第六章-甲壳素基材料
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一、前言甲殼質是經由幾丁質(chitin)水解後取得的多醣類天然聚合物,在自然界中含量僅次於纖維素;幾丁質為構造類似纖維素的直鏈狀高分子醣類聚合物,廣泛分佈在自然界中:如甲殼動物的外殼,節肢動物的外甲皮,軟體動物的外殼和內骨骼,還有真菌或酵母菌等微生物的細胞壁等,都有它的存在。
一般蝦蟹殼裡約有三成左右的蛋白質、碳酸鈣和幾丁質,利用稀鹼來去除其蛋白質、稀酸來排除碳酸鈣後可以得到較純的幾丁質;再將幾丁質脫乙醯處理後就變成了幾丁胺醣。
二、甲殼質的介紹(一)甲殼質的成份和結構甲殼質是幾丁質和幾丁聚糖(幾丁胺醣)的合稱。
幾丁質與幾丁聚醣是一種天然無毒性高分子,並且具有生物可分解性,它的構造類似纖維素,由1000-3000個N-乙葡萄糖胺(N -Acetyl 2- Amino -2 Deoxy -d -D =Glucose或n- Acetyl -d -Glucosamine)單體以B-1,4鍵所構成的直鏈狀高分子醣類。
在自然界中幾丁質是地球上含量最豐富的胺基醣型式的多醣,含量僅次於纖維素;它主要存在於昆蟲類及水生甲殼類等無脊錐動物的外殼上,以及真菌類的細胞壁,它在生物體中所扮演的角色主要是用來作為身體骨架及保護作用。
幾丁聚醣是幾丁質去乙基醯基產物,通常將幾丁質去乙醯基程度達70%以上即可變成可溶於酸性的幾丁胺糖產物。
幾丁質與幾丁聚醣是由天然物質中所製取的生物高分子(biopolymer),與生物體細胞有良好的生物相容性(biocompatibility),不具有毒性且可以被生物體分解,具有生物活性,被視為最具有潛力的生物高分子。
(二)甲殼質的特性1.生物相容性,這使它適合於醫療相關的材料使用。
2.生物再製性,這使它能夠被重製、重覆使用。
3.生物分解性,這使它在使用後容易被生物分解,不會造成環境的負擔。
4.生物活性,這使它不只適用於生物材料,更是一種機能性的材料。
(三)甲殼質的應用甲殼質的作用非常繁多,應用範圍大致可分為以下幾類:1.原料資源的利用-有淨化工業廢水、離子交換等功能。
⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧实验一可溶性甲壳素的制备【目的和要求】1、 初步掌握利用虾蟹壳制备可溶性甲壳素的操作技术。
2、 学习制备可溶性甲壳素的基本原理和技术关键。
3、 计算虾蟹壳制备甲壳素和可溶性甲壳素的成品率和原辅材料成本费。
【原 理】甲壳素又称甲壳质、壳蛋白,是一种含氮多糖物质。
为无脊椎动物甲壳的主要构造成分,脱去甲壳素分子中的乙酰基即为可溶性甲壳素。
可溶性甲壳素是利用虾蟹壳为原料,经酸碱处理后,除去壳内的钙质。
蛋白质、脂肪、色素等,再用40%以上的氢氧化钠溶液处理,脱去甲壳素分子中的乙酰基而制成的。
甲壳素和可溶性甲壳素的分子结构式如下:甲壳素分子结构-O -CH CH -O -CH 2C =O NHHO -CH 2 CH -CHCH -O -CH CH -CH CH -O OH NH C =OCH 2 OHCH 3CH -On⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧可溶性甲壳素分子结构【试剂和仪器】 1、 试剂(1)、新鲜虾蟹壳 (2)、冰醋酸 (3)、工业盐酸 (4)、工业烧碱 2、 仪器(1)、烧杯 (2)、量筒 (3)、自动温度控制器 (4)、电炉 (5)、烘箱 (6)、托盘天平 (7)、高压消毒锅 (8)、保温锅 【工艺流程】虾壳或蟹壳 浸酸脱钙洗涤晒干 甲壳素 浓碱保温(70~115℃,32~48洗涤CH -O -CH 2 OH NH 2 -O -CHCH - CCH -O -CHCH -CH CH -O OH NH 2CH 2 OHCH -OOHn【操作方法】1、原料处理新鲜的虾蟹壳除去肉质和杂质,水洗干净。
