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漆酶-TEMPO体系选择性氧化壳聚糖C-6伯羟基提高其抗氧化性能的研究

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毒孝 文章编号:1001—9731(2016)06 06010—06 斟 2016年第6期(47)卷 漆酶一TEMPO体系选择性氧化壳聚糖C一6伯羟基提高 其抗氧化性能的研究 裴继诚,殷允北,胡 稳,卜 鑫,申正会,张方东 (天津科技大学造纸学院,天津市制浆造纸重点实验室,天津300457) 摘 要: 利用漆酶一TEMPO体系选择性地氧化壳聚糖c一6伯羟基,对氧化产物分别进行红外光谱、 C NMR、离 子色谱和热失重分析,确定产物结构的变化,并进一步对其抗氧化性进行研究。结果表明,经漆酶一TEMPO体系 氧化后,壳聚糖分子结构中的C一6伯羟基被选择性地氧化成羧基,其它结构基本不变,其产物为氧化壳聚糖钠盐; 壳聚糖氧化产物与原样相比,热稳定性得到了提高;壳聚糖经漆酶一TEMPO体系氧化后的ABTS自由基清除率 5 min后达到66.36 ,抗氧化性能得到改善。 关键词: 漆酶;TEMPO;壳聚糖;抗氧化性 中图分类号: TB332 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.06.003 被氧化基团的去质子化,物质易被氧化基团的供电子 0 引 言 壳聚糖(chitosan,CS)是由自然界广泛存在的几 丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的,化学名称为聚葡 能力得到提高,从而提高物质的抗氧化性能_l 。因此 在不改变壳聚糖C一2氨基的基础上将其C一6伯羟基氧 化成羧基并转变成羧酸盐形式,改性后的壳聚糖在溶 萄糖胺(1 4)2氨基一J3 D葡萄糖,白1859年,法国人 Rouget首先得到壳聚糖后,这种天然高分子的生物官 能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等 优良性能被各行各业广泛关注,在医药、食品、化妆品、 水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多 领域的应用研究取得了重大进展【 】。一些研究表明 液中通过羧酸根的电离提高溶液的pH值,从而抑制 壳聚糖C一2氨基的质子化,提高氨基的供电子能力,改 善产物的抗氧化性能。 2,2,6,6一四甲基哌啶氧自由基(TEMPO)是一种 具有稳定氮氧自由基结构的环状化合物。De Nooy 等l_1 在1995年首次发现TEMP()自由基形式经催化 壳聚糖在体外具有一定的抗氧化性能[5州,作为食品添 加剂时,壳聚糖通过与金属离子的螯合 从而防止脂 质氧化,是一种次要型抗氧化剂(secondary antioxi— dant)。而主要型抗氧化剂(primary anti—oxidant)为 剂氧化后转变成TEMP()。。亚硝基形式可以选择性地 将醇氧化成醛基或羧基,并利用NaBr—NaClO将 TEMPO自由基形式氧化成TEMP()。。亚硝基形式并 选择性地将水溶性多聚糖如马铃薯淀粉、淀粉糊精和 自由基提供电子或者氢质子使自由基转变为稳定的中 间体,防止它们进一步发生自由基反应,从而有效地抑 制氧化反应 ]。虽然壳聚糖的N原子有一对非共用 支链淀粉中吡喃糖基的C一6伯羟基选择性氧化成醛基 或羧基。后来Izumi shibata和Akira Isogail1 利用 C NMR推测了TEMPO—NaBr—NaC10体系氧化纤 维素的机理,即在NaBr和NaC1O的作用下,TEMPO 被氧化成TEMPO ,TEMPO 再选择性将伯羟基氧 化成羧基,TEMP() 转变为TEMP()H,NaBr NaC1O 电子对,可以潜在地提供电子,但是由于壳聚糖酸化后 在溶液中的pKa约为6.3,氨基大多被质子化无法提 供电子,从而导致其抗氧化性较差,了其在许多领 域的应用。因此,对壳聚糖改性改善其抗氧化性成为 近年来研究的热点。壳聚糖中含有的C一6伯羟基和C一 再将TEMPOH氧化成TEMP()从而进行下一步反 应。 2氨基反应活性较高,壳聚糖的改性方式主要在c一2 氨基上通过酰基化、烷基化、季铵盐化、接枝共聚、 Schiff碱反应、交联等消耗一定量的化学试剂与壳聚 Fabbrini等口胡在2001年发现了漆酶可以将 TEMPO自由基形式氧化成TEMPO 亚硝基形式,并 可将TEMP()H羟胺形式氧化成TEMPO自由基形 式。后来,Elisabetta Aracri等 证明了漆酶一TEM— PO体系可以选择性地将剑麻纤维素C一6伯羟基氧化 成羧基。Arends等 。 