不同分子量超高脫乙酰度殼聚度糖的制備

柏正武，付克勤，賓 琴，羅迎彬，劉 濤，陳 偉

武漢工程大學化學與環境工程學院，湖北 武漢430074

殼聚糖是甲殼素脫乙酰化的產物，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構較為規整，可用來制備具有特殊功能的材料. 由甲殼素脫乙酰化制得的殼聚糖通常分子量很大，不溶于普通溶劑，只能在某些酸性介質中溶解，這使殼聚糖的應用受到極大限制. 另外，研究表明分子量對殼聚糖的性質有很大影響，不同分子量的殼聚糖性質差異很大. 所以，為滿足制備不同材料對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，破壞殼聚糖的結構.

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 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent DD 2 400 MHz核磁共振儀(美國安捷倫科技有限公司)；烏氏粘度計(毛細管內徑為0.57 mm)；甲殼素，購于青島濰坊科海生物制品有限公司；正戊醇，購于國藥集團化學試劑有限公司；NaBH4購于武漢格奧化學技術有限公司；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，反應體系為甲殼素、NaOH和正戊醇，質量比為1∶5∶11，并加入質量分數為1.0%的NaBH4，在154 ℃下反應，反應結束后用蒸餾水洗滌至中性，干燥. 反應1 h制得的殼聚糖稱之為C1，反應2 h制得的殼聚糖稱為C2，反應3 h制得的殼聚糖稱為C3，反應5 h制得的殼聚糖稱為C4.

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

1.3 殼聚糖降解

采用H2O2為氧化劑對殼聚糖進行降解，在中性條件下，將殼聚糖用蒸餾水分散均勻，加熱到預定溫度，再加入一定量的H2O2. 改變反應時間、H2O2與糖單元摩爾比值(R)以及反應溫度，得到不同分子量的殼聚糖. 反應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 ℃用烏氏粘度計測定流出時間，計算特性粘度[η]，根據Mark Houwink方程(1)計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 結果討論

先將殼聚糖溶于CF3COOD中，再測量其1H NMR. 在殼聚糖中殘留乙酰基的甲基氫化學位移約為2.30，分別對殼聚糖中不同氫的峰進行積分，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)計算殼聚糖的脫乙酰度(D.D)[3-4].

(2)

在NaOH-正戊醇反應體系中，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%. 因此適當延長脫乙酰反應時間可增大產品的脫乙酰度. 圖1為測量的在NaOH-水反應體系中制備得到的殼聚糖1H NMR譜圖. 圖1表明經過2次反應，每次反應4 h，所制備的殼聚糖乙酰基中H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酰基中的甲基氫的化學環境，可推斷化學位移在2.30附近的峰應對應殼聚糖殘留乙酰基中的甲基氫. 殼聚糖的分子量不同，或脫乙酰度不同，其殘留的乙酰基中的甲基氫的化學位移也略有不同(表1).

比較兩種反應體系，以NaOH-水為反應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，若H2O2用量少，則降解程度小，如果用量過大，則導致氨基被氧化，產品顏色加深[7-10]，甚至發生脫氨基現象，嚴重破壞殼聚糖的結構[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底物，而應該用H2O2降解中等分子量的殼聚糖，這樣H2O2的用量不會太大，殼聚糖可保持原有的結構.

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

反應溫度為75 ℃，R值為1.0時，反應時間由30 min延長至90 min，降解后殼聚糖分子量變化不大. C4降解反應30 min后，R值由0.5變為1.0時，降解后殼聚糖分子量由14萬降至5.4萬，變化顯著. 因此H2O2的用量對殼聚糖降解的影響較反應時間和反應溫度的影響大，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 語

用正戊醇-NaOH反應體系脫乙酰化5 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2次(3 h和4 h)或間歇反應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. 延長反應時間，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，改變H2O2用量、反應時間，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

感謝國家自然科學基金委員會對本工作的資助.

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