柏正武，付克勤，賓 琴，羅迎彬，劉 濤，陳 偉

武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430074

殼聚糖是甲殼素脫乙?；漠a(chǎn)物，通常將脫乙酰度大于95%的殼聚糖稱為超高脫乙酰度殼聚糖[1]. 與一般的殼聚糖相比，超高脫乙酰度殼聚糖的結(jié)構(gòu)較為規(guī)整，可用來制備具有特殊功能的材料. 由甲殼素脫乙?；频玫臍ぞ厶峭ǔ７肿恿亢艽螅蝗苡谄胀ㄈ軇?，只能在某些酸性介質(zhì)中溶解，這使殼聚糖的應(yīng)用受到極大限制. 另外，研究表明分子量對(duì)殼聚糖的性質(zhì)有很大影響，不同分子量的殼聚糖性質(zhì)差異很大. 所以，為滿足制備不同材料對(duì)殼聚糖分子量及脫乙酰度的要求，研究超高脫乙酰度殼聚糖的制備非常重要.

降解殼聚糖的化學(xué)方法包括NaNO2或H2O2氧化法、酸性或堿性水解法等[2]，用H2O2氧化法制備殼聚糖基本上無副產(chǎn)物，分離提純方便，是一種較為理想的制備殼聚糖的方法. 但要將高分子量的殼聚糖降解為分子量較小的殼聚糖，就要使用較多量的H2O2，而較多的H2O2能氧化殼聚糖中的氨基，破壞殼聚糖的結(jié)構(gòu).

在本研究中，以甲殼素為原料，先用兩種不同的方法制備不同范圍分子量的殼聚糖，再用H2O2氧化法降解殼聚糖，制備出不同分子量的超高脫乙酰度殼聚糖.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Agilent DD 2 400 MHz核磁共振儀(美國(guó)安捷倫科技有限公司)；烏氏粘度計(jì)(毛細(xì)管內(nèi)徑為0.57 mm)；甲殼素，購(gòu)于青島濰坊科海生物制品有限公司；正戊醇，購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；NaBH4購(gòu)于武漢格奧化學(xué)技術(shù)有限公司；其它試劑均為分析純.

1.2 殼聚糖的制備

方法一：正戊醇用孔徑40 nm分子篩干燥，反應(yīng)體系為甲殼素、NaOH和正戊醇，質(zhì)量比為1∶5∶11，并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的NaBH4，在154 ℃下反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后用蒸餾水洗滌至中性，干燥. 反應(yīng)1 h制得的殼聚糖稱之為C1，反應(yīng)2 h制得的殼聚糖稱為C2，反應(yīng)3 h制得的殼聚糖稱為C3，反應(yīng)5 h制得的殼聚糖稱為C4.

方法二：將甲殼素和H2O按質(zhì)量比為1∶10相混合，加入NaOH和NaBH4，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為45%和1%，加熱回流，反應(yīng)結(jié)束后用蒸餾水洗滌至中性，干燥. 脫乙酰反應(yīng)3 h所得產(chǎn)品為C5；按相同比例投料，間歇脫乙?；?次，每次2 h，所得產(chǎn)品為C6；間歇反應(yīng)2次，第一次反應(yīng)3 h，第二次反應(yīng)4 h，所得產(chǎn)品為C7；間歇脫乙酰化2次，每次反應(yīng)4 h，所得產(chǎn)品為C8.

1.3 殼聚糖降解

采用H2O2為氧化劑對(duì)殼聚糖進(jìn)行降解，在中性條件下，將殼聚糖用蒸餾水分散均勻，加熱到預(yù)定溫度，再加入一定量的H2O2. 改變反應(yīng)時(shí)間、H2O2與糖單元摩爾比值(R)以及反應(yīng)溫度，得到不同分子量的殼聚糖. 反應(yīng)完成后用蒸餾水洗滌至中性，室溫干燥.

1.4 殼聚糖分子量的測(cè)定

將適量殼聚糖溶于0.1 mol/L的CH3COOH 0.2 mol/L NaCl溶液中，在25 ℃用烏氏粘度計(jì)測(cè)定流出時(shí)間，計(jì)算特性粘度[η]，根據(jù)Mark Houwink方程(1)計(jì)算殼聚糖的粘均分子量Mη[3-6].

[Mη]=KMηα

(1)

K=1.81×10-3cm3/g，α=0.93.

