氧氣對渦流空化降解殼聚糖的影響

張偉偉，任仙娥*，楊 鋒，黃永春，何 仁

（廣西科技大學生物與化學工程學院，廣西糖資源綠色加工重點實驗室，廣西高校糖資源加工重點實驗室，廣西 柳州 545006）

氧氣對渦流空化降解殼聚糖的影響

張偉偉，任仙娥*，楊 鋒，黃永春，何 仁

（廣西科技大學生物與化學工程學院，廣西糖資源綠色加工重點實驗室，廣西高校糖資源加工重點實驗室，廣西 柳州 545006）

研究了氧氣在不同殼聚糖溶液初始質量濃度、pH值、溫度、進口壓力、空化時間等條件下，對殼聚糖渦流空化降解的影響。結果表明：殼聚糖溶液的初始質量濃度越低渦流空化降解效果越好，當溶液pH值為4.4、溫度為70 ℃、進口壓力為0.4 MPa、空化時間為3 h時，殼聚糖的特性黏度下降率最高；在不同渦流空化降解條件下，連續通入氧氣均可顯著促進殼聚糖降解產物特性黏度下降率的提高，在本實驗中最大可提高35.36%；氧氣對高質量濃度殼聚糖降解的促進作用更顯著；氧氣的通入減弱了pH值對殼聚糖降解的影響、在反應的初期大大加快了反應速率；降解后的殼聚糖主鏈結構及官能團基本沒發生變化。

氧氣；渦流空化；降解；殼聚糖

張偉偉， 任仙娥， 楊鋒， 等. 氧氣對渦流空化降解殼聚糖的影響［J］. 食品科學， 2016， 37（9）： 45-49. DOI：10.7506/spkx1002-6630-201609009. http：//www.spkx.net.cn

ZHANG Weiwei， REN Xiane， YANG Feng， et al. Effect of oxygen on degradation of chitosan with swirling cavitation［J］. Food Science， 2016， 37（9）： 45-49. （in Chinese with English abstract） DOI：10.7506/spkx1002-6630-201609009. http：//www.spkx.net.cn

低分子質量聚殼聚糖因具有較好的生物相容性及生物活性，在食品、醫學、日化等領域的應用前景廣闊。目前主要制備方法有物理降解［1］、化學降解［2］、生物降解［3］等。劉石生等［4］研究了超聲空化降解殼聚糖，獲得了較好的效果。與超聲空化相比，水力空化具有能量利用率高、空化場范圍大且均勻的優點，更易于實現工業化應用。近年來，Huang Yongchun［5］和Wu Yu［6］等研究了孔板水力空化、渦流空化等對殼聚糖的降解的作用，結果表明：不同的水力空化設備及結構參數對殼聚糖降解效果不同；在相同的設備條件下，較低的初始濃度和pH值、較高的溫度和壓力、較長的處理時間等有利于殼聚糖的水力空化降解；降解產物的紅外光譜、X射線衍射分析表明水力空化沒有破壞殼聚糖的結構單元和基本官能團。超聲空化降解聚苯乙烯、揮發性脂肪酸等有機物的研究表明液體中氣體含量、氣體溶解度及氣體的熱導性等會影響空化效應的強弱及對有機物的降解效果［7-10］。為了解氣體對渦流空化降解殼聚糖的影響，楊鋒等［11］進行了空氣、氧氣、氮氣對渦流空化降解殼聚糖的研究，表明氧氣對渦流空化降解殼聚糖具有顯著的促進作用。在此基礎上，本實驗研究了不同殼聚糖溶液初始質量濃度、pH值、溫度、壓力、處理時間等條件下，氧氣對渦流空化降解殼聚糖的強化作用，以期獲得更好的降解效果。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

殼聚糖（工業級） 上海卡博工貿有限公司；三水合醋酸鈉（分析純） 臺山市粵僑試劑塑料有限公司；冰醋酸（化學純） 成都市科龍化工試劑廠；鹽酸、NaOH（均為分析純） 西隴化工股份有限公司。

1.2 儀器與設備

GM-0.33隔膜真空泵 天津市騰達過濾器件廠；烏氏黏度計（毛細管內徑0.57 mm） 上海良晶玻璃儀器廠；20NPD047渦流泵 上海尼可尼泵業有限公司；HK-1D型恒溫水浴槽 南京物化智能設備有限公司；JS-510機械秒表 上海星鉆秒表有限公司；NICOLET 6700紅外光譜儀 美國Thermo Fisher Scientific公司。

