下载文档原格式
壳聚糖酶降解机制及其在生物医学领域中的应用在生物医学领域中，壳聚糖酶是一个非常重要的酶类。
它有着广泛的降解机制和多样化的应用。
本文将探讨壳聚糖酶的降解机制，并介绍其在生物医学领域中的应用。
壳聚糖是一种多糖类物质，来源于壳类动物的外壳，如虾、蟹等。
由于其生物相容性好、生物降解性强等特点，壳聚糖在生物医学领域中的应用越来越广泛。
而壳聚糖酶就是一类能够分解壳聚糖的酶，其降解机制十分重要。
壳聚糖酶的降解机制包括酶的特异性识别和酶促反应两个方面。
首先，壳聚糖酶通过特异性识别壳聚糖链的特定结构来进行降解。
壳聚糖链主要由N-乙酰葡萄糖胺和葡萄糖两种单糖单元组成，通过1-4型连接结构相连。
壳聚糖酶能够通过其活性位点上的特定氨基酸残基与壳聚糖链上的特定结构结合，从而实现特异性识别。
其次，壳聚糖酶通过酶促反应来降解壳聚糖。
酶促反应通常包括两个步骤：切割和释放。
在切割步骤中，壳聚糖酶作为一个催化剂，将酶和底物反应在一起，产生临时的酶底物复合物。
在释放步骤中，酶底物复合物进一步分解，生成水和新的底物。
通过这个酶促反应，壳聚糖酶能够将长链的壳聚糖分解成较短的壳聚糖片段或单糖单元。
壳聚糖酶在生物医学领域中有着广泛的应用。
首先，壳聚糖酶在药物传输和控释系统中的应用。
由于壳聚糖的生物降解性和药物识别能力，壳聚糖酶被广泛应用于制备药物控释系统。
例如，研究人员可以将药物包裹在壳聚糖微球中，并利用壳聚糖酶在体内逐渐降解微球来实现药物的控释。
其次，壳聚糖酶在组织工程和再生医学中的应用。
壳聚糖酶可以用于制备壳聚糖基质，促进组织的再生和修复。
例如，在骨组织工程中，壳聚糖酶可以用于降解壳聚糖基质，释放细胞因子和生长因子，从而促进骨再生。
此外，壳聚糖酶还可以用于生物传感器和生物分析中。
研究人员可以利用壳聚糖酶特异性识别壳聚糖的特性，开发出用于检测壳聚糖含量的生物传感器。
同时，壳聚糖酶还可以用于生物分析，如壳聚糖酶联免疫吸附试验（ELISA）。
壳聚糖生物降解性能及其在药物缓释中的应用壳聚糖是一种生物可降解的天然聚合物，由葡萄糖和N-乙酰葡萄糖组成。
它具有广泛的应用领域，包括药物缓释系统。
本文将详细介绍壳聚糖的生物降解性能以及其在药物缓释中的应用。
首先，壳聚糖具有良好的生物降解性能。
与合成聚合物相比，壳聚糖在生物体内可以被酶降解为无毒的代谢产物，并进一步被身体排出。
这是由于壳聚糖分子链上的乙酰胺基团可以与生物体内的酶相互作用，从而使壳聚糖被降解。
此外，壳聚糖还具有可调控的降解速度，可以通过改变壳聚糖分子链的取代度或分子量来调节其降解速度，以满足特定的药物缓释需求。
其次，壳聚糖在药物缓释中的应用广泛。
壳聚糖可以用作药物缓释的载体，将药物包裹在壳聚糖颗粒中，并通过控制壳聚糖的降解速度来实现药物的缓释。
这种缓释系统具有以下优势：首先，壳聚糖具有优异的渗透性，可以保护药物免受外界环境的影响，避免药物过早地释放；其次，壳聚糖可以促进药物的稳定性，保持药物的活性；最后，壳聚糖还可以调节药物的释放速率，使药物能够长时间持续释放，从而减少药物的频繁给药。
在壳聚糖在药物缓释中的应用中，最常见的是利用壳聚糖制备微球或纳米颗粒。
壳聚糖微球是将药物包裹在壳聚糖的微球中，通过调节壳聚糖的降解速度来控制药物的释放。
壳聚糖纳米颗粒是将药物包裹在刚硬核心上，然后再利用壳聚糖形成的壳层来控制药物的释放。
这两种缓释系统都具有很强的可控性和稳定性，可以满足药物缓释的需求。
此外，壳聚糖还可以与其他材料结合来制备复合缓释系统。
例如，壳聚糖可以与聚乳酸酸、明胶等生物降解聚合物结合，形成复合纳米颗粒，以实现药物的双重缓释。
此外，壳聚糖还可以与金属离子或金属纳米粒子结合，形成纳米复合材料，以实现药物的靶向缓释。
总之，壳聚糖具有良好的生物降解性能，能够与药物形成稳定的缓释系统。
壳聚糖在药物缓释中的应用潜力巨大，可用于多种药物的缓释。
