（无机化学专业论文）水溶性壳聚糖的制备及其应用研究.pdf

福建师范大学硕士学位论文丫7 69 1 7 1 内容提要 本论文提出两种降解制备水溶性壳聚糖的新方法：( 1 ) u m - h 2 0 2 联合 制备水溶性低聚壳聚糖；( 2 ) 在壳聚糖水异相体系中，磷钨酸催化h 2 0 2 制备水溶性低聚壳聚糖。采用溶液自组装方法合成了两种新型有机- 无机功 能配合物：壳聚糖磷钨酸、低聚壳聚糖磷钨酸配合物，并初步研究了它们 的抑菌性能。 采用u v h 2 0 2 联合技术研究了水溶性壳聚糖制各的最佳工艺参数。详 细考察了壳聚糖质量分数、h 2 0 2 质量分数、乙酸质量分数和光照时间对降 解反应的影响。在壳聚糖水异相体系中，研究了磷钨酸催化h 2 0 2 制备水 溶性壳聚糖的最佳工艺参数。详细考察了钨磷酸与壳聚糖质量比、h 2 0 2 浓 度、反应温度和反应时间对降解反应的影响。对制备的低聚壳聚糖采用红 外光谱、固体漫反射电子光谱进行了结构表征，并推测了两种方法的降解 机理。降解实验结果表明：两种方法均可以有效地制各水溶性低聚壳聚糖， 降解产物保持壳聚糖的基本结构特征。在紫外光- h 2 0 2 体系下降解壳聚糖 的最佳工艺为：h 2 0 2 质量分数2 5 ，乙酸质量分数1 5 ，壳聚糖质量分 数1 ，光照时间1 h 。在钨磷酸一h 2 0 2 体系下的最佳工艺为：反应温度9 0 ( 2 ， 磷钨酸与壳聚糖质量比为1 o x l 0 2 ，h 2 0 2 物质的量浓度2 7 m o l l ，反应时 间2 0 m i n 。以最佳条件对两种降解方法分别进行3 次平行实验，均可制得 粘均分子量为1 2 万左右的水溶性壳聚糖。 另外，用溶液自组装方法合成出壳聚糖磷钨酸、低聚壳聚糖磷钨酸两 种有机无机功能配合物，采用红外光谱、固体漫反射电子光谱对其进行了 表征，并初步研究了它们的抑菌性能。实验结果表明：杂多阴离子基团与 壳聚糖及低聚壳聚糖阳离子基团之间有强的相互作用，磷钨酸与壳聚糖、 低聚壳聚糖形成配合物后，杂多阴离子仍然保持k e g g i n 骨架结构。抑菌实 福建师范大学硕士学位论文 验表明，低聚壳聚糖磷钨酸配合物除对金黄色葡萄球菌的抑菌效果稍差 外，对大肠杆菌、黑曲霉菌、酵母菌均有较好的抑茵效果，对细菌的吸附 作用可能是其抑菌原因。 关键诃：壳聚糖，降解，h 2 0 2 ，紫外光，钨磷酸，配合物，抑菌性 l i 福建师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sw o r k ，t w op r o c e s so fc h i t o s a nd e g r a d a t i o nw a si n v e s t i g a t e d ：( 1 ) w i t hh y d r o g e np e r o x i d eu n d e rt h ei r r a d i a t i o no fu l t r a v i o l e tl i g h t ；( 2 ) w i t h h y d r o g e np e r o x i d eu n d e rt h ec a t a l y s i so f p h o s p h o t u n g s t i ca c i di ne h i t o s a n - w a t e r h e t e r o g e n e o u ss y s t e m b yt h es o l u t i o ns e l f - o r g a n i z a t i o n ，t w ok i n d so f o r g a n i c i n o r g a n i cc o m p l e x e so fp h o s p h o t u n g s t i ca d dw i t hc h i t o s a n a n dc h i t o s a n s d e g r a d e dw e r ep r e p a r e d t h e i rp r i m a r ya n t i b a c t e r i a la c t i v i t yw a ss t u d i e d t h eo p t i m a lp r e p a r a t i o nc o n d i t i o no fw a t e r - s o l u b i l i t yc h h o s a nw a ss t u d i e d b yu l t r a v i o l e tl i g h t h y d r o g e np e r o x i d e t h ee f f e c to ft h em a s sf r a c t i o no f h y d r o g e np e r o x i d e ，c h i t o s a n ，a c e t i ca c i da n di r r a d i a t i o nt i m eo nt h ed e g r a d a t i o n w a sd i s c u s s e d t h eo p t i m a lp r e p a r a t i o nc