羧甲基壳聚糖对钙离子的络合
作者：陈伟 林友文 罗红斌 李柱来
单位：福建医科大学化学教研室，福州 350004
关键词：水溶性壳聚糖；壳多糖；钙；螯合剂
福建医科大学学报000222
摘要:目的 研究壳聚糖及其水溶性衍生物对钙离子的络合作用。方法 以氯化钙饱和溶液与羧甲基壳聚糖形成络合沉淀，离心后溶液用紫脲酸铵显色，分光光度法测定溶液中钙离子含量。结果 羧甲基壳聚糖对钙离子的络合能力随pH值的增大而增大，pH 6～8时，络合程度趋于最大。温度升高时，络合程度下降。络合反应10 min可达到平衡。羧甲基壳聚糖对钙离子的络合能力随着羧甲基取代度的增大而增大，且比水溶性低聚壳聚糖(壳寡糖)及壳聚糖具有更强的络合能力。结论 羧甲基壳聚糖对钙离子的络合能力比水溶性低聚壳聚糖及壳聚糖强，络合的最适条件为pH 6～8，室温，搅拌10 min。
, 百拇医药
中图分类号:R914.4;R977.7 文献标识码:A
文章编号:1000-2235(2000)02-0163-03
Complexation of Carboxymethyl Chitosan with Calcium Ions
CHEN Wei,LIN You-wen,LUO Hong-bin,et al
(Department of Chemistry,Fujian Medical University,Fuzhou 350004,China)
ABSTRACT:Objective The complexation of chitosan with calcium ions and optimum reaction conditions were studied in this paper.Methods Saturated solution of calcium chloride reacted with carboxymethyl chitosan,complexing precipitation was found.Colored by adding murixide,calcium ions in the solution were determined by spectrophotometry.Results The experiment results showed that the capability of complexation of carboxymethyl chitosan with calcium ions increased by increasing pH of solution.And the complexation degree reached peak value when pH was between 6 and 8.The complexation degree was reduced when the reaction temperature increased.Also it is shown that the reaction equilibrium will reach in 10 minutes.Compared with chitosan and water-soluble low-molecular weight chitosan,carboxymethyl chitosan had stronger capability of complexation with calcium ions.And the capability was increased by degree of carboxymethyl substitution.Conclusion The capability of complexation of carboxymethyl chitosan with calcium ions was stronger than chitosan and water-soluble low-molecular weight chitosan.The optimum conditions were pH 6～8,10 minutes reaction time,and room temperature.
, 百拇医药
KEY WORDS:water soluble chitosan;chitosan;calcium;chelating agent
壳聚糖是甲壳素脱乙酰基后的产物，有良好的生物相容性，能被生物体组织中的溶菌酶降解，降解过程中产生的代谢产物无毒，没有免疫原性。在工农业、食品加工、环保、医药等方面的应用前景吸引了众多学者从事这一领域的研究[1，2]。壳聚糖分子中有-OH和-NH2，对金属离子有较强的螯合能力，但壳聚糖只能溶于酸或酸性溶液中，其应用范围受到限制。有报道水溶性的低聚壳聚糖(壳寡糖)对钙有较好的络合作用，但需在碱性介质中进行[3]，其改性后的产物羧甲基壳聚糖具有良好的水溶性、保湿性、乳化性。其分子中除了含有-OH、-NH2外还有-COOH，能有效络合金属离子[4]。笔者研究羧甲基壳聚糖与钙离子络合的条件，并与壳聚糖及低聚壳聚糖对钙的络合能力进行比较，以期能为开发天然多糖型人体补钙制剂开辟新途径。
, 百拇医药
1 材料与方法
1.1 仪器与试剂
1.1.1 试剂 壳聚糖(自制，脱乙酰度≥90%，灰份≤0.8%，100目)；紫脲酸铵、氯化钙及亚硝酸钠为分析纯；氯乙酸等其他试剂为化学纯。
