化學助劑協同γ射線輻照制備低分子量殼聚糖

曾虹燕，夏 葵，廖凱波，吳國忠，高文成

1.湘潭大學 化工學院 生物技術研究所，湖南 湘潭 411105;2.中國科學院 上海應用物理研究所 輻射技術應用中心，上海 201800

殼聚糖是一種天然生物高分子材料，具有無毒、抗菌保健、良好的生物相容性和可降解等性能，在化工、醫藥、印染等領域有著廣泛的應用[1]。近年來，低分子量殼聚糖的制備得到了許多學者的重視，對殼聚糖的不同降解法得到了深入的研究[2]。由于相對分子質量對殼聚糖的性質有很大影響，因此將殼聚糖降解到需要的相對分子質量是其應用的前提。目前主要使用化學降解法[3]，化學試劑雙氧水由于其降解成本低、產品無殘毒等優點得到廣泛應用，但反應時間長，易發生副反應。硼氫化鈉易于與殼聚糖中乙酰氨基發生親和取代反應，生成具有氨基的殼聚糖，但硼氫化鈉易產生硼污染。L-α-丙氨酸液中的氨基能提高殼聚糖的氨基含量，改善活性，但降解效果不明顯。因此，選擇合適的降解方法具有重要意義。

γ射線輻照方法降解殼聚糖工藝，具有操作簡單、無污染、易控制、技術附加值高并可在常溫下進行等優點，國內外學者已展開了廣泛研究[4-6]。本工作擬以化學試劑雙氧水、硼氫化鈉和L-α-丙氨酸為溶液，采用γ射線輻照新技術，降解制備一系列低相對分子質量的殼聚糖，研究γ射線劑量對不同溶液中殼聚糖的降解、脫乙酰度和白度的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

殼聚糖，自制，相對分子質量2.6×105，脫乙酰度80.5%，白度69%；其余試劑均為分析純。60Co輻射源，中國科學院上海應用物理研究所；Specrum Qne B型傅立葉變換紅外光譜儀，美國PE公司；U-2001紫外-可見分光光度儀，日本HITACHI公司；YQ-Z-48A型白度儀，上海三準儀器設備有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1γ射線輻照制備低分子量殼聚糖 準確稱取殼聚糖樣品若干，分別分散于蒸餾水、w=0.5%硼氫化鈉水溶液、w=0.5%L-α-丙氨酸水溶液和w=1.0%雙氧水溶液中，配成10%的殼聚糖懸濁液，超聲波除去懸濁液空氣，通入氮氣，進行不同劑量的60Co(0、25、50、100、150、200 kGy)輻照，抽濾。濃縮濾液，無水乙醇檢驗殼聚糖的水溶性。同時真空干燥濾出物，得低分子量殼聚糖，稱重，備用。

1.2.3脫乙酰度(D.D)的測定 電導滴定法參考文獻[8]測定。

1.2.4白度測定 參見GB 12097—89測定。

2 結果和討論

2.1 輻照劑量對不同溶液中殼聚糖的降解

γ射線在大氣和真空環境下對殼聚糖的照射都使殼聚糖發生明顯的降解反應，如圖1(a)所示。殼聚糖相對分子質量隨輻照劑量的增加而呈下降趨勢，輻照降解效果明顯。

w=1.0% H2O2液中，殼聚糖降解速度最快，100 kGy輻照劑量時，樣品相對分子質量減小至2.5×104；200 kGy時，降至1.8×104。在水中輻照劑量分別為100 kGy和200 kGy時，樣品相對分子質量由2.6×105降至5.3×104和2.8×104。在w=0.5% NaBH4和w=0.5% L-α-丙氨酸液中，小于25 kGy時，殼聚糖相對分子質量降解緩慢；25～100 kGy輻照范圍，相對分子質量降解速度加大；100～200 kGy范圍，樣品相對分子質量均略有減少。100～200 kGy范圍，w=0.5% NaBH4和w=0.5%L-α-丙氨酸液中的殼聚糖相對分子質量下降速度與水的幾無差異。由圖1(a)可知，分散在雙氧水中的殼聚糖相對分子質量降解最為劇烈，樣品相對分子質量也最低。

0～100 kGy輻照范圍，所有樣品隨輻照劑量的增加，其相對分子質量急劇下降。當輻照劑量繼續增大，樣品的相對分子質量下降明顯減緩，基本上保持在1.8×104～2.8×104范圍內，降解效果不明顯。其它多糖經過輻照后也得到類似的結果，比如瓊脂、海藻酸鹽，尤其是卡拉膠溶液。γ射線輻照可以誘導殼聚糖多聚物β(1-4)糖苷鍵的斷裂，從而使聚合物的相對分子質量降低；因此對殼聚糖進行一定劑量的輻照可以使得殼聚糖的粘度迅速降低[9]。γ射線輻照對在H2O2中的殼聚糖相對分子質量降解速率最快，能力最強，可能H2O2經輻照分解出的·OH對殼聚糖的降解有至關重要的作用，·OH引發了殼聚糖的自由基降解，同時，·OH的強氧化作用又引發其氧化降解，兩種作用綜合結果，使殼聚糖的降解速度大大增加[10]。

