β-壳聚糖的制备及几种理化性能的测试
作者：王爱勤 俞贤达
单位：王爱勤 俞贤达(中国科学院兰州化学物理研究所，兰州 730000)
关键词：甲壳素，β-壳聚糖，理化性能
中国海洋药物000207 摘要 从鱿鱼骨中制备了β-壳聚糖，利用红外光谱、X-衍射和热重分析等方法与α-壳聚糖进行了比较研究。β-壳聚糖制备成人工泪液后有较高的粘度，因而更适于医药应用。
THE PREPARATION OF β-CHITOSAN AND ITS CHARACTERISTIC PROPERTIES
Wang Aiqin，Yu Xianda
(Lanzhou Institute of Chemical physics, Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000)
, http://www.100md.com
ABSTRACT β-chitin was isolated from squid pens.Squid chitosan was prepared.Their chemical and physical properties were elucidated in comparison with those of shrimp chitin at the same condition.The structural characteristics of the squid chitosan were discussed on the basis of the IR,X-ray and thermogravimetric analysis data.The squid chitosan showed much higher viscosity than shrimp chitosan.The artifical lachrymal eye drops was prepared and the squid chitosan are considered to be useful medical materials.
, 百拇医药
KEY WORDS Chitin，β-chitosan，Physical chemical property
壳聚糖是甲壳素脱乙酰基的产物，由于良好的成膜性、生物相容性和对重金属的螯合等独特性能，已在废水处理、生物工程和医用材料等诸多方面得到了应用[1]。但是以不同来源的原料制备的甲壳素和壳聚糖有其不同的性能，这是因为它有不同的结构和结晶性[2]，从虾、蟹壳中制备的甲壳素和壳聚糖，分子主链之间以反平行方式排列，因而具有很强的分子间氢键，称之为α-结构[3]，目前已得到了广泛深入地研究。而一种存在于乌贼骨和鱿鱼中，分子链之间以平行式排列，分子间作用力相对较弱的β-结构的甲壳素和壳聚糖，还没有得到人们的普遍关注。有关β-甲壳素以及由它制备的壳聚糖的方法已有报道[4]，但有关β-壳聚糖的理化性能测试和光谱特征及热稳定性还未见报道。本文从鱿鱼骨中制备了壳聚糖，测试了分子量等理化性能，并用红外、X-衍射和热分析与虾壳聚糖进行了比较研究，同时以此为原料制备了人工泪液。
, 百拇医药
1 材料与方法
1.1 仪器与试剂
Nicolet 10DX FT-IR光谱仪(美国，KBr压片)；D/max-RB型X-衍射仪(日本)；Pekin Elmer TGA-7型热重分析仪(美国)。虾甲壳素：浙江玉环县化工厂产品；实验中所用其它试剂皆为分析纯。
1.2 β-壳聚糖的制备
按照文献[4]的方法从鱿鱼中分离出β-甲壳素，然后在N2保护下用40%氢氯化钠于80℃反应用3h，用蒸留水洗至中性后，再用乙醇、丙酮洗涤后干燥，即得白色β-壳聚糖。虾壳壳聚糖按照文献[5]的方法制备。
1.3 理化性能测试
脱乙酰度采用改进的红外光谱法测定[6]。分子量按照文献[7]的方法测定。
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1.4 人工泪液的制备
按照文献[8]的方法制备。
2 结果与讨论
脱乙酰度和分子量是壳聚糖的两个主要性能指标。为避免反应过程中分子的降解，本文选择了低温反应条件。在非均相反应条件下，当采用40%的NaOH溶液在80℃反应水时，β-甲壳素的脱乙酸度可达80%。而α-甲壳素在80℃反应条件下要达到80%以上的脱乙酰度，必须间歇反应24h[5]，这说明α-甲壳素分子间有非常强的作用。经测定β-壳聚糖的分子量为3.6×106，而在低温反应条件下制备的具有82%脱乙酰度的虾壳壳聚糖的分子量却为7.6×105。显然，β-壳聚糖具有非常高的分子量，这可能是它显示独特性能的重要原因[4]。
图1为从虾和鱿鱼中分离得到的甲壳素及壳聚糖的红外光谱。虾壳甲壳素的酰胺Ⅰ带1660cm-1附近显示了一个附加带1633cm-1，而从鱿鱼中分离得到的甲壳素只显示Ⅰ带，这说明从鱿鱼中分离得到的确为β-甲壳素[4]。虾壳壳聚糖和鱿鱼壳聚糖的红外光谱基本相似，只是峰位置略有位移。酰胺Ⅰ带和-NH2在虾壳壳聚糖中分别位于1657cm-1和1599cm-1处，而在鱿鱼壳聚糖中分别位于1651cm-1和1583-1处。另外，位于3400cm-1处的γOH和γNH振动峰在鱿鱼壳聚糖中变尖，表征仲-OH吸收峰的1086cm-1在鱿鱼壳聚糖中位于1093cm-1处。以上红外光谱的微观不同，可能与分子的反平行和平行排列方式有关。
, 百拇医药
图1 α和β-甲壳素、壳聚糖的红外光谱
a.是虾甲壳素b.鱿鱼甲壳素c.虾壳聚糖d.鱿鱼壳聚糖
