微波-H2O2联合降解法制备分子量可控的窄分布壳聚糖及其阻垢性能探索

张惠欣 ，朱玉超，王 枫，贾瑞月

1河北工业大学化工学院，天津300130;2 衡水中铁建集团，衡水053500

壳聚糖是自然界中唯一天然存在的阳离子碱性多糖，是甲壳素高脱乙酰基产物［1］，具有很好的生物相容性，广泛应用于生物医药、食品、化工、水处理等领域［2-4］。壳聚糖作为一种高聚物，由氨基葡萄糖单元经无数次重复连接而成，分子量从几十万到几百万不等。随着分子量的增大，壳聚糖的强度、模量、韧性的提高速度减慢，最后趋于某一极限值，当分子量很高时，也就是说分子链很长时，流动困难，进而难以加工或应用。大分子量的壳聚糖不溶于水和有机溶剂，只能溶于乙酸、盐酸等少数稀酸［5］，这使得壳聚糖的应用受到了更多的限制，其应用性能得不到充分发挥。目前，普遍采用的解决办法是对壳聚糖进行各种改性处理以适应不同领域的应用要求，但改性过程中仍然要面对同样的问题，其超高的分子量及由此带来的溶解性能不佳，使得改性时反应体系的选择、反应条件的控制和产物的分离等都变得比较困难。因此开展壳聚糖的降解，尤其是通过控制降解条件，得到所需分子量范围的壳聚糖，以适应后续改性处理操作或应用要求，是一项非常必要的、具有实际应用价值的工作。

壳聚糖的降解方法有多种，如化学降解法、物理降解法、酶降解法等［6-8］，这些方法消耗资源能源较多、产率低、难以对最终产物的分子量实现规范的控制、重复性差并且绝大多数工艺都未提及产品分子量的分布情况。本文采用微波-H2O2联合降解法，在均相条件下制备窄分布低分子量壳聚糖，操作简单、绿色环保、不产生二次污染。微波辐射以脉冲方式施加，同时控制体系温度，使得微波的热效应和非热效应同时起作用。微波与H2O2协同作用时反应迅速，同时能够有效控制低聚壳聚糖的分子量及其分布，重复性好。分子量分布特性明确，为水处理方面的应用提供明确的选择依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

1.1.1 试剂

壳聚糖购自济南海得贝海洋生物工程有限公司(脱乙酰度大于95%)，其余均为市售分析纯试剂，配制溶液所用的溶剂水均为去离子水。

1.1.2 仪器

微波试验仪(MG08S-2B，南京汇研微波系统工程有限公司);真空干燥箱(DZF-6051，上海一恒科技有限公司);乌氏粘度计(φ =0.47 mm，浙江椒江玻璃仪器厂);傅里叶变换红外吸收光谱仪(TENSOR 27 型，德国Bruker 公司);X 射线衍射仪(X’Pert MPD 型，荷兰Philips 公司);纳米粒度及电位分析仪(Nano-ZS90，英国马尔文公司);紫外可见分光光度计(TU-1810 型，北京普析通用仪器有限责任公司)。

1.2 壳聚糖的降解及产率的计算

称取干燥过的壳聚糖2.00 g 于三口瓶中，加入1%(w/v)的乙酸溶解，使得反应在均相条件下进行，之后再加30 mL 不同浓度的H2O2溶液，并放入磁子;将此三口瓶固定于微波反应仪中，开启搅拌，控制辐射温度(T±2 ℃)和辐射阳极电流(mA)，脉冲式辐射得到浅黄色溶液。

反应结束，停止微波辐射，冷却至室温。用5%(w/w)的氢氧化钠溶液调节溶液的pH 至7～8，过滤除去少量残渣。在滤液中加入2～3 倍体积的无水乙醇以沉淀析出降解产物，静置一段时间，收集沉淀，40～50 ℃下真空干燥，得水溶性低聚壳聚糖，使用研钵将其研碎并密封保存。水溶性低聚壳聚糖产率按式(1)计算:

式中:η 为水溶性低聚壳聚糖的产率，%;A 为充分干燥的水溶性低聚壳聚糖产物，g;B 为干燥过的壳聚糖原料，g。

1.3 低聚壳聚糖分子量的测定

使用外推一点法测定低聚壳聚糖的分子量，溶剂为0.1 mol/L HAc-0.2 mol/L NaCl 混合水溶液，根据Mark-Houwink 方程［9］确定K =1.81 ×10-3mL/g，α=0.93。