渦流空化裝置，廣西科技大學生物與化學工程實驗室自制，如圖1所示。

1.3 方法

1.3.1 氧氣對不同初始質量濃度殼聚糖溶液渦流空化降解效果的影響

以乙酸-乙酸鈉緩沖液為溶劑，分別配制不同質量濃度（0.5、1、3、5、7 g/L）的殼聚糖溶液3 L，調節pH值為4.4，在溶液溫度為50 ℃，進口壓力為0.3 MPa條件下將溶液在空化裝置中降解3 h，測定空化處理前后殼聚糖溶液的特性黏度。其他條件不變的情況下，在空化過程中連續通入1 276.03 mL/min的氧氣，測定空化處理前后殼聚糖溶液的特性黏度。通過對比兩種條件下殼聚糖溶液的特性黏度下降率，來評價氧氣對不同初始質量濃度殼聚糖渦流空化降解的作用。

固定其他條件，分別研究在不同pH值、溫度、壓力、空化時間等條件下氧氣對殼聚糖降解效果的影響。

1.3.2 不同pH值下氧氣對殼聚糖渦流空化降解效果的影響

固定初始殼聚糖質量濃度為3 g/L、溫度50 ℃、壓力0.3 MPa、處理時間3 h，分別研究不同的溶液pH值對渦流空化降解殼聚糖效果的影響。

1.3.3 不同溫度下氧氣對殼聚糖渦流空化降解效果的影響

固定初始殼聚糖質量濃度為3 g/L、pH 4.4、壓力0.3 MPa、處理時間3 h，探究不同的溶液溫度在條件下對渦流空化降解殼聚糖效果的影響。

1.3.4 不同壓力下氧氣對殼聚糖渦流空化降解效果的影響

固定初始殼聚糖質量濃度為3 g/L、pH 4.4、溫度50 ℃、處理時間3 h，探究不同壓力條件下對渦流空化降解殼聚糖效果的影響。

1.3.5 不同空化時間下氧氣對殼聚糖渦流空化降解效果的影響

固定初始殼聚糖質量濃度為3 g/L、溫度50 ℃、pH 4.4、壓力0.3 MPa，探究不同的空化時間條件下對渦流空化降解殼聚糖效果的影響。

1.3.6 特性黏度下降率的計算

特性黏度的測定在（30.0±0.1）℃條件下進行，用機械秒表及烏式黏度計測定殼聚糖溶液的流出時間（t）和溶劑流出時間（t0），由一點法經驗公式（1），計算出特性黏度η［12］。

式中：ηsp為增比黏度，ηsp=ηr-1；ηr為相對黏度，ηr=t/t0；ρ為殼聚糖溶液質量濃度/（g/mL）。

由于公式使用的最佳條件是ηr在1.1～2.0之間，故測定黏度時，對樣品進行適當稀釋。

特性黏度下降率的計算如下：

式中：η0、ηt分別為未降解的和空化降解t時間后溶液的特性黏度/（mL/g）。

1.3.7 脫乙酰度（degree of deacetylation，DD）的測定

脫乙酰度的測定采用酸堿滴定法［13］。精確稱取干燥后的殼聚糖樣品0.1 g，加入過量的0.1 mol/L鹽酸標準溶液30 mL，攪拌使其完全溶解。滴入2～3 滴甲基橙指示劑，然后用0.1 mol/L NaOH標準溶液滴定混合溶液至終點［14］。脫乙酰度的計算公式如下。

式中：c1為鹽酸標準溶液濃度/（mol/L）；c2為NaOH標準溶液濃度/（mol/L）；V1為加入鹽酸標準溶液的體積/mL；V2為消耗NaOH標準溶液的體積/mL；m為樣品質量/g；0.016為與1 mL 1 mol/L 鹽酸溶液相當的氨基量/g；0.099 4為理論氨基含量。

1.3.8 紅外光譜分析

對殼聚糖原料及通入氧氣進行渦流空化降解后的產物進行紅外光譜分析，紅外光譜測定范圍4 000～400 cm-1［15］。運用溴化鉀片法進行樣品的制備：將KBr與殼聚糖樣品干燥后放入研缽內一起研磨至完全混勻，壓片，置于儀器中進行測試。

