《武汉工程大学学报》 2014年08期
16-19
出版日期：2014-08-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
不同分子量超高脱乙酰度壳聚度糖的制备
0引言壳聚糖是甲壳素脱乙酰化的产物，通常将脱乙酰度大于95%的壳聚糖称为超高脱乙酰度壳聚糖［1］. 与一般的壳聚糖相比，超高脱乙酰度壳聚糖的结构较为规整，可用来制备具有特殊功能的材料. 由甲壳素脱乙酰化制得的壳聚糖通常分子量很大，不溶于普通溶剂，只能在某些酸性介质中溶解，这使壳聚糖的应用受到极大限制. 另外，研究表明分子量对壳聚糖的性质有很大影响，不同分子量的壳聚糖性质差异很大. 所以，为满足制备不同材料对壳聚糖分子量及脱乙酰度的要求，研究超高脱乙酰度壳聚糖的制备非常重要. 降解壳聚糖的化学方法包括NaNO2或H2O2氧化法、酸性或碱性水解法等［2］，用H2O2氧化法制备壳聚糖基本上无副产物，分离提纯方便，是一种较为理想的制备壳聚糖的方法. 但要将高分子量的壳聚糖降解为分子量较小的壳聚糖，就要使用较多量的H2O2，而较多的H2O2能氧化壳聚糖中的氨基，破坏壳聚糖的结构.在本研究中，以甲壳素为原料，先用两种不同的方法制备不同范围分子量的壳聚糖，再用H2O2氧化法降解壳聚糖，制备出不同分子量的超高脱乙酰度壳聚糖.1实验部分1.1仪器与试剂Agilent DD 2 400 MHz核磁共振仪（美国安捷伦科技有限公司）；乌氏粘度计（毛细管内径为0.57 mm）；甲壳素，购于青岛潍坊科海生物制品有限公司；正戊醇，购于国药集团化学试剂有限公司；NaBH4购于武汉格奥化学技术有限公司；其它试剂均为分析纯. 1.2壳聚糖的制备方法一：正戊醇用孔径40 nm分子筛干燥，反应体系为甲壳素、NaOH和正戊醇，质量比为1∶5∶11，并加入质量分数为1.0%的NaBH4，在154 ℃下反应，反应结束后用蒸馏水洗涤至中性，干燥. 反应1 h制得的壳聚糖称之为C1，反应2 h制得的壳聚糖称为C2，反应3 h制得的壳聚糖称为C3，反应5 h制得的壳聚糖称为C4. 方法二：将甲壳素和H2O按质量比为1∶10相混合，加入NaOH和NaBH4，质量分数分别为45%和1%，加热回流，反应结束后用蒸馏水洗涤至中性，干燥. 脱乙酰反应3 h所得产品为C5；按相同比例投料，间歇脱乙酰化3次，每次2 h，所得产品为C6；间歇反应2次，第一次反应3 h，第二次反应4 h，所得产品为C7；间歇脱乙酰化2次，每次反应4 h，所得产品为C8. 1.3壳聚糖降解采用H2O2为氧化剂对壳聚糖进行降解，在中性条件下，将壳聚糖用蒸馏水分散均匀，加热到预定温度，再加入一定量的H2O2. 改变反应时间、H2O2与糖单元摩尔比值（R）以及反应温度，得到不同分子量的壳聚糖. 反应完成后用蒸馏水洗涤至中性，室温干燥. 1.4壳聚糖分子量的测定将适量壳聚糖溶于0.1 mol/L的CH3COOH 0.2 mol/L NaCl溶液中，在25 ℃用乌氏粘度计测定流出时间，计算特性粘度［η］，根据Mark Houwink方程(1)计算壳聚糖的粘均分子量Mη［36］.［Mη］=KMηα (1)K=1.81×103cm3/g，α=0.93.2结果讨论先将壳聚糖溶于CF3COOD中，再测量其1H NMR. 在壳聚糖中残留乙酰基的甲基氢化学位移约为2.30，分别对壳聚糖中不同氢的峰进行积分，得出积分面积，乙酰基的甲基氢峰面积为S1，壳聚糖骨架氢峰面积为S2，按公式(2)计算壳聚糖的脱乙酰度(D.D)［34］.D.D=1-S1/3S2/7×100%(2)在NaOH正戊醇反应体系中，C1的脱乙酰度为96.1%，C2的脱乙酰度为96.2%，C3的脱乙酰度为97.7%. 在NaOH水反应体系中，C5的脱乙酰度为93.4%，C6的脱乙酰度为98.2%. 因此适当延长脱乙酰反应时间可增大产品的脱乙酰度. 