新型甲壳素衍生物制取
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1. 4 吸湿和保湿性能测定 吸湿性能测定[3]：室温下，准确称取 0. 5 g HA -
CMCHS 干燥样品 2 份，分别置于称量瓶中，再将称
收稿日期：2003 - 12 - 16 修订日期：2003 - 03 - 06
2004 年第 11 卷第 4 期
化工生产与技术 Chemical Production and Technology
1 实验部分
1. 1 原料及仪器 甲壳素，天津博迪化工有限公司提供，相对分子
质量约 4 × 105；2, 3 - 环氧丙基三甲基氯化铵，自制； 氯乙酸，分析纯；其他试剂均为分析纯。
60SXB 型傅立叶变换红外光谱仪，美国 Nicolet 公司；HH - 2 型数显恒温水浴锅，国华电器有限公 司；DZF - 6020 真空干燥箱，上海精宏实验设备有 限公司。 1. 2 O - 羧甲基 - N - 羟丙基三甲基氯化铵壳聚 糖（HA - CMCHS）的制备
按参考文献制备 HA - CMCHS[2]。取甲壳素 5 g，置于 200 mL 烧杯中，加入质量分数为 50% 的 NaOH 溶液适量及少量相转移催化剂十二烷基苯磺
酸钠，在 - 18℃ 冰箱里碱化 1 d，滤去 NaOH。加入氯 乙酸 9. 5 g 溶于 15 mL 异丙醇，再混合于 50 mL 的 溶液中（水、异丙醇适当比例），先常温搅拌 3 h，再恒 温 60℃ 搅拌 3 h。过滤沉淀用体积分数为 80% 的乙 醇洗涤，再用体积分数为 95% 的乙醇冲洗，除去未 反应的氯乙酸，干燥后得 O - 羧甲基甲壳素。
表 2 48 h 试样的吸湿率和水分残存率
样名
HA - CMCHS HA
吸湿率 / %
RH = 43%
RH = 81%
26. 5
40. 3
14. 4
44. 5
保湿率 / %
RH = 43%
硅胶环境
353. 2
62. 6
149. 0
25. 5
结果表明，在同时引入强亲水性的羧甲基和羟 丙基三甲基氯化铵阳离子基团后，一方面壳聚糖分 子中的氢键作用从最大程度上被削弱、晶体结构受 到破坏，分子呈松散状态，利于水分子的接近与其分 子中的亲水性基团如 - OH 和 - NH2 形成氢键；另一 方面羟丙基三甲基氯化铵带有舒展的阳离子侧链， 具有强亲水性，故 HA - CMCHS 的吸湿性能与 HA 相当，保湿性能优于 HA。 2. 4 抑菌实验
表面活性剂 （质量分数 20% 溶液）
十二烷基硫酸钠 十六烷基三甲基氯化铵 椰油脂肪酰二乙醇胺 十二烷基二甲基甜菜碱
pH 值
配合前
配合后
7. 5
7. 2
6. 5
6. 38
7. 3
稳定性 （7 天后） 不分层无沉淀 不分层无沉淀 不分层无沉淀 不分层无沉淀
此结果说明，两性活性剂 HA - CMCHS 与其他 类型活性剂均有良好的配伍性，保证了其在化妆品 中的应用范围。
3 结论
两性表面活性剂 HA - CMCHS 有良好的吸湿保 湿性，并具有季铵盐本身所具备的特殊的抑菌、抗菌 性，因而是一种功效突出的活性药剂。
保湿性能测定 [4]：室温下，用质量分数为 10% 的含水样品 2 份，分别置于 2 个干燥器内，一个干燥 器内放有饱和碳酸钠水溶液（相对湿度 RH = 43% ）， 另一个放有干硅胶，于放置 10 h、22 h、30 h 和 48 h 后分别称质量，计算水分残存率 = ( mn / mo ) × 100% （ mo 和 mn 分别为放置前后水分的质量）。透明质酸 也按相同方法测定吸湿率和水分残存率。 1. 5 抑菌试验
备 [3]。本文详细探讨了反应条件对产物取代度的影 响。羧甲基壳聚糖与缩水甘油三甲基氯化铵 GTA 的 比例、反应温度、反应时间影响产物取代度。控制反 应 条 件 制 备 了 一 系 列 取 代 度 不 同 的 HA - CMCHS （分别用 a、b、c、d 表示）见表 1。
表 1 不同反应条件对 HA - CMCHS 取代度的影响
配制质量分数为 5% 的 HA - CMCHS 水溶液与 阴离子、阳离子、非离子及两性表面活性剂进行复 配，在室温下用简单机械搅拌混合，不调节 pH 情况 下进行观察。
2 结果与讨论
