低聚殼聚糖制備的研究

朱新鋒，黃永春*，楊鋒，張昆明

(1.廣西糖資源綠色加工重點實驗室，廣西 柳州 545006；2.廣西科技大學 生物與化學工程學院，廣西 柳州 545006)

殼聚糖是由甲殼素經(jīng)脫乙?；幚砗蟮玫降囊环N堿性氨基多糖，因其具有優(yōu)良的生物降解性、吸附性和低毒性等優(yōu)點[1]，在食品、化工、生物和醫(yī)藥等領域得到了廣泛的應用[2-4]，展現(xiàn)出了獨特的應用價值。然而，由于殼聚糖分子量較大，不易溶于水和堿性溶液，只能溶于乙酸等弱酸性溶液，這極大地限制了殼聚糖在各領域的應用[5]。而低聚殼聚糖具有較好的水溶性、乳化性等功能特性[6]，已廣泛應用于食品添加劑、調(diào)味品、食品保鮮等領域[7]。因此降解制備低聚殼聚糖是殼聚糖高值化利用的重要途徑，但目前低聚殼聚糖生產(chǎn)能力還較低。因此研究一種高效、實用的殼聚糖降解方法勢在必行。

本課題組已經(jīng)研究了孔板水力空化、文丘里管、射流空化等物理方法對殼聚糖降解效果的影響，且均取得一定成效。撞擊流技術作為一種新型的物理方法，具有無污染、高效率等優(yōu)點，在工業(yè)廢氣處理、粉體制備、物料粉碎等領域已經(jīng)取得了一定的進展。因此，本文應用撞擊流技術對殼聚糖進行降解，研究不同的操作條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)對殼聚糖降解效果的影響，從而為制備低聚殼聚糖提供了一種新型方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖：工業(yè)級，上?？ú┕べQ(mào)有限公司；其余試劑均為分析純。

BS224S型分析天平 德國賽多利斯股份有限公司；JS-510機械秒表 上海星鉆秒表有限公司；烏氏粘度計(0.57 mm) 上海良晶玻璃儀器廠；HK-1D型恒溫水浴槽 南京物化智能設備有限公司；GM-0.33隔膜真空泵 天津市騰達過濾器件廠；NICOLET 6700紅外光譜儀；TG209F1熱重分析儀;Waters 1515凝膠滲透色譜儀；撞擊流裝置：本實驗室自制，裝置示意圖見圖1；撞擊流裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖1 撞擊流裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of impinging stream device

注：1為溶液貯箱；2為離心泵；3為撞擊流裝置；4為壓力表；V為閥門。

圖2 撞擊流裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of impinging stream device

注：α為撞擊角度；D為出口直徑；D1為噴嘴直徑(10 mm)。

1.2 分析方法

1.2.1 實驗方法

1.2.1.1 初始濃度對降解效果的影響

將殼聚糖溶解到0.2 mol/L醋酸-0.1 mol/L醋酸鈉緩沖液中配成濃度分別為1，3，5，7，10 g/L的殼聚糖溶液，并調(diào)節(jié)溶液的pH至4.4，保持反應溫度為40 ℃，調(diào)控反應流速為4.2 m/s，通過撞擊角為90°、出口直徑為10 mm的撞擊流反應器裝置循環(huán)40 min，測定殼聚糖溶液的特性粘度在反應前和反應后的變化并分析殼聚糖初始濃度對降解效果的影響。

1.2.1.2 溶液pH對降解效果的影響

將殼聚糖溶解到0.2 mol/L醋酸-0.1 mol/L醋酸鈉緩沖液中配成濃度為3 g/L的殼聚糖溶液，調(diào)節(jié)溶液的pH分別為3.2，3.6，4.0，4.4，4.8，保持反應溫度為40 ℃，調(diào)控流速為4.2 m/s，通過撞擊角為90°、出口直徑為10 mm的撞擊流反應器裝置循環(huán)40 min，測定殼聚糖溶液的特性粘度在反應前和反應后的變化并對不同pH對降解效果的影響進行分析。

1.2.1.3 反應時間對降解效果的影響

將殼聚糖溶解到0.2 mol/L醋酸-0.1 mol/L醋酸鈉緩沖液中配成濃度為3 g/L的殼聚糖溶液，并調(diào)節(jié)溶液的pH至4.4，調(diào)控流速為4.2 m/s，保持反應溫度為40 ℃，通過撞擊角為90°、出口直徑為10 mm的撞擊流反應器裝置循環(huán)260 min，每20 min測定殼聚糖溶液的特性粘度在反應前和反應后的變化并對反應時間對降解效果的影響進行分析。

