技术进展　Technology Progre ss壳聚糖降解研究进展李　治　刘晓非　杨冬芝　管云林　姚康德(天津大学材料科学与工程学院,天津,300072)提　要　壳聚糖已被广泛应用于化工、环保、医药等众多领域,将壳聚糖降解到需要的分子量是其应用的前提。

本文介绍并评述了化学降解、物理降解和生物降解等壳聚糖降解方法的研究进展。

关键词　壳聚糖,降解,分子量,低聚物 壳聚糖是甲壳素的脱乙酰化产物,在自然界中的储量非常丰富,广泛存在于虾、蟹和昆虫的外壳及藻类、菌类的细胞壁之中,是年产量仅次于纤维素的第二大天然高分子,也是迄今为止发现的唯一天然碱性多糖。

壳聚糖是分子链由β2(104)222乙酰胺基2 D2葡糖单元和β2(104)222氨基2D2葡糖单元组成的共聚物,以分子量和脱乙酰化度来表征。

近年来随着研究的深入,壳聚糖在化工、环图1　壳聚糖保、食品、印染、纺织、生物医药等方面展现出广泛而独特的应用价值:可用作微量金属离子提取剂、纸张添加剂、胶卷增感剂、废水处理中的高效絮凝剂、化妆品中的保湿剂、食品添加剂和保藏剂以及印染固色剂[1～4];可用于制造催化功能膜和各种形式的能量转换膜,可提高巨噬细胞的吞噬功能,抑制肿瘤生长[5～7];是肠道有益细菌双歧杆菌的增殖因子,能降低胆固醇和血脂[8];可用于制造药物可控释放膜、可吸收的手术缝合线以及人工透析膜等等[9～11]。

但是,一般由甲壳素脱乙酰化制得的壳聚糖分子量很大,并且有紧密的晶体结构,不溶于普通溶剂,只能在某些酸性介质中溶解,这使壳聚糖的应用受到极大限制;另外,研究表明分子量对壳聚糖的性质有很大影响,不同分子量的壳聚糖性质差异很大,有时甚至表现出截然相反的特性[12,13],而壳聚糖的许多独特功能只有在分子量降低到一定程度时才表现出来。

因此,选择适当的方法对壳聚糖进行降解就显得尤为重要。

目前,国内外学者提出的降解方法主要有化学降解、物理降解和生物降解三大类。

1　化学降解111　用N a N O2降解将壳聚糖溶解于质量分数为10%乙酸溶液中,在搅拌下缓慢滴入一定量的NaNO2溶液,于4℃下静置一段时间,使—NH2发生重氮化反应,脱去一分子N2,引起分子内重排使大分子链断裂,再用NaBH4还原端基,完成降解反应[13]。

反应过程如图2所示。

这是传统的化学降解方法,降解产物的分子量可以通过改变NaNO2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。

该法的主要缺陷在于:(1)产品的分子量分布太宽,均一性差;(2)降解过程中破坏了氨基,理论上加入1摩尔NaNO2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[14],同时分子链上存在足够数量的氨基也是壳聚糖进行进一步改性的重要前提,氨基数量的减少将会使壳聚糖的应用受到限制;(3)生产的三废污染严重。

国家自然科学基金资助项目,N o.59773002。

图2　NaNO 2降解壳聚糖的反应历程112　在酸性条件下水解常将壳聚糖溶于一些无机酸如磷酸[15]、盐酸[16]中加热到一定温度进行降解。

这种方法简便易行,但产品分子量分布宽,同时产物分离提纯困难,生产成本高,污染严重。

1997年,Emmanuel Belamie 等人提出了壳聚糖固态降解法,即在少量水的存在下用氯化氢气体对固体片状壳聚糖(脱乙酰化度大于9715%)直接进行降解[17]。

这种方法可以通过改变氯化氢气体用量和反应温度控制降解速度,从而方便地制得某特定分子量的产品。

与以往将壳聚糖完全溶解于无机酸的降解方法相比,固态降解法仅用少量的水作为增塑剂增大固体壳聚糖中的自由体积(V f ),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,过量的氯化氢可以用干空气洗出回收,降低了生产成本,减少了环境污染。

但是由于固体壳聚糖中晶区分子链排列比非晶区相对紧密,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。

113　氧化降解壳聚糖在氧化剂的存在下可以进行氧化降解[18]。

H 2O 2是一种很强的氧化剂,在酸、碱和中性条件下都可以使壳聚糖主链上的β2(104)糖苷键发生氧化而断裂,得到相对分子质量小于115万的水溶性壳聚糖,其中以碱性条件下的氧化降解效果为最好,如表1所示[19]。

表1　70℃、不同pH 值条件下H 2O 2氧化降解壳聚糖(相对分子质量3×105)的结果pH 值反应时间/h收率/%产物相对分子质量2～3840106007446740011153607600 H 2O 2氧化降解法中,较高的反应温度和H 2O 2浓度有利于降低产物的分子量,提高水溶性壳聚糖的收率,但是工艺条件较难掌握,反应的稳定性和重复性差;另一方面,若温度和H 2O 2浓度过低,则需要延长反应时间,这会影响产品的外观品质。

研究表明,在60～70℃、H 2O 2的质量浓度为10～50g/L 条件下反应的重复性好,产品的外观品质高[19]。

用H 2O 2氧化降解壳聚糖无毒,无副产物,是一种理想的化学降解方法。

2　物理降解211　γ射线照射下的辐射降解壳聚糖在γ射线的照射下可发生降解反应。

作者采用C o60辐射源以不同的辐射剂量分别在大气环境和真空环境下对相对分子质量为2714万的壳聚糖进行照射,得到了一系列低分子量壳聚糖。

辐射降解产品的分子量与辐射剂量的关系如图3所示。

图3　不同环境下降解产物的相对分子质量与辐射剂量的关系由图3可知,γ射线的照射可显著降低壳聚糖的分子量,开始降解速度很快,随着辐射剂量的增图4　光降解反应机理加,降解速度逐渐下降,当辐射剂量达到100kG y以上、相对分子质量下降到5万以下后降解速度变得十分缓慢。