未来的研究重点将放在进一步提高壳聚糖缓释系统的可控性和稳定性上，以满足临床上不同药物的需求，并加强壳聚糖与其他材料的复合应用研究，以实现更广泛的应用。
壳聚糖生物降解性能及机理研究壳聚糖是一种由脱乙酰壳聚糖（D-glucosamine）和N-乙酸壳聚糖（N-acetyl glucosamine）组成的天然聚合物，广泛存在于贝壳、虾、蟹等海洋生物中。
壳聚糖具有良好的生物相容性、生物可降解性和生物活性，因此在医药、食品、农业和环境领域得到了广泛的应用。
壳聚糖的生物降解性能是其重要的特点之一。
生物降解性是指材料能够被生物体内的酶、酸或微生物等自然环境降解并分解成无害物质。
壳聚糖分子中的羟基和胺基可以通过酶的作用或微生物代谢反应进行降解。
研究表明，壳聚糖在自然环境中可以经过生物降解过程，最终转化为二氧化碳、水和其他可溶性产物。
这使得壳聚糖在环境友好型材料的研究和应用方面具有重要意义。
壳聚糖的生物降解性能与其分子结构和物理化学性质密切相关。
壳聚糖分子中的羟基和胺基的含量以及分布情况对其生物降解性能起着重要的影响。
实验研究发现，壳聚糖中的羟基和胺基含量越高，其生物降解性能越好。
此外，壳聚糖分子的分子量、结晶度和晶态形态等因素也会对其生物降解性能产生影响。
壳聚糖的生物降解机理比较复杂，主要涉及酶降解、微生物降解和自发降解等多种机制。
酶降解是指壳聚糖分子在生物体内通过酶的作用被降解为较小的分子。
一些具有壳聚糖酶活性的酶可以将壳聚糖分解为低聚糖和单糖，并最终转化为能量来源。
微生物降解是指壳聚糖分子在生物体内被微生物代谢降解为无机盐、二氧化碳和水。
许多微生物如真菌、细菌和酵母菌等都具有壳聚糖降解能力。
自发降解是指壳聚糖分子通过自身的物理化学性质，在自然环境中逐渐降解，并最终转化为无害的产物。
然而，尽管壳聚糖具有良好的生物降解性能和机制，但其在应用过程中仍然存在一些挑战。
首先，壳聚糖的生物降解速度相对较慢，需要较长时间才能完全降解。
其次，壳聚糖的生物降解受到环境因素的影响，例如温度、湿度和pH值等。
这些因素可能会影响壳聚糖的降解速率和降解产物。
此外，壳聚糖的降解产物对环境和生物体的影响尚需进一步研究。
壳聚糖材料生物降解机制深入解析壳聚糖是一种天然高分子材料，具有广泛的应用前景。
其生物降解特性使得壳聚糖成为环境友好型材料的理想选择。
本文将深入探讨壳聚糖材料的生物降解机制，以期对其在环境保护与材料科学领域的应用提供理论依据。
壳聚糖的生物降解机制主要包括酶降解和微生物降解两个方面。
酶降解是一种酶介导的化学反应，需要活性酶的参与。
壳聚糖酶是一类特殊的酶，能够切割壳聚糖分子链的特定键位，将其降解为较小的分子。
壳聚糖酶的催化作用使得壳聚糖能够迅速降解，加快被生物吸收和利用的速度。
微生物降解是壳聚糖生物降解的另一个重要机制。
微生物降解是指微生物通过分泌特殊的酶来降解壳聚糖。
在自然环境中，常见的微生物包括细菌、真菌和藻类等。
这些微生物能够通过酶的作用，将壳聚糖分解为易于生物吸收和利用的低分子量产物，进而参与到碳循环中。
壳聚糖在生物降解过程中的速度受到多种因素的影响。
首先，壳聚糖的结构特点影响了其生物降解速度。
壳聚糖由葡萄糖单元组成，其分子量和结晶度决定了降解速度。
分子量较小的壳聚糖更容易被酶降解和微生物利用。
结晶度较低的壳聚糖亦有利于酶和微生物的作用。
其次，环境因素也对壳聚糖的降解产生重要影响。
温度、湿度、pH值等条件会影响酶和微生物的活性，从而影响壳聚糖的降解速度。
壳聚糖材料的生物降解机制对环境保护具有积极意义。
首先，壳聚糖的生物降解过程不会对环境造成污染。
壳聚糖降解产物可被生物吸收和利用，不会对生态系统造成负面影响。
其次，壳聚糖的生物降解过程能够降低废物的处理成本。
传统的废物处理过程需要耗费大量的能源和资金，而壳聚糖的生物降解过程更加经济、高效。
最后，壳聚糖的生物降解机制为开发生物可降解材料提供了思路。
通过深入研究壳聚糖的生物降解机制，可以为寻找其他天然高分子材料的生物降解途径提供参考。
