水溶性微晶壳聚糖的制备及结构

第19卷第3期

2002

年3月应用化学　　　　　CH I N ESE JOU RNAL O F A PPL IED CH E M ISTR Y 　　　　　V o l . 19N o. 3M ar . 2002

水溶性微晶壳聚糖的制备及结构

曾坤伟　李夜平　方月娥3

(中国科学技术大学应用化学系　合肥230026)

摘　要　采用HC l 和H 3PO 4的水 醇溶液为反应介质降解壳聚糖, 并用无水乙醇沉淀和洗涤, 制备出收率超过95%的水溶性的微晶壳聚糖. 其晶体尺寸为400～800nm , 这两种微晶

-1的红外光谱酰胺峰(1650, 1600c m ) 已完全消失, 而在11520c -1+3振动和对称变形振动双峰. 并发现用HC l , 用H 34匀分散于冷水而溶于60关键词　, . +:A 　　　　　文章编号:100020518(2002) 0320216204

甲壳素是在动植物体内经过生物合成的一种多糖类天然高分子, 壳聚糖是其脱乙酰化产物, 由于壳聚糖具有生物活性、生物相容性等优点已成为人们关注的热点[1～4]. 但由于壳聚糖分子量一般在数十万甚至逾百万, 难溶于一般溶剂, 而使其应用在一定程度上受到了限制. 近年来发现, 低分子量的壳聚糖的生物活性较强, 所以寻找降低壳聚糖分子量制备出水溶性壳聚糖的方法具有重要意义.

壳聚糖的降解的研究已有大量的报道, 如超声波降解, 辐射降解, 微波降解, H 2O 2氧化降解, 酸降解等, 其中研究最多的是壳聚糖的生物降解[5], 以上各种降低壳聚糖分子量的方法虽然能制备出水溶性壳聚糖, 但效率及收率均不高. 本文采用无机酸对壳聚糖进行降解, 使用了与他人[6, 7]不同的工艺流程, 缩短了制备时间, 提高了产率.

1　实验部分

1. 1　原料与试剂

壳聚糖:江苏省大丰县利功甲壳质厂, 脱乙酰度为65%, 分子量约为215×105; 醋酸、无水乙醇、

. N aO H 、HC l 均为分析纯

1. 2　水溶性微晶壳聚糖的制备

1. 2. 1　由HC l 制备微晶壳聚糖　分别将10g 粗产品壳聚糖、60mL 10%HC l 放入三口烧瓶中, 搅拌, 控制温度在65℃左右, 反应2h 后, 加乙醇50mL , 搅拌回流2h , 过滤, 滤饼用无水乙醇洗涤3次, 烘干, 得白色粉末样品A , 该白色粉末溶于冷水, 产率为9515%.

1. 2. 2　由H 3PO 4制备微晶壳聚糖　分别将10g 粗产品壳聚糖和100mL 50%H 3PO 4放入三口烧瓶中, 搅拌, 缓慢加热至回流温度, 3h 后, 加50mL 乙醇, 继续搅拌3h , 过滤, 滤饼用水洗涤3次, 烘干得黑色坚硬的固体, 研磨得黑褐色粉末样品B , 样品B 不溶于冷水, 也不能分散于冷水, 但可溶于沸水中, 产率为75%; 若滤饼用乙醇洗涤3次, 烘干, 得疏松灰白色的粉末样品C , 该粉末不溶于冷水, 但在冷水中可以均匀分散, 形成稳定的悬浮液, 温度升至60℃时溶解, 产率为9714%.

1. 3　壳聚糖粉末的制备

称取一定量的粗产品壳聚糖溶于1%的HA c 溶液中, 过滤, 滤液以10%的N aO H 溶液中和, 过滤, 将滤饼放入蒸馏水中漂洗至中性, 烘干, 研磨, 得淡黄色壳聚糖粉末样品D .

