磷酸化壳聚糖
第22卷第5期2010年5月
化学研究与应用
Chemical
ResearchandApplication
V01.22,No.5May,2010
文章编号:1004—1656(2010)05-0554"05
壳聚糖和壳寡糖的磷酸化研究
田金花,杨
华‘,迟光伟,王立升
(广西大学化学化工学院,广西南宁530004)
摘要:以甲磺酸为溶剂,壳聚糖(CTS)和壳寡糖(cos)为原料,分别与五氧化二磷反应合成其磷酸酯。用电位滴定法测定取代度(DS),并用红外光谱法(Fr.IR)和差热分析法(DTA)进行结构表征。通过分析壳聚糖与壳
寡糖磷酸化正交实验结果,得出了甲磺酸用量、五氧化二磷用量、温度和反应时问等因素对产物取代度的影响,优化了合成工艺,并通过结构分析对两者进行了比较。
关键词:壳聚糖;壳寡糖;gt酸化;取代度中图分类号:0636
文献标识码:A
Study
on
thephosphorylationofchitosanandchitooligosaccharides
TIANJin-hua,YANGHua‘,CHI
Guang—wei,WANG
University,Nanning
Li—sheng
(Institute
ofChemical
Engineering,CJuangxi530004,China)
Abstract:Phosphorylated
chitosan
and
chitooligosaccharideswelt屯respectivelymethane
synthesizedthroughchitosan(CTS),
chitooligosaccharides(COS)andphosphoruspentoxide(P20s)inthe
determinedbyelectricitytitration.Theirmolecular
structure
were
sulfonicacid.Theirdegreeofsubstitution(DS)were
characterizedbyinfraredspectroscopy(Fr・IR)anddifferential
thermalanalysis(DTA).TheanalysisoforthogonalexperimentalresultsindicatedthatDScouldbeadjustedbytheamountof
methanesulfonic
acid,theamountofphosphorugpentoxide,reactiontemperatureandreactiontime.Thesynthesisprocesscomparisonbetweenphosphorylatedchitosanandehitooligosaecharideswerecarried
out
WaS
optimizedand
the
bystructuralanalysis.
Key
words:chitosan;chitcoligosaccharides;phosphorylation;degreeofsubstitution
壳聚糖(chitosan,CTS)是一类甲壳素脱乙酰基产物,化学名为(1,4)-2-脱氧够-D葡萄糖,壳寡糖(chitooligosaccharides,COS)也叫壳聚寡糖,化学名p1,4一寡糖.葡萄糖胺,是壳聚糖经特殊的生物酶技术处理而得到的一种全新的低分子量产品,它具有壳聚糖所没有的较高溶解度和容易被生物体吸收等诸多独特的功能。由于壳聚糖大分子链上含有羟基、乙酰氨基和氨基.可以通过引人其它官能团进行化学改性。近年来,关于壳聚糖改性的报道不断涌现,包括交联化、季铵盐化、羧基化、