将漆酶与TEMPO组合用于催 化分子氧对醇的氧化,反应在室温、常压和pH值为5 糖结合的方式引入新的基团 ],针对壳聚糖C一6伯羟 基改性的方法主要有羧基化、烷基化、氧化。根据定量 构效关系(QSAR),物质所在溶液pH值与物质的抗 氧化性能正相关,溶液的pH值越高,越有利于物质易 *基金项目:国家自然科学基金资助项目(3l170548);国家级大学生创新创业训练计划资助项目(201 510057099) 收到初稿日期:2015—06—03 收到修改稿日期:2015—10—16 通讯作者:裴继诚,E—mail:jcpei@tust.edu.cn 作者简介:裴继诚(1958一),男,教授,主要研究方向为清洁制浆与木质资源综合利用。 裴继诚等:漆酶一TEMPO体系选择性氧化壳聚糖C一6伯羟基提高其抗氧化性能的研究06011 的条件下进行。文献[17-18]已经证实TEMPO— NaBr—NaC10体系可以将壳聚糖C一6伯羟基氧化成羧 基,因此从理论上漆酶一TEMPO体系也可以将壳聚糖 C一6伯羟基氧化成羧基。漆酶是一种环保型酵素,催 1.3.3离子色谱检测Na 含量 通过离子色谱仪检测Na。。含量表征羧基含量。样 品中的Na 来自羧基携带的Na 和样品纯化过程中 残留在样品中的Na 。根据式(1)可计算出羧基含量 化苯酚类、芳香胺和其它富含电子的底物单电子氧化, 同时将氧分子还原成水l_】 。 本文从环保的角度出发,采用漆酶一TEMPO体系 选择性将壳聚糖C一6伯羟基氧化成羧基,生成壳聚糖 羧酸盐,借助羧酸根在溶液中的电离抑制壳聚糖c一2 氨基的质子化,提高氨基给电子能力,改善壳聚糖的抗 氧化能力,扩宽壳聚糖应用领域。 1 实验材料与方法 1.1材料与设备 漆酶:由诺维信公司提供,商品号NOVOZYME 51003,酶活1072 U/mL;壳聚糖:实验室自制,分子量 2 729 Da,脱乙酰度≥97 ;2,2,6,6一四甲基哌啶一1氧 基(TEMPO):购于Sigma—Aldrich公司。 傅立叶红外光谱仪(FT—IR):型号VERTEX 70, 德国布鲁克公司;核磁共振谱仪(NMR):型号 AVANCE III,瑞士布鲁克拜厄斯宾有限公司;离子色 谱仪(HPIC):型号ICS1100,美国戴安公司;热重分析 仪(TGA):型号Q500一V20.6,美国TA仪器公司;紫外 分光光度计(UV):型号UV一2550,日本岛津公司。 1.2壳聚糖氧化方法 2 g壳聚糖和4 A0 TEMPO溶于200 mL pH值一 4.8的乙酸一乙酸钠缓冲溶液中,添加200肚L漆酶, 30℃水浴锅中通氧反应18 h[1 。反应后滤去不溶 物,调节溶液pH值至中性,旋转蒸发仪浓缩滤液后加 入适量无水乙醇析出产物,微孔滤膜(O.45“m)过滤。 过滤所得固体溶于去离子水中,微孔滤膜(0.45 m) 过滤,旋转蒸发仪浓缩滤液后加入适量无水乙醇析出 产物,重复2次,所得固体常温真空干燥,样品密封保 存。不添加漆酶和TEMPO处理的样品表示为CS— control;只经漆酶处理的样品表示为CS—Laccase;经漆 酶一TEMPO体系氧化产物表示为CS—Laccase—TEM— PO。 1.3检测方法 1.3.1 FT—IR检i贝4 取1 mg样品和100 mg干燥的KBr,一起研磨 5 min后压片,然后用FT—IR测定,扫描范围为 4 000 ̄650 cm ,分辨率为4 cm~,扫描16次,以空 气作为采样背景。 1.3.2 ¨C NMR检测 ”C NMR采用瑞士布鲁克拜厄斯宾400M超导 核磁共振仪进行测定。称取100 mg样品溶于0.6 mL 的D O中,采样条件为采用3O。脉冲序列,采样时间 1.36 S,弛豫时间1.89 S,累积扫描30 000次。 羧基含量===(T—T。)/23 (1) T为经漆酶/TEMPO/O。处理样品钠离子含量, mg/L;T。为空白样钠离子含量,mg/L;23为钠元素相 对分子质量。 离子色谱测试条件:色谱柱,IonPac CS16;淋洗 液,30 mmol/L甲烷磺酸;柱温,40℃;池温,45。C;流 速,1.0 mL/min;进样体积,25 L;抑制器,CSRS(阳 离子连续自动再生电解抑制器);电流,88 mA;检测 器,电导检测器。 配置浓度分别为30,45,75,90,150 mg/L的Na 溶液标样,使用离子色谱仪检测标样Na’。色谱图,记录 各浓度对应的峰面积。以Na 浓度为横坐标,对应的 峰面积为纵坐标绘制标准曲线。如图1所示。 I he eontent of Na ̄/mg。L 图l Na 含量标准曲线 Fig 1 Standard curve for Na 配置1 g/L的样品溶液,使用离子色谱仪检测 Na 色谱图,记录峰面积,带人标准曲线计算Na 含 量。 其中,r一0.9999,曲线回归方程为 一0.275lar。 