尽管壳聚糖材料的生物降解机制已经被深入研究，但仍然存在一些待解决的问题。
首先，壳聚糖在不同环境下的降解速度有较大差异，这与壳聚糖的来源、处理方式等因素密切相关。
壳聚糖的改性研究进展及其应用壳聚糖是一种天然高分子材料，由于其具有良好的生物相容性、生物活性和生物降解性，因此在工业、生物医学等领域得到了广泛的应用。
然而，壳聚糖也存在一些不足之处，如水溶性差、稳定性低等，因此需要对壳聚糖进行改性研究，以提高其性能和应用范围。
壳聚糖的改性方法主要包括化学改性和物理改性。
化学改性是通过化学反应改变壳聚糖的分子结构，从而提高其性能。
例如，通过引入疏水基团可以改善壳聚糖的水溶性和生物相容性。
物理改性则是通过物理手段改变壳聚糖的形态、结构等因素，以达到提高性能的目的。
例如，通过球磨法可以制备壳聚糖纳米粒子，从而提高其在生物医学领域的应用效果。
目前，壳聚糖的改性研究已经取得了显著的进展。
然而，仍存在一些问题和挑战。
其中，如何保持壳聚糖的生物活性是改性过程中面临的重要问题。
改性后的壳聚糖可能会出现新的毒性问题，因此需要进行深入的毒性研究。
未来，随着壳聚糖改性技术的不断发展，相信这些问题将逐渐得到解决。
壳聚糖在工业、生物医学等领域有着广泛的应用。
在工业领域，壳聚糖可用于制备环保材料、化妆品添加剂、印染助剂等。
例如，通过接枝共聚将壳聚糖与聚丙烯酸制成高分子复合材料，可用于制备可生物降解的塑料袋等环保材料。
在生物医学领域，壳聚糖可用于药物传递、组织工程、生物传感器等方面。
例如，利用壳聚糖制备的药物载体能够实现药物的定向传递，提高药物的疗效并降低毒副作用。
在生物医学领域，壳聚糖还可用于组织工程。
通过将壳聚糖与胶原等生物活性物质结合，可以制备出具有良好生物相容性和生物活性的组织工程支架。
这些支架可为细胞生长提供适宜的微环境，促进组织的再生和修复。
壳聚糖还可用于制备生物传感器，用于检测生物分子和有害物质。
例如，将壳聚糖与酶或抗体结合制成生物传感器，可实现对血糖、胆固醇等生物分子和有害物质的快速、灵敏检测。
壳聚糖作为一种天然高分子材料，具有良好的生物相容性、生物活性和生物降解性，在工业、生物医学等领域得到了广泛的应用。
壳聚糖的降解及其应用研究介绍壳聚糖是一种天然高分子聚合物，具有许多独特的性质和广泛的应用潜力。
本文将探讨壳聚糖的降解机制以及其在不同领域的应用研究。
壳聚糖的降解机制1. 酶降解壳聚糖可以通过酶的作用被降解。
在生物体内，壳聚糖酶是一种特殊的酶，能够将壳聚糖分解为较小的单元，如壳寡糖和壳二糖。
这种酶降解的过程是高度特异性的，壳聚糖酶只能降解壳聚糖，而对其他多糖类物质无作用。
2. 酸降解除了酶降解外，壳聚糖还可以通过酸的作用被降解。
在酸性条件下，壳聚糖分子中的酸性基团会与酸反应，导致壳聚糖链断裂，从而实现降解的目的。
酸降解是一种常见的壳聚糖降解方法，可以通过调节酸性条件的强弱和时间来控制壳聚糖的降解速度。
3. 热降解壳聚糖在高温条件下也可以发生降解。
热降解是一种非常快速的降解方式，可以在短时间内将壳聚糖分解为低分子量的物质。
热降解的温度和时间可以通过调节加热条件来控制，从而实现对壳聚糖降解速度的控制。
壳聚糖的应用研究1. 医药领域(1) 药物传递系统壳聚糖具有良好的生物相容性和生物可降解性，因此在药物传递系统中得到广泛应用。
通过将药物包裹在壳聚糖纳米粒子中，可以增加药物的稳定性和生物利用度，从而提高药物的疗效。
(2) 创伤敷料壳聚糖具有良好的吸水性和抗菌性能，因此被广泛应用于创伤敷料的制备中。
壳聚糖敷料能够吸收伤口渗出液，促进伤口愈合，并具有抗菌作用，可以预防伤口感染。
2. 环境保护领域(1) 水处理剂壳聚糖具有良好的吸附性能，可以用作水处理剂去除水中的重金属离子和有机污染物。
壳聚糖的阳离子性能使其能够与阴离子污染物形成络合物，从而实现水中污染物的去除。
(2) 土壤修复剂壳聚糖可以用作土壤修复剂，帮助修复受到重金属污染的土壤。
