劉廷國(guó),李 斌,宋 雪,陸志敏,王瑞俠,汪 新
(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,湖北武漢430070;2.池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系,安徽池州247100)
凍融循環(huán)對(duì)甲殼素溶解性的影響
劉廷國(guó)1,2,李 斌1,*,宋 雪1,陸志敏2,王瑞俠2,汪 新2
(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,湖北武漢430070;2.池州學(xué)院化學(xué)與食品科學(xué)系,安徽池州247100)
甲殼素具有許多獨(dú)特的性質(zhì),但不能溶于常規(guī)溶劑,極大地限制了其廣泛應(yīng)用,提高其溶解性成為迫切需要解決的問(wèn)題。對(duì)甲殼素和濃NaOH混合物進(jìn)行反復(fù)凍融處理,慢速冷凍/低溫解凍的凍融循環(huán)處理過(guò)程中冰晶的反復(fù)形成和重結(jié)晶作用,能夠破壞甲殼素凝聚態(tài)特別是晶態(tài)結(jié)構(gòu),促使甲殼素溶于一定濃度的NaOH溶液中。探討了凍融次數(shù)、冷凍溫度、NaOH濃度和甲殼素與溶劑的比例分別對(duì)溶解性的影響。結(jié)果表明,-18℃、40%NaOH(甲殼素∶水=1∶4,W/V)經(jīng)過(guò)3次凍融循環(huán)處理,可以形成均一、透明的甲殼素均相溶液,甲殼素終濃度約為4%,NaOH終濃度約為10%,為用均相脫乙酰法制備半脫乙酰水溶性甲殼素提供前提。結(jié)果表明,凍融循環(huán)處理能顯著降低甲殼素分子內(nèi)和分子間強(qiáng)氫鍵相互作用,破壞甲殼素分子致密的晶體結(jié)構(gòu),使分子結(jié)構(gòu)紊亂,從而為制備水溶性甲殼素提供了可能。
甲殼素,循環(huán)凍融,氫鍵,晶體結(jié)構(gòu)
Abstract:Due to the special chemical structure,chitin had many unique properties.However,it was insoluble in water,diluted acid,alkaline solution and common organic solvents.This was the major problem that confronted the application of chitin,hence it was an urgent need to resolve how to improve the poor solubility of chitin.This paper explored the effects of freezing-thawing cyclic(FTC)treatment on the solubility in alkaline solution and condensed state structure of chitin.The mixture of chitin and concentrated NaOH solutions was freezed and thawed,repeatedly.With slowly freezing and low temperature thawing cycle process that could destruct the condensed matter especially the crystalline state structure more thoroughly,because of the ice crystals’repeatedly formed and recrystallizated.Therefore,chitin could dissolve in a certain concentration diluted NaOH after some times of FTC treatment.Effects of FTC times,freezing temperature,NaOH concentration and the ratio of chitin and water on the solubility of chitin were investigated.The results showed that via three times of FTC treatment at-18℃ with NaOH concentration of 40%(the ratio of chitin and water was 1∶4,W/V),chitin could be completely dissolved in NaOH aqueous solution and formed a limpidity homogeneous solution with a chitin concentration about 4%(W/W)and a final NaOH concentration of approximately 10%(W/W),which was possible to prepare partial N-deacetylated water-soluble-chitin.The results indicated that the formation and growth of ice crystal in the slowly freezing process could break the intra-and/or inter-molecular hydrogen bonds interaction,and destruct the compact crystal structure and decline the crystallinity of chitin,it could also disorder the ordered molecular structure,which might be used to prepare water-soluble-chitin.
