殼聚糖-Zn(Ⅱ)螯合物的制備工藝及紅外光譜研究

謝正軍 朱葉萌 鄭祝英 張亞麗 韓新燕

殼聚糖（Chitosan,CS）是由一種自然資源十分豐富的甲殼素脫乙酰基而得到的一種高分子生物，是自然界中唯一的堿性多糖,同時(shí)也是自然界大量存在的一種可再生資源[1-2]。由于殼聚糖分子中含有大量游離的-NH2和-OH，可借助氫鍵和鹽鍵形成類似網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的籠形分子，從而對(duì)金屬離子有良好的配位能力，這一作用使其在醫(yī)藥、化妝品、食品化工、生化、廢水處理、生物醫(yī)學(xué)以及農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用研究取得了重大進(jìn)展[3-6]。同時(shí)殼聚糖具有良好的生物粘附性和多種生物活性,能夠促進(jìn)傷口愈合,降低膽固醇,提高機(jī)體免疫功能,且具有殺菌作用,還能抑制癌細(xì)胞,防止癌癥復(fù)發(fā)。它對(duì)人體細(xì)胞無(wú)毒副作用,并且有親和性,不與體液反應(yīng),是一種很好的保健品。殼聚糖作為飼料添加劑，在促進(jìn)豬和家禽生長(zhǎng)、提高動(dòng)物免疫、改善動(dòng)物品質(zhì)等方面都取得了良好的效果[7]。

鋅是微量元素中生理功能最多的一種元素，其分布于機(jī)體所有器官、組織和體液中，生理劑量的鋅是維持各種含鋅酶的正?；钚约捌浯呋饔盟匦璧?。鋅可提高食欲，促進(jìn)采食量，降低腹瀉率，提高仔豬免疫力，影響體內(nèi)激素作用和體蛋白質(zhì)合成，促進(jìn)仔豬生長(zhǎng)[8-10]。在養(yǎng)殖生產(chǎn)中，由于大量使用高鋅，常常導(dǎo)致環(huán)境污染嚴(yán)重，重金屬在畜產(chǎn)品中殘留，并對(duì)人類健康帶來(lái)不利影響。所以，開(kāi)發(fā)新型的鋅替代品已經(jīng)成為微量元素營(yíng)養(yǎng)研究的熱點(diǎn)之一。

根據(jù)殼聚糖具有吸附金屬離子的特殊性質(zhì)，本文探討了殼聚糖與Zn（Ⅱ）的吸附動(dòng)力學(xué)，并對(duì)其螯合條件進(jìn)行了研究，以螯合率為主要參考指標(biāo)，確定最佳螯合條件，并對(duì)殼聚糖與Zn（Ⅱ）的螯合產(chǎn)物進(jìn)行紅外光譜分析，期望本研究的結(jié)果能為其在今后的研究中提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試劑與儀器

殼聚糖(chitosan，CS；脫乙酰度95%；浙江省金殼生物化學(xué)有限公司提供)；ZnSO4·7H2O、冰乙酸、無(wú)水乙醇、丙酮；試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為雙蒸水。

99-1大功率磁力攪拌器；eppendorf 5804型離心機(jī)；Thermo scientific M5原子吸收儀（Thermo scientific M5 AA Spectrometer，USA）；AVATAR 370 FT-IR；pHS-3TC精密數(shù)顯酸度劑。

1.2 殼聚糖與Zn（Ⅱ）螯合物的制備方法

首先將適量殼聚糖溶于2%醋酸溶液中，然后向此溶液中滴加適當(dāng)比例的金屬離子溶液，反應(yīng)時(shí)間為10 h。反應(yīng)結(jié)束后，加入丙酮：乙醇=1：1的溶液析出沉淀，離心去上清，沉淀經(jīng)雙蒸水洗滌多次，直至無(wú)陽(yáng)離子檢出；干燥，即得殼聚糖-Zn（Ⅱ）螯合物。