1. 4　测试与表征

红外光谱在V ecto r 22FT 2I R 红外光谱仪上采用KB r 压片法测定; 用M XP 18A H F 型X 射线衍射2001205208收稿, 2001211216修回

通讯联系人:方月娥, 女, 1942年生, 教授, 博士生导师; 主要从事医用高分子方面的研究

　第3期曾坤伟等:水溶性微晶壳聚糖的制备及结构　　217仪确定样品的晶体结构, Cu K Α射线; 用X 2650型扫描电子显微镜观察微晶A 和C 的晶体形貌. 2　结果与讨论

2. 1　水溶性微晶壳聚糖与壳聚糖在结构上的差异

壳聚糖是由Β21, 42糖苷键连接的线性生物大分子, 其中的Β21, 42糖苷键是一种缩醛键, 对酸特别敏感, 在适当的氢离子浓度、温度和时间条件下, 糖苷键断裂, 聚合度下降, 发生壳聚糖的酸降解反应. 壳聚糖的酸降解反应属非特异性降解[8]. 我们将降解所得的微晶壳聚糖样品A 与C

的红外光谱同壳聚糖样品D 的红外光谱(见图1) 相比

较, 现1650c m -1胺 谱带及

m 1C H ; 由HC l

1620和1520c m -1处产生了2个强

峰, 这分别是—N H +3的反对称变形振动和对称变形

振动造成的[9], 而由H 3PO 4制备的微晶的红外光谱

中这2个峰分别移到了1633和1536c m -1, 这可

能是因为H 2PO -4比C l -对—N H +3的诱导效应大, 因

此波数增高, 其它波段与壳聚糖的波形相似, 只是波

数略有差异, 这说明我们制得的微晶壳聚糖的主链

结构同未降解的壳聚糖结构一样. 黑色粉末样品B

的产生在许多文献[6, 10]中都认为是由于发生了焦糖

化, 生成了碳黑的结果, 这种说法值得商榷. 因为在

酸性不太强、温度不太高而且还是在水溶液的条件

下不太可能发生脱水炭化, 同时, 样品B 、C 酸降解

过程的条件相同, 而只是在洗涤沉淀时所使用的洗

涤液不同(黑色粉末样品B 使用水, 而白色粉末样

品A 和C 使用无水乙醇) , 也不太可能发生其它化图1　样品的红外光谱图F ig . 1　T he FT 2I R spectra of samp les A . m icrocrystalline ch ito san p repared by acido lysis w ith hydroch lo ric acid ; B . black ch ito san p repared by acido lysis w ith pho spho ric acid ; C . m icrocrystalline ch ito san p repared by

acido lysis w ith pho spho ric acid;

D. ch ito san 学反应, 而且该黑色固体粉末又能完全溶于沸水中,

形成透明的溶液, 其红外光谱与微晶壳聚糖样品A 、

C 的也非常相似, 因而可以判断它们为同一物质, 颜色的差异可能是因为其晶型不同造成的; 微晶壳聚糖样品A 与C 的溶解性不同, 可能是因为微晶A

与C 上氨基结合的阳离子基团不同造成的.

2. 2　壳聚糖的晶体结构

壳聚糖粉末样品D 的衍射曲线属于单斜晶

系[11], 其晶格常数为a =01485nm , b =11038nm ,

, 2Η=10°, 20°处的衍射峰分c =01926nm , Β=9715°

别对应(010) 及(120

) , (110) 晶面[12]; 根据文献

[13],我们认为微晶壳聚糖样品C 属于正交晶系,

在2Η=1013°, 1113°, 1412°, 18°, 1919°, 2111°, 2218°,

2514°, 2617°出现较强峰, 分别对应于(020) , (110) ,

(111) , (012) , (200) , (040) , (041) , (230) , (013) 晶

面, 晶格常数为a =018906nm , b =116854nm , c =

110637nm ; 曲线B 在2Η为10°处的衍射峰变弱, 而

在20°附近的峰变宽, 这是非晶漫散射峰, 而在漫散

射峰上出现一些小的锐峰, 表明在一些方向上壳聚图2　样品的X 光衍射图谱F ig . 2　X 2ray pow der diffracti on pattern s of samp les A , B , C , D see F ig . 1

糖分子链具有一定的规整性, 但是结晶度极低, 我们认为, 黑褐色粉末样品B 主要成分是壳聚糖的非晶态, 结晶部分的较小衍射峰在2Η=15°～27°范围内与微晶壳聚糖样品C 的衍射曲线一致, 因此其晶型与微晶壳聚糖样品C 相同; 微晶壳聚糖样品A 也属于正交晶系[14], 在2Η=813°, 1114°, 1611°, 1813°产生的较强的尖锐峰, 分别对应于(010) , (100) , (020) , (021) 晶面, 晶格常数为a =01776nm , b =11091nm , c =11030nm . 未用酸降解的壳聚糖由于其分子量大, 高分子链运动比小分子运动困难, 不利于高分子链进行有序化排列, 其衍射曲线同其它高分子物质的相似, 衍射峰比较宽, 结晶度较低; 样品A 、C 由于通过酸降解, 壳聚糖分子链较短, 运动较快, 有利于晶体的形成, 衍射峰锐而窄, 结晶度较高, 其衍射曲线同无机小分子物质类似, 它们晶型的差异可能是由于阴离子基团的不同造成的. B , 用水洗涤沉淀, 沉淀中有大量的水, 在干燥过程中, , , 分子链难于进行有序化排列, 结晶困难, 形成致密的固体, A 3.