1.1.2 仪器 721型分光光度计(上海第三分析仪器厂)；800型离心沉淀器(上海手术器械十厂)；超级恒温器(上海市实验仪器厂)；pHS-3B型酸度计(上海雷磁仪器厂)。
1.2 方法
1.2.1 羧甲基壳聚糖的制备及其取代度测定 参照文献[5]方法。
1.2.2 水溶性低聚壳聚糖制备 按文献[3]方法。
1.2.3 钙离子含量测定 使氯化钙饱和溶液与羧甲基壳聚糖溶液形成络合沉淀，离心后取上清液与0.6%紫脲酸铵指示剂显色，然后用721型分光光度计在506 nm处测定其吸光度值A506，比较溶液中残余钙离子含量。
, 百拇医药
1.2.4 反应时间、温度和pH值对钙离子络合的影响 0.5%羧甲基壳聚糖溶液3.00 ml，加入饱和氯化钙溶液1.00 ml，在不同温度、反应时间和不同的pH值条件下，搅拌离心，取出上清液，按 1.2.3方法测定溶液中残余钙离子含量。
1.2.5 羧甲基取代度对络合程度的影响 在pH 7 室温条件下，用不同取代度的羧甲基壳聚糖与氯化钙溶液络合，按 1.2.3方法测定溶液中残余钙离子含量。
1.2.6 壳聚糖、水溶性低聚壳聚糖和羧甲基壳聚糖与钙离子络合情况比较 分别取壳聚糖醋酸溶液、水溶性低聚壳聚糖溶液和羧甲基壳聚糖溶液3.00 ml与饱和氯化钙溶液1.00 ml络合，测定溶液中残余钙离子含量。
2 结 果
2.1 反应时间、温度和pH值对钙离子络合的影响
, 百拇医药
反应时间对钙离子络合的影响见图1，溶液中残余Ca2+含量随反应时间逐渐减小，至10 min以后达到最小，说明反应进行到10 min后羧甲基壳聚糖对钙络合程度趋于最大。
图1 吸光度随时间的变化
温度对钙离子的络合反应有一定的影响，不同温度下钙离子的吸附情况如图2所示，25℃时的络合程度>40℃与60℃，推测该络合反应可能是放热反应。
图2 温度对吸光度的影响
不同pH值条件下钙离子的络合情况见图3。结果显示，随着pH值增大，吸光度值减小，残余钙离子含量减小，钙的络合量增大。当溶液的pH值调到6～8时，羧甲基壳聚糖与Ca2+络合程度趋于最大。
, 百拇医药
图3 pH值对吸光度的影响
以上结果表明，Ca2+与羧甲基壳聚糖络合的最适条件为：室温，pH值6～8，反应时间10 min。
2.2 羧甲基取代度对络合程度的影响(图4)
吸光度值随羧甲基取代度增大而降低，即羧甲基壳聚糖对钙离子的络合程度随着羧甲基取代度的增大而增大，这说明在络合过程中，羧基是主要的活性基团之一。
图4 羧甲基取代度对吸光度的影响
2.3 壳聚糖、水溶性低聚壳聚糖和羧甲基壳聚糖与钙离子络合情况比较(附表)
附表 壳聚糖、水溶性低聚壳聚糖及羧甲基壳聚糖与钙的络合情况
, http://www.100md.com
浓度
(%)
pH
反应时间
(min)
吸光度
A
壳聚糖
0.5
5
15
0.238
水溶性低聚壳聚糖
, 百拇医药
0.5
9
15
0.184
羧甲基壳聚糖
0.5
7
15
0.170
引入羧基的羧甲基壳聚糖比水溶性低聚糖(壳寡糖)及壳聚糖有更强的钙络合能力，pH 7附近均可达到最大络合，其水溶液可直接用于钙络合。
3 讨 论
羧甲基壳聚糖是壳聚糖经与氯乙酸反应改性的衍生物，由于羧基的引入，使其水中溶解度改善的同时，络合金属离子的能力及反应速度也大大提高，室温下10 min对钙离子的络合程度趋于最大，随温度升高溶液吸光度值上升，推测该络合反应为放热的过程。
, http://www.100md.com
羧甲基壳聚糖主要通过COO-与Ca2+络合，部分Ca2+与-NH2及-OH配位络合。在pH 1的强酸性介质中，其络合能力较小，pH 1～3时络合曲线吸光度值降低显著，而在pH为3～6之间时吸光度值降低趋势减缓。笔者认为这是由于在强酸性介质中，-COOH中的氢离子电离受到抑制，COO-负离子减少，同时-NH2也会以NH3+形式存在，对钙的络合能力大大减弱。随着pH值增大，COO-和游离氨基含量增加，对钙的络合能力也大大提高，残余Ca2+含量减少。在pH>6时，起主要络合作用的羧基大部分以COO-存在，此时对钙的络合程度趋于饱和，络合曲线显示的吸光度值降低不明显。因此，羧甲基壳聚糖对Ca2+络合最适的酸度条件为pH 7附近。水溶性的壳寡糖对钙络合的最适pH是9～11[3]。根据Ca(OH)2的Ksp值，当pH>11.3时，因Ca2+以Ca(OH)2的形式沉淀，影响测定结果，因此考察pH值变化对Ca2+络合的影响时，应控制在pH<11的范围内。
, http://www.100md.com
在pH 7,室温条件下羧甲基壳聚糖对钙离子的络合程度随着羧甲基的取代度增大而增大，以吸光度A对羧甲基取代度COOH(mmol*g-1)作图所得到的络合曲线并非线性而是S型，这说明多糖链上存在独立的、亲和性不同的多类结合部位(如COO-、-OH、-NH2等)，且在对钙离子的络合过程中它们之间存在着相互作用或协同作用[6]。
水溶性的壳寡糖及壳聚糖主要以其分子中的-NH2和-OH与Ca2+配位络合。在碱性环境中随着pH值增大，水溶性壳寡糖中的游离氨基含量亦增加，络合能力提高，故其对钙络合的最适pH是9～11，而壳聚糖在酸性环境中才会溶解，此时其氨基主要以NH3+存在，对钙的络合能力大大降低。
综上所述，羧甲基壳聚糖、水溶性壳寡糖及壳聚糖与钙离子的络合程度受溶液pH影响较大，温度及时间对络合程度有一定影响。同样浓度的三种物质中壳聚糖对Ca2+的络合能力最弱；而羧甲基壳聚糖对钙离子的络合能力最强且具有良好的水溶性，其对钙离子络合的最适条件为pH 6～8，室温，搅拌10 min。羧甲基壳聚糖钙络合物的生物活性有待进一步研究。