1.3 螯合率的計(jì)算方法

利用原子吸收分光光度計(jì)在324.7 nm處測(cè)定上清液中Zn(Ⅱ)的質(zhì)量濃度。

A(%)=(C0-C)/C0×100。

式中：A——吸附率（%）；

C0——吸附前溶液中的鋅離子濃度(mg/ml)；

C——吸附后溶液中的鋅離子濃度(mg/ml)。

1.4 紅外光譜分析

KBr壓片，4000～400 cm-1區(qū)間掃描紅外吸收。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 螯合時(shí)間對(duì)CS與Zn（Ⅱ）螯合率的影響（見(jiàn)圖1）

圖1 螯合時(shí)間對(duì)CS與Zn（Ⅱ）螯合率的影響

從圖1可以看出，殼聚糖與Zn（Ⅱ）在反應(yīng)6 h時(shí)，螯合率最大，之后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，螯合率反而有所下降，以此確定最佳螯合時(shí)間為6 h。

2.2 鋅離子起始濃度對(duì)CS與Zn（Ⅱ）螯合率的影響（見(jiàn)圖2）

從圖2可知，CS-Zn（Ⅱ）螯合率隨鋅離子起始濃度的增大而增大，當(dāng)濃度在5 mg/ml時(shí)，螯合率最大，此后螯合率呈下降趨勢(shì)。以此確定本試驗(yàn)Zn（Ⅱ）的最佳起始濃度為5 mg/ml。

圖2 鋅離子起始濃度對(duì)CS與Zn（Ⅱ）螯合率的影響

2.3 不同質(zhì)量比對(duì)CS與Cu（Ⅱ）螯合率的影響（見(jiàn)圖3）

圖3 不同質(zhì)量比對(duì)CS與Zn（Ⅱ）螯合率的影響

由圖3可以看出，在CS與Zn（Ⅱ）的比值在5：1之前，螯合率隨著比值的增加呈現(xiàn)一定的上升趨勢(shì)，當(dāng)比值為5：1時(shí)，螯合率達(dá)到最大值，以此確定本試驗(yàn)殼聚糖與Zn（Ⅱ）螯合的最佳質(zhì)量比為5：1。

2.4 不同pH值對(duì)CS與Zn（Ⅱ）螯合率的影響（見(jiàn)圖4）

由圖4可知，螯合率隨著pH值的增加而增加，并在pH值為4時(shí)達(dá)到最大，以此確定最佳pH值為4。

2.5 CS-Zn（Ⅱ）螯合物的紅外光譜學(xué)研究（見(jiàn)圖5、圖6）

圖5 殼聚糖(CS)紅外光譜

圖6 CS-Zn(Ⅱ)螯合物的紅外光譜

由殼聚糖及CS－Zn(Ⅱ)螯合物的IR光譜分析發(fā)現(xiàn)，其中位于3424.09 cm-1是由-OH伸縮振動(dòng)和-NH2伸縮振動(dòng)偶合增寬的多重吸收峰，在與Zn配位之后，該吸收峰紅移至3441.05 cm-1，說(shuō)明-OH和-NH2參與了配位反應(yīng)；CS在1601.09 cm-1處的N-H彎曲振動(dòng)，在 CS－Zn(Ⅱ)圖譜中紅移至 1574.35 cm-1，且波強(qiáng)度減弱，峰形增寬，這說(shuō)明Zn(Ⅱ)與N原子之間形成了N-Zn配位鍵；1097.27 cm-1是C-OH的伸縮振動(dòng)，在與Zn配位之后，該吸收峰紅移至1084.65cm-1，表明Zn(Ⅱ)與O原子之間形成了O-Zn配位鍵。以上光譜變化均可以表明CS與Zn(Ⅱ)發(fā)生了螯合反應(yīng)。

3 小結(jié)

3.1 本試驗(yàn)對(duì)CS與Zn(Ⅱ)的螯合條件進(jìn)行了摸索。結(jié)果表明，CS與Zn(Ⅱ)的最佳螯合條件為：殼聚糖與Zn(Ⅱ)螯合質(zhì)量比為5： 1、pH值為4、螯合時(shí)間6 h、Zn(Ⅱ)起始濃度為 5 mg/ml。

3.2 殼聚糖與CS－Zn(Ⅱ)螯合物的紅外光譜分析顯示，殼聚糖中的-OH、-NH2、-NH以及-C-OH等基團(tuán)所處的波峰位置均發(fā)生了紅移，說(shuō)明CS與Zn(Ⅱ)發(fā)生螯合反應(yīng)。

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