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固体壳聚糖盐制备方法及其应用研究进展

刘长霞+刘树恒+范小振
摘要：壳聚糖盐是通过简单质子化改性得到的壳聚糖衍生物，保持了壳聚糖聚阳离子特点。水溶性固體壳聚糖盐能直接溶解于水中，稳定性好，而且具有许多独特的生理活性和功能性质，在食品保鲜、保健品、医药等方面得到广泛应用。疏水性固体壳聚糖盐具有极好的油脂吸附性能和药物缓释作用。综述了国内外固体壳聚糖盐的制备方法和应用研究进展，并展望了固体壳聚糖盐的潜在应用。
关键词：壳聚糖盐；固体；制备；应用
： TS201.2 文献标志码： A
：1002-1302（2016）11-0019-03
甲壳素是天然高分子聚合物，化学名称为（1，4）-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖，广泛存在于虾、蟹、昆虫的外壳中[1]。壳聚糖是甲壳素脱乙酰化产物，是自然界中存在的唯一碱性多糖。由于壳聚糖及其衍生物具有无毒、生物相容性好、抑菌、吸附等功能，使其在食品、日化、医药、环境等领域得到广泛应用[2]。然而壳聚糖只能溶解在酸性介质中，限制了其应用范围。可通过化学改性如季铵化、羟乙基化、羧基化等途径，制备水溶性良好、功能性质各异的衍生物，拓宽其应用范围[3]。有些改性工艺繁琐，而且改变了壳聚糖聚阳离子的特性。壳聚糖盐通常可分为2种：一种是壳聚糖的酸溶液，即壳聚糖直接溶解在酸性水溶液中发生质子化反应。壳聚糖酸溶液贮存过程中容易发生降解，质量难以保证，而且使用不方便，极大限制了其应用范围[4]。另一种是固体壳聚糖盐（solid chitosan salts ），以固体粉末形式存在。根据固体壳聚糖盐的溶解性能，可将其分为水溶性固体壳聚糖盐和疏水性固体壳聚糖盐。水溶性固体壳聚糖盐能直接溶解在酸性、中性、弱碱性水溶液中，溶解性能大大改善，在食品保鲜、医药、日用化工等领域广泛应用[5-6]。疏水性固体壳聚糖盐表现出极好的油脂吸附性能和药物缓释作用，日益受到关注[7]。固体壳聚糖盐能长时间稳定存在，使用方便、安全，生物相容性好，制备工艺相对简单，是非常重要的壳聚糖应用型态。本研究对近年来固体壳聚糖盐的制备方法和应用进展进行评述。
1 固体壳聚糖盐制备方法
固体壳聚糖盐制备方法可分为2类：一种是干法制备，即有机酸或无机酸直接与壳聚糖定量混合，机械剪切研磨得到固体壳聚糖盐产品，此方法属于简单的物理混合，壳聚糖氨基没有质子化，化学成分均匀性不好，导致样品溶解性不一致；另一种是湿法制备，酸溶液使壳聚糖氨基发生质子化反应，然后脱水干燥制备固体壳聚糖盐，样品均匀、稳定、溶解性好。固体壳聚糖盐的湿法和干法制备方法分别综述如下。
1.1 湿法制备固体壳聚糖盐
目前研究较多的固体壳聚糖盐制备方法是湿法制备，按照反应介质和产品分离方法可分为以下几种。
1.1.1 水溶剂法 首先配制适量的相应酸水溶液，然后将壳聚糖溶解于酸水溶液中，搅拌，进行质子化反应，制备出固体壳聚糖盐。此方法虽然操作方法简单，但产品不易分离、干燥。壳聚糖在酸性水溶液中溶解成黏稠溶液，若用普通烘箱干燥，样品不能被粉碎。因此，按照产品的分离纯化方法又可分为喷雾干燥法、有机溶剂沉淀法、冷冻干燥法。
