殼聚糖季銨鹽的主要應(yīng)用方向研究

孫乙超 徐秋陽(海南熱帶海洋學(xué)院，海南 三亞 572022)

殼聚糖季銨鹽屬于殼聚糖衍生物，是由殼聚糖改性引入季銨基所得。目前已有多種改性方法，其中環(huán)氧衍生物開環(huán)法與N-烷基化法是目前最常用的兩種方法。殼聚糖(chitosan,β(1,4)-2-氨-2-脫氧-D-葡聚糖，CTS)是甲殼素(chitin,β(1,4)-2-乙酰氨基-2-脫氧-D-葡聚糖)的水解產(chǎn)物。甲殼素是一種與纖維素類似的含氮多糖類物質(zhì)，廣泛存在于蝦、蟹、昆蟲的外骨骼及真菌的細(xì)胞壁中，儲量豐富，是地球上僅次于纖維素的第二大類有機(jī)資源[1]，年產(chǎn)量過十億噸，最多時近千億噸。殼聚糖的結(jié)構(gòu)式[2]如圖1所示：

殼聚糖難溶于水，在引入季銨基改性后其水溶性有所改善，同時獲得了季銨鹽的許多優(yōu)良性能。由于殼聚糖季銨鹽豐富的原料來源與優(yōu)良性能，其擁有開闊的市場和廣泛的應(yīng)用前景。目前，其在生物醫(yī)藥方面應(yīng)用尤其令人驚喜。

1 殼聚糖季銨鹽新工藝優(yōu)化

在殼聚糖改性的眾多方法中利用氨基的活性發(fā)生各種反應(yīng)是較為常用的方法，下面介紹目前最新的環(huán)氧衍生物開環(huán)法與N-烷基化法的優(yōu)化工藝研究進(jìn)展：

圖1

1.1 環(huán)氧衍生物開環(huán)法工藝優(yōu)化

以GTA（2，3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨）或CTA（3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨)為改性劑的方法屬于環(huán)氧衍生物開環(huán)法，是目前將殼聚糖季銨化改性的常用方法，原理是利用殼聚糖分子上氨基的活性。李小波等[3]采用酸堿法將蠅蛆殼經(jīng)脫鈣、脫蛋白、脫色提取甲殼素并以GTA與其加成獲得HACC(羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖)為富含甲殼素昆蟲生物資源的利用奠定了基礎(chǔ)。目前也有通過氧化降解殼聚糖制得殼寡糖，再利用其制備殼寡糖季銨鹽的方法。由于殼寡糖糖季銨鹽聚合度較低，故而親水性更佳。

1.2 N-烷基化法工藝優(yōu)化

N-烷基化法屬間接季銨化改性方法，主要利用氨基活性發(fā)生取代反應(yīng)。謝朝鋒[4]在酸性條件下，以甲醛做為催化劑，用殼聚糖合成N,N-二甲基殼聚糖季銨鹽，然后和溴代烷在催化劑的作用下發(fā)生Hoffman反應(yīng)，從而生成N-長烷基殼聚糖季銨鹽。不同于傳統(tǒng)的N-烷基化法，它不需要生成穩(wěn)定性不高的中間產(chǎn)物殼聚糖季銨化碘化物作為過渡。傳統(tǒng)的N-烷基化法制備的殼聚糖季銨鹽成本較高，且需控制反應(yīng)與較低溫度下進(jìn)行使得反應(yīng)較為緩慢并不能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)要求。而該方法合成的殼聚糖季銨鹽質(zhì)量高，反應(yīng)時間快，而且節(jié)省成本。

2 殼聚糖季銨鹽的應(yīng)用

2.1 紡織業(yè)方面

殼聚糖季銨鹽應(yīng)用于紡織物一方面提高了紡織物抑菌能力，另一方面紡織物的纖維強(qiáng)度、柔韌度等方面也有所改善。吳偉等[5]使用不同分子量的殼聚糖及其季銨鹽對亞麻織物進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)亞麻織物柔軟度隨著殼聚糖及其季銨鹽分子量的降低而變?nèi)彳洠椢锺薨櫥貜?fù)角變大，并且織物表面變得更光滑，但織物的強(qiáng)力和斷裂伸長率均有不同程度的下降。分析由于殼聚糖季銨鹽水溶性強(qiáng)對織物纖維親和力良好從而使得纖維硬度改善。韓哲等[6]采用超聲波輔助合成法合成QCMC（季銨鹽化羧甲基殼聚糖）然后對棉織物改性，發(fā)現(xiàn)QCMC的填補(bǔ)使得織物表面更光滑并且棉織物斷裂強(qiáng)度、耐磨性、抗皺性能也得到改善，不過改性后棉織物熱性能變化不大。

2.2 生物醫(yī)藥方面

目前殼聚糖季銨鹽在生物醫(yī)藥方面屬于熱點應(yīng)用，由于其良好的抑菌性與生物相容性使其有望廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)材料。目前科研人員對殼聚糖季銨鹽進(jìn)行分子水平研究發(fā)現(xiàn)其可與DNA相結(jié)合，可用于基因運輸，有望成為未來活性生物分子水平藥物的新寵。劉慶等[7]制備TMC-SH(巰基化殼聚糖季銨鹽)作為基因載體發(fā)現(xiàn)其具有較好的包載p DNA能力和還原響應(yīng)性的基因釋放能力。二硫鍵的交聯(lián)作用使得該種殼聚糖季銨鹽與基因的結(jié)合比高取代度的殼聚糖季銨鹽通過靜電與基因結(jié)合的方式更為緊密。張浩等[8]將殼聚糖季銨鹽生物膠體液用于皮膚軟組織缺損修復(fù)手術(shù)后恢復(fù)，發(fā)現(xiàn)殼聚糖季銨鹽生物膠體液有利于提高植皮成活率及帶蒂皮瓣成活率。分析由于殼聚糖季銨鹽良好的抑菌性有助于增強(qiáng)損傷皮膚的抗感染能力。

