殼聚糖溶解行為及溶液特性的探究

牛培陽,張立彥

(華南理工大學食品科學與工程學院,廣東廣州 510640)

殼聚糖溶解行為及溶液特性的探究

牛培陽,張立彥*

(華南理工大學食品科學與工程學院,廣東廣州 510640)

本實驗主要測定了四種不同脫乙酰度、分子量的殼聚糖樣品在濃度6%～12%,50 ℃下,定時滴加鹽酸過程中溶液透光率、電導率、粘度和顆粒狀態的變化,探索殼聚糖的溶解規律及溶液特性。結果表明:當鹽酸濃度在0.23～0.39 mol/L時,殼聚糖濃度在6%～10%時,殼聚糖溶液透光率急劇上升;殼聚糖濃度越高,脫乙酰度越高,導致透光率急劇上升的起始鹽酸濃度越高;分子量越小,加酸后,溶液最終透光率越高;隨著酸的不斷添加,殼聚糖溶液電導率先均勻小幅增加,鹽酸超過一定濃度后增幅超過10 ms/cm,推測此時殼聚糖分子近乎完全質子化,殼聚糖脫乙酰度越高,溶液電導率大幅增加對應的鹽酸濃度也越高;1#、2#、3#、4#殼聚糖溶液濃度為8%時,分別在鹽酸濃度為0.29、0.29、0.34、0.34 mol/L時粘度最大,之后隨加酸進行溶液粘度驟降;溫度升高溶液粘度降低,但溶液粘度隨鹽酸濃度變化的規律不變;顯微觀察發現,隨著加酸溶液中殼聚糖顆粒數顯著減少,殼聚糖脫乙酰度越高,使顆粒全部崩解所需要的鹽酸濃度越高,在顆粒全部崩解階段溶液透光率、電導率劇烈變化,均顯著升高。

殼聚糖,溶解行為,溶液特性,鹽酸

殼聚糖在食品[1-2]、化工[3]、醫藥[4-6]等行業有廣泛應用,但其分子量較大,不溶于水,即使在酸中以較低的濃度溶解,其粘度也非常大,極大限制了其應用。

殼聚糖溶液受溶劑種類及濃度、溶質濃度、離子強度、溫度、脫乙酰度等各種因素的影響,最直觀表現為粘度的變化。Calero和Hwang等[7-8]都發現只有殼聚糖濃度非常低時,才符合牛頓流體行為。Chen等[9]發現溶液pH相同、溶劑陰離子類型不同,會導致殼聚糖溶液粘度不同,這可能是質子化的氨基中和效應、陰離子位阻效應不同引起的。目前大多關于殼聚糖溶液的研究一般以充分溶解的低濃度殼聚糖溶液為研究對象,沒有報道涉及濃度高于6%的殼聚糖溶液及其溶解過程的研究。而工業生產殼寡糖通常采用濃度高達8%～10%的殼聚糖為底物進行降解反應,如果能把底物濃度增大至12%,將極大提高工廠生產效率。因此,本文擬探索高濃度殼聚糖溶液溶解過程中透光率、電導率、粘度、顯微結構的變化規律,以及溶解條件(殼聚糖濃度、脫乙酰度、溫度等)對上述參數的影響,以便能夠更全面地了解殼聚糖的溶解行為,為提高殼聚糖的濃度、認識殼聚糖溶液的特性變化、充分了解殼聚糖溶液的實際應用特性奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖 購自長龍生物科技有限公司,1#,脫乙酰度(DD)75.57%,分子量164350 Da;2#,DD79.25%,140562 Da;3#,DD83.24%,136857 Da;4#,DD89.98%,118132 Da;鹽酸 廣東光華化學廠有限公司;冰乙酸 江蘇強盛化工有限公司;無水乙酸鈉 天津市福晨化學試劑廠；以上試劑均為分析純。