2、浸酸处理好的新鲜虾蟹壳浸入含盐酸5%的水溶液中,每隔4小时搅拌一次,如此浸泡24~48小时。
浸酸完毕,水洗至中性。
3、碱液煮浸酸后的软虾蟹壳,仍含有少量蛋白质、脂肪、色素的其他杂质。
甲壳素基新材料的特点与应用作者:陈嘉来源:《科技风》2016年第24期摘要:甲壳素是自然界中常见的天然高分子,主要来源于虾蟹外壳以及一些藻类和菌类细胞壁,在自然界中大量存在,有着良好的生物可降解性与生理适应性,也是重要的医用材料。
本文主要针对甲壳素基新材料的特点与应用展开分析。
关键词:甲壳素基新材料;特点;应用在自然界中,甲壳素的合成数量稍低于纤维素。
甲壳素是一种天然高分子,其主要来自于甲壳纲类的动物,例如虾和蟹一类的外壳和一些菌类跟藻类的细胞壁上都含有甲壳素,甲壳素的主要分子由乙酰氨基、吡喃葡萄聚糖和氨基结构所组成,甲壳素在自然界中属于碱性阳离子聚多糖. 且存储量十分巨大。
甲壳素的生理适应性和生物可降解性非常强大,是生物上重要的医用材料. 将甲壳素中的乙酰基去掉就得到甲壳素最重要的衍生物—壳聚糖. 壳聚糖与甲壳素相比,其溶解性较大,稀酸分解出的壳聚糖分子含有正电荷。
在甲壳素中具有丰富的氨基、羟基和乙酰氨基等活性因子,这些因子使壳聚糖反应功能性优良和生理活性明显,已在医学、化学工业、等多个领域得到普遍应用。
1980年以来甲壳素一直作为研究重点,近些年来,甲壳素的研究方向主要是绿色、健康、环保。
甲壳素是一种催化剂,来源很多,没有毒,根据需要可制成粉末、纤维、胶等多种形式,以方便人们使用,可与二氧化碳、醛发生反应,壳聚糖分子链拥有充足的氨基酸,经过静电作用以及配位作用可与金属离子转化成复合物,为促进硝基芳香族化合物的加氢反应,而使用它为催化剂,经过多年研究,生成金属纳米粒子是用壳聚糖上的羟基能当作还原剂。
一、甲壳素基新材料用作医用纳米材料在生物医用领域中利用甲壳素制作成的纳米纤维得到了广泛的关注。
国外科学家Fan等采用超声的方式将鱿鱼软骨为原料制作成了3纳米的甲壳素纳米纤维,在制备过程中并未出现脱乙酰反应,使纤维能够以原有的结构继续存在。
以蟹壳为原料,将蟹壳内含有的蛋白和钙质清除掉后,采用机械研磨的方式,将其放置在酸性溶液中可以获得15纳米的甲壳素纤维。
甲壳素 Chitin[摘要] 甲壳素在甲壳素酶的作用下或用其它化学方法可产生一系列甲壳素的衍生物, 无毒、无害, 具有良好的组织相容性、生物可降解性、可再生性等, 对生物机体是相对安全的。
本文讲述了甲壳素的结构和其性质,还有甲壳素在医药领域、农业等领域的应用。
还有现在所面临的一些问题。
[Abstract] Chitin on chitinase or other chemical methods can produce a series of chitin derivatives, non-toxic, harmless, with good organization compatibility, biodegradability, renewability, is relatively safe to organism. This paper describes the structure and properties of chitin and chitin in the field of medicine, agriculture and other fields. And some of the problems that are now. [关键字] 甲壳素性质制备应用发展一、甲壳素的结构和化学性质1.结构甲壳素又名甲壳质,是聚乙酰胺基葡萄糖即聚(1,4)-2-乙酰胺基-2-脱氧-β-D-葡萄糖,其化学结构和纤维素类似(如图1),其分子结构是由2-乙酰氨基-2-脱氧-D-吡喃葡萄聚糖和2-氨基-2-脱氧-D-吡喃葡萄聚糖以β-1,4糖苷键连接而成的二元线型聚合物,是自然界唯一大量存在的碱性阳离子聚多糖。
