分，在自然界中分布很广。虾、蟹壳是提取甲壳素的主要原料。甲壳素的含量因壳的种类而不同，虾壳中含量约在14%～25%，蟹壳中含量约在10%～25%。
甲壳素是一种多聚乙酰氨基葡萄糖，属含氮多糖类，它不溶于水、有机溶剂及酸、碱溶液中，只有经过浓碱处理或其他方法脱去其分子中的乙酰基后，它才能溶解于稀酸中，称为可溶性甲壳素。
甲壳素具有耐碱、耐晒、耐热、抗腐蚀、不风化、不潮解、防蛀虫等特点，且对纺织品、皮革等具有牢固的附着力，使之挺刮、防绉、防缩、耐磨、固色能力强等，故可溶性甲壳素的用途极广。

甲壳素生产工艺流程图 甲壳素及以甲壳素制造的产品，因其独特的物理、化学性质具有防潮耐晒防霉耐腐蚀等优良特性，用途十分广泛。在纺织、印染工业用作固色剂，织物防缩整理剂等。医药工业制造抗癌药氯脲霉素、人造皮肤、外科手术线，降胆因醇药等。环保、饮料、食品工业的水处理剂、絮凝剂、保健食品添加剂。造纸、人造板等工业用做胶着剂。制新一代生物降解膜，用于食品包装农业地膜。农业方面应用于肥料，农药缓释剂被复材料，浸种剂，科学研究方面用于酶固截化截体，分离膜人工肾等。对于，甲壳素的开发应用，在国际上，日本和美国量最大的生产国，同时也是最大的消费市场。甲壳素及其衍生物在化妆品行业应用广泛，如香波、护发素、浴液、发胶、摩丝，香水、晚露、水剂类化妆品，膏霜、口红等系列产品，具有如下优良性能和功效：
(a) 安全，无毒。
(b) 良好的成膜性、透气性、生物兼容性。它在皮肤表面形成薄膜，由于该膜是立体网状结构，各种保湿因子、生理功能物质均能包埋其中，并有持续缓释作用。
(c) 皮肤附着性好。
(d) 稳定性好：pH1～14稳定。冷、热稳定性也好，配伍性好。
(e) 皮肤调理性好，生物可降解，附合环保要求。
天然品，无毒。
LD₅₀ 77.5g/kg(小鼠，经口)。
Ames试验阴性。 甲壳素本身十分稳定，可溶于弱酸中，例如醋酸、乳酸、柠檬酸、麸酸等均常在工业制程中用以溶解甲壳素，其溶解度与酸浓度呈正比。以醋酸为例，10g/L甲壳素需溶于1%醋酸中。一旦溶解，即可以进一步以水稀释。甲壳素的脱乙酰度也影响其成膜的能力。较高脱乙酰度者，水溶液干燥后较易形成膜。用于肉与肉制品表面成膜，即有防腐作用。
防霉保鲜：含甲壳素的火腿以日本丸大火腿为最主要实例。其制作过程中添加甲壳素约达200mg/kg，可抑制不良霉菌的滋长。含甲壳素的酱菜：日本朝日化学、Asama Chemical以及其下游厂商，均以甲壳素为保鲜剂提供酱菜业者，以利降低盐分的使用。其制程需使用黏度低、脱乙酰度高的甲壳素，其制程如浸泡生鱼片以保鲜：98%DAC甲壳素溶液，1%醋酸溶液，以最后使用浓度50～200mg/kg的方式浸泡3h，可降低生菌数，并增加商品寿命达24～36h。但亦有工艺说明，如亦以浸泡方式操作，其甲壳素的浓度应尽量提高，以便于浸泡后的剂量能有足够防菌及保湿能力。但因浓度过高时黏度亦提高，故必须以特殊方式降低黏度，但不失其凝聚成膜之效果。 GB 2760-1996(g/kg)：啤酒0.4；食醋1.0；蛋黄酱、芝麻酱、花生酱、氢化植物油、冰激凌、植脂性粉末2.0；乳酸菌饮料2.5；果酱5.0。 为类白色无定型粉末，无臭、无味。能溶解于含8%氯化锂的二甲基乙酰胺或浓酸；不溶于水、稀酸、碱、乙醇或其他有机溶剂。
