壳聚糖的羧甲基化及其产物在化妆中的应用

摘要：以虾头虾壳为原料，经过盐酸脱钙，NaOH溶液脱蛋白，制得甲壳素。甲壳素用微波法经过脱乙酰基制得壳聚糖。然后以一氯乙酸为羧甲基化试剂用超声波法制得羧甲基壳聚糖。研究了产物羧甲基壳聚糖在化妆品中的吸湿保湿性、抗菌性、与表面活性剂的配伍性等。

关键词：甲壳素 壳聚糖 羧甲基壳聚糖 微波法 超声波法 吸湿性保湿性 抗菌性 配伍性

1.引言

甲壳素是唯一的天然碱性多糖，它广泛存在于自然界低等动物、菌类及甲壳纲动物虾、蟹等的外壳中。甲壳素是大分子多聚体，无毒、无味、白色、耐酸碱、耐晒、耐腐蚀、不溶于水和酸碱，只能溶于少数的混合浓酸溶剂中。

由于甲壳素的特殊机能，被广泛运用于以下方面：

1.食品工业中的运用：澄清和抗沉淀剂，增稠剂[1]，功能食品，抑菌和保鲜剂[2]。

2.在环境保护中的应用：废水的絮凝，生物大分子物质的回收[3]，重金属的吸附[4]。

3.功能材料：功能膜[5]，催化剂，液晶[6]。

4.在医药卫生方面的应用：降脂、降胆固醇和防治动脉粥样硬化[7]，抗凝血和抗肿瘤[8]，提高机体免疫力。

5.在农业中的应用：饲料添加剂，种子处理剂，农药载体[9]。

6.日用化学品

壳聚糖是甲壳素脱乙酰基后的衍生物。与甲壳素相比，壳聚糖分子结构中含有游离的氨基，溶解性能大大改善，从而使其应用大为广泛。但由于壳聚糖分子中存在氨基与羟基，它们形成强的分子间氢键，从而使壳聚糖只能溶于酸或酸性水溶液中，不能溶于一般的有机溶剂，这就很大程度上限制了它的应用。因而，改善壳聚糖的溶解性能，特别是对它进行化学改性合成水溶性的壳聚糖衍生物是引人注目的研究方向之一。

羧甲基壳聚糖是对壳聚糖进行化学修饰，使其分子中的氢原子被羧甲基取代所得到的产品。羧甲基壳聚糖是一种水溶性的壳聚糖衍生物，本文利用羧甲基化试剂对壳聚糖进行化学改性，可以得到O-羧甲基壳聚糖（O-CM-chitosan），N-羧甲基壳聚糖（O-CM-chitosan）和O，N-羧甲基壳聚糖（O，N-CM-chitosan）三种混合产物，并研究了羧甲基壳聚在化妆品中的运用性能。

2.实验部分

2.1原料及仪器

仪器：美的微波炉，超声波清洗器，离心分离机，分析天平，干燥器，摇床，

所用原料：氢氧化纳，盐酸，一氯乙酸，异丙醇，硫酸铵，碳酸钠，透明质酸， 柠檬酸， 金黄色葡萄球菌ATCC25923，大肠埃希菌ATCC 25922，磷酸二氢钾（PBS），琼脂，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。

2.2羧甲基壳聚糖的制备

2.2.1甲壳素的制备

将虾头虾壳洗净，用1 mol/l HCl溶液浸泡过夜，直到没有气泡，以使完全脱钙。然后将虾壳从酸液中捞出，洗涤到中性，干燥，粉碎到20目左右。把粉碎后的虾壳倒入烧杯中，加入5%的NaOH溶液，虾壳与NaOH溶液的质量比为1：10。在废水浴中反应2-4小时。冷却后过滤洗涤，得淡红色微颗粒状产物，即甲壳素。

2.2.2.壳聚糖的制备

在圆底烧瓶中装入甲壳素，加入50% NaOH溶液，甲壳素与NaOH溶液的质量比为1：8。在微波炉中低火反应20分钟，得粘稠状混合物，抽虑后得比甲壳素更为细小的微黄色粉状物，即壳聚糖。

2.2.3超声波法制备羧甲基壳聚糖

将2g壳聚糖与15mL异丙醇、30mL 10%-40%的NaOH溶液混合，再加入溶于30 mL异丙醇的一氯乙酸（异丙醇与一氯乙酸的质量比为1：3—1：4）。摇匀后置于超声波清洗器中振荡1—5小时。

所得产物分层，倾去上层清液，向黏状物中加入40mL的水，搅拌溶解后，再用10%盐酸中和到Ph=7，滤去不溶物，滤液中加入适量甲醇沉淀，过滤，沉淀较大，如果难于过滤的可改用离心分离机分离。真空干燥，得乳白色的羧甲基壳聚糖。

2.3羧甲基壳聚糖在化妆品中的运用研究

2.3.1吸湿和保湿性能测定[13]

吸湿性能测定：室温下，准确称取0.5g羧甲基壳聚糖干燥样品2份，分别置于称量瓶中，再将称量瓶分别置于2个干燥器内，1个干燥器内放有饱和硫酸铵水溶液（相对湿度及H=81%），另1个放有饱和碳酸钠水溶液（相对湿度及H=43%），于放置10、22、30和44h后分别称量，计算吸湿率（%）=[（mn—m0）/ m0]×100%， m0和mn分别为放置前后样品的质量。

保湿性能测定：在室温下，用含水量为质量分数10%的样品2份，分别置于2个干燥器内，1个干燥器内放有饱和碳酸钠水溶液（相对湿度及H =43%），另1个放有干硅胶，于放置10、22、30和44h后分别称量，计算水分残存率（%）=（Hn/ H0）×100%， H0和Hn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。