1.3.4 TGA检测 使用Q500一V20.6热重分析仪对样品进行TGA 分析,每个样品重2~5 mg,以氮气作为载体,流速为 50 mI /min,实验温度从室温升至600。C,升温速率为 10℃/min,得到热失重曲线。 1.3.5抗氧化性能检测¨2阳 配制浓度为2.6 mmol/L的过硫酸钾溶液与浓度 为7.4 mmol/L的ABTS溶液,分别量取2 mL混合, 在避光处储存12 h,制得ABTS自由基溶液,然后用 无水乙醇稀释5O~60倍至734 nm处吸光度为 0.700±O.025。取2 mg试样溶于2 mL去离子水中, 再与8 mL稀释后的自由基溶液发生反应,共进行 4O min。反应每进行5 min对溶液在734 nm处的吸 光度进行测定。另取2 mL去离子水与8 mL稀释后 的自由基溶液混合,作为空白样。 利用式(2)计算其自由基消除率,消除率越高,抗 氧化性能越强。 0601 2 自由基消除率( )一 H 0 助 ×100 ̄/o (2) 财 抖 2016年第6期(47)卷 峰[21 24]:波数为3 400 cm 的垂直谱带是N—H和 O—H的伸缩振动;弱峰2 875 cm 可能是C—H的 伸缩振动;由于壳聚糖脱乙酰度≥97 ,壳聚糖分子中 存在极少的酰胺基团参与形成分子内和分子间氢键 (C一()…H ()及N—H…()一C),因而在 A 为空白样吸光度;A 为反应后吸光度。 2 实验结果与讨论 2.1红外光谱分析 1 610 cm 对应的酰胺Ⅱ( NH。)谱带出现了很强的 吸收峰,CH 的摇摆振动也包含在这个吸收峰中;壳聚 糖的 CH 弯曲和一CH。变形的吸收峰在 1 410 cm_。;壳聚糖多糖结构中碳氧(C一())的伸缩振 动在1 080 cm一。 对比CS—control的红外光谱,CS—Laccase—TEM— PO的红外光谱中的特征吸收峰与CS—control的极其 相似,特别是1 610 cm 对应酰胺Ⅱ(一NH。)谱带的 吸收峰强度基本不变,表明了壳聚糖C一2氨基未被氧 化。 2.2 C NMR分析 通过红外光谱分析壳聚糖氧化前后官能团的变 化,CS—control和CS—Laccase—TEMPO的红外吸收光 谱如图2所示。 4000 3500 3 000 2500 2000 1 5001 000 500 Wavenumbers,olcm。’ 通过”C NMR探究物质碳元素种类的变化及漆 图2 CS—control和CS—Laccase—TEMPO的FT—IR图 Fig 2 FT—IR spectra of CS contro1 and CS—Laccase— TEMP() 酶一TEMPO体系氧化壳聚糖机理。图3为CS—con— trol,CS—Laccase和CS—Laccase—TEMPO的”C NMR 谱图。 图2中,CS—control红外光谱图中特征吸收 图3 CS—control、CS Laccase和CS—Laccase—TEMPO的 。C NMR谱图 Fig 3 。C NMR spectra of CS—control。CS—Laccase and CS—I accase—TEMPO 从图3可看出,cs—control、CS—Laccase和CS— I accase—TEMPO的 C NMR谱图相比,只有CS—Lac case TEMPO在 、一179处出现了新的共振峰,由文 献[25 27]可知该共振峰为 Co()的共振峰,其它信 号源基本一致,由此可表明漆酶TEMPO体系选择性 case的Na 含量,可表明样品CS—Laccase—TEMP()中 含有大量的羧基从而携带了大量的Na ,继而表明漆 酶一TEMPO体系将壳聚糖C一6伯羟基氧化成羧基。 经离子色谱仪检测样品CS—control,CS—I accase和CS一 I accase—TEMPO的Na 含量如图4所示。 100 将壳聚糖C 6伯羟基氧化成羧基,其它结构基本不变; CS—I accase的 C NMR谱图与CS—control相比无明 显变化,表明了漆酶和TEMPO的协同作用才能将壳 聚糖C一6伯羟基氧化成羧基。图3中, 一58.7,6O.3, 蓦80 E 宅60 o 暑40 ‘, 20 0 79.1,77,74和101处的信号分别源于氨基葡糖糖环的 C一2,C一6,C一4,C一5,C一3和C一1共振峰,此结果与已有 文献一致[2 ]。CS—I accase—TEMPO在 c一6O.32处 的氨基葡糖糖环的C一6伯羟基共振峰依旧存在,表明 仍有氨基葡糖糖环上的C一6伯羟基未被氧化。 2.3离子色谱(HPIC)分析 图4 CS—control,CS I accase和CS I accase—TEMP() 的Na。。含量 Fig 4 The Na。。