全 文 ：文章编号 :100028551 (2008) 032313204
辐照与化学相结合协同降解壳聚糖研究
赵军旗1 　邓钢桥1 , 2 　邵　赛2 　李文革2 　邹朝晖2 　彭　玲2 　罗志平2
(11 湖南农业大学 , 湖南 长沙　410128 ; 21 湖南省原子能农业应用研究所 ,湖南 长沙　410125)
摘　要 :研究了单一辐照和协同处理对壳聚糖降解的影响。在协同降解中研究了辐照剂量、H2O2 浓度、
溶剂Π溶质体积质量比、乙酸 4 个因素的作用。对前 3 个因素进行了方差分析和不同水平的多重比较 ,
同时对降解产物的结构进行了红外光谱分析。结果表明协同降解效果较好 ,即 15 % H2O2 、115 % HAc、
H2O2 溶液Π壳聚糖体积质量比 4∶1、辐照剂量为 110kGy 可以使壳聚糖的分子量从 817 ×105 降低到 104 以
下 ,且结构没有明显变化。
关键词 :壳聚糖 ;辐照 ;H2O2 ;协同降解
DEGRADATION OF CHITOSAN BY SYNERGETIC TREATMENT OF IRRADIATION AND CHEMICAL
ZHAO Jun2qi1 　DENG Gang2qiao1 , 2 　SHAO Sai2 　LI Wen2ge 　ZOU Zhao2hui2 　PENGLing2 　LUO Zhi2ping2
(11 Hunan Agricultural University , Changsha , Hunan 　410128 ;
21 Hunan Institute for Application of Atomic Energy in Agriculture , Changsha , Hunan 　410125)
Abstract :The degradation of solid state chitosan by irradiation at solid state and synergetic method were investigated in this paper.
Four factors which affect the degradation effect of chitosan : irradiation , H2O2concentration , the ratio of solvent and solute (volumΠ
weight) , acetic acid were analyzed. The first three were measured by multiple comparisons of the different level and variance
analysis , and infrared spectroscopy was employed to analyze check the degradation products. It is concluded that chitosan’s
viscosity , and average molecular weight was decreased from 817 ×105 to 104 at the condition of 15 %H2O2 ,HAc115 % , 4∶1 H2O2
solutionΠchitosan ,110kGy irradiation , and the chemical structure of treat chitosan products was almost no changed.
Key words :chitosan ;irradiation ; hydrogen peroxide ;synergetic degradation
收稿日期 :2007209210 　接受日期 :2007212211
基金项目 :湖南省农业科学院重点学科资助项目 (湘农科科 200528)
作者简介 :赵军旗 (19812) ,男 ,河南洛阳人 ,硕士研究生 ,研究方向为辐照生物物理。
通讯作者 :邓钢桥 (19642) ,男 , 湖南安化人 , 副研究员 ,从事辐照加工技术应用研究。Tel :073124690845 ; E2mail :gangqiao454 @1631com　　壳聚糖 ,是由葡萄糖胺和 N2乙酰葡萄糖胺以β2(1- 4)2糖苷键缩合成的直链高分子化合物 ,是甲壳素部分脱乙酰化产物。甲壳素广泛存在于虾、蟹、昆虫的外壳及藻类、真菌等的细胞壁中 ,其产量在天然聚合物中仅次于纤维素 ,居第二位。壳聚糖及其衍生物有一系列优良特性[1 ,2 ] ,在许多领域都有广泛的应用 :如生物技术、制药、化妆、农业、食品科学及纺织行业等[3 ,4 ] 。1991 年欧美科学家将壳聚糖列为人体第 6 生命要素[5 ] 。但是大分子量壳聚糖不溶于水 ,在稀酸中的溶解度也很小 (不超过 2 %) ,这些特点阻碍了它在生产实 践中的应用。