1.2.1.4 溶液流速對降解效果的影響

將殼聚糖溶解到0.2 mol/L醋酸-0.1 mol/L醋酸鈉緩沖液中配成濃度為3 g/L的殼聚糖溶液，并調(diào)節(jié)溶液的pH至4.4，保持反應溫度為40 ℃，通過控制撞擊流的閥門，調(diào)控流量為20，60，110，160，190，210，230 mL/s，通過撞擊角為90°、出口直徑為10 mm的撞擊流反應器裝置循環(huán)40 min，測定殼聚糖溶液的特性粘度在反應前和反應后的變化并對溶液流速對降解效果的影響進行分析。

1.2.1.5 撞擊流反應器結(jié)構(gòu)對降解效果的影響

將殼聚糖溶解到0.2 mol/L醋酸-0.1 mol/L醋酸鈉緩沖液中配成濃度為3 g/L的殼聚糖溶液，并調(diào)節(jié)溶液的pH至4.4，調(diào)控流速為4.2 m/s，控制撞擊角度為30°、45°、60°、90°，循環(huán)反應40 min，測定殼聚糖溶液的特性粘度在反應前和反應后的變化并對不同撞擊角度的撞擊流裝置對降解效果的影響進行分析。

1.2.2 特性粘度下降率的測定

通過特性粘度下降率進行表征[8]：

式中：ηo，ηt是反應前后溶液的特性粘度，mL/g。用烏式粘度計在(30±0.1) ℃條件下測定殼聚糖溶液的特性粘度，殼聚糖溶液流出時間為t，溶劑流出時間為t0，用文獻[9]的方法計算特性粘度。

1.2.3 凝膠滲透色譜分析

本實驗采用型號為Waters 1515(美國)的凝膠滲透色譜儀對殼聚糖樣品及降解產(chǎn)物進行分析，保持殼聚糖溶液的濃度為3 g/L，調(diào)節(jié)溶液的pH為4.4，使溶液溫度保持在40 ℃，流速為4.2 m/s的條件下，溶液在撞擊流反應器中循環(huán)反應100 min，每隔20 min取樣1次，利用凝膠滲透色譜法對殼聚糖的分子量分布進行測定。

1.2.4 紅外光譜分析

采用紅外光譜儀對殼聚糖樣品及其降解產(chǎn)物在400～4000 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)進行掃描，通過分析光譜圖中吸收峰的位置和形狀，從而推斷殼聚糖降解前后基本結(jié)構(gòu)的變化。

2 實驗分析

2.1 殼聚糖的降解效果

2.1.1 初始濃度的影響

圖3 殼聚糖濃度對降解效果的影響Fig.3 Effect of chitosan concentration on degradation

由圖3可知，殼聚糖溶液的濃度對降解效果的影響非常顯著。當殼聚糖溶液濃度從1 g/L增加到10 g/L時，特性粘度下降率從67.6%降低到3.7%。說明低濃度殼聚糖溶液有利于降解。其原因：一方面，溶液濃度越大，粘度越大，殼聚糖分子在相同的碰撞條件下，每個殼聚糖分子能夠獲得的斷鏈的機械能減少，并且分子之間碰撞及摩擦的作用力減小，因此由碰撞轉(zhuǎn)變成的應變能減小[10]，從而導致殼聚糖分子內(nèi)化學鍵斷裂的數(shù)量減少，故降解效果減弱；另一方面，溶液濃度越大，其粘度越大，會使碰撞瞬間產(chǎn)生速度梯度下降的程度減弱，導致機械剪切效應變小，從而減弱了降解效果。

2.1.2 溶液pH對降解效果的影響

圖4 pH對降解效果的影響Fig.4 Effect of pH on degradation

由圖4可知，溶液的pH值是撞擊流技術降解殼聚糖的重要影響因素。pH在3.2～4.4之間時，隨著溶液pH的升高，特性粘度下降率也隨之增加，當pH>4.4時，溶液的特性粘度下降率反而減小。這是因為當pH較小時，溶液中氫離子濃度高，導致陰離子的濃度也增加，殼聚糖分子形成的鹽鍵增多[11]，導致殼聚糖分子的伸展程度減弱，殼聚糖分子在相同的撞擊力、剪切力、摩擦力的作用下，降低了分子的降解速度[12]；另外，殼聚糖降解是在酸性條件下催化反應，只有在酸性條件下才能進行，而pH太大不利于降解反應的進行。

2.1.3 反應時間對降解效果的影響

圖5 反應時間對降解效果的影響Fig.5 Effect of reaction time on degradation

由圖5可知，殼聚糖降解過程中，在反應前80 min，溶液特性粘度下降率升高很快，但是，延長殼聚糖溶液在反應器中的反應時間，發(fā)現(xiàn)殼聚糖溶液的特性粘度下降率升高幅度逐漸變緩。這是因為反應初期殼聚糖分子鏈較長，在撞擊流反應器中，由于機械剪切效應使長鏈斷裂，形成很多短鏈殼聚糖分子。當短鏈殼聚糖分子再通過撞擊流反應器時，由于殼聚糖分子的分子鏈已經(jīng)很短，所以斷鍵的能力減弱。所以，降解率呈現(xiàn)先直線升高后趨于平緩的趨勢。因此，既要提高殼聚糖降解效果，又要降低能耗，實驗選取的反應時間不宜過長。

