殼聚糖及丁二酸酐?；瘹ぞ厶请p氧水降解行為的研究

代元坤，賀繼東，安 康，肖 嫻，劉 朋，況 波

（青島科技大學(xué) 橡塑材料與工程教育部重點實驗室山東省橡塑材料與工程重點實驗室，山東 青島266042）

殼聚糖（Chitosan，CS）是一種天然高分子堿性多糖，由甲殼素部分脫乙酰制得，分子量從幾十萬到幾百萬不等。由于具有優(yōu)良的物理化學(xué)性能及生物相容性能，廣泛應(yīng)用于食物、農(nóng)業(yè)、制藥及化妝品等領(lǐng)域［1］。

殼聚糖溶解性差，只溶于稀的鹽酸、硝酸等無機酸和大多數(shù)有機酸，不溶于水和堿性溶液，化學(xué)性質(zhì)不活潑，使得其應(yīng)用受到很大的限制。經(jīng)過降解后的低聚殼聚糖分子量（Mw＝1000～10 000）較小，不僅保持了高聚殼聚糖所具有的功能，如降低膽固醇、降血壓、降血脂、防治糖尿病、強化肝臟機能、治療燒燙傷等，而且還具有許多高聚殼聚糖所不具備的生理活性和功能，如保濕性、免疫調(diào)節(jié)、防癌、調(diào)節(jié)腸道菌群、抗菌防腐、作為功能性甜味劑及營養(yǎng)強化劑載體、排除體內(nèi)有毒有害物質(zhì)、誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗毒素等。

殼聚糖的降解方法分為物理降解法、生物降解法和化學(xué)降解法等。物理降解法包括輻射降解法［2］、光降解法［3］、超聲波降解法［4，5］。生物降解法所采用的降解酶包括能專一性地催化水解甲殼素、殼聚糖的酶，主要有甲殼素酶、殼聚糖酶以及能脫除甲殼素中乙酰氨基上的乙?；拿撘阴；?；另外，非專一性的水解酶如蛋白酶、脂肪酶、溶菌酶、纖維素酶、半纖維素酶等對甲殼素和殼聚糖也有降解功能［6－10］。化學(xué)降解法主要包括酸降解法［11，12］和氧化降解法［13］等。

作者采用丁二酸酐制備?；瘹ぞ厶?，然后在雙氧水氧化降解體系下制備低分子量殼聚糖和低分子量丁二酸酐酰化殼聚糖；討論該體系下殼聚糖及丁二酸酐?；瘹ぞ厶堑慕到馑俾?，通過紅外光譜分析雙氧水對低分子量殼聚糖和低分子量丁二酸酐?；瘹ぞ厶墙Y(jié)構(gòu)的影響。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

殼聚糖（脫乙酰度為81%），青島利中甲殼質(zhì)公司；鹽酸（質(zhì)量分數(shù)36%～38%）、雙氧水（30%）、無水Na2CO3、冰乙酸、丁二酸酐等均為分析純。

烏氏粘度計；TENSOR－27型傅立葉紅外光譜儀（KBr壓片），德國BRUKER公司。

1.2 方法

1.2.1 丁二酸酐?；瘹ぞ厶牵–HS）的制備

稱取干燥好的殼聚糖2g置于三口燒瓶中，加入150mL水，稱取無水碳酸鈉2g及一定量丁二酸酐，混合均勻后，分4次（每30min加1次）加入反應(yīng)體系，在常溫下攪拌反應(yīng)3h。反應(yīng)停止后將產(chǎn)物倒入燒杯，用NaOH溶液調(diào)至堿性，使沒反應(yīng)完的殼聚糖沉淀析出，離心，去沉淀。濾液用HCl調(diào)至酸性，?；瘹ぞ厶俏龀?，過濾，沉淀用大量的丙酮浸泡，過濾并沖洗3次，在通風(fēng)櫥中放置2d，最后于60℃真空烘箱中干燥2h，即得丁二酸酐?；瘹ぞ厶?。

1.2.2 低分子量殼聚糖（LCS）的制備

取0.500g殼聚糖、0.6mL冰乙酸及一定體積去離子水加入三口瓶中，60°C恒溫，一次性加入5%（體積分數(shù)，下同）雙氧水，反應(yīng)總體積為100mL，在氮氣保護下反應(yīng)。從開始反應(yīng)起每隔50min移取2mL反應(yīng)液于試管，靜置。反應(yīng)結(jié)束后調(diào)pH值為堿性，加甲醇沉淀，過濾，將白色沉淀用甲醇洗3次，于60℃真空烘箱中干燥，即得低分子量殼聚糖。

1.2.3 低分子量丁二酸酐?；瘹ぞ厶牵↙CHS）的制備

取4g丁二酸酐酰化殼聚糖溶于150mL去離子水中，調(diào)pH值為中性，攪拌下加入5%的雙氧水50mL，60℃恒溫降解。從開始反應(yīng)起每隔30min移取2mL反應(yīng)液于試管，靜置。反應(yīng)結(jié)束后調(diào)pH值為中性，加3倍的甲醇沉淀，過濾，將白色沉淀用甲醇洗3次，于60℃真空烘箱中干燥，即得低分子量丁二酸酐?；瘹ぞ厶?。

