壳寡糖制备方法综述

壳寡糖制备方法研究进展

邓培昌*胡杰珍侯庆华黄来珍

(广东海洋大学海洋与气象学院, 湛江524088)

摘要：水产品加工行业副产的大量虾蟹壳不能得到充分高值利用，造成资源浪费、环境污染。壳寡糖作为虾蟹壳的高值衍生物，具有高的生理活性，广阔的应用空间。壳聚糖降解是由虾蟹壳制备壳寡糖的关键环节。开发环保的、经济的、易于工业化的壳聚糖降解技术是突破壳寡糖制备瓶颈的主要方向。壳聚糖降解的基础研究是开发壳寡糖新生产方法的根本。关键词：壳聚糖,壳寡糖,电化学,降解

Research Progress on Preparation of Chitooligosaccharides Deng Peichang*Hu Jiezhen Hou qinghua Huang laizhen ( College of Ocean and Meteorology, Ocean University of Guangdong, Zhanjiang 524088)

Abstract The shrimp and crab shell, which is byproduct in Aquatic Products Processing Industry, is too plentiful to take full advantage. Abandoning the shrimp and crab shell is wasting of resources and environment pollution. Chitooligosaccharides (COSs), which are the high value-added derivatives of shrimp and crab shell, are of great interest since they are thought to have several interesting bioactivities and applications. The depolymerization of high molecular weight chitosans is critical process to get COSs. The development of chitosans degradation technology, which is environmentally-friendly, economical and suitable for industrialization, is a breakthrough of the bottleneck of COSs production.

Key words Chitosan, Chitooligosaccharides, Electrochemistry, Degradation

壳寡糖也叫壳聚寡糖，也称几丁寡糖，学名β-1, 4-寡糖-葡萄糖胺，是壳聚糖降解而得的高端衍生物，是含有氨基的低聚糖。壳寡糖的化学结构与植物纤维非常相似，被称为可食性动物纤维素，它是多糖中唯一带正电荷的小分子物质，并具有稳定的三维结构，特殊的生理活性。壳寡糖在医药、保健品、化妆品、农药、饲料添加剂等方面具有广阔的应用前景，被称为生命的“第六要素”。

部分发达国家非常重视壳寡糖的制备、性能与应用研究。在二十世纪九十年代，日本政府开始推动壳聚糖应用，随着壳寡糖制备的技术进步，现在壳寡糖的应用已经得到普及。1995年，欧美已经批准了壳聚糖在药物方面的利用。我国也于1996年成立了专项研究甲壳素系列的课题组(中国科学院天然产物与糖研究组)。因此，如何有效的通过一系列物理和化学或生物的方法制备壳寡糖，日益受到各国科学家的关注。

壳聚糖的降解方法可以分为化学法、物理法、酶法几大类:

1.化学法

化学降解法是指通过化学反应使壳聚糖降解。它简便易行，但降解产物相对分子质量较难控制，相对分子质量分布较宽，污染较重。目前，通过化学法对壳聚糖进行降解主要分为酸法和氧化法。

1.1 酸降解法

壳聚糖易被稀酸催化发生苷键断裂而降解。酸降解机理是糖分子中的苷原子氧接受质子而形成了质子化的苷键，从而削弱C - O键，进而发生断裂，同时形成碳阳离子的中间体，该中间体在水存在下生成游离的糖，其反应历程为：

图 1 壳聚糖酸降解反应机理

酸降解法用的催化剂可分为两类：无机酸，如HCl、H2SO4、H3PO4、HNO2和HF[1] 等；其中HCl和H2SO4水解条件基本相同，但硫酸有氧化性易使水解产物碳化；H3PO4、HNO2的酸性稍弱些，HF腐蚀性又太强，故使用HCl降解的较多。使用无机酸对壳聚糖进行降解反应时间越长、温度越高、酸浓度越大、所得降解产物聚合度越低，甚至可获得单糖。有机酸，如乙酸、草酸、柠檬酸、琥珀酸、苹果酸和酒石酸等；在草酸溶液中，壳聚糖降解速度最快，在苹果酸中最慢[2]；与无机酸相比，使用有机酸催化壳聚糖降解所获产物聚合度较高。

盐酸降解法：该法开发应用较早，Baker等[3]早在1958年将制备的壳聚糖溶解于3.3mol/L 的盐酸溶液中，在100℃条件下反应32h，得到了聚合度为1~7的氨基葡萄糖。Rupley等[4]对浓盐酸降解甲壳素制备低聚壳聚糖进行

了系统的研究。实验中发现，随着盐酸浓度增大、温度升高，降解速率也加快。刘晓等[5]在使用不同浓度盐酸对壳聚糖的降解试

验中发现，在100℃并有氩气保护条件下，盐酸在降解壳聚糖的同时，对所生产的单糖分子结构具有较强的破坏作用。总之，盐酸降解法操作简单，但降解条件较难控制，操作环境污染严重，降解产品主要为单糖和双糖，活性较高的寡糖含量较低。

硫酸降解法：硫酸在降解过程伴有O和N基上的磺酸化副反应，且β- 1,4糖苷键断裂无规律。与乙酸酐混合降解时可获得2~3聚合度的壳寡糖[6]。磷酸降解法: 用强度较弱的磷酸对壳聚糖

进行降解制备壳寡糖。Makoto等[7]对浓磷酸降解壳聚糖作了较为深入的研究。Jia等[8]

研究了在不同时间和不同温度下用磷酸降

解壳聚糖的工艺，发现时间越长，产率越低；温度越高，产率越低。

酸降解法所用试剂价廉易得，易于实现工业化，但壳寡糖的产率较低，主要得到的是单糖、二糖，难以得到所需要的活性低聚糖。另外，酸降解法引入了强酸，后处理比较困难，会给环境造成一定的污染。

1.2 氧化降解法

氧化降解法是近年来国内外研究比较

多的壳聚糖降解方法。由于H2O2氧化降解壳聚糖具有反应速度快、产率高、对环境友好等优点，是一种比较理想的化学降解方法。其他的氧化降解方法还包括H2O2/NaClO法、NaBO3法、过醋酸法等方法。

过氧化氢降解法：H2O2降解过程是利用H2O2在水溶液中电离形成的各种游离基团HO2·、HO·及(O)，其中高活性的HO·和新生态的(O)具有极强的氧化性，它们攻击壳聚糖上带有活泼NH2+的β- (1, 4)苷键，致使其解聚。我国学者[9-11]研究了在酸性、中性、碱性条件下过氧化氢对壳聚糖的氧化降解反应。结果表明，采用过氧化氢溶液，在不同反应温度、反应时间下，产物大部分为水溶性低聚糖。其它氧化降解法：鉴于UV或NaClO与H2O2在降解过程中存在一定的协同效应，为了提高降解速率，在H2O2氧化降解的基础上出现了UV/H2O2、NaClO/H2O2等氧化降解法。黄