Key words:chitin;freezing-thawing cyclic treatment;hydrogen bonds;crystalline structure
甲殼素是迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一大量存在的天然堿性多糖,也是除蛋白質(zhì)外數(shù)量最大的天然含氮有機(jī)化合物,廣泛存在于蝦、蟹、昆蟲(chóng)的甲殼,軟體動(dòng)物的殼和外骨骼以及某些真菌的細(xì)胞壁中,每年自然界生物合成量將近100億t,是僅次于纖維素的天然可再生資源[1-2]。由性質(zhì)活潑的伯胺基取代了化學(xué)惰性的乙酰氨基,這賦予殼聚糖許多獨(dú)一無(wú)二的性質(zhì):良好的生物相容性、廣譜抗菌性、生物可降解性、重金屬離子螯合性、成膜性和成纖維性等[3-4]。使甲殼素、殼聚糖及其衍生物在生物醫(yī)用材料、廢水處理、紡織印染、食品、化妝品和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域均有很高的應(yīng)用價(jià)值[5-6]。殼聚糖存在大量親水基團(tuán),很容易吸附水分子,對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和性能影響很大[7],限制了其在材料領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。而分子內(nèi)、分子間強(qiáng)氫鍵相互作用的存在,致使甲殼素不溶于水、稀酸、稀堿、濃堿和一般有機(jī)溶劑,濃硫酸、鹽酸、磷酸和無(wú)水甲酸可使其溶解,但同時(shí)嚴(yán)重降解其分子鏈[8]。因此,提高甲殼素溶解性,尋找對(duì)其結(jié)構(gòu)影響小,溶液性質(zhì)穩(wěn)定的良溶劑成為近年科學(xué)家廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)之一[9-10]。在反復(fù)凍融過(guò)程中,冰晶的存在和生長(zhǎng),會(huì)不同程度地對(duì)碳水化合物高聚物微觀結(jié)構(gòu)造成機(jī)械損傷[11-12]。對(duì)堿甲殼素進(jìn)行凍融循環(huán)(freezingthawing cyclic,F(xiàn)TC)處理,制備出一種高濃度甲殼素均相溶液。通過(guò)研究?jī)鋈趨?shù)對(duì)溶解性的影響,為探索廉價(jià)、方便的甲殼素良溶劑提供一種新思路,為FTC法在碳水化合物加工中的廣泛應(yīng)用積累理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),也為甲殼素在更大范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
甲殼素 食品級(jí),脫乙酰度21.11%,過(guò)80目篩,浙江金殼生物化學(xué)有限公司;實(shí)驗(yàn)用水 均為雙蒸水;化學(xué)試劑 均為分析純。
冰柜 BC/BD-190S,控溫范圍4~-37℃,上下波動(dòng)0.5℃,青島海爾特種電冰柜有限公司;數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計(jì) NDJ-8S,上海精密科學(xué)儀器有限公司;數(shù)顯恒溫水浴鍋 HH-4,國(guó)華電器有限公司;真空干燥箱 DZF-6050,上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;冷凍離心機(jī) BC-010TY2265,美國(guó)Beckman公司;分析天平 AC2105,德國(guó)Sartorius公司。