此外还发现壳聚糖的分子量对其性质有很大影响 ,不同分子量的壳聚糖性质差异很大 ,有时甚至截然相反 ,且壳聚糖的许多性质只有在分子量降到一定程度时才表现出来。前人研究表明具有应用价值的壳聚糖的分子量需要控制在 103～104的数量级范围内[6 ] ,但虾或者蟹壳中提取的壳聚糖的分子量在 105以上 ,因此 ,需要对其进行降解 ,而选择合适的降解方法显得尤为重要。常用的壳聚糖降解方法有酶法、物理法、化学法和协同降解法[7～9 ] 。研究发现协同处理的效果明显要好于单一方法降解[10 ,11 ] 。本文报道了γ辐照ΠH2O2 协同降解壳聚糖时 ,辐照剂量、H2O2 浓度、
013　 核 农 学 报　2008 ,22 (3) :310～313Journal of Nuclear Agricultural Sciences
H2O2 溶液和壳聚糖的体积质量比、乙酸对壳聚糖降解
的影响 ,并分析了降解产物的结构 ,得到的结论为浸润
的半固态壳聚糖降解组合。
1 　材料与方法
111 　材料
壳聚糖粉末 (购于浙江金壳生物化学有限公司 ,粘
均分子量为 817 ×105 。脱乙酰度 86146 % ) ,无水乙
酸 ,氯化钠 ,H2O2 ,溴化钾等试剂均为国产分析纯。
仪器设备 :60 Coγ辐照装置 (湖南省农业科学院原
子能农业应用研究所 ,剂量率为 2kGyΠh) ,7621 型恒温
水槽电动搅拌机 (上海标本模型厂) ,WMNK240012D1
温度指示控制仪 (上海霍尔仪器仪表有限公司) ,岛津
BL2220H 电子天平 (日本岛津公司) ,毛细管粘度计 (乌
氏 015～016mm ,中国医药 (集团)上海化学试剂公司) ,
真空冷冻干燥器 FD21A (北京博医康实验仪器有限公
司) ,红外光谱仪 Thermo Nicolet NEXUS670 , 秒表 (精确
到 011s ,上海星钻秒表仪器厂) 。
112 　方法
11211 　壳聚糖的不同降解条件 　为了降低溶剂对辐
照能量的消耗和后处理的成本 ,本文采用辐照和化学
相结合的方法降解壳聚糖 ,主要研究了在酸性和中性
条件下 ,辐照剂量 (10～120kGy) 、H2O2 浓度 (5 %、15 %、
25 %)和 H2O2 溶液与壳聚糖的体积质量比 (2∶1、3∶1、4
∶1、5∶1、7∶1)对降解效果的影响。
11212 　分子量测定与结构表征 　特性粘度测定 :称取
一定量的干燥壳聚糖样品 ,溶于一定体积的 011molΠL
乙酸 - 012 molΠL 氯化钠溶液中 ,25 ℃恒温下用乌氏粘
度计测定并按照公式 (1) 计算出特性粘度[12 ] ,控制测
定时溶液的相对粘度ηr = 111～210[13 ] 。
[η] = [ηsp ] + 3ln[ηr ]4 c (1)
式中 ,ηr 称为相对粘度 ,是溶液流过粘度计的时间和
溶剂流过粘度计时间的比值 ;ηsp (增比粘度) =ηr - 1 ;
c 为溶液浓度 (gΠml)
按照文献[ 14 ]所述的方法 ,根据 Mark2Houwink 方
程[η] = 1181 ×10 - 3 ŠM0193v 计算出粘均分子量。
采用溴化钾压片法测定其红外光谱图 (壳聚糖Π
KBr (WΠW) = 1∶100) 波数在 4000～650cm- 1 ,分辨率
8cm - 1 。
113 　数据处理
采用 SPSS 对 H2O2 浓度、H2O2 溶液Π壳聚糖体积质
量比和辐照剂量对降解效果的影响进行方差分析和各
因素不同水平之间的多重比较。
2 　结果与分析
211 　固态壳聚糖辐照降解
采用60 Coγ射线辐照固态壳聚糖 ,其降解效果如
图 1 所示 ,在辐照剂量为 0～50kGy 之间 ,产物的分子
量下降较快 ,以后下降速率变缓 ,在 120kGy 时可以使
壳聚糖的分子量从 817 ×105 降到 110 ×105 左右 ,表明
γ射线辐照对壳聚糖的降解有一定作用 ,但降解的产
物分子量依然偏高。
图 1 　固态壳聚糖的辐照降解
Fig. 1 　Chitosan degradation treated by irradiation
in solid state
212 　壳聚糖的协同降解
21211 　不同浓度 H2O2 与辐照对壳聚糖降解的影响 　
把 H2O2 溶液Π壳聚糖体积质量比设置为 4∶1 ,研究了不
同浓度 H2O2 和辐照对壳聚糖降解的影响 ,结果见图 2。
比较图 1 和图 2 可以看出 ,加入 H2O2 后壳聚糖的
降解效果要明显好于单一辐照降解 ,即使在不辐照而
只有 H2O2 处理时就有比较好的降解效果。并且在相
同的剂量辐照下 ,随着 H2O2 浓度的增加 , 粘均分子量
下降越快 (图 2) 。用 SPSS 进行方差分析对不同浓度
的 H2O2 和辐照剂量对壳聚糖的降解作用和因素间不
