化學助劑協(xié)同γ射線輻照制備低分子量殼聚糖

曾虹燕，夏 葵，廖凱波，吳國忠，高文成

1.湘潭大學 化工學院 生物技術研究所，湖南 湘潭 411105;2.中國科學院 上海應用物理研究所 輻射技術應用中心，上海 201800

殼聚糖是一種天然生物高分子材料，具有無毒、抗菌保健、良好的生物相容性和可降解等性能，在化工、醫(yī)藥、印染等領域有著廣泛的應用[1]。近年來，低分子量殼聚糖的制備得到了許多學者的重視，對殼聚糖的不同降解法得到了深入的研究[2]。由于相對分子質(zhì)量對殼聚糖的性質(zhì)有很大影響，因此將殼聚糖降解到需要的相對分子質(zhì)量是其應用的前提。目前主要使用化學降解法[3]，化學試劑雙氧水由于其降解成本低、產(chǎn)品無殘毒等優(yōu)點得到廣泛應用，但反應時間長，易發(fā)生副反應。硼氫化鈉易于與殼聚糖中乙酰氨基發(fā)生親和取代反應，生成具有氨基的殼聚糖，但硼氫化鈉易產(chǎn)生硼污染。L-α-丙氨酸液中的氨基能提高殼聚糖的氨基含量，改善活性，但降解效果不明顯。因此，選擇合適的降解方法具有重要意義。

γ射線輻照方法降解殼聚糖工藝，具有操作簡單、無污染、易控制、技術附加值高并可在常溫下進行等優(yōu)點，國內(nèi)外學者已展開了廣泛研究[4-6]。本工作擬以化學試劑雙氧水、硼氫化鈉和L-α-丙氨酸為溶液，采用γ射線輻照新技術，降解制備一系列低相對分子質(zhì)量的殼聚糖，研究γ射線劑量對不同溶液中殼聚糖的降解、脫乙酰度和白度的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

殼聚糖，自制，相對分子質(zhì)量2.6×105，脫乙酰度80.5%，白度69%；其余試劑均為分析純。60Co輻射源，中國科學院上海應用物理研究所；Specrum Qne B型傅立葉變換紅外光譜儀，美國PE公司；U-2001紫外-可見分光光度儀，日本HITACHI公司；YQ-Z-48A型白度儀，上海三準儀器設備有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1γ射線輻照制備低分子量殼聚糖 準確稱取殼聚糖樣品若干，分別分散于蒸餾水、w=0.5%硼氫化鈉水溶液、w=0.5%L-α-丙氨酸水溶液和w=1.0%雙氧水溶液中，配成10%的殼聚糖懸濁液，超聲波除去懸濁液空氣，通入氮氣，進行不同劑量的60Co(0、25、50、100、150、200 kGy)輻照，抽濾。濃縮濾液，無水乙醇檢驗殼聚糖的水溶性。同時真空干燥濾出物，得低分子量殼聚糖，稱重，備用。

1.2.3脫乙酰度(D.D)的測定 電導滴定法參考文獻[8]測定。

1.2.4白度測定 參見GB 12097—89測定。

2 結果和討論

2.1 輻照劑量對不同溶液中殼聚糖的降解

γ射線在大氣和真空環(huán)境下對殼聚糖的照射都使殼聚糖發(fā)生明顯的降解反應，如圖1(a)所示。殼聚糖相對分子質(zhì)量隨輻照劑量的增加而呈下降趨勢，輻照降解效果明顯。

w=1.0% H2O2液中，殼聚糖降解速度最快，100 kGy輻照劑量時，樣品相對分子質(zhì)量減小至2.5×104；200 kGy時，降至1.8×104。在水中輻照劑量分別為100 kGy和200 kGy時，樣品相對分子質(zhì)量由2.6×105降至5.3×104和2.8×104。在w=0.5% NaBH4和w=0.5% L-α-丙氨酸液中，小于25 kGy時，殼聚糖相對分子質(zhì)量降解緩慢；25～100 kGy輻照范圍，相對分子質(zhì)量降解速度加大；100～200 kGy范圍，樣品相對分子質(zhì)量均略有減少。100～200 kGy范圍，w=0.5% NaBH4和w=0.5%L-α-丙氨酸液中的殼聚糖相對分子質(zhì)量下降速度與水的幾無差異。由圖1(a)可知，分散在雙氧水中的殼聚糖相對分子質(zhì)量降解最為劇烈，樣品相對分子質(zhì)量也最低。

0～100 kGy輻照范圍，所有樣品隨輻照劑量的增加，其相對分子質(zhì)量急劇下降。當輻照劑量繼續(xù)增大，樣品的相對分子質(zhì)量下降明顯減緩，基本上保持在1.8×104～2.8×104范圍內(nèi)，降解效果不明顯。其它多糖經(jīng)過輻照后也得到類似的結果，比如瓊脂、海藻酸鹽，尤其是卡拉膠溶液。γ射線輻照可以誘導殼聚糖多聚物β(1-4)糖苷鍵的斷裂，從而使聚合物的相對分子質(zhì)量降低；因此對殼聚糖進行一定劑量的輻照可以使得殼聚糖的粘度迅速降低[9]。γ射線輻照對在H2O2中的殼聚糖相對分子質(zhì)量降解速率最快，能力最強，可能H2O2經(jīng)輻照分解出的·OH對殼聚糖的降解有至關重要的作用，·OH引發(fā)了殼聚糖的自由基降解，同時，·OH的強氧化作用又引發(fā)其氧化降解，兩種作用綜合結果，使殼聚糖的降解速度大大增加[10]。

