1、殼寡糖制備方法研究進(jìn)展鄧培昌*胡杰珍侯慶華黃來珍（廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院,湛江524088）摘要：水產(chǎn)品加工行業(yè)副產(chǎn)的大量蝦蟹殼不能得到充分高值利用，造成資源浪費(fèi)、環(huán)境污染。殼寡糖作為蝦蟹殼的高值衍生物，具有高的生理活性，廣闊的應(yīng)用空間。殼聚糖降解是由蝦蟹殼制備殼寡糖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。開發(fā)環(huán)保的、經(jīng)濟(jì)的、易于工業(yè)化的殼聚糖降解技術(shù)是突破殼寡糖制備瓶頸的主要方向。殼聚糖降解的基礎(chǔ)研究是開發(fā)殼寡糖新生產(chǎn)方法的根本。關(guān)鍵詞：殼聚糖,殼寡糖,電化學(xué),降解ResearchProgressonPreparationofChitooligosaccharidesDengPeichang*HuJiezhenHo

2、uqinghuaHuanglaizhen(CollegeofOceanandMeteorology,OceanUniversityofGuangdong,Zhanjiang524088)AbstractTheshrimpandcrabshell,whichisbyproductinAquaticProductsProcessingIndustry,istooplentifultotakefulladvantage.Abandoningtheshrimpandcrabshelliswastingofresourcesandenvironmentpollution.Chitooligosaccha

3、rides(COSs),whicharethehighvalue-addedderivativesofshrimpandcrabshell,areofgreatinterestsincetheyarethoughttohaveseveralinterestingbioactivitiesandapplications.ThedepolymerizationofhighmolecularweightchitosansiscriticalprocesstogetCOSs.Thedevelopmentofchitosansdegradationtechnology,whichisenvironmen

4、tally-friendly,economicalandsuitableforindustrialization,isabreakthroughofthebottleneckofCOSsproduction.KeywordsChitosan,Chitooligosaccharides,Electrochemistry,Degradation殼寡糖也叫殼聚寡糖，也稱幾丁寡糖，學(xué)名01,4-寡糖-葡萄糖胺，是殼聚糖降解而得的高端衍生物，是含有氨基的低聚糖。殼寡糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)與植物纖維非常相似，被稱為可食性動物纖維素，它是多糖中唯一帶正電荷的小分子物質(zhì)，并具有穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)，特殊的生理活性。殼寡糖在醫(yī)

5、藥、保健品、化妝品、農(nóng)藥、飼料添加劑等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，被稱為生命的“第六要素”。部分發(fā)達(dá)國家非常重視殼寡糖的制備、性能與應(yīng)用研究。在二十世紀(jì)九十年代，日本政府開始推動殼聚糖應(yīng)用，隨著殼寡糖制備的技術(shù)進(jìn)步，現(xiàn)在殼寡糖的應(yīng)用已經(jīng)得到普及。1995年，歐美已經(jīng)批準(zhǔn)了殼聚糖在藥物方面的利用。我國也于1996年成立了專項(xiàng)研究甲殼素系列的課題組（中國科學(xué)院天然產(chǎn)物與糖研究組）。因此，如何有效的通過一系列物理和化學(xué)或生物的方法制備殼寡糖，日益受到各國科學(xué)家的關(guān)注。殼聚糖的降解方法可以分為化學(xué)法、物理法、酶法幾大類:1.化學(xué)法化學(xué)降解法是指通過化學(xué)反應(yīng)使殼聚糖降解。它簡便易行，但降解產(chǎn)物相對分子質(zhì)量較

6、難控制，相對分子質(zhì)量分布較寬，污染較重。目前，通過化學(xué)法對殼聚糖進(jìn)行降解主要分為酸法和氧化法。通信聯(lián)系人：鄧培昌（1975-）,男,講師,博士,主要從事功能材料的制備與性能研究。E-mail: HYPERLINK mailto: 1.1酸降解法殼聚糖易被稀酸催化發(fā)生苷鍵斷裂而降解。酸降解機(jī)理是糖分子中的苷原子氧接受質(zhì)子而形成了質(zhì)子化的苷鍵，從而削弱C-O鍵，進(jìn)而發(fā)生斷裂，同時形成碳陽離子的中間體，該中間體在水存在下生成游離的糖，其反應(yīng)歷程為：圖1殼聚糖酸降解反應(yīng)機(jī)理酸降解法用的催化劑可分為兩類：無機(jī)酸，如HCl、H2SO4、H3PO4、HNO2和HF1等；其中HCl和H2SO4水解條件基本相同