0.6～0.7 mm烏氏粘度計 上海申立玻璃儀器銷售有限公司;BS224S分析天平 德國賽多利斯集團;DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限責任公司;MODEL752紫外-可見分光光度計 上?，F科分光儀器有限公司;DDS-307A電導率分析儀 上海儀電科學儀器股份有限公司;SNB-1A數顯旋轉粘度計 上海方瑞儀器有限公司;CX31型光學顯微鏡 OLYMPUS公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 殼聚糖溶液的制備 分別準確稱取3.00、4.00、5.00、6.00 g殼聚糖,加入50 mL去離子水,在50 ℃下恒溫20 min并不斷攪拌以充分分散殼聚糖粉末,每5 min加入0.5 mL 6 mol/L的鹽酸,共加入4 mL,以使殼聚糖溶解,分別配成濃度為6%、8%、10%、12%的殼聚糖溶液。

1.2.2 指標測定 自溶液加入鹽酸開始計時,每隔5 min測定溶液的透光率[10]、電導率和粘度。透光率用紫外分光光度計在600 nm下以去離子水調零測定;電導率用電導率儀測定;粘度用旋轉粘度計測定。平行實驗三次。

顯微結構的觀察:加入鹽酸后,每隔5 min觀察溶液中殼聚糖顆粒的顯微結構并拍照,在溶液透光率明顯變化的時間段內每隔1 min觀察并拍照。在加酸0、10、15、20、25、30、35、40 min時,相應的鹽酸濃度分別為0、0.12、0.17、0.23、0.29、0.34、0.39、0.44 mol/L,記錄各項指標數值并討論。

1.2.3 數據處理與統計方法 采用SPSS19.0軟件(SPSS公司)的單因素方差分析(one-way ANOVA)方法對數據進行顯著性分析,Microsoft Excel 2003軟件對數據進行平均值、標準差處理,并作圖。

2 結果與討論

2.1 殼聚糖溶解過程中溶液透光率的變化

2.1.1 加酸過程中殼聚糖-鹽酸溶液透光率變化 經預實驗研究發現,在40～60 ℃范圍內,對同一樣品同一加酸濃度、不同溫度下的透光率進行顯著性分析,發現同一時刻下,溫度對溶液的透光率沒有顯著影響(p>0.05)。因此,這里只討論50 ℃條件下不同特性殼聚糖溶液透光率隨溶液中鹽酸濃度的變化,結果如圖1所示。從加酸開始到鹽酸濃度達到0.44 mol/L,殼聚糖溶液透光率劇烈變化主要發生在鹽酸濃度為0.23～0.39 mol/L時,溶液從最初發白、有明顯顆粒感的懸浮液變為發黃、澄清的膠體溶液,其后繼續加酸,樣品溶液的透光率幾乎不變。溶液透光率變化與殼聚糖顆粒的溶解密切相關,溶液中未溶解的殼聚糖顆粒多,光的透過性低,透光率低。隨著鹽酸不斷加入,溶液中的氫離子增多,殼聚糖分子中的氨基不斷質子化,顆粒逐漸溶解,溶液越來越澄清透明。

圖1 殼聚糖樣品溶液透光率隨鹽酸濃度的變化Fig.1 Changes in transmittance of chitosan solutions with HCl concentration注:殼聚糖濃度為8%(其他濃度的透光率變化規律基本相同,只以濃度8%為例分析);字母不同者表示有顯著性差異(p<0.05);大、小寫字母分別表示四種樣品同鹽酸濃度下的顯著性、每種樣品透光率隨鹽酸濃度變化的顯著性;圖3同。

圖2 不同濃度殼聚糖樣品溶液透光率隨鹽酸濃度的變化Fig.2 Changes in transmittance of chitosan solutions with HCl concentration at different concentration注:不同小寫字母表示樣品透光率隨時間變化存在顯著性差異(p<0.05);(a)1#,(b)2#,(c)3#,(d)4#。

由圖1可知,四種樣品透光率隨溶液中鹽酸濃度變化的差異主要表現在透光率顯著上升所對應的鹽酸濃度范圍不同。1#和2#樣品溶液的透光率在加酸濃度為0.23～0.34 mol/L時顯著升高(p<0.05),3#和4#樣品溶液的透光率在加酸濃度為0.29～0.44 mol/L時顯著上升(p<0.05)。張彬[11]指出在稀酸中,只有當氫離子活度足夠高時,至少等于溶液中殼聚糖分子的氨基濃度,才可以使氨基質子化,破壞掉原來的氫鍵和晶格結構,最終全部溶解。3#和4#樣品的脫乙酰度高于1#和2#,當濃度相同時,可以理解為3#和4#的氨基濃度高于1#和2#,因此酸液濃度較低時更有利于1#和2#溶解和質子化,溶液透光率相應也較高。3#和4#殼聚糖脫乙酰度高,含有的氨基較多,因此需要較高的酸液濃度才能使殼聚糖顆粒溶解,全部溶解所需時間也較長。