自然界中，甲壳质广泛存在于低等植物菌类、虾、蟹、昆虫等甲壳动物的外壳、高等植物的细胞壁等。它是一种线型的高分子多糖，即天然的中性黏多糖。若经浓碱处理去掉乙酰基，即得脱乙酰壳多糖。甲壳质化学上不活泼，不与体液发生变化，对组织不引起异物反应，无毒，具有抗血栓、耐高温消毒等特点。脱乙酰壳多糖是碱性多糖，有止酸、消炎作用，可降低胆固醇、血脂。 药剂辅料、医用缝合线等。其中作为辅料可用作缓释剂、润滑剂、包衣剂。通过直接压片、湿法制粒或包衣可制备相应药物的微粒剂、片剂、胶囊剂、微膜剂等。可制成透析膜、超滤膜和反渗透膜；与纤维等交链复合体可作成分子筛。与戊二醛等作交联剂，可与许多酶或微生物细胞固定化，如固定化天冬酰胺酶。可作人造皮肤、人造血管、人工肾等。脱乙酰壳多糖可抑制胃溃疡，降低胆固醇、血脂。 甲壳素的应用十分广泛，例如：（1）色谱载体（2）环境保护：壳多糖与其衍生物对多种金属，特别是一些会造成严重环境污染的有害金属，如汞、镉、铜、镍、铬等都有很好的螯合能力，所以在净水，污水处理等方面很有前途。（3）放射性污染的净化：许多放射性污染的造成系属于放射性的过渡族元素的衍生物，使用壳多糖可以移除。（4）矿石综合利用：它对锆、铌、铷等都是有效的收集剂。（5）玻璃纤维整理剂（6）染料工业上的应用：壳多糖可以制成高聚物型的染料。（7）造纸工业的添加剂（8）其他织物的整理剂（9）照相工业材料：目前国际迅速发展的无液定影与显影的照相法（Polaroid)即系采用耐磨与具有感光能力的壳多糖。（10）医药和外科用品：甲壳质的水解产物一氨基葡糖盐用于治疗肠炎、结肠溃疡和肺炎。应用D-氨基葡糖或N-乙酰基氨基葡糖作为某些肿瘤的化疗剂，效果很好。甲壳质有一定协助溶菌作用。还能作为血液抗凝剂，创伤愈合剂等。用甲壳质制作手术缝合线、制人造皮肤和伤口敷料、制人造血和止血海绵、制接触眼镜、制备药物载体，使用效果良好。其他方面的用途，包括用于粘合剂、卷烟纸的填充剂、皮革整理剂、絮凝剂等等。另外，用于酶固定化、调料和饮料、日化用品都引起了广泛的注意。 作吸附澄清剂和增稠剂。我国规定可用于果酱，最大使用量5.0g/kg；在乳酸菌饮料中最大使用量2/5g/kg；在氢化植物油、蛋黄酱、花生酱、芝麻酱、冰淇淋和植脂性粉末中最用量2.0g/kg；在食醋中最大使用量1.0g/kg；在啤酒中最大使用量0/4g/kg。 增稠剂、稳定剂，鞣质去除剂。主要用于果汁、果酒等，以防变色和除涩之用。亦可用作粘结剂、上光剂、填充剂、成膜剂和乳化剂。 从虾壳甲壳素中分离，用于几丁质酶分析。它是一个由N -乙酰- D- glucomasine组成的多糖，也可用于葡萄糖胺和壳聚糖的制造。 质量要求纯化后才能使用作为几丁质酶的底物。 制取壳聚糖、氨基葡萄糖系列产品的重要原料；从虾壳中提取的甲壳素，适于壳多糖酶分析；用于α-淀粉酶的固定；通过固定菊糖酶生产果糖；在细菌性生产N,N′-二乙酰壳二糖中，制备角质素胶 一种存在于多种生物体，特别是甲壳动物壳体中的多糖。 甲壳素是制取壳聚糖、氨基葡萄糖系列产品的重要原料。甲壳素及其衍生物在医药、化工、保健食品等方面具有重要的用途，有广阔的应用前景。 用于制可溶性甲壳质和氨基葡萄糖，可作化妆品和功能性食品的添加剂，可制备照相感光乳剂等 工业应用的甲壳质取自甲壳动物（淡水和海产的虾、蟹等）的甲壳。有些酿造工业的副产物也是甲壳质的原料。例如使用黑曲霉发酵生产柠檬酸的残液，以及使用鲁毛霉、布拉克须霉和卵孢接霉发酵的发酵液中都能提供一定量的脱乙酰甲壳质。甲壳质的提取：将虾、蟹壳的肉质剔除干净，清洗。浸泡在4-6%盐酸中，使壳内无机盐溶解变软除去。水洗，再用10%氢氧化钠溶液脱除蛋白质。再次水洗后，用1%KMnO4漂白氧化除杂质。第三次水洗后，用1%NaHSO3洗脱残留的MnO4，再充分水洗，干燥，即得纯净的甲壳质。原料消耗(kg/t)虾蟹壳 1200035%工业盐酸 13000烧碱（95%固体） 1500高锰酸钾 135重亚硫酸氢钠 340 由虾、蟹等甲壳类的甲壳在酸性水溶液中除去碳酸钙后，改用热的弱碱液以除去蛋白质而得。也可将甲壳粉碎后先用2%稀碱液煮解蛋白质约1.5h并分离掉，再在不溶物中加用5%～10%盐酸使碳酸钙变成氯化钙而溶解除去，再离心分离、水洗、干燥而成。 甲壳素天然存在于甲壳类动物的壳中，蟹壳中含15%～20%，虾壳中含15%～30%。可以虾、蟹壳为原料提取甲壳素。