7、，但硫酸有氧化性易使水解產(chǎn)物碳化；H3PO4、HNO2的酸性稍弱些，HF腐蝕性又太強(qiáng)，故使用HCl降解的較多。使用無機(jī)酸對殼聚糖進(jìn)行降解反應(yīng)時間越長、溫度越高、酸濃度越大、所得降解產(chǎn)物聚合度越低，甚至可獲得單糖。有機(jī)酸，如乙酸、草酸、檸檬酸、琥珀酸、蘋果酸和酒石酸等；在草酸溶液中，殼聚糖降解速度最快，在蘋果酸中最慢2；與無機(jī)酸相比，使用有機(jī)酸催化殼聚糖降解所獲產(chǎn)物聚合度較高。鹽酸降解法：該法開發(fā)應(yīng)用較早，Baker等早在1958年將制備的殼聚糖溶解于3.3mol/L的鹽酸溶液中，在100C條件下反應(yīng)32h，得到了聚合度為17的氨基葡萄糖。Rupley等對濃鹽酸降解甲殼素制備低聚殼聚糖進(jìn)行了系統(tǒng)

8、的研究。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著鹽酸濃度增大、溫度升高，降解速率也加快。劉曉等5在使用不同濃度鹽酸對殼聚糖的降解試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在100C并有氬氣保護(hù)條件下，鹽酸在降解殼聚糖的同時，對所生產(chǎn)的單糖分子結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的破壞作用。總之，鹽酸降解法操作簡單，但降解條件較難控制，操作環(huán)境污染嚴(yán)重，降解產(chǎn)品主要為單糖和雙糖，活性較高的寡糖含量較低。硫酸降解法：硫酸在降解過程伴有O和N基上的磺酸化副反應(yīng)，且卩-1,4糖苷鍵斷裂無規(guī)律。與乙酸酐混合降解時可獲得23聚合度的殼寡糖6。磷酸降解法:用強(qiáng)度較弱的磷酸對殼聚糖進(jìn)行降解制備殼寡糖。Makot。等對濃磷酸降解殼聚糖作了較為深入的研究。Jia等研究了在不同時間和不同溫度

9、下用磷酸降解殼聚糖的工藝，發(fā)現(xiàn)時間越長，產(chǎn)率越低；溫度越高，產(chǎn)率越低。酸降解法所用試劑價廉易得，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，但殼寡糖的產(chǎn)率較低，主要得到的是單糖、二糖，難以得到所需要的活性低聚糖。另外，酸降解法引入了強(qiáng)酸，后處理比較困難，會給環(huán)境造成一定的污染。1.2氧化降解法氧化降解法是近年來國內(nèi)外研究比較多的殼聚糖降解方法。由于H2O2氧化降解殼聚糖具有反應(yīng)速度快、產(chǎn)率高、對環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較理想的化學(xué)降解方法。其他的氧化降解方法還包括H2O2/NaClO法、NaBO3法、過醋酸法等方法。通信聯(lián)系人：鄧培昌(1975-),男,講師,博士,主要從事功能材料的制備與性能研究。E-mail: HYP

10、ERLINK mailto: 過氧化氫降解法:H2O2降解過程是利用H2O2在水溶液中電離形成的各種游離基團(tuán)ho2、HO及(O),其中高活性的HO和新生態(tài)的(O)具有極強(qiáng)的氧化性，它們攻擊殼聚糖上帶有活潑NH2+的卩-(1,4)苷鍵，致使其解聚。我國學(xué)者9-11研究了在酸性、中性、堿性條件下過氧化氫對殼聚糖的氧化降解反應(yīng)。結(jié)果表明，采用過氧化氫溶液，在不同反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間下，產(chǎn)物大部分為水溶性低聚糖。其它氧化降解法：鑒于UV或NaClO與H2O2在降解過程中存在一定的協(xié)同效應(yīng)，為了提高降解速率，在H2O2氧化降解的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了UV/H2O2、NaClO/H2O2等氧化降解法。黃 群增等12對

11、1.5%醋酸溶液介質(zhì)、雙氧水用量比(與糖質(zhì)量比)2.5、室溫下紫外線照射lh后，可制得平均分子量為2.8萬的低聚殼聚糖。張文清問控制NaClO/H2O2在0.25、氧化劑總量為0.6mol、在pH值68、55C溫度下，對60g殼聚糖降解5h可使產(chǎn)品的分子量低于3000。通過對降解產(chǎn)物的紅外色譜分析及氨基含量分析表明，降解過程對產(chǎn)物中氨基含量影響較小?；瘜W(xué)氧化降解法見效快，但需要消耗化學(xué)氧化劑，會直接或間接污染環(huán)境，降解產(chǎn)物質(zhì)量不易控制，分離也有一定的困難。2.物理法物理降解法主要有超聲波降解法、Y射線降解法、微波場降解法及機(jī)械法。超聲波降解法：降解的主要機(jī)理是機(jī)械性斷鍵與自由基的氧化還原反應(yīng)1

