甲壳素和壳聚糖的结晶度和亲水性

摘要

对甲壳素和壳聚糖的初始样品和研磨样品的结构进行了广角研究x射线散射(WAXS)和水蒸气的吸附。为了确定晶体的结晶度，采用了一种改进的WAXS方法，该方法基于晶体和非晶态域的x射线衍射积分强度之间的计算关系。计算结果表明，初始甲壳素的实际结晶度为0.72，初始壳聚糖样品的实际结晶度为0.57。短时间球磨后，样品结晶度下降，而长时间球磨后，样品完全非晶化。含有疏水乙酰基的甲壳素对水蒸气的吸附比含有亲水乙酰基的壳聚糖低。样品的吸附能力与其吸附程度成反比结晶度．结晶度的降低促进了样品吸附能力的提高。这证明了水蒸汽的吸附机理是水分子被吸附到亲水聚合物的非晶态区域。水蒸气吸附结果计算出的样品结晶度与WAXS法得到的样品结晶度接近。

关键字

甲壳素，壳聚糖，结晶度，吸附能力，相关性

简介

甲壳素是最丰富的纤维素由1,4-β- n -乙酰-2-氨基脱氧葡萄糖单位组成的衍生物[1，2］．在自然界中，几丁质存在于节肢动物和昆虫的外骨骼、软体动物的壳、头足类动物的笔和喙、一些真菌的细胞壁等。该聚合物的资源量估计为1000亿吨[3.］．在商业上，可从螃蟹、虾和龙虾的壳中分离甲壳素，方法是先用酸性除去碳酸钙，然后用碱性提取蛋白质和漂白。[2］．甲壳素是碱性脱乙酰法生产2-氨基脱氧纤维素或壳聚糖等纤维素衍生物的主要原料。天然壳聚糖存在于某些真菌的细胞壁中，例如毛霉菌科[3.］．

几丁质，尤其是壳聚糖具有独特的商业价值，比如低毒，抗菌活性、生物相容性、生物降解性和吸附能力[1，2，4-7］．目前，这些聚合物有广泛的应用，包括医药、化妆品、生物技术、生物复合材料、造纸、农业、水净化等。因此，几丁质和壳聚糖样品需要一个详细的结构表征。各种方法用于测定分子量、乙酰基和氨基、湿度、残余蛋白质和矿物质含量等[2，6］．

甲壳素和壳聚糖的超分子结构研究表明，这些纤维素衍生物是线性半晶聚合物[8，9］．由氢键连接的线性大分子形成了这些聚合物的超分子结构，由称为微原纤维的纳米纤维束组成。每个微纤维都是由有序的晶体和沿纤维统计交替的低有序非晶(非晶)域组成[9］．x射线研究表明几丁质的晶体可以是α-和β-多晶形式[10-12］．α-型最丰富;这种形式存在于从螃蟹、虾、磷虾、龙虾、昆虫以及真菌和酵母细胞壁中分离出来的几丁质样品中。这种罕见的β-多态性存在于从乌贼、管虫和其他来源中分离出来的几丁质样品中。

α-几丁质的晶胞呈P2空基正交₁2₁2₁β-几丁质为P2族单斜晶胞₁［10-12］．β形态的几丁质是不稳定的，可发生晶内膨胀[13］．此外，经过一些处理后，β型几丁质不可逆地转变为更稳定的α-多态[14］．几丁质样品的x射线衍射图显示，晶胞的(020)面和(110)面在2θ处分别为9-9.5°和19-19.5°，并有一些弱峰。壳聚糖的结晶单位细胞也是正交的，空间基为P2₁2₁2₁x射线衍射图在2θ处有两个衍射峰，从(020)面衍射约10-10.5°，从(110)面衍射约20-20.5°[15］．因此，由于壳聚糖的去乙酰化，结晶峰移动到一个更高的2θ角[16］．