2.2 輻照降解對不同溶液中殼聚糖脫乙酰度的影響

輻照劑量對不同溶劑中殼聚糖脫乙酰度的影響示于圖1(b)。從圖1(b)可知，在未輻照條件下，分散在水中的樣品的脫乙酰度保持不變，為80.4%；25 kGy輻照時脫乙酰度略有提高，為84.1%，但并不隨輻照劑量繼續(xù)增大而改變。輻射電離H2O中的OH-離子與乙?；l(fā)生反應，可能取決于兩種作用，即酰氨的水解阻力和小分子擴散阻力。反應后期由于分子膠團阻力，使得OH-離子難以擴散進入殼聚糖，而使反應難以進行。這使甲殼素脫乙酰化反應很難達到高脫乙酰度[11]。

圖1 輻照劑量對殼聚糖相對分子質(zhì)量(a)、脫乙酰度(b)和白度(c)的影響Fig.1 Effect of radiation dose on average-molecular weight(a), chitosan deacetylation(b) and the white degree(c) of chitosan■——H2O，○——NaBH4，★——丙氨酸(Alanine)，▽——H2O2

分散在L-α-丙氨酸液中的殼聚糖未輻照時，其脫乙酰度提高到83.4%，25 kGy輻照樣品脫乙酰度稍有提高，為87.5%，進一步增大輻照劑量對殼聚糖脫乙酰度幾無影響。可能L-α-丙氨酸液中本身已含有氨基整合到殼聚糖的分子中，故未輻照時樣品脫乙酰度有所提高。增大輻照劑量為25 kGy，輻射部分氨基酸開鏈，使得氨基基團進一步整合到殼聚糖的分子中，使得殼聚糖分子中的氨基略微增多。未輻照的H2O2中殼聚糖脫乙酰度也升高到87.5%；與25 kGy輻照強度下的相差無幾(87.1%)；50 kGy輻照劑量下其脫乙酰度則迅速降至83.7%；100～200 kGy劑量時，其脫乙酰度穩(wěn)定在80.4%左右?？赡墚斴椪諒姸却笥?5 kGy時，增大輻照強度能產(chǎn)生更多的強氧化性基團與部分氨基反應，降低了氨基的含量，使得脫乙酰度降低。

綜上可知，所有樣品的脫乙酰度幾乎均處于80.4%～87.5%的范圍內(nèi)，輻照劑量對殼聚糖脫乙酰度無顯著影響，從FTIR分析可知，輻照沒有改變殼聚糖的酰胺結構，其酰胺結構保持不變(圖2)，這與張志亮等[12]報道相符。 綜合圖1(a)、(b)結果，在一定溶劑環(huán)境和輻照劑量下，殼聚糖降解產(chǎn)物的脫乙酰度與其分子量不相關，無章可循。

圖2 不同溶液、不同輻照劑量下的殼聚糖的UV圖譜Fig.2 UV-VIS spectra of the chitosan under different irradiation自下而上(From bottom to top)：0 kGy,H2O;100 kGy,NaBH4;100 kGy,丙氨酸(Alanine);0 kGy,H2O2;25 kGy,H2O2;100 kGy,H2O2

2.3 輻照對不同溶液中殼聚糖白度的影響

2.4 輻照劑量對不同溶液中水溶性殼聚糖的形成

低于25 kGy輻照劑量，所有降解樣品的水溶性殼聚糖均無檢出。在50～200 kGy輻照劑量下，隨著輻照劑量的增加，水溶性殼聚糖含量均有所增加。在相同輻照劑量下，H2O2中的水溶性殼聚糖含量最高，水、NaBH4和L-α-丙氨酸液中的水溶性殼聚糖的含量幾無差異。在200 kGy輻照劑量下，H2O2中的水溶性殼聚糖含量為6%；其余三者為4%。

γ射線輻照H2O2中殼聚糖生成的水溶性殼聚糖含量最高，主要是因為γ射線輻照對H2O2中的殼聚糖分子量降解能力最強，使得其產(chǎn)生低分子水溶性的殼聚糖的概率較之其它溶液的大，故產(chǎn)生較多的水溶性殼聚糖。但在本文現(xiàn)有的實驗條件下，較難得到高含量水溶性殼聚糖，而低分子量殼聚糖居多。

2.5 UV-VIS分析

2.6 FTIR分析

圖3 不同溶液、不同輻照劑量下殼聚糖的 FTIR圖譜Fig.3 FTIR spectra of the irradiated chitosan samplesa——0 kGy,H2O;b——100 kGy,H2O;c——0 kGy,H2O2;d——25 kGy,H2O2;e——100 kGy,H2O2;f——100 kGy,丙氨酸(Alanine);g——100 kGy,NaBH4

3 結 論

用γ輻照降解法成功制備了一低相對分子質(zhì)量的殼聚糖，研究了γ射線劑量對不同溶液中殼聚糖的降解、脫乙酰度和白度的影響。在小于100 kGy輻照范圍內(nèi)，隨輻照劑量的增加，所有樣品的相對分子質(zhì)量急劇下降。當輻照劑量繼續(xù)增大 (>100 kGy)，殼聚糖降解效果不明顯。輻照降解時殼聚糖酰胺結構基本保持不變，脫乙酰度無顯著變化。在低輻照 (<150 kGy) 條件下，NaBH4或L-α-丙氨酸溶液對殼聚糖的白度有一

定的保持效果。

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