离子强度对壳聚糖分子链构象的影响

张 威1，夏文水2,*

（1.武汉轻工大学食品科学与工程学院，湖北 武汉 430023；

2.江南大学食品学院，食品科学与技术国家重点实验室，江苏 无锡 214122）

摘 要：通过特性黏度法和光散射法研究离子强度对高（712.6 kD）、中（205.8 kD）、低（76.4 kD）3种分子质量壳聚糖分子链构象的影响。结果表明：随着离子强度的增加，3 种壳聚糖的特性黏度均降低，分子链均方旋转半径也表现出下降趋势。壳聚糖分子质量越高，分子链刚性度越低。溶液中离子强度升高时，质子化氨基逐渐被反离子屏蔽，这可能是壳聚糖特性黏度和分子链均方旋转半径下降的原因。因此，壳聚糖的增稠效果可通过控制环境条件改变壳聚糖的分子链构象进行调节。

关键词：壳聚糖；离子强度；链刚性度；均方旋转半径；Zeta电位

Effect of Ionic Strength on Chain Conformation of Chitosan

ZHANG Wei1, XIA Wen-shui2,*

(1. College of Food Science and Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China; 2. State Key Laboratory of Food Science and Technology, School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Abstract: The effect of ionic strength on the chain conformations of high (712.6 kD), medium (205.8 kD) and low (76.4 kD) molecular weight chitosan was studied by intrinsic viscosity and static light scattering. Our results showed that the intrinsic viscosities and mean square radiuses of the three samples decreased with increasing ionic strength. The chain stiffness of chitosan became weak as the molecular weight increased. With an increase in ionic strength, the protonated amino groups of chitosan chains were gradually screened by counter ions, which might account for the decrease in intrinsic viscosity and mean square radius of gyration. This study indicated that the thickening effect of chitosan could be regulated by changing its chain conformation through the adjustment of environment factors, which would be helpful for its application as a thickener in food systems.

Key words: chitosan; ionic strength; chain stiffness; mean square radius of gyration; Zeta potential

中图分类号：TS201.7 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）09-0034-04

doi:10.7506/spkx1002-6630-201409008

壳聚糖是由氨基葡萄糖和N-乙酰氨基葡萄糖通过β-1,4糖苷键连接而成的生物大分子聚合物[1]，具有促进伤口愈合[2]、降血糖[3-4]、降血脂[5]、抗氧化[6-7]、抑制微生物生长[8-9]等多种生理活性。作为一种功能性氨基多糖，壳聚糖在食品工业中应用越来越广泛。Kataoka等[10]研究发现，在鳕鱼糜中添加1.5%的壳聚糖在一段时间可使凝胶强度加倍。张茜等[11]研究发现添加1%壳聚糖链鱼糜的凝胶强度与添加4%淀粉效果相当，是鱼糜制品良好的品质改良剂。

我国于2007年已批准壳聚糖作为食品增稠剂使用。壳聚糖的增稠效果与其所处环境有一定的联系[12-13]，盐浓度（离子强度）是其中非常重要的一个因素。目前，国内外均有一些关于离子强度影响壳聚糖增稠效果的报道。蒋文华等[14]研究了外加盐对壳聚糖特性黏度的影响，发现壳聚糖特性黏度与外加盐的离子强度平方根倒数成正比。Cho等[15]发现降低离子强度可增强壳聚糖溶液的非牛顿流体性质，如流塑性、剪切变稀行为。作为一种天然链状高分子，壳聚糖的增稠行为可能与其分子链构象有关，但目前关于离子强度如何影响壳聚糖分子链构象的报道还较少，同时对其影响机理也仅有猜测性解释。本实验通过调节NaCl浓度控制溶液离子强度，对不同离子强度下壳聚糖的特性黏度及分子尺寸进行测定，并对其构象变化的原因进行探讨，以期对壳聚糖的应用提供一定的理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