具体操作如下:配制浓度C=0.2 g/L 的低聚壳聚糖样品溶液，静置一段时间使其充分溶解;调节恒温水浴的水温在25 ±0.1 ℃，恒温10 min 以上;将乌氏粘度计先用蒸馏水清洗，再用混合溶剂润洗，最后使用待测溶液多次润洗，置于恒温槽5 min;取10.00 mL 样品溶液于乌氏粘度计内恒温至少2 min后使其自由落下，用秒表记录溶液下落时间，根据式(2)计算低聚壳聚糖的分子量M:

η = ［(t/t0-1)+3ln(t/t0)］/4C = KMα(2)

式中:η 为特性黏度，L/g;t0为溶剂下落时间，s;t 为样品溶液下落时间，s;C 为样品的浓度，g/L;K=1.81 ×10-3，mL/g;M 为低聚壳聚糖的分子量;α =0.93。

1.4 降解产物多分散系数D 的测定

多分散系数D 通过重均分子量除以数均分子量计算而得，以此来反映壳聚糖分子量的分布情况。重均分子量采用光散射法测定，即配制一系列不同浓度的样品溶液(浓度范围在0.1～10 g/L)，检测不同浓度样品溶液的绝对散射光强。以绝对散射光强为纵坐标，浓度为横坐标绘制曲线，即得Dybe 曲线，曲线的截距即为重均分子量的倒数，斜率为第二维利系数;数均分子量采用端基分析法测定［10］，即利用稀盐酸将样品高温高压水解，之后加入乙酰丙酮缩合生成生色原，酸性条件下生色原遇对-二甲氨基苯甲醛而呈现红色，水浴恒温1h，测定其吸光度A1;同时做空白实验，即将样品直接溶在去离子水中，不进行水解，其余步骤同前，测其吸光度A0，A1/A0即为产物的聚合度，据此计算数均分子量。

通常D 在1.0～2.0 时，分散程度较低，产物的分子量分布为窄分布;D 在2.0～20 时，分散程度较高，产物的分子量分布为宽分布，并且D 值越大，分布越宽。

1.5 低聚壳聚糖阻垢率的测定

参照国家标准《GB/T 16632-2008:水处理剂阻垢性能的测定-碳酸钙沉积法》，采用静态阻垢法对不同分子量的低聚壳聚糖进行阻垢性能的测定。在［Ca2+］为240 mg/L、［HCO-3］为732 mg/L 时，加入阻垢剂30 mg/L，在80 ℃下水浴恒温10 h，立即过滤，取滤液25 mL，以钙黄素为指示剂，用EDTA 标准溶液滴定滤液中的钙离子，阻垢率η 按式(3)计算:

式中:C0为实验前溶液中钙离子的浓度，mg/L;C1为实验后加阻垢剂溶液中钙离子的浓度，mg/L;C2为实验后未加阻垢剂空白溶液中钙离子的浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 壳聚糖与低聚壳聚糖的结构表征

采用溴化钾压片法制样，测定壳聚糖和低聚壳聚糖的红外吸收光谱，如图1 所示。从图1 中可以看出3400 cm-1左右的峰是-NH2与-OH 伸缩振动的吸收峰重叠形成的，低聚壳聚糖在此处的吸收增强是由于降解后羟基增多所致。1625 cm-1左右的吸收峰为酰胺I 带的吸收峰，两者基本没有差异，而低聚壳聚糖在酰胺II 带的1598 cm-1处吸收增强，说明降解过程破坏了壳聚糖分子链的氢键作用，使得-NH2的弯曲振动吸收增强。1080 cm-1附近是伯羟基和仲羟基C-O 伸缩振动的吸收峰，降解前后峰形相似。在低聚壳聚糖的谱图中仍然存在1151 cm-1和894 cm-1两个壳聚糖β-1，4 糖苷键的特征吸收峰。通过降解前后的谱图对比，可以看出微波-H2O2降解没有破坏壳聚糖的吡喃糖环的单元结构。

