張惠欣 ，朱玉超，王 楓，賈瑞月

1河北工業(yè)大學化工學院，天津300130;2 衡水中鐵建集團，衡水053500

殼聚糖是自然界中唯一天然存在的陽離子堿性多糖，是甲殼素高脫乙?；a物［1］，具有很好的生物相容性，廣泛應用于生物醫(yī)藥、食品、化工、水處理等領域［2-4］。殼聚糖作為一種高聚物，由氨基葡萄糖單元經無數次重復連接而成，分子量從幾十萬到幾百萬不等。隨著分子量的增大，殼聚糖的強度、模量、韌性的提高速度減慢，最后趨于某一極限值，當分子量很高時，也就是說分子鏈很長時，流動困難，進而難以加工或應用。大分子量的殼聚糖不溶于水和有機溶劑，只能溶于乙酸、鹽酸等少數稀酸［5］，這使得殼聚糖的應用受到了更多的限制，其應用性能得不到充分發(fā)揮。目前，普遍采用的解決辦法是對殼聚糖進行各種改性處理以適應不同領域的應用要求，但改性過程中仍然要面對同樣的問題，其超高的分子量及由此帶來的溶解性能不佳，使得改性時反應體系的選擇、反應條件的控制和產物的分離等都變得比較困難。因此開展殼聚糖的降解，尤其是通過控制降解條件，得到所需分子量范圍的殼聚糖，以適應后續(xù)改性處理操作或應用要求，是一項非常必要的、具有實際應用價值的工作。

殼聚糖的降解方法有多種，如化學降解法、物理降解法、酶降解法等［6-8］，這些方法消耗資源能源較多、產率低、難以對最終產物的分子量實現規(guī)范的控制、重復性差并且絕大多數工藝都未提及產品分子量的分布情況。本文采用微波-H2O2聯合降解法，在均相條件下制備窄分布低分子量殼聚糖，操作簡單、綠色環(huán)保、不產生二次污染。微波輻射以脈沖方式施加，同時控制體系溫度，使得微波的熱效應和非熱效應同時起作用。微波與H2O2協(xié)同作用時反應迅速，同時能夠有效控制低聚殼聚糖的分子量及其分布，重復性好。分子量分布特性明確，為水處理方面的應用提供明確的選擇依據。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

1.1.1 試劑

殼聚糖購自濟南海得貝海洋生物工程有限公司(脫乙酰度大于95%)，其余均為市售分析純試劑，配制溶液所用的溶劑水均為去離子水。

1.1.2 儀器

微波試驗儀(MG08S-2B，南京匯研微波系統(tǒng)工程有限公司);真空干燥箱(DZF-6051，上海一恒科技有限公司);烏氏粘度計(φ =0.47 mm，浙江椒江玻璃儀器廠);傅里葉變換紅外吸收光譜儀(TENSOR 27 型，德國Bruker 公司);X 射線衍射儀(X’Pert MPD 型，荷蘭Philips 公司);納米粒度及電位分析儀(Nano-ZS90，英國馬爾文公司);紫外可見分光光度計(TU-1810 型，北京普析通用儀器有限責任公司)。

1.2 殼聚糖的降解及產率的計算

稱取干燥過的殼聚糖2.00 g 于三口瓶中，加入1%(w/v)的乙酸溶解，使得反應在均相條件下進行，之后再加30 mL 不同濃度的H2O2溶液，并放入磁子;將此三口瓶固定于微波反應儀中，開啟攪拌，控制輻射溫度(T±2 ℃)和輻射陽極電流(mA)，脈沖式輻射得到淺黃色溶液。

反應結束，停止微波輻射，冷卻至室溫。用5%(w/w)的氫氧化鈉溶液調節(jié)溶液的pH 至7～8，過濾除去少量殘渣。在濾液中加入2～3 倍體積的無水乙醇以沉淀析出降解產物，靜置一段時間，收集沉淀，40～50 ℃下真空干燥，得水溶性低聚殼聚糖，使用研缽將其研碎并密封保存。水溶性低聚殼聚糖產率按式(1)計算:

式中:η 為水溶性低聚殼聚糖的產率，%;A 為充分干燥的水溶性低聚殼聚糖產物，g;B 為干燥過的殼聚糖原料，g。

1.3 低聚殼聚糖分子量的測定

使用外推一點法測定低聚殼聚糖的分子量，溶劑為0.1 mol/L HAc-0.2 mol/L NaCl 混合水溶液，根據Mark-Houwink 方程［9］確定K =1.81 ×10-3mL/g，α=0.93。