2. 1 HA - CMCHS 的结构表征 HA - CMCHS（a）及羧甲基壳聚糖 CMCHS（b）的
红外光谱见图 1。在羧甲基壳聚糖（b）的红外光谱图 中，原来为 1 595 cm - 1 处强吸收峰的氨基的伸缩振 动峰消失，在 1 620 cm - 1 和 1 413 cm - 1 处出现了强 的吸收峰，说明在羧甲基壳聚糖 O 位和 N 位上都有 相当取代度的羧甲基。在取代度较高的 HA - CMCHS ( a ) 的谱图中，原来在 1 413cm - 1 处的吸收峰变 的非常弱，而在 1 479 cm - 1 处出现—CH3 的 C—H 弯曲振动强吸收峰，表明原来羧甲基壳聚糖 N 上引 入的羧甲基，而现在 HA - CMCHS 中 N 上引入了羟
构，所以难溶于水及一般的溶剂，只溶于 LiCl / 酰 胺、六氟丙酮等少数溶剂中 [1]，脱乙酰基后得到的壳 聚糖也只溶于酸及酸性溶液。O 位和 N 位上引入强 亲水性的羧甲基和羟丙基三甲基氯化铵阳离子基团 后，不但成为水溶性的两性季铵盐类壳聚糖，同时吸 湿、保湿性能也大大提高 [6 ]。在相对湿度 RH = 81% 时，HA - CMCHS 的吸湿性能与 HA 相当（见表 2）， 在 RH = 43% 时，HA - CMCHS 仍有较强的吸湿性能 而且优于 HA，水分残存率是 HA 的 2 倍多。只有在 相对湿度较小的硅胶干燥器中 HA - CMCHS 才释放 出所吸收的水，释放速度比 HA 慢，说明其保湿性能 优于 HA。实验中 HA - CMCHS 和 HA 在初期阶段的 吸湿速度较快，20 h 后吸湿速度减缓，30 h 后吸湿
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李 铭等 新型两性壳聚糖衍生物的制取及应用研究
研究专论
率基本趋于定值。在硅胶环境中, 不同取代度的 HA - CMCHS 都缓慢失水，在 40 h 后达到平衡。 HA - CMCHS 的吸湿保湿性都随着取代度的升高而 增大。取代度在 40% ～ 80% 之间，吸湿保湿性能差 别不大，取代度低于 40% ，吸湿保湿性能降低明 显。
准确称取纯化后的样品，用 AgNO3 标准溶液滴 定 样品 中 Cl - ， 计算 HA - CMCHS 的 取代 度 DS = V × c × 100% / [ V × c + ( m1 - m2 ) / 220&。 其 中 V 为消耗 AgNO3 的体积，L；c 为 AgNO3 的浓度，mol / L - 1；m1 为样品质量，g； m2 为被取代的样品质量 （ m2 = V × c × 371. 5），g; 220、371. 5 分别为单元 O - 羧甲基壳聚糖、单元 O - 羧甲基 - N - 羟丙基三 甲基氯化铵壳聚糖的相对分子质量。
样名 nn( CMCHS ) : nn( GAT )
TT / ℃
a
1: 5
75
b
1: 4
75
c
1: 3
75
d
1: 2
75
tt / h
DDs / %
10. 0
88. 5
10. 0
80. 1
10. 0
55. 4
10. 0
40. 9
2. 3 HA - CMCHS 的吸湿保湿性 甲壳素由于分子中强烈的氢键作用及晶型结
在 pH 值为 3. 0 ～ 11. 0 范围内，溶液的透明度、 颜色和粘度均未发生变化。所以在化妆品的配方 中，相应的 pH 范围内 HA - CMCHS 是稳定的。
2. 6 HA - CMCHS 与表面活性剂的配伍实验 实验结果见表 3。
表 3 HA - CMCHS 水溶液与表面活性剂的配伍情况
通过 HA - CMCHS 的中性水溶液对 3 株标准菌 种 金 黄 色 葡 萄 球 菌 ATCC25923、 大 肠 埃 希 菌 ATCC25922 和铜绿假单胞菌 ATCC27853 的抑菌实 验，结果显示对金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度 （MIC）为 625 mg / L。而在同样条件下对大肠埃希菌 和铜绿假单胞菌无抑菌作用（MIC 均大于 10 g / L）。 壳聚糖的抗菌活性与其分子链上的—NH2 比在酸 性条件下质子化形成带 - NH3 - 的聚阳离子有关 ， [7 ] HA - CMCHS 为两性离子活性剂。而细菌表面多呈 电负性，可使细菌表面形成一层高分子复合物，使细 菌膜功能发生紊乱，起到抑菌杀菌作用。 2. 5 pH 稳定性
