凍融法制備水溶性殼聚糖中低溫脫乙酰與高溫熱分解的機理及動力學.pdf

1、殼聚糖作為自然界唯一的堿性多糖，因其良好的生物相容性、廣譜抗菌性、生物可降解性、重金屬螯合性、成膜成纖性等特殊功能，引起了廣泛關注。由于其只能溶于某些特殊酸性溶液，部分結構和功能實際由殼聚糖鹽體現(xiàn)，這對殼聚糖的理論和應用研究的深入十分不利。制備較高分子質量、非衍生化的、真正意義上的水溶性殼聚糖(Water-Soluble Chitosan，WSC)，對相關基礎研究和應用研究意義重大。
　　 本研究采用堿液凍融循環(huán)處理甲殼素，并結

2、合均相脫乙酰反應，不引入任何基團，制備了1種脫乙酰度(Degree of Deacetylation，DDA)約50％，分子量約30萬，pH12以下冷水可溶的WSC，突破了傳統(tǒng)制備方法耗時長、收率低、成本高、降解嚴重、水溶性差的缺陷。通過低溫脫乙酰動力學研究、采用XRD、FT-IR、Raman、DSC、CD和AFM等考察凍融對甲殼素結構的影響，從而發(fā)展凍融循環(huán)處理為1種簡便、可控、綠色、高效的甲殼素前處理手段，并初步揭示了WSC的形成機

3、理。為合理利用WSC，本研究考察了其熱穩(wěn)定性和安全性，并采用多重掃描速率熱分析法、FT-IR及MTT實驗等，揭示了WSC的熱分解機理、熱分解動力學及細胞毒性等。主要研究結果如下：
　　 1．慢速冷凍過程中冰晶的形成和生長可破壞甲殼素分子間氫鍵作用，降低分子結構規(guī)整性，破壞凝聚態(tài)結構并使其結晶度下降。但單純冷凍導致的結構破壞和結晶度降低的程度較小，不足以使甲殼素形成完全均相溶液，且這種結晶破壞作用部分可逆，經加熱處理后又會形成新的

4、結晶結構。慢速冷凍——低溫解凍的凍融循環(huán)處理過程中冰晶的反復形成和重結晶能夠更徹底的破壞甲殼素凝聚態(tài)特別是晶態(tài)結構，-18℃下凍融3次，可使甲殼素在NaOH溶液中完全溶解，獲得甲殼素終濃度約為4wt%，NaOH終濃度約為10.67wt%的均相溶液，25℃經過48h-72h靜置，可制備幾乎全溶的WSC。
　　 2．低溫脫乙酰動力學研究結果表明，堿液濃度、反應時間、解凍方式及其交互作用均顯著影響脫乙酰進程。乙酰氨基含量與反應時間在半

5、對數(shù)坐標軸上線性相關(R2＞0.9000)，低溫非均相下脫乙酰反應符合準一級反應動力學方程，表觀速率常數(shù)3.3-22.8×10-3h-1；35wt%NaOH，-5℃--35℃下的表觀反應活化能為9.76kJ/mol，低于常溫及高溫反應活化能，表明冷凍特別是凍融循環(huán)可促進反應進行。
　　 3．XRD結果表明，凍融循環(huán)處理能顯著降低甲殼素分子內和分子間強氫鍵相互作用，破壞甲殼素分子致密的晶體結構，導致其水溶成為可能。FT-IR分析結

6、果表明，水溶性樣品或近似水溶的樣品，3448cm-1處-OH的振動吸收峰明顯移向低波數(shù)區(qū)域，且水溶性越好偏移量越大，該區(qū)域面積越小；代表分子內/分子間氫鍵相互作用的3265和3103cm-1處的吸收峰，在水溶性樣品上已經觀測不到。DSC研究結果表明，DSC的峰面積、峰高等參數(shù)不但與DDA有關，更受水溶性即結晶性的影響，甚至某些時候結晶度的影響要遠超DDA的影響。CD研究結果也表明，凍融循環(huán)和均相脫乙酰打破了分子間強氫鍵相互作用，使WSC

7、的空間結構更為舒展，較少呈現(xiàn)螺旋結構，更易溶于水中。AFM結果表明，WSC在水溶液中以中性，而不是以質子化形式存在，說明本研究制備的是1種自然狀態(tài)下的殼聚糖而非其衍生物。
　　 4．DDA-定時，WSC水溶液在208nm-212nm的吸光度A與波長λ呈線性關系，其斜率與對應溶液的濃度呈線性關系，初步建立了1種用紫外多波長回歸測定WSC水溶性的新方法，從而克服了傳統(tǒng)的濾紙稱重法繁瑣、準確度不高的缺點。
　　 5．熱分解產物

8、FT-IR結果研究表明，殼聚糖、甲殼素和WSC的熱降解是高分子主鏈的無規(guī)解聚，降解最先發(fā)生在鍵能較弱的C-O-C上，其中WSC的熱分解起始位壘更高，分解過程中伴隨更多復雜反應。殼聚糖鹽酸鹽(Chitosan Hydrochloride，CHC)的熱分解是典型的多步反應，先是高分子銨鹽的分解，后為高分子主鏈的解聚。
　　 6．多重掃描速率法研究了殼聚糖、甲殼素、WSC和CHC的熱分解反應動力學，4種物質的反應活化能E和指前因子In

9、A值分別為153.02±2.67、162.96±5.47、188.20±1.98、169.40±1.52(1st stage)、126.5±1.62 kJ/mol(2nd stage)和23.46±1.47、23.09±1.14、37.82±1.12、35.28±0.62(1st stage)、24.69±0.44 min-1(2nd stage)。 Achar法判定了4種物質熱分解的最概然機理函數(shù)。殼聚糖為f(a）=3/2（1-α)2

10、/3[1-（1-α)1/3]-1，屬三維擴散、球形對稱機理：甲殼素為f(α）=3/2(1-α)4/3[1/(1-α)1/3-1]-1，屬三維擴散機理；WSC為f(α)=2(1-α)3/2，屬2/3級化學反應；CHC2個分解階段最概然機理函數(shù)相同，均為f(α)=1-α，屬每個顆粒上只有1個核心的隨機成核和隨后生長機理。
　　 7．WSC細胞毒性研究結果顯示，WSC無細胞毒性，未質子化的氨基對L929細胞具有一定保護作用。動態(tài)凝血實