将虾、蟹壳中的肉质剔去，洗净后将其浸泡在4%～6%的盐酸中3～4d，无机盐溶解而除去；水洗后用10%o的氢氧化钠浸泡1～2h，洗去蛋白质，水洗后用1%的KMnO4漂白氧化除去杂质；水洗后用1%亚硫酸氢钠溶液洗脱残留的高锰酸钾，最后再充分水洗、干燥即得成品甲壳素。 方法一、以虾、蟹壳为原料的制造法
取虾、蟹甲壳清洗干净，烘干，粉碎，用过量的2mol/L盐酸溶液(1:10)反应4-5h，过滤，再用2mol/L盐酸在0℃左右处理12-20h，过滤，水洗至中性。
虾、蟹甲壳[2mol/L HCl]→[0℃, 12-20h]滤出固体
用过量的50-100g/L(5%-10%)氢氧化钠或氢氧化钾溶液(1:8)进行碱性处理3-4h，温度控制在90-95℃。酸、碱处理可重复1-2次，去掉碳酸钙、磷酸盐、蛋白质和色素。
固体[NaOH]→[3-4h, 90-95℃]滤出固体[HCl]→固体[NaOH]→固体
用适量的无水乙醇、乙醚洗涤，减压干燥，即得白色固体甲壳质。工业生产可用水代替有机溶剂洗涤。收率虾壳为20%，蟹壳为15%左右。
固体[无水乙醇，乙醚]→甲壳质成品
取甲壳质加入400-450g/L(40%-45%)氢氧化钠溶液(1：15-20)，温度110℃左右反应1h，过滤，用水洗涤至中性。依不同脱乙酰度的要求，重复1-2次处理，减压干燥，即得，脱乙酰度达60%-99%。在脱乙酰化过程中，由于溶剂化作用，部分苷键发生水解，导致相对分子量降低。为避免大分子的破坏，采用加入10g/L (1%)硼氢化钠(NaBH4)溶液或通人惰性气体等方法，如将甲壳质置于400g/L(40%)的氢氧化钠溶液中，在110℃反应2.5-3h，可得壳聚糖。
甲壳质成品[NaOH]→[110℃, 1h, pH7]甲壳素
方法二、以蜗牛壳为原料的制备法
将蜗牛壳洗净、烘干、粉碎，过80目筛得蜗牛壳粉，备用。
取蜗牛粉400g，加入10倍于原料的1mol/L盐酸，室温下搅拌24h，过滤，水洗残渣至中性，烘干，再重复上述操作2次，得脱盐蜗牛粉(71.5g)。取脱盐蜗牛壳粉加入8倍体积的2.5mol/L氢氧化钠溶液，搅拌24h，过滤，烘干，即得甲壳素(59.8g)。收率约为15%。
取甲壳素溶于50%氢氧化钠溶液中，130-140℃保温2h，过滤，水洗至中性，进一步脱乙酰基，即得壳聚糖。
方法三、以蛹皮壳为原料的制备法
取蚕蛾羽化后的蛹皮，60℃烘干，加入等体积的石油醚浸渍脱脂。脱脂蛹皮加入3倍体积的3%盐酸，常温脱钙12h。脱钙蛹皮加30g/L(3%)氢氧化钠溶液，煮沸3-5h，再除去蛋白，即得灰白色甲壳素。取甲壳素加入420g/L (42%)氢氧化钠溶液(加少量的NaBH4)，煮沸，每隔2h过滤，水洗，更换新碱液1次，继续脱乙酰基，至8h，过滤，水洗至中性，自然干燥，即得白色壳聚糖。收率10%-13%，脱乙酰度可达91%，特性粘度为790-890ml/g，相对分子质量为0.81×10⁶-1.34×10⁶。
低相对分子质量壳聚糖的制备，采用过氧化氢降解法，控制过氧化氢的不同浓度和反应时间，可制得相对分子质量从4.31×10⁴-1.32×10⁴的壳聚糖。操作简单，用时少，不需要特殊试剂和设备等。 有毒物质 中毒 静脉-大鼠 LD50: 50 毫克/公斤 热分解排出有毒氮氧化物烟雾 库房低温通风干燥 水,二氧化碳, 泡沫, 干粉