图2为从虾和鱿鱼中分离得到的甲壳素和壳聚糖的X-衍射曲线。由图可见，虾甲壳素显示了非常强的结晶性，而鱿鱼甲壳素有更多的非晶结构，这正是β-甲壳素在相同反应条件下有高脱乙酰度的主要原因。在相近的脱乙酰度下，α-壳聚糖仍表现出了强的结晶性，而鱿鱼甲壳素有更多的非晶结构，这正是β-甲壳素在相同反应条件下有高脱乙酰度的主要原因。在相近的脱乙酰度下，α-壳聚糖仍表现出了强的结晶性；而β-壳聚糖中，10°左右的衍射峰几乎消失，这也说明β-壳聚糖分子中的作用力比α-壳聚糖弱。
图2 α和β-甲壳素、壳聚糖的X-衍射图
a.虾甲壳素b.鱿鱼甲壳素c.虾壳聚糖d.鱿鱼壳聚糖
, 百拇医药
α和β-甲壳素和壳聚糖的热稳定性也有很大差别。由图3可见，α-甲壳素失去结晶水温度为77℃，而β-甲壳素失结晶水温度为95℃，最大失重温度都为313℃，但第三失重段却有显著差别，α-甲壳素最终分解温度为600℃左右，而β-甲壳素却为720℃。脱除乙酰基后，α-壳聚糖的失水温度为89℃，β-壳聚糖的失水温度为78℃，主链断袭的最大分解温度都是292℃，但最终分解温度α-结构为688℃，β-结构却提前为650℃，α和β-结构的甲壳素和壳聚糖的分解行为不同，也说明分子的构象不同。
将α和β-壳聚糖制备成人工泪液后，β-壳聚糖表现出了非常高的粘度，其临床观察正在进行之中，将另文报道。
图3 α和β-甲壳素、壳聚糖的热重曲线
a.虾甲壳素b.鱿鱼甲壳素c.虾壳聚糖d.鱿鱼壳聚糖
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综观以上分析，α和β-结构的甲壳素和壳聚糖在红外光谱、X-衍射和热稳定及其理化性能等方面有较显著的差别。β-甲壳素有非常高的吸湿保湿性能[4]，也易进行化学改性[2]，因而它在医药方面的应用，将具有相当大的潜力。
参考文献
[1]蒋挺大.甲壳素.中国环境科学出版社，北京，1996
[2]Kurita K,Tomita K,Ishll S.β-chitin as a convenient starting material for acetolysis for efficient preparation of Nacetylchitooligosaccharides.J Polym Sci,Part A:Polym Chem,1993，31:2393
[3]Minke M and Blackwell J .The structure of α-chitin J Mol Biol,1978，120:167
, 百拇医药
[4]Kurita K,Tomita K,Tada T. Squid chitin as a potential alternative chitin source.J Polym Sci Part A:Polym Chem,1993，31:485
[5]王爱勤，李洪启，俞贤达.不同来源甲壳素和壳聚糖的吸湿性和保湿性，日用化学工业，1998；
[6]Sabnis S,Block L H. Improved infrared spectroscopic method for the analysis of degree of N-deacetylation of chitosan,Polym Bull.1997，39:67
[7]Roberts G A F and Domszy J G,Evaluation of the viscometric constants for chitosan,Macromol Chem.1988，189:195
[8]王爱勤，李平，李琼，等.甲壳质的改性及其在人工泪液中的应用，中国海洋药物杂志，1997，16(1)：14
收稿时间：1999-12-10, http://www.100md.com
单位：王爱勤 俞贤达(中国科学院兰州化学物理研究所，兰州 730000)
关键词：甲壳素，β-壳聚糖，理化性能
中国海洋药物000207 摘要 从鱿鱼骨中制备了β-壳聚糖，利用红外光谱、X-衍射和热重分析等方法与α-壳聚糖进行了比较研究。β-壳聚糖制备成人工泪液后有较高的粘度，因而更适于医药应用。
THE PREPARATION OF β-CHITOSAN AND ITS CHARACTERISTIC PROPERTIES
Wang Aiqin，Yu Xianda
(Lanzhou Institute of Chemical physics, Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000)
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ABSTRACT β-chitin was isolated from squid pens.Squid chitosan was prepared.Their chemical and physical properties were elucidated in comparison with those of shrimp chitin at the same condition.The structural characteristics of the squid chitosan were discussed on the basis of the IR,X-ray and thermogravimetric analysis data.The squid chitosan showed much higher viscosity than shrimp chitosan.The artifical lachrymal eye drops was prepared and the squid chitosan are considered to be useful medical materials.