高（712.6 kD）、中（205.8 kD）、低（76.4 kD）3 种分子质量的壳聚糖采用过氧化氢降解法制备[16]，重均分子质量采用凝胶渗透色谱法测得[17]，脱乙酰度由Zhou Huiyun等[18]的方法测得均为90%。

冰乙酸、氯化钠、30%过氧化氢等均为分析纯 国药集团药业股份有限公司；PVDF微孔滤膜 美国Millipore公司。

光散射瓶 美国Sigma公司；乌氏黏度计 国药集团药业股份有限公司；Zetasizer Zen3600纳米粒径及电位分析仪 英国Malvern公司；ALV/DLS/LLS-S022F型激光光散射仪 德国ALV公司。

1.2 方法

1.2.1 特性黏度的测定

配制pH 3的壳聚糖乙酸溶液，利用乌氏黏度计对特性黏度进行测定，溶液离子强度通过调节溶液中NaCl浓度（0.05～0.5 mol/L）控制。

1.2.2 静态光散射

配制0.1 mg/mL壳聚糖的乙酸溶液（pH 3），将溶液经过0.45 μm的PVDF微孔滤膜注入到热丙酮冲洗除尘处理过的光散射瓶中。光散射实验由ALV/DLS/LLS-S022F型激光光散射仪完成，该仪器配有ALV5000型multi-τ数字时间相关器以及氦-氖激光源（单相，输出功率约为20mW，波长为632.8nm）。dn/dc取值为0.190mL/g，所有静态光散射实验均在（25±0.1）℃条件下进行，使用甲苯作为空白对照。参照Berth等[19]的方法，选择扫描范围30°～150°，步长设定为5°。所得数据通过Alvstat软件进行处理。

1.2.3 Zeta电位的测定

配制1mg/mL的壳聚糖乙酸溶液（pH3），由Zetasizer Zen3600纳米粒径及电位分析仪测定其Zeta电位。溶液离子强度（0.05～0.5 mol/L）通过调节溶液中NaCl浓度控制。

2 结果与分析

2.1 离子强度对壳聚糖特性黏度（[η]）及分子链刚性度（B）的影响

不同离子强度下壳聚糖比浓黏度（ηsp/ρ）随质量浓度（ρ）的变化趋势如图1所示，对两者进行线性拟合，得到壳聚糖在不同离子强度下的特性黏度，结果如表1所示。

图 1 不同离子强度下高分子质量壳聚糖比浓黏度（ηsp/ρ）随壳聚糖
质量浓度（ρ）的变化

Fig.1 Dependence of reduced viscosity (ηsp/ρ) on concentration of high molecular weight chitosan at different ionic strengths

表 1 不同分子质量壳聚糖的特性黏度（[η]）及分子链刚性度（B）

Table 1 Intrinsic viscosity ([η]) and chain stiffness (B) of chitosan

由表1可知，溶液从离子强度为0（未添加氯化钠）增加至0.05 mol/L时，3 种壳聚糖特性黏度均表现出较大程度的下降。随着离子强度的升高，3 种壳聚糖的特性黏度逐渐下降。

图 2 高分子质量壳聚糖的特性黏度（[η]）与离子强度平方根倒数
（I－0.5）的线性拟和

Fig.2 Linear regression plot between intrinsic viscosity ([η]) of high molecular weight chitosan and inverse square root of ionic strength

链刚性度B的计算参照Tsaih等[20]的方法，对特性黏度（[η]）与离子强度平方根倒数（I－0.5）进行线性拟和（图2），得到壳聚糖v分子链的耐盐度S（直线斜率），根据Smidsrod方程S=B（[η]I=0.1）ν（ν为与分子结构有关的参数，参照Tsaih等[20]取1.217），计算出分子链刚性度B，结果如表1所示。壳聚糖分子质量越高，其分子链刚性度B越低。