content of CS—control,CS—I accase and CS—Laccase—TEMPO 纯化后的产物中所含的Na。。来自反应体系及反应 产物的羧基携带的Na 。若样品CS—Laccase—TEM— P0中Na 含量远远大于样品CS—control和CS—Lac一 由图4可以看出,样品CS—Laccase—TEMP()中 裴继诚等:漆酶一TEMPO体系选择性氧化壳聚糖C 6伯羟基提高其抗氧化性能的研究06013 Na 含量远远大于样品CS—control和CS—I accase的 从图6可以看出,样品的热降解和热氧解可分为 3个阶段。 Na 含量,表明了漆酶一TEMPO体系将壳聚糖C 6伯 羟基氧化成羧基;样品CS—control和CS—Laccase的 Na。。含量基本一致,表明了漆酶和TEMPO的协同作 第一阶段在140。C附近,伴随着吸热反应,两者在 140。C前均有一个小的失重过程,这是由于多糖具有 比较强的水亲和力和水化特性_2 ,样品中的结合水和 结晶水热蒸发导致失重。CS—control和CS—I accase— 用才能将壳聚糖C一6伯羟基氧化成羧基。由式(1)可 得出羧基含量为4.13 mmol/g。Na 含量分析结果验 证了 C NMR的分析结果。 TEMPO相比,失重速率更快,质量下降更多。 第二阶段在160 ̄400℃,为壳聚糖的主要降解阶 段,主要发生主链的脱乙酰和糖苷键的断裂反应口 。 结合国内外研究成果及以上检测结果推测了漆 酶一TEMPO体系选择性氧化壳聚糖C一6伯羟基的反 应机理(图5),即漆酶TEMPO体系选择性地将壳聚 糖C一6伯羟基氧化成羧基的反应分为4个阶段:(1) Laccase与TEMP0自由基形式反应生成Laccase。 和 TEMPO。。亚硝基形式;(2)TEMPO。。将壳聚糖上的c 6伯羟基氧化成羧基,而其被还原成TEMPOH羟胺 形式。C一6羧基在Na 存在下,转化为其钠盐状态; (3)TEMPOH与Laccase反应重新生成TEMPO自 由基;(4)Laccase。 与O2反应生成水和Laccase,从而 进而进行下一轮反应。 COONa f Q] 0}、 H ’Na 图5 漆酶一TEMPO体系氧化壳聚糖的推测机理图 Fig 5 A possible reaction mechanism for the laccase— TEMP()system oxidation of chitosan 2.4 TGA分析 通过TGA检测物质热稳定性,热稳定性越高,分 子的化学结构越稳定。CS—I accase—TEMPO和CS— control的TGA曲线如图6所示。 1 1 兰 一 : a Temperature.『,℃ 图6 C Laccas TEMPO和C control的TGA曲线 Fig 6 TGA curve of CS——Laccase——TEMPO and CS——con trol 在这过程中,CS—Laccase—TEMPO和CS—control失重 分别约为4O.0l 和52.71 。 第三阶段在400~600。C,主要发生吡喃环的裂解 以及碳化残渣的分解口。。 j,分解速度较为缓慢,600℃ 时,CS—Laccase—TEMPO和CS—control失重分别约为 56.49 和73.39 。 结果显示,CS—Laccase—TEMPO的热稳定性优于 CS—control。这可能由于样品CS—Laccase—TEMPO引 入了羧酸根,羧酸根的共轭效应在产物分子内和分子 问形成了强烈的氢键(O—C O…NH) ,使分子之 间聚集程度更高,提高了分子空间结构稳定性,形成了 有利于热稳定性的结构。 2.5抗氧化性能分析 实验通过检测物质的ABTS自由基清除率来评定 物质的总抗氧化性能。在此反应体系中,ABTS经氧 化后生成相对稳定的蓝绿色的ABTS・ 溶液,且在 734 nm处具有典型的特征吸收峰。抗氧化剂与 ABTS・ 反应后使其溶液褪色,特征吸光度值下降, 下降越大表明物质的总抗氧化性能越强。图7显示的 是CS I accase—TEMPO和CS—control的ABTS自由 基清除率。 = 丘 a’ .三 西 C 0 > 日 ‘, ‘I, rime. mIn 图7 CS—Laccase—TEMPO和CS—control的ABTS自 由基清除率 Fig 7 ABTS・。。radical scavenging ability of CS—Lac— case——TEMPO and CS——control 由图7可知,静置5 rain后,CS—Laccase—TEMPO 的自由基清除率已达到66.36 ,具有较强的抗氧化 性;CS—control的自由基清除率达到44.22 ,具有较 弱的抗氧化性。