图1 壳聚糖(A)与低聚壳聚糖(B)的红外吸收谱图Fig.1 IR spectra of chitosan (A)and oligochitosan (B)

在衍射角2θ =5°～70°之间通过铜靶扫描，得到壳聚糖和低聚壳聚糖的X 射线衍射图样，如图2所示。

图2 壳聚糖(A)与低聚壳聚糖(B)的XRD 图样Fig.2 XRD patterns of chitosan (A)and oligochitosan (B)

从图2 中可以看出壳聚糖在11°和21°出现了两个非常尖锐的衍射峰，说明该原料壳聚糖为α-壳聚糖，具有较高的结晶度，而低聚壳聚糖在这两处的衍射峰强度变弱，峰形变宽，但没有出现新峰，说明降解过程只是破坏了壳聚糖的结晶区，削弱了分子中由于氨基和羟基带来的氢键作用，有序结构向无序结构转变，分子规整性下降，但其分子链基本化学结构单元并未发生改变。

2.2 H2O2 浓度对壳聚糖降解的影响

将壳聚糖在乙酸中溶解，滴加不同质量浓度的H2O2溶液，控制辐射阳极电流为70 mA，在温度70℃下辐射6 min，测定不同降解产物的分子量及产率，结果如图3 所示。

图3 H2O2 浓度对降解壳聚糖分子量和产率的影响Fig.3 The effect of H2O2 concentration on molecular weight and yield of oligochitosan

由图3 可知，H2O2的浓度对壳聚糖分子量和产率的影响都是非常明显的。H2O2的主要作用机理是:在加热条件下，H2O2会分解成H+和HOO-，从而表现出比水强的酸性，但是HOO-很不稳定，与H2O2反应生成HO·和O－·2两种自由基，它们都具有很强的氧化性，可以进攻壳聚糖的糖苷键使其主链断裂［6］。实验中5%的H2O2是降解趋势的转折点，在浓度较低的时候，H2O2与壳聚糖作用位点少，从而导致断裂不均匀，使得降解产物分布比较宽，相应分子量的低聚壳聚糖产率也相对较低。随着H2O2浓度的增加，作用位点增多，壳聚糖的分子量快速下降，但是过低分子量的产物因其溶解性提高而导致分离困难，最终产率仍然很低。恰当的双氧水浓度或H2O2的用量可以有效控制降解产物的分子量及其分布。

图4 辐射阳极电流对降解壳聚糖分子量和产率的影响Fig.4 The effect of anode radiation current on molecular weight and yield of oligochitosan

2.3 微波辐射对壳聚糖降解的影响

微波辐射对化学反应的作用，一是使分子运动加剧，温度升高;二是电磁能和微波的特异性对极性分子的洛仑兹力作用。微波场中的高分子化合物的行为又与其自身的结构和介电特性有着更加密切的关系，尤其是高聚物分子链上连有大量的极性官能团时，这些极性分子片段受微波的影响更加突出，从而形成特殊的微化学环境，并进一步影响基团的偶极矩、氢键、化学键合状态、结晶度等，由此带来聚集状态、分子结构或反应活性的变化，也就是说，微波辐射一定会对高分子化合物的分子量产生影响［11-13］。因此，可以通过调控微波辐射强度、微波施加方式和施加时间等因素，合理利用微波的热效应及其非热效应，使之与降解介质妥加匹配而达到协同增效，保证壳聚糖的降解有效平稳地进行，并实现对降解产物的分子量及其分布的控制［12，14］。

将4%的H2O2加入到壳聚糖中，其他条件不变，辐射阳极电流调节到40 mA～80 mA，考察壳聚糖的降解情况，如图4 所示。当辐射电流偏小时，壳聚糖的酰胺键和β-1，4 苷键不容易断裂，降解程度较低，导致低聚壳聚糖分子量比较高;随着辐射电流的加大，降解程度明显提高，产物分子量迅速下降，其原因应该是由于电磁波对极性基团的洛伦兹力作用导致了指前因子的提高［15，16］，降解速度也明显提高。