同水平进行多重比较。方差分析结果表明 ,辐照剂量
和 H2O2 浓度对降低壳聚糖分子量的影响均为显著。
通过对因素不同水平之间的比较 ,H2O2 浓度之间差异
也是显著的 ,但是辐照剂量之间的差异经过比较分析
后发现 ,10 和 30kGy ,20 和 50kGy ,40 和 80kGy 差异显
著 , 而 60～120kGy 的剂量之间差异不显著。
21212 　H2O2 溶液Π壳聚糖体积质量比对壳聚糖降解的
影响 　设置辐照剂量为 80kGy (从对固态壳聚糖降解
的图 1 得到辐照剂量 0～50kGy 时分子量下降快 ,60～
120kGy 分子量下降趋缓 ,综合考虑选择 80kGy 作为剂
量的设置) ,研究不同 H2O2 溶液Π壳聚糖体积质量比对
113　3 期 辐照与化学相结合协同降解壳聚糖研究
图 2 　辐照剂量和 H2O2 浓度对降解效果的影响
Fig. 2 　The effects of H2O2 and irradiation on
chitosan degradiation
壳聚糖降解的影响 ,结果见图 3。从图 3 可以看出 ,在
相同的 H2O2 浓度下 ,H2O2 溶液Π壳聚糖体积质量比越
高降解效果越好。
图 3 　H2O2 溶液Π壳聚糖体积质量比和 H2O2 浓度
对降解效果的影响
Fig. 3 　The effects of H2O2 solution solutionΠchitosan
(VΠM) and H2O2 concentration on degradation of chitosan
　　对 H2O2 溶液Π壳聚糖体积质量比和浓度进行方差
分析和因素间不同水平的多重比较 ,结果表明 , H2O2
浓度及 H2O2 溶液Π壳聚糖体积质量比对壳聚糖降解的
影响均为显著 ;H2O2 溶液Π壳聚糖体积质量比4∶1和 5∶
1 之间、5∶1 和 7∶1 之间差异均不显著。
21213 　乙酸、辐照、H2O2 对壳聚糖降解的影响 　设置
H2O2 溶液Π壳聚糖体积质量比为 4 ∶1 , 辐照剂量
110kGy ,乙酸终浓度为 115 % (作者初步单因素试验发
现乙酸浓度为 115 %时效果较好) ,对不同浓度 H2O2
浸润的壳聚糖进行了降解效果的研究 ,结果见表 1。
表 1 　乙酸对降解效果的影响
Table 1 　The effects of acetic acid on chitosan degradation
H2O2 浓度
H2O2
concentration
粘均分子量 viscosity2average molecular weight
乙酸终浓度 115 %(WΠV)
with 115 % acetic acid 不加乙酸without acetic acid
5 % 31894169 44221177
15 % 89991766 22890186
25 % 64111386 13456171
　　从表 1 可知 ,H2O2 浸泡壳聚糖的同时加入一定浓
度的乙酸 ,辐照后的分子量降得更低。当 H2O2 的浓度
在 15 %以上时 ,壳聚糖的分子量可降到 104 以下。
213 　降解产物结构分析
对于采用不同降解方法得到的壳聚糖产物 ,根据
降解的条件以及产物的分子量 , 从中选取有代表性的
图 4 　H2O2 和辐照协同降解壳聚糖产物的红外光谱
Fig. 4 　FT2IR spectra of chitosan products by synergetic degradation of irradiation and H2O2
1 :壳聚糖原样 (分子量 817 ×105) ;2 :5 %H2O2 , H2O2 溶液Π壳聚糖体积质量比 4∶1 ,110kGy (分子量 44221177) ;3 :15 % H2O2 , H2O2 溶液Π壳聚糖体积
质量比 4∶1 ,110kGy (分子量 22890186) ;4 :25 % H2O2 , H2O2Π壳聚糖体积质量比 4∶1 ,110kGy(molecular weight 13456171)
1 :initial chitosan(molecular weight 817 ×105) ; 2 :5 %H2O2 , 4∶1 H2O2 solutionΠchitosan ,110kGy (molecular weight 44221177) ;3 :15 % H2O2 ,4∶1 H2O2 solutionΠ
chitosan ,110kGy (molecular weight 22890186) 4 :25 % H2O2 , 4 :1 H2O2 solutionΠchitosan ,110kGy(molecular weight 13456171)
213 核　农　学　报 22 卷
图 5 　乙酸、H2O2 和辐照协同降解壳聚糖产物的红外光谱