2.2 离子强度对均方旋转半径（Rg）的影响

图 3 不同离子强度下高分子质量壳聚糖的Zimm图

Fig.3 Zimm plot of high molecular weight chitosan at different ionic strengths

图3所示的是不同离子强度下3种壳聚糖的Zimm图，其中K、C、Rθ和q分别为光学常数、溶液质量浓度、样品的瑞利比和散射矢量，利用Alvstat软件对数据进行处理得到壳聚糖分子均方旋转半径（Rg）如表2所示。

表 2 离子强度对壳聚糖均方旋转半径（Rg）的影响

Table 2 Effect of ionic strength on the mean square radius of gyration (Rg) of chitosan

由表2可知，当溶液中离子强度由0增加至0.05 mol/L
时，壳聚糖分子Rg下降程度较大，而离子强度提高至0.5 mol/L时，Rg进一步下降。

2.3 离子强度对壳聚糖Zeta电位（Zp）的影响

图 4 离子强度对高分子质量壳聚糖Zeta电位的影响

Fig.4 Effect of ionic strength on the zeta potential of high molecular weight chitosan

由图4可知，离子强度I为0时，高分子质量壳聚糖Zeta电位高达＋53.8 mV。当溶液中离子强度增加至0.05 mol/L时，Zeta电位下降为＋31.4 mV，下降程度较为明显；当离子强度继续提高时，Zeta电位保持下降趋势。

3 讨 论

特性黏度法和光散射法是研究高分子链构象较常用的方法[21-25]，本实验利用这两种方法研究了离子强度对壳聚糖分子链构象的影响。随着离子强度的增加，高、中、低3种分子质量壳聚糖的特性黏度均表现出一定程度的下降，这与蒋文华[14]、Tsaih[20]等得到的结论是一致的。这种现象表明，随着离子强度的增加，壳聚糖分子链的舒展构象逐渐收缩。Tsaih等[20]认为壳聚糖溶液中离子强度较低时，第三电黏效应起主要作用，分子链以一种舒展构象存在；而在高离子强度下，反离子易屏蔽掉壳聚糖链上的电荷，使残基间电荷斥力下降，引起分子链收缩，造成特性黏度的下降。本研究中Zeta电位及光散射实验结果在一定程度上证明了上述观点。Zeta电位实验结果表明，随着离子强度的增加，壳聚糖的Zeta电位值下降，这说明NaCl提供的反离子部分屏蔽了壳聚糖链上的质子化氨基，屏蔽效果随离子强度上升而增强。光散射实验结果表明，壳聚糖乙酸溶液中，NaCl的添加明显降低了壳聚糖分子链均方旋转半径，引起分子链收缩，同时提高NaCl浓度可以使分子链进一步收缩。

壳聚糖的分子链刚性度B随着分子质量的增加表现出下降趋势，这表明壳聚糖分子质量越高，其刚性越弱，柔性越好。这可能是因为分子质量高的壳聚糖的分子链容易缠结，在分子链上质子化氨基被反离子屏蔽后，更容易形成分子内氢键，从而引起构象的变化。

本实验考察了离子强度对壳聚糖增稠效果的影响，并对分子链构象的变化进行了研究，结果表明离子强度升高时，质子化氨基逐渐被反离子屏蔽，从而引起分子链的收缩，这可能是壳聚糖特性黏度下降的原因。除离子强度外，壳聚糖的增稠效果与食品体系的温度和pH值均有一定关系，同时食品中大分子及一些乳化剂等也会对壳聚糖的增稠作用产生影响。为更深入了解壳聚糖在实际食品体系中的增稠机制及影响增稠效果的因素，下一步将着重研究食品中的一些组分，如蛋白、多糖和常用的食品乳化剂等，在不同环境中与壳聚糖分子的相互作用，并研究这些作用对壳聚糖增稠效果的影响，为壳聚糖作为一种新型的食品增稠剂在食品体系中得到更好的应用而提供相应的理论指导。

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