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通信联系人：邓培昌( 1975- ) , 男, 讲师, 博士, 主要从事功能材料的制备与性能研究。
E-mail:dpc0520@ 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： ——————————————————――
通信联系人：邓培昌( 1975- ) , 男, 讲师, 博士, 主要从事功能材料的制备与性能研究。 E-mail:dpc0520@
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
3 群增等[12]对1.5%醋酸溶液介质、双氧水用量比(与糖质量比)2.5、室温下紫外线照射1h后，可制得平均分子量为2.8万的低聚壳聚糖。张文清[13]控制NaClO/H2O2在0.25、氧化剂总量为0.6mol、在pH值6~8、55℃温度下，对60g壳聚糖降解5h可使产品的分子量低于3000。通过对降解产物的红外色谱分析及氨基含量分析表明，降解过程对产物中氨基含量影响较小。
化学氧化降解法见效快，但需要消耗化学氧化剂，会直接或间接污染环境，降解产物质量不易控制，分离也有一定的困难。
2. 物理法
物理降解法主要有超声波降解法、γ射线降解法、微波场降解法及机械法。
超声波降解法：降解的主要机理是机械性断键与自由基的氧化还原反应[14, 15]。超声波降解法的影响因素主要是超声波作用时间[16,
17]。随着超声波的作用时间延长，壳聚糖降解率逐渐增加且所得低聚壳聚糖相对分子质量分布明显变窄，得到较为均一的低聚壳聚糖，同时降解过程中氨基的含量不变，脱乙酰效果也不改变[18, 19]。用傅里叶变换红外光谱和X -射线衍射分析壳聚糖超声降解产物时，发现壳聚糖的β- (1, 4)苷键发生断裂，降解前后晶态没有变化[20]。
辐射降解法：γ射线辐照降解壳聚糖机理主要有两种观点[21]：一是直接作用，即糖苷键的成键电子被γ光子激发，引起键断裂； 二是间接作用，即辐射产生的电子、自由基等产物通过化学反应加速糖苷键的断裂，生成低聚壳聚糖。采用辐射法降解壳聚糖时，辐射剂量与脱乙酰度对降解速度有很大影响。辐射剂量和脱乙酰度越大，降解越快；但辐射量达到一定值后，壳聚糖的相对分子质量降低变缓[22]。壳聚糖溶液经Co60γ射线辐照后物理和机械性能发生变化[23]，壳聚糖溶液经辐照后颜色发生变化，辐射剂量越大，颜色改变越明显，壳聚糖的抗张机械性能也降低了，分析认为辐照后壳聚糖主链断裂，在链端基功能团C=O含量增多所致。
光降解法：紫外线、可见光和红外线对壳聚糖的辐照也可使壳聚糖降解[24]，当辐照的波长小于360 nm时降解反应较明显。有学者[25]发现在用紫外-可见光度计测量壳聚糖的降解程度时发现，在紫外光照射下，壳聚糖的降解程度有所提高。红外光谱分析表明，光降解过程中壳聚糖分子链上的乙酰氨基葡萄糖单元发生脱乙酰化反应，导致氨基的数量增加，同时使β- (1, 4)糖苷键断裂。
微波降解法: 降解的机理为微波诱导粒子移动或者旋转，导致极性粒子产生偏振现象，使粒子间发生摩擦、产生热量、分子断裂产生相对分子质量大小不等的片段，同时转变为自由基，自由基不稳定从而形成低聚壳聚糖。微波降解壳聚糖，所得产品相对分子质量与反应时间及辐射能量有关，延长反应时间，增大辐射能，所得相对分子质量越小，分布越窄。应用此法对壳聚糖进行降解需要无机盐(如NaCl)或H2O2协助，无机盐的加入对降解产品质量无影响，所得产品平均分子质量在900～1000[26,27]。
机械降解法：目前机械法降解壳聚糖的主要是高压均质和机械研磨。周今朝等[28]研究了高压均质法降解壳聚糖，发现分子量和均质压力的增大，以及循环次数的增加，均有利于降解。溶液环境和操作温度，对降解基本没影响。蒋林斌等人[29]研究了搅拌球磨机械活化降解壳聚糖的工艺，考察了机械活化时间、温度及搅拌速度对壳聚糖溶解度和分子质量的影响。
物理降解法设备单一，不会引入杂质，但是目前大多数的物理方法还只是处于实验室研究阶段，要实现工业化生产，还必须进行更深入的研究。
3. 酶降解法
酶降解法就是利用特定的酶对壳聚糖进行降解的方法，其反应条件温和，不必加入其他反应试剂，不发生其他副反应，产品均一性好，产物聚合度适中，节能、高效、无污染。所以，近年来国内外对酶法制备壳寡糖的研究，包括产酶的微生物、酶的特性及酶的分子生物学等方面的研究十分活跃。酶解法制备壳寡糖所用的酶，分为专一性酶和非专一性酶。专一性酶包括壳聚糖酶、葡聚糖酶、部分蛋白酶等[30-32]，非专一性酶有脂肪酶、溶菌酶、果胶酶、木瓜蛋白酶等[33,
34]。