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作者简介:陈 伟(1973～)，男，助教.
参考文献:
[1]蒋挺大.甲壳素[M].北京:中国环境科学出版社，1999.376～408.
[2]Muzzarelli RAA.Natural Chelating Polymers[M].New York:Pergamon Press，1973.177～237.
[3]刘艳如，陈 盛，余 萍.水溶性低聚壳聚糖的制备及其与钙离子的络合[J].福建师范大学学报(自然科学版)，1997,13(3):67～70.
[4]夏文水，陈 洁.甲壳素和壳聚糖的化学改性及其应用[J].无锡轻工业学院学报，1994,13(2):162～165.
[5]林友文，许 晨，卢灿辉.超声波辐射制备羧甲基壳聚糖[J].离子交换与吸附，2000,16(1):54～59.
[6]陈炳稔.可再生甲壳质的吸附特性研究[M].广州:华南理工大学出版社，1998.29～34.
收稿日期:2000-01-20, 百拇医药
单位：福建医科大学化学教研室，福州 350004
关键词：水溶性壳聚糖；壳多糖；钙；螯合剂
福建医科大学学报000222
摘要:目的 研究壳聚糖及其水溶性衍生物对钙离子的络合作用。方法 以氯化钙饱和溶液与羧甲基壳聚糖形成络合沉淀，离心后溶液用紫脲酸铵显色，分光光度法测定溶液中钙离子含量。结果 羧甲基壳聚糖对钙离子的络合能力随pH值的增大而增大，pH 6～8时，络合程度趋于最大。温度升高时，络合程度下降。络合反应10 min可达到平衡。羧甲基壳聚糖对钙离子的络合能力随着羧甲基取代度的增大而增大，且比水溶性低聚壳聚糖(壳寡糖)及壳聚糖具有更强的络合能力。结论 羧甲基壳聚糖对钙离子的络合能力比水溶性低聚壳聚糖及壳聚糖强，络合的最适条件为pH 6～8，室温，搅拌10 min。
, 百拇医药
中图分类号:R914.4;R977.7 文献标识码:A
文章编号:1000-2235(2000)02-0163-03
Complexation of Carboxymethyl Chitosan with Calcium Ions
CHEN Wei,LIN You-wen,LUO Hong-bin,et al
(Department of Chemistry,Fujian Medical University,Fuzhou 350004,China)
ABSTRACT:Objective The complexation of chitosan with calcium ions and optimum reaction conditions were studied in this paper.Methods Saturated solution of calcium chloride reacted with carboxymethyl chitosan,complexing precipitation was found.Colored by adding murixide,calcium ions in the solution were determined by spectrophotometry.Results The experiment results showed that the capability of complexation of carboxymethyl chitosan with calcium ions increased by increasing pH of solution.And the complexation degree reached peak value when pH was between 6 and 8.The complexation degree was reduced when the reaction temperature increased.Also it is shown that the reaction equilibrium will reach in 10 minutes.Compared with chitosan and water-soluble low-molecular weight chitosan,carboxymethyl chitosan had stronger capability of complexation with calcium ions.And the capability was increased by degree of carboxymethyl substitution.Conclusion The capability of complexation of carboxymethyl chitosan with calcium ions was stronger than chitosan and water-soluble low-molecular weight chitosan.The optimum conditions were pH 6～8,10 minutes reaction time,and room temperature.