1.2.1 堿甲殼素凍融循環(huán)處理 甲殼素粉末與40%濃度NaOH溶液(甲殼素∶水=1∶4,W/V)充分混勻,密封后室溫放置8h,使甲殼素顆粒充分浸潤(rùn),-18℃分別冷凍處理1~6d,每個(gè)樣品做三個(gè)平行。每天將樣品從-18℃冰箱取出,40℃恒溫水浴解凍,樣品中心溫度升至40℃時(shí)取出重新冷凍。處理結(jié)束的樣品用蒸餾水稀釋至甲殼素終濃度為4%。樣品溶液于4℃、10000r/min離心20min,收集上清液。不溶物依次用10%NaOH溶液、1mol/L稀鹽酸溶液、蒸餾水、70%(V/V)乙醇、95%乙醇洗滌,直至用0.1mol/L AgNO3檢測(cè)不含Cl-,60℃真空干燥后準(zhǔn)確稱(chēng)重,甲殼素溶解性(Solubility,S,%)按下式計(jì)算:
式中:W0為原始甲殼素質(zhì)量,g;W1為不溶的甲殼素質(zhì)量,g。
分別考察堿濃度、冷凍溫度以及原料與溶劑之比對(duì)甲殼素-堿混合物經(jīng)過(guò)3次凍融循環(huán)后溶解性的影響。
1.2.2 堿甲殼素溶液穩(wěn)定性 甲殼素與40%濃度NaOH混合物經(jīng)過(guò)2次FTC處理,用水稀釋甲殼素終濃度為4%,NaOH終濃度約為10%,樣品溶液于4℃、10000r/min離心20min,收集上清液。恒溫放置,每隔一定時(shí)間,取一定量上清液傾入專(zhuān)用測(cè)量杯中,用NDJ-8S數(shù)顯粘度計(jì)(4號(hào)轉(zhuǎn)子,12r/min)測(cè)量樣品溶液表觀粘度,每次測(cè)三個(gè)平行取平均值。
由于甲殼素的分子結(jié)構(gòu)高度有序,不溶于酸、堿和一般有機(jī)溶劑,限制了其在醫(yī)藥衛(wèi)生、生物工程等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,因此,提高甲殼素的溶解性是科學(xué)家普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。目前研究較多的是強(qiáng)氫鍵開(kāi)裂劑,如鹵代醇、鹵代醇/酸、酰胺/氯化鋰以及尿素/強(qiáng)堿溶液等[1]。
甲殼素N-乙酰葡萄糖殘基上的活性羥基,雖比小分子醇羥基的反應(yīng)活性小得多,但仍然能夠與強(qiáng)堿溶液發(fā)生取代反應(yīng),生成堿甲殼素。1940年Thor等人將甲殼素分散到20倍體積的43%NaOH溶液中,最早制備了鈉甲殼素[1]。1975年Sannan等人報(bào)道,將3g甲殼素與75g強(qiáng)堿溶液(含NaOH 30g)混合并真空脫氣,添加225g碎冰在低于0℃的低溫條件下強(qiáng)烈攪拌可以制備甲殼素濃度約為1%,NaOH濃度約為10%的甲殼素均相溶液[13]。Einbu等人用同樣的方法制備了甲殼素終濃度為0.225%,NaOH濃度為10%的甲殼素溶液,并研究了其溶液性質(zhì),證明強(qiáng)堿溶液是甲殼素的優(yōu)良溶劑[14]。Hu等人首次報(bào)道8%NaOH/4%尿素溶液也可以作為甲殼素的優(yōu)良溶劑,不但可以得到穩(wěn)定的溶液,而且對(duì)甲殼素的固體結(jié)構(gòu)影響極?。?5]。然而,此前的研究只能制備甲殼素的稀溶液,不利于采用均相脫乙酰法批量制備水溶性甲殼素;而且后續(xù)處理繁瑣、冗長(zhǎng),需要消耗大量有機(jī)試劑,不但浪費(fèi)而且容易造成二次污染。
圖1 凍融次數(shù)對(duì)甲殼素在堿溶液中溶解性的影響