喷雾干燥法[8]：壳聚糖酸溶液在175～180 ℃进行喷雾干燥，得到干燥壳聚糖盐粉末，干燥设备昂贵，不适合小规模制备。有机溶剂沉淀法[9]：向发生质子化壳聚糖酸溶液中加入有机溶剂，将壳聚糖盐沉淀析出，用大量有机溶剂洗涤，干燥、粉碎。此方法需要大量有机溶剂，生产成本高，环境污染重。壳聚糖酸溶液加入有机沉淀剂后往往会生成一种凝胶产物，难处理、难粉碎。冷冻干燥法：赵希荣等将壳聚糖溶解在乳酸溶液中，溶解、过滤、透析、冷冻干燥，得到固体壳聚糖乳酸盐[4]。此方法制备过程简单，但需要特殊的冷冻干燥仪器，生产成本较高。
1.1.2 混合溶剂法 采用水/有机溶剂混合作为反应介质，一方面水能提高有机溶剂的介电常数，保证反应进行，否则质子化效率低；另一方面有机溶剂保证壳聚糖在酸性条件下不发生溶解，避免形成黏稠溶液从而不利于传质，产品难干燥、粉碎。Albisetti等将壳聚糖分散到介电常数为30～40之间的甲醇、乙醇、异丙醇/水混合溶剂中，然后加入相应量的脂肪酸、芳香酸、无机酸，加热搅拌，使壳聚糖在分散状态下进行异相质子化反应，结果表明，醇溶剂的种类、水的质量、固液比等均对反应产生影响，常温下反应时间从几小时到十几小时不等，回流温度下须反应若干小时[10]。此方法缺点在于需要大量有机溶剂，反应时间长，属于异相反应，质子化效率较低。于乐军等将壳聚糖加入到65%乙醇/水混合溶剂中，密封溶胀12 h，然后加入含醋酸的乙醇溶液，搅拌均匀，静置12 h，抽滤、烘干，得到白色或淡黄色粉末状壳聚糖醋酸盐产品[11]。
1.1.3 酸溶剂法 酸溶剂法可以分为2种：一种是采用过量的酸直接作为反应介质，如壳聚糖盐酸盐制备，壳聚糖在浓盐酸中加热回流，待壳聚糖溶解后，冷却溶液，壳聚糖盐酸盐析出[12]，这种方法壳聚糖分子降解严重，得到低分子量壳聚糖盐酸盐。另一种方法是采用稀醋酸或盐酸作为反应介质，此方法通常用于疏水性壳聚糖盐即水不溶性壳聚糖盐的制备。Muzzarelli等首先将壳聚糖粉末溶解在适量的0.5%醋酸溶液中，将牛磺胆酸、甘氨胆酸溶解在水中，将后者倒入壳聚糖溶液中，产生白色沉淀，透析24 h，-92 ℃下冷冻干燥，得到水不溶性壳聚糖牛磺胆酸盐和甘氨胆酸盐粉末[13]。林少琴将壳聚糖溶解在3%盐酸溶液中，加热至80 ℃，滴入硬脂酸钠水溶液，高速搅拌，形成壳聚糖/硬脂酸离子复合物沉淀物，过滤、洗涤，真空干燥得到壳聚糖硬脂酸盐[14]。
1.1.4 离子液绿色溶剂法 离子液是一种新型的绿色溶剂。研究表明，一些离子液体或其水溶液能够溶解壳聚糖或甲壳素为壳聚糖的应用提供可能[15]。Wang等首先将壳聚糖溶解在绿色反应溶剂离子液中，然后将溶解在蒸馏水中的富马酸单甲酯滴入上述溶液中，25 ℃下反应24 h，得到壳聚糖单甲酯富马酸盐，然后用蒸馏水透析纯化[16]。由于离子液中含有大量离子，导致产品纯化、干燥困难。
1.2 干法制备固体壳聚糖盐
1.2.1 干法制备 Rogovina等在高温下将壳聚糖和固体酸或酸酐如硬脂酸、琥珀酸以及马来酸酐等在机械压力和剪切力作用下发生质子化反应[17]，此方法优点是不须使用溶剂、产品纯净、无污染，缺点是反应转化率较低并需要特殊设备。
1.2.2 半干研磨法 刘长霞等将与壳聚糖氨基等当量的酸溶解在少量水中，一边慢慢滴加酸的水溶液，一边在研钵中充分研磨，得到蓬松、絮状产品，用普通干燥箱干燥得到水溶性、易于粉碎的固体壳聚糖盐[5]。此方法优点是操作简单、成本低、无污染。
2 固体壳聚糖盐的应用
