離子強度對殼聚糖分子鏈構象的影響

張 威，夏文水

離子強度對殼聚糖分子鏈構象的影響

張 威1，夏文水2,*

（1.武漢輕工大學食品科學與工程學院，湖北 武漢 430023；2.江南大學食品學院，食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

通過特性黏度法和光散射法研究離子強度對高（712.6 kD）、中（205.8 kD）、低（76.4 kD）3種分子質量殼聚糖分子鏈構象的影響。結果表明：隨著離子強度的增加，3 種殼聚糖的特性黏度均降低，分子鏈均方旋轉半徑也表現出下降趨勢。殼聚糖分子質量越高，分子鏈剛性度越低。溶液中離子強度升高時，質子化氨基逐漸被反離子屏蔽，這可能是殼聚糖特性黏度和分子鏈均方旋轉半徑下降的原因。因此，殼聚糖的增稠效果可通過控制環境條件改變殼聚糖的分子鏈構象進行調節。

殼聚糖；離子強度；鏈剛性度；均方旋轉半徑；Zeta電位

殼聚糖是由氨基葡萄糖和N-乙酰氨基葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵連接而成的生物大分子聚合物[1]，具有促進傷口愈合[2]、降血糖[3-4]、降血脂[5]、抗氧化[6-7]、抑制微生物生長[8-9]等多種生理活性。作為一種功能性氨基多糖，殼聚糖在食品工業中應用越來越廣泛。Kataoka等[10]研究發現，在鱈魚糜中添加1.5%的殼聚糖在一段時間可使凝膠強度加倍。張茜等[11]研究發現添加1%殼聚糖鏈魚糜的凝膠強度與添加4%淀粉效果相當，是魚糜制品良好的品質改良劑。

我國于2007年已批準殼聚糖作為食品增稠劑使用。殼聚糖的增稠效果與其所處環境有一定的聯系[12-13]，鹽濃度（離子強度）是其中非常重要的一個因素。目前，國內外均有一些關 于離子強度影響殼聚糖增稠效果的報道。蔣文華等[14]研究了外加鹽對殼聚糖特性黏度的影響，發現殼聚糖特性黏度與外加鹽的離子強度平方根倒數成正比。Cho等[15]發現降低離子強度可增強殼聚糖溶液的非牛頓流體性質，如流塑性、剪切變稀行為。作為一種天然鏈狀高分子，殼聚糖的增稠行為可能與其分子鏈構象有關，但目前關于離子強度如何影響殼聚糖分子鏈構象的報道還較少，同時對其影響機理也僅有猜測性解釋。本實驗通過調節NaCl濃度控制溶液離子強度，對不同離子強度下殼聚糖的特性黏度及分子尺寸進行測定，并對其構象變化的原因進行探討，以期對殼聚糖的應用提供一定的理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

高（712.6 kD）、中（205.8 kD）、低（76.4 kD）3 種分子質量的殼聚糖采用過氧化氫降解法制備[16]，重均分子質量采用凝膠滲透色譜法測得[17]，脫乙酰度由Zhou Huiyun等[18]的方法測得均為90%。

冰乙酸、氯化鈉、30%過氧化氫等均為分析純 國藥集團藥業股份有限公司；PVDF微孔濾膜 美國Millipore公司。

光散射瓶 美國Sigma公司；烏氏黏度計 國藥集團藥業股份有限公司；Zetasizer Zen3600納米粒徑及電位分析儀 英國Malvern公司；ALV/DLS/LLS-S022F型激光光散射儀 德國ALV公司。

1.2 方法

1.2.1 特性黏度的測定

配制pH 3的殼聚糖乙酸溶液，利用烏氏黏度計對特性黏度進行測定，溶液離子強度通過調節溶液中NaCl濃度（0.05～0.5 mol/L）控制。

1.2.2 靜態光散射

配制0.1 mg/mL殼聚糖的乙酸溶液（pH 3），將溶液經過0.45 μm的PVDF微孔濾膜注入到熱丙酮沖洗除塵處理過的光散射瓶中。光散射實驗由ALV/DLS/LLS-S022F型激光光散射儀完成，該儀器配有ALV5000型multi-τ數字時間相關器以及氦-氖激光源（單相，輸出功率約為20 mW，波長為632.8 nm）。dn/dc取值為0.190 mL/g，所有靜態光散射實驗均在（25±0.1）℃條件下進行，使用甲苯作為空白對照。參照Berth等[19]的方法，選擇掃描范圍30°～150°，步長設定為5°。所得數據通過Alvstat軟件進行處理。

