低聚殼聚糖制備的研究

朱新鋒，黃永春*，楊鋒，張昆明

(1.廣西糖資源綠色加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 柳州 545006；2.廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006)

殼聚糖是由甲殼素經(jīng)脫乙酰化處理后得到的一種堿性氨基多糖，因其具有優(yōu)良的生物降解性、吸附性和低毒性等優(yōu)點(diǎn)[1]，在食品、化工、生物和醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2-4]，展現(xiàn)出了獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。然而，由于殼聚糖分子量較大，不易溶于水和堿性溶液，只能溶于乙酸等弱酸性溶液，這極大地限制了殼聚糖在各領(lǐng)域的應(yīng)用[5]。而低聚殼聚糖具有較好的水溶性、乳化性等功能特性[6]，已廣泛應(yīng)用于食品添加劑、調(diào)味品、食品保鮮等領(lǐng)域[7]。因此降解制備低聚殼聚糖是殼聚糖高值化利用的重要途徑，但目前低聚殼聚糖生產(chǎn)能力還較低。因此研究一種高效、實(shí)用的殼聚糖降解方法勢(shì)在必行。

本課題組已經(jīng)研究了孔板水力空化、文丘里管、射流空化等物理方法對(duì)殼聚糖降解效果的影響，且均取得一定成效。撞擊流技術(shù)作為一種新型的物理方法，具有無污染、高效率等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)廢氣處理、粉體制備、物料粉碎等領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。因此，本文應(yīng)用撞擊流技術(shù)對(duì)殼聚糖進(jìn)行降解，研究不同的操作條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)殼聚糖降解效果的影響，從而為制備低聚殼聚糖提供了一種新型方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖：工業(yè)級(jí)，上海卡博工貿(mào)有限公司；其余試劑均為分析純。

BS224S型分析天平 德國(guó)賽多利斯股份有限公司；JS-510機(jī)械秒表 上海星鉆秒表有限公司；烏氏粘度計(jì)(0.57 mm) 上海良晶玻璃儀器廠；HK-1D型恒溫水浴槽 南京物化智能設(shè)備有限公司；GM-0.33隔膜真空泵 天津市騰達(dá)過濾器件廠；NICOLET 6700紅外光譜儀；TG209F1熱重分析儀;Waters 1515凝膠滲透色譜儀；撞擊流裝置：本實(shí)驗(yàn)室自制，裝置示意圖見圖1；撞擊流裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖1 撞擊流裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of impinging stream device

注：1為溶液貯箱；2為離心泵；3為撞擊流裝置；4為壓力表；V為閥門。

圖2 撞擊流裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of impinging stream device

注：α為撞擊角度；D為出口直徑；D1為噴嘴直徑(10 mm)。

1.2 分析方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1.1 初始濃度對(duì)降解效果的影響

將殼聚糖溶解到0.2 mol/L醋酸-0.1 mol/L醋酸鈉緩沖液中配成濃度分別為1，3，5，7，10 g/L的殼聚糖溶液，并調(diào)節(jié)溶液的pH至4.4，保持反應(yīng)溫度為40 ℃，調(diào)控反應(yīng)流速為4.2 m/s，通過撞擊角為90°、出口直徑為10 mm的撞擊流反應(yīng)器裝置循環(huán)40 min，測(cè)定殼聚糖溶液的特性粘度在反應(yīng)前和反應(yīng)后的變化并分析殼聚糖初始濃度對(duì)降解效果的影響。

1.2.1.2 溶液pH對(duì)降解效果的影響

將殼聚糖溶解到0.2 mol/L醋酸-0.1 mol/L醋酸鈉緩沖液中配成濃度為3 g/L的殼聚糖溶液，調(diào)節(jié)溶液的pH分別為3.2，3.6，4.0，4.4，4.8，保持反應(yīng)溫度為40 ℃，調(diào)控流速為4.2 m/s，通過撞擊角為90°、出口直徑為10 mm的撞擊流反應(yīng)器裝置循環(huán)40 min，測(cè)定殼聚糖溶液的特性粘度在反應(yīng)前和反應(yīng)后的變化并對(duì)不同pH對(duì)降解效果的影響進(jìn)行分析。