随着时间的增加,二者都缓慢增加, 40 min时CS—Laccase—TEMPO的自由基清除率已达 到92.37 ,ABTS自由基溶液接近无色;CS—control 的自由基清除率达到62.65 ,2 h后,CS—control的 O6014 ABTS自由基溶液接近无色。 助 材 料 2016年第6期(47)8 chitosan to improve the antioxidant and antibacterial ac— CS—control和CS—Laccase—TEMPO中都含有伯氨 基,水溶性的壳聚糖上的伯胺基具有提供电子的潜力, ABTS自由基具有较强的氧化性,可以将一c—NH 氧 化成一C—NH[3 。漆酶一TEMPO体系选择性地将壳 聚糖C一6伯羟基氧化成羧基,生成壳聚糖钠盐,因此在 CS—I accase—TEMPO中通过羧酸根的电离抑制了氨基 tivity[J].Journal of Functional Materials,2014,45 (14):14037—14042. 裴继诚,于成华,张方东,等.漆酶催化壳聚糖一阿魏酸接 枝共聚提高产物抗氧化及抗菌性的研究[J].功能材料, 2O14,45(14):14037—14042. ak H,Tyrakowska B,et a1.The [11] Lemanska K,Szymusiinfluence of pH on antioxidant properties and the mecha 的质子化,提高了氨基的供电子能力,致使CS—Lacca— se—TEMPO的ABTS自由基的清除速率明显高于CS— nism of antioxidant action of hydroxyl—flavones[J].Free Radical Biology and Medicine,2001,31(7):869 881. control。抗氧化性能的提高间接地表明了经漆酶一 TEMP0体系氧化后,壳聚糖中产生了羧基。 ghly [12] De Nooy A E J,Besemer A C,Van Bekkum H.Hiselective nitroxyl radical—mediated oxidation of primary 3 结 论 漆酶一TEMPO体系可以选择性地将壳聚糖分子 中的C一6伯羟基氧化成羧基,其产物为氧化壳聚糖钠 盐;产物的热稳定性提高,化学结构稳定性增强;产物 对ABTS自由基清除率达到66.36 ,抗氧化能力得到 改善,具有较强的抗氧化性。由于经漆酶一TEMPO体 系氧化的壳聚糖较强的抗氧化性可以防止脂质被氧 化,因此氧化后的壳聚糖在食品包装材料和食品添加 剂方面具有很好的潜在应用价值。 参考文献: Eli Roberts G A F.Chitin chemistry[M1.London:Macmil— lan Press,1992:72. 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Tianjin 300457,China) Abstract:Research adopting laccase—TEMPO system to selectively oxidise the C一6一hydroxyl of chitosan,the FT— IR,”C NMR,Na+chromatogram and TGA were used to characterize oxidation products,and further to studv its antioxidant capability.Results showed that the C一6一hydroxyl of chitosan were selectively oxidised to carbox— yl,and other basic structure unchanged,the product is sodium salt of oxidised chitosan;compared to the oxida— tion product of chitosan with the original,can improve the thermal stability;after standing for 5 min,the oxi— dation product of chitosan provided an ABTS・-。radical scavenging ability of 6636%,indicate that antioxidant .capability of the oxidation product was improved. Key words:laccase;TEMPO;chitosan;antioxidant capability 

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