低聚糖化等,通过这些改性手段,成功制备了许多
新型材料,并改善了壳聚糖的物理、化学性能…。而壳寡糖改性的报道很少,主要是对其功能性质进行研究,如抑菌作用心引、减肥作用【4】、抗病毒作用”1等。本课题是针对壳聚糖和壳寡糖的磷酸化进行研究,目前国内外对壳聚糖磷酸化改性的报道比较少见。磷酸化壳聚糖能作为骨胳替换和药物控制释放材料№],适用于整形和组织工程,经磷酸化反应后能增加壳聚糖螯合的特性和改变其溶解度¨】,磷酸化壳聚糖凝胶还有利于控制121服给
收稿日期:2009.12-02;修回日期:2010-03-22
基金项目:广西自然基金(桂科自0832031)资助项目
联系人简介:杨华(1969-),男,博士,副教授,研究方向:药用高分子材料的研究。Email:yanghua6316@sina.com
第5期田金花等:壳聚糖和壳寡糖的磷酸化研究
555
药系统,避免在高酸性胃流体区域的药物释放¨。。磷酸化壳寡糖具有抑制磷酸钙沉淀,促进钙吸收
pH计(上海智光仪器仪表有限公司),STA409PC
综合热分仪(德国耐驰仪器有限公司)。
的能力一]。磷酸化壳聚糖主要是改进壳聚糖的水溶性,取代度越高水溶性越好,其功能性才会发挥得更好,但是由于分子量大取代度难以很高;而壳寡糖分子量低,具有良好的水溶性,更能有效综合发挥磷酸集团引入分子后的功能性作用。因此,本文对壳聚糖和壳寡糖的磷酸化进行了工艺优化对比研究,并进行了初步的结构表征,为磷酸化壳寡糖的功能性研究提供了一定的理论依据。
1
1.1.2试剂实验壳聚糖、壳寡糖Mr<3000(济南海得贝海洋生物工程有限公司),五氧化二磷(国药集团化学试剂有限公司,AR),甲磺酸(上海展云化工有限公司,CR),氢氧化钠(成都市科龙化工试剂厂,Art),浓盐酸(成都市科龙化工试剂
厂,AR)。1.2实验方法
1.2.1
壳聚糖和壳寡糖磷酸酯的制备准确称
取19壳聚糖或壳寡糖,加入一定量的甲磺酸溶解
实验部分
后,再加入P20,,在0一15℃搅拌l一3h。反应完后,加入乙醚使产物沉淀,离心分离,分别用乙醚、丙酮、甲醇、乙醚多次洗涤,然后真空干燥得产品,
NEXUS470
1.1主要仪器和试剂
1.1.1
主要仪器NicoletF11R红外
反应方程式如下所示:
光谱仪(美国尼高力仪器公司),PHS-25型实验室
CH3S03H
+P205
-
1.2.2取代度的测定准确称取O.59磷酸化产物,溶于150mL去离子水中,加入5mL浓度为
0.3032mol・L4的盐酸溶液,用0.2984mol・L4的
1.2.4红外分析(F-I’.IR)片法测得。
固体试样采用KBr压
1.2.5差热(DTAl和热重(TG)分析用综合热
氢氧化钠标准溶液滴定,每次滴人0.3mL,待pH值稳定后读数,以氢氧化钠溶液的滴定体积为横坐标,pH值为纵坐标作图。按下式计算取代度:
DS=O.161A/(1—0.081A),其中:A=CN.oH×(圪一
分仪对壳聚糖和壳寡糖及磷酸化产物进行差热分析和热重分析,实验条件为氮气氛,升温速率
10℃/min,测定量程0-500℃。
K)/w,式中:K为图中第一次开始突跃处的NaOH体积(mL);K为第二次开始突跃处的NaOH体积(mL);形为壳聚糖的质量(g)。
1.2.3磷酸化正交实验设计
2结果与讨论
2.1
壳聚糖和壳寡糖磷酸化的正交实验数据
磷酸化正交实验
处理
中有四个影响因素:甲磺酸的量(A)、五氧化磷的
量(B)、温度(C)和反应时间(D),每个因素各选
按正交表k(34)设计试验,以取代度为控制指标,利用级差分析方法进行数据处理。实验结果分析如表l和表2。