1.2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)降解效果的影響

將殼聚糖溶解到0.2 mol/L醋酸-0.1 mol/L醋酸鈉緩沖液中配成濃度為3 g/L的殼聚糖溶液，并調(diào)節(jié)溶液的pH至4.4，調(diào)控流速為4.2 m/s，保持反應(yīng)溫度為40 ℃，通過撞擊角為90°、出口直徑為10 mm的撞擊流反應(yīng)器裝置循環(huán)260 min，每20 min測(cè)定殼聚糖溶液的特性粘度在反應(yīng)前和反應(yīng)后的變化并對(duì)反應(yīng)時(shí)間對(duì)降解效果的影響進(jìn)行分析。

1.2.1.4 溶液流速對(duì)降解效果的影響

將殼聚糖溶解到0.2 mol/L醋酸-0.1 mol/L醋酸鈉緩沖液中配成濃度為3 g/L的殼聚糖溶液，并調(diào)節(jié)溶液的pH至4.4，保持反應(yīng)溫度為40 ℃，通過控制撞擊流的閥門，調(diào)控流量為20，60，110，160，190，210，230 mL/s，通過撞擊角為90°、出口直徑為10 mm的撞擊流反應(yīng)器裝置循環(huán)40 min，測(cè)定殼聚糖溶液的特性粘度在反應(yīng)前和反應(yīng)后的變化并對(duì)溶液流速對(duì)降解效果的影響進(jìn)行分析。

1.2.1.5 撞擊流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)降解效果的影響

將殼聚糖溶解到0.2 mol/L醋酸-0.1 mol/L醋酸鈉緩沖液中配成濃度為3 g/L的殼聚糖溶液，并調(diào)節(jié)溶液的pH至4.4，調(diào)控流速為4.2 m/s，控制撞擊角度為30°、45°、60°、90°，循環(huán)反應(yīng)40 min，測(cè)定殼聚糖溶液的特性粘度在反應(yīng)前和反應(yīng)后的變化并對(duì)不同撞擊角度的撞擊流裝置對(duì)降解效果的影響進(jìn)行分析。

1.2.2 特性粘度下降率的測(cè)定

通過特性粘度下降率進(jìn)行表征[8]：

式中：ηo，ηt是反應(yīng)前后溶液的特性粘度，mL/g。用烏式粘度計(jì)在(30±0.1) ℃條件下測(cè)定殼聚糖溶液的特性粘度，殼聚糖溶液流出時(shí)間為t，溶劑流出時(shí)間為t0，用文獻(xiàn)[9]的方法計(jì)算特性粘度。

1.2.3 凝膠滲透色譜分析

本實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為Waters 1515(美國(guó))的凝膠滲透色譜儀對(duì)殼聚糖樣品及降解產(chǎn)物進(jìn)行分析，保持殼聚糖溶液的濃度為3 g/L，調(diào)節(jié)溶液的pH為4.4，使溶液溫度保持在40 ℃，流速為4.2 m/s的條件下，溶液在撞擊流反應(yīng)器中循環(huán)反應(yīng)100 min，每隔20 min取樣1次，利用凝膠滲透色譜法對(duì)殼聚糖的分子量分布進(jìn)行測(cè)定。

1.2.4 紅外光譜分析

采用紅外光譜儀對(duì)殼聚糖樣品及其降解產(chǎn)物在400～4000 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，通過分析光譜圖中吸收峰的位置和形狀，從而推斷殼聚糖降解前后基本結(jié)構(gòu)的變化。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 殼聚糖的降解效果