2.3 環(huán)境保護(hù)方面

殼聚糖季銨鹽較強(qiáng)的陽離子強(qiáng)度使其適應(yīng)p H閾值更廣，同時其較強(qiáng)的絮凝能力使其擁有突出的廢水處理能力。殼聚糖季銨鹽反應(yīng)活性高，尤其對陰離子和非離子型廢水絮凝能力強(qiáng)。李小芳等[9]以膨潤土和殼聚糖季銨鹽為材料制備吸附劑膨潤土負(fù)載殼聚糖季銨鹽，研究了其季銨化取代度、吸附劑添加量、溶液pH值和作用時間對處理含Cr(VI)廢水效果的影響。實驗表明膨潤土負(fù)載殼聚糖季銨鹽對Cr(VI)的除去率與季銨鹽季銨化取代度有關(guān)，當(dāng)季銨化取代度為78.5%時除鉻效果最佳。殼聚糖季銨鹽的絮凝吸附作用也可用于除塵。吳亞敏等[10]利用HTCC除塵，發(fā)現(xiàn)HTCC降塵劑具有用量少、安全無毒、易生物降解且無二次污染的特點，且成本低易于制得，在礦井降塵中有良好的應(yīng)用前景。

2.4 其它方面

殼聚糖季銨鹽在其他方面也有諸多用途，比如用作造紙食品等工業(yè)抑菌劑、魚蝦養(yǎng)殖業(yè)的免疫增強(qiáng)劑、合成新材料等。李會等[11]以過硫酸銨為引發(fā)劑，在HACC上接枝AAc(丙烯酸)并絡(luò)合Cu2+，制備了具有高效抗菌性能的HACC-g-PAAc-Cu2+復(fù)合物，殼聚糖季銨鹽抑菌部分機(jī)理為季銨陽離子吸附在細(xì)胞膜增加細(xì)胞膜通透性，同時干擾細(xì)胞有機(jī)質(zhì)合成使細(xì)胞死亡。推測由于銅離子的引入使得復(fù)合物抑菌性進(jìn)一步增強(qiáng)。鐘國防等[12]利用殼聚糖季銨鹽添加入高凡納濱對蝦的飼料，發(fā)現(xiàn)殼聚糖季銨鹽可以提高高凡納濱對蝦的免疫力。殼聚糖季銨鹽的絮凝作用除了用于污水凈化還可用于水體中部分微小物質(zhì)的采集。董銳等[13]發(fā)現(xiàn)使用三元接枝改性殼聚糖與凹凸棒石復(fù)合可有效絮凝小球藻，為微藻的開發(fā)利用打下了基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

國內(nèi)外對季銨化殼聚糖的研究主要停留于實驗室階段，對于季銨化殼聚糖的生物相容性、生物利用度以及抗菌機(jī)制方面的研究還不夠深入，特別是季銨化殼聚糖的應(yīng)用領(lǐng)域還比較狹窄，在醫(yī)用敷料、復(fù)合材料、分子水平藥物、織物改性方面應(yīng)用有限，而真正作為產(chǎn)品投入市場的更是少之又少。作為一種綠色環(huán)保的產(chǎn)品還沒有切實應(yīng)用于生產(chǎn)生活，因而對于季銨化殼聚糖的研究還需繼續(xù)深入。季銨化殼聚糖的新方法和新工藝還需探索和拓展，生產(chǎn)技術(shù)還需完善，尤其是生物醫(yī)藥方面作為抗菌生物材料有待進(jìn)一步開發(fā)。

[1]姜翠玉,宋林花,朱成君.殼聚糖輕丙基三甲基季銨鹽的合成及絮凝凈水性能[J]工業(yè)水處理，2005，25(9)：40-42.

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[4]謝朝鋒.N-長烷基殼聚糖季銨鹽的合成研究[J].山東化工,2016,45(4)：23～24.

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[6]韓哲,王喚霞,金子坤等.季銨鹽化羧甲基殼聚糖處理對棉纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響[J].研究開發(fā),2017,6：1～8.

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[10]吳亞敏,賈杰,楊坤等.殼聚糖季銨鹽的制備及其降塵性能研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2016,12(6)：59～64.

[11]李會,邢哲,李榮等.高效抗菌Cu2+-殼聚糖季銨鹽/丙烯酸復(fù)合物的制備[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報,2017,38(5)：902～906.

[12]鐘國防,吳國忠,張明輝等.飼料中添加殼聚糖季銨鹽對凡納濱對蝦生長及非特異免疫的影響[J].水生生物學(xué)報,2016,40(4)：712～719.

[13]董銳,王寧寧,周健等.改性殼聚糖-凹凸棒石復(fù)合絮凝劑絮凝采收小球藻[J].環(huán)境工程學(xué)報,2016,10(2)：709～716.