时间：2022-09-25 07:35:02
摘 要：由鱿鱼软骨提取β-甲壳素，利用元素分析方法测定β-甲壳素和α-甲壳素的脱乙酰度（DD），利用X-射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等现代仪器分析手段分析β-甲壳素和α-甲壳素的结构，对β-甲壳素和α-甲壳素的结构进行比较。
关键词：β-甲壳素 α-甲壳素 比较
甲壳素学名为聚[β-（14）-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖]，是线型的糖类高分子聚合物，在自然界中的储量仅次于纤维素，年产量达100万吨，是地球上源源不断的生物可再生资源。它存在于甲壳类节肢类动物的外壳、鱿鱼软骨中，少量存在于其他动植物、真菌和细菌中[1～3]。
在自然界中甲壳素以三种晶型存在，分别为α，β以及γ。α-甲壳素分布最为广泛，属于正交晶系[4]，主要存在于真菌及酵母菌的细胞壁中，虾蟹、贝类等海洋生物的外壳以及昆虫的表皮中。β-甲壳素分子链是平行排列的，属于单斜晶系[5， 6]，也是双折叠的螺旋结构，主要存在于鱿鱼软骨中，或由一些蠕虫及硅藻类、原生动物合成，而β-甲壳素无法在体外合成[7]。γ-甲壳素有着与α-甲壳素、β-甲壳素相似的构型，分子链是两条平行、一条反平行而排列的[8]，主要存在于昆虫的茧中[5]。
一、实验部分
1.原料与仪器
原料：鱿鱼软骨（深圳阳光之路生物材料有限公司）；α-甲壳素（桓台县金湖甲壳制品有限公司）；盐酸；氢氧化钠（分析纯，上海化学试剂有限公司），去离子水。
仪器：傅里叶变换红外光谱仪（Sectrum One Version B，珀金埃尔默仪器有限公司）元素分析仪（Vario EL cube，德国Elamentar公司）；X-射线衍射仪（D8ADVANCE，德国布鲁克斯公司）。
2.β-甲壳素的提取
脱无机盐：将1kg已经洗净晾干并粉碎的鱿鱼软骨碎片浸泡在 1.5 M～9M盐酸溶液中10h～24 h脱去无机盐，料液比为1：1～1：9；然后用水冲洗两遍，用抽滤设备进行抽滤，清洗至滤液的pH值达到7左右，然后放入烘箱中烘干得到已脱掉无机盐的产品。
脱蛋白： 向反应釜中加入1L～8L 1M～5M NaOH溶液，使用高温循环器加热，待反应釜内的温度升高到40℃～80℃时，将已经烘干的已脱掉无机盐的产品浸泡于其中，控制反应釜的温度为40℃～80℃，料液比为1：1～1：10。以300 r/min 的速度搅拌2h～5h。然后待反应釜冷却下来后，将产物取出，用水冲洗至近中性，甩干，然后放入烘箱中烘干得到β-甲壳素产品。
3.α-甲壳素和β-甲壳素结构差异分析
3.1 α-甲壳素和β-甲壳素傅里叶变换红外光谱分析（FTIR）
从图1中可以看出来，α-甲壳素与β-甲壳素是典型的聚糖化合物，有着一系列尖锐的红外吸收峰。2963 cm-1是甲基的不对称伸缩振动，2932 cm-1是甲基的对称伸缩振动；1600多 cm-1是酰胺Ⅰ带吸收峰，1560 cm-1左右是酰胺Ⅱ带的振动吸收峰，1310 cm-1左右是酰胺Ⅲ带吸收峰。从对结构较敏感的酰胺Ⅰ带可以看出α-与β-甲壳素这两种不同结构的区别：α-甲壳素在此波段分裂成1656 cm-1与1621 cm-1两个尖锐的吸收峰，而β-甲壳素则只有1568cm-1一个吸收峰。这是与两种甲壳素的不同分子结构有关，很可能受到C=O…NH氢键作用的影响。α-甲壳素的第一个分裂峰是C=O与相邻单元的NH所形成的氢键伸缩振动引起的，而第二个分裂峰是由C=O与NH以及6-OH的氢键作用引起的，当α-甲壳素被氢氧化钠溶液浸泡消除大部分氢键后，两个分裂峰转变成一个峰了，进一步说明氢键在酰胺Ⅰ带的影响很大。也有可能是，1621cm-1的吸收峰是一个复合峰又或者是由氨基的烯醇结构互变引起的。
3.2 α-甲壳素和β-甲壳素XRD分析
图2为α-甲壳素与β-甲壳素的XRD图谱，各重要晶面的衍射峰在图中已标出。α-甲壳素XRD中的（020）和（110， 040）两衍射峰强度大，峰宽较窄，还有若干个强度较小的晶面衍射峰；而β-甲壳素只有强度较大的（010）和（020， 110）两衍射峰，峰形较宽。表1是根据式1和式2算得的结晶度ICR与粒径大小Dap[110]数值。α-甲壳素两参数均比β-甲壳素大，说明后者的结构较疏松，这有利于溶剂的溶胀，使其化学反应活性较高。
结晶度ICR通过[110]晶面（I110，2θ ≌ 16°）的衍射峰强度与2θ=16°（无定形衍射）位置的衍射强度Iam来求算（见式1），而微晶粒径Dap[110]通过式2求算[9]。
其中，K是常数0.89，λ （A）是X射线的波长，β0是[110]衍射峰的半峰宽，θ （rad）是[110]衍射峰的布拉格角。
3.3α-甲壳素与β-甲壳素脱乙酰度（DD）的测定
通过元素分析来测定α-甲壳素与β-甲壳素的脱乙酰度，根据下面的公式来计算α-甲壳素与β-甲壳素的脱乙酰度，公式如下所示：
天然存在的甲壳素脱乙酰度在10%左右，但是因为来源中含有大量蛋白质和少量无机盐，必须经过碱与酸的处理，在这一提取过程中必然会有少量的脱乙酰反应发生。随着提取条件的不断改善，α-甲壳素和β-甲壳素的脱乙酰度一般可低于10%，脱乙酰度较小。
二、结论
由鱿鱼软骨提取β-甲壳素，用傅里叶变换红外光谱、X-射线衍射法、元素分析方法等现代表征技术确定了β-甲壳素和α-甲壳素的结构差异。由鱿鱼软骨提取得到的β-甲壳素的结构较疏松，β-甲壳素的化学反应活性较高，从而说明了β-甲壳素的应用前景极其广泛。
参考文献
[1] R. A. A. Muzzarelli， C. Jeuniaux and G. W. Gooday. chitin in nature and technology [M]. New York： Plenum Press， 1986： 2-5.
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[3] K. Kurita. Controlled functionalization of the polysaccharide chitin [J]. Progress in Polymer Science， 2001， 26 （9）： 1921-1971.
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[6] K. H. Gardner， J. Blackwell. Refinement of the stucture of β-chitin [J]. Biopolymers， 1975， 14： 1581-1595.
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[9] R. L. Lavall， O. B. G. Assis， S. P. Campana. beta-Chitin from the pens of Loligo sp.： Extraction and characterization [J]. Bioresource Technology， 2007， 98 （13）： 2465-2472.