2 結果與分析

2.1 不同初始殼聚糖質量濃度下氧氣對殼聚糖渦流空化降解效果的影響

由圖2可知，殼聚糖溶液質量濃度對特性黏度下降率的影響顯著，隨著質量濃度從0.5 g/L升高到7 g/L，不通氣時殼聚糖降解產物的特性黏度下降率由59.86%降至23.94%；通入氧氣時殼聚糖降解產物的特性黏度下降率的變化趨勢與不通氣時相同，且特性黏度下降率大幅提高，尤其是質量濃度為0.5 g/L時，殼聚糖降解產物的特性黏度下降率可提高至79.98%；可見，氧氣的持續通入明顯促進了殼聚糖的渦流空化降解；達到相同的降解效果，通入氧氣可大大提高溶液降解時的質量濃度。這可能與氣體的通入增加了空核的形成、降低了空化閾值［16］，氧氣在空化泡潰滅是更容易形成O3及·OH有關。另外，在高質量濃度下（7 g/L）氧氣對殼聚糖降解效果的促進作用更顯著。但氧氣的通入并不能阻止隨著溶液質量濃度增大、表面張力及黏度增大等導致的空化閾值增大、空化數［17］增大、空化效應減弱的趨勢。

2.2 不同pH值下氧氣對殼聚糖渦流空化降解效果的影響

由圖3可知，pH值在3.2到4.8之間，通氣和不通氣殼聚糖降解產物特性黏度下降率均呈先增加后減小的趨勢，pH值為4.4時均達到最大值；當pH值大于4.4時，特性黏度下降率降低。這可能與高體積分數醋酸中的陰離子使殼聚糖分子形成更多的鹽鍵有關［18］，而較高的pH值又會影響殼聚糖的溶解。通入氧氣時，各pH值條件下的降解效果都得到了提高，尤其是在pH值為4.4時，特性黏度下降率從不通氣時的35.98%增加到57.88%。在pH 3.2～4.4范圍內，通入氧氣的殼聚糖特性黏度降解率較不通氣時增加緩慢，可見，氧氣的通入減弱了pH值對殼聚糖渦流空化降解的影響，其作用機理有待進一步研究。

2.3 不同溫度下氧氣對殼聚糖渦流空化降解效果的影響

由圖4可知，溶液溫度對殼聚糖降解產物特性黏度下降率影響顯著，在30～70 ℃范圍內，隨著溫度的升高，降解產物特性黏度下降率急劇升高；氧氣的通入大大增強了殼聚糖的渦流空化降解。這是因為溫度升高，空化閾值下降、空核更容易產生，且隨著溫度升高殼聚糖與溶液中的陰離子形成的鹽鍵更易破壞，糖苷鍵更易斷裂。尤其是在70 ℃，通入氧氣可使殼聚糖降解產物的特性黏度下降率從60.66%提高到82.48%。實驗發現當溫度超過70 ℃后，降解產物的顏色加深，這可能與殼聚糖降解產物發生了Maillard反應［19］等有關。

2.4 不同壓力下氧氣對殼聚糖降解效果的影響

由圖5可知，隨著壓力的增大殼聚糖降解產物特性黏度下降率先逐漸升高，超過0.4 MPa后下降；氧氣的通入提高了各壓力條件下的降解效果。這是由于隨著壓力增大，液體流速加快，空化數下降，空化效應增強，從而提高了降解效果；但隨著壓力的增大到一定程度，空泡潰滅困難，減弱了空化效果。在0.4 MPa時，殼聚糖降解產物的特性黏度下降率達到了62.72%，比不通氣時提高了15.35%。

2.5 不同空化時間下氧氣對殼聚糖渦流空化降解效果的影響

由圖6可知，殼聚糖降解產物的特性黏度下降率隨著處理時間的延長而增加，且前期的增速快、后期的增速緩慢；氧氣的通入提高了殼聚糖渦流空化降解的效果，尤其是在反應的初期大大加快了反應的速率。在反應開始2 h后，可將特性黏度下降率從39.88%提高到57.58%。這是因為開始時殼聚糖分子質量大，總分子數少，在降解初期相同分子數的殼聚糖降解產物占總分子數的比例較大，后期因總分子數增大而比例減少；另外，與殼聚糖分子質量與特性黏度的關系以及降解反應過程的產物抑制也可能相關。