图1为测量的在NaOH水反应体系中制备得到的壳聚糖1H NMR谱图. 图1表明经过2次反应，每次反应4 h，所制备的壳聚糖乙酰基中H的峰几乎消失，脱乙酰度近100%. 图1壳聚糖C8的1H NMR谱图 Fig.11H NMR of chitosan C8 注:400 MHz, 25 ℃考虑到壳聚糖中残留乙酰基中的甲基氢的化学环境，可推断化学位移在2.30附近的峰应对应壳聚糖残留乙酰基中的甲基氢. 壳聚糖的分子量不同，或脱乙酰度不同，其残留的乙酰基中的甲基氢的化学位移也略有不同（表1）.比较两种反应体系，以NaOH水为反应体系制得的壳聚糖分子量大，且脱乙酰更趋完全. 在各种条件下制备的壳聚糖的粘均分子量如表1所示.表1不同反应条件下制备的壳聚糖的脱乙酰度及黏均分子量Table 1Degree of deacetylaion and viscosityaverage molecular weight of chitosan prepared under different conditions样品反应体系反应时间/hCH3CO—中H的化学位移脱乙酰度/%分子量/(Mη×10-4)C3NaOH 正戊醇3.02.2797.735C4NaOH正戊醇5.02.2798.224C6NaOHH2O2.0＋2.0＋2.02.3298.284C7NaOHH2O3.0＋4.02.3299.7100C8NaOHH2O4.0＋4.02.3399.981第9期柏正武，等：不同分子量超高脱乙酰度壳聚度糖的制备武汉工程大学学报第36卷在用H2O2氧化降解壳聚糖时，若H2O2用量少，则降解程度小，如果用量过大，则导致氨基被氧化，产品颜色加深［710］，甚至发生脱氨基现象，严重破坏壳聚糖的结构［11］. 因此制备分子量较小的壳聚糖（如分子量为几万），就不能使用高分子量的壳聚糖为反应底物，而应该用H2O2降解中等分子量的壳聚糖，这样H2O2的用量不会太大，壳聚糖可保持原有的结构. 改变降解时过氧化氢的用量、反应温度及反应时间，能制得不同分子量的壳聚糖（表2）.反应温度为75 ℃，R值为1.0时，反应时间由30 min延长至90 min，降解后壳聚糖分子量变化不大. C4降解反应30 min后，R值由0.5变为1.0时，降解后壳聚糖分子量由14万降至5.4万，变化显著. 因此H2O2的用量对壳聚糖降解的影响较反应时间和反应温度的影响大，H2O2用量越大降解越快且降解程度越大. 表2降解条件对壳聚糖黏均分子量的影响Table 2 Influence of degradation conditions on viscosityaverage molecular weights of chitosan 原壳聚糖分子量/(Mη×10-4)反应时间/minR反应温度/℃产物壳聚糖分子量/(Mη×10-4)84300.3655684300.5654484200.5655024300.3651624300.5651424301.0755.424451.0754.624901.0753.23结语用正戊醇NaOH反应体系脱乙酰化5 h可制备脱乙酰度大于98%的超高脱乙酰度壳聚糖，所得到的壳聚糖黏均分子量为24万. 甲壳素在NaOH水体系中脱乙酰化，间歇反应2次（3 h和4 h）或间歇反应3次（每次2 h），均可生成脱乙酰度大于98%的超高脱乙酰度壳聚糖，所制得的壳聚糖黏均分子量在81万到100万之间. 延长反应时间，脱乙酰度略有增大，但壳聚糖分子量逐渐减小. 甲壳素在NaOH水体系中脱乙酰更彻底. 将分子量为24万的壳聚糖降解，在65～75 ℃的温度范围内，改变H2O2用量、反应时间，即可制备粘均分子量在20万以下的超高脱乙酰度壳聚糖. 用相同的方法降解高分子量壳聚糖，可以制备粘均分子量在24万到100万之间的超高脱乙酰度壳聚糖.致谢感谢国家自然科学基金委员会对本工作的资助.