第一节 壳聚糖概述
壳聚糖又称脱乙酰甲壳素，是由自然界广泛存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖。自1859年，法国人Rouget首先得到壳聚糖后，这种天然高分子的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等优良性能被各行各业广泛关注，在医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多领域的应用
研究取得了重大进展。针对患者，壳聚糖降血脂、降血糖的作用已有
研究报告。同时，壳聚糖被作为增稠剂、被膜剂列入国家食品添加剂使用标准GB-2760。（可行性
研究报告）
第二节 壳聚糖制备流程
制备壳聚糖的主要原料来源于水产加工厂废弃的虾壳和蟹壳，其主要成分有碳酸钙、蛋白质和甲壳素（20％左右）。由虾蟹壳制备壳聚糖的过程实际上就是脱钙、去蛋白质、脱色和脱乙酸的过程。目前国内外制备壳聚糖的方法包括酸碱法、酶法、氧化降解法及机械加工法。酸碱法是利用稀盐酸将难溶的碳酸钙转化为可溶性的氯化钙而随溶液分出，再用稀碱将蛋白质溶出，再经过脱色及水洗、干燥等过程即可得到甲壳素，然后通过脱乙酸化反应，可使甲壳素脱去分子中的乙酸基，转变为壳聚糖。酶法则是利用乙二胺脱钙、用酶去蛋白质的过程。机械加工法则是利用精选的虾蟹壳经过干燥、压碎、研磨、分选、精筛等过程。其中最常用的方法是酸碱法，但此法仍存在许多问题，如酸碱性过强、降解速度慢、降解产物聚合度低、产物纯化难、生产成本高等。
酸碱法制备壳聚糖的具体步骤如下：①原料预处理：首先将虾壳、蟹壳的肉质、污物等杂质去除，用水洗净，然后干燥；②酸浸：去除原料中无机盐。将预处理后的虾、蟹壳置于5％稀盐酸中室温下浸泡2h，然后过滤、水洗至中性；③消化：去除原料中蛋白质和脂肪。将酸浸后的虾、蟹壳置于10％的氢氧化钠溶液中煮沸2h，然后过滤、水洗至中性、干燥后即得甲壳素；④脱色：有3种方法，包括日晒脱色，保持微酸湿润条件下，在阳光紫外线作用下用空气中的氧气进行漂白；采用高锰酸钾、亚硫酸氢钠等进行氯化脱色；也可采用有机溶剂如丙酮抽提除去色泽⑤脱乙酰基：甲壳素脱乙酰基。将甲壳素置于45％－ 50％氢氧化钠溶液中在 100－ 110℃水解 4h，然后过滤、水洗至中性、干燥得到壳聚糖。
甲壳素是类似纤维素的生物聚合物，是许多低等动物，特别是节肢类动物（如昆虫、甲壳类动物等）外壳的主要成分，主要以无机盐（主要是碳酸钙）及蛋白质结合形式存在。但其中尤以虾蟹壳中的含量最高，分别在虾壳中约含20％～25％，在蟹壳中含17％～18％。将虾或蟹壳在常温下用稀盐酸脱钙，再用热的稀碱除去蛋白质，剩下的不溶物就是甲壳素。将甲壳素用浓碱加热处理，脱去乙酰基就得到壳聚糖。由虾、蟹壳制取甲壳素、壳聚糖的简要流程如下：
5%HCl 10%NaOH 40%～45%NaOH
↓ ↓ ↓
虾或蟹壳→ 脱 钙 → 脱蛋白→甲壳素 → 脱酰基→壳聚糖
↓ ↓ ↓
CaCl2、CO2 蛋白质 CH3COONa
将虾、蟹壳洗净干燥后，以5％稀盐酸于室温浸泡2ｈ，除去原料中的碳酸钙，然后过滤水洗至中性，再置于10％的ＮａＯＨ溶液中煮沸2ｈ脱蛋白，过滤水洗至中性，干燥即得甲壳素。而后置于45％～50％ＮａＯＨ溶液中，在100～100水解4ｈ或用 40％ＮａＯＨ溶液，于（84±1）℃的烘箱中保温17ｈ，然后过滤，水洗至中性，干燥即得壳聚糖。为加快脱乙酰反应，可进行间断性水洗。