12、4,150超聲波降解法的影響因素主要是超聲波作用時間迢17。隨著超聲波的作用時間延長，殼聚糖降解率逐漸增加且所得低聚殼聚糖相對分子質(zhì)量分布明顯變窄，得到較為均一的低聚殼聚糖，同時降解過程中氨基的含量不變，脫乙酰效果也不改變18,19。用傅里葉變換紅外光譜和X-射線衍射分析殼聚糖超聲降解產(chǎn)物時，發(fā)現(xiàn)殼聚糖的卩-(1,4)苷鍵發(fā)生斷裂，降解前后晶態(tài)沒有變化20。輻射降解法：Y射線輻照降解殼聚糖機(jī)理主要有兩種觀點(diǎn)21：一是直接作用，即糖苷鍵的成鍵電子被Y光子激發(fā)，引起鍵斷裂；二是間接作用，即輻射產(chǎn)生的電子、自由基等產(chǎn)物通過化學(xué)反應(yīng)加速糖苷鍵的斷裂，生成低聚殼聚糖。采用輻射法降解殼聚糖時，輻射劑量與脫

13、乙酰度對降解速度有很大影響。輻射劑量和脫乙酰度越大，降解越快；但輻射量達(dá)到一定值后，殼聚糖的相對分子質(zhì)量降低變緩凹。殼聚糖溶液經(jīng)Co60y射線輻照后物理和機(jī)械性能發(fā)生變化23，殼聚糖溶液經(jīng)輻照后顏色發(fā)生變化，輻射劑量越大，顏色改變越明顯，殼聚糖的抗張機(jī)械性能也降低了，分析認(rèn)為輻照后殼聚糖主鏈斷裂，在鏈端基功能團(tuán)C=O含量增多所致。光降解法：紫外線、可見光和紅外線對殼聚糖的輻照也可使殼聚糖降解24，當(dāng)輻照的波長小于360nm時降解反應(yīng)較明顯。有學(xué)者25發(fā)現(xiàn)在用紫外-可見光度計測量殼聚糖的降解程度時發(fā)現(xiàn)，在紫外光照射下，殼聚糖的降解程度有所提高。紅外光譜分析表明，光降解過程中殼聚糖分子鏈上的乙酰氨

14、基葡萄糖單元發(fā)生脫乙?；磻?yīng)，導(dǎo)致氨基的數(shù)量增加，同時使卩-(1,4)糖苷鍵斷裂。微波降解法:降解的機(jī)理為微波誘導(dǎo)粒子移動或者旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致極性粒子產(chǎn)生偏振現(xiàn)象，使粒子間發(fā)生摩擦、產(chǎn)生熱量、分子斷裂產(chǎn)生相對分子質(zhì)量大小不等的片段，同時轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂苫杂苫环€(wěn)定從而形成低聚殼聚糖。微波降解殼聚糖，所得產(chǎn)品相對分子質(zhì)量與反應(yīng)時間及輻射能量有關(guān)，延長反應(yīng)時間，增大輻射能，所得相對分子質(zhì)量越小，分布越窄。應(yīng)用此法對殼聚糖進(jìn)行降解需要無機(jī)鹽(如NaCl)或H2O2協(xié)助，無機(jī)鹽的加入對降解產(chǎn)品質(zhì)量無影響，所得產(chǎn)品平均分子質(zhì)量在900100026,27。機(jī)械降解法：目前機(jī)械法降解殼聚糖的主要是高壓均質(zhì)和機(jī)械研磨

15、。周今朝等28研究了高壓均質(zhì)法降解殼聚糖，發(fā)現(xiàn)分子量和均質(zhì)壓力的增大，以及循環(huán)次數(shù)的增加，均有利于降解。溶液環(huán)境和操作溫度，對降解基本沒影響。蔣林斌等人29研究了攪拌球磨機(jī)械活化降解殼聚糖的工藝，考察了機(jī)械活化時間、溫度及攪拌速度對殼聚糖溶解度和分子質(zhì)量的影響。物理降解法設(shè)備單一，不會引入雜質(zhì)，但是目前大多數(shù)的物理方法還只是處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，還必須進(jìn)行更深入的研究。3.酶降解法酶降解法就是利用特定的酶對殼聚糖進(jìn)行降解的方法，其反應(yīng)條件溫和，不必加入其他反應(yīng)試劑，不發(fā)生其他副反應(yīng)，產(chǎn)品均一性好，產(chǎn)物聚合度適中，節(jié)能、高效、無污染。所以，近年來國內(nèi)外對酶法制備殼寡糖的研究，包括