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KEY WORDS Chitin，β-chitosan，Physical chemical property
壳聚糖是甲壳素脱乙酰基的产物，由于良好的成膜性、生物相容性和对重金属的螯合等独特性能，已在废水处理、生物工程和医用材料等诸多方面得到了应用[1]。但是以不同来源的原料制备的甲壳素和壳聚糖有其不同的性能，这是因为它有不同的结构和结晶性[2]，从虾、蟹壳中制备的甲壳素和壳聚糖，分子主链之间以反平行方式排列，因而具有很强的分子间氢键，称之为α-结构[3]，目前已得到了广泛深入地研究。而一种存在于乌贼骨和鱿鱼中，分子链之间以平行式排列，分子间作用力相对较弱的β-结构的甲壳素和壳聚糖，还没有得到人们的普遍关注。有关β-甲壳素以及由它制备的壳聚糖的方法已有报道[4]，但有关β-壳聚糖的理化性能测试和光谱特征及热稳定性还未见报道。本文从鱿鱼骨中制备了壳聚糖，测试了分子量等理化性能，并用红外、X-衍射和热分析与虾壳聚糖进行了比较研究，同时以此为原料制备了人工泪液。
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1 材料与方法
1.1 仪器与试剂
Nicolet 10DX FT-IR光谱仪(美国，KBr压片)；D/max-RB型X-衍射仪(日本)；Pekin Elmer TGA-7型热重分析仪(美国)。虾甲壳素：浙江玉环县化工厂产品；实验中所用其它试剂皆为分析纯。
1.2 β-壳聚糖的制备
按照文献[4]的方法从鱿鱼中分离出β-甲壳素，然后在N2保护下用40%氢氯化钠于80℃反应用3h，用蒸留水洗至中性后，再用乙醇、丙酮洗涤后干燥，即得白色β-壳聚糖。虾壳壳聚糖按照文献[5]的方法制备。
1.3 理化性能测试
脱乙酰度采用改进的红外光谱法测定[6]。分子量按照文献[7]的方法测定。
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1.4 人工泪液的制备
按照文献[8]的方法制备。
2 结果与讨论
脱乙酰度和分子量是壳聚糖的两个主要性能指标。为避免反应过程中分子的降解，本文选择了低温反应条件。在非均相反应条件下，当采用40%的NaOH溶液在80℃反应水时，β-甲壳素的脱乙酸度可达80%。而α-甲壳素在80℃反应条件下要达到80%以上的脱乙酰度，必须间歇反应24h[5]，这说明α-甲壳素分子间有非常强的作用。经测定β-壳聚糖的分子量为3.6×106，而在低温反应条件下制备的具有82%脱乙酰度的虾壳壳聚糖的分子量却为7.6×105。显然，β-壳聚糖具有非常高的分子量，这可能是它显示独特性能的重要原因[4]。
图1为从虾和鱿鱼中分离得到的甲壳素及壳聚糖的红外光谱。虾壳甲壳素的酰胺Ⅰ带1660cm-1附近显示了一个附加带1633cm-1，而从鱿鱼中分离得到的甲壳素只显示Ⅰ带，这说明从鱿鱼中分离得到的确为β-甲壳素[4]。虾壳壳聚糖和鱿鱼壳聚糖的红外光谱基本相似，只是峰位置略有位移。酰胺Ⅰ带和-NH2在虾壳壳聚糖中分别位于1657cm-1和1599cm-1处，而在鱿鱼壳聚糖中分别位于1651cm-1和1583-1处。另外，位于3400cm-1处的γOH和γNH振动峰在鱿鱼壳聚糖中变尖，表征仲-OH吸收峰的1086cm-1在鱿鱼壳聚糖中位于1093cm-1处。以上红外光谱的微观不同，可能与分子的反平行和平行排列方式有关。
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图1 α和β-甲壳素、壳聚糖的红外光谱
a.是虾甲壳素b.鱿鱼甲壳素c.虾壳聚糖d.鱿鱼壳聚糖