壳聚糖的主要质量指标是粘度及胺基含量，在制备壳聚糖过程中，用稀盐酸分解虾蟹壳无机盐的同时，壳聚糖的主链也会发生不同程度的水解作用，因此在分解无机盐的过程中盐酸的浓度、处理时间及温度对壳聚糖制品的粘度、胺基含量均有影响。壳聚糖的粘度通常随着盐酸浓度的增加、反应时间的延长而降低。因此为了获得较高粘度及胺基含量的壳聚糖制品，通常控制盐酸浓度为5％～10％，温度控制在25℃左右，尽量缩短反应时间。甲壳素脱乙酰基反应通常在100～180℃、40％～60％的氢氧化钠溶液中进行。试验认为，当氢氧化钠浓度低于30％时，无论反应温度多高、反应时间多长，乙酰基脱除率也只在50％左右。而当氢氧化钠浓度一定时，脱乙酰化反应速度随着温度的升高而加快，例如当氢氧化钠浓度为50％时，反应温度为140℃，20ｍｉｎ乙酰基脱除率在85％左右，而在25℃时则需24ｈ左右。甲壳素在热浓碱作用下，主要反应是乙酰胺水解脱除乙酰基，同时也发生主链的水解降解副反应，因此必须严格控制反应时间。
水溶性壳聚糖的制备：提出两种降解制备水溶性壳聚糖的新方法:
(1)UV-H_2O_2联合 制备水溶性低聚壳聚糖:(2)在壳聚糖-水异相体系中,磷钨酸催化H_2O_2 制备水溶性低聚壳聚糖。采用溶液自组装方法合成了两种新型有机-无机功 能配合物:壳聚糖-磷钨酸、低聚壳聚糖-磷钨酸配合物,并初步
研究了它们 的抑菌性能。 采用UV-H_2O_2联合技术
研究了水溶性壳聚糖制备的最佳工艺参数。详 细考察了壳聚糖质量分数、H_2O_2质量分数、乙酸质量分数和光照时间对降 解反应的影响。在壳聚糖-水异相体系中,
研究了磷钨酸催化H_2O_2制备水 溶性壳聚糖的最佳工艺参数。详细考察了钨磷酸与壳聚糖质量比、H_2O_2浓 度、反应温度和反应时间对降解反应的影响。对制备的低聚壳聚糖采用红 外光谱、固体漫反射电子光谱进行了结构表征,并推测了两种方法的降解机理。
降解实验结果表明:两种方法均可以有效地制备水溶性低聚壳聚糖, 降解产物保持壳聚糖的基本结构特征。 在紫外光-H_2O_2体系下降解壳聚糖 的最佳工艺为:H_2O_2质量分数2.5%,乙酸质量分数1.5%,壳聚糖质量分 数1%,光照时间1h。在钨磷酸-H_2O_2体系下的最佳工艺为:反应温度90℃, 磷钨酸与壳聚糖质量比为1.0×10~(-2),H_2O_2物质的量浓度2.7mol/L,反应时 间20min。 以最佳条件对两种降解方法分别进行3次平行实验,均可制得 粘均分子量为1.2万左右的水溶性壳聚糖。 另外,用溶液自组装方法合成出壳聚糖-磷钨酸、低聚壳聚糖-磷钨酸两 种有机-无机功能配合物,采用红外光谱、固体漫反射电子光谱对其进行了 表征,并初步
研究了它们的抑菌性能。实验结果表明:杂多阴离子基团与 壳聚糖及低聚壳聚糖阳离子基团之间有强的相互作用,磷钨酸与壳聚糖、 低聚壳聚糖形成配合物后,杂多阴离子仍然保持Keggin骨架结构。
壳聚糖/DNA传递系统的制备及其性能