三个水平,按正交表k(34)设计试验。
556
化学研究与应用
表l
壳聚糖磷酸化的正交试验结果分析
第22卷
TablelTheorlhogonaltestresultanalysisofphosphorylatedCTS
-_-__-_---_-_●___-____-__-_-________I-●-_-____●。-●_●●_l_●_-I-●__-_-●-●-__●_●--●-●_________--_---__-l_一●__-_-●_-_-_-●●-_-___●__I____-I_●__●-●-_●-__●__--●___----___---__-●_-__一
ABC
试验编号
“s^/mL
jI,cTs:肘P205
温度(℃)
.。。D
时问/h
取代度(Ds)一…~
从表l和表2中可以得出对实验影响较大的因素是温度,其次是反应时间、P20,和溶剂的量,
即C>D>A>B。温度是影响产物取代度的重
要因剥10】,适当提高反应温度可以提高反应速
第5期田金花等:壳聚糖和壳寡糖的磷酸化研究
557
度,但温度过高对色泽影响较大,其原因是由于粉状P20,加人溶液后,反应过于剧烈,甚至于局部温度过高,壳聚糖或壳寡糖被碳化,并将未反应的P20,包裹于其中,阻碍了P2O,的继续反应…1;温度过低时反应液粘度过大不利于反应的进行。综合以上情况,得出lO一15℃为反应适宜温度。PzO,
的量太多容易造成局部温度过高,不利于反应的
进行,所以肘钧:Mno。=1:2为适宜摩尔比。反应时
间和溶剂量对反应影响不大,从经济角度出发,选
择1h和6mL为适宜点。因此,实验的优方案为
A。B:C,D。。即甲烷磺酸用量为6mL,Pz0,用量为1.519,温度为10一15℃,反应时间为lh。2.2壳聚糖与壳寡糖磷酸化取代度的对比
壳聚糖与壳寡糖磷酸化实验中取代度的实验结果见图1。
磷酸化正文实验对应缡号
图1
壳聚糖与壳寡糖的磷酸化实验结果对比分析
Fig1
TheresultcontrasfiveanalysisofphosphorylatedCTSandCOS
从图1中可以得到:在反应条件都相同的情况下,壳聚糖磷酸化的取代度都低于壳寡糖磷酸化的取代度。这是由于壳寡糖的分子量低,糖链短,较易与磷酸基团发生反应,所以取代度都比较高,这也表明壳寡糖的功能在很多方面优于高分
壳聚糖、壳寡糖及其磷酸化后产物的红外谱图em一、1083.07
cmd处仲羟基的C—O伸缩振
1205.91em。处的P=O键伸缩振动峰和1050.42
cm。处的P.O键伸缩振动峰,这进一步说明了CTS和COS中的-OH参与了酯化反应,并说明所制得的产品为壳聚糖与壳寡糖的磷酸酯。
图2壳聚糖和磷酸化壳聚糖谱图对比分析
图3壳寡糖和磷酸化壳寡糖谱图对比分析
Fig.3
Spectrogramanalysisof
COSandphosphorylatedCOS
2.4壳聚糖与壳寡糖的磷酸化差热分析
壳聚糖、壳寡糖及其磷酸化产物的差势分析结果如图4所示。
图4壳聚糖与壳寡糖及磷酸化产物的差热分析
Fig.4
The
differentialthermalanalysisofCTS,
COSandtheirphosphorylation
products
壳聚糖和壳寡糖中含有的孤对电子活性基团-NH:和一OH进行磷酸化作用后,可以改变聚合子量的壳聚糖。
2.3壳聚糖与壳寡糖的磷酸化红外谱图分析
分别如图2,图3所示。从图2和图3中可以得出:酯化反应后COS原位于3416.93cm‘1处的氨基及羟基的N.H,O—H重叠峰的伸缩振动吸收峰移至3432.59em~,且吸收峰变平坦,说明CoS中的.