2.1.1 初始濃度的影響

圖3 殼聚糖濃度對(duì)降解效果的影響Fig.3 Effect of chitosan concentration on degradation

由圖3可知，殼聚糖溶液的濃度對(duì)降解效果的影響非常顯著。當(dāng)殼聚糖溶液濃度從1 g/L增加到10 g/L時(shí)，特性粘度下降率從67.6%降低到3.7%。說明低濃度殼聚糖溶液有利于降解。其原因：一方面，溶液濃度越大，粘度越大，殼聚糖分子在相同的碰撞條件下，每個(gè)殼聚糖分子能夠獲得的斷鏈的機(jī)械能減少，并且分子之間碰撞及摩擦的作用力減小，因此由碰撞轉(zhuǎn)變成的應(yīng)變能減小[10]，從而導(dǎo)致殼聚糖分子內(nèi)化學(xué)鍵斷裂的數(shù)量減少，故降解效果減弱；另一方面，溶液濃度越大，其粘度越大，會(huì)使碰撞瞬間產(chǎn)生速度梯度下降的程度減弱，導(dǎo)致機(jī)械剪切效應(yīng)變小，從而減弱了降解效果。

2.1.2 溶液pH對(duì)降解效果的影響

圖4 pH對(duì)降解效果的影響Fig.4 Effect of pH on degradation

由圖4可知，溶液的pH值是撞擊流技術(shù)降解殼聚糖的重要影響因素。pH在3.2～4.4之間時(shí)，隨著溶液pH的升高，特性粘度下降率也隨之增加，當(dāng)pH>4.4時(shí)，溶液的特性粘度下降率反而減小。這是因?yàn)楫?dāng)pH較小時(shí)，溶液中氫離子濃度高，導(dǎo)致陰離子的濃度也增加，殼聚糖分子形成的鹽鍵增多[11]，導(dǎo)致殼聚糖分子的伸展程度減弱，殼聚糖分子在相同的撞擊力、剪切力、摩擦力的作用下，降低了分子的降解速度[12]；另外，殼聚糖降解是在酸性條件下催化反應(yīng)，只有在酸性條件下才能進(jìn)行，而pH太大不利于降解反應(yīng)的進(jìn)行。

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)降解效果的影響

圖5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)降解效果的影響Fig.5 Effect of reaction time on degradation

由圖5可知，殼聚糖降解過程中，在反應(yīng)前80 min，溶液特性粘度下降率升高很快，但是，延長(zhǎng)殼聚糖溶液在反應(yīng)器中的反應(yīng)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)殼聚糖溶液的特性粘度下降率升高幅度逐漸變緩。這是因?yàn)榉磻?yīng)初期殼聚糖分子鏈較長(zhǎng)，在撞擊流反應(yīng)器中，由于機(jī)械剪切效應(yīng)使長(zhǎng)鏈斷裂，形成很多短鏈殼聚糖分子。當(dāng)短鏈殼聚糖分子再通過撞擊流反應(yīng)器時(shí)，由于殼聚糖分子的分子鏈已經(jīng)很短，所以斷鍵的能力減弱。所以，降解率呈現(xiàn)先直線升高后趨于平緩的趨勢(shì)。因此，既要提高殼聚糖降解效果，又要降低能耗，實(shí)驗(yàn)選取的反應(yīng)時(shí)間不宜過長(zhǎng)。

2.1.4 溶液流速對(duì)降解效果的影響

圖6 流速對(duì)降解效果的影響Fig.6 Effect of flow velocity on degradation

由圖6可知，在降解反應(yīng)中，隨著流速的增大，殼聚糖溶液特性粘度下降率隨之升高。當(dāng)流速達(dá)到190 mL/s時(shí)，特性粘度下降率升高的幅度突然增加。這是因?yàn)椋阂环矫妫芤褐型ㄟ^噴嘴進(jìn)入撞擊區(qū)的殼聚糖分子之間的剪切力與溶液的速度和密度成正比[13]。相同條件下，液體的流速?zèng)Q定了殼聚糖分子承受剪切力的大小。高速對(duì)撞過程中，流速的大小即分子承受剪切力的大小，流速越大，殼聚糖分子所受的剪切力越大，分子越容易斷鍵，所以降解效果越顯著；另一方面，當(dāng)流速增加時(shí)，流體間湍流程度加強(qiáng)，分子間碰撞更加劇烈，使化學(xué)鍵更容易斷裂，從而導(dǎo)致殼聚糖特性粘度下降率升高。因此，較大的流速有利于殼聚糖溶液的降解。