1.2.3 Zeta電位的測定

配制1 mg/mL的殼聚糖乙酸溶液（pH 3），由Zetasizer Zen3600納米粒徑及電位分析儀測定其Zeta電位。溶液離子強度（0.05～0.5 mol/L）通過調節溶液中NaCl濃度控制。

2 結果與分析

2.1 離子強度對殼聚糖特性黏度（[η]）及分子鏈剛性度（B）的影響

不同離子強度下殼聚糖比濃黏度（ηsp/ρ）隨質量濃度（ρ）的變化趨勢如圖1所示，對兩者進行線性擬合，得到殼聚糖在不同離子強度下的特性黏度，結果如表1所示。

圖1 不同離子強度下高分子質量殼聚糖比濃黏度（ηsp/ρ）隨殼聚糖質量濃度（ρ）的變化Fig.1 Dependence of reduced viscosity (ηsp/ρ) on concentration of high molecular weight chitosan at different ionic strengths

表1 不同分子質量殼聚糖的特性黏度（[[η]）及分子鏈剛性度（B）Table 1 Intrinsic viscosity ([[η]) and chain stiffness ((B) of chitosan

由表1可知，溶液從離子強度為0（未添加氯化鈉）增加至0.05 mol/L時，3 種殼聚糖特性黏度均表現出較大程度的下降。隨著離子強度的升高，3 種殼聚糖的特性黏度逐漸下降。

圖2 高分子質量殼聚糖的特性黏度（[[η]）與離子強度平方根倒數（I－0.5）的線性擬和Fig.2 Linear regression plot between intrinsic viscosity ([η]) of high molecular weight chitosan and inverse square root of ionic strength

鏈剛性度B的計算參照Tsaih等[20]的方法，對特性黏度（[η]）與離子強度平方根倒數（I－0.5）進行線性擬和（圖2），得到殼聚糖v分子鏈的耐鹽度S（直線斜率），根據Smidsrod方程S=B（[η]I=0.1）ν（ν為與分子結構有關的參數，參照Tsaih等[20]取1.217），計算出分子鏈剛性度B，結果如表1所示。殼聚糖分子質量越高，其分子鏈剛性度B越低。

2.2 離子強度對均方旋轉半徑（Rg）的影響

圖3 不同離子強度下高分子質量殼聚糖的Zimm圖Fig.3 Zimm plot of high molecular weight chitosan at different ionic strengths

圖3所示的是不同離子強度下3種殼聚糖的Zimm圖，其中K、C、Rθ和q分別為光學常數、溶液質量濃度、樣品的瑞利比和散射矢量，利用Alvstat軟件對數據進行處理得到殼聚糖分子均方旋轉半徑（Rg）如表2所示。

表2 離子強度對殼聚糖均方旋轉半徑（Rg）的影響Table 2 Effect of ionic strength on the mean square radius of gyration (Rg) of chitosan

由表2可知，當溶液中離子強度由0增加至0.05 mol/L時，殼聚糖分子Rg下降程度較大，而離子強度提高至0.5 mol/L時，Rg進一步下降。

2.3 離子強度對殼聚糖Zeta電位（Zp）的影響

圖4 離子強度對高分子質量殼聚糖Zeta電位的影響Fig.4 Effect of ionic strength on the zeta potential of high molecular weight chitosan

由圖4可知，離子強度I為0時，高分子質量殼聚糖Zeta電位高達＋53.8 mV。當溶液中離子強度增加至0.05 mol/L時，Zeta電位下降為＋31.4 mV，下降程度較為明顯；當離子強度繼續提高時，Zeta電位保持下降趨勢。

