纤维素硫酸钠的制备及性能测定

朱丽英，姚善泾

（浙江大学化学工程与生物工程学系，浙江 杭州 310027）

纤维素硫酸钠的制备及性能测定

朱丽英，姚善泾

（浙江大学化学工程与生物工程学系，浙江 杭州 310027）

采用凝胶渗透色谱法、BaSO4比浊法和酶降解法分别测纤维素硫酸钠（NaCS）的分子量、取代度和降解性，并考察了NaCS制备条件对NaCS性质影响。结果表明：制备NaCS的反应时间越长，NaCS的分子量越小；分子量分布系数先逐渐增加，在6 h达到最大值（5.16），继续反应，分子量分布系数迅速下降；NaCS的取代度随着反应时间延长先逐渐增大，到6 h后，取代度保持在0.5左右；NaCS的降解性随着其取代度增加而呈现逐渐下降的趋势。

纤维素硫酸钠 凝胶渗透层析 硫酸钡比浊法 取代度 分子量分布 生物降解

纤维素硫酸钠（NaCS）是一种由纤维素经磺化而成的衍生物，常与聚二甲基二烯丙基氯化（PDMDAAC）、壳聚糖等阳离子聚合物结合形成微胶囊或复合物，以前主要用于细胞或酶的固定化[1-3]，近来以医药方面的应用为主[4-6]。Wang等[6]以NaCS和壳聚糖为主要原料制备胶囊，将其用于结肠靶向给药，发现该胶囊具有良好的结肠靶向性，有望成为一种新型的结肠靶向给药载体；Xie等[7,8]将NaCS分别与壳聚糖和PDMDAAC采用层层自组装方法制备成微米级胶囊，为NaCS的应用提供了新的思路。虽然自上世纪90年代就有人开展了NaCS的制备与应用的研究，但至今仍未有商品问世，其中最大的阻碍是NaCS性能的标定问题。尽管已有不少研究者报道了NaCS制备工艺对NaCS得率、取代度和微胶囊性能的影响[9-11]，但所采用的方法的准确性还有待进一步考证。关于NaCS分子量测定的报道非常少，王明君[12]曾采用光散射法（LS）测NaCS分子量，但该方法只能测一种分子量，而不能考察分子量分布情况，而凝胶渗透色谱法（GPC）能够同时测重均分子量（Mw），数均分子量（Mn）及分子量分布。BaSO4比浊法[13]是利用BaCl2与从糖复合物中释放的硫酸基结合，生成硫酸钡，而后用分光光度计测定其浊度，该方法操作简单，测定结果稳定可靠，常用来定量测定糖复合物中的硫酸基团。与聚电解质滴定法相比，BaSO4比浊法更能准确地测定出NaCS的取代度。要作为结肠靶向给药材料，NaCS需要生物可降解，由于结肠中存有大量的纤维素分解细菌[14]，所以有必要了解NaCS被纤维素酶降解的性能，从而可以了解NaCS作为结肠靶向给药系统材料的可能性。因此，本工作采用凝胶渗透色谱法（GPC）测NaCS分子量，用BaSO4比浊法测NaCS的取代度，用酶降解法测NaCS的降解性能，并在此基础上，探讨制备条件对NaCS分子量的影响，以期为标定NaCS性能提供较为可靠的方法，为制备品质优良的NaCS提供参考。

1 实验部分

1.1 NaCS制备

NaCS按照文献[10]方法制备。纤维素购自海盐长川坝精制棉有限公司，其聚合度分别为1 491，1 780，2 137和2 230。浓硫酸、异丙醇和正丙醇均为市售分析纯，95%乙醇为工业级。绿色木霉纤维素酶由国药化学试剂有限公司提供。

1.2 分析方法

采用GPC测分子量。GPC检测条件：PL auagel-OH 50（300 mm × 7.5 mm），PL auagel-OH 40（300 mm× 7.5 mm）和PL auagel-OH 20（300 mm × 7.5 mm） 三柱串联，凝胶孔径分别为8和5 μm，排阻分子量为0.1～1 000 kDa；Empower色谱工作站；流动相为含0.1 mol/L硝酸钠的蒸馏水，流速为0.8 mL/min；柱温为30 ℃；标准样品为葡聚糖。

采用BaSO4比浊法测取代度。称取适量样品放入盛有1 mL 浓度为1 mol/L HCl的试管中，密封，于100 ℃水解6 h，冷却后开启试管。内容物减压旋转蒸干，残渣用1 mL蒸馏水溶解。取水解液0.1 mL，放入检测试管中，加蒸馏水至0.4 mL，再加入三氯乙酸0.35 mL和氯化钡明胶溶液0.25 mL，混合。K2SO4标准品和水空白也按此操作。混合液在360 nm下测吸光度。最后参照K2SO4标准曲线计算SO42-浓度。NaCS的取代度按公式（1）计算。

式中，MS和MC分别代表NaCS中硫元素和碳元素的含量。NaCS的取代度指每个葡萄糖分子所含的磺酸基团量。

纤维素酶降解性能的测定：将适量NaCS溶于20 mL pH值为6.8 的Na2HPO4-柠檬酸缓冲液中，加入80 IU/L 纤维素酶，在37 ℃，100 r/min的条件下降解30 min。然后，沸水浴5 min将纤维素酶灭活，离心去除酶沉淀后，采用乙醇将降解液中的NaCS沉淀出来，离心去除上清液，于60 ℃真空干燥，然后计算NaCS的降解率。