具體操作如下:配制濃度C=0.2 g/L 的低聚殼聚糖樣品溶液，靜置一段時間使其充分溶解;調節(jié)恒溫水浴的水溫在25 ±0.1 ℃，恒溫10 min 以上;將烏氏粘度計先用蒸餾水清洗，再用混合溶劑潤洗，最后使用待測溶液多次潤洗，置于恒溫槽5 min;取10.00 mL 樣品溶液于烏氏粘度計內恒溫至少2 min后使其自由落下，用秒表記錄溶液下落時間，根據式(2)計算低聚殼聚糖的分子量M:

η = ［(t/t0-1)+3ln(t/t0)］/4C = KMα(2)

式中:η 為特性黏度，L/g;t0為溶劑下落時間，s;t 為樣品溶液下落時間，s;C 為樣品的濃度，g/L;K=1.81 ×10-3，mL/g;M 為低聚殼聚糖的分子量;α =0.93。

1.4 降解產物多分散系數D 的測定

多分散系數D 通過重均分子量除以數均分子量計算而得，以此來反映殼聚糖分子量的分布情況。重均分子量采用光散射法測定，即配制一系列不同濃度的樣品溶液(濃度范圍在0.1～10 g/L)，檢測不同濃度樣品溶液的絕對散射光強。以絕對散射光強為縱坐標，濃度為橫坐標繪制曲線，即得Dybe 曲線，曲線的截距即為重均分子量的倒數，斜率為第二維利系數;數均分子量采用端基分析法測定［10］，即利用稀鹽酸將樣品高溫高壓水解，之后加入乙酰丙酮縮合生成生色原，酸性條件下生色原遇對-二甲氨基苯甲醛而呈現紅色，水浴恒溫1h，測定其吸光度A1;同時做空白實驗，即將樣品直接溶在去離子水中，不進行水解，其余步驟同前，測其吸光度A0，A1/A0即為產物的聚合度，據此計算數均分子量。

通常D 在1.0～2.0 時，分散程度較低，產物的分子量分布為窄分布;D 在2.0～20 時，分散程度較高，產物的分子量分布為寬分布，并且D 值越大，分布越寬。

1.5 低聚殼聚糖阻垢率的測定

參照國家標準《GB/T 16632-2008:水處理劑阻垢性能的測定-碳酸鈣沉積法》，采用靜態(tài)阻垢法對不同分子量的低聚殼聚糖進行阻垢性能的測定。在［Ca2+］為240 mg/L、［HCO-3］為732 mg/L 時，加入阻垢劑30 mg/L，在80 ℃下水浴恒溫10 h，立即過濾，取濾液25 mL，以鈣黃素為指示劑，用EDTA 標準溶液滴定濾液中的鈣離子，阻垢率η 按式(3)計算:

式中:C0為實驗前溶液中鈣離子的濃度，mg/L;C1為實驗后加阻垢劑溶液中鈣離子的濃度，mg/L;C2為實驗后未加阻垢劑空白溶液中鈣離子的濃度，mg/L。

2 結果與討論

2.1 殼聚糖與低聚殼聚糖的結構表征

采用溴化鉀壓片法制樣，測定殼聚糖和低聚殼聚糖的紅外吸收光譜，如圖1 所示。從圖1 中可以看出3400 cm-1左右的峰是-NH2與-OH 伸縮振動的吸收峰重疊形成的，低聚殼聚糖在此處的吸收增強是由于降解后羥基增多所致。1625 cm-1左右的吸收峰為酰胺I 帶的吸收峰，兩者基本沒有差異，而低聚殼聚糖在酰胺II 帶的1598 cm-1處吸收增強，說明降解過程破壞了殼聚糖分子鏈的氫鍵作用，使得-NH2的彎曲振動吸收增強。1080 cm-1附近是伯羥基和仲羥基C-O 伸縮振動的吸收峰，降解前后峰形相似。在低聚殼聚糖的譜圖中仍然存在1151 cm-1和894 cm-1兩個殼聚糖β-1，4 糖苷鍵的特征吸收峰。通過降解前后的譜圖對比，可以看出微波-H2O2降解沒有破壞殼聚糖的吡喃糖環(huán)的單元結構。

圖1 殼聚糖(A)與低聚殼聚糖(B)的紅外吸收譜圖Fig.1 IR spectra of chitosan (A)and oligochitosan (B)

在衍射角2θ =5°～70°之間通過銅靶掃描，得到殼聚糖和低聚殼聚糖的X 射線衍射圖樣，如圖2所示。

圖2 殼聚糖(A)與低聚殼聚糖(B)的XRD 圖樣Fig.2 XRD patterns of chitosan (A)and oligochitosan (B)