然而，甲壳素和壳聚糖的结晶相含量或结晶度等结构特性研究尚不充分。主要原因是，大多数研究都局限于所谓的结晶度指数(CrI)的评价，即基于峰高之比的计算:CrI = (I_o-我)/我_o，在那里我_o为晶峰高度，Iam为非晶态散射高度[16，17］．结晶度指数是几种样品中结晶度的比较含量。它可以表明哪个样品的结晶度大，哪个样品的结晶度小，但它没有透露实际的结晶度，即聚合物中结晶部分的重量部分。用不同的晶体高度计算了甲壳素和壳聚糖样品的CrIx射线衍射在2θ为12°、12.6°或16°时，无论是否减去寄生背景散射，(110)或(020)平面的峰值和非晶态散射高度[16-21］．根据x射线衍射图总面积除以结晶面积和背景面积，提出了其他结晶度指标[22］．对几丁质样品结晶度指数的研究表明，对同一样品不同的计算方法，可得到CrI在0.57 ~ 0.93之间的不同值[23，24］．不同方法计算的壳聚糖样品的结晶度指数也可在0.4至0.8的较大范围内变化[20.，25-27］．因此，基于CrI估计甲壳素和壳聚糖样品结晶度的结果是值得怀疑的。

为了确定实际的结晶度，需要进行定量x射线相分析，这需要符合一定的条件，即[28]：

-样品必须是无纹理的粉末形式;

-应减去寄生x射线背景;

-实验衍射图需要修正;

-与晶体和非晶体区域相关的散射区域应从修正的衍射图中分离出来;

-应使用晶体散射和非晶体散射的综合强度(面积)来计算结晶度。

间接估计结晶度的方法是测量聚合物样品的亲水性。由于水蒸汽的吸附发生在亲水聚合物的非结晶(非晶)区域，结晶越少的样品将吸收更多的水蒸汽，反之亦然。壳聚糖对水蒸气的吸附研究表明，壳聚糖对水蒸气的吸附能力随脱乙酰度(DD)的增加而降低[29］．这种现象可以用样品的结晶度对吸附能力的影响来解释。

因此，尽管有大量的出版物，关于几丁质和壳聚糖样品结晶度的数据是不确定的。这使得理解这些聚合物的真实结构组织及其在各种处理后的变化变得复杂。因此，本文的主要目的是测定甲壳素和壳聚糖样品的实际结晶度，建立样品结晶度与其吸附能力之间的定量关系。

实验

材料

壳聚糖和蟹壳分离甲壳素的纯化粉(MW=400 kDa;DD=85%)均取自Sigma-Aldrich。为了降低结晶度，最初的样品在实验室的球磨机中使用陶瓷球以250 rpm的速度研磨5小时和24小时。

广角x射线散射

将等质量(250毫克)的干粉末压成片剂(直径15毫米，厚度1.5毫米)，用于waxs实验。使用Rigaku-Ultima Plus衍射仪(CuK_α-辐射，λ=0.15418 nm)。记录衍射图后，减去由空气、仪器、康普顿散射、原子分子热搅动和晶格变形引起的寄生背景(bg)。为了校正衍射图，将x射线强度分为修正系数K(θ)，其中包括洛伦兹偏振因子(LP)和x射线束的初始强度(J): K(θ) = JLP [28］．此外，校正衍射图的总集成强度(总面积)被分为晶体(Cr)和非晶态(Am)散射区(图1、2)．为此目的，对非晶态样品的x射线散射剖面进行了类似的转移(图3)．最后计算样品的实际结晶度(X)，计算结果如下:

(1）

我在哪里_o为校正衍射图减去寄生背景后的总强度(bg);Icr为晶体散射强度;Fcr为晶体散射面积;Fam是无定形散射面积。

为了进行比较，在事先去除背景后，还估算了结晶度指数(CrI):

（2）

其中Io是(110)峰的高度，I_我是2θ = 16°时的非晶态散射高度[20.］．

水蒸气吸附

吸附实验在25°C下使用带有螺旋弹簧石英刻度的真空Mac-Ben仪器进行。在开始实验之前，样品在105°C干燥至恒重，并在吸附装置中除气。

结果与讨论

初始几丁质样品的x射线衍射图是典型的α-多态性，在2θ 9.2°和19.0°有两个表达峰(图1、4)．这些峰是由晶格的(020)和(110)面x射线衍射产生的，面间距分别为0.96 nm和0.47 nm。壳聚糖初始样品的衍射图在2θ为10°处有一个弱峰，在2θ为20°处有一个较强的衍射峰，这是由晶格的(020)和(110)面衍射引起的，其面间距离分别为0.88 nm和0.45 nm， (图2、5)．

在相对较短的时间内(5 h)对初始样品进行球磨后，样品部分脱晶导致衍射峰强度降低(图4、5)．长时间的研磨(24小时)导致样品完全脱晶，并且在2θ≈20o时具有一个最大值，这是聚合物的典型非晶相状态(图3)．

