有机酸及降解条件对壳聚糖降解速度的影响

河北科技师范学院学报　第20卷第1期,2006年3月

Journal of Hebei Normal University of Science&Technology Vol.20No.1March2006

有机酸及降解条件对壳聚糖降解速度的影响

张卫国,周永国,杨越冬,陈春刚,王丽坤

(河北科技师范学院化学系,河北秦皇岛,066600)

摘要:试验研究了不同有机酸及反应时间、温度、酸的浓度对壳聚糖降解速度的影响。壳聚糖在不同的有机酸中降解速度有很大差别,在草酸、柠檬酸、琥珀酸、苹果酸、酒石酸中的降解速度以草酸中为最快,苹果酸中为最慢。随反应时间延长,壳聚糖分子量减小的趋势变缓;降解速度随温度的升高而加快,在50～70℃条件下降解速度最快;随有机酸浓度的增加,壳聚糖降解速度也增加。

关键词:壳聚糖;有机酸;降解速度

中图分类号:O636.9 文献标识码:A 文章编号:167227983(2006)0120032203

壳聚糖是甲壳质经脱乙酰基反应制得的直链多糖,它是由22乙酰胺222脱氧葡萄糖单元通过β2(1→4)糖苷键联接起来的天然高分子化合物,壳聚糖的降解是指其β2(1→4)糖苷键的断裂[1]。壳聚糖发生酶降解、氧化降解和酸降解后可制得壳低聚糖[2]。由于不同分子量的壳聚糖功能不同,应用领域不同[1],研究制备不同分子量范围壳聚糖的方法对壳聚糖的开发应用具有重要意义。而酸降解法一般是在盐酸中加入氧化剂的条件下降解制备小分子的壳聚糖,反应条件剧烈[3]。笔者主要研究了几种有机酸及降解条件对壳聚糖降解速度的影响,在比较温和的条件下制备出不同分子量范围的壳聚糖。

1　材料与方法

按照文献[4]的方法制备脱乙酰度为80.4%的壳聚糖(由皮皮虾壳中提取);以甲基橙为指示剂,用酸碱滴定法测定壳聚糖的脱乙酰度(D.D)[3]。分子量测定方法为[5]:以0.2mol・L-1C H3COO H+ 0.1mol・L-1CH3COONa的缓冲溶液(p H值为4.40)为溶剂,于(30±0.05)℃用乌氏粘度计按稀释法测各样品的特性粘度[η],根据Mark2Houwink方程计算分子量。

[η]=k×Mα (α=-1.02D.D+1.82;　k=1.635×10-30D.D14.0)

NaO H,HCl,HAc,NaAc,草酸,柠檬酸,琥珀酸,苹果酸,酒石酸等均为分析纯。

2　结果与分析

2.1　温度对壳聚糖降解速度影响

分别取0.0250g壳聚糖溶于0.2mol・L-1CH3COO H+0.1mol・L-1C H3COONa缓冲溶液中,在不同温度下降解10h20min,分别测其分子量。试验结果表明,壳聚糖在50～70℃之间随着温度增加其降解速度增加很快,而在低温和高温条件下降解速度变化不明显(图1)。当温度达到70℃以上时,随着反应温度的升高,壳聚糖的分子量几乎不再变化。这与在H2O2为氧化剂条件下,温度对壳聚糖降解情况基本一致[3]。其原因认为是壳聚糖分子上的2N H+3和醋酸根阴离子之间存在着一定的吸引力,以盐键的形式存在。由于酸根离子的体积大,对苷键的断裂有位阻作用。当温度较低时,盐键不被破坏,分子链不易断裂,降解速度随温度变化较小,平均分子量变化不明显;而随着温度升高,盐键逐渐被破坏,位阻消失,苷键断裂容易,平均分子量变化较大。当温度升高到一定程度时,盐键几乎完全消失,随温度升高,分子链上的糖苷键断裂不明显,因此,壳聚糖降解速度几乎不变,其平均分子量变化也不显著。

2.2　降解时间对壳聚糖降解速度影响

分别取0.0250g壳聚糖溶于0.2mol・L-1CH3COO H+0.1mol・L-1CH3COONa的缓冲溶液收稿日期:2005204210;修改稿收到日期:2005207201

中,在70℃条件下降解不同时间,分别测其分子量。试验结果表明,在开始时,壳聚糖降解速度较快,但随着时间延长降解速度逐渐变慢(图2)。原因认为是:壳聚糖在降解过程中,开始时由于壳聚糖分子链长,总分子数较少,在较短时间内壳聚糖分子数降解的尽管不多,但占总的分子数比例较大,使降解初期壳聚糖的平均分子量变化较明显;而随着时间延长,糖苷键进一步断裂,溶液中壳聚糖分子变小,壳聚糖总的分子数要远大于起始时壳聚糖总分子数,降解相同糖苷键形成的新的小分子对溶液平均分子量的影响变小。因此,一定时间以后,分子量虽也继续降低,但降低的速度变缓

。

图1　反应温度对壳聚糖降解速度影响 图2　反应时间对壳聚糖降解速度的影响

2.3　有机酸浓度对壳聚糖降解速度影响

分别取0.4g 壳聚糖用25mL 不同浓度的柠檬酸溶解,在80℃条件下降解9h ,然后用NaO H 将其沉淀析出,洗至中性后,干燥,分别测其分子量。随着有机酸浓度升高,壳聚糖分子降解速度增加,但比温度对降解速度的影响小(图3)。这一方面由于壳聚糖降解是酸催化反应;另一方面,壳聚糖分子链图3　有机酸浓度对壳聚糖降解速度的影响上由于含有大量的2N H 2,因此能在酸性水溶液中

与H +形成2N H +3,并以阳离子聚电解质的形式存

在,在壳聚糖的稀溶液中,分子上的2N H +3使壳聚

糖分子之间存在静电相互作用,易于壳聚糖的分

子链伸展,使其更易于断裂。2N H +3越多,静电相

互作用越强,而2N H +3的多少与溶液中氢离子的

浓度密切相关。氢离子浓度越高,2N H 2形成

2N H +3的机会越多,分子间的静电相互作用越强,

分子链更易于断裂。但随着柠檬酸浓度增加,氢

离子浓度增加,柠檬酸阴离子浓度也增大,使壳聚糖分子形成的盐键也增多,从而增加了苷键断裂

的位阻,降低了分子的降解速度,由于两种作用力对壳聚糖降解的作用恰好相反,因此酸浓度对壳聚糖降解速度的影响比温度影响小。

2.4　不同有机酸对壳聚糖降解速度的影响

表1　不同有机酸对壳聚糖降解速度的影响项目p H [η]/(mL ・g -1)　壳聚糖分子量M /×105降解前89011.60苹果酸 2.286808.83酒石酸 2.136458.37琥珀酸 2.665907.66柠檬酸 2.30482 6.26草酸 1.39388 5.04

分别取0.3g 壳聚糖溶于30mL 质

量分数均为20g ・kg -1的草酸、柠檬酸、

苹果酸、琥珀酸、酒石酸中,在70℃条件下

降解10h ,用NaO H 析出,洗至中性,干

燥,测定壳聚糖分子量的变化。壳聚糖的

降解速度在草酸中最快,在柠檬酸中次之,

在琥珀酸、酒石酸、苹果酸中依次减小(表

1)。这与各种酸的酸度及酸根阴离子的体33　4期 张卫国等　有机酸及降解条件对壳聚糖降解速度的影响