1.2.4 分子量的測定

溶劑的配制：配制0.2mol·L－1CH3COOH＋0.1mol·L－1CH3COONa溶劑50mL，用G3型砂芯漏斗過濾，恒溫待用。

待測溶液的配制：分別取2mL靜置后的樣品，用0.2mol·L－1CH3COOH＋0.1mol·L－1CH3COONa溶劑配成20mL 0.05%的待測溶液，經(jīng)G3型砂芯漏斗過濾到干燥的50mL容量瓶中，恒溫待用。

特性粘度（［η］）的測定：將烏氏粘度計垂直固定于（25±0.02）℃恒溫水浴中，移取10mL過濾好的待測溶液注入其中，恒溫10min，使待測溶液溫度與水浴溫度達到平衡后，測試待測溶液的流出時間t，實驗結(jié)束后測定溶劑的流出時間t0。

分子量（M）的測定：王偉等［14］測定的此溶劑體系下脫乙酰度為84%的殼聚糖溶液的K值為1.424×10－3、α值為0.96，因此，可按公式［η］＝KMα＝1.424×10－3M0.96計算分子量。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

2.1.1 殼聚糖及丁二酸酐?；瘹ぞ厶堑募t外光譜（圖1）

圖1 殼聚糖及丁二酸酐酰化殼聚糖的紅外光譜Fig.1 The IR spectra of CS and CHS

由圖1可看出，丁二酸酐酰化殼聚糖在3389cm－1、1557cm－1、1737cm－1左右出現(xiàn)了比較明顯的吸收峰，其中3389cm－1處是酰胺鍵中N－H的伸縮振動峰、1737cm－1處是酰胺鍵中C＝O的伸縮振動峰、1557 cm－1處是酰胺鍵中N－H的彎曲振動峰。由此說明在氨基上發(fā)生了?；磻?yīng)。由圖1還可看出，殼聚糖?；笤?082cm－1處的－OH峰值變小，說明也有一部分反應(yīng)發(fā)生在羥基上。

2.1.2 殼聚糖及其降解產(chǎn)物的紅外光譜

殼聚糖在降解過程中除發(fā)生糖苷鍵斷裂外，還可能存在開環(huán)等副反應(yīng)，如果副反應(yīng)過多，會影響殼聚糖的基本結(jié)構(gòu)，則無法保持殼聚糖的原有性質(zhì)。殼聚糖及其降解產(chǎn)物的紅外光譜如圖2所示。

圖2 殼聚糖及其降解產(chǎn)物的紅外光譜Fig.2 The IR spectra of CS and LCS

由圖2可看出，殼聚糖降解后，－NH2、－OH的特征吸收峰依然存在，且－N－H剪式振動和－NH2伸縮振動更明顯，說明降解后殼聚糖單元基本結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯變化，只是糖苷鍵斷裂，分子量降低，某些特征吸收峰（如－NH2）變強。

2.1.3 丁二酸酐?；瘹ぞ厶羌捌浣到猱a(chǎn)物的紅外光譜（圖3）

圖3 丁二酸酐酰化殼聚糖及其降解產(chǎn)物的紅外光譜Fig.3 The IR spectra of CHS and LCHS

由圖3可以看出，丁二酸酐?；瘹ぞ厶墙到夂螅０锋I的特征峰沒有發(fā)生變化；在2944cm－1、1663cm－1處分別出現(xiàn)了醛基的C－H、C＝O伸縮振動峰，表明在降解過程中生成了醛基；在811cm－1處的糖環(huán)峰無明顯變化，表明雙氧水降解并沒有破壞吡喃糖環(huán)；在1000cm－1左右的C－O－C伸縮振動峰強度變?nèi)?，表明主鏈的C－O－C部分斷裂。

2.2 殼聚糖及丁二酸酐酰化殼聚糖的降解速率

殼聚糖及丁二酸酐?；瘹ぞ厶窃陔p氧水中降解時的分子量與降解時間關(guān)系曲線見圖4。

圖4 降解產(chǎn)物分子量與降解時間的關(guān)系Fig.4 The relationship between molecular weight of degraded products and degradation time

由圖4可知，對于殼聚糖和丁二酸酐?；瘹ぞ厶牵到庵饕l(fā)生在反應(yīng)開始后的2～3h內(nèi)，之后降解產(chǎn)物的分子量趨于穩(wěn)定，約為20 000。在降解反應(yīng)開始時，殼聚糖與丁二酸酐?；瘹ぞ厶堑慕到馑俾驶疽恢?，當反應(yīng)進行到一定程度后，殼聚糖的降解趨于終止，而丁二酸酐?；瘹ぞ厶墙到猱a(chǎn)物的分子量仍在下降。表明在相同的雙氧水濃度及降解溫度下，丁二酸酐?；瘹ぞ厶堑慕到獬潭认鄬ぞ厶歉螅f明殼聚糖經(jīng)丁二酸酐?；笤陔p氧水體系中更容易發(fā)生降解。

3 結(jié)論

在簡單均相體系下，采用雙氧水降解殼聚糖所得低分子量產(chǎn)物基本保持了高分子量殼聚糖的結(jié)構(gòu)特征。當雙氧水體積分數(shù)為5%、降解溫度為60℃時，殼聚糖及丁二酸酐酰化殼聚糖的氧化降解主要在反應(yīng)開始后的2～3h內(nèi)完成，能得到分子量為20 000左右的降解產(chǎn)物。同時，在相同條件下，丁二酸酐酰化殼聚糖更容易在雙氧水體系中發(fā)生降解。

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