图2为从虾和鱿鱼中分离得到的甲壳素和壳聚糖的X-衍射曲线。由图可见，虾甲壳素显示了非常强的结晶性，而鱿鱼甲壳素有更多的非晶结构，这正是β-甲壳素在相同反应条件下有高脱乙酰度的主要原因。在相近的脱乙酰度下，α-壳聚糖仍表现出了强的结晶性，而鱿鱼甲壳素有更多的非晶结构，这正是β-甲壳素在相同反应条件下有高脱乙酰度的主要原因。在相近的脱乙酰度下，α-壳聚糖仍表现出了强的结晶性；而β-壳聚糖中，10°左右的衍射峰几乎消失，这也说明β-壳聚糖分子中的作用力比α-壳聚糖弱。
图2 α和β-甲壳素、壳聚糖的X-衍射图
a.虾甲壳素b.鱿鱼甲壳素c.虾壳聚糖d.鱿鱼壳聚糖
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α和β-甲壳素和壳聚糖的热稳定性也有很大差别。由图3可见，α-甲壳素失去结晶水温度为77℃，而β-甲壳素失结晶水温度为95℃，最大失重温度都为313℃，但第三失重段却有显著差别，α-甲壳素最终分解温度为600℃左右，而β-甲壳素却为720℃。脱除乙酰基后，α-壳聚糖的失水温度为89℃，β-壳聚糖的失水温度为78℃，主链断袭的最大分解温度都是292℃，但最终分解温度α-结构为688℃，β-结构却提前为650℃，α和β-结构的甲壳素和壳聚糖的分解行为不同，也说明分子的构象不同。
将α和β-壳聚糖制备成人工泪液后，β-壳聚糖表现出了非常高的粘度，其临床观察正在进行之中，将另文报道。
图3 α和β-甲壳素、壳聚糖的热重曲线
a.虾甲壳素b.鱿鱼甲壳素c.虾壳聚糖d.鱿鱼壳聚糖
, 百拇医药
综观以上分析，α和β-结构的甲壳素和壳聚糖在红外光谱、X-衍射和热稳定及其理化性能等方面有较显著的差别。β-甲壳素有非常高的吸湿保湿性能[4]，也易进行化学改性[2]，因而它在医药方面的应用，将具有相当大的潜力。
参考文献
[1]蒋挺大.甲壳素.中国环境科学出版社，北京，1996
[2]Kurita K,Tomita K,Ishll S.β-chitin as a convenient starting material for acetolysis for efficient preparation of Nacetylchitooligosaccharides.J Polym Sci,Part A:Polym Chem,1993，31:2393
[3]Minke M and Blackwell J .The structure of α-chitin J Mol Biol,1978，120:167
, 百拇医药
[4]Kurita K,Tomita K,Tada T. Squid chitin as a potential alternative chitin source.J Polym Sci Part A:Polym Chem,1993，31:485
[5]王爱勤，李洪启，俞贤达.不同来源甲壳素和壳聚糖的吸湿性和保湿性，日用化学工业，1998；
[6]Sabnis S,Block L H. Improved infrared spectroscopic method for the analysis of degree of N-deacetylation of chitosan,Polym Bull.1997，39:67
[7]Roberts G A F and Domszy J G,Evaluation of the viscometric constants for chitosan,Macromol Chem.1988，189:195
[8]王爱勤，李平，李琼，等.甲壳质的改性及其在人工泪液中的应用，中国海洋药物杂志，1997，16(1)：14
收稿时间：1999-12-10, http://www.100md.com