2.2 輻照降解對不同溶液中殼聚糖脫乙酰度的影響

輻照劑量對不同溶劑中殼聚糖脫乙酰度的影響示于圖1(b)。從圖1(b)可知，在未輻照條件下，分散在水中的樣品的脫乙酰度保持不變，為80.4%；25 kGy輻照時脫乙酰度略有提高，為84.1%，但并不隨輻照劑量繼續增大而改變。輻射電離H2O中的OH-離子與乙酰基發生反應，可能取決于兩種作用，即酰氨的水解阻力和小分子擴散阻力。反應后期由于分子膠團阻力，使得OH-離子難以擴散進入殼聚糖，而使反應難以進行。這使甲殼素脫乙酰化反應很難達到高脫乙酰度[11]。

圖1 輻照劑量對殼聚糖相對分子質量(a)、脫乙酰度(b)和白度(c)的影響Fig.1 Effect of radiation dose on average-molecular weight(a), chitosan deacetylation(b) and the white degree(c) of chitosan■——H2O，○——NaBH4，★——丙氨酸(Alanine)，▽——H2O2

分散在L-α-丙氨酸液中的殼聚糖未輻照時，其脫乙酰度提高到83.4%，25 kGy輻照樣品脫乙酰度稍有提高，為87.5%，進一步增大輻照劑量對殼聚糖脫乙酰度幾無影響。可能L-α-丙氨酸液中本身已含有氨基整合到殼聚糖的分子中，故未輻照時樣品脫乙酰度有所提高。增大輻照劑量為25 kGy，輻射部分氨基酸開鏈，使得氨基基團進一步整合到殼聚糖的分子中，使得殼聚糖分子中的氨基略微增多。未輻照的H2O2中殼聚糖脫乙酰度也升高到87.5%；與25 kGy輻照強度下的相差無幾(87.1%)；50 kGy輻照劑量下其脫乙酰度則迅速降至83.7%；100～200 kGy劑量時，其脫乙酰度穩定在80.4%左右。可能當輻照強度大于25 kGy時，增大輻照強度能產生更多的強氧化性基團與部分氨基反應，降低了氨基的含量，使得脫乙酰度降低。

綜上可知，所有樣品的脫乙酰度幾乎均處于80.4%～87.5%的范圍內，輻照劑量對殼聚糖脫乙酰度無顯著影響，從FTIR分析可知，輻照沒有改變殼聚糖的酰胺結構，其酰胺結構保持不變(圖2)，這與張志亮等[12]報道相符。 綜合圖1(a)、(b)結果，在一定溶劑環境和輻照劑量下，殼聚糖降解產物的脫乙酰度與其分子量不相關，無章可循。

圖2 不同溶液、不同輻照劑量下的殼聚糖的UV圖譜Fig.2 UV-VIS spectra of the chitosan under different irradiation自下而上(From bottom to top)：0 kGy,H2O;100 kGy,NaBH4;100 kGy,丙氨酸(Alanine);0 kGy,H2O2;25 kGy,H2O2;100 kGy,H2O2

2.3 輻照對不同溶液中殼聚糖白度的影響

2.4 輻照劑量對不同溶液中水溶性殼聚糖的形成

低于25 kGy輻照劑量，所有降解樣品的水溶性殼聚糖均無檢出。在50～200 kGy輻照劑量下，隨著輻照劑量的增加，水溶性殼聚糖含量均有所增加。在相同輻照劑量下，H2O2中的水溶性殼聚糖含量最高，水、NaBH4和L-α-丙氨酸液中的水溶性殼聚糖的含量幾無差異。在200 kGy輻照劑量下，H2O2中的水溶性殼聚糖含量為6%；其余三者為4%。

γ射線輻照H2O2中殼聚糖生成的水溶性殼聚糖含量最高，主要是因為γ射線輻照對H2O2中的殼聚糖分子量降解能力最強，使得其產生低分子水溶性的殼聚糖的概率較之其它溶液的大，故產生較多的水溶性殼聚糖。但在本文現有的實驗條件下，較難得到高含量水溶性殼聚糖，而低分子量殼聚糖居多。

2.5 UV-VIS分析

2.6 FTIR分析

圖3 不同溶液、不同輻照劑量下殼聚糖的 FTIR圖譜Fig.3 FTIR spectra of the irradiated chitosan samplesa——0 kGy,H2O;b——100 kGy,H2O;c——0 kGy,H2O2;d——25 kGy,H2O2;e——100 kGy,H2O2;f——100 kGy,丙氨酸(Alanine);g——100 kGy,NaBH4

3 結 論

用γ輻照降解法成功制備了一低相對分子質量的殼聚糖，研究了γ射線劑量對不同溶液中殼聚糖的降解、脫乙酰度和白度的影響。在小于100 kGy輻照范圍內，隨輻照劑量的增加，所有樣品的相對分子質量急劇下降。當輻照劑量繼續增大 (>100 kGy)，殼聚糖降解效果不明顯。輻照降解時殼聚糖酰胺結構基本保持不變，脫乙酰度無顯著變化。在低輻照 (<150 kGy) 條件下，NaBH4或L-α-丙氨酸溶液對殼聚糖的白度有一

定的保持效果。

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