2 结果与讨论

2.1 NaCS分子量的测定以及纤维素聚合度和反应时间的影响

制备 NaCS的主反应是将纤维素与硫酸-正丙醇溶液在低温下进行磺化，其中纤维素聚合度、反应时间和反应温度等都是影响NaCS性质的重要参数。章小忠等[11]曾通过正交设计法对NaCS的制备条件进行优化，发现-6 ℃是NaCS制备的最佳温度，因此，本工作在-6 ℃下制备了 NaCS，并重点考察了纤维素聚合度和反应时间对其分子量的影响，结果分别列于表1和表2中。

表1 纤维素聚合度对NaCS分子量的影响Table 1 Effect of polymerization degree of cellulose on molecular weight of NaCS

表2 NaCS分子量随反应时间的变化Table 2 Change of molecular weight of NaCS with reaction time

表1中的结果表明，采用光散射法和凝胶渗透色谱法测得的分子量变化较一致，但采用光散射法测得的分子量比后者所得结果小。由表1还可以看出，随着纤维素聚合度的增大，NaCS分子量逐渐增加，分散系数逐渐减小。由表2可知，随着反应时间的延长，无论是NaCS的重均分子量、还是数均分子量和黏均分子量都越来越小，而NaCS分子量分散系数的变化与其分子量的变化并不一致，当将反应时间从2 h增加到6 h时，NaCS分散度显著提高，而继续延长反应时间，分散度逐渐趋于1。

2.2 NaCS取代度测定方法比较以及纤维素聚合度和反应时间的影响

以BaSO4比浊法考察了纤维素的聚合度和反应时间对NaCS取代度的影响，结果分别见图1和图2。由图1可以看出，随着纤维素聚合度的增大，NaCS取代度逐渐减小。由图2可知，反应6 h之前，反应时间的延长会导致NaCS取代度增大，但继续延长反应时间对NaCS取代度的影响不大。与聚电解质滴定法结果[14]相比，采用 BaSO4比浊法测得的取代度数值略低。为比较两方法的准确性，本研究采用元素分析法对两个NaCS样品进行分析，结果如表3所示。由表3可见，BaSO4比浊法所测得的取代度与元素分析结果基本一致。可见，BaSO4比浊法可以替代聚电解质滴定法。BaSO4比浊法比聚电解质滴定法能更准确地测NaCS的取代度，而其成本却远小于采用元素分析法所需的成本。

图1 纤维素聚合度对NaCS取代度的影响Fig.1 Effect of polymerization degree of cellulose on substitution degree of NaCS

图2 NaCS取代度随反应时间的变化Fig.2 Change of substitution degree of NaCS with reaction time

表3 不同方法测定NaCS取代度的比较Table 3 Comparison of substitution degree of NaCS determined by different methods

2.3 NaCS被纤维素酶降解性能

纤维素聚合度和取代度对纤维素酶降解NaCS的影响见图3。由图3可知，随着纤维素聚合度的增大，NaCS降解率逐渐增大。当纤维素聚合度由2 137上升到2 230时，NaCS的降解率显著提高。而图4显示，当反应时间由2 h延长到6 h时，NaCS的降解率显著下降，但当反应时间为6～12 h时，NaCS降解率变化不大。结合前面所述可知，NaCS的取代度对其降解率影响非常大，这可能是因为硫酸基团的加入对纤维素酶的接近造成了空间阻碍，从而使取代度高的NaCS降解率较低。

图3 纤维素聚合度对纤维素酶降解NaCS的影响Fig.3 Effect of polymerization degree of cellulose on degradation of NaCS by cellulose

图4 反应时间对于纤维素酶降解NaCS的影响Fig.4 Degradation of NaCS by cellulose with reaction time

3 结 论

采用凝胶渗透色谱法、BaSO4比浊法、酶降解法分别测定了NaCS分子量、取代度和降解性能，为标定NaCS性能提供了较为准确的方法。通过比较NaCS的分子量、取代度和纤维素酶降解情况，发现反应时间是影响NaCS分子量及其分散系数和取代度非常重要的因素，而且NaCS取代度的大小将会直接影响到纤维素酶对NaCS的降解。

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Preparation of Sodium Cellulose Sulfate and Determination of Properties

Zhu Liying, Yao Shanjing
(Department of Biochemical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Gel permeation chromatograph, BaSO4turbidimetry and enzymatic degradation were employed to determine the molecular weight, structure and degradation property of sodium cellulose sulfate (NaCS) and the influence of the preparation conditions on the properties of NaCS were investigsated. The results showed that increasing the reaction time would lead to lower molecular weight. Meanwhile, with the increase of the reaction time, the polydispersity increased and reached the maximum (5.16) at 6 h. However, further increase of reaction time would lead to a sharp decrease of polydispersity. When it came to the substitution degree of NaCS, it increased with the increase of reaction time gradually, and kept about 0.5 after reaction 6 h. In addition, the degradation of NaCS by cellulase decreased with the increase of the substitution degree of NaCS.

sodium cellulose sulfate; gel permeation chromatograph; barium sulfate turbidimetry; substitution degree; molecular weight distribution; enzymatic degradation

TQ352.6 文献标识码：A

1001—7631 ( 2012 ) 02—0154—05

2011-07-01；

2012-03-14

朱丽英（1982-），女，博士研究生；姚善泾（1957-），男，教授，通讯联系人。E-mail: yaosj@zju.edu.cn

国家自然科学基金项目（20876139，21036005）