o n d i t i o no fw a t e r - s o l u b i l i t yc h i t o s a n w a ss t u d i e dw i t hh y d r o g e np e r o x i d eu n d e rt h ec a t a l y s i so f p h o s p h o t u n g s t i ca c i d i nc h i t o s a n - w a t e rh e t e r o g e n e o u ss y s t e m ，t h ee f f e c to f c o n c e n t r a t i o no f h y d r o g e n p e r o x i d e ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dt i m e ，d o s a g eo fc a t a l y s to nt h ed e g r a d a t i o n w a sd i s c u s s e d 。t h es t r u c t u r eo ft h ed e g r a d e dp r o d u c tw a sc h a r a c t e r i z e db y f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r aa n a l y s i sa n dd i f f u s er e f l e c t a n c es p e c t r a a n a l y s i s t w om e c h a n i s mo ft h ed e g r a d a t i o no fc h i t o s a nw a ss t u d i e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tw a t e r - s o l u b i l i t yc h i t o s a nc a nb ee f f e c t i v e l y p r o d u c e db yt w od e g r a d i n gm e t h o d s t h ec h i t o s a nd e g r a d e de x h i b i t e dt h e e s s e n t i a ls t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fc h i t o s a n t h eo p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o n o fc h i t o s a n d e g r a d a t i o nw i t hh y d r o g e np e r o x i d e u n d e ri r r a d i a t i o nw i t h u l t r a v i o l e tl i g h tw a so b t a i n e d 髂f o l l o w s ：i r r a d i a t i o nt i m el h , t h em a s sf r a c t i o n o fh y d r o g e np e r o x i d e ，c h i t o s a n , a c e t i ca c i di s2 5 ，1 ，1 5 ，r e s p e c t i v e l y t h e o p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o no fc h i t o s a nd e g r a d a t i o nw i t hh y d r o g e np e r o x i d e i i l 福建师范大学硕士学位论文 u n d e rt h ec a t a l y s i so fp h o s p h o t u n g s t i ca c i dw a so b t a i n e d8 sf o l l o w s ：h y d r o g e n p e r o x i d e2 7 m o l l , t h em a s sr a t i oo f p h o s p h o t u n g s t i ca c i dt oc h i t o s a nw a so 0 1 ， r e a c t i o nt i l r t e2 0 m i n r e a c t i o nt e m p e r a t u r e9 0 w a t e r - s o l u b l ec h i t o s a nt h a t a v e r a g em o l e c u l a rw e i g h ti s1 2 0 0 0w a sp r o d u c e du n d e rt w oo p t i m l m nr e a c t i o n c o n d i t i o nb yt h r e