2. 3, , 晶体大小比较均匀, 尺寸为400～500nm , nm ; 3b 可知, 用H 3PO 4降解壳聚糖制得的微晶呈球状, 晶体大小差别较大, 粒径为400～800nm

.

图3　微晶壳聚糖的SE M 图

F ig . 3　T he SE M pho tograph of m icrocrystalline ch ito san s

a . m icrocrystalline ch ito san p repared by treatm ent w ith hydroch lo ric acid ;

. m icrocrystalline ch ito san p repared by treatm ent w ith pho spho ric acid b

　　致谢:本文在撰写过程中同化学系的丁轶, 刘仁茂进行了有益地讨论, 在此谨表谢意.

参　考　文　献

　1　CH EN B ing 2R en (陈炳稔) , TAN G You 2W en (汤又文) , L I Guo 2M ing (李国明) , et a l . Ch in J A pp l Che m (应用化

学) [J ],1998, 15(3) :109

　2　W AN G X in 2P ing (王新平) , SH EN Zh i 2Q uan (沈之荃) , ZHAN G Y i 2Feng (张一烽) . Ch in J A pp l Che m (应用化学)

[J ],1999, 16(2) :65

　3　YUAN Y i 2H ua (袁毅桦) , LA I X ing 2H ua (赖兴华) , CH EN Chun 2X in (陈纯馨) , et a l . Ch in J A pp l Che m (应用化

学) [J ],2000, 17(2) :217

　4　YAN G Dong 2Zh i (杨冬芝) , L I U X iao 2Fei (刘晓非) , L I Zh i (李治) , et a l . Ch in J A pp l Che m (应用化学) [J ],2000,

17(6) :598

　5　H iroyuk i Y , M asato A , H idek i S . B io m i m etics [J ],1995, 3(3) :123

　6　J I AN G T ing 2D a (蒋挺大) . Ch itin (甲壳素) [M ]. Beijing (北京) :Ch inese Environm en tal Science P ress (中国环境科

学出版社) , 1996:24

　7　A u stin , Pau l R , B rine , et a l . U S 4286087, 1981

　8　CHA I P ing 2H ai (柴平海) , ZHAN G W en 2Q ing (张文清) , J I N X in 2Rong (金鑫荣) . Che m istry (化学通报) [J ],1999,

7:8

　9　J I AN G T ing 2D a (蒋挺大) . Ch itin (甲壳素) [M ]. Beijing (北京) :Ch inese Environm en tal Science P ress (中国环境科

学出版社) , 1996:74

　10　CAO Gen 2T ing (曹根庭) . Che m W orld (化学世界) [J ],1998, 39(5) :250

　11　L ee Y M , K i m S H , K i m S J . P olym er [J ],1996, 37(26) :5897

　12　Garder K H , B lackw ell J . B iop olym ers [J ],1975, 14:1481

　13　O gaw a K , H irano S , M iyan ish i T , et a l . M acro m olecu les [J ],1984, 17:973

　14　Sam uels R J . J P olym S ci P hy s E d [J ],1981, 19:1081

Prepara tion ZEN G Kun 2W ei , L I Ye 2P ing , FAN G Yue 2E 3

(D ep a rt m en t of A pp lied Che m istry , U n iversity of S cience &T echnology of Ch ina , H ef ei 230026) Abstract 　C rude ch ito san pow der w as degraded by HC l o r H 3PO 4w ater ethano l so lu ti on to give tw o k inds of w ater 2so lub le m icrocrystalline ch ito san w ith diam eters being in range of 400nm to 800nm . In

-1I R sp ectra acetam ide bands of crude ch ito san (at 1650, 1600c m ) disapp eared com p letely , and

+in stead , the asymm etric disto rti on vib rati on and symm etric disto rti on vib rati on bands of —N H 3w ere

-1ob served at 1620, 1520c m . T he m icrocrystalline ch ito san p rep ared by acido lysis w ith HC l so lu ti on

. disso lved in clod w ater ; and that w ith H 3PO 4so lu ti on disso lved in w ater on ly at 60℃

Keywords 　w ater 2so lub le , m icrocrystalline , ch ito san