, 百拇医药
KEY WORDS:water soluble chitosan;chitosan;calcium;chelating agent
壳聚糖是甲壳素脱乙酰基后的产物，有良好的生物相容性，能被生物体组织中的溶菌酶降解，降解过程中产生的代谢产物无毒，没有免疫原性。在工农业、食品加工、环保、医药等方面的应用前景吸引了众多学者从事这一领域的研究[1，2]。壳聚糖分子中有-OH和-NH2，对金属离子有较强的螯合能力，但壳聚糖只能溶于酸或酸性溶液中，其应用范围受到限制。有报道水溶性的低聚壳聚糖(壳寡糖)对钙有较好的络合作用，但需在碱性介质中进行[3]，其改性后的产物羧甲基壳聚糖具有良好的水溶性、保湿性、乳化性。其分子中除了含有-OH、-NH2外还有-COOH，能有效络合金属离子[4]。笔者研究羧甲基壳聚糖与钙离子络合的条件，并与壳聚糖及低聚壳聚糖对钙的络合能力进行比较，以期能为开发天然多糖型人体补钙制剂开辟新途径。
, 百拇医药
1 材料与方法
1.1 仪器与试剂
1.1.1 试剂 壳聚糖(自制，脱乙酰度≥90%，灰份≤0.8%，100目)；紫脲酸铵、氯化钙及亚硝酸钠为分析纯；氯乙酸等其他试剂为化学纯。
1.1.2 仪器 721型分光光度计(上海第三分析仪器厂)；800型离心沉淀器(上海手术器械十厂)；超级恒温器(上海市实验仪器厂)；pHS-3B型酸度计(上海雷磁仪器厂)。
1.2 方法
1.2.1 羧甲基壳聚糖的制备及其取代度测定 参照文献[5]方法。
1.2.2 水溶性低聚壳聚糖制备 按文献[3]方法。
1.2.3 钙离子含量测定 使氯化钙饱和溶液与羧甲基壳聚糖溶液形成络合沉淀，离心后取上清液与0.6%紫脲酸铵指示剂显色，然后用721型分光光度计在506 nm处测定其吸光度值A506，比较溶液中残余钙离子含量。
, 百拇医药
1.2.4 反应时间、温度和pH值对钙离子络合的影响 0.5%羧甲基壳聚糖溶液3.00 ml，加入饱和氯化钙溶液1.00 ml，在不同温度、反应时间和不同的pH值条件下，搅拌离心，取出上清液，按 1.2.3方法测定溶液中残余钙离子含量。
1.2.5 羧甲基取代度对络合程度的影响 在pH 7 室温条件下，用不同取代度的羧甲基壳聚糖与氯化钙溶液络合，按 1.2.3方法测定溶液中残余钙离子含量。
1.2.6 壳聚糖、水溶性低聚壳聚糖和羧甲基壳聚糖与钙离子络合情况比较 分别取壳聚糖醋酸溶液、水溶性低聚壳聚糖溶液和羧甲基壳聚糖溶液3.00 ml与饱和氯化钙溶液1.00 ml络合，测定溶液中残余钙离子含量。
2 结 果
2.1 反应时间、温度和pH值对钙离子络合的影响
, 百拇医药
反应时间对钙离子络合的影响见图1，溶液中残余Ca2+含量随反应时间逐渐减小，至10 min以后达到最小，说明反应进行到10 min后羧甲基壳聚糖对钙络合程度趋于最大。
图1 吸光度随时间的变化
温度对钙离子的络合反应有一定的影响，不同温度下钙离子的吸附情况如图2所示，25℃时的络合程度>40℃与60℃，推测该络合反应可能是放热反应。
图2 温度对吸光度的影响
不同pH值条件下钙离子的络合情况见图3。结果显示，随着pH值增大，吸光度值减小，残余钙离子含量减小，钙的络合量增大。当溶液的pH值调到6～8时，羧甲基壳聚糖与Ca2+络合程度趋于最大。
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图3 pH值对吸光度的影响
以上结果表明，Ca2+与羧甲基壳聚糖络合的最适条件为：室温，pH值6～8，反应时间10 min。
2.2 羧甲基取代度对络合程度的影响(图4)
吸光度值随羧甲基取代度增大而降低，即羧甲基壳聚糖对钙离子的络合程度随着羧甲基取代度的增大而增大，这说明在络合过程中，羧基是主要的活性基团之一。
图4 羧甲基取代度对吸光度的影响
2.3 壳聚糖、水溶性低聚壳聚糖和羧甲基壳聚糖与钙离子络合情况比较(附表)
附表 壳聚糖、水溶性低聚壳聚糖及羧甲基壳聚糖与钙的络合情况
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浓度
(%)