壳聚糖能够与土壤中的重金属形成络合物，减少重金属的毒性，同时还能增强土壤的保水性和肥力。
3. 食品工业(1) 保鲜剂壳聚糖具有良好的抗菌性能和膜形成能力，可以用作食品保鲜剂。
将壳聚糖膜覆盖在食品表面，可以有效阻隔氧气和水分的进入，延长食品的保鲜期。
壳聚糖在医药领域的应用研究进展壳聚糖是一种天然多糖，广泛存在于贝壳、虾蟹等海洋生物的外壳中。
由于其优良的生物可降解性、生物相容性和生物活性等特性，壳聚糖在医药领域的应用研究备受关注。
本文将就壳聚糖在医药领域中的应用进行综述。
1. 药物传递系统壳聚糖作为一种生物可降解的材料，可以作为药物传递系统的载体。
壳聚糖纳米粒子可以通过调节粒径、表面电荷和形态等参数来实现药物的控制释放。
同时，壳聚糖纳米粒子具有目标导向性，可以通过改变表面修饰物实现对特定细胞或组织的靶向输送。
2. 伤口愈合和组织工程壳聚糖在伤口愈合和组织工程领域也有广泛应用。
壳聚糖可以促进伤口愈合过程中的上皮细胞迁移和增殖，有助于提高伤口愈合速度和质量。
此外，壳聚糖在组织工程中也可以用作支架材料，为细胞的定向生长和组织再生提供支持。
3. 维持血液稳定性壳聚糖能够吸附血浆中的一些不同形式的蛋白质，从而防止蛋白质的降解和活性的丧失。
此外，壳聚糖还能够吸附血液中的一些有害物质，如胆固醇和甘油三酯，减少其在人体内的积累，维持血液的稳定性。
4. 肿瘤治疗壳聚糖具有识别肿瘤细胞的能力，可以被用作肿瘤靶向治疗的载体。
通过改变壳聚糖的化学修饰，可以将化疗药物等载药物负载到壳聚糖纳米粒子中，增强其抗肿瘤活性，同时减少对正常细胞的毒性。
5. 动脉粥样硬化治疗动脉粥样硬化是一种血管疾病，壳聚糖作为一种生物相容性好的材料，被广泛应用于动脉粥样硬化的治疗中。
壳聚糖能够通过与血小板的相互作用，调控血小板的凝聚和血栓的形成，从而防止动脉粥样硬化的进展。
6. 抗菌和消炎壳聚糖具有一定的抗菌性能，可以与微生物表面的负电荷相互作用，影响其生理功能和细胞壁的完整性。
此外，壳聚糖还具有消炎作用，可以抑制炎症细胞的活化和炎症因子的释放。
总结起来，壳聚糖在医药领域的应用研究表明其在药物传递系统、伤口愈合和组织工程、维持血液稳定性、肿瘤治疗、动脉粥样硬化治疗以及抗菌和消炎方面具有广泛应用前景。
超声波辅助氧化剂降解壳聚糖的研究
超声波辅助氧化剂降解壳聚糖
近年来，由于全球变暖和生态污染，壳聚糖已经成为空气污染的一大源。
但壳聚糖的降解是一项技术难题，由于其在空间结构上的不稳定性，很难被降解。
因此，研究人员一直在寻求更高效安全的降解方法。
最近，相关研究表明，超声波辅助的氧化剂可以将壳聚糖降解成水和碳氢化合物，改善空气质量，维护环境卫生。
此外，这一降解技术有强大的分子层次上的活性氧，可与表面吸附的有机物结合，极大地缩短（壳聚糖）的降解时间，比传统的氧化方法更有效。
首先，超声波可以在体系中生成活性自由基，使氧的分子活化，氧的分子迅速形成水，有机物被迅速氧化，有利于壳聚糖的快速降解。
此外，由于超声波的可塑性，氧化剂可以分散在体系中，从而提高氧化剂对壳聚糖的降解效率。
最后，此项研究还显示出，超声波辅助氧化剂降解壳聚糖不受水PH等因素的影响，PH值范围从弱碱性到强酸性仍可在较慢的水流环境下有效地降解壳聚糖，从而克服了水质对氧化剂降解效率的影响。
因此，超声波辅助氧化剂降解壳聚糖是非常有效的，也是最可行的技术手段。
它具有快速作用、保证安全性、不受水质影响、可以同时完成几种类型的降解等优点，为气体污染物的减排提供了一种可行的技术手段。
然而，此技术尚未应用于实际情况，仍需要进一步的技术革新和开发，以期以更高效、更安全的方式降解壳聚糖，维护环境卫生，改善空气质量。
壳聚糖的生物降解机制及其在环境保护中的应用前景概述壳聚糖（Chitosan）是一种天然的多糖，由脱乙酰壳聚糖（DA-C）经碱性水解得到。
它具有丰富的氨基和羟基官能团，因此具有多样的应用潜力。
壳聚糖在生物降解中的机制以及其在环境保护中的应用前景备受关注。