從圖2 中可以看出殼聚糖在11°和21°出現了兩個非常尖銳的衍射峰，說明該原料殼聚糖為α-殼聚糖，具有較高的結晶度，而低聚殼聚糖在這兩處的衍射峰強度變弱，峰形變寬，但沒有出現新峰，說明降解過程只是破壞了殼聚糖的結晶區(qū)，削弱了分子中由于氨基和羥基帶來的氫鍵作用，有序結構向無序結構轉變，分子規(guī)整性下降，但其分子鏈基本化學結構單元并未發(fā)生改變。

2.2 H2O2 濃度對殼聚糖降解的影響

將殼聚糖在乙酸中溶解，滴加不同質量濃度的H2O2溶液，控制輻射陽極電流為70 mA，在溫度70℃下輻射6 min，測定不同降解產物的分子量及產率，結果如圖3 所示。

圖3 H2O2 濃度對降解殼聚糖分子量和產率的影響Fig.3 The effect of H2O2 concentration on molecular weight and yield of oligochitosan

由圖3 可知，H2O2的濃度對殼聚糖分子量和產率的影響都是非常明顯的。H2O2的主要作用機理是:在加熱條件下，H2O2會分解成H+和HOO-，從而表現出比水強的酸性，但是HOO-很不穩(wěn)定，與H2O2反應生成HO·和O－·2兩種自由基，它們都具有很強的氧化性，可以進攻殼聚糖的糖苷鍵使其主鏈斷裂［6］。實驗中5%的H2O2是降解趨勢的轉折點，在濃度較低的時候，H2O2與殼聚糖作用位點少，從而導致斷裂不均勻，使得降解產物分布比較寬，相應分子量的低聚殼聚糖產率也相對較低。隨著H2O2濃度的增加，作用位點增多，殼聚糖的分子量快速下降，但是過低分子量的產物因其溶解性提高而導致分離困難，最終產率仍然很低。恰當的雙氧水濃度或H2O2的用量可以有效控制降解產物的分子量及其分布。

圖4 輻射陽極電流對降解殼聚糖分子量和產率的影響Fig.4 The effect of anode radiation current on molecular weight and yield of oligochitosan

2.3 微波輻射對殼聚糖降解的影響

微波輻射對化學反應的作用，一是使分子運動加劇，溫度升高;二是電磁能和微波的特異性對極性分子的洛侖茲力作用。微波場中的高分子化合物的行為又與其自身的結構和介電特性有著更加密切的關系，尤其是高聚物分子鏈上連有大量的極性官能團時，這些極性分子片段受微波的影響更加突出，從而形成特殊的微化學環(huán)境，并進一步影響基團的偶極矩、氫鍵、化學鍵合狀態(tài)、結晶度等，由此帶來聚集狀態(tài)、分子結構或反應活性的變化，也就是說，微波輻射一定會對高分子化合物的分子量產生影響［11-13］。因此，可以通過調控微波輻射強度、微波施加方式和施加時間等因素，合理利用微波的熱效應及其非熱效應，使之與降解介質妥加匹配而達到協(xié)同增效，保證殼聚糖的降解有效平穩(wěn)地進行，并實現對降解產物的分子量及其分布的控制［12，14］。

將4%的H2O2加入到殼聚糖中，其他條件不變，輻射陽極電流調節(jié)到40 mA～80 mA，考察殼聚糖的降解情況，如圖4 所示。當輻射電流偏小時，殼聚糖的酰胺鍵和β-1，4 苷鍵不容易斷裂，降解程度較低，導致低聚殼聚糖分子量比較高;隨著輻射電流的加大，降解程度明顯提高，產物分子量迅速下降，其原因應該是由于電磁波對極性基團的洛倫茲力作用導致了指前因子的提高［15，16］，降解速度也明顯提高。

改變輻射陽極電流能夠得到不同分子量的低聚殼聚糖，并且各電流值下所得到的低聚殼聚糖的分子量及其分布特性十分穩(wěn)定，例如，在60 mA 時，制得幾批低聚殼聚糖，均可以以50%以上的產率得到分子量為5000～7000 的降解產物，且多分散系數D在1.24～1.30 之間，為窄分布產品。因此，控制微波輻射強度是調控殼聚糖降解程度及其分子量分布的另一個重要因素。

