壳聚糖呈现双螺旋结构特征，螺距为0.515 nm，6个糖残基组成一个螺旋平面。甲壳素和壳聚糖的氨基、羟基、N-乙酰氨基形成的氢键，形成了甲壳素和壳聚糖大分子的二级结构。壳聚糖的氨基葡萄糖残基的椅式结构中有2种分子内氢键，一种壳聚糖分子间氢键是C3-OH与相邻的另一条壳聚糖分子链上的糖苷基形成的，另一种分子间氢键是氨基葡萄糖残基的C3-OH与相邻壳聚糖呋喃环上的氧原子形成的。甲壳素和壳聚糖的C3-OH、C2-NH2、C6-OH等官能团均可形成分子内和分子间氢键。
壳聚糖溶液的性质对其应用有重要影响。壳聚糖溶液有其自身特性，也具有高分子化合物溶液的通性。壳聚糖不溶于水、碱以及一般有机溶剂，但是因为壳聚糖结构单元中存在- NH2基团，极易与酸反应成盐，因此，壳聚糖可以溶解在盐酸、甲酸、乙酸、乳酸、苹果酸、抗坏血酸等许多稀的无机酸或某共有机酸中，长时间加热搅拌条件下也能溶解在浓的盐酸、硝酸、磷酸中。
壳聚糖的活性吸附中心是表面自由氨基，许多无机酸、有机酸和酸性化合物，甚至两性化合物，都能被壳聚糖吸附结合。壳聚糖吸附低浓度游离酸的过程遵循甲分子层机制进行。
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