16、產(chǎn)酶的微生物、酶的特性及酶的分子生物學(xué)等方面的研究十分活躍。酶解法制備殼寡糖所用的酶，分為專一性酶和非專一性酶。專一性酶包括殼聚糖酶、葡聚糖酶、部分蛋白酶等30-32，非專一性酶有脂肪酶、溶菌酶、果膠酶、木瓜蛋白酶等33,34。殼聚糖酶以內(nèi)切作用方式催化降解殼聚糖，生成聚合度為6左右的殼寡糖。殼聚糖酶對糖殘基的。6上連接何種基團(tuán)的選擇6性較差，許多C6-OH的取代物如羧甲基甲殼6素也能被降解，而對糖殘基的C2上的N-乙?；髧?yán)格35。溶菌酶能夠在酸性條件下迅速地降解殼聚糖，斷裂連接D-氨基葡萄糖和D-乙?；被咸烟堑内?(1,4)糖苷鍵，得到低分子量殼聚糖。Einosuki等36利用從Tr

17、ichodermariride提取出來的纖維素酶，在50C和pH值為5.6的條件下水解殼聚糖，得到主要為68糖的殼聚糖的低聚糖。黃永春等37將木瓜蛋白酶應(yīng)用于殼聚糖降解中，他們研究了不同條件下降解速率的變化。結(jié)果表明，木瓜蛋白酶只選擇性地降解GlcNAcGlcN糖苷鍵，反應(yīng)最適pH值和溫度分別為4.5和45C。它的優(yōu)點(diǎn)主要在于木瓜蛋白酶價錢便宜、穩(wěn)定性好，對殼聚糖的降解效果比較高。Kittur38等將果膠酶應(yīng)用于殼聚糖的降解。研究顯示A.niger果膠酶對殼聚糖及其衍生物有著較好的降解能力，反應(yīng)的最佳作用條件是溫度47C和pH為3.0,而且遵守經(jīng)典的Michaelis-Menten動力學(xué)方程，

18、生成的殼聚糖的分子質(zhì)量范圍在5000到20000之間，且具有較高的結(jié)晶性。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所格萊克殼寡糖研究中心主要研究酶法降解殼聚糖制備殼寡糖，已掌握了大量的科學(xué)技術(shù)，申請了一批專利，為我國殼寡糖的研究與應(yīng)用做出了卓著的貢獻(xiàn)。生物法生產(chǎn)周期長，酶的提純難度大，生產(chǎn)成本較高。4電化學(xué)方法在殼聚糖的降解與制備中，電化學(xué)方法是新方法。Cai等朗以Ti/TiO2-RuO2電極為陽極、不銹鋼為陰極、在醋酸體系中，施加一定的電壓，實(shí)現(xiàn)了殼聚糖的降解，在殼寡糖的制備原理方面做出了貢獻(xiàn)，但是他們所制備的電極壽命較短。黃永春等40以石墨為電極，電解含氯化鈉的殼聚糖溶液，考察了電流密度、溫度、氯化鈉濃

19、度、初始pH、初始?xì)ぞ厶菨舛取O板間距在電化學(xué)反應(yīng)過程中對殼聚糖降解的影響，對電化學(xué)間接氧化降解殼聚糖進(jìn)行了研究，他們對電化學(xué)參數(shù)進(jìn)行了較為詳盡的研究，但是選用了很傳統(tǒng)的石墨電極，難以避免電極失效問題。蝦蟹殼殼寡糖應(yīng)用廣資源豐瓶頸圖2殼寡糖產(chǎn)業(yè)發(fā)展“沙漏”模型電化學(xué)法具有成本低廉、容易控制、容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)成為近期殼寡糖制備研究的重點(diǎn)。5結(jié)論當(dāng)前殼寡糖產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“沙漏”模型如上圖，上端是水產(chǎn)品加工行業(yè)副產(chǎn)的大量蝦蟹殼難以得到充分利用，下端是高附加值的殼寡糖具有廣闊的應(yīng)用空間，阻礙由蝦蟹殼生產(chǎn)殼寡糖的瓶頸是缺乏適合工業(yè)化的殼聚糖降解方法，應(yīng)加快殼寡糖制備方法的研究。在眾多殼寡糖制備方法中

20、，酶法可以生產(chǎn)高品質(zhì)、高活性的殼寡糖，近期仍是研究重點(diǎn)；電化學(xué)法雖是以新興方法，但是從制備原理到實(shí)驗(yàn)裝置都體現(xiàn)出了其明顯的優(yōu)點(diǎn)，其將是未來大規(guī)模制備殼寡糖的主要突擊方向。參考文獻(xiàn)：1DefayeJ.,GadelleA.,PedersenC.Aconvenientaccess郵-(14)-linked2-amino-2-deoxy-D-glucopyranosylfluorideand卩-(14)-linked2-amino-2-deoxy-D-glucopyranosyloligosaccharidesbyfluorolysisandfluorohydrolysisofchitosanJ.Ca

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