敏化辐射降解法制备低分子量壳聚糖

摘要

本发明提供了一种制备低分子量壳聚糖的敏化辐射降解方法，首先将精制的壳聚糖固体与含有敏化剂的水溶液混合均匀，形成半固体状样品，用无机酸或有机酸调节至pH4，其中壳聚糖的质量浓度为16～25％，敏化剂的质量浓度为15～30％，然后用γ射线室温辐照降解，吸收剂量为1～10kGy；将辐照产物经喷雾干燥或经真空干燥得低分子量壳聚糖。本发明采用加入辐射降解敏化剂的方法，使降解所需剂量大幅度降低，所得产品分子量分布窄、分子量低，特别是可获得分子量低于3000的壳寡糖。该方法方便、安全、经济、实用、高收率、对环境无影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种辐射法制备低分子量壳聚糖的方法，具体涉及一种通过添加敏化剂在低剂量下无污染、低成本、可大规模工业化生产低分子量壳聚糖的方法。

背景技术

壳聚糖是天然多糖中唯一的碱性多糖，是一种天然无毒性高分子物质，具有生物活性和生物降解性，被视为最具有潜力的生物高分子活性物质。壳聚糖的分子量通常在几十万左右，因其分子内氢键的作用，只能溶于少数稀酸溶液中，而不能直接溶于水中，使其应用范围受到很大限制。另一方面，低分子量壳寡糖除了具有大分子量壳聚糖特有的生物活性功能外，其良好的水溶性、保湿增湿性、抑菌抗菌作用等性质使之在保健食品、生物医药、植物生长促进、日用化妆品等方面具有独特的应用价值。因此，在壳聚糖的应用及产品开发中，必须解决的问题是通过适当方法降低壳聚糖的分子量。

目前，低分子量壳聚糖的制备方法主要包括物理法、水解法、利用糖转移反应、利用转基合成、化学合成法等几大类，以水解法为主，包括酸水解法和酶水解法等。从目前情况看，这些方法还存在一定问题：酸水解法的条件不易控制，选择性差，分离纯化困难，且产量和效率低、成本高，对生产人员和环境有一定影响；酶水解法所使用的酶较难获得，使生产成本过高。并且，这些方法都存在操作繁琐、产品分离复杂、收率低、生产周期长等缺陷，不利于产业化。

此外，日本、越南、及国内一些单位采用固态辐照法及溶液辐照法降解壳聚糖，采用固态辐照法虽然可降解壳聚糖，但需要很高的吸收剂量，辐照成本高，而且无法得到分子量在1万以下的水溶性壳聚糖；采用溶液降解法可得到1万以下的水溶性壳聚糖，但由于壳聚糖溶解度的限制，溶液中壳聚糖的浓度极低，产品分离纯化困难，不能适用于工业化生产。例如：中国专利申请200410010767.9公开的方法是：以钴60为辐射源、用50～300kGy的剂量辐照壳聚糖固体，或者在壳聚糖酸性水溶液体系中引入H₂O₂，再以⁶⁰Coγ-射线辐照降解。从其实施例看，无论是辐照壳聚糖固体或水溶液，所用的吸收剂量较高(25-250kGy)，得到的壳聚糖分子量也都在1万以上。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过添加敏化剂在低剂量下快速、简便、高收率、低成本、无污染、可大规模工业化生产低分子量壳聚糖的方法。

上述发明目的是通过如下技术方案来实现的：

一种制备低分子量壳聚糖的敏化辐射降解方法，主要有敏化辐射降解和后处理两个步骤：

a)将精制的壳聚糖固体样品与含有敏化剂的水溶液混合均匀，形成半固体状样品，用无机酸或有机酸调节pH至4左右，然后用γ射线室温辐照降解，其中：γ射线的吸收剂量为1～10kGy，壳聚糖的质量浓度为16～25％，敏化剂的质量浓度为15～30％。

b)将步骤a得到的产物经喷雾干燥或经真空干燥得低分子量壳聚糖。

如果需要去除低分子量壳聚糖产品中的有机酸或无机酸等杂质，可在步骤a后用碱调节pH至中性，再用乙醇、丙酮或它们的混合液洗涤除去加入的酸、敏化剂分解残留物等杂质，然后再进行干燥。所用的碱一般为NaOH、KOH等。

本发明中使用的γ射线辐射源优选⁶⁰Co-γ射线，敏化剂为容易通过γ射线辐射分解产生强氧化自由基的物质，比如过氧化氢或过硫酸钠、过硫酸铵、过硫酸钾等过硫酸盐。无机酸优选盐酸、硫酸、硝酸等，有机酸优选醋酸、柠檬酸、乳酸等。水在此起到两方面的作用：一方面是浸润壳聚糖，另一方面水分子在γ射线的辐射下产生OH自由基等活性粒子，可促进壳聚糖的降解。

本发明对高浓度壳聚糖(质量浓度16～25％)低剂量辐射(吸收剂量为1～10kGy)，所得到的低分子量壳聚糖的分子量范围为1000～30000，特别是可获得分子量低于3000的壳寡糖。

本发明采用敏化辐射降解的方法使壳聚糖大分子降解为低聚物，是一种方便、经济、实用、高收率、对环境无影响的良好方法，与传统方法相比，主要创新点如下：

①与常规的低分子量壳聚糖的制备方法，比如酶降解法、化学降解法和糖基转移法相比，本发明开发的制备方法具有快速、简便、高收率、低成本、不对环境造成污染等优点，十分有利于大规模工业化生产；