本文将重点讨论壳聚糖的生物降解机制，并探讨其在环境保护领域中的各种应用前景，包括废水处理、土壤修复、农药包埋技术等。
壳聚糖的生物降解机制壳聚糖的生物降解主要通过酶的介导进行。
在生物体内，壳聚糖酶（Chitosanase）能够水解壳聚糖的β-1,4-糖苷键，产生壳寡糖。
壳寡糖可以通过葡萄糖转运蛋白进入细胞内，然后被葡萄糖酶降解为葡萄糖。
此外，细菌和真菌也是壳聚糖生物降解的重要参与者。
例如，一些厌氧菌和厌氧真菌能够分解壳聚糖并产生甲烷和酒精。
在水环境中，壳聚糖具有吸附有机物质和重金属离子的能力，通过这种吸附作用降低了有害物质对环境的污染。
此外，壳聚糖还具有调节土壤微生物群落结构和增强土壤生物酶活性的作用，进而促进土壤有机质的降解与循环。
壳聚糖在环境保护中的应用前景废水处理废水中的有害物质如重金属、有机物和细菌等对环境和人体健康造成巨大威胁。
壳聚糖作为一种天然的吸附剂，具有吸附废水中的有害物质的能力。
研究表明，壳聚糖可以有效吸附废水中的重金属离子，如铅、铜和镉等。
此外，壳聚糖还能吸附废水中的有机物质以及一些致病细菌，起到净化水体的作用。
土壤修复土壤污染是一个严重的环境问题，壳聚糖作为土壤修复的一种生物材料，具有广阔的应用前景。
壳聚糖可以通过吸附有机物质和重金属的能力，将其从土壤中去除。
此外，壳聚糖还可以通过调节土壤微生物群落结构和增强土壤酶活性的方式，促进土壤有机质的降解与循环。
这种修复方法无需添加大量化学药剂，对土壤生态环境的破坏较小，因此具有很大的应用潜力。
农药包埋技术农药在农业生产中的广泛使用已导致土壤和水体的污染。
壳聚糖作为一种高分子材料，可以用于农药包埋技术，减少农药的径流和渗透，降低对环境的污染风险。
技术进展 Technology Progre ss壳聚糖降解研究进展李 治 刘晓非 杨冬芝 管云林 姚康德(天津大学材料科学与工程学院,天津,300072)提 要 壳聚糖已被广泛应用于化工、环保、医药等众多领域,将壳聚糖降解到需要的分子量是其应用的前提。
本文介绍并评述了化学降解、物理降解和生物降解等壳聚糖降解方法的研究进展。
关键词 壳聚糖,降解,分子量,低聚物 壳聚糖是甲壳素的脱乙酰化产物,在自然界中的储量非常丰富,广泛存在于虾、蟹和昆虫的外壳及藻类、菌类的细胞壁之中,是年产量仅次于纤维素的第二大天然高分子,也是迄今为止发现的唯一天然碱性多糖。
壳聚糖是分子链由β2(104)222乙酰胺基2 D2葡糖单元和β2(104)222氨基2D2葡糖单元组成的共聚物,以分子量和脱乙酰化度来表征。
近年来随着研究的深入,壳聚糖在化工、环图1 壳聚糖保、食品、印染、纺织、生物医药等方面展现出广泛而独特的应用价值:可用作微量金属离子提取剂、纸张添加剂、胶卷增感剂、废水处理中的高效絮凝剂、化妆品中的保湿剂、食品添加剂和保藏剂以及印染固色剂[1～4];可用于制造催化功能膜和各种形式的能量转换膜,可提高巨噬细胞的吞噬功能,抑制肿瘤生长[5～7];是肠道有益细菌双歧杆菌的增殖因子,能降低胆固醇和血脂[8];可用于制造药物可控释放膜、可吸收的手术缝合线以及人工透析膜等等[9～11]。
但是,一般由甲壳素脱乙酰化制得的壳聚糖分子量很大,并且有紧密的晶体结构,不溶于普通溶剂,只能在某些酸性介质中溶解,这使壳聚糖的应用受到极大限制;另外,研究表明分子量对壳聚糖的性质有很大影响,不同分子量的壳聚糖性质差异很大,有时甚至表现出截然相反的特性[12,13],而壳聚糖的许多独特功能只有在分子量降低到一定程度时才表现出来。
因此,选择适当的方法对壳聚糖进行降解就显得尤为重要。
目前,国内外学者提出的降解方法主要有化学降解、物理降解和生物降解三大类。
1 化学降解111 用N a N O2降解将壳聚糖溶解于质量分数为10%乙酸溶液中,在搅拌下缓慢滴入一定量的NaNO2溶液,于4℃下静置一段时间,使—NH2发生重氮化反应,脱去一分子N2,引起分子内重排使大分子链断裂,再用NaBH4还原端基,完成降解反应[13]。
反应过程如图2所示。