基因治疗作为一种全新和具有极大前景的治疗手段,其关键是获得有效进行基因转移并释放表达的基因载体传递系统。非病毒载体介导的传递系统因不存在病毒性和免疫原性而备受推崇,但体内表达效率低的缺点限制了其在临床应用的发展,主要问题是在于稳定性差。壳聚糖作为一种天然生物多糖物质,已被证明是具有潜在前景的非病毒载体材料。为了进一步提高壳聚糖介导的传递系统的稳定性,解决其表达效率低的难题,加快基因治疗在临床应用方面的发展,必须了解壳聚糖材料性质和壳聚糖与DNA之间相互作用对壳聚糖介导的传递系统性能的影响规律,从而根据临床应用的要求调控出具有良好稳定性和高效表达的DNA传递系统。 基于壳聚糖介导的传递系统是由壳聚糖和DNA之间通过静电吸附作用形成的复合体,壳聚糖材料本身的结构与性能直接关系到传递系统的稳定性。因此,系统探讨了壳聚糖在模拟体内环境中及在不同pH环境中分子结构和性质的变化情况。
结果表明,选取的四种壳聚糖在模拟体液中降解速率较小,加入溶菌酶后加大了壳聚糖的降解速率,对于酸溶性壳聚糖来说,其分子量越小降解速率越大,而在有无溶菌酶情况下水溶性壳聚糖的降解速率都最大。壳聚糖溶液pH值在偏酸性条件下颗粒粒径较小,zeta-电位较高。 利用经试剂盒方法提取获得的纯度较高的pAcGFP1-C1质粒DNA,分别与不同结构特征的壳聚糖分子进行结合,制备了壳聚糖/pAcGFP1-C1质粒DNA传递系统。考察了壳聚糖溶液pH值和N/P摩尔比对壳聚糖/DNA传递系统性能的影响。
研究表明,pH值影响壳聚糖溶液的颗粒平均粒径和zeta-电位,从而影响壳聚糖和DNA的结合能力,以及壳聚糖/DNA传递系统的平均粒径。当pH值为酸性时壳聚糖溶液颗粒的平均粒径较小,zeta-电位较高,制备的传递系统平均粒径较小、DNA结合牢固。在同样条件下,N/P摩尔比越大,壳聚糖和DNA的结合能力越好,但壳聚糖/DNA传递系统的平均粒径并不是呈现单一增大的趋势,而是出现两次减小的趋势。经原子力显微镜观察,壳聚糖/DNA传递系统在不同N/P摩尔比条件下具有一定的形貌特征。揭示了壳聚糖在溶液中的分子状态、分子个数与壳聚糖和DNA之间的复合体形态和性质的关系。
第三节 世界壳聚糖的市场概况
全世界每年由生物合成的甲壳素约为100亿吨，可提取壳聚糖20亿吨以上。壳聚糖是自然界中仅次于纤维素的取之不尽，用之不竭的第二大天然生物有机资源。
在日本，壳聚糖类保健品是该国政府特许的唯一准许宣传疗效的功能型保健食品；而欧洲及美国的营养学界称壳聚糖为六大要素之一，并投入大量人力、物力、财力研制开发生产以壳聚糖为主要原料的第四代保健食品，其中部分产品投放市场后，受到广大消费者的欢迎。
壳聚糖在国际市场上供不应求，壳聚糖多年来在国际市场上都一直保持旺市畅销的局面，故此其销售价格不断上涨。如1990年每吨工业级壳聚糖的售价仅为1万美元左右，到1999年则猛升为5万美元。其中食品级，药用级壳聚糖的价格则分别达每吨12万美元和200万美元。仅美国、日本每年壳聚糖的消费量就分别高达400吨和2000吨，这一半以上需要是通过进口来满足国内市场的需求。
第四节 壳聚糖主要功能
1、控制胆固醇
人类健康的最大问题之一是胆固醇，它导致许多严重的疾病。壳聚糖有两个机制降低胆固醇。一个是阻止脂肪的吸收，另一个是将人体血液内的胆固醇排泄掉。首先，壳聚糖抑制那些助于脂肪吸收的脂肪酶的活性。脂肪酶分解脂肪使人体进行吸收。另外一个是排泄胆酸。一旦胆酸排泄，则血液中的胆固醇被用于制造胆酸。这两种机制使得壳聚糖成为强胆固醇清除剂。壳聚糖是一种天然材料，具有强大的阴离子吸附力，适用于降低胆固醇而没有任何副作用。