pH
反应时间
(min)
吸光度
A
壳聚糖
0.5
5
15
0.238
水溶性低聚壳聚糖
, 百拇医药
0.5
9
15
0.184
羧甲基壳聚糖
0.5
7
15
0.170
引入羧基的羧甲基壳聚糖比水溶性低聚糖(壳寡糖)及壳聚糖有更强的钙络合能力，pH 7附近均可达到最大络合，其水溶液可直接用于钙络合。
3 讨 论
羧甲基壳聚糖是壳聚糖经与氯乙酸反应改性的衍生物，由于羧基的引入，使其水中溶解度改善的同时，络合金属离子的能力及反应速度也大大提高，室温下10 min对钙离子的络合程度趋于最大，随温度升高溶液吸光度值上升，推测该络合反应为放热的过程。
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羧甲基壳聚糖主要通过COO-与Ca2+络合，部分Ca2+与-NH2及-OH配位络合。在pH 1的强酸性介质中，其络合能力较小，pH 1～3时络合曲线吸光度值降低显著，而在pH为3～6之间时吸光度值降低趋势减缓。笔者认为这是由于在强酸性介质中，-COOH中的氢离子电离受到抑制，COO-负离子减少，同时-NH2也会以NH3+形式存在，对钙的络合能力大大减弱。随着pH值增大，COO-和游离氨基含量增加，对钙的络合能力也大大提高，残余Ca2+含量减少。在pH>6时，起主要络合作用的羧基大部分以COO-存在，此时对钙的络合程度趋于饱和，络合曲线显示的吸光度值降低不明显。因此，羧甲基壳聚糖对Ca2+络合最适的酸度条件为pH 7附近。水溶性的壳寡糖对钙络合的最适pH是9～11[3]。根据Ca(OH)2的Ksp值，当pH>11.3时，因Ca2+以Ca(OH)2的形式沉淀，影响测定结果，因此考察pH值变化对Ca2+络合的影响时，应控制在pH<11的范围内。
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在pH 7,室温条件下羧甲基壳聚糖对钙离子的络合程度随着羧甲基的取代度增大而增大，以吸光度A对羧甲基取代度COOH(mmol*g-1)作图所得到的络合曲线并非线性而是S型，这说明多糖链上存在独立的、亲和性不同的多类结合部位(如COO-、-OH、-NH2等)，且在对钙离子的络合过程中它们之间存在着相互作用或协同作用[6]。
水溶性的壳寡糖及壳聚糖主要以其分子中的-NH2和-OH与Ca2+配位络合。在碱性环境中随着pH值增大，水溶性壳寡糖中的游离氨基含量亦增加，络合能力提高，故其对钙络合的最适pH是9～11，而壳聚糖在酸性环境中才会溶解，此时其氨基主要以NH3+存在，对钙的络合能力大大降低。
综上所述，羧甲基壳聚糖、水溶性壳寡糖及壳聚糖与钙离子的络合程度受溶液pH影响较大，温度及时间对络合程度有一定影响。同样浓度的三种物质中壳聚糖对Ca2+的络合能力最弱；而羧甲基壳聚糖对钙离子的络合能力最强且具有良好的水溶性，其对钙离子络合的最适条件为pH 6～8，室温，搅拌10 min。羧甲基壳聚糖钙络合物的生物活性有待进一步研究。
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作者简介:陈 伟(1973～)，男，助教.
参考文献:
[1]蒋挺大.甲壳素[M].北京:中国环境科学出版社，1999.376～408.
[2]Muzzarelli RAA.Natural Chelating Polymers[M].New York:Pergamon Press，1973.177～237.
[3]刘艳如，陈 盛，余 萍.水溶性低聚壳聚糖的制备及其与钙离子的络合[J].福建师范大学学报(自然科学版)，1997,13(3):67～70.
[4]夏文水，陈 洁.甲壳素和壳聚糖的化学改性及其应用[J].无锡轻工业学院学报，1994,13(2):162～165.
[5]林友文，许 晨，卢灿辉.超声波辐射制备羧甲基壳聚糖[J].离子交换与吸附，2000,16(1):54～59.
[6]陈炳稔.可再生甲壳质的吸附特性研究[M].广州:华南理工大学出版社，1998.29～34.
收稿日期:2000-01-20, 百拇医药