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李 铭等 新型两性壳聚糖衍生物的制取及应用研究
研究专论
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研究专论
新型两性壳聚糖衍生物的制取及应用研究
李 铭 葛英勇
（武汉理工大学资源与环境学院，湖北武汉 430070）
摘要 用氯乙酸和 2, 3 - 环氧丙基三甲基氯化铵对壳聚糖进行改性，采用不同反应条件 制备了一系列不同取代度的 O - 羧甲基 - N - 羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖。通过红外光 谱对结构进行表征，IR 谱图分析证实羧甲基以 O 位上为主，季铵盐阳离子基以 N 位上取 代为主。研究了产物的取代度、吸湿保湿性、抗菌性、pH 稳定性及与表面活性剂的配伍 性，结果表明具有良好的吸湿保湿性。 关键词 O - 羧甲基 - N - 羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖 取代度 吸湿保湿性 抗菌性 配伍性
HA - CMCHS 的最低抑菌浓度（MIC）按文献用 肉汤稀释法测定 [5]，分别做“肉汤对照”和“实验菌生 长对照”。实验用标准菌株分别是金黄色葡萄球菌 ATCC25923、大肠埃希菌 ATCC25922 和铜绿假单胞 菌 ATCC27853。 1. 6 pH 稳定性试验法
配制质量分数为 5% 的 HA - CMCHS 水溶液， 然后用柠檬酸将 pH 调到 3. 0 左右，在每降低 1 个 pH 单 位 时 进 行 观 察 ； 将 另 一 质 量 分 数 为 5% 的 HA - CMCHS 水 溶 液 试 样 用 氢 氧 化 钠 将 pH 调 至 11. 0，在每提高 1 个 pH 单位时，进行观察。整个试 验均在 25℃ 中进行。 1. 7 与表面活性剂的配伍性试验法
CMCHS 干燥样品 2 份，分别置于称量瓶中，再将称
收稿日期：2003 - 12 - 16 修订日期：2003 - 03 - 06
2004 年第 11 卷第 4 期
化工生产与技术 Chemical Production and Technology
1 实验部分
1. 1 原料及仪器 甲壳素，天津博迪化工有限公司提供，相对分子
质量约 4 × 105；2, 3 - 环氧丙基三甲基氯化铵，自制； 氯乙酸，分析纯；其他试剂均为分析纯。
60SXB 型傅立叶变换红外光谱仪，美国 Nicolet 公司；HH - 2 型数显恒温水浴锅，国华电器有限公 司；DZF - 6020 真空干燥箱，上海精宏实验设备有 限公司。 1. 2 O - 羧甲基 - N - 羟丙基三甲基氯化铵壳聚 糖（HA - CMCHS）的制备
按参考文献制备 HA - CMCHS[2]。取甲壳素 5 g，置于 200 mL 烧杯中，加入质量分数为 50% 的 NaOH 溶液适量及少量相转移催化剂十二烷基苯磺
酸钠，在 - 18℃ 冰箱里碱化 1 d，滤去 NaOH。加入氯 乙酸 9. 5 g 溶于 15 mL 异丙醇，再混合于 50 mL 的 溶液中（水、异丙醇适当比例），先常温搅拌 3 h，再恒 温 60℃ 搅拌 3 h。过滤沉淀用体积分数为 80% 的乙 醇洗涤，再用体积分数为 95% 的乙醇冲洗，除去未 反应的氯乙酸，干燥后得 O - 羧甲基甲壳素。
表 2 48 h 试样的吸湿率和水分残存率
样名
HA - CMCHS HA
吸湿率 / %
RH = 43%
RH = 81%
26. 5
40. 3
14. 4
44. 5
保湿率 / %
RH = 43%
硅胶环境
353. 2
62. 6
149. 0
25. 5