NH2,一OH可能参与了酯化反应;CTS和CoS原位于
1058.20物的部分化学键性质和原子之间的相互作用,也
动吸收峰处都出现了两个明显的新吸收峰,即
558
化学研究与应用第22卷
可以改变它们稳定的空间构像¨1I。由图4可知,壳聚糖和壳寡糖在升温受热情况下有两个吸热
峰,前面的是其失去吸附水后产生的吸热峰,而
266℃和227℃为主链断裂所产生,相应的磷酸化产物则在238℃和201℃产生主链断裂的吸收峰,
磷酸化产物中该峰都向低温移动20—40℃,说明磷酸化后糖链断裂所需能量降低。
2.5
壳聚糖与壳寡糖的磷酸化热重分析
壳聚糖、壳寡糖及其磷酸化产物的热重分析
结果如图5所示。
芝
譬
∥℃
图5壳聚糖与壳寡糖及磷酸化产物的热重分析
Fig.5
ThermogravimetricanalysisofCTS,
COSandtheirphosphorylationproducts
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从图5中可以得池四种物质的热稳定性‘¨3按磷酸化壳聚糖<磷酸化壳寡糖<壳寡糖<壳聚糖
顺序递增,即壳聚糖和壳寡糖被磷酸化后相对热稳
定性都降低了。结合上述差热分析可以得出磷酸化后热裂解所需能量降低,热稳定性能也降低了。
3结论
(1)优化了壳聚糖和壳寡糖的磷酸化工艺条件,即优方案为:甲烷磺酸用量为6mL,P20,用量
为1.519,温度为10—15℃,反应时问为1h。
(2)通过红外分析和差热分析,说明所制得的
产品为壳聚糖与壳寡糖的磷酸酯,且磷酸化产物糖链断裂所需的能量降低,热稳定性能也降低了。
(3)壳寡糖因分子量小、水溶性好,较壳聚糖更易发生磷酸化反应,同时壳寡糖具有生物可降解性、生物相容性、无毒性等优点,使其具有极高的医用价值。本课题组通过对壳聚糖与壳寡糖的
磷酸化研究和对比分析,发现壳寡糖比壳聚糖更易进行磷酸化反应,这对设计合成一些高活性的磷酸化寡糖、多糖及类似物具有重要的意义,为磷酸化壳寡糖作为药物载体的进一步研究开发提供一定的科学依据。
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(责任编辑罗娟)
壳聚糖和壳寡糖的磷酸化研究
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
田金花, 杨华, 迟光伟, 王立升, TIAN Jin-hua, YANG Hua, CHI Guang-wei,WANG Li-sheng
广西大学,化学化工学院,广西,南宁,530004化学研究与应用
CHEMICAL RESEARCH AND APPLICATION2010,22(5)0次
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以粘度下降率、还原糖生成量、产物的平均分子量变化三个参数为对比指标,将五种酶对壳聚糖的降解效果进行比较,并按优劣排序如下:纤维素酶>纤-果复合酶>纤-木复合酶>果胶酶>木瓜蛋白酶,最终确定纤维素酶为本实验降解壳聚糖的最佳酶选。
将纤维素酶参与降解制备的壳寡糖产物分别以有机溶剂分级分离、阳离子交换树脂柱层析、超滤分离三法进行分离,后以HPLC对分离产物进行检测。结果表明纤维素酶能有效降解壳聚糖,产物平均分子量约为1000u,其中2~8糖产量约为60﹪;超滤分离法获得的2~6糖产物最多,其中壳五糖产量占11.17﹪。
将超滤法分离制备的产物冷冻干燥后,测其部分理化特性,并将之与壳聚糖原料的相关理化指标做了对比。
9.期刊论文 田昀.张柿平.郭占云 酶解法制备壳寡糖的初步研究 -安徽农业科学2010,38(4)
[目的]研究制备壳寡糖的方法.[方法]运用基因工程的方法,将人工构建的含有壳聚糖水解酶基因的质粒载体转入大肠杆菌体内并诱导其表达.[结果]可溶的活性壳聚糖酶在大肠杆菌中的表达量高于300 mg/L.[结论]该重组壳聚糖酶与天然来源的壳聚糖酶具有完全相同的比活力,能专一性切断β-1,4-糖苷键,将壳聚糖降解为不含单糖的壳寡糖.
10.期刊论文 刘羿君.蒋英.封云芳.韩冬林.Liu Yijun.JIANG Yin.FENG Yunfang.HAN Donglin 特种纤维素酶催化水解壳聚糖及壳寡糖的制备研究 -功能高分子学报2005,18(2)
用凝胶渗透色谱法研究了特种纤维素酶催化水解过程中的分子量及其分布,制备了不同低分子量的壳聚糖和壳寡糖,详细研究了水解温度、pH值、时间和酶的用量等因素对酶催化水解产物的分子量及其分布的影响,制备壳寡糖的反应条件为壳聚糖质量分数w=0.01,水解温度58 ℃,pH=5.3,特种纤维素酶w=0.10,反应时间3 h.
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