水溶性固体壳聚糖盐溶解性能大大改善并保持壳聚糖聚阳离子特点，具有良好的成膜性、抑菌性，使用贮存方便，在食品保鲜、亲水性药物吸收促进剂、医用载体、食品保健等方面得到广泛应用。疏水性固体壳聚糖盐表现出极好的油脂吸附性能及控制药物运输、释放作用，日益受到人们关注。
2.1 在农产品方面的应用
壳聚糖及其衍生物具有良好的抑菌性、成膜性、无毒、生物降解等优良性质，被广泛应用于果蔬、食品保鲜等方面[18]。壳聚糖稀醋酸溶液涂膜被广泛应用于果蔬保鲜，但是由于酸具有刺激性，如果涂覆不均匀造成局部酸浓度过大，容易加速果蔬褐变、腐烂。水溶性固体壳聚糖盐制备工艺简单，不仅能改善壳聚糖溶解性能、保持壳聚糖聚阳离子特性，而且由于携带的阴离子不同从而展现许多独特的性能。水杨酸在水果贮藏过程中能抑制其吸呼强度并增强保护酶活性，是一种常用的食品添加剂。黄广君等采用研磨法制备壳聚糖水杨酸盐，改善壳聚糖的溶解性，将壳聚糖水杨酸盐直接溶解于水中制备保鲜涂膜剂，对荔枝进行采后涂膜处理、贮存，结果表明，壳聚糖水杨酸盐水溶液性质温和，在果皮表层形成保护膜，能有效抑制荔枝的失重、褐变，壳聚糖水杨酸盐水溶液延缓水果褐变效果显著优于壳聚糖醋酸溶液[19]。研究表明，采用壳聚糖水杨酸复合涂膜芒果，在延长其后熟过程和贮存效果方面都优于单一壳聚糖涂膜，这一方面可能是由于水杨酸参与调节植物的生理过程；另一方面是由于壳聚糖成膜和抑菌性能[20]。抗坏血酸是一种常用的防褐变剂，是人体必需的水溶性维生素。胡位荣等分别用壳聚糖和壳聚糖-抗坏血酸结合涂膜处理鲜切香芋，结果表明壳聚糖-抗坏血酸结合比单独壳聚糖处理能更好地减缓鲜切香芋的褐变程度[21]，这可能是由于抗坏血酸的抗褐变作用与壳聚糖的成膜、抑菌作用的协同效果。刘静娜等研究表明，壳聚糖抗坏血酸复合盐不仅能改善壳聚糖的溶解性能，而且壳聚糖的大分子结构能保护抗坏血酸，延缓其被空气中的氧气氧化速度，为其在食品、医药等领域的应用奠定基础[22]。杨凌霄等采用半干研磨法制备的壳聚糖醋酸盐、盐酸盐、乳酸盐、抗坏血酸盐、苯甲酸盐等均展现出良好的水溶解性、成膜性及强抑菌性。采用固体壳聚糖盐水溶液涂膜保鲜鸡蛋，效果良好而且其抑菌性能与青霉素相比无显著差异[23]。水溶性固体壳聚糖盐制备工艺简单、使用方便，有望作为一种广谱食品保鲜剂被广泛推广使用。
2.2 水产品方面应用
壳聚糖具有净化水质、抗菌、提高机体免疫力等优良特性[24]，但关于其在水产品病虫害方面应用研究较少。壳聚糖盐酸盐改善了壳聚糖的溶解性能而且保持了其聚阳离子特点。孙玉英等研究表明，壳聚糖盐酸盐对副溶血弧菌、哈维氏弧菌、鳗弧菌等水产致病菌均有抑菌效果而且对副溶血弧菌的最小抑菌浓度为2.5 mg/mL[25]。黄盛东等研究了不同分子量壳聚糖对罗非鱼片的保鲜作用，结果表明，分子量小的壳聚糖保鲜效果更好[26]。壳聚糖的保鲜机理通常被认为是壳聚糖高分子的成膜性和阳离子的抑菌性。鲜鱼片pH值为 6.4，壳聚糖在此弱酸性环境下不能溶解，成膜性差。分子量小的壳聚糖保鲜效果好于高分子量的壳聚糖可能是由于壳聚糖具有溶解性。水溶性固体壳聚糖盐溶解性能大大改善，有望取代壳聚糖作为水产品的保鲜剂。
2.3 降脂保健品方面应用