ee x p e r i m e n t a t i o n s t h eo r g a n i c - i n o r g a n i cc o m p l e x e so fp h o s p h o t u n g s t i ca c i dw i mc h i t o s a n a n dc h i t o s a n sd e g r a d e dw e r es y n t h e s i z e d t h ec o m p l e x e sw e r ec h a r a c t e r i z e db y f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r aa n a l y s i sa n dd i f f u s er e f l e c t a n c es p e c t r a a n a l y s i s ，a n dt h e i rp r i m a r ya n t i b a c t e r i a la c t i v i t yw a ss t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a th e t e r o p o l y a n i o na n dt h ea m i d o c y a n o g e no fc h i t o s a na n d c h i t o s a n sd e g r a d e dc o m ei n t ob e i n gas t r o n g e rr e c i p r o c i t y , t h eh e t e r o p o l y a n i o n o fc o m p l e x e sr e t a i n st h e c o m q g u r a f l o n o f k e g g i n t h ec o m p l e x o f h e t e r o p o l y a n i o na n dd e g r a d e dc h i t o s a nh a v ea ne x c e l l e n ta n t i b a c t e r i a la c t i v i t y t oe s e h e r i e h i ac o l i 、m i e r o z y m e 、a s p e r g i l l u se x p e c ts t a p h y l o c o c c u sa u r e u s ，t h e n t i b a c t e r i a la c t i v i t ym a yb ea r o s eb yt h ea d s o r p t i o n k e y w o r d s ：c h i t o s a n ；d e g r a d a t i o n ；h y d r o g e np e r o x i d e ；u l t r a v i o l e tl i g h t ； p h o s p h o t u n g s t i ea c i d ；c o m p l e x e s ；a n t i b a c t e r i a la c t i v i t y 福建师范大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 引言 1 8 1 1 年法国自然历史学家b r a c o n n o t 首先从霉菌中提取了一种类似纤 维素的物质，1 8 2 3 年法国科学家o d i c r 从甲壳昆虫的翅膀中分离出同样物 质，并将其命名为c h i t i n ，即甲壳素。 甲壳素广泛存在于蜘蛛类、甲壳类等节足动物的翅膀或外壳中，也存 在于真菌和藻类的细胞壁中，还可来源于有机酸类、抗生素与酶的酿造副 产物”，所以其在地球上分布十分广泛，年产量达1 0 0 0 亿吨左右，是仅次 于纤维素的第二大类天然高分子。 1 8 5 9 年法国学者r o u g e t 将甲壳素置于浓k o h 溶液中煮沸，发现得到 的衍生物可溶于有机酸中，1 8 9 4 年eh o p p c s c i l c r 将该衍生物命名为 c h i t o s a n ，即壳聚糖。 2 0 世纪7 0 年代以前，甲壳素和壳聚糖的研究重心主要集中在欧美国家， 1 9 3 4 年在美国首次出现了关于它们的专利，并在1 9 4 1 年制备出了壳聚糖人 造皮肤和手术缝合线。2 0 世纪8 0 年代起，全世界范围内掀起了研究高潮。 1 9 8 6 年，美国科学家首次发现壳聚糖具有生理活性，1 9 9 1 年，美国、欧洲 医学界及其相关研究机构相继投入研究。甲壳素和壳聚糖已被现代科学称 之为继糖、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质五大生命要素之后的第六生命 要素。 我国对甲壳素的研究始于2 0 世纪5 0 年代，到9 0 年代，已有众多的科 研机构投入到甲壳素，壳聚糖的开发与研究中，并取得不少的研究和应用成 果。中国化学会应用化学委员会已召开了四届全国甲壳素科技与应用研讨 会。