真空环境下的负压破坏了壳聚糖的网络结构,有助于降解反应。

红外光谱分析表明,在γ射线的照射下,壳聚糖主链上的β2(104)糖苷键发生断裂,导致分子量下降,辐射降解过程中没有产生羰基,也没有使壳聚糖发生交联,形成支链或网状结构。

辐射降解是无须添加物的固相反应,成本低,反应易控,无污染,产品品质高,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。

212　光降解 紫外线、可见光和红外线对壳聚糖的辐照也可以引起降解反应,俗称光降解[20]。

当辐照光的波长小于360nm 时降解反应较明显。

红外光谱分析表明,光降解过程中壳聚糖分子链上的乙酰胺基葡糖单元发生脱乙酰化反应,导致氨基的数量增加,同时使β2(104)糖苷键断裂,但降解过程中生成了羰基,这一点与γ射线引起的辐射降解不同。

研究认为壳聚糖的光降解按图4所示的机理进行。

213　超声波降解 超声波对壳聚糖的降解作用是十分明显的。

选用适当频率和功率的超声波照射壳聚糖,能有效地将大分子链打断。

日本的景世兵等人用28kH z 的超声波对溶解于稀盐酸之中的壳聚糖作用30h ,得到了分子量很低的产品(聚合度3～12)。

升高温度和延长照射时间有利于降低产物的分子量,如图5所示[21]。

另有研究表明,延长超声波的作用时间可以使降解产物的分子量分布明显变窄,从而得到较为均一的低分子量壳聚糖[22];同时降解过程中氨基的含量不变[23]。

与化学降解相比,超声波降解的用酸量明显减少,后处理过程大为简化,对环境的污染也大大降低。

但是该法突出的缺点是收率太低,导致生产成本过高,要实现工业化还有待于进一步的研究。

图5　不同温度下体系粘度与超声波照射时间的关系3　生物降解311　酶降解壳聚糖酶是壳聚糖的专一水解性酶,自然界中的壳聚糖绝大部分由壳聚糖酶催化水解成小分子,但是商业中壳聚糖酶的价格昂贵,不易得到。

近年来研究发现许多种酶如蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、葡萄糖酶和胰酶等对壳聚糖具有非专一性水解作用,也可用来催化水解壳聚糖得到低分子量产品[24～26]。

Riccardo A. A.Muzzarelli 等人的研究结果表明,麦胚脂肪酶在微酸条件下可有效地降解壳聚糖,并且不改变壳聚糖的脱乙酰化度,但产品的分子量分布很宽。

这一酶解反应不遵循普通的酶反应动力学模型,反应速度很快,体系粘度在开始反应10min 后就下降到初始值的35%[25]。

与之相似,木222000年第6期　化工进展瓜蛋白酶也可在微酸条件下有效地降解壳聚糖,同样具有很高的降解速度(体系粘度可在1h内下降到初始值的6%)[27]。

同时进一步研究表明,木瓜蛋白酶倾向于优先降解比较长的分子链,与麦胚脂肪酶相比,产品分子量分布窄,并且平均分子量低。

另外,木瓜蛋白酶只选择性地作用在两端分别连接乙酰胺基葡糖单元和氨基葡糖单元的β2(104)糖苷键上[28],所以这种降解方法要求壳聚糖的脱乙酰化度不能太高,以60%左右为宜,以保证分子链上含有一定数量的乙酰胺基葡糖单元。

木瓜蛋白酶价格低廉,容易得到,用它降解壳聚糖,反应中酶的活性不变,经过提取后可重复利用,降低了生产成本,是一种具有工业化潜力的降解方法。

与化学降解相比,酶降解反应条件温和,降解速度快,克服了化学降解产品分子量分布宽、均一性差的缺点,是一种较为理想的降解方法。

312　在人体内的降解值得注意的是,人的血清中所含的溶菌酶对壳聚糖也有明显的降解作用[29,30]。

尽管用溶菌酶降解壳聚糖尚难实现工业化,但这为壳聚糖应用于制造可被人体吸收的医用植入材料提供了重要的前提。

研究表明,在体内溶菌酶对壳聚糖的催化水解速度随着脱乙酰化度的升高而降低,如式(1)所示[29],脱乙酰化度达到100%的壳聚糖则不能在体内被溶菌酶催化水解。

r∝(1-De)415(1)式中,r为壳聚糖在体内溶菌酶催化作用下的降解速度;De为壳聚糖的脱乙酰化度。

与之相反,提高壳聚糖的脱乙酰化度,增大分子链上的氨基含量却有利于降低植入材料表面的Z eta电势,从而改善其生物相容性,降低组织排斥作用。

综合两方面的因素考虑,用作医用植入材料的壳聚糖脱乙酰化度应控制在69%～73%范围内为宜[14]。

4　展望降解是壳聚糖广泛应用的前提,壳聚糖的降解方法很多,各自具有不同的应用条件和特点,根据不同的需要选择适当的降解方法是制备低分子量壳聚糖的关键。

成本低,工艺简单,产品均一,无污染是壳聚糖降解方法的发展方向。

目前,由于低分子量壳聚糖价格比较昂贵,国内仅部分轻工行业有少量使用,还不能在所有的应用领域实现商品化,这与壳聚糖广泛的用途和我国丰富的甲壳素资源显然是不相称的。

研究实用、高效的降解方法将会带来可观的经济效益和社会效益。

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