2、抑制细菌活性
壳聚糖在弱酸溶剂中易于溶解，特别值得指出的是溶解后的溶液中含有氨基（NH2+），这些氨基通过结合负电子来抑制细菌。壳聚糖的抑制细菌活性，使其在医药、纺织和食品等领域有着广泛的应用。
3、预防和控制高血压
对高血压最有影响力的因素之一就是氯离子（cl-）。它通常通过食盐摄入。2010年以来许多人都过量消费盐。血管紧缩素转换酶（ACE:Angiotensin ConvertingEnzyme）产生血管紧缩素II，一种引起血管收缩的材料，其活力来自氯离子。高分子壳聚糖象膳食纤维一样发挥作用，在肠内不被吸收。壳聚糖通过自身的氯离子和氨根离子之间的吸附作用，排泄氯离子。因此，壳聚糖降低血管紧缩素II。它有助于防止高血压，特别是那些过量摄入食盐的人群。
4、吸附和排泄重金属
壳聚糖的一个显著特性是吸附能力。许多低分子量的材料，比如金属离子、胆固醇、甘油三酯、胆酸和有机汞等，都可以被壳聚糖吸附。特别是壳聚糖不仅可以吸附镁、钾，而且可以吸附锌、钙、汞和铀。壳聚糖的吸附活性可以有选择地发挥作用。这些金属离子在人体中浓度太高是有害的。比如，血液中铜离子（Cu2+）浓度过高会导致铜中毒，甚至产生致癌后果。现已证明壳聚糖是高效的螯合物介质。壳聚糖的吸附能力的大小取决于其脱乙酰度。脱乙酰度越大，吸附能力越强。
5、免疫效果
壳聚糖具有更高的蛋白吸附能力；在降解酶（溶解酵素lysozyme、kitinase）的作用下，壳聚糖具降解性；壳聚糖很容易加工成线，适合做成线状或片状的医用材料；壳聚糖具有亲和力和溶解性，适用于生产各类衍生物；壳聚糖具有更高的化学活性；壳聚糖的持水性高；在血清中，壳聚糖易降解吸收；壳聚糖具有更高的生物降解性；壳聚糖表现出有选择性的高度抑制链球菌生长的作用，同时并不影响其他有益细菌的生长。
第五节 我国壳聚糖的市场现状及前景展望
我国具有丰富的壳聚糖生产原料――甲壳素来源，发展壳聚糖产业具有得天独厚的优势条件，市场潜力大，前景看好。主要是因为。
国内对壳聚糖的需求势头旺盛。我国壳聚糖的应用
研究及生产始于20世纪90年代初期，至1997年壳聚糖生产已实现工业化批量生产，当年全国的总产量约为150吨；1999年上升为400吨，国内需求量则高达800吨，仅能满足市场容量底线，处于供不应求的状态。
聚糖的应用范围不断扩大。近些年来，随着各国对壳聚糖的认识不断提高和应用
研究的进一步深化进行，壳聚糖已应用于许多领域中，其中化妆品，保健品，食品工业等
行业对壳聚糖的需求增长最快；在医药、化工、造纸、农业、环保、轻纺等领域中正在得到广泛的应用。
壳聚糖生产原料来源丰富。我国每年水产加工业的甲壳废弃物约为三万吨，可制取3000吨的壳聚糖。但我国的生产及应用现状远远未达到。福建仅厦门、漳州、泉州三地区的干品蟹壳年资源量可达3000吨，可制取300吨壳聚糖。
经预测，今后若干年内，甲壳素以及甲壳素衍生物的市场需求旺盛。仅壳聚糖产品就将有数亿美元的市场，因此生产壳聚糖的市场潜力巨大，产品具有竞争能力，销售前景看好。然而，国内的及其衍生物制品的供应不足，因此在稳定批量生产甲壳素和壳聚糖的基础上，进一步加强应用领域的技术开发和投资力度，则其市场供求前景将更为广阔。
免责申明：本文仅为中经纵横
市场研究观点，不代表其他任何投资依据或执行标准等相关行为。如有其他问题，敬请来电垂询：4008099707。特此说明。