2 結(jié)果討論

先將殼聚糖溶于CF3COOD中，再測(cè)量其1H NMR. 在殼聚糖中殘留乙?；募谆鶜浠瘜W(xué)位移約為2.30，分別對(duì)殼聚糖中不同氫的峰進(jìn)行積分，得出積分面積，乙酰基的甲基氫峰面積為S1，殼聚糖骨架氫峰面積為S2，按公式(2)計(jì)算殼聚糖的脫乙酰度(D.D)[3-4].

(2)

在NaOH-正戊醇反應(yīng)體系中，C1的脫乙酰度為96.1%，C2的脫乙酰度為96.2%，C3的脫乙酰度為97.7%. 在NaOH-水反應(yīng)體系中，C5的脫乙酰度為93.4%，C6的脫乙酰度為98.2%. 因此適當(dāng)延長(zhǎng)脫乙酰反應(yīng)時(shí)間可增大產(chǎn)品的脫乙酰度. 圖1為測(cè)量的在NaOH-水反應(yīng)體系中制備得到的殼聚糖1H NMR譜圖. 圖1表明經(jīng)過2次反應(yīng)，每次反應(yīng)4 h，所制備的殼聚糖乙?；蠬的峰幾乎消失，脫乙酰度近100%.

圖1 殼聚糖C8的1H NMR譜圖Fig.1 1H NMR of chitosan C8

考慮到殼聚糖中殘留乙?；械募谆鶜涞幕瘜W(xué)環(huán)境，可推斷化學(xué)位移在2.30附近的峰應(yīng)對(duì)應(yīng)殼聚糖殘留乙?；械募谆鶜? 殼聚糖的分子量不同，或脫乙酰度不同，其殘留的乙?；械募谆鶜涞幕瘜W(xué)位移也略有不同(表1).

比較兩種反應(yīng)體系，以NaOH-水為反應(yīng)體系制得的殼聚糖分子量大，且脫乙酰更趨完全. 在各種條件下制備的殼聚糖的粘均分子量如表1所示.

表1 不同反應(yīng)條件下制備的殼聚糖的脫乙酰度及黏均分子量Tabel 1 Degree of deacetylaion and viscosity-average molecular weight of chitosan prepared under different conditions

在用H2O2氧化降解殼聚糖時(shí)，若H2O2用量少，則降解程度小，如果用量過大，則導(dǎo)致氨基被氧化，產(chǎn)品顏色加深[7-10]，甚至發(fā)生脫氨基現(xiàn)象，嚴(yán)重破壞殼聚糖的結(jié)構(gòu)[11]. 因此制備分子量較小的殼聚糖(如分子量為幾萬)，就不能使用高分子量的殼聚糖為反應(yīng)底物，而應(yīng)該用H2O2降解中等分子量的殼聚糖，這樣H2O2的用量不會(huì)太大，殼聚糖可保持原有的結(jié)構(gòu).

改變降解時(shí)過氧化氫的用量、反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)間，能制得不同分子量的殼聚糖(表2).

反應(yīng)溫度為75 ℃，R值為1.0時(shí)，反應(yīng)時(shí)間由30 min延長(zhǎng)至90 min，降解后殼聚糖分子量變化不大. C4降解反應(yīng)30 min后，R值由0.5變?yōu)?.0時(shí)，降解后殼聚糖分子量由14萬降至5.4萬，變化顯著. 因此H2O2的用量對(duì)殼聚糖降解的影響較反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度的影響大，H2O2用量越大降解越快且降解程度越大.

表2 降解條件對(duì)殼聚糖黏均分子量的影響Tabel 2 Influence of degradation conditions on viscosity-average molecular weights of chitosan

3 結(jié) 語

用正戊醇-NaOH反應(yīng)體系脫乙?；? h可制備脫乙酰度大于98%的超高脫乙酰度殼聚糖，所得到的殼聚糖黏均分子量為24萬. 甲殼素在NaOH-水體系中脫乙酰化，間歇反應(yīng)2次(3 h和4 h)或間歇反應(yīng)3次(每次2 h)，均可生成脫乙酰度大于98%的超高脫乙酰度殼聚糖，所制得的殼聚糖黏均分子量在81萬到100萬之間. 延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，脫乙酰度略有增大，但殼聚糖分子量逐漸減小. 甲殼素在NaOH-水體系中脫乙酰更徹底.

將分子量為24萬的殼聚糖降解，在65～75 ℃的溫度范圍內(nèi)，改變H2O2用量、反應(yīng)時(shí)間，即可制備粘均分子量在20萬以下的超高脫乙酰度殼聚糖. 用相同的方法降解高分子量殼聚糖，可以制備粘均分子量在24萬到100萬之間的超高脫乙酰度殼聚糖.

致 謝

感謝國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)對(duì)本工作的資助.

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