这是传统的化学降解方法,降解产物的分子量可以通过改变NaNO2的加入量和反应时间来控制,国内常用此法降解壳聚糖并提取产物中的单糖组分。
该法的主要缺陷在于:(1)产品的分子量分布太宽,均一性差;(2)降解过程中破坏了氨基,理论上加入1摩尔NaNO2就要消耗1摩尔氨基,而壳聚糖良好的生物相容性主要由氨基提供[14],同时分子链上存在足够数量的氨基也是壳聚糖进行进一步改性的重要前提,氨基数量的减少将会使壳聚糖的应用受到限制;(3)生产的三废污染严重。
国家自然科学基金资助项目,N o.59773002。
图2 NaNO 2降解壳聚糖的反应历程112 在酸性条件下水解常将壳聚糖溶于一些无机酸如磷酸[15]、盐酸[16]中加热到一定温度进行降解。
这种方法简便易行,但产品分子量分布宽,同时产物分离提纯困难,生产成本高,污染严重。
1997年,Emmanuel Belamie 等人提出了壳聚糖固态降解法,即在少量水的存在下用氯化氢气体对固体片状壳聚糖(脱乙酰化度大于9715%)直接进行降解[17]。
这种方法可以通过改变氯化氢气体用量和反应温度控制降解速度,从而方便地制得某特定分子量的产品。
与以往将壳聚糖完全溶解于无机酸的降解方法相比,固态降解法仅用少量的水作为增塑剂增大固体壳聚糖中的自由体积(V f ),使非晶区溶胀来促进降解,节省了生产时间和产品分离提纯的费用。
反应结束后,过量的氯化氢可以用干空气洗出回收,降低了生产成本,减少了环境污染。
但是由于固体壳聚糖中晶区分子链排列比非晶区相对紧密,不易溶胀,造成了非晶区降解程度大于晶区,使得产品的分子量分布较宽,均一性变差。
113 氧化降解壳聚糖在氧化剂的存在下可以进行氧化降解[18]。
H 2O 2是一种很强的氧化剂,在酸、碱和中性条件下都可以使壳聚糖主链上的β2(104)糖苷键发生氧化而断裂,得到相对分子质量小于115万的水溶性壳聚糖,其中以碱性条件下的氧化降解效果为最好,如表1所示[19]。
表1 70℃、不同pH 值条件下H 2O 2氧化降解壳聚糖(相对分子质量3×105)的结果pH 值反应时间/h收率/%产物相对分子质量2～3840106007446740011153607600 H 2O 2氧化降解法中,较高的反应温度和H 2O 2浓度有利于降低产物的分子量,提高水溶性壳聚糖的收率,但是工艺条件较难掌握,反应的稳定性和重复性差;另一方面,若温度和H 2O 2浓度过低,则需要延长反应时间,这会影响产品的外观品质。
研究表明,在60～70℃、H 2O 2的质量浓度为10～50g/L 条件下反应的重复性好,产品的外观品质高[19]。
用H 2O 2氧化降解壳聚糖无毒,无副产物,是一种理想的化学降解方法。
2 物理降解211 γ射线照射下的辐射降解壳聚糖在γ射线的照射下可发生降解反应。
作者采用C o60辐射源以不同的辐射剂量分别在大气环境和真空环境下对相对分子质量为2714万的壳聚糖进行照射,得到了一系列低分子量壳聚糖。
辐射降解产品的分子量与辐射剂量的关系如图3所示。
图3 不同环境下降解产物的相对分子质量与辐射剂量的关系由图3可知,γ射线的照射可显著降低壳聚糖的分子量,开始降解速度很快,随着辐射剂量的增图4 光降解反应机理加,降解速度逐渐下降,当辐射剂量达到100kG y以上、相对分子质量下降到5万以下后降解速度变得十分缓慢。
真空环境下的负压破坏了壳聚糖的网络结构,有助于降解反应。
红外光谱分析表明,在γ射线的照射下,壳聚糖主链上的β2(104)糖苷键发生断裂,导致分子量下降,辐射降解过程中没有产生羰基,也没有使壳聚糖发生交联,形成支链或网状结构。
辐射降解是无须添加物的固相反应,成本低,反应易控,无污染,产品品质高,降解后壳聚糖的生物相容性不受影响,具有广阔的发展前景。
212 光降解 紫外线、可见光和红外线对壳聚糖的辐照也可以引起降解反应,俗称光降解[20]。
当辐照光的波长小于360nm 时降解反应较明显。