甲壳素几乎是以小片状或粉状存在,由于分子内、分子间极强的氢键作用,甲壳素呈紧密的晶态结构,只溶于吡咯烷酮-LiCl,六氟异丙酮等少数有机溶剂。
难溶于水、稀无机酸碱和其他一般有机溶剂甲壳素是自然界生物合成量仅次于纤维素的天然高分子。
目录1.甲壳素的结构和化学性质 (4)1.1结构 (4)1.2化学性质 (4)2制备 (5)2.1EDTA脱钙法制备甲壳素 (5)2.2从虾蛄壳制备甲壳素 (5)2.3酸溶法 (6)3.甲壳素的应用 (6)3.1在纺织印染业的应用 (6)3.2在医学(生物技术)领域的应用 (7)3.3在食品工业中的应用 (8)4.发展 (8)5.现代发展面临的问题 (9)5.1生产过程中的环境污染及资源浪费问题 (9)5.2原料的选用及加工问题 (10)5.3价格及产品研发问题 (10)5.4产品本身的问题 (10)6.自己的看法 (10)甲壳素及其衍生物 (11)1.甲壳素的由来 (11)1.1 甲壳素的分布 (11)1.2甲壳素的化学结构 (12)1.3 甲壳素的化学性质 (12)2.人体必需的第六生命元素 (13)2.3 具有降血糖,降血脂,降血压的作用 (14)2.4 具有强化肝脏机能的作用 (14)2.5 具有活化细胞,抑制老化,恢复各个器官功能作用 (15)2.6 调节自律神经,促进末梢循环 (15)3.优良的医用生物材料 (15)3.1 制备医用敷料 (15)3.2 手术缝合线 (16)3.5 药物缓释剂 (16)3.6 止血剂和伤口愈合剂 (17)3.7 骨病治疗剂 (17)3.8 用作人工透析膜 (17)4.1 理想的制膜材料 (18)4.2 废水处理吸附剂 (18)4.3 污水处理絮凝剂 (18)4.4 饮用水的净化高手 (18)5.理想的食品工业材料 (18)5.1 保水剂和乳化剂 (18)5.2 增调剂和絮凝剂 (19)5.3 食品保鲜剂 (19)5.4 不溶水可食薄膜 (19)5.5 功能性甜味剂 (19)5.6 功能食品的理想添加剂 (20)6.化学工业材料新秀 (20)6.2 在纺织、印染、造纸方面的应用 (20)6.3 化工催化剂 (21)6.4 涂料添加剂 (21)6.5 色谱分离用吸附剂 (21)6.6 稀有金属富集剂 (21)6.7 在农业方面的应用 (21)6.8 在烟草工业中的应用 (22)7.方兴未艾的甲壳素产业 (22)8.展望 (22)1.甲壳素的历史 (23)2.甲壳素的分布 (24)3.存在状态 (24)4.甲壳素的结构 (25)5.甲壳素其衍生物 (25)6.甲壳素,壳聚糖的性质 (26)6.3化学性质 (26)6.4其他物化性质 (27)6.5化学改性 (27)7.甲壳素、壳聚糖的应用 (28)7.2环境友好材料 (30)7.3优良的吸湿保温功能 (30)7.4较好的可纺性 (30)甲壳素化学摘要:甲壳素在甲壳素酶的作用下或用其它化学方法可产生一系列甲壳素的衍生物, 无毒、无害, 具有良好的组织相容性、生物可降解性、可再生性等, 对生物机体是相对安全的。
甲壳素它是从蟹、虾壳中应用遗传基因工程提取的动物性高分子纤维素,被科学界誉之为“第六生命要素”,目前广泛应用于医学、工业纺织、农业、渔业和化妆品美容等行业。
甲壳素为真菌的细胞壁和节肢动物的外骨骼里的主要组成部分,其他的动物多少也含有此物质。