2.6 降解前后脫乙酰度的變化

在降解效果較好、黏度較低、不影響測定的情況下選擇在初始質量濃度3 g/L、pH 4.4、溫度50 ℃、壓力0.3 MPa、反應時間3 h，通氣量1 276.03 mL/min條件下測定通入氧氣前后的渦流空化降解后殼聚糖原料的脫乙酰度，結果分別為90.17%和89.54%，無明顯變化。可見，降解過程中殼聚糖分子鏈上的氨基沒有被破壞，氨基和它的相鄰鍵沒有發生斷裂。

2.7 紅外光譜分析

3 368 cm-1是O-H和N-H的強吸收峰［20］；2 923 cm-1是-CH2、-CH3伸縮振動；1 644 cm-1和1 554 cm-1是酰胺I帶和酰胺II帶［14］；1 345 cm-1為酰胺III帶［21-22］；1 150、1 079 cm-1和1 031 cm-1分別為C-O-C、C-O（C3-OH）、C-O（C6-OH）伸縮振動［23］；895 cm-1附近的吸收峰為β-糖苷鍵的特征吸收峰［24］。由圖7可以看出，殼聚糖原料與降解后產物的紅外光譜圖基本一致，沒有出現或消失新的吸收峰，這說明降解后殼聚糖主鏈結構及官能團基本沒變，空化降解主要作用于殼聚糖分子的β-（1，4）糖苷鍵上。殼聚糖-NH2的N-H面內變形振動譜帶強度與脫乙酰度有關，1 644、1 345、1 554 cm-1的強度幾乎沒有變化，這說明殼聚糖降解前后的-NH2數量幾乎沒變，脫乙酰度也沒有發生改變［25］。

3 結 論

在不同pH值、溫度、壓力、空化時間等條件下，氧氣對殼聚糖的渦流空化降解均具有明顯的促進作用。在質量濃度為0.5 g/L時，殼聚糖降解產物的特性黏度下降率可提高至79.98%，在起到相同的降解效果時，與不通氣體時相比，通入氧氣可大大提高溶液的質量濃度，在質量濃度為5～7 g/L時氧氣的作用尤為顯著。氧氣的通入減弱了pH值對殼聚糖渦流空化降解的影響、在反應的初期大大加快了反應的速率；其作用機理有待進一步研究。

降解前后脫乙酰度的測定及紅外光譜分析表明，經過降解的殼聚糖，其主鏈結構及官能團基本沒變，降解過程中空化作用主要發生在殼聚糖分子的β-（1，4）糖苷鍵上。

［1］ 羅平， 何波兵， 周宗華， 等. 水溶性低分子殼聚糖的制備［J］. 化學研究與應用， 2000， 12（6）： 677-679.

［2］ 陳巍， 羅志剛， 李忠彥， 等. 物理方法在殼聚糖降解中的應用［J］. 糧油食品科技， 2006， 14（3）： 56-57.

［3］ 黃永春， 李琳， 郭祀遠， 等. 木瓜蛋白酶對殼聚糖的降解特性［J］. 華南理工大學學報（自然科學版）， 2003， 31（6）： 71-75.

［4］ 劉石生， 丘泰球， 蔡純， 等. 超聲對殼聚糖降解作用的研究［J］. 廣東工業大學學報， 2002， 19（3）： 83-86.

［5］ HUANG Y C， WU Y， YANG F. Numerical simulation on the dynamics for the ultrasonic cavitation bubble in chitosan solution［J］. Applied Mechanics and Materials， 2013， 275/277： 628-634. DOI：10.4028/ www.scientific.net/AMM.275-277.628

［6］ WU Y， HUANG Y C， ZHOU Y， et al. Degradation of chitosan by swirling cavitation［J］. Innovative Food Science & Emerging Technologies， 2014， 23： 188-193.

［7］ YOO Y E， TAKENAKA N， BANDOW H， et al. Characteristics of volatile fatty acids degradation in aqueous solution by the action of ultrasound［J］. Water Research， 1997， 31（6）： 1532-1535.

［8］ 李翠穎， 卞華松. 超聲波降解水溶液中甲醛的研究［J］. 上海環境科學， 2002， 21（1）： 12-14.

［9］ 孫紅杰， 趙明舉， 張志群. 超聲降解十二烷基苯磺酸鈉的實驗研究［J］.環境科學學報， 2003， 23（3）： 386-390.

［10］ 王宏青， 夏黎明. 滅多威的超聲降解研究［J］. 應用聲學， 2001， 20（2）：35-37.