改变辐射阳极电流能够得到不同分子量的低聚壳聚糖，并且各电流值下所得到的低聚壳聚糖的分子量及其分布特性十分稳定，例如，在60 mA 时，制得几批低聚壳聚糖，均可以以50%以上的产率得到分子量为5000～7000 的降解产物，且多分散系数D在1.24～1.30 之间，为窄分布产品。因此，控制微波辐射强度是调控壳聚糖降解程度及其分子量分布的另一个重要因素。

2.4 辐射时间对壳聚糖降解的影响

反应时间对于绝大多数化学反应都会产生很大的影响，使用4%的H2O2溶液，体系温度在70 ℃，辐射阳极电流70 mA，辐射不同的时间得到不同分子量的低聚壳聚糖，分析结果见图5。

图5 辐射时间对降解壳聚糖分子量和产率的影响Fig.5 The effect of radiation time on molecular weight and yield of oligochitosan

由图5 而得，辐射时间与H2O2浓度、辐射阳极电流一样，对壳聚糖分子量的影响十分显著。反应开始时，随着辐射时间的延长，壳聚糖分子量下降很明显，6 min 时分子量降到最低点，产率达到最大值，这是因为反应体系中的极性基团和极性分子与微波发生强烈耦合，离子传导速率加快［17］，H2O2对壳聚糖1，4-糖苷键的攻击频率加快，与此同时，耦合作用也会削弱壳聚糖的结晶度和有序结构［18］，这对降解十分有利，短时间内取得高的降解效率。继续延长辐射时间，产物的粘度增大、分离困难，这应该归因于微波的体加热模式，它可以在短时间内均匀迅速地提升反应体系的温度，从而引发了低聚物的交联聚合，导致分子量有所增长，出现曲线上升的现象，但是产率却随之下降。

2.5 温度对壳聚糖降解的影响

图6 温度对降解壳聚糖分子量和产率的影响Fig.6 The effect of temperature on molecular weight and yield of oligochitosan

保持H2O2浓度、辐射阳极电流和辐射时间恒定，只改变体系温度，考察40～80 ℃时壳聚糖的降解情况，结果如图6 所示。

由图6 可知，体系温度在整个降解过程中对壳聚糖分子量的影响有一定的起伏波动，影响不是很大，分子量大都分布在6000 左右，但是产率相差较大。不同的反应温度具有不同的活化能，反应的活化能越低，则在指定温度下活化分子数越多，反应就越快。所以控制在一个相对适宜的温度，能够获得所需分子量的壳聚。

综上，调控各种降解参数，可以获得不同分子量范围的低聚壳聚糖产物，实验还显示，在相同条件下，多次制得的低聚糖分子量及其分布基本相同。例如，将2.00 g 干燥的壳聚糖溶解于乙酸中，加入30 mL 4%的H2O2溶液，控制辐射温度70 ℃，辐射阳极电流70 mA，脉冲式辐射6 min 得浅黄色溶液。经沉淀干燥得水溶性低聚壳聚糖。在相同条件下多次重复操作得降解产物，测得产率在52%～54%，测其分子量在6000～7000 之间，多分散系数D 介于1.20～1.25，均属于窄分布产品。也就是说，我们可以选择不同的条件来制备不同分子量的壳聚糖，以满足不同的应用要求。

2.6 不同分子量的低聚壳聚糖的阻垢性能

用降解后不同分子量的低聚壳聚糖作为水处理阻垢剂，按30 mg/L 低剂量水平加入，通过静态阻垢法测定了它们的阻垢率，结果如图7 所示。

图7 不同分子量低聚壳聚糖的阻垢性能Fig.7 The scale inhibition of oligochitosan with different molecular weight

从图7 中可以看出，不同分子量的低聚壳聚糖所表现出来的阻垢能力也不一样。分子量在6000左右时表现出相对较高的阻垢性能，阻垢率能达到38%，过低或过高的分子量，其阻垢性能都相对较低。众所周知，任何一种高聚物，它的应用性能与它的分子量及其分布都有着密切联系。若将壳聚糖及其衍生物应用到水的阻垢处理中，应使用分子量在6000 左右的低聚壳聚糖原料为宜。

3 结论

利用微波-H2O2联合降解法制得低分子量壳聚糖，操作简便、时间短、产率高、重复性好、分子量容易控制并且产物为窄分布产品。整个反应始终在均相中进行，当H2O2的浓度为4%、辐射阳极电流为70 mA、辐射时间6 min、体系温度70 ℃时，得到分子量6000 左右的低分子量壳聚糖，产率为52%，多分散系数D 为1.20，为窄分布产品。并对不同分子量的低聚壳聚糖进行碳酸钙阻垢性能的测试，结果表明，分子量在6000 左右的低聚壳聚糖阻垢率相对较高，可以针对此分子量范围的壳聚糖降解产物进行后续改性和应用性能研究，以开发新型的绿色水处理药剂。

1 Mourya VK，Inamdar NN. Chitosan-modifications and applications:opportunities galore. React Funct Polym，2008，68:1013-1051.