2.1.5 撞擊角度對(duì)降解效果的影響

由圖7可知，撞擊角度的改變對(duì)殼聚糖特性粘度下降率的影響具有差異性。當(dāng)撞擊角度較小時(shí)，撞擊區(qū)流體的湍動(dòng)程度較小，液體以“Y”形流出；隨著撞擊角度的增大，對(duì)撞明顯加強(qiáng)，殼聚糖溶液的降解效果得到加強(qiáng)，當(dāng)撞擊角度為90°時(shí)，特性粘度下降率最大。這是因?yàn)殡S著撞擊角度的增大，撞擊流反應(yīng)器中兩股流體分別從噴嘴射入到撞擊面的過程中，軸向速度逐漸減小，徑向速度逐漸增大，對(duì)撞程度明顯增強(qiáng)，同時(shí)撞擊面處的湍流程度增加，這兩股流體的動(dòng)能最大程度地轉(zhuǎn)化為碰撞時(shí)的撞擊力、剪切力等，從而提高了殼聚糖的降解率。

圖7 撞擊角度對(duì)降解效果的影響Fig.7 Effect of impinging angle on degradation

2.2 凝膠滲透色譜分析

圖8 不同時(shí)間降解產(chǎn)物的凝膠滲透色譜圖Fig.8 Gel permeation chromatogram of degradation products at different time

由圖8可知，隨著殼聚糖溶液反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，降解產(chǎn)物的色譜峰向保留時(shí)間較高的方向偏移，其峰形未發(fā)生明顯變化，說明殼聚糖在撞擊流反應(yīng)器作用下發(fā)生了降解，大分子不斷減少，小分子不斷增多，其平均分子量降低，且分散指數(shù)未發(fā)生變化。

2.3 紅外光譜分析

圖9 殼聚糖樣品及降解產(chǎn)物的紅外譜圖Fig.9 Infrared spectra of chitosan samples and degradation products

由圖9可知，位于1051，1081 cm-1處的吸收峰明顯增強(qiáng)，說明殼聚糖分子中的C-O鍵發(fā)生了變化，表明殼聚糖的降解主要發(fā)生在主鏈上；在1690，1548，1340 cm-1附近的吸收峰也沒有明顯差異，可知降解過程中-NH2的數(shù)量基本沒有變，酰胺結(jié)構(gòu)也沒有發(fā)生太大變化；此外，在895 cm-1附近的吸收峰表明殼聚糖的主鏈仍是環(huán)狀結(jié)構(gòu)。由以上結(jié)果可知，殼聚糖分子經(jīng)撞擊流技術(shù)降解后，其官能團(tuán)和結(jié)構(gòu)單元基本沒有變，撞擊流降解主要是切斷了殼聚糖的β-(1,4)-糖苷鍵[14]，此降解方式并不改變降解產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：殼聚糖溶液濃度越低，降解效果越好，當(dāng)溶液濃度為1 g/L時(shí)，特性粘度下降率達(dá)到最高，為67.6%。隨pH增大，殼聚糖降解效果先增強(qiáng)后減小，當(dāng)pH為4.4時(shí)殼聚糖降解效果最好；殼聚糖降解率隨著流量的增大而升高，當(dāng)流速在190～230 mL/s時(shí)升高的趨勢(shì)較為明顯，當(dāng)流量為230 mL/s時(shí)，特性粘度下降率最大，達(dá)到48.5%；隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，殼聚糖降解率呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，升高的幅度逐漸減弱；當(dāng)撞擊角度為90°時(shí)，殼聚糖的特性粘度下降率最大；撞擊流技術(shù)能有效降解殼聚糖，且糖鏈的斷裂主要發(fā)生在主鏈的β-(1,4)-糖苷鍵上。