结果表明，在同时引入强亲水性的羧甲基和羟 丙基三甲基氯化铵阳离子基团后，一方面壳聚糖分 子中的氢键作用从最大程度上被削弱、晶体结构受 到破坏，分子呈松散状态，利于水分子的接近与其分 子中的亲水性基团如 - OH 和 - NH2 形成氢键；另一 方面羟丙基三甲基氯化铵带有舒展的阳离子侧链， 具有强亲水性，故 HA - CMCHS 的吸湿性能与 HA 相当，保湿性能优于 HA。 2. 4 抑菌实验
表面活性剂 （质量分数 20% 溶液）
十二烷基硫酸钠 十六烷基三甲基氯化铵 椰油脂肪酰二乙醇胺 十二烷基二甲基甜菜碱
pH 值
配合前
配合后
7. 5
7. 2
6. 5
6. 38
7. 3
稳定性 （7 天后） 不分层无沉淀 不分层无沉淀 不分层无沉淀 不分层无沉淀
此结果说明，两性活性剂 HA - CMCHS 与其他 类型活性剂均有良好的配伍性，保证了其在化妆品 中的应用范围。
3 结论
两性表面活性剂 HA - CMCHS 有良好的吸湿保 湿性，并具有季铵盐本身所具备的特殊的抑菌、抗菌 性，因而是一种功效突出的活性药剂。
保湿性能测定 [4]：室温下，用质量分数为 10% 的含水样品 2 份，分别置于 2 个干燥器内，一个干燥 器内放有饱和碳酸钠水溶液（相对湿度 RH = 43% ）， 另一个放有干硅胶，于放置 10 h、22 h、30 h 和 48 h 后分别称质量，计算水分残存率 = ( mn / mo ) × 100% （ mo 和 mn 分别为放置前后水分的质量）。透明质酸 也按相同方法测定吸湿率和水分残存率。 1. 5 抑菌试验
备 [3]。本文详细探讨了反应条件对产物取代度的影 响。羧甲基壳聚糖与缩水甘油三甲基氯化铵 GTA 的 比例、反应温度、反应时间影响产物取代度。控制反 应 条 件 制 备 了 一 系 列 取 代 度 不 同 的 HA - CMCHS （分别用 a、b、c、d 表示）见表 1。
表 1 不同反应条件对 HA - CMCHS 取代度的影响
配制质量分数为 5% 的 HA - CMCHS 水溶液与 阴离子、阳离子、非离子及两性表面活性剂进行复 配，在室温下用简单机械搅拌混合，不调节 pH 情况 下进行观察。
2 结果与讨论
2. 1 HA - CMCHS 的结构表征 HA - CMCHS（a）及羧甲基壳聚糖 CMCHS（b）的
红外光谱见图 1。在羧甲基壳聚糖（b）的红外光谱图 中，原来为 1 595 cm - 1 处强吸收峰的氨基的伸缩振 动峰消失，在 1 620 cm - 1 和 1 413 cm - 1 处出现了强 的吸收峰，说明在羧甲基壳聚糖 O 位和 N 位上都有 相当取代度的羧甲基。在取代度较高的 HA - CMCHS ( a ) 的谱图中，原来在 1 413cm - 1 处的吸收峰变 的非常弱，而在 1 479 cm - 1 处出现—CH3 的 C—H 弯曲振动强吸收峰，表明原来羧甲基壳聚糖 N 上引 入的羧甲基，而现在 HA - CMCHS 中 N 上引入了羟
构，所以难溶于水及一般的溶剂，只溶于 LiCl / 酰 胺、六氟丙酮等少数溶剂中 [1]，脱乙酰基后得到的壳 聚糖也只溶于酸及酸性溶液。O 位和 N 位上引入强 亲水性的羧甲基和羟丙基三甲基氯化铵阳离子基团 后，不但成为水溶性的两性季铵盐类壳聚糖，同时吸 湿、保湿性能也大大提高 [6 ]。在相对湿度 RH = 81% 时，HA - CMCHS 的吸湿性能与 HA 相当（见表 2）， 在 RH = 43% 时，HA - CMCHS 仍有较强的吸湿性能 而且优于 HA，水分残存率是 HA 的 2 倍多。只有在 相对湿度较小的硅胶干燥器中 HA - CMCHS 才释放 出所吸收的水，释放速度比 HA 慢，说明其保湿性能 优于 HA。实验中 HA - CMCHS 和 HA 在初期阶段的 吸湿速度较快，20 h 后吸湿速度减缓，30 h 后吸湿
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李 铭等 新型两性壳聚糖衍生物的制取及应用研究
研究专论
率基本趋于定值。在硅胶环境中, 不同取代度的 HA - CMCHS 都缓慢失水，在 40 h 后达到平衡。 HA - CMCHS 的吸湿保湿性都随着取代度的升高而 增大。取代度在 40% ～ 80% 之间，吸湿保湿性能差 别不大，取代度低于 40% ，吸湿保湿性能降低明 显。