3 討 論

特性黏度法和光散射法是研究高分子鏈構象較常用的方法[21-25]，本實驗利用這兩種方法研究了離子強度對殼聚糖分子鏈構象的影響。隨著離子強度的增加，高、中、低3種分子質量殼聚糖的特性黏度均表現出一定程度的下降，這與蔣文華[14]、Tsaih[20]等得到的結論是一致的。這種現象表明，隨著離子強度的增加，殼聚糖分子鏈的舒展構象逐漸收縮。Tsaih等[20]認為殼聚糖溶液中離子強度較低時，第三電黏效應起主要作用，分子鏈以一種舒展構象存在；而在高離子強度下，反離子易屏蔽掉殼聚糖鏈上的電荷，使殘基間電荷斥力下降，引起分子鏈收縮，造成特性黏度的下降。本研究中Zeta電位及光散射實驗結果在一定程度上證明了上述觀點。Zeta電位實驗結果表明，隨著離子強度的增加，殼聚糖的Zeta電位值下降，這說明NaCl提供的反離子部分屏蔽了殼聚糖鏈上的質子化氨基，屏蔽效果隨離子強度上升而增強。光散射實驗結果表明，殼聚糖乙酸溶液中，NaCl的添加明顯降低了殼聚糖分子鏈均方旋轉半徑，引起分子鏈收縮，同時提高NaCl濃度可以使分子鏈進一步收縮。

殼聚糖的分子鏈剛性度B隨著分子質量的增加表現出下降趨勢，這表明殼聚糖分子質量越高，其剛性越弱，柔性越好。這可能是因為分子質量高的殼聚糖的分子鏈容易纏結，在分子鏈上質子化氨基被反離子屏蔽后，更容易形成分子內氫鍵，從而引起構象的變化。

本實驗考察了離子強度對殼聚糖增稠效果的影響，并對分子鏈構象的變化進行了研究，結果表明離子強度升高時，質子化氨基逐漸被反離子屏蔽，從而引起分子鏈的收縮，這可能是殼聚糖特性黏度下降的原因。除離子強度外，殼聚糖的增稠效果與食品體系的溫度和pH值均有一定關系，同時食品中大分子及一些乳化劑等也會對殼聚糖的增稠作用產生影響。為更深入了解殼聚糖在實際食品體系中的增稠機制及影響增稠效果的因素，下一步將著重研究食品中的一些組分，如蛋白、多糖和常用的食品乳化劑等，在不同環境中與殼聚糖分子的相互作用，并研究這些作用對殼聚糖增稠效果的影響，為殼聚糖作為一種新型的食品增稠劑在食品體系中得到更好的應用而提供相應的理論指導。

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Effect of Ionic Strength on Chain Conformation of Chitosan

ZHANG Wei1, XIA Wen-shui2,*
(1. College of Food Science and Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China; 2. State Key Laboratory of Food Science and Technology, School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

The effect of ionic strength on the chain conformations of high (712.6 kD), medium (205.8 kD) and low (76.4 kD) molecular weight chitosan was studied by intrinsic viscosity and static light scattering. Our results showed that the intrinsic viscosities and mean square radiuses of the three samples decreased with increasing ionic strength. The chain stiffness of chitosan became weak as the molecular weight increased. With an increase in ionic strength, the protonated amino groups of chitosan chains were gradually screened by counter ions, which might account for the decrease in intrinsic viscosity and mean square radius of gyration. This study indicated that the thickening effect of chitosan could be regulated by changing its chain conformation through the adjustment of environment factors, which would be helpful for its application as a thickener in food systems.

chitosan; ionic strength; chain stiffness; mean square radius of gyration; Zeta potential

TS201.7

A

1002-6630（2014）09-0034-04

10.7506/spkx1002-6630-201409008

2012-03-22

國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目（2007AA100401）；國家自然科學基金面上項目（20876068；20571034）；廣東省科技計劃項目（2010B090400467）；食品科學與技術國家重點實驗室目標導向項目（SKLF-MB-200805）；江蘇省重大科技成果轉化專項 （BA2009082）

張威（1986—），男，講師，博士，研究方向為大分子結構與功能。E-mail：zhangwei_food@163.com

*通信作者：夏文水（1958—），男，教授，博士，研究方向為大分子的結構與功能。E-mail：xiaws@jiangnan.edu.cn