而且我国已将有关甲壳素、壳聚糖研究项目列入高新技术研究和发展 第一章文献综述 1 2 甲壳素壳聚糖的结构及其理化性质 甲壳紊，又名甲壳质、壳多糖、几丁质、壳蛋白，是白色或灰白色无 定型、半透明固体，它的化学名称为d - ( 1 “) 一2 - 乙酰氨基一2 - 脱氧- d 一葡萄糖， 是n 乙酰基d - 葡胺糖通过p ( 1 4 ) 糖苷键联结的直链状多糖。其结构式如 图1 1 所示，分子呈直链状，链上分布着许多n - 乙酰氨基、羟基，它们形 成了大量的分子间和分子内氢键。甲壳素的这种结构使得它的相对分子 图1 1 甲壳索的结构式 f i g 1 1 t h es t r u c t u r eo f c h i t i n 质量高达数十万甚至数百万，溶解性极差，不溶于水、稀酸、稀碱及绝大 部分溶剂，仅溶于纯甲酸、甲磺酸、二氯乙酸、六氟异丙醇、六氟丙酮这 些溶剂以及5 氯化锂二甲基乙酰胺( 或n 甲基2 毗咯烷酮) 、l ，2 二氯乙烷 ，三氯乙酸( 重量比6 5 ：3 6 ) 等混合溶剂体系【2 】。 壳聚糖，又名甲壳胺、脱乙酰甲壳质、可溶性甲壳质，外观为白色或 灰白色，略有珍珠光泽，呈半透明的片状固体，是甲壳素脱去大部分乙酰 基后的产物，它是甲壳素最为重要的衍生物，化学名称为b 0 4 ) - 2 氨基- 2 脱氧- d 葡萄糖，分子结构如图1 - 2 所示。 2 福建师范大学硕士学位论文 图1 2 壳聚糖的结构式 f i g 1 2 t h es t r u c t u r eo f c h i t o s a n 壳聚糖保留了甲壳素的结构骨架，分子呈直链状，极性强，易结晶。 大分子链上分布着许多羟基、氨基，还有一些朴乙酰氨基，它们会形成分 子间和分子内氢键。 壳聚糖因原料不同和制各方法不同，相对分子质量从数十万到数百万 不等。壳聚糖是迄今发现的唯一碱性多糖，不溶于水、碱溶液，可溶于一 些有机酸如醋酸、乳酸、苯甲酸、甲酸等酸溶液中。在酸性溶液中，氨基 可与质子相结合，从而使壳聚糖带正电荷。壳聚糖化学性质稳定，在密闭 干燥容器内贮存三年也不变质：但遇水会发生分解反应，在高温下也能分 解，但速度缓慢。此外，由于具有缩醛结构，壳聚糖在酸性环境中将发生 降解，导致溶液粘度降低，如果加入甲醇、乙醇、丙酮等，可延缓其粘度 降低，尤以乙醇的作用明显。但由于甲壳素和壳聚糖的分子结构中含有大 量的活性基团，因此可以发生酰化、酯化、醚化、氧化、烷基化、螯合、 接枝共聚及交联等一系列化学反应，从而极大地扩展其应用领域。 壳聚糖具有很好的生物相容性和生物活性，无毒、无害、无免疫抗原 性【3 1 ，对人体具有强化免疫、抑制老化、预防疾病、促使疾病痊愈、调节生 理机能五大功能。但壳聚糖的许多独特功能与其分子量有密切关系。 第一章文献综述 1 3 壳聚糖分子量对其性质的影响 壳聚糖是一种大分子多糖，分子量通常在几十万左右，而低聚壳聚糖 的分子链短、分子量下降。前人的研究结果表明，壳聚糖的分子量对其物 理、化学、生物性质均有很大影响，只有当分子量降到一定程度时，壳聚 糖许多特殊功能才表现出来。 1 3 1 分子量对壳聚糖物理性质的影响 1 3 1 1 溶解性 壳聚糖分子链结构中含有大量氨基和羟基。当壳聚糖降解后，分子量 降低，分子内的氢键作用减弱，容易与溶剂分子作用，从而使溶解性得到 显著改善【4 】。 1 3 1 2 液晶性 汪剑伟等人i s l 报道了5 3 x 1 0 5 、1 4 7 x 1 0 6 、2 8 4 x 1 0 6 三种不同分子量的 壳聚糖对溶液液晶性的影响。研究发现：分子量越大，重复单元越多。分 子构象持续长度越大，则临界浓度越低；三种壳聚糖在适当浓度的二氯乙 酸溶液中都能呈现胆甾液晶相，随着分子量增大，平均螺距减小。 1 3 1 3 流变性 王伟与徐得时f 6 】研究了壳聚糖分子量对其溶液流变性质的影响。结果 表明壳聚糖稀溶液中，其分子量变小，分子链变短，键之间的缠结减少， 表现出更好的流动性。 1 3 1 4 成膜性 壳聚糖具有良好的成膜性，已广泛应用于生物医学工程中，膜的结晶 性、力学特性、渗透性、透气透光性等在很大程度上受分子量的影响。韩 宝芹等人【7 1 研究表明：壳聚糖膜的各种特性与其分子量有很大关系，高分子 量的壳聚糖膜表面较为光滑，透光性较好，但透气性、渗透性和生物降解 4 福建师范大学硕士学位论文 性较差；低分子量的壳聚糖膜表面较为粗糙，透气性、渗透性和生物降解 性较好，但透光性较差。 1 3 2 分子量对壳聚糖生理活性的影响 研究发现，分子量小于1 0 ，0 0 0 的低聚壳聚糖具有许多良好的生理活性， 目前低聚壳聚糖生理活性研究已成为壳聚糖研究的热点之一。 1 3 2 1 吸湿、保湿性 壳聚糖分子中存在的游离- o h 和2 具有良好的氢键成键性，可与介 质中的h 2 0 形成氢键，起到吸湿、保湿的作用。低聚壳聚糖的吸湿、保湿 性能较高分子量壳聚糖更优阎。夏文水和吴焱楠【9 】研究了不同分子量低聚糖 的保湿性、吸湿性。结果表明：平均分子量为1 , 5 0 0 和3 , 0 0 0 的壳聚糖具有 优良的吸湿保湿性，其吸湿保湿性优于透明质酸、乳酸钠和甘油。 1 3 2 2 抗菌抑菌性 早在1 9 7 9 年，a l l e n 等【lo 】就对壳聚糖的抗菌性作了系统的研究，指出 壳聚糖具有广谱抗菌性。