Fig. 5 　FT2IR spectra of chitosan products by synergetic degradation of acetic acid , irradiation and H2O2
1 :5 % H2O2 ,H2O2 溶液Π壳聚糖体积质量比 4 ;1 , 115 %HAc ,110kGy(分子量 31894169) ;2 :15 % H2O2 ,4 :1 H2O2 溶液Π壳聚糖体积质量比 4 ;1 , 115 %
HAc ,110 kGy (分子量 89991766) ;3 :15 % H2O2 ,7∶1 H2O2 溶液Π壳聚糖体积质量比 7 ;1 110kGy (分子量 11554115) ;4 :25 % H2O2 ,H2O2 溶液Π壳聚糖体
积质量比 4 ;1 , 115 %HAc ,110kGy(分子量 64111386)
1 : 5 % H2O2 ,4 :1 H2O2 solutionΠchitosan 115 % HAc 110kGy ( molecular weight 31894169) ; 2 : 15 % H2O2 , 4 : 1 H2O2 solutionΠchitosan 115 % HAc ,110 kGy
(molecular weight 89991766) ;3 :15 % H2O2 ,7∶1 H2O2 solutionΠchitosan , 110kGy (molecular weight 11554115) ;4 :25 % H2O2 4∶1 H2O2 solutionΠchitosan , 115 %
HAc ,110kGy(molecular weight 64111386)
7 个与原样进行红外光谱分析 ,测定其结构是否发生
明显的变化 ,结果如图 4 和图 5 所示。
红外图谱中 3450cm - 1 ,1630cm - 1 ,1080cm - 1分别是
羟基、氨基和 C2O2C 的吸收峰。2930cm - 1是 C2H 的伸
缩振动吸收峰 ,879cm - 1 处是β2吡喃型糖苷键的特征
峰。从图 4 和图 5 中可以看出 ,当 H2O2 浓度提高时 ,
1080cm - 1处的峰值有所增加 ,这是由于 C —O —C 断裂
造成的 ,这与糖苷键断裂引起壳聚糖降解的结果一致。
1630cm - 1处是 —NH2 的吸收峰 ,它在降解过程中变化
不大。1370cm - 1 处是 CH3 的吸收峰 , 1250cm - 1 处是
C —H的吸收峰 ,从图中可以看出 ,随着 H2O2 浓度的
提高 ,二者的峰值都有增加的趋势 ,这是由于开环造成
的 ,但是变化的并不十分明显 ,可见采用辐照降解浸润
的半固态壳聚糖可以减少开环的几率。同时加入终浓
度 115 %HAc 可以有效降低壳聚糖的分子量 ,且降解
后的产物结构没有明显的变化。
3 　讨论
311 　本试验以γ射线辐照固态壳聚糖 ,剂量为 120kGy 时分子量从 817 ×105 降到 110 ×105 左右。在只有H2O2 处理而不经过辐照时 ,也有明显的降解效果 , Yi2hong Lu 等[7 ]研究发现在 2kGy 之前分子量就有一个突降的过程。由于化学反应 ,试验过程中有升温的现象。312 　试验研究了协同降解过程中 H2O2 浓度、H2O2 溶液Π壳聚糖的体积质量比、辐照剂量对壳聚糖降解的效果 ,通过方差分析发现 3 因素影响均为显著 ,而在有乙酸的条件下 ,降解效果更好。采用 15 %的 H2O2 ,加入终浓度为 115 %的乙酸 ,H2O2 溶液Π壳聚糖体积质量比为 4∶1 ,辐照剂量为 110kGy 时可以使壳聚糖的粘均分子量由 817 ×105 降到 104 以下。对协同降解得到的壳聚糖的产物进行了红外光谱分析 ,结果表明其结构没有明显改变。313 　通过该方法制得的低分子量壳聚糖应用于化工、污水处理、航空等领域前景十分广阔 ;而应用于食品、农业、医药等领域时 ,残留于降解产物中的杂质会对人体和环境造成损害。所以用于食品医药的壳聚糖降解宜采用非工业级别的 (如医用级别) H2O2 ,以减少有害杂质污染。对降解产物不同分子量壳聚糖的分离、纯化和应用有待于进一步研究。 (下转第 285 页)
313Journal of Nuclear Agricultural Sciences
2008 ,22 (3) :310～313
分离纤维素酶产生菌多数采用透明圈法[15 ] ,但该
法往往存在假阳性。这可能是同一菌落内不同孢子发
育成的菌株产酶性能有较大差异造成的。本试验采用
微晶纤维素双层培养基和纤维素刚果红培养基进行初
筛 ,经比较发现前者较后者透明圈清晰度更高 ,更易筛
选高产菌株。因此在初筛时选微晶纤维素双层平板培
养基为初筛培养基[16 ] 。
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