研究表明，普通的壳聚糖能够吸附本身质量几倍的油脂，可作为一种减肥降脂膳食纤维。壳聚糖吸附油脂的机理通常被认为是聚阳离子吸附带负电的脂肪酸和高分子黏稠溶液的包封作用[27]。壳聚糖作为聚阳离子化合物，与脂肪不能互溶，对中性油脂吸附能力不强。由于壳聚糖在肠道pH值环境下为不溶解状态，降低了对脂肪酸的吸附效率，因此靠普通壳聚糖进行降脂效果可能不佳。壳聚糖通过共价键改性提高溶解性能、阳离子化程度以及疏水基团数目的工艺繁琐，成本较高。疏水性壳聚糖盐是壳聚糖氨基与脂肪酸通過盐键结合形成的复合物，在保持了壳聚糖聚阳离子特性的同时提高壳聚糖长链上疏水基团数目，较共价键改性简单方便。Furda将壳聚糖与定量的油酸合成复合盐，由于疏水基团的引入提高了对甘油三酸酯、胆固醇和其他固醇的吸附效能[28]。Muzzarelli等通过体外试验研究了疏水性壳聚糖牛磺胆酸盐和壳聚糖甘氨胆酸盐对脂肪的吸附性能，研究表明，其比普通壳聚糖能更有效吸收脂肪[13]。目前研究较多的是壳聚糖与可食用的硬脂酸通过盐键结合形成壳聚糖硬脂酸盐[29]。壳聚糖硬脂酸盐对中性油脂具有良好的吸附性能而且油溶性壳聚糖对油脂的吸附效能受pH值影响较小。
2.4 医药方面应用
壳聚糖盐一方面可用来促进药物溶解和吸收，另一方面可作为药物缓释载体，控制药物释放。Tengamnuay等研究了壳聚糖和2种水溶性固体壳聚糖盐对鼻器官多肽药物的吸收影响，结果表明，各种壳聚糖都能增强多肽药物的吸收性能[30]。壳聚糖作为吸收增强剂，对多肽药物的吸收增强性能随着溶液pH值从4增加到6而逐渐减弱，然而水溶性固体壳聚糖盐对多肽药物的吸收增强性能不受pH值的影响。Maestrelli等研究了壳聚糖、壳聚糖谷氨酸盐和盐酸盐对萘普生镇痛药的溶解和吸收性能影响，结果表明，壳聚糖谷氨酸盐能改善药物对细胞渗透性能从而促进奈普生的吸收[31]。高世博等分别以水溶性壳聚糖盐酸盐和普通酸溶性壳聚糖为原料，以戊二醛为交联制备微球，结果表明，壳聚糖盐酸盐更易成球，球形圆整光滑[32]。于飞等首先制备了水溶性固体壳聚糖乳酸盐，溶解于适量水中，然后加入冰晶生长剂叔丁醇制备得到具有垂直均匀孔道的海绵状壳聚糖乳酸盐，以红霉素为模型药物，研究该材料的药物缓释性能，结果表明，壳聚糖与脂肪酸通过盐键结合制备的疏水性壳聚糖盐在胃酸环境下不溶解而发生溶胀胶凝[33]，从而解决壳聚糖作为药物载体在胃酸环境下溶解快、不能控制药物释放的缺点。Bani-Jaber等以治溃疡药雷尼替丁作为模型药物，分别研究壳聚糖、壳聚糖脂肪酸盐（月桂酸盐和棕榈酸盐）制备药物片剂后，药物在胃酸pH值环境下的释放速率，结果表明，壳聚糖压片1 h药物释放84%，壳聚糖脂肪酸盐压片药物释放速率相当慢，8 h释放70%～80%[7]。壳聚糖脂肪酸盐制备较共价键交联简单容易而且安全无毒，有望作为化学药物有效缓释剂。
3 小结与展望
综上所述，壳聚糖质子化改性工艺简单，成本低廉，改性后的水溶性固体壳聚糖盐能够直接溶解在酸性、中性或弱碱性水溶液中，溶解范围大大扩大，而且表现出许多独特的生理活性和功能性质，为其应用奠定了良好的基础。水溶性壳聚糖盐不仅溶解性能得到改善而且水溶液黏度明显高于相应壳聚糖酸溶液黏度，有望作为增稠剂、药物增溶剂或油脂吸附剂。疏水性壳聚糖盐由于具有安全、无毒等特性，可作为化学药物的有效缓释剂和新型吸油材料进行推广。固体壳聚糖盐携带的反离子不同直接影响其溶解性能和功能性质。目前，市场上常见的只有为数不多的几种壳聚糖盐，如盐酸盐、乳酸盐、醋酸盐、谷氨酸盐等。开发新功能性固体壳聚糖盐并改进壳聚糖盐制备、纯化工艺是未来重要的发展方向之一。
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