而近些年，研究发现低分子量的壳聚糖对细菌、 真菌感染的免疫力比高分子量的强，能更有效地抑制细菌生长，在抗菌抑 菌方面具有很好前景。例如，夏文水和吴焱楠【9 】对5 种平均分子量分别为 1 , 5 0 0 、3 , 0 0 0 、5 , 0 0 0 、8 , 0 0 0 、1 3 ，0 0 0 的低聚壳聚糖的抑菌性能进行了研究， 发现随着壳聚糖平均分子量的降低，抑菌能力逐渐增强，分子量为1 , 5 0 0 的 壳聚糖抑菌效果最好。y a n g 等人【1 1 】研究表明水溶性的n 烷基化的二聚壳聚 糖对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌具有很好的抑菌效果。杨冬芝等人【1 2 1 研究 壳聚糖分子量( 5 1 0 3 1 0 8 1 0 6 ) 对大肠杆菌的影响时发现，随着分子量增 加，壳聚糖抗菌活性先增加而后略有减弱。转折点在9 1 6 1 0 4 左右。他们 认为壳聚糖的抑菌机理如下：壳聚糖溶解后带正电荷，吸附带负电的细菌， 使细菌细胞壁和细胞膜上的负电荷分布不均，打破了在自然状态下细胞壁 合成与溶解平衡，使细胞壁趋于溶解，细胞内的物质渗出，导致细菌溶解、 第一章文献综述 死亡。壳聚糖在溶液中呈无规线团状，随着分子量的增加，分子链链长和 有效消毒因子氨基增加，对细菌的吸附和絮凝能力增加；随着分子量的进 一步增大，溶液粘度增加，壳聚糖分子链缠结程度增大，使部分氨基被包 埋在大分子无规线团中，影响了其对带负电荷的细菌的吸附与反应能力， 导致抗菌活性下降。宋献周与沈月新【1 3 l 研究了几种不同平均分子量 ( 1 5 6 x 1 0 4 ，3 3 x 1 0 4 ，9 5 x 1 0 4 ，7 2 x i 0 5 ) 的壳聚糖对大肠杆菌、金黄色葡萄球 菌、枯草杆菌、产气夹膜杆菌、鱼体表杂菌的抑制作用，结果表明以上分 子量的壳聚糖对上述菌的生长都起了抑制作用，并且低分子量壳聚糖的抑 菌效果最好。 1 3 2 3 降血脂性 壳聚糖具有降血脂和降胆固醇作用，口服之后在肠道内能与胆酸盐及 其它脂类物质结合，从而抑制它们在肠道的吸收并使其排出体外，这样需 要有额外的胆固醇在体内通过代谢转化成胆酸，以补偿那些被排掉的部分， 从而减少体内胆固醇，降低血脂。由于壳聚糖不溶于水，高分子量的壳聚 糖对胆酸盐的结合效率低，需要较大的口服剂量才能显示出降血脂效果。 吴雁等人【1 4 】将壳聚糖降解，得到低分予量的水溶性壳聚糖，并进一步衍生 化，其降血脂性能随之提高。 1 3 2 4 抗癌活性 壳聚糖具有强烈的吸附作用，能很好地被吸附在血管壁细胞的表面，使 癌细胞失去载体，并加强人体免疫系统中的t 细胞、b 细胞、巨噬细胞、 n k c ( 自然杀伤细胞早期非特异性杀伤瘤细胞) 、c a k c ( 染色体畸变杀伤细 胞) 的功能，提高机体免疫力，从而杀灭癌细胞，抑制癌的复发。有实验证明， 其抗肿瘤活性主要基予可活化巨噬细胞、细胞毒t 淋巴细胞、n k c 细胞和 l a k 细胞。 研究表明低聚壳聚糖能更有效抑制癌细胞的繁殖，抗癌抑癌作用更加 6 福建师范大学硕士学位论文 明显，o u e h i 等研究发现3 个壳寡糖通过六亚甲基空间通道与5 氟尿嘧 啶( 5 f u ) 共轭结合后，其抗肿瘤作用强于5 - f u ，将该复合物注入p 3 3 8 淋巴 细胞白血病小鼠的腹腔中，小鼠的生存时间延长：通过皮下注射应用于m e t h - a 纤维肉瘤或m h l 3 4 肝细胞癌小鼠，产生对肿瘤生长的抑制作用。刘 莹和柳红【17 】探讨了壳寡糖对人结肠癌l o v 0 细胞株生长的影响，发现高浓度 壳寡糖( 1 0 0 、2 0 0 、4 0 0 r a g l ) 对l o v o 细胞的生长有抑制作用。杜昱光等【1 8 1 通过几种壳寡糖对小鼠s a r c i m a1 8 0 癌细胞的抑制作用实验，筛选具有较强 抑制癌细胞作用的壳寡糖。结果表明，3 种壳寡糖对癌细胞d n a 合成的抑 制率效果最好的是c 。2 ，抑制率达9 8 5 。 1 4 壳聚糖降解研究进展 壳聚糖分子量的大小对壳聚糖的许多性质尤其是壳聚糖的生理活性有 着很大的影响，因此，如何高效、便捷地制备低聚壳聚糖，甚至根据需要制 备所需分子量范围的壳聚糖成为人们研究的热点。目前，国内外学者提出了 许多各具特色的降解方法，综合起来大致可概括为化学法、物理法和生物法 三类。 1 4 1 化学法 化学降解法是利用化学反应使壳聚糖分子结构中的糖苷键发生断裂， 从而使壳聚糖的分子量降低。常见的有酸降解法和氧化降解法。 1 4 1 1 酸降解 壳聚糖在酸性溶液中是不稳定的，部分糖苷键会断裂。早在上世纪5 0 年代就有人用酸来降解壳聚糖。至今，已有盐酸、过乙酸、氢氟酸、浓硫 酸、磷酸等多种以酸为主要反应试剂的降解方法。 盐酸降解法研究较早，早在1 9 5 8 年，b a r k e r 等人【1 卿就用盐酸水解壳聚 糖，得到一至七糖， f _ 日i g l 糖以上较少。1 9 9 7 年，e m m a n u e l 等人【砌提出壳 7 第一章文献综述 聚糖固态降解法，即在少量水的存在下用氯化氢气体对脱乙酰度大于9 7 5 的固体壳聚糖直接降解，通过改变氯化氢气体用量和反应温度来控制降解 速度，从而制取特定分子量的产品。