2.1.2 殼聚糖濃度對殼聚糖-鹽酸溶液透光率的影響 圖2(a)～圖2(d)分別表示1#～4#不同濃度殼聚糖溶液透光率隨鹽酸濃度的變化規律。由圖2可知,樣品濃度越低,在較低的鹽酸濃度下,溶液透光率就開始顯著上升,如當1#殼聚糖濃度為6%時,溶液的透光率在鹽酸濃度達到0.17 mol/L后就開始顯著上升(p<0.05);濃度為8%時,溶液的透光率在鹽酸濃度達到0.23 mol/L后溶液透光率才開始顯著上升(p<0.05),其他樣品也出現了同樣的現象,即當樣品濃度在6%～12%范圍內時,濃度每增加2%,透光率開始顯著上升的起始鹽酸濃度增加約0.05 mol/L;樣品濃度越低,對應相同鹽酸濃度下的透光率高于較高樣品濃度的溶液透光率。張彬[11]指出在稀酸中,只有當氫離子活度足夠高時,至少等于溶液中殼聚糖分子的氨基濃度,才可以使氨基質子化,破壞掉原來的氫鍵和晶格結構,最終全部溶解。所以這可能是由于同一樣品濃度越低,自由氨基總數量也越少,酸液濃度會較快等于殼聚糖分子的氨基濃度,容易最快達到完全質子化,透光率也會上升更快;另一方面殼聚糖顆粒越少,自由活動的空間相對較大,更容易接觸到氫離子,流動性也較好,促使顆粒更快更多地發生質子化。

2.2 殼聚糖溶解過程中殼聚糖-鹽酸溶液電導率的變化

經預實驗測定發現,溫度升高,溶液的電導率會稍有增加,但并不顯著(p>0.05),說明溫度對溶液電導率的影響不顯著。因此,本文只討論50 ℃條件下不同特性殼聚糖溶液電導率隨鹽酸濃度的變化,結果如圖3所示。

圖3 不同溫度下殼聚糖樣品溶液電導率隨鹽酸濃度的變化Fig.3 Changes in conductivity of chitosan solutions with HCl concentration

由圖3可知,四種殼聚糖樣品溶液的電導率隨鹽酸加量增加而一直顯著上升(p<0.05),但不同階段上升幅度不同:當鹽酸濃度小于0.29 mol/L時,每次滴加酸后四種樣品溶液的電導率增加約3 ms/cm,但1#樣品溶液在鹽酸濃度為0.29～0.44 mol/L時,三次加酸后電導率增幅依次為5.91、12.34、14.2 ms/cm;2#樣品溶液電導率增幅變大則始于鹽酸濃度0.34 mol/L,此后至鹽酸濃度達到0.44 mol/L,其電導率分別比前一次加酸增加10.1、13.8 ms/cm;3#和4#樣品溶液則在鹽酸濃度為0.39～0.44 mol/L時,兩次加酸后電導率增幅分別達到14.67、11.37 ms/cm。

圖4 不同溫度下殼聚糖樣品溶液粘度隨鹽酸濃度的變化Fig.4 Changes in viscosity of chitosan solutions with HCl concentration under different temperature注:殼聚糖濃度為8%;(a)1#,(b)2#,(c)3#,(d)4#。

溶液電導率是由溶液中的自由離子定向移動形成電流而產生的。而自由離子主要來源于氫離子和氯離子,其中氫離子會和氨基進行質子化作用,即氫離子會被消耗,而氯離子全部貢獻于增加電導率。因此,樣品溶液電導率增幅突然變大,即每5 min滴加鹽酸后電導率增幅達到10 ms/cm以上時,可推測殼聚糖分子接近或完全質子化,氫離子主要作為溶液中的自由離子而貢獻于增加電導率。因此推測出1#、2#、3#、4#樣品完全質子化所對應的鹽酸濃度范圍分別在0.29～0.34、0.34～0.39、0.39～0.44、0.39～0.44 mol/L間。這正好與四種樣品脫乙酰度大小排序一致。對四種樣品來說,酸液濃度相同,可被利用的氫離子數量相同,因此脫乙酰度大的樣品較晚完全質子化,最終電導率值也較低。

