壳聚糖的性能及应用

郭昌盛,林海涛,蒋 芳

(广西科技大学生物与化学工程学院，广西柳州 545000)



壳聚糖的性能及应用

郭昌盛,林海涛,蒋 芳

(广西科技大学生物与化学工程学院，广西柳州 545000)

壳聚糖独特的双重大分子结构，赋予其优异的生物特性，使其应用领域非常广泛。介绍了壳聚糖的结构、性能和应用，为其研究提供一定的理论参考。

壳聚糖 双重结构 相容性 应用

严格意义上，壳聚糖(chitosan)是指甲壳质(chitin)经过浓碱、高温处理脱去乙酰基制取的甲壳质，但是100%脱乙酰基的壳聚糖是不存在的，脱乙酰度(指甲壳质分子中其脱乙酰基的链节数占总链接数的百分数)一般在70%以上。甲壳素来源非常广，如虾、蟹甲壳类动物的外壳，昆虫的鞘翅类、双翅类甲壳，真菌类细胞壁，和植物的细胞壁中，甲壳质的生物合成量可达100亿吨，是第二大生物资源，是一种用之不竭的天然可再生资源[1-3]。2015年产能约为0.3万吨，在中国生物基纤维“十三五”总量发展目标中，2020年年产能达到2万吨。目前，壳聚糖纤维已经在航天、军队、医疗、防护、服装等领域得到广泛应用，特别是医疗方面，主要产地为山东、天津等。随着全球石油资源的逐渐耗竭、周围环境的恶化，人们对绿色环保再生资源研究投入比重越来越大，对壳聚糖研究也越来越深入。本文从壳聚糖的结构、性能、应用等不同方面进行简单综述介绍，希望为其未来研究提供一定的理论参考。

1 壳聚糖的结构

壳聚糖又称聚乙酰氨基葡萄糖，化学名称(1，4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖，结构如图1。高纯度的壳聚糖是一种白色或灰白色半透明片状或粉状固体，无毒无味，且略带珍珠光泽。壳聚糖的分子是线性结构，结构中由于含有大量羚基、氨基及部分乙酞氨基等电负性基团，从而使分子内或分子间有较强的氢键，且又具有较好的规整性和结晶度高，因此在多数有机溶剂、水、碱中难以溶解[4]。同时，分子链上存在着大量氢基、氨基，赋予其可溶解于各种稀的无机或有机酸溶液中。从大分子结构整体来看，其既具有与植物纤维素相似的结构，又具有类似人体骨胶原组织的结构，这种双重结构赋子了壳聚糖极好的生物特性[5]。

图1 甲壳素、壳聚糖和纤维素化学结构式

2 壳聚糖的性能

2.1 抗菌抑菌性

壳聚糖纤维含带正电荷的质子化氨基，是自然界唯一带正电荷的生物纤维，可以对带负电荷的各类有害物质形成强大的吸附作用，清除人体“垃圾”；还可以与细菌细胞壁上的阴离子成分相结合，从而阻碍细胞壁的生物合成，以抑制微生物的增长，破坏细胞壁原有的结构阻断细胞壁内外物质输送，从而造成细胞代谢的混乱，起到抑制微生物的增长、抗菌杀菌的效果，可利用其静电吸附起到抗菌杀菌功能该成果已通过医学检定[6]。对危害人体健康的大肠杆菌、白色念珠菌、绿脓菌、金黄色葡萄球菌、肺炎杆菌、白绒菌等都有较强的抑制作用[7]。壳聚糖可以从根本上消除有害细菌的滋生源和由细菌产生的异味，达到预防疾病、延年益寿的目的，其制品具有良好的抗菌防臭、防治皮肤病的作用。因此，被欧美科学家誉为和蛋白质、脂肪、糖类、维生素、矿物质同等重要的人体第六生命元素[8]。

2.2 生物医学性

由壳聚糖大分子结构可以看出，壳聚糖大分子结构与人体内的氨基酸、葡萄糖的构成是相同的，而且又有类似于人体骨胶原组织结构，这种双重结构赋予了壳聚糖极好的生物医学特性，即对人体无毒、无刺激，且可被人体内的溶菌酶分解吸收，又对人体组织有良好的生物相容性，这些特性体现在细胞水平上。壳聚糖对于受损伤的生物体能诱生特殊细胞，从而加快伤口愈合，促进愈合张力的增长；对血清蛋白等血液成分有很大吸附力，血清中的分子量物质具有高透过性；产生抗原可能性很小，且具有消炎、镇痛、止血促进伤口愈合等生物医学功能。

这些特性为其在医药卫生领域获得广泛应用奠定了基础，如可以制造手术可吸收缝合线、人造皮肤、血液透析膜及各种医学敷料等[9-10]。

2.3 调湿除湿性

壳聚糖大分子链上含有大量的羟基、氨基等亲水性基团，赋予其具有较好的吸水性、较高的吸湿性及良好的表面触感等性能。平衡回潮率随着脱乙酰度的变化在12%～16%之间波动，吸湿速率可达400%～500%，保水值在130%左右。因此，由壳聚糖纤维制成的织物具有优异的吸湿导湿、透气排汗性，保持皮肤干燥，无发粘感[11-12]。日本一家公司和旭化成纺织品公司合作研发的吸汗和防水透湿面料，其内层以甲壳素涂层，中间层是含无数细孔的聚氨酷布，外层粘合一层锦纶织物基布，制成的运动衣，舒适性极高[13]。