2.1.1 凍融次數(shù)對(duì)甲殼素溶解性的影響 圖1給出了經(jīng)過(guò)循環(huán)凍融處理的甲殼素在堿溶液中的溶解性變化情況。溶解性總體趨勢(shì)上隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。在最初3d溶解性隨處理時(shí)間延長(zhǎng)迅速增加,第3d甲殼素在堿溶液中的溶解性已經(jīng)超過(guò)95%,此后繼續(xù)處理溶解性幾乎不變。這說(shuō)明在凍融處理后期,NaOH向甲殼素顆粒內(nèi)部滲透阻力增大,對(duì)分子結(jié)構(gòu)的破壞作用減小,溶解性變化不明顯,從經(jīng)濟(jì)學(xué)與周期性角度考慮凍融3d是較佳選擇。經(jīng)過(guò)3d處理即能得到均一、透明的甲殼素溶液,甲殼素終濃度約為4%,NaOH終濃度為10%。與文獻(xiàn)[13]報(bào)道相比,甲殼素濃度提高了4倍,制備相同濃度的堿甲殼素溶液NaOH用量降低到原來(lái)的1/4,極大降低了堿的用量,而且克服了文獻(xiàn)報(bào)道方法由于甲殼素溶液濃度低[13-14],溶劑體系復(fù)雜[15],導(dǎo)致后處理冗長(zhǎng)、繁瑣、需消耗大量有機(jī)溶劑的缺點(diǎn),可以部分緩解環(huán)境污染。
2.1.2 NaOH濃度對(duì)甲殼素溶解性的影響 在NaOH溶液作用下,甲殼素分子一方面脫去乙?;?,轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿又泻被臍ぞ厶?另一方面,C6位-OH與NaOH發(fā)生成鹽反應(yīng),形成鈉甲殼素,從而可以溶于氫氧化鈉溶液。圖2描述了不同NaOH濃度對(duì)甲殼素溶解性的影響。由圖中數(shù)據(jù)可知,甲殼素在10%、20%NaOH作用下幾乎未溶解;而NaOH濃度在20%和30%之間時(shí),溶解度隨著NaOH濃度的升高而迅速增大;當(dāng)NaOH的濃度大于40%時(shí),溶解度又隨之減小。這可能是因?yàn)?當(dāng)NaOH含量太低時(shí),OH-的含量不能滿足甲殼素脫乙酰胺基的含量要求;而且滲透性不強(qiáng),不足以破壞甲殼素致密的晶體結(jié)構(gòu),因此難于溶解。NaOH濃度超過(guò)30%后,已經(jīng)可以滿足脫乙酰反應(yīng)對(duì)NaOH濃度的需要,另外也有較強(qiáng)滲透性,可以大幅度破壞甲殼素晶體結(jié)構(gòu),提高溶解性,但是再增加NaOH濃度并不能提高樣品溶解性,前期研究工作已經(jīng)表明純粹通過(guò)提高堿濃度來(lái)加速脫乙酰反應(yīng)進(jìn)程并不現(xiàn)實(shí)[16],出于經(jīng)濟(jì)實(shí)用角度考慮,在凍融循環(huán)條件下,30%~40%NaOH是最佳的工業(yè)選擇。
圖2 NaOH濃度對(duì)甲殼素在堿溶液中溶解性的影響
2.1.3 冷凍溫度對(duì)甲殼素溶解性的影響 冷凍溫度對(duì)甲殼素溶解性也有著極顯著影響。如圖3所示,-18℃和-25℃時(shí)溶解性最高,超過(guò)90%,隨著溫度升高或降低,溶解性變化不明顯,維持在60%~70%,這主要與凍融引起甲殼素溶解的機(jī)理有關(guān)。在反復(fù)冷凍和低溫融化的過(guò)程中,水分子和NaOH分子在冰晶反復(fù)形成和生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械力作用下突破甲殼素顆粒致密的結(jié)構(gòu)限制,進(jìn)入甲殼素顆粒內(nèi)部,在慢速凍結(jié)過(guò)程中(-18℃和-25℃),冰晶的形成和生長(zhǎng)均較緩慢,形成的冰晶較大,產(chǎn)生的破壞力較強(qiáng),能夠較多破壞分子間和分子內(nèi)氫鍵,促進(jìn)甲殼素溶解。但是,當(dāng)處理溫度低于-30℃,凍結(jié)和擴(kuò)散的過(guò)程短暫,形成的冰晶比較細(xì)膩,產(chǎn)生的破壞力不夠大,因此不能大幅度提高溶解性。在-18℃以上的溫度處理,由于濃NaOH溶液尚未凍結(jié),未有足夠的冰晶用來(lái)破壞氫鍵,且其擴(kuò)散性亦不強(qiáng),因此也不能顯著提高甲殼素溶解性。