固态降解法与以往将壳聚糖完全溶解 于酸的降解方法相比仅用少量的水作为增塑剂增大了固体壳聚糖中的 自由体积，使非晶区溶胀来促进降解：节省了生产时间和产品分离提纯的 费用；反应结束后，过量的氯化氢可以回收，降低了生产成本，减少了对 环境的污染。但是固体壳聚糖中晶区分子链排列比非晶区紧密，不易溶胀， 造成了非晶区降解程度大于晶区，使得产品的分子量分布较宽，均一性变 差。v a r u m 等人【2 1 】研究了壳聚糖在稀、浓盐酸中的降解情况。先将一份壳 聚糖置于o 1 m o l l 的稀盐酸溶液中，在8 3 0 下酸解1 0 1 0 3 h ，反应结束时 将p h 值调到4 5 ，析出产品。将另一份壳聚糖置于3 7 的浓盐酸溶液中， 在0 c 下轻微摇动4 h 得到2 0 m g m l 的壳聚糖溶液，再将此溶液置于 1 2 。0 8 m o l l 的盐酸溶液中，在3 0 ( 2 下酸解1 4 h ，反应结束时将温度调到 o ，用1 2 0 8 m o l l 的氢氧化钠溶液将p h 值调到4 5 ，低聚糖产品析出。 结果表明，壳聚糖的糖苷键的断裂和脱乙酰同时进行，在稀酸中两者速率 相同；在浓酸中，壳聚糖的降解比脱乙酰的速率快1 0 倍以上。 过乙酸具有很强的氧化性，离解所得的乙酰氧基自由基，亲电性较好， 易与壳聚糖作用阱】。将过乙酸加入到壳聚糖的乙酸溶液中进行降解反应，可 以得到能长期保存的低聚水溶性壳聚糖，尤其适合于化妆品用低聚水溶性 壳聚糖的生产。 在2 0 ( 2 下用氢氟酸降解壳聚糖，也可得到聚合度为2 1 0 的低聚壳聚糖， 其平均聚合度依赖于反应的时间和温度口孔。 在某些无机酸( 如盐酸) 中加入6 5 ( w w ) 的浓硫酸对壳聚糖进行降解， 反应一定时间后再用体积比为( 5 - 7 ) ：1 的m e 2 c o h 2 s 0 4 混合液处理，可 得到收率较高的低聚水溶性壳聚糖产品阱】。 福建师范大学硕士学位论文 o m u r a 等人口5 1 提出了用磷酸降解壳聚糖的方法，并申报了专利。j i a 与 s h e n 2 6 1 用8 5 ( w w ) 的磷酸来降解壳聚糖，研究了壳聚糖降解率与温度和时 间的关系，发现反应温度和反应时间对低聚糖的产率以及分子量影响较大。 1 4 1 2 氧化降解 氧化降解法是目前研究得较多的一种壳聚糖的降解方法，较有代表性 的几种氧化降解法如下。 ( 1 ) h 2 0 2 氧化法 h 2 0 2 是一种很强的氧化剂，用h 2 0 2 氧化降解壳聚糖，无残毒，无副产 物，是一种较为理想的化学降解方法。故h 2 0 2 是目前研究较多、应用最广 的一种壳聚糖降解氧化剂，在酸、碱和中性条件下都可以使壳聚糖主链上 的p - ( 1 4 ) - 糖苷键发生氧化而断裂，得到分子量小于1 5 万的水溶性壳聚 糖，在碱性和中性介质中，降解是非均相反应，反应既慢且不均匀；在酸 性介质中，反应是均相反应，有利于壳聚糖的降解。 覃彩芹等人口7 1 用h 2 0 2 乙酸体系降解壳聚糖制备了不同分子量的低聚 糖，研究表明：在稀酸溶液中，壳聚糖分子溶解，分子间与分子内氢键断 裂，分子伸展，整个分子链上的基团对h 2 0 2 来说都为可及的，氧化作用点 多，降解反应属均相反应。当乙酸浓度加大，介质酸性增强，壳聚糖上的 氨基与i r 结合生成r - n f l 3 + ，形成缺电子体系，而壳聚糖的氧化降解多发生 在那些氨基未结合一的糖单元的糖苷键上，当其降解到一定程度后，自由 氨基减少，进一步降解受到阻碍。因此控制介质酸浓度是制备特定分子量 壳聚糖的一个影响因素。陈江华、廖青t 2 8 1 同样研究了在乙酸介质中用h 2 0 2 氧化降解壳聚糖的情况，讨论了主要影响因素韫度对降解反应速率和 产品质量的影响，选定了最佳温度7 5 ( 3 ，然后综合考虑壳聚糖浓度、反应 时间、乙酸浓度、氧化剂与壳聚糖比例因素设计了正交实验，对降解产品 的主要性能如特性粘度、脱乙酰度、产率及颜色进行了详细分析和比较， 第一章文献综述 综合得出水溶性低聚糖制各的优化条件：氧化剂与壳聚糖单元的比为2 ，反 应时间为4 h ，壳聚糖与乙酸的浓度分别为3 、3 5 ，在此条件下制得了 特性粘度为2 9 0 的低聚糖。吴根等人 2 9 1 也研究了壳聚糖在乙酸介质中被 h 2 0 2 降解的情况，降解速度与壳聚糖浓度、h 2 0 2 用量、介质浓度、反应温 度及时间有关。通过正交实验，得出了水溶性低聚壳聚糖的制备条件为 n ( 氧化剂) ：n ( 壳聚糖) = 1 5 、温度8 0 c 、反应时间6 h 、乙酸与壳聚糖的质量 分数分别为1 、5 。 汪琴等人【3 0 】在中性条件下，用h 2 0 2 氧化法制备不同分子量的壳聚糖， 并进行红外表征、热分析和稳定性等研究。也探索到了制备不同分子量壳 聚糖的适宜条件。并证实壳聚糖经h 2 0 2 降解后，结构没有明显变化，壳聚 糖稳定性随分子量降低而增强。 为了更有效地降解壳聚糖，最近，许多学者还采用微波、超声波等外 场来辅助h 2 0 2 氧化降解壳聚糖。例如，s h a o 等人【3 1 1 及丁盈红等人【3 2 1 在微 波辐照下，用中性h 2 0 2 来氧化降解壳聚糖，制取了医用的寡氨基葡糖。