2.4 绿色环保性

壳聚糖的原料主要来源于甲壳素，而甲壳素又主要从海洋生物的外壳提取，壳聚糖的制取可以减少海洋生物的废弃物对环境造成的污染；壳聚糖制成物废弃时，可以采用生物降解，分解成各种酶类如甲壳素酶、脱乙酷甲壳素酶、溶菌酶、蜗牛酶等酶，而酶的最终产物是氨基葡萄糖，是生物体内大量存在的一种成分，从而完成了一个循环。研究表明，壳聚糖在土地中分解速率很高，其中在活性污泥中分解速率比合成高分子化合物高10倍，比淀粉高2倍。因此，无论壳聚糖的制备、还是制品废弃时，均有利于环境的保护、生态的可持续发展[13-14]。

3 壳聚糖的应用

3.1 医药卫生[15-18]

壳聚糖是一种天然的多糖，酶解后可以被人体组织吸收，对人体具有优异的生物相容性和降解性，可以用来制备人体可吸收医用手术缝合线、医用敷料、组织工程材料载体等医疗用品，以及人工皮肤。传统的手术缝合线是采用羊肠线，但其吸收周期短，约为15天左右，有些外壳伤口难以愈合，且其降解副产品易引起伤口感染，产生抗原抗体反应，壳聚糖纤维制备的手术缝合线具有相容性、降解物无毒无刺激，还能促进伤口愈合。壳聚糖纤维可以制成无纺布、纱布、绑带、止血棉等作为医用敷料，可供烫伤、擦伤、皮肤裂伤等的临床应用，主要优点降解的N-乙酰葡糖胺可以大大提高伤口的愈合速度，可达75%，且愈合后的伤面无疤痕。壳聚糖制成的医用敷料还可以用于体内，为防止产生肠粘连，放在肠、胃之间用作人体可吸收隔离敷料。组织工程载体可为细胞提供生存的三维空间，有利于细胞获得营养物质，和气体交换，且使细胞按预制形态的三维支架生长，然后将组织细胞—载体的复合材料植入机体病损部位，随着种植的细胞继续增生繁殖，形成了新的具有其原来特殊功能和形态的相应组织和器官，而生物支架逐渐被降解吸收，从而达到修复创伤和重建功能的目的。壳聚糖纤维具有优异的生物相容性和降解性可以成为组织工程的支架材料，还可以编织并塑型成所需器官形状。壳聚糖纤维可制作的人工皮肤，具有密着性好、镇痛止血、促进伤口愈合的功效，还可以用这种材料基体大量培养表皮细胞。这类人工皮肤在国外已商品化，并在整形外科手术中获得了一致的好评。

3.2 纺织印染

壳聚糖对人体皮肤无毒、无刺激、消炎、不过敏、抗菌除臭等优异的生物特性。壳聚糖纤维已经被应用于保健服装行业，特别适用于婴幼儿或老年人等皮肤敏感的人群。抗菌内裤、抗菌文胸、手术服、病号服、抗菌五指袜、婴幼儿服、睡衣、床上用品、运动服装面料、装饰用品、尿布、坐垫、床垫、靠垫、鞋垫类等纺织用品，对由风湿性关节炎而引起的坐骨神经痛有防治作用、抗菌除臭[19]，即墨即发集团以甲壳素为原料研制的内衣具有“出差一星期，不用换内衣”，已投入市场[20]。壳聚糖纤维在纺织行业的应用还存在一定的不足，强度不够，给加工带来了不便。壳聚糖还可以作为粘合剂、吸附剂应用于印染行业，作为粘合剂可使织物具有较好的搓洗牢度和柔软性、不粘刀、不堵网；作为吸附剂可以应用于印染废水处理中，不仅提高染料对织物的亲和力，还可以与废水中的许多金属离子形成络合物，从而吸附印染废水中重金属离子，实现废水中铜离子的回收。

3.3 食品及化工

1994年，Ohashi就采用甲壳素制取一层含微生物β-壳聚糖薄膜，应用于食品工业领域如发酵工程。目前，壳聚糖可用作食品的增稠剂、膨松剂、肠道有益菌生长活性剂、水果保鲜剂、减肥食品添加剂及果汁、啤酒、饮料的澄清剂等。在化工方面，壳聚糖可以制作抗菌剂、纸张施胶剂、涂料、粘合剂、保温剂、香皂、洗发香波、护肤剂、口腔卫生制剂、重金属离子吸收剂、吸收放射性的罩布、超级话筒布、固发剂、特殊抗玷污罩布、分离膜类的如渗透膜、过滤膜、防渗透膜等[21-22]。

