生物降解材料研究院原創報導，天然高分子降解材料主要分為甲殼素基降解材料、澱粉基生物降解材料、纖維素基降解材料。本文主要針對甲殼素基降解材料的基礎信息進行闡述。
01 甲殼素簡介
甲殼素英文名Chitin，分子式為(C16H26N2O10)n，是由β-1,4糖苷鍵連接的2-乙醯氨基-2-脫氧-D-葡萄糖的高分子線性聚合物，化學結構式如下圖。
甲殼素是自然界僅次於木質纖維素的第二大生物聚合物，是許多低等動物外殼的重要成分，如蝦殼中約含15%～30%，蟹殼中約含15%～20%等。亦是低等植物菌類細胞膜的組成部分，像真菌、綠藻、酵母、烏賊等。
甲殼素在鹼性條件下脫乙醯得到的殼聚糖（又叫殼寡糖），它是一種可生物降解的高分子，可以廣泛應用於食品包裝或食品添加劑。
02 甲殼素的性質
物理性質
甲殼素是一種外觀呈白色或微黃色的含氮多糖物，又稱甲殼質、殼蛋白等。在自然界中是以結晶形態出現，即α、β、γ晶形。甲殼素具有無毒無害、可食用、生物相容性、可生物降解等特性，同時具備耐熱、抗菌、抗氧化和抗癌作用。
化學性質
甲殼素是世界上唯一帶正電的天然高分子多聚糖，能對帶負電的有害物質產生吸附作用。
甲殼素結構中存在大量的氫鍵，包括O=O和N-H基團形成的氫鍵，C上的OH和環氧之間形成的氫鍵，以及每個鏈上的C=O和相鄰糖環上的OH形成的分子間氫鍵。
當甲殼素及其衍生物受到輻射或者溶劑高溫熱解時，可形成小分子量的酯化物和芳香族雜環化合物，如吡咯、呋喃、吡啶等。
甲殼素的化學結構與天然纖維素相似，分子中除存在羥基外，還含有乙醯氨基和氨基功能基團，具有比纖維素及其衍生物更廣泛的性質。不溶於水、乙醇、乙醚、鹽類和稀酸、稀鹼；能溶於醋酸，與濃的強氧化納溶液作用，形成玻璃狀膠體的可溶性甲殼素(也稱殼聚糖)。分子結構式對比如下圖所示。
甲殼素可用於：
①純化水和從海水中提取鈾的離子交換樹脂；
②凝膠色譜柱的填充物和分子篩；
③製備能被生物或酶降解的食物包裝膜，或可溶性的體內手術線；
④培植植物或微生物的保水劑；
⑤紡織品的防縮、防皺處理，直接染料或硫化染料的固色。
03 甲殼素的提取方法
目前甲殼素主要是從自然界中富含甲殼素的動植物中提取。傳統工藝流程如下圖所示。
除此之外，甲殼素的提取方法有化學法、微生物發酵法和酶解法等。
化學法是目前甲殼素提取的主要生產方法，包括脫礦物質、脫色、脫蛋白三個過程，提取效率高，缺點是需要消耗大量的酸和鹼，提取過程複雜且汙染環境。
微生物發酵法是利用真菌/細菌的發酵過程，以礦物質為營養物消耗菌種產生的蛋白酶，或有機酸消化蛋白質。
酶解法是採用外源生物酶對原料進行脫蛋白與脫礦物質鹽的方法，華中農業大學碩士研究生李永強等人採用蛋白酶Ｋ對蝦殼進行酶解，對鈣鹽和蛋白質的去除率均達到90%以上。
另外，EDTA法、離子液體提取法和預熱處理法也都有用於甲殼素的提取，因收率低、成本高以及相關的安全問題而未大規模投入生產使用。
04 甲殼素的降解機理
目前，按殼聚糖/甲殼素降解機理主要可分為兩大類：
(1)特異性降解機理，有酶解法；
(2)非特異性降解機理，有酸解法、氧化法、物理法等方法。
酶解法：採用對殼聚糖具有生物活性的酶對其進行降解，製取殼聚糖寡糖。這些酶可特異選擇性地切斷甲殼素/殼聚糖中某些特定位置的化學鍵，製備低聚糖。
高粘度的殼聚糖可作為汙水處理劑，包裹細菌和酶。
可用甲殼素與聚乙烯醇的共聚物製得具有高阻隔氣體透過性，能夠被生物降解及崩解的塑料薄膜，這種薄膜的力學性能可達到一般塑料薄膜的強度。
另外可利用木質素上的羥基與不同試劑反應得到乙烯基共聚物，使其具有生物降解性。
報導來源 | 生物降解材料研究院
撰文編輯 | 小將
參考文獻 |
[1]鄭鳳昳. 甲殼素、蝦殼液化及其液化物基複合膜的製備與性能研究[D].海南大學,2019.
[2]尹學瓊. 殼聚糖金屬配位控制降解及低聚殼聚糖的應用研究[D].昆明理工大學,2002.
[3]張建軍. 海洋生物質纖維的熱降解、燃燒特性與阻燃機理研究[D].青島大學,2011.
[4]邵自強,譚惠民,趙春紅.天然高分子基生物降解性塑料研究現狀[J].華北工學院學報,2000(02):138-141.
[5]尹國強,崔英德,康正,廖列文.塑料助劑工業的現狀及發展趨勢[J].廣東化工,2003(01):2-6.
[6]梁興榮.國外塑料助劑現狀及發展趨勢[J].合成材料老化與應用,1994(02):21-26.
關注公眾號生物降解材料研究院了解更多資訊