准确称取纯化后的样品，用 AgNO3 标准溶液滴 定 样品 中 Cl - ， 计算 HA - CMCHS 的 取代 度 DS = V × c × 100% / [ V × c + ( m1 - m2 ) / 220&。 其 中 V 为消耗 AgNO3 的体积，L；c 为 AgNO3 的浓度，mol / L - 1；m1 为样品质量，g； m2 为被取代的样品质量 （ m2 = V × c × 371. 5），g; 220、371. 5 分别为单元 O - 羧甲基壳聚糖、单元 O - 羧甲基 - N - 羟丙基三 甲基氯化铵壳聚糖的相对分子质量。
样名 nn( CMCHS ) : nn( GAT )
TT / ℃
a
1: 5
75
b
1: 4
75
c
1: 3
75
d
1: 2
75
tt / h
DDs / %
10. 0
88. 5
10. 0
80. 1
10. 0
55. 4
10. 0
40. 9
2. 3 HA - CMCHS 的吸湿保湿性 甲壳素由于分子中强烈的氢键作用及晶型结
在 pH 值为 3. 0 ～ 11. 0 范围内，溶液的透明度、 颜色和粘度均未发生变化。所以在化妆品的配方 中，相应的 pH 范围内 HA - CMCHS 是稳定的。
2. 6 HA - CMCHS 与表面活性剂的配伍实验 实验结果见表 3。
表 3 HA - CMCHS 水溶液与表面活性剂的配伍情况
通过 HA - CMCHS 的中性水溶液对 3 株标准菌 种 金 黄 色 葡 萄 球 菌 ATCC25923、 大 肠 埃 希 菌 ATCC25922 和铜绿假单胞菌 ATCC27853 的抑菌实 验，结果显示对金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度 （MIC）为 625 mg / L。而在同样条件下对大肠埃希菌 和铜绿假单胞菌无抑菌作用（MIC 均大于 10 g / L）。 壳聚糖的抗菌活性与其分子链上的—NH2 比在酸 性条件下质子化形成带 - NH3 - 的聚阳离子有关 ， [7 ] HA - CMCHS 为两性离子活性剂。而细菌表面多呈 电负性，可使细菌表面形成一层高分子复合物，使细 菌膜功能发生紊乱，起到抑菌杀菌作用。 2. 5 pH 稳定性
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李 铭等 新型两性壳聚糖衍生物的制取及应用研究
研究专论
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研究专论
新型两性壳聚糖衍生物的制取及应用研究
李 铭 葛英勇
（武汉理工大学资源与环境学院，湖北武汉 430070）
摘要 用氯乙酸和 2, 3 - 环氧丙基三甲基氯化铵对壳聚糖进行改性，采用不同反应条件 制备了一系列不同取代度的 O - 羧甲基 - N - 羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖。通过红外光 谱对结构进行表征，IR 谱图分析证实羧甲基以 O 位上为主，季铵盐阳离子基以 N 位上取 代为主。研究了产物的取代度、吸湿保湿性、抗菌性、pH 稳定性及与表面活性剂的配伍 性，结果表明具有良好的吸湿保湿性。 关键词 O - 羧甲基 - N - 羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖 取代度 吸湿保湿性 抗菌性 配伍性
HA - CMCHS 的最低抑菌浓度（MIC）按文献用 肉汤稀释法测定 [5]，分别做“肉汤对照”和“实验菌生 长对照”。实验用标准菌株分别是金黄色葡萄球菌 ATCC25923、大肠埃希菌 ATCC25922 和铜绿假单胞 菌 ATCC27853。 1. 6 pH 稳定性试验法
配制质量分数为 5% 的 HA - CMCHS 水溶液， 然后用柠檬酸将 pH 调到 3. 0 左右，在每降低 1 个 pH 单 位 时 进 行 观 察 ； 将 另 一 质 量 分 数 为 5% 的 HA - CMCHS 水 溶 液 试 样 用 氢 氧 化 钠 将 pH 调 至 11. 0，在每提高 1 个 pH 单位时，进行观察。整个试 验均在 25℃ 中进行。 1. 7 与表面活性剂的配伍性试验法