3.4 其他领域

在农业领域，壳聚糖可以制作成杀虫剂、土壤改良剂、促进剂、家禽饲料添加剂、透气地膜、农药缓释包覆材料等；在生物工程领域，壳聚糖可以制作为固定化细胞和固定化酶的载体、分离纯化蛋白质、动物细胞培养贴附载体等；在环保领域，壳聚糖可以作为脱色剂、凝絮剂、净化剂用以吸附废水中难以处理的重金属、氯、有机染料等。还可以制作香烟过滤嘴、化妆品、隐形眼镜等[23]。

4 展望

壳聚糖独特的双重大分子结构，赋予其优异的生物特性，使其在各个领域有着广阔的应用前景，特别是医疗卫生、服装保健领域。但壳聚糖其他性能还存在一定的不足如难溶于有机溶剂、碱液中、纤维的断裂强度不够大、脱乙酰度不够高等。随着对壳聚糖研究的不断深入和其改性技术的完善，定能在2020年前攻克超高乙酰度、超高黏度的片状壳聚糖原料提取关键技术和全流程无毒纺丝技术，建成单线产能千吨级壳聚糖纤维产业化生产线，其应用也会越来越广泛。

[1] 蒋大挺.甲壳素[M].北京:化学工业出版社,2003.

[2] 李达. 壳聚糖纤维生产关键技术的研究[D].青岛：青岛大学,2010.

[3] Tokura S,Ueno K,Miyazaki S,et al. Molecular weight dependent antimicrobial activety by chitosan. Macromolecular Symposia,1997,120(1):1-9.

[4] 王夕雯. 壳聚糖纤维水刺非织造工艺与产品性能研究[D].上海：东华大学,2012.

[5] Sakurada J. Poly(vinul alcohol)Fibers[M]. New York: Marcel Dekker,1985,192-196.

[6] 张瑞文,李嵘,张英礼.甲壳素纤维制备工艺研究进展[J].化纤与纺织技术,2007(1):32-35+52.

[7] 刘长岚,李成彬,崔文新. 壳聚糖在医药领域的应用[J]. 山东科学,2003(3):68-71.

[8] 李双艳,沙荣,崔洁,等. 甲壳素纤维性能及在纺织领域的开发应用概述[J]. 天津纺织科技,2010(4):1-2+9.

[9] 沈新元,吉亚丽,郯志清,等. 甲壳素类生物医学纤维的制备技术及应用[J]. 材料报,2008(6):1-5.

[10]秦益民.壳聚糖和海藻酸纤维在医用敷料中的应用[[J].针织工业，2004，10(5): 60-63

[11]车小琼,孙庆申,赵凯. 甲壳素和壳聚糖作为天然生物高分子材料的研究进展[J]. 高分子通报,2008(2):45-49.

[12]刘海英,张玉海. 甲壳素纤维在纺织领域的研究进展[J]. 轻纺工业与技术,2015(1):81-82.

[13]刘婉. 甲壳素纤维及其应用[J]. 纺织科技进展,2015(3):4-7.

[14]秦益民. 甲壳素与甲壳胺纤维-1.纤维的制备[J]. 合成纤维,2004(2):19-21+1-2.

[15]商庆新,易智强.几丁聚糖可吸收医用缝合线及其制作方法[P]。中国专利CN1586635,2005-03-02.

[16]Aderriotis,D.&Sandor,G. K. B. Outcomes of irradiated polyglactin 910 vicryl rapide fast absorbing suture in oral and scalp wounds. Journal of the Canadian Dental Association.1999,65(6): 345-347.

[17]孙晓婷，郭亚.壳聚糖的应用及发展[J].成都纺织高等专科学校学报，2016(2)：165-169.

[18]杨庆,邦志清,沈新元.高强度甲壳质类纤维的开发，东华大学学报，2002,28(5):110-114.

[19]吴清凌,饶剑辉,周雪平. 甲壳素纤维发展历史及研究现状[J]. 中国纤检,2010,21:82-83.

[20]刘彦. 甲壳素纤维结构与性能的研究[D].青岛：青岛大学,2005.

[21]杨庆. 高强度壳聚糖纤维的制备及结构性能研究[D].上海：东华大学,2005.

[22]王文淑,戚军芳,吕悦慈. 甲壳素纤维的性能及应用[J]. 河北工业科技,2004(2):46-48+56.

[23]王华锋. 真丝纤维经壳聚糖处理后的结构与性能研究[D].苏州：苏州大学,2005.

Properties and Applications of Chitosan

GUOChang-sheng,LINHai-tao,JIANGFang

(College of Biological and Chemical Engineering, Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006)

The unique double-macromolecular structure of chitosan,which gives it excellent biological properties,makes its application field very broad. Based on the research status of chitosan,the structure,properties and applications of chitosan were simply introduced,hoping to provide certain theoretical reference for the study.

chitosan double-structure compatibility application

2016-09-03

郭昌盛(1988-)，男，硕士，研究方向：纺织纤维改性及功能性纤维材料研究。

林海涛(1973-)，男，副教授。

TS102

A

1008-5580(2017)02-0212-04