②与现有的固态辐照法及溶液辐照法相比，本发明采用了加入辐射降解敏化剂的方法，使降解所需剂量大幅度降低，生产成本大幅度降低；

③本发明所采用的方法制备的低分子量壳聚糖(如壳寡糖)产品分子量分布窄、低分子量产品产额比所有现有生产方法都高得多；

④国际原子能机构(IAEA)认为，辐照食品其吸收剂量不超过10kGy时对人类是安全的，不必再做毒理实验。本发明的吸收剂量在10kGy以下，不仅不会破坏壳聚糖的主链结构，而且符合IAEA对食品类10kGy吸收剂量的上限要求。

附图说明

图1是用本发明的方法辐射降解得到的不同分子量壳聚糖的红外图谱(FTIR)。

具体实施方式

实施例1

将商品化的高分子量壳聚糖(分子量约50万)与含有过氧化氢的水溶液混合均匀，其中壳聚糖的质量浓度为20％，过氧化氢的质量浓度为25％，用盐酸调节pH至4左右。然后用⁶⁰Coγ-射线在室温下进行辐照，吸收剂量为1～8kGy。在上述不同剂量下制备的低分子量壳聚糖如下表所示：

表一敏化辐解法所得低聚壳聚糖的平均分子量^*

  项目 剂量(kGy)  平均相对分子量(Dalton)  辐解样品一 1  29196.4  辐解样品二 2  10755.8  辐解样品三 3  5394.8  辐解样品四 4  2140.5  辐解样品七 6  1468.0  辐解样品八 8  1124.3

^*该数据由武汉大学甲壳素研究中心测试并提供

将上述辐射降解的壳聚糖样品采用喷雾干燥的方法直接干燥可得到盐酸型的低分子量壳聚糖产品。如果需要脱去盐酸，可在辐照后的样品中加入NaOH溶液，调节pH至中性，然后用乙醇、丙酮或它们的混合液洗涤除去加入的酸。在低温下真空干燥可得到不含盐酸的低分子量壳聚糖产品。

从表一可以看出，本发明可在低剂量下得到不同分子量的壳聚糖，特别是在不超过10kGy的条件下制备了分子量在3000以下的壳寡糖，红外分析表明，10kGy以下辐照不会破坏壳聚糖的主链结构(如图1所示)，而且符合国际原子能机构(IAEA)对食品类10kGy辐照吸收剂量的上限要求。

由图1可见，辐射降解前后所得不同分子量壳聚糖在3422cm^-1(υO-H，υNH₂)，2924cm^-1和2866cm^-1(υC-H)，1385cm^-1(δCH₂)，1078cm^-1(υ-CHOH-)和1034cm^-1(υ-CH₂OH)都有明显的红外吸收，1151cm^-1(υC-O-C)也能看到不明显的红外吸收，这些吸收峰都来自壳聚糖主链环状结构，其中，A、B、C、D分别代表分子量为5.0×10⁵、2.9×10⁴、5.3×10³和2.1×10³的壳聚糖。辐射降解前后，吸收峰的位置没有变化，强度也大多保持不变，只有1078cm^-1(υ-CHOH-)和1034cm^-1(υ-CH₂OH)处吸收峰与其它峰的相对强度随分子量减少逐渐降低。此外，辐照前后都能在897cm^-1处发现稳定的红外吸收，这是壳聚糖环状结构的振动吸收υring。上述结果表明，辐射降解时壳聚糖的化学结构变化不大，壳聚糖主链仍为环状结构。

实施例2

由于壳聚糖的来源不同，生产的厂家不同，其性质比如壳聚糖的分子量，脱乙酰度有较大差别，这样采用实施例1所述方法降解壳聚糖时，可根据不同的情况改变壳聚糖的质量浓度，及加入的过氧化氢的量。如果原始壳聚糖的分子量偏低，比如15万时，可将壳聚糖的浓度提高到25％，加入的敏化剂的浓度也相应提高到30％；如果原始壳聚糖的分子量偏大，比如80万时，可将壳聚糖的浓度降低到16％，加入的敏化剂的浓度也相应降低到16％。然后用盐酸调pH至4，用⁶⁰Coγ-射线在室温下进行辐照，在1～8kGy下辐照所得壳聚糖分子量与实施例1在相同剂量下所得壳聚糖基本相同。

实施例3

将上述实施例1中的盐酸改为醋酸，然后采用同样的步骤，可得到醋酸型的低分子量壳聚糖产品，加入醋酸后在相同的吸收剂量下所得壳聚糖的分子量比在加入盐酸条件下所得壳聚糖的分子量略微高一些，其他性质基本相同。

注：盐酸型或醋酸型的低分子量壳聚糖产品均可直接作为药品及食品添加剂直接使用。

实施例4

将上述实施例1中的过氧化氢改为过硫酸钠，加入的盐酸或醋酸，然后采用相似的辐照及干燥方法，可得到盐酸或醋酸型的低分子量壳聚糖产品，产品中残留过硫酸钠及酸可用实施例1中描述的用乙醇、丙酮或它们的混合液洗涤的后处理方法除去。敏化剂变为过硫酸盐后，在加入敏化剂量相同的情况下，所得壳聚糖的分子量几乎相同，主要的差别是在低分子量壳聚糖分子中存在少量的硫酸基团，即过硫酸盐分解形成的硫酸根自由基与在pH4情况下壳聚糖质子化的氨基通过离子键结合。

注：如果该产品作为植物生长促进剂，可不需要后处理步骤直接使用。

上述实施例所举之例体现了本发明的宗旨，即通过添加不同的敏化剂、采用不同的酸及不同的吸收剂量，以制备不同分子量、不同用途的低分子量壳聚糖。但本发明所保护的不仅限于上述实施例，根据本发明的精神所做的任何修改都属于本发明的保护范畴。