基于改进的waxs -方法，由式(1)计算得到，初始几丁质的实际结晶度为0.72，初始壳聚糖样品的实际结晶度为0.57 (表1)．短时间研磨(5 h)使样品的结晶度降低到0.40-0.45，而长时间研磨(24 h)使样品完全非晶化。然而，结晶度指数的计算值明显较高，与样品中结晶相的实际含量不符。即使是非晶态样品的结晶度指数也高于零，为0.42至0.46，这显然是错误的。

蒸汽的吸附通常通过等温线来描述，该等温线表明吸附剂中山梨酸盐的相对量(A, g/g)是相对蒸汽压(φ = p/p)的函数_o)在恒定温度下(例如25°C)。实验结果表明，壳聚糖和甲壳素对水蒸气的吸附等温线与纤维素对山梨酸酯的吸附等温线(图6、7)．晶态较多的初始样品的吸附能力低于部分或完全非晶化的样品(图8、图9)．结晶度的增加导致样品吸附能力的降低。

对非晶态样品的吸附等温线比较表明，含疏水乙酰基的甲壳素的吸附能力低于只含亲水羟基和胺基的壳聚糖。

为了使s形等温线线性化，可以应用以下热力学方程[30.]：

（3）

其中Ao为φ = 1处的最大吸附值;K是系数。

文中给出了非晶态样品对水蒸气吸附的线性等温线图10．

从线性化的等温线得到了吸附参数Ao和K。这使得我们可以用下面的方程来计算乙状线等温线:

（4）

其中对于几丁质样品Ao = 0.4 g/g;K=2.7, DD=85% Ao = 0.5 g/g的壳聚糖样品;K = 2.7;X_年代是结晶度。

由式(4)可从吸附实验中确定样品的结晶度(XS)。为此，在蒸汽的相对压力φ = 0.5时，使用吸附值A0.5 (g/g)是方便的。然后:

（5）

其中，几丁质的系数n= 7.15，壳聚糖DD=85%的系数n= 5.65。

由水蒸气吸附结果计算的结晶度与WAXS方法得到的结构特征(表2)．

研究表明，非晶态样品的吸附能力高于结晶样品。由此可见，结晶度的降低和非晶态畴含量的增加有助于提高样品的吸附能力。这证明了水蒸汽的吸附机理是水分子被吸附到亲水聚合物的非晶态区域。

结论

结晶度是影响聚合物各种性能的重要结构特征。这一特性也使我们能够了解聚合物的超分子结构。遗憾的是，用晶体衍射峰高度与2θ无定形散射高度之比(12°、12.6°或16°)测定甲壳素和壳聚糖样品的结晶度的方法不够正确。然而，实验表明，样品的无定形x射线散射最大值出现在2θ≈20°，而不是在12 ~ 16°的2θ范围内。此外，从峰高的比值来评价结晶度在理论上是不合理的，因为峰高与晶相或非晶相的含量不成正比。只有当x衍射的积分强度(面积)被使用时，才能观察到相位比例定律[28］．在本研究中，采用一种改进的方法来确定晶体的结晶度，该方法是基于计算晶相和非晶相的x射线衍射积分强度之间的关系。计算结果表明，初始几丁质的实际结晶度为0.72，初始壳聚糖的实际结晶度为0.57。短时间球磨后，样品结晶度下降，而长时间球磨后，样品完全非晶化。与结晶度相比，结晶度指数给出了明显较高的值，但与样品中结晶相的实际含量不相对应。

壳聚糖和甲壳素对水蒸气的吸附等温线均为s型，其热力学方程为a = a_o(1 - x_年代)/(1 - K nφ);其中φ为相对蒸气压;Ao为φ = 1处的最大吸附值;X_年代是结晶度;K是系数。实验表明，含疏水乙酰基的甲壳素的吸附能力低于只含亲水羟基和胺基的壳聚糖。

由研究可知，样品的吸附能力与结晶度成反比。结晶度的降低和非晶态结构域含量的增加促进了样品吸附能力的提高。这证明了水蒸汽的吸附机理是水分子被吸附到亲水聚合物的非晶态区域。

水蒸气吸附结果计算出的样品结晶度与WAXS法得到的样品结晶度接近。

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