2.3 殼聚糖-鹽酸溶液粘度的變化

圖4(a)～圖4(d)分別表示1#～4#不同溫度下殼聚糖溶液粘度隨鹽酸濃度的變化規律?？芍?在40～60 ℃時,溫度升高,溶液粘度降低;不同溫度下溶液粘度隨鹽酸濃度的變化趨勢一致:先持續顯著上升至最大值(p<0.05),然后粘度顯著下降(p<0.05);1#和2#樣品溶液粘度都在鹽酸濃度為0.29 mol/L時達到最大,3#和4#溶液粘度則是在鹽酸濃度為0.34 mol/L時達到最大;在鹽酸濃度為0.44 mol/L時樣品的粘度值大小排序為:1#>2#>3#>4#,與殼聚糖分子量大小排序相對應。

在溶解過程中,樣品粘度先急劇增大再顯著下降,其原因可能是:隨著酸液不斷加入,更多氫離子與殼聚糖分子鏈上的氨基結合生成-NH3+,破壞原有的殼聚糖分子中的氫鍵和晶體結構,殼聚糖大分子漸漸舒展,并相互纏繞、糾纏,致使溶液的流動阻力加大,表現為溶液的粘度逐漸增加;其后,隨著酸液不斷添加,溶液的電導率大幅增加,表明溶液中自由離子增加,離子強度增大,此時溶液中的氯離子會屏蔽-NH3+間的靜電排斥作用[12],使殼聚糖分子卷曲為球狀[13-14],大大降低了溶液的流動阻力,溶液粘度下降,如1#和2#樣品在50 ℃下,鹽酸濃度為0.29 mol/L時最粘,在鹽酸濃度為0.34 mol/L時粘度分別驟降約75%、43%。王偉等[15]也指出在殼聚糖濃溶液中,分子間互相交疊、纏結、貫穿,過量的酸根離子則會降低靜電斥力,降低粘度,也能為本文溶解過程中溶液粘度先增后驟降的現象提供合理的解釋。

2.4 溶解過程中殼聚糖-鹽酸溶液的顯微觀察

在40倍光學顯微鏡下觀察四種樣品在加酸過程中的顯微結構變化,由圖5～圖8可知:未加酸時,水中殼聚糖顆粒分散、重疊,不同殼聚糖樣品顆粒大小不同;加酸后,觀察視野中殼聚糖顆粒數量減少,且隨加酸進行顯著變化,但顆粒直徑總體變化不大,說明殼聚糖顆?？赡苁窃谒岬淖饔孟轮苯颖澜?而不是先溶脹再崩解。

圖5 1#樣品溶液在不同鹽酸濃度下的顯微觀察Fig.5 Microscopy photographs of 1# chitosan solutions at different HCl concentration注:殼聚糖濃度為8%,圖6～圖8同。

圖6 2#樣品溶液在不同鹽酸濃度下的顯微觀察Fig.6 Microscopy photographs of 2# chitosan solutions at different HCl concentration

圖7 3#樣品溶液在不同鹽酸濃度下的顯微觀察Fig.7 Microscopy photographs of 3# chitosan solutions at different HCl concentration

圖8 4#樣品溶液在不同鹽酸濃度下的顯微觀察Fig.8 Microscopy photographs of 4# chitosan solutions at different HCl concentration

圖1顯示,當鹽酸濃度小于0.17或0.23 mol/L時殼聚糖溶液透光率變化不大,但圖5～圖8的顯微照片則顯示各殼聚糖樣品溶液中殼聚糖顆粒已經顯著減少,表明殼聚糖顆粒已經大量崩解,但溶液中仍殘留有部分顆粒,阻擋入射光線透過,致使溶液透光率仍較小。