2.4 輻射時間對殼聚糖降解的影響

反應時間對于絕大多數化學反應都會產生很大的影響，使用4%的H2O2溶液，體系溫度在70 ℃，輻射陽極電流70 mA，輻射不同的時間得到不同分子量的低聚殼聚糖，分析結果見圖5。

圖5 輻射時間對降解殼聚糖分子量和產率的影響Fig.5 The effect of radiation time on molecular weight and yield of oligochitosan

由圖5 而得，輻射時間與H2O2濃度、輻射陽極電流一樣，對殼聚糖分子量的影響十分顯著。反應開始時，隨著輻射時間的延長，殼聚糖分子量下降很明顯，6 min 時分子量降到最低點，產率達到最大值，這是因為反應體系中的極性基團和極性分子與微波發(fā)生強烈耦合，離子傳導速率加快［17］，H2O2對殼聚糖1，4-糖苷鍵的攻擊頻率加快，與此同時，耦合作用也會削弱殼聚糖的結晶度和有序結構［18］，這對降解十分有利，短時間內取得高的降解效率。繼續(xù)延長輻射時間，產物的粘度增大、分離困難，這應該歸因于微波的體加熱模式，它可以在短時間內均勻迅速地提升反應體系的溫度，從而引發(fā)了低聚物的交聯聚合，導致分子量有所增長，出現曲線上升的現象，但是產率卻隨之下降。

2.5 溫度對殼聚糖降解的影響

圖6 溫度對降解殼聚糖分子量和產率的影響Fig.6 The effect of temperature on molecular weight and yield of oligochitosan

保持H2O2濃度、輻射陽極電流和輻射時間恒定，只改變體系溫度，考察40～80 ℃時殼聚糖的降解情況，結果如圖6 所示。

由圖6 可知，體系溫度在整個降解過程中對殼聚糖分子量的影響有一定的起伏波動，影響不是很大，分子量大都分布在6000 左右，但是產率相差較大。不同的反應溫度具有不同的活化能，反應的活化能越低，則在指定溫度下活化分子數越多，反應就越快。所以控制在一個相對適宜的溫度，能夠獲得所需分子量的殼聚。

綜上，調控各種降解參數，可以獲得不同分子量范圍的低聚殼聚糖產物，實驗還顯示，在相同條件下，多次制得的低聚糖分子量及其分布基本相同。例如，將2.00 g 干燥的殼聚糖溶解于乙酸中，加入30 mL 4%的H2O2溶液，控制輻射溫度70 ℃，輻射陽極電流70 mA，脈沖式輻射6 min 得淺黃色溶液。經沉淀干燥得水溶性低聚殼聚糖。在相同條件下多次重復操作得降解產物，測得產率在52%～54%，測其分子量在6000～7000 之間，多分散系數D 介于1.20～1.25，均屬于窄分布產品。也就是說，我們可以選擇不同的條件來制備不同分子量的殼聚糖，以滿足不同的應用要求。

2.6 不同分子量的低聚殼聚糖的阻垢性能

用降解后不同分子量的低聚殼聚糖作為水處理阻垢劑，按30 mg/L 低劑量水平加入，通過靜態(tài)阻垢法測定了它們的阻垢率，結果如圖7 所示。

圖7 不同分子量低聚殼聚糖的阻垢性能Fig.7 The scale inhibition of oligochitosan with different molecular weight

從圖7 中可以看出，不同分子量的低聚殼聚糖所表現出來的阻垢能力也不一樣。分子量在6000左右時表現出相對較高的阻垢性能，阻垢率能達到38%，過低或過高的分子量，其阻垢性能都相對較低。眾所周知，任何一種高聚物，它的應用性能與它的分子量及其分布都有著密切聯系。若將殼聚糖及其衍生物應用到水的阻垢處理中，應使用分子量在6000 左右的低聚殼聚糖原料為宜。

3 結論

利用微波-H2O2聯合降解法制得低分子量殼聚糖，操作簡便、時間短、產率高、重復性好、分子量容易控制并且產物為窄分布產品。整個反應始終在均相中進行，當H2O2的濃度為4%、輻射陽極電流為70 mA、輻射時間6 min、體系溫度70 ℃時，得到分子量6000 左右的低分子量殼聚糖，產率為52%，多分散系數D 為1.20，為窄分布產品。并對不同分子量的低聚殼聚糖進行碳酸鈣阻垢性能的測試，結果表明，分子量在6000 左右的低聚殼聚糖阻垢率相對較高，可以針對此分子量范圍的殼聚糖降解產物進行后續(xù)改性和應用性能研究，以開發(fā)新型的綠色水處理藥劑。

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