2.1.4 料液比對(duì)甲殼素溶解性的影響 由圖4可知,甲殼素與溶劑的比例低于1∶4時(shí)(如1∶3),溶解性較低,1∶4 時(shí),溶解性最好,大于1∶4 時(shí),隨著 NaOH 用量的增加并不能顯著提高樣品溶解性。非常有趣的是,料液比1∶10時(shí),樣品的溶解性較差,幾乎未溶解,但離心后的沉淀用10%堿液洗滌時(shí)又有大量殘?jiān)苡贜aOH溶液中??赡茉蚴荖a+和OH-均能產(chǎn)生較強(qiáng)的凈結(jié)構(gòu)形成效應(yīng),當(dāng)NaOH絕對(duì)過(guò)量時(shí),由凍融作用形成的強(qiáng)制滲透作用不足以抵消凈結(jié)構(gòu)形成效應(yīng)帶來(lái)的滲透阻力。由此可知,凍融循環(huán)條件下,料液比1∶4時(shí)甲殼素溶解性最好,料液比過(guò)低,溶液不能充分地滲入甲殼素顆粒內(nèi)部,接觸不均勻,即使在反復(fù)凍融的情況下亦不能充分破壞甲殼素晶體結(jié)構(gòu),溶解度自然不高;料液比過(guò)高,凈結(jié)構(gòu)形成效應(yīng)使大量多余的水聚集在粉末顆粒外表面,使反復(fù)凍融過(guò)程中形成的機(jī)械力破壞作用僅僅發(fā)生在甲殼素顆粒的表層或淺表層,難于最大限度地提高溶解性。
圖3 冷凍溫度對(duì)甲殼素在堿溶液中溶解性的影響
圖4 料液比對(duì)甲殼素在堿溶液中溶解性的影響
2.1.5 甲殼素溶解機(jī)理探討 圖5嘗試圖示了甲殼素分子在濃堿液中于凍融循環(huán)處理過(guò)程中的溶解過(guò)程。首先,甲殼素在室溫條件下在濃堿溶液中充分吸附膨潤(rùn),此時(shí)由于甲殼素結(jié)構(gòu)的致密性,大量的NaOH和水分子很難滲透進(jìn)甲殼素分子內(nèi)部,只能吸附在其表層或淺表層(a);在冷凍條件下,隨溫度降低,水分子逐漸凍結(jié),由于冷凍濃縮效應(yīng),使NaOH的滲透性加大,部分水分子和NaOH分子進(jìn)入甲殼素顆粒內(nèi)部,并且脫乙酰過(guò)程緩慢進(jìn)行(b);隨著溫度的繼續(xù)下降,低溫效應(yīng)取代濃縮效應(yīng),NaOH和水分子的滲透作用停止,但已經(jīng)滲透進(jìn)去的水分子和NaOH分子開(kāi)始形成冰晶并緩慢長(zhǎng)大,在冰晶機(jī)械力的作用下部分分子間氫鍵被打破(c);樣品經(jīng)緩慢解凍,并重新凍結(jié),在冰晶的不斷作用下,越來(lái)越多的氫鍵被破壞,導(dǎo)致甲殼素分子最終能夠溶于堿溶液中(d)。
甲殼素溶解于NaOH溶液后即形成一種高聚物溶液,具有一定的粘度,在存放過(guò)程中粘度的變化,可以作為衡量甲殼素溶液穩(wěn)定性的一個(gè)指標(biāo)。高聚物已有研究表明,相同條件下,相對(duì)分子質(zhì)量越大,表觀粘度越大,這是因?yàn)樵诖罅砍霈F(xiàn)鏈纏結(jié)的臨界分子量以上,分子鏈愈長(zhǎng),分子間的纏結(jié)點(diǎn)愈多,表觀粘度就愈大,可以通過(guò)溶液粘度的變化近似反映分子量大小的變化[17]。圖6描述了甲殼素均相溶液在放置過(guò)程中表觀粘度的變化情況。
圖5 凍融循環(huán)處理甲殼素在堿溶液中的溶解示意圖
圖6 靜置時(shí)間對(duì)甲殼素溶液表觀粘度的影響
從圖6中可以看出,甲殼素堿溶液的粘度在放置初期(84h左右)隨時(shí)間的推移不斷下降,起初下降速率較快,36h時(shí)表觀粘度下降約1/2,之后逐漸變慢,幾乎不變;84h后粘度驟然上升,96h左右?guī)缀醭誓z狀。β糖苷鍵對(duì)酸不穩(wěn)定,對(duì)堿穩(wěn)定,但在高濃度堿長(zhǎng)時(shí)間作用下仍會(huì)不同程度地發(fā)生水解反應(yīng)。反應(yīng)起始階段,甲殼素在NaOH的作用下迅速脫乙酰并發(fā)生糖苷鍵水解反應(yīng),致使分子量迅速下降,分子內(nèi)與分子間氫鍵被破壞,結(jié)構(gòu)變得松散,粘度不斷下降;繼續(xù)放置,脫乙酰反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行,然而,隨脫乙酰度(DDA)的增加,分子中氨基含量逐漸增加,分子堿性逐漸增加,分子間和分子內(nèi)重新形成氫鍵網(wǎng)絡(luò),分子開(kāi)始趨向于凝膠,這與殼聚糖稀酸溶液遇堿發(fā)生絮凝的現(xiàn)象極其相似。