它是N-乙酰-D-胺基葡萄糖多糖体,一同用β-1,4模式(以相似的模式形成纤维素的葡萄糖单位),实际上甲壳素可能被描述成纤维素有一组氢氧根在一乙酰组替换的每单体上。
这考虑到增加的在氢结合的聚合物之间,给这个聚合物增加强度。
以它不可变的形式,甲壳素是半透明,易弯和有弹性,和十分坚韧的。
不过在节肢动物里它经常被更改,透过嵌入变硬的蛋白质基体里,形成大部份的外骨骼。
通常昆虫的外骨骼不会更换,但幼虫或是虾蟹类会换壳,因为甲壳素构成的外壳不会成长。
甲壳素是天然聚合物之一。
透过如细菌的微生物分泌的甲壳酶可能加速破坏它的结构,可能由于甲壳素的分解对简单的糖类有感受器。
如果甲壳素被分析,将会生产酵素透过它把甲壳素分解到单糖和氨水。
甲壳素与壳聚糖(一个几丁质的更水溶性的纤维质衍生物,也称甲壳素)密切相关。
它紧密和化学的纤维素相关,因为这是一种葡萄糖衍生物的长链。
两种物质共成架构和强度保护生物体。
工业上甲壳素在工业上被用于许多不同的用处。
甲壳素被用于水和废水净化,作为稳定食物的食品添加剂和药品。
甲壳素还可以作为染料、织物、黏合剂。
工业的分离薄膜和离子交换树脂可制成甲壳素。
加工纸的大小和强度也使用甲壳素。
医药上甲壳质的产物作为坚韧和强的材料利于作为外科线。
另外有一些不寻常的特性,甲壳素加速人体伤口愈合,甲壳素甚至成为一个单独的伤口愈合剂。
在生医材料上的相关应用研究非常多,目前认为其具有良好的生物相容性、无生物毒性、价格低廉、容易改质、机械强度较好…等优点。
美容上甲壳素对细胞无排斥力,具有修复细胞之功效,并能减缓过敏性肌肤,且日本研究证实甲壳素具有抗氧化的能力,能活化细胞,防止细胞老化,促进细胞新生带。
甲壳素及其应用一、甲壳质(chitin)的概念甲壳质是1811年由法国学者布拉克诺(Braconno)发现,1823年由欧吉尔(()dier)从甲壳动物外壳中提取,并命名为CHITIN,译名为几丁质。
自然界中,甲壳质存在于低等植物菌类、藻类的细胞,甲壳动物虾、蟹、昆虫的外壳,高等植物的细胞壁等,其量不低于丰富的纤维素,是除纤维素以外的又一大类重要多糖。
据估计自然界中,甲壳质每年生物合成的量多达1000亿吨。
蟹壳中含有40%的蛋白质、30%的钙、30%的几丁质。
提取甲壳质(几丁质)的工艺是:首先用稀的氢氧化钠液除去蛋白质,然后,用盐酸除去钙盐,剩下的就是几丁质。
为了从这些几丁质中除去乙酰基,用长时间的高温,使之在浓的氢氧化钠中发生反应,就可制成含有氨基的甲壳质(几丁聚糖或壳糖胺)。
因为几丁质不溶于酸碱,也不溶于水,很难被人体利用。
经脱乙酰基成几丁聚糖后它能溶于稀酸和体液中,可被人体所利用。
甲壳质的其它名称概括如下:一般通称:甲壳质英文名称:Chitin中文学名:几丁质化学名称:聚N一乙酰葡萄糖胺商品名称:救多善等现在日本三荣工业株式会社生产的救多善含几丁聚糖可达93.66 9/6。
二、甲壳质的化学结构甲壳质的化学结构和植物纤维素非常相似。
都是六碳糖的多聚体,分子量都在100万以上。
纤维素的基本单位是葡萄糖,它是由300~2500个葡萄糖残基通过al,4糖甙链连接而成的聚合物。
几丁质的基本单位是乙酰葡萄糖胺,它是由1000~3000个乙酰葡萄糖胺残基通过p1,4糖甙链相互连接而成聚合物。
而几丁聚糖的基本单位是葡萄糖胺。
1.分子量甲壳质是高分子量物质,其分子量可达100万以上。
分子量越高吸附能力越强,适合工业、环保领域应用。
低分子量容易被人体吸收。
分子量为7000左右的几丁聚糖,大约含30个左右的葡萄糖胺残基。
2.脱乙酰基纯度几丁质经过脱乙酰基成为几丁聚糖。
几丁质因为不溶于酸碱也不溶于水而不能被身体利用。