2.3.2抑菌试验

在250 mL的锥形瓶中加入1 mL 0.005%-0.1%的羧甲基壳聚糖样品，然后分别加入70 mL PBS和5 mL的菌悬液。实验用金黄色葡萄球菌ATCC25923、大肠埃希菌ATCC 25922标准菌株做为菌种配置菌悬液。将锥形瓶置于摇床上振荡1小时。

然后取振荡后的样液以琼脂倾注法接种平皿，放入培养箱中培养48小时。然后进行菌落计数。

同时设不加羧甲基壳聚糖样品的空白对照组。

抑菌率按下式计算：

X=（A-B）/A ×100%

式中：X——抑菌率，%

A——被测样品振荡前平均菌落数

B——被测样品振荡后平均菌落数

2.3.3与表面活性剂的配伍性试验

配制5%的羧甲基壳聚糖水溶液与阴离子、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。

3.实验结果与讨论

3.1反应条件对羧甲基壳聚糖取代度的影响

3.1.1 NaOH溶液浓度对取代度的影响

图1 NaOH溶液浓度对取代度的影响

由图1可知，NaOH溶液浓度在10%时无取代，随着NaOH溶液浓度的升高取代度也逐渐升高，NaOH溶液浓度在30%-50%这个范围内升幅平缓，在NaOH溶液浓度在30%时就可以达到80%的取代度。

3.1.2反应时间对取代度的影响

图2 反映时间对取代度的影响

由图2可知，反应时间少于2小时时，取代度很低，反应时间大于4小时时取代度升高的不明显。故生产中反应时间可选4小时即可。

3.2羧甲基壳聚糖在化妆品中的运用研究结果

3.2.1吸湿和保湿性能

甲壳素由于分子中强烈的氢键作用及晶型结构，使之难溶于水及一般的溶剂，脱乙酰基后得到的也只溶于酸及酸性溶液。壳聚糖羧甲基化后不但成为水溶性的两性聚电解质，同时吸湿、保湿性能也大大提高。在相对湿度RH=81%时， 羧甲基壳聚糖的吸湿性能与透明质酸的相当（见表1），在RH=43%时，羧甲基壳聚糖仍有较强的吸湿性能，而且优于透明质酸，水分残存率是透明质酸的2倍多。只有在相对湿度较小的硅胶干燥器中羧甲基壳聚糖才释放出所吸收的水，释放速度比透明质酸慢，说明其保湿性能优于透明质酸。

表1 48h后试样的吸湿率和水分残存率

结果表明，在引入强亲水性的羧甲基后，一方面壳聚糖分子中的氢键作用进一步被削弱，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；羧甲基壳聚糖的吸湿性能与透明质酸的相当，但保湿性能优于透明质酸。

3.2.2抑菌性能

不同浓度羧甲基壳聚糖对抑菌性能的影响

表2 不同浓度羧甲基壳聚糖对抑菌性能的影响

由表可以看出随着浓度的增大，羧甲基壳聚糖对大肠埃希菌和葡萄球菌的抗菌性能逐渐增强。当用量为0.05%时，羧甲基壳聚糖对大肠埃希菌和葡萄球菌的抗菌效果接近100%，当用量为0.10%时，其对大肠埃希菌和葡萄球菌抗菌率达到100%。

由此表明本实验制得的羧甲基壳聚糖对大肠埃希菌和葡萄球菌有很好的抗菌效果。

3.2.3羧甲基壳聚糖与表面活性剂的配伍性

表4 羧甲基壳聚糖与表面活性剂的配伍性

由于羧甲基壳聚糖是两性聚电解质，所以它与阳离子、阴离子、两性表面活性剂的配伍性极好。通过与以上四种表面活性剂的复配，没出现分层或沉淀现象。

4.结论

4.1羧甲基化反应的条件对取代度有较大的影响：

（1）NaOH溶液浓度在低于10%时无取代，随着浓度的升高取代度也逐渐升高，浓度大于30%时取代度升幅平缓，浓度在30%时就可以达到80%的取代度。

（2）羧甲基化反应时间少于2小时时，取代度很低，反应时间大于4小时时取代度升高得不明显。故生适宜反应时间为4小时。

4.2羧甲基壳聚糖的吸湿与保湿性能、抑菌性能和配伍性能均良好

（1）羧甲基壳聚糖的吸湿性能与透明质酸的相当，但保湿性能优于透明质酸。

（2）羧甲基壳聚糖对大肠埃希菌和葡萄球菌有很好的抗菌效果，用量为0.05%时，羧甲基壳聚糖对大肠埃希菌和葡萄球菌的抗菌效果接近100%，当用量为0.10%时，其对大肠埃希菌和葡萄球菌抗菌率达到100%。

（3）羧甲基壳聚糖可看作两性聚电解质，所以它与阳离子、阴离子、两性表面活性剂的配伍性极好。

参考文献：

[1]Dunn H J.US Patent.3847897.1974.

[2]蒋挺大.环境保护[J].1986，107（9）：28.

[3]杨智宽，单崇新，苏帕拉.环境科学与技术[J].2000（1）：10.

[4]Feng Xianshe，Robert Huang Y M.J.Membrane Sci.1996，116：67.

[5]董炎明，汪剑炜等.化学进展[J].1999，11（4）：416.

[6]胡金凤，等.中国海洋药物[M].2001（1）：26.

[7]铃木茂生.日本公开特许公报.昭59-27826.1984.

[8]Daver P， Wightman J P.Adsorpt Aqueous Solutions.New York： Plenum Publisbing Coroporation，1981.163.

[9]蒋挺大，甲壳素[M].化学工业出版社，2001.