散亂無(wú)序的甲殼素分子在氫鍵作用下逐漸聚集并開(kāi)始交聯(lián)形成凝膠網(wǎng)絡(luò),粘度降低得越來(lái)越慢;當(dāng)形成凝膠的趨勢(shì)大于降解程度時(shí),甲殼素分子迅速凝聚,粘度突然升高,直到最后形成半固體狀凝膠。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室前期研究結(jié)果,甲殼素溶液靜置反應(yīng)48~72h即可獲得水溶性較好的半脫乙酰水溶性殼聚糖,也就是當(dāng)甲殼素溶液粘度降低至原溶液粘度的1/2左右時(shí),終止反應(yīng)即可獲得水溶性產(chǎn)物,這為大規(guī)模生產(chǎn)水溶性殼聚糖時(shí)快速判斷反應(yīng)終點(diǎn)提供依據(jù)。
凍融循環(huán)處理能夠顯著破壞甲殼素分子內(nèi)、分子間強(qiáng)氫鍵相互作用,破壞甲殼素高度規(guī)整的分子結(jié)構(gòu),使其結(jié)晶度下降,進(jìn)而溶解于一定濃度的NaOH溶液中。甲殼素與一定量的40%NaOH混合物-18℃下凍融3次,能夠在10%NaOH溶液中幾乎完全溶解,而且NaOH的用量大大降低。經(jīng)過(guò)兩次凍融處理的樣品形成的均相溶液,在25℃放置在84h以?xún)?nèi)進(jìn)行緩慢的降解和脫乙酰反應(yīng),之后隨脫乙酰程度加劇,自由氨基含量增多,重新形成分子間氫鍵相互作用,溶液表觀粘度迅速增大,最終形成凝膠狀。放置48h左右,表觀粘度下降為初始粘度的一半,具有良好的水溶性。結(jié)果表明,利用FTC過(guò)程中反復(fù)形成和生長(zhǎng)的冰晶產(chǎn)生的機(jī)械力破壞作用,能夠破壞甲殼素晶體結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致其溶解性增強(qiáng)。為制備既可溶于水又保留其原有特性的高活性水溶性甲殼素提供了可能。凍融循環(huán)對(duì)甲殼素凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的影響有待進(jìn)一步研究。
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Effects of freezing-thawing cyclic treatment on the solubility of chitin in alkaline solution
LIU Ting-guo1,2,LI Bin1,*,SONG Xue1,LU Zhi-min2,WANG Rui-xia2,WANG Xin2
(1.College of Food Science and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China;2.Department of Chemistry and Food Science,Chizhou College,Chizhou 247100,China)
TS201.2
A
1002-0306(2010)08-0084-05
2009-08-28 *通訊聯(lián)系人
劉廷國(guó)(1982-),男,碩士,講師,研究方向:農(nóng)副產(chǎn)品深加工與應(yīng)用。
國(guó)家“863”資助項(xiàng)目(2007AA10Z310);池州學(xué)院化學(xué)材料與工程省級(jí)實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)項(xiàng)目。