可溶性甲壳素的制备1实验目的掌握可溶性甲壳素的制备方法2实验原理虾蟹壳除含有甲壳素外, 其它成分主要是碳酸钙和粗蛋白, 因此制备甲壳素实际上是三者的分离。
碳酸钙除去一般采用常温下稀酸分解反应形成可溶性盐。
蛋白质则根据其两性化合物的特点用稀碱加热溶出,剩下则为甲壳素。
由于甲壳素不溶于水及一般有机溶剂, 所以用浓氢氧化钠在一定温度下将甲壳素中的乙酰基脱去, 即得可溶性甲壳素。
3实验用品3.1实验材料蟹壳、蟹壳3.2 实验试剂5%HCl 、8%NaOH 、1%KMnO 4、1%NaHSO 3、40% NaOH 、2%HAc3.2实验仪器量筒、烧杯、煤气、石棉网、三脚架、pH 试纸、天平4实验步骤 虾蟹壳5%HCl 浸泡24h 水洗至中性称重m 18%NaOH 煮1h水洗至中性1%KMnO 4浸泡1h 水洗至无色1%NaHSO 3浸泡1h 洗涤烘干称重m2 (甲壳素)40% NaOH ,90-100℃4h 水洗至中性烘干(可溶性甲壳素)m3 5数据处理甲壳素得率X 1=%10012⨯m m可溶性甲壳素得率X 2=%10013⨯m mm 1=3.2gm 2=1.7gm 3=1.5gX 1=%100.23.71⨯=53% X 2=%100.23.51⨯=47%6实验分析1) 甲壳素是一种多聚乙酰基葡萄糖,属于N 多糖类,是一种半透明或洁白的片状物,不溶于 水、有机溶剂,只溶于酸性有机溶剂,形成玻璃状物。
只有本 身脱去乙酰基,才会变成可溶性甲壳素,具有耐碱、耐晒、耐热、耐腐蚀、不潮解、不风化、不畏虫蛀等特性。
2) 加盐酸的目的:脱去CaCO 3、Ca 3(PO 4)2等钙盐。
3) 当虾壳由酸浸泡脱去无机盐组份后, 用碱处理的目的是溶出虾壳中的蛋白质、脂肪、色素等杂质。
4) 40% NaOH 煮沸目的:脱掉乙酰基。
甲壳素的主要制备方法与应用1 引言1.1 甲壳素的研究背景经过世界各国科学家、学者对甲克素的不懈探索和认真研究,人类开始逐步认识甲壳素这一新的化学物质,并将之应用于生活的各个领域。
在探索和研究甲克素的历史过程中,首先要提的是法国科学家Henli Brocronna,其在1811年第一次从蘑菇中成功分离并提取到了甲壳素,由此揭开了甲克素的神秘面纱,让人们清晰的看清甲克素的面容;其次,法国学者Rouget 在1859年发现甲壳素溶于有机酸这一重要化学性质,这为人们初步了解甲壳素开启了一扇大门。
再次,从二十世纪六十年代起,世界各国开始广泛关注甲克素,有关甲壳素的研究也逐渐变得活跃起来。
比如在1982年,日本将甲克素列为"1982~1992"十年开发计划,并且在1984年拨款50亿美元用于13所知名大学研究和开发利用甲壳素。
最后,经过不断探索和科学研究,华盛顿大学的学者于1986年首次发现甲克素具有生理活性。
该发现引起了人们对甲克素的兴趣,以致于后来其成为甲壳素发展的坚实理论基础。
关于甲克素,曾经有人说:"甲壳素是唯一一种被广泛研究和应用的物质。
"甚至也有人说:甲壳素是二十一世纪最具研究希望的多糖。
1.2 甲壳素的来源在绵长的海岸线的滋养下,我国每年都出产大量的海产品、水产品。
同时,庞大的人口基数也使得我国成为消费海产品、水产品的大国。
在东南沿海城市,数量繁多的加工厂在加工海产品、水产品时,每天都有大量的虾皮、蟹壳(见表1)等废弃物产生,污染环境的同时也让这些富含甲克素的宝贵资源--虾皮、蟹壳流之于壑,造成极大地浪费。
然而,我们可以利用这些废弃物生产出含有甲壳素及其衍生物的一系列用品。
目前的研究发现表明,甲克素是一种应用极其广泛的化学物品,它比纤维素有更大工业价值和用途。
现在甲克素已广泛应用于国防、医疗、化工、食品等各个领域。
另外,借助于我国独特的海洋资源优势和原料价格优势,国内甲克素的生产成本普遍较低,成本优势使得甲壳素及其衍生物在市场竞争中极具价格优势。