另外,不同分子特性的殼聚糖顆粒全部崩解形成透明溶液所需要的酸量不同。對照上圖可以發現2#樣品在鹽酸濃度約為0.26 mol/L時,溶液中顆粒近乎完全崩解,能觀察到的顆粒數已經非常少,3#和4#樣品顆粒完全崩解發生在鹽酸濃度達到0.39 mol/L時,這與此階段樣品溶液透光率和電導率的變化結果一致。邵偉等[16]用粒度儀觀察殼聚糖在0.1 mol/L HAc中的溶解行為,發現前期粒度先增大再變小,認為殼聚糖在溶解初期發生了吸附或自聚集過程,這與本文中顯微觀察結果不一致,原因可能是采用的酸溶液陰離子類型不同,濃度和實驗過程也不同造成的。

3 結論

當鹽酸濃度在0.23～0.39 mol/L時,殼聚糖溶液透光率急劇上升;殼聚糖脫乙酰度越高,濃度越大,溶液透光率顯著上升的起始鹽酸濃度越高;分子量越小,充分溶解后的溶液透光率越高。在本文加酸條件下,殼聚糖溶液電導率增幅達到10 ms/cm以上時,可推測殼聚糖分子幾乎完全質子化,顆粒幾乎完全溶解。殼聚糖脫乙酰度越高,需要較高的鹽酸濃度才能實現完全質子化,最終電導率值也較低。升溫可以降低殼聚糖溶液粘度;在加酸過程中,殼聚糖溶液粘度先持續增加,1#、2#、3#、4#殼聚糖溶液粘度值分別在鹽酸濃度為0.29、0.29、0.34、0.34 mol/L時達到最大,隨后繼續加酸,溶液粘度驟降。顯微觀察結果表明不斷加入鹽酸,溶液中殼聚糖顆粒數明顯減少,殼聚糖分子沒有發生明顯的溶脹;脫乙酰度越高,殼聚糖顆粒完全部崩解所需要的鹽酸濃度也越大。上述四個指標綜合表征了高濃度殼聚糖溶液的溶解過程,可以為提高殼聚糖濃度,提高工廠降解殼聚糖效率提供一條思路。

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Dissolution behavior and solution properties of chitosan

NIU Pei-yang,ZHANG Li-yan*

(College of Food Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

The changes in transmittance,conductivity,viscosity and particle status of four kinds of chitosan solutions with different degree of deacetylation and molecular weight were mainly studied with different HCl and chitosan concentrations of 0～0.44 mol/L,6%～12%,respectively,under 50 ℃ and the dissolution trends and solution properties of chitosan were investigated. Results showed that when the HCl and chitosan concentration was 0.23～0.39 mol/L,6%～10% respectively,the transmittance of chitosan solution increased dramatically,the higher the chitosan concentration and degree of acetylation,the higher the HCl concentration at which transmittance began to increase sharply. After finishing adding HCl,the lower the molecular weight of chitosan,the higher the final transmittance of chitosan solution. The conductivity of chitosan solution increased at a small and even ratio when HCl concentration was low. After HCl concentration was higher enough,the conductivity of solution rose at a ratio over 10 ms/cm,which indicated that chitosan was almost fully protonated. The higher the degree of deacetylation of chitosan,the higher the HCl concentration at which conductivity of solution increase dramatically. 1#,2#,3#,4# chitosan solution reached the maximum viscosity at concentration of HCl of 0.29 mol/L,0.29 mol/L,0.34 mol/L,0.34 mol/L,respectively,then decreased significantly(p<0.05). Temperature increasing led to the decrease of solution viscosity,but the effect of temperature on viscosity was not changed. Microscopy observation showed that the number of chitosan particles decreased obviously with addition of hydrochloric acid. Chitosan with a higher degree of deacetylation fully disintegrated at a higher HCl concentration. The transmittance and conductivity of solution increased obviously at the stage at which of chitosan particles disintegrated fully.

chitosan;dissolution behavior;solution properties;hydrochloric acid

2016-08-16

牛培陽(1990-)，女，碩士研究生，研究方向:食品加工與保藏，E-mail：18819455617@163.com。

*通訊作者:張立彥(1974-)，女，博士，副教授，研究方向:食品加工與保藏,E-mail：liyanzh@scut.edu.cn。

廣東省科技計劃項目(2014B020204002)。

TS241

A

1002-0306(2017)06-0084-060

10.13386/j.issn1002-0306.2017.06.007