2.1.4 溶液流速對降解效果的影響

圖6 流速對降解效果的影響Fig.6 Effect of flow velocity on degradation

由圖6可知，在降解反應中，隨著流速的增大，殼聚糖溶液特性粘度下降率隨之升高。當流速達到190 mL/s時，特性粘度下降率升高的幅度突然增加。這是因為：一方面，溶液中通過噴嘴進入撞擊區(qū)的殼聚糖分子之間的剪切力與溶液的速度和密度成正比[13]。相同條件下，液體的流速決定了殼聚糖分子承受剪切力的大小。高速對撞過程中，流速的大小即分子承受剪切力的大小，流速越大，殼聚糖分子所受的剪切力越大，分子越容易斷鍵，所以降解效果越顯著；另一方面，當流速增加時，流體間湍流程度加強，分子間碰撞更加劇烈，使化學鍵更容易斷裂，從而導致殼聚糖特性粘度下降率升高。因此，較大的流速有利于殼聚糖溶液的降解。

2.1.5 撞擊角度對降解效果的影響

由圖7可知，撞擊角度的改變對殼聚糖特性粘度下降率的影響具有差異性。當撞擊角度較小時，撞擊區(qū)流體的湍動程度較小，液體以“Y”形流出；隨著撞擊角度的增大，對撞明顯加強，殼聚糖溶液的降解效果得到加強，當撞擊角度為90°時，特性粘度下降率最大。這是因為隨著撞擊角度的增大，撞擊流反應器中兩股流體分別從噴嘴射入到撞擊面的過程中，軸向速度逐漸減小，徑向速度逐漸增大，對撞程度明顯增強，同時撞擊面處的湍流程度增加，這兩股流體的動能最大程度地轉(zhuǎn)化為碰撞時的撞擊力、剪切力等，從而提高了殼聚糖的降解率。

圖7 撞擊角度對降解效果的影響Fig.7 Effect of impinging angle on degradation

2.2 凝膠滲透色譜分析

圖8 不同時間降解產(chǎn)物的凝膠滲透色譜圖Fig.8 Gel permeation chromatogram of degradation products at different time

由圖8可知，隨著殼聚糖溶液反應時間的延長，降解產(chǎn)物的色譜峰向保留時間較高的方向偏移，其峰形未發(fā)生明顯變化，說明殼聚糖在撞擊流反應器作用下發(fā)生了降解，大分子不斷減少，小分子不斷增多，其平均分子量降低，且分散指數(shù)未發(fā)生變化。

2.3 紅外光譜分析

圖9 殼聚糖樣品及降解產(chǎn)物的紅外譜圖Fig.9 Infrared spectra of chitosan samples and degradation products

由圖9可知，位于1051，1081 cm-1處的吸收峰明顯增強，說明殼聚糖分子中的C-O鍵發(fā)生了變化，表明殼聚糖的降解主要發(fā)生在主鏈上；在1690，1548，1340 cm-1附近的吸收峰也沒有明顯差異，可知降解過程中-NH2的數(shù)量基本沒有變，酰胺結(jié)構(gòu)也沒有發(fā)生太大變化；此外，在895 cm-1附近的吸收峰表明殼聚糖的主鏈仍是環(huán)狀結(jié)構(gòu)。由以上結(jié)果可知，殼聚糖分子經(jīng)撞擊流技術降解后，其官能團和結(jié)構(gòu)單元基本沒有變，撞擊流降解主要是切斷了殼聚糖的β-(1,4)-糖苷鍵[14]，此降解方式并不改變降解產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

實驗結(jié)果表明：殼聚糖溶液濃度越低，降解效果越好，當溶液濃度為1 g/L時，特性粘度下降率達到最高，為67.6%。隨pH增大，殼聚糖降解效果先增強后減小，當pH為4.4時殼聚糖降解效果最好；殼聚糖降解率隨著流量的增大而升高，當流速在190～230 mL/s時升高的趨勢較為明顯，當流量為230 mL/s時，特性粘度下降率最大，達到48.5%；隨著反應時間的延長，殼聚糖降解率呈現(xiàn)升高的趨勢，升高的幅度逐漸減弱；當撞擊角度為90°時，殼聚糖的特性粘度下降率最大；撞擊流技術能有效降解殼聚糖，且糖鏈的斷裂主要發(fā)生在主鏈的β-(1,4)-糖苷鍵上。