［11］ 楊鋒， 劉婷， 黃永春， 等. 氣體對渦流空化降解殼聚糖的影響［J］. 食品與機械， 2015， 31（2）： 47-51.

［12］ 陳魯生， 周武. 殼聚糖粘均分子量的測定［J］. 化學通報， 1996（4）： 57.

［13］ HUANG Q Z， LI H Z， YING C G. Heterogeneous degradation of chitosan with H2O2catalysed by phosphotungstate［J］. Carbohydrate Polymers， 2008， 72（3）： 500-505.

［14］ WANG W P， DU Y M， QIU Y L， et al. A new green technology for direct production of low molecular weight chitosan［J］. Carbohydrate Polymers， 2008， 74（1）： 127-132.

［15］ 邵曉虹. 殼聚糖的功能化修飾及其在藥物釋放系統上的應用研究［D］.廣州： 暨南大學， 2013.

［16］ 張濤. 聲化學反應器中聲場及空化場研究［D］. 西安： 陜西師范大學，2004.

［17］ 余冬梅. 水力空化發生的影響因素及評價［D］. 天津： 天津科技大學，2010.

［18］ 張衛國， 周永國， 楊越冬， 等. 有機酸及降解條件對殼聚糖降解速度的影響［J］. 河北科技師范學院學報， 2006， 20（1）： 32-34.

［19］ 于淑娟， 馬菲， 徐獻兵. Maillard反應體系中亞硫酸根對2-氨基-2-脫氧葡萄糖降解的影響［J］. 華南理工大學學報（自然科學版），2013（10）： 34-39； 46.

［20］ 梁燕. 殼聚糖降解及高分子溶液特性黏度測定方法的研究［D］. 上海： 華東師范大學， 2007.

［21］ GU Z M， CAI Q Y， HE Y， et al. Degradation of hyaluronan by an electrochemical process［J］. Carbohydrate Polymers， 2010， 82（2）：521-523.

［22］ 耿曉東. 殼聚糖衍生物的制備及其抑菌性能研究［D］. 杭州： 浙江工商大學， 2013.

［23］ YUE W， HE R， YAO P J， et al. Ultraviolet radiation-induced accelerated degradation of chitosan by ozone treatment［J］. Carbohydrate Polymers， 2009， 77（3）： 639-642.

［24］ 李海浪. 殼聚糖衍生物的制備及其在藥物載體中的應用研究［D］. 上海： 中國科學院研究生院， 2014.

［25］ 胡偉. 氨基酸離子液體體系下電催化降解殼聚糖研究［D］. 南京： 南京理工大學， 2012.

Effect of Oxygen on Degradation of Chitosan with Swirling Cavitation

ZHANG Weiwei， REN Xiane*， YANG Feng， HUANG Yongchun， HE Ren
（Key Laboratory for Processing of Sugar Resources of Guangxi Higher Education Institutes， Guangxi Key Laboratory of Green Processing of Sugar Resources， College of Biological and Chemical Engineering，Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China）

In this research， the effect of oxygen on the degradation of chitosan by swirling cavitation under different conditions of initial concentration of chitosan solution， pH， temperature， inlet pressure and cavitation time was studied. The results showed that low initial concentration of chitosan solution resulted in better degradation efficiency of swirling cavitation. When the following conditions were used： solution pH， 4.4； temperature， 70 ℃； inlet pressure， 0.4 MPa； and cavitation time 3 h， chitosan solution showed the largest decline in intrinsic viscosity. Under each of the tested conditions，continuous feeding of oxygen significantly augmented the decrease in intrinsic viscosity， which could result in the maximum improvement of 35.36%. The effect of oxygen on the degradation of high chitosan concentration was more significant. pH impact on the degradation of chitosan was weakened， and the reaction rate was greatly accelerated in the early stage of the reaction as a result of increased oxygen supply. The major chain structure and functional groups of chitosan after degradation were not changed.

oxygen； swirling cavitation； degradation； chitosan

10.7506/spkx1002-6630-201609009

TS244

A

1002-6630（2016）09-0045-05

2015-06-29

國家自然科學基金地區科學基金項目（31160348）；廣西高等學校高水平創新團隊及卓越學者計劃資助項目（桂教人［2014］7號）

張偉偉（1990—），女，碩士研究生，研究方向為生物資源化工。E-mail：1279848659@qq.com

*通信作者：任仙娥（1979—），女，高級實驗師，碩士，研究方向為食品生物技術。E-mail：rxe12@sina.com