红外光谱分析表明,光降解过程中壳聚糖分子链上的乙酰胺基葡糖单元发生脱乙酰化反应,导致氨基的数量增加,同时使β2(104)糖苷键断裂,但降解过程中生成了羰基,这一点与γ射线引起的辐射降解不同。
研究认为壳聚糖的光降解按图4所示的机理进行。
213 超声波降解 超声波对壳聚糖的降解作用是十分明显的。
选用适当频率和功率的超声波照射壳聚糖,能有效地将大分子链打断。
日本的景世兵等人用28kH z 的超声波对溶解于稀盐酸之中的壳聚糖作用30h ,得到了分子量很低的产品(聚合度3～12)。
升高温度和延长照射时间有利于降低产物的分子量,如图5所示[21]。
另有研究表明,延长超声波的作用时间可以使降解产物的分子量分布明显变窄,从而得到较为均一的低分子量壳聚糖[22];同时降解过程中氨基的含量不变[23]。
与化学降解相比,超声波降解的用酸量明显减少,后处理过程大为简化,对环境的污染也大大降低。
但是该法突出的缺点是收率太低,导致生产成本过高,要实现工业化还有待于进一步的研究。
图5 不同温度下体系粘度与超声波照射时间的关系3 生物降解311 酶降解壳聚糖酶是壳聚糖的专一水解性酶,自然界中的壳聚糖绝大部分由壳聚糖酶催化水解成小分子,但是商业中壳聚糖酶的价格昂贵,不易得到。
近年来研究发现许多种酶如蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、葡萄糖酶和胰酶等对壳聚糖具有非专一性水解作用,也可用来催化水解壳聚糖得到低分子量产品[24～26]。
Riccardo A. A.Muzzarelli 等人的研究结果表明,麦胚脂肪酶在微酸条件下可有效地降解壳聚糖,并且不改变壳聚糖的脱乙酰化度,但产品的分子量分布很宽。
这一酶解反应不遵循普通的酶反应动力学模型,反应速度很快,体系粘度在开始反应10min 后就下降到初始值的35%[25]。
与之相似,木222000年第6期 化工进展瓜蛋白酶也可在微酸条件下有效地降解壳聚糖,同样具有很高的降解速度(体系粘度可在1h内下降到初始值的6%)[27]。
同时进一步研究表明,木瓜蛋白酶倾向于优先降解比较长的分子链,与麦胚脂肪酶相比,产品分子量分布窄,并且平均分子量低。
另外,木瓜蛋白酶只选择性地作用在两端分别连接乙酰胺基葡糖单元和氨基葡糖单元的β2(104)糖苷键上[28],所以这种降解方法要求壳聚糖的脱乙酰化度不能太高,以60%左右为宜,以保证分子链上含有一定数量的乙酰胺基葡糖单元。
木瓜蛋白酶价格低廉,容易得到,用它降解壳聚糖,反应中酶的活性不变,经过提取后可重复利用,降低了生产成本,是一种具有工业化潜力的降解方法。
与化学降解相比,酶降解反应条件温和,降解速度快,克服了化学降解产品分子量分布宽、均一性差的缺点,是一种较为理想的降解方法。
312 在人体内的降解值得注意的是,人的血清中所含的溶菌酶对壳聚糖也有明显的降解作用[29,30]。
尽管用溶菌酶降解壳聚糖尚难实现工业化,但这为壳聚糖应用于制造可被人体吸收的医用植入材料提供了重要的前提。
研究表明,在体内溶菌酶对壳聚糖的催化水解速度随着脱乙酰化度的升高而降低,如式(1)所示[29],脱乙酰化度达到100%的壳聚糖则不能在体内被溶菌酶催化水解。
r∝(1-De)415(1)式中,r为壳聚糖在体内溶菌酶催化作用下的降解速度;De为壳聚糖的脱乙酰化度。
与之相反,提高壳聚糖的脱乙酰化度,增大分子链上的氨基含量却有利于降低植入材料表面的Z eta电势,从而改善其生物相容性,降低组织排斥作用。
综合两方面的因素考虑,用作医用植入材料的壳聚糖脱乙酰化度应控制在69%～73%范围内为宜[14]。
4 展望降解是壳聚糖广泛应用的前提,壳聚糖的降解方法很多,各自具有不同的应用条件和特点,根据不同的需要选择适当的降解方法是制备低分子量壳聚糖的关键。
成本低,工艺简单,产品均一,无污染是壳聚糖降解方法的发展方向。
目前,由于低分子量壳聚糖价格比较昂贵,国内仅部分轻工行业有少量使用,还不能在所有的应用领域实现商品化,这与壳聚糖广泛的用途和我国丰富的甲壳素资源显然是不相称的。