2 Sun T(孙涛)，Zhu Y(朱云)，Xie J(谢晶)，et al.Maillard reaction of chitosan oligosaccharide and α-alanine/asparagine and antioxidant activity of their derivatives. Nat Prod Res Dev(天然产物研究与开发)，2012，24:450-453.

3 Padala AN，Anupkumar B，Sankaralingam V，et al.Cobalt(II)imprinted chitosan for selective removal of cobalt during nuclear reactor decontamination.Carbohyd Polym，2012，87:690-696.

4 Zhang HX(张惠欣)，Yin J(尹静)，Li G(黎钢)，et al.Study on microwave assisted chemical modification of chitosan and its antiscaling applications.J Hebei Univ Tech(河北工业大学学报)，2009，38:29-32.

5 Jiang TD(蒋挺大). Chitosan(壳聚糖). Beijing:Chemical Industry Press，2001.7-17.

6 Shao J，Yang YM，Zhong QQ.Studies on preparation of oligoglucosamine by oxidative degradation under microwave irradiation.Polym Degrad Stabil，2003，82:395-398.

7 Mohammad TT，Reza A. Sonolytic，sonocatalytic and sonophotocatalytic degradation of chitosan in the presence of TiO2nanoparticles.Ultrason Sonochem，2011，18:149-157.

8 Abd-Elmohdy FA，Sayed ZE，Essam S，et al.Controlling chitosan molecular weight via bio-chitosanolysis. Carbohyd Polym，2010，82:539-542.

9 Wang W，Bo SQ，Li SQ，et al. Determination of the Mark-Houwink equation for chitosans with different degrees of deacetylation.Int J Biol Macromol，1991，13:281-285.

10 Han BQ(韩宝芹)，Wei XJ(位晓娟)，Fang Z(房子)，et al.Determination of number average molecular mass of chitosan oligosaccharide by acetylacetone method.China J Mar Drugs(中国海洋药物杂志)，2004，23:12-17.

11 Jin QH(金钦汉)，Dai SS(戴树珊)，Huang KM(黄卡玛).Microwave Chem(微波化学).Beijing:Science Press，1999.7-25.

12 Kapper CO，Stadler A.Microwaves in Organic and Medicinal Chemistry.Weinheim:Wiley-VCH Verlag GmbH＆Co KGaA，2005.7-22.

13 Wiesbrock F，Hoogenboom R，Schubert US.Microwave-assisted polymer synthesis:state-of-the-art and future perspectives.Macromol Rapid Commun，2004，25:1739-1764.

14 Barlow S，Marder SR.Single-mode microwave synthesis in organic materials chemistry. Adv Funct Mater，2003，13:517-518.

15 Huang KM(黄卡玛)，Liu YQ(刘永清)，Tang JX(唐敬贤)，et al. A study of athermal action of electromagnetic waves on chemical reaction.Chem J Chin Univ(高等学校化学学报)，1996，17:764-768.

16 Loupy A，Maurel F，Sabatié-Gogová A. Improvements in Diels-Alder cycloadditions with some acetylenic compounds under solvent-free microwave-assisted conditions:experimental results and theoretical approaches.Tetrahedron，2004，60:1683-1691.

17 Stadler A，Mayer SF，Faber K，et al. High-speed microwavepromoted mitsunobu inversions. application toward the deracemization of sulcatol. Tetrahedron Lett，2001，42:6283-6286.

18 Cao ZY(曹佐英)，Lai SL(赖声礼)，Cao ZN(曹珍年).Synthesis of chitosan-Zn(Ⅱ)complexes under microwave irradiation.Mod Chem Ind(现代化工)，1999，19:24-27.