并 用正交实验研究了h 2 0 2 浓度、溶液体积、壳聚糖用量和辐照时间这些因素 的影响，找到了降解的最优条件；与单一h 2 0 2 体系相比，降解速度有很大 提高。胡思前m l 也利用微波辐射，在酸性条件下用h 2 0 2 作氧化剂来降解壳 聚糖。张峰等人r 3 4 在超声波辅助下，用h 2 0 2 来氧化降解壳聚糖，并研究了 h 2 0 2 浓度、壳聚糖浓度、乙酸浓度、温度对降解壳聚糖的影响，研究表明 在超声波条件下，h 2 0 2 降解壳聚糖的反应速度得到提高。 ( 2 ) k 2 s 2 0 8 氧化法 h s u 等人【”1 在7 0 下用k 2 s 2 0 8 来氧化降解壳聚糖。体系q 咄n a k 2 s 2 0 8 后， 壳聚糖的特性粘度和分子量在很短的时间内急剧降低，并通过排阻色谱法、 核磁共振、顺磁共振研究了壳聚糖的降解机理。研究表明：k ：s 2 0 8 受热分解 产生阴离子自由基，该自由基攻击壳聚糖上的胺基阳离子，随后再攻击壳聚 福建师范大学硕士学位论文 糖分子中的c 4 ，并通过脱氢作用将自由基传给c 4 ，导致了糖苷键c _ o c 的断 裂。 h a r i s h 等人f 3 6 】将1 ( w w ) 壳聚糖的0 5 ( w w ) 乙酸溶液置于三颈瓶 中，搅拌下通入氮气，再加入0 8 r e t o o l 的k 2 s 2 0 8 ，6 0 c 下反应2 h ，然后用乙 醇处理得到了低聚壳聚糖。低聚糖的固相”c n m r 光谱证实：降解过程中， c 1 周围的电子密度改变，c 4 的化学位移从8 6 移7 6 p p m ，这表明自由基可能 攻击了c l 和c 4 ，进而折断了直链上的d o c 糖苷键。 ( 3 ) 高碘酸盐氧化法 i t a g e r 等人【3 7 1 研究了壳聚糖在高碘酸盐作用下的氧化降解。将壳聚糖溶 解充分后，通入氮气，调整温度，再加入一定浓度的高碘酸盐溶液，反应4 8 h 后，用乙二醇除去剩余的高碘酸盐，再分别用p h 为4 5 的0 2 m o l l 的n a c i 溶液、 硼氢化钠固体使降解过的产物析出，冷冻干燥。研究发现，高碘酸盐氧化壳 聚糖主要受壳聚糖脱乙酰度的影响，氧化率随着乙酰基单元的增加而降低， 可能是因为己酰基单元的增加使电荷密度降低，进而使阳离子与高碘酸根阴 离子之间的静电作用减弱，从而使大量的高碘酸盐聚集在主链周围。并且降 解以后产生了半缩醛。 ( 4 ) 亚硝酸盐氧化法 将壳聚糖溶解于1 0 ( w w ) 乙酸溶液中，在搅拌下缓慢滴入一定量的 n a n 0 2 溶液，于4 c 下静置一段时间，使氨基发生重氮化反应，脱去一分子 氮气，引起分子内重排使大分子链断裂，再用n a b 凰还原端基，完成降解 反应【3 8 i 。降解产物的分子量可以通过改变n a n 0 2 的加入量和反应时间来控 制，国内常用此法降解壳聚糖并提取产物中的单糖组分。但是亚硝酸盐氧 化法使产品的分子量分布太宽，均一性差，并且降解过程中破坏了氨基， 理论上加入1 摩尔n a n 0 2 就要消耗1 摩尔氨基，而壳聚糖良好的生物相容 性主要由氨基提供【3 9 1 ，同时分子链上存在足够数量的氨基也是壳聚糖进一 第一章文献综述 步改性的重要前提，氨基数量的减少将会使壳聚糖的应用受到限制，另外， 此法生产过程中三废污染严重。 ( 5 ) 高价溴化物氧化法 高价卤化物均存在一定的氧化活性。t s u e h i d a 等人h 0 1 用h b r o 、 h b r 0 2 、h b r 0 3 及其盐溶液处理壳聚糖溶液，室温下反应0 5 h ，得到9 4 ( w w ) 无色低分子量壳聚糖，改变体系的p h 值和其他反应条件可以控制 壳聚糖的降解程度。 ( 6 ) n a b 0 3 氧化法 k u b o t a 等人【4 1 1 将壳聚糖与n a b 0 3 在水溶液中进行非均相降解反应，得 到无色或略带微黄色的低聚水溶性壳聚糖产品。这种降解方法的优点是降 解反应是通过开裂壳聚糖的p ( 1 ，4 ) - 糖苷键来进行的，反应前后的氨基含量 无任何变化。 ( 7 ) c 1 0 2 法 t a k e d a 等人1 4 2 悃0 0 5 ( w w ) c l 溶液在6 0 下处理3 7 5 9 壳聚糖 ( 氨基含量8 3 、平均分子量为3 6 0 ，0 0 0 ) 酸性溶液4 h ，得到3 5 9 无色低 聚糖产品，反应过程中氨基含量不受影响。 ( 8 ) 0 3 氧化法 a n o n 【4 3 】用0 3 对壳聚糖进行降解，断键发生在p ( 1 ，4 ) 糖苷键处，在较 宽的p h 范围内。通过控制反应温度和时间可以实现对壳聚糖分子量的控 制；反应过程中去氨基反应和交联反应同时发生。 1 4 2 物理方法 1 4 2 1 热降解 t a n g 等人删将壳聚糖置于2 8 0 环境下进行热降解。研究发现降解后 壳聚糖在1 5 9 0 c m 1 处对应的氨基吸收减弱，1 6 5 0c n l 1 处对应的乙酰基吸收 增强，这些变化可能是吡喃环受热后被破坏所引起，还可能由于大量壳聚 福建师范大学硕士学位论文 糖链发生热交联所引起；并且热降解后8 9 3 、l1 5 3c m 1 对应的糖的特征吸 收减弱，并且峰形变宽，这些信息表明壳聚糖热降解后1 3 - 0 , 4 ) - 糖苷键断裂。 