研究实用、高效的降解方法将会带来可观的经济效益和社会效益。
5 参考文献1 夏文水,吴焱楠.无锡轻工大学学报,1996,15(4):297～3022 Y u G L,et al.Chin J Oceanol Limnol,1996,14(2):189～192 3 Y ouns ook Shin,et al.J Appl P olym Sci,1998,67:1515～15214 刘万顺等.中国甲壳资源研究开发应用学术研讨会论文集,青岛.1997.5～135 Suzuki,et al.M icrobiol Immunol,1986,30:777～7876 Muzzarelli R A A,et al.Chitin:Ox ford Pergam on Press,19777 刘环淑.食品工业(台湾),1994,26(1):26～368 D omard A,et al.E lsever Applied Science,London and New Y ork, 1992.387～3929 Orienti I,et al.J M icroencapsulation,1996,13:463～47210 Thacharodi D,et al.Biomaterials,1996,17:1307～131111 陈天等.生物医学工程学杂志,1989,6(1):60～6312 张虞安.海洋药物,1988,27(3):2413 T okura S,et al.New M acrom olecular Architecture and Functions.Proceedings of the OUMS’95.T oy onaka:S pring2Verlag Berlin Hei2 delberg,1996.199～20714 K enji T om ihata,et al.Biomaterials,1997,18:567～57515 Hasegawa M,et al.Carbohydr P olym,1993,20:27916 D omard A,et al.Int J Biol M acrom ol,1989,11:19717 Emmanuel Belam ie,et al.J P olym Sci:Part A:P olym Chem, 1997,35:3181～319118 Allan G G,et al.Carbohydr Res,1995,277:25719 盛以虞等.中国药科大学学报,1992,23(3):173～17620 Anthony L Andrady,et al.J Appl P olym Sci,1996,62:1465～147121 公开特许公报,特开平9231105,199722 R ong Huei Chen,et al.Carbohydr Res,1997,299:287～29423 王伟等.化学通报,1989,9:4424 T erbojevich M,et al.Carbohydr Res,1993,250:301～31425 Muzzarelli R A A,et al.Enzyme M icrob T echnol,1995,17:541～54526 Y alpani M,et al.Carbohydr Res,1994,256:159～17527 Muzzarelli R A A,et al.Enzyme M icrob T echnol,1994,16:110～11428 T erbojevich M,et al.Carbohydr P olym,1996,29:63～6829 K jell M Varum,et al.Carbohydr Res,1997,299:99～10130 Ragnhild J N ordtveit,et al.Carbohydr P olym,1996,29:163～167李 治 男,25岁,博士生。
