甲壳素是什么？它的降解原理是什么？

生物降解材料研究院原创报道，天然高分子降解材料主要分为甲壳素基降解材料、淀粉基生物降解材料、纤维素基降解材料。本文主要针对甲壳素基降解材料的基础信息进行阐述。

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甲壳素简介

甲壳素英文名Chitin，分子式为(C₁₆H₂₆N₂O₁₀)_n，是由β-1,4糖苷键连接的2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖的高分子线性聚合物，化学结构式如下图。

甲壳素是自然界仅次于木质纤维素的第二大生物聚合物，是许多低等动物外壳的重要成分，如虾壳中约含15%～30%，蟹壳中约含15%～20%等。亦是低等植物菌类细胞膜的组成部分，像真菌、绿藻、酵母、乌贼等。

甲壳素在碱性条件下脱乙酰得到的壳聚糖（又叫壳寡糖），它是一种可生物降解的高分子，可以广泛应用于食品包装或食品添加剂。

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甲壳素的性质

物理性质

甲壳素是一种外观呈白色或微黄色的含氮多糖物，又称甲壳质、壳蛋白等。在自然界中是以结晶形态出现，即α、β、γ晶形。甲壳素具有无毒无害、可食用、生物相容性、可生物降解等特性，同时具备耐热、抗菌、抗氧化和抗癌作用。

化学性质

甲壳素是世界上唯一带正电的天然高分子多聚糖，能对带负电的有害物质产生吸附作用。

甲壳素结构中存在大量的氢键，包括O=O和N-H基团形成的氢键，C上的OH和环氧之间形成的氢键，以及每个链上的C=O和相邻糖环上的OH形成的分子间氢键。

当甲壳素及其衍生物受到辐射或者溶剂高温热解时，可形成小分子量的酯化物和芳香族杂环化合物，如吡咯、呋喃、吡啶等。

甲壳素的化学结构与天然纤维素相似，分子中除存在羟基外，还含有乙酰氨基和氨基功能基团，具有比纤维素及其衍生物更广泛的性质。不溶于水、乙醇、乙醚、盐类和稀酸、稀碱；能溶于醋酸，与浓的强氧化纳溶液作用，形成玻璃状胶体的可溶性甲壳素(也称壳聚糖)。分子结构式对比如下图所示。

甲壳素可用于：

①纯化水和从海水中提取铀的离子交换树脂；

②凝胶色谱柱的填充物和分子筛；

③制备能被生物或酶降解的食物包装膜，或可溶性的体内手术线；

④培植植物或微生物的保水剂；

⑤纺织品的防缩、防皱处理，直接染料或硫化染料的固色。

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甲壳素的提取方法

目前甲壳素主要是从自然界中富含甲壳素的动植物中提取。传统工艺流程如下图所示。

除此之外，甲壳素的提取方法有化学法、微生物发酵法和酶解法等。

化学法是目前甲壳素提取的主要生产方法，包括脱矿物质、脱色、脱蛋白三个过程，提取效率高，缺点是需要消耗大量的酸和碱，提取过程复杂且污染环境。

微生物发酵法是利用真菌/细菌的发酵过程，以矿物质为营养物消耗菌种产生的蛋白酶，或有机酸消化蛋白质。

酶解法是采用外源生物酶对原料进行脱蛋白与脱矿物质盐的方法，华中农业大学硕士研究生李永强等人采用蛋白酶Ｋ对虾壳进行酶解，对钙盐和蛋白质的去除率均达到90%以上。

另外，EDTA法、离子液体提取法和预热处理法也都有用于甲壳素的提取，因收率低、成本高以及相关的安全问题而未大规模投入生产使用。

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甲壳素的降解机理

目前，按壳聚糖/甲壳素降解机理主要可分为两大类：

(1)特异性降解机理，有酶解法；

(2)非特异性降解机理，有酸解法、氧化法、物理法等方法。

酶解法：采用对壳聚糖具有生物活性的酶对其进行降解，制取壳聚糖寡糖。这些酶可特异选择性地切断甲壳素/壳聚糖中某些特定位置的化学键，制备低聚糖。

高粘度的壳聚糖可作为污水处理剂，包裹细菌和酶。

可用甲壳素与聚乙烯醇的共聚物制得具有高阻隔气体透过性，能够被生物降解及崩解的塑料薄膜，这种薄膜的力学性能可达到一般塑料薄膜的强度。

另外可利用木质素上的羟基与不同试剂反应得到乙烯基共聚物，使其具有生物降解性。

报道来源 | 生物降解材料研究院

撰文编辑 | 小将

参考文献 | 

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