壳聚糖受热后主链可能发生了无规降解，在c o c 链上某点先发生断裂， 主链与乙酰氨基侧链可能存在交互作用，从而促进了主链的无规降解。 1 4 2 2 辐射降解 辐射降解是无须添加反应物的固相反应，成本低、反应易控、无污染， 并且降解后壳聚糖的生物相容性不受影响。具有广阔的发展前景。y 射线辐 射壳聚糖可裂解壳聚糖的p ( 1 ，4 ) 糖苷键。金鑫荣与柴平海【4 5 】用钴源辐射壳 聚糖，得到粘均分子量4 1 2 万的壳聚糖：胡健等【4 6 】也以钴源对壳聚糖辐射， 探讨了辐射强度、时间与产物分子量大小及分子量均一性的关系，结果表 明随着辐照强度和时间的增加，降解产物粘均分子量减小，降解产物分子 量的均性随着辐照剂量增加而提高。李治等 4 7 1 用y 射线分别在大气和真 空环境下对壳聚糖进行辐照。发现壳聚糖在两种环境均发生明显降解反应， 随着辐射剂量增加，壳聚糖分子量明显降低；当辐射剂量达到2 5 0k c , y 时， 大气环境下壳聚糖分子量由2 7 4 万降至2 4 万，而真空环境下降至2 0 万。 对降解产物进行m 和n m r 分析证明壳聚糖断键发生在i b - ( 1 ，4 ) 糖苷键处， 且壳聚糖分子中所有糖苷键的断裂机会均等，辐射降解过程中没有产生羰 基，也没有使壳聚糖发生交联。辐射降解中乙酰氨基也存在断键的可能， 降解产物的脱乙酰度有所升高。反应符合无规降解动力学。l e 等人【4 8 1 将 壳聚糖粉末放入聚乙烯塑料袋中，在6 0 c o 辐射下降解，辐射剂量从l o 到 5 0 0 k g y 变化。 张卫东等人1 4 9 | 认为在一定剂量的6 0 c oy 射线作用下，直接引起壳聚糖 的降解反应，使大分子一分为二。同时还可能存在一种间接裂变形式，反 应中生成的羟基自由基o h 和超氧化物阴离予自由基0 2 都具有很强的氧化 能力，当它们与壳聚糖中的氧发生反应时，可氧化壳聚糖的p ( 1 ，4 ) 糖苷键， 第一章文献综述 使糖苷键断裂，从而使壳聚糖分子量迸一步减小。他们利用6 0 c oy 射线辐 照技术，研究了壳聚糖辐射降解后产物分予量、粘度、微量元素与辐照剂 量之间的关系。结果表明，1 0 - 4 5 0 k g y 的辐照剂量可以使壳聚糖的相对分子 量由8 2 x 1 0 5 降至1 0 x 1 0 3 左右，降解效果明显，晟适宜的辐照降解剂量为 4 7 7 5 k g - y 。 与化学方法和酶解法相比，辐射降解法不存在产物分离的问题，且操 作简单，可控性好；但该方法需要有电离辐射设备且辐射剂量一般要求较 高，对操作人员存在一定的危险性，限制了其实际应用。 1 4 2 3 光降解 紫外线、可见光和红外线的辐照也可以引起高分子降解反应，俗称光降 解。研究表明纤维素具有良好的光可降解性，可吸收紫外光甚至太阳光， 断裂1 3 - ( 1 ，4 ) - 糖苷键导致分子链断裂，壳聚糖与纤维素结构上具有相似性， 因此研究者们希望也能用光对壳聚糖进行降解，从而获得低聚壳聚糖。 a n t h o n y 等( 5 0 】将壳聚糖固体在单色光照射下，测试了紫外线、可见光和红外 线对壳聚糖的影响，结果显示当辐照光波长小于3 6 0 n m 时，降解反应较明 显：为确定壳聚糖在相同波长处降解反应随光强度的变化，将七份壳聚糖 样品放置在具有相同光子总数但强度不同的波长下做平行样，发现只有在 2 8 0 r i m 和2 6 0 n m 波长下降解时，壳聚糖对光的强度才具有较大的依赖性， 2 8 0 n m 处的反应表明随着强度的增加，反应有效性降低，这可能是由于自 由基反应中，自由基浓度过高会导致反应终止。e s r 光谱表明壳聚糖和纤 维素的c 一与c 4 之间存在自由基断裂反应，壳聚糖在光降解过程中不发生 c - h 和c - n 键断裂，所以反应中氨基含量不会减少。红外光谱显示壳聚糖 在光降解过程中会有新的羰基生成，这一点与t 射线引起的辐射降解不同。 壳聚糖分子链上的乙酰氨基葡糖单元还可能发生脱乙酰反应，导致氨基的 数量增加。 1 4 福建师范大学硕士学位论文 1 4 2 4 超声波降解 选用适当频率和功率的超声波处理壳聚糖，能有效地将大分子链打断。 超声波的频率和作用时间、温度对壳聚糖的降解效率有较大影响。c r a v o t t o 等人【5 1 1 证实超声波对壳聚糖的降解具有重要作用，t a k a h a s h i 等人【5 2 1 用 2 8 k h z 的超声波对溶解于稀酸中的壳聚糖作用3 0 h ，得到了分子量很低的产 品( 聚合度3 1 2 ) 。t a k i g u c h i 等人【5 3 1 研究了超声波频率对壳聚糖降解的影响， 将壳聚糖先用稀盐酸水解，再在甲酸溶液中进行超声波降解，发现在频率 为4 5 k h z 时，反应效果最好，超声波对壳聚糖的降解作用十分明显。董岸 杰等【5 4 l 认为超声波能够大大加速壳聚糖的降解反应，但并不影响壳聚糖降 解反应的动力学规律。超声波对壳聚糖降解速度的影响与降解条件( 如氧化 剂、温度等) 有较大关系。另有研究5 5 1 表明，延长超声波的作用时间可以使 降解产物的分子量分