壳聚糖脱乙酰度的测定及其应用研究进展

王一迪，古 渊，谢 嫚，游清徽

（江西师范大学生命科学学院，江西南昌 330022）

壳聚糖广泛存在于各类动物、植物和真菌中，被认为是自然界中存量仅次于纤维素的天然多糖类物质[1]。壳聚糖主要来源于甲壳素，是甲壳素脱N-乙酰基的产物，其氨基具有很强的亲核性，能够发生N-烷基化等一系列反应。通常来讲，甲壳素中的N-乙酰基脱去55%以上后就可被称为壳聚糖。脱乙酰的程度决定了氨基在多糖分子链上的含量，脱乙酰程度越高，壳聚糖在稀酸溶液中由于氨基质子化而产生的带电基团就越多，导致其结构上的变化与性质上的差异。因此，脱乙酰度（degree of deacetylation，DD）是壳聚糖生产中一个重要的质量和工艺指标[2]。同时，壳聚糖具有安全无毒、环境友好、可自然降解等特性，被广泛应用于医药[3]、食品[4]、农业[5]、环保[6]、纺织[7]、美妆[8]、生物工程[9]等领域。本文综述了壳聚糖脱乙酰度的各类测定方法并进行比较，讨论了其优点和局限性，并围绕不同脱乙酰度的壳聚糖在多个领域中的应用展开讨论，为壳聚糖产品的质量控制和应用提供参考依据。

1 壳聚糖脱乙酰度的测定

壳聚糖脱乙酰度的检测方法大致可分为三类[10]。第一类是化学分析方法，包括碱量法[11]、胶体滴定法[12]、电导滴定法[13]、电位滴定法[14]和线性滴定法[15]等；第二类是光谱学方法，有红外吸收光谱法[16]、紫外吸收光谱法[17]、核磁共振波谱法[18]等；第三类是破坏性方法，包括差示扫描量热法[19]、元素分析法[20]、解离法[21]和X射线衍射法[22]等。同时，近年来也有相关学者开发出了新型的电特性测定法。本文综述了目前所有报道的几种壳聚糖脱乙酰度测定方法及其改进方案，同时比较各种检测方法的优势和不足，总结见表1。

1.1 化学分析法

1.1.1 酸碱滴定法 酸碱滴定法的依据，是壳聚糖脱乙酰基后产生的自由氨基呈碱性，能够与酸定量发生中和反应，然后通过滴定测量体系中多余的氢离子，即可推算出与氨基结合的氢离子含量，进而推算出壳聚糖的氨基含量和脱乙酰度。通过酸碱滴定法测定氨基含量时使用的指示剂通常为甲基橙[11]，但在滴定终点时溶液由橙色变为黄色，显色不够明显。印琦等[23]采用甲基橙-亚甲基蓝作为指示剂对酸碱滴定法加以改良，在滴定终点时溶液由紫色转变为浅绿色，测定结果准确度达到97.01%，相较于单独使用甲基橙作为指示剂时更好判断，提高了实验的准确性和可重复性。此类方法需要将壳聚糖配制成溶液后进行测定，这就对壳聚糖样品的分子量和脱乙酰度范围有一定的要求，也可能受到溶液中其他杂质的干扰而影响其测定精度。

基于酸碱滴定法的原理，何炜欣等[24]采用光纤折射率传感器的检测方法，以光纤折射率传感器实时动态检测滴定过程中样品溶液的光折射率，能够非常便利、精确地判断滴定终点。当以双突跃法滴定结合光纤折射率传感器进行检测时，三种壳聚糖样品的脱乙酰度分别为（88.0%±1.1%）、（92.2%±0.9%）、（96.1%±0.8%），而根据1H NMR得出三者的脱乙酰度分别为87.0%、91.0%和95.1%，二者相差不大。该结果表明，将光纤折射率传感器测试系统用于壳聚糖的脱乙酰度检测是可行的。这种方法的核心测量装置不需要额外的电子元件，能够避免电磁波干扰，具有易于搭建、操作简便、响应速度快等优点。但不可忽略的是，该方法同样会受到壳聚糖溶液粘稠、浑浊特征的影响，导致测试结果的可靠性下降。

1.1.2 库伦滴定法 库伦滴定法是通过在电极上发生电解反应，产生的氢氧根离子在壳聚糖溶液中与反应剩余的HCl发生反应，依据法拉第公式计算壳聚糖的脱乙酰度。WANG等[25]通过实验得出，当以1 mol/L KCl溶液作为电解质，15.00 mA恒定电流强度，以复合玻璃电极作为指示电极，以双铂电极-铂丝辅助电极作为工作电极对，pH3.80为滴定终点，测量四份样品得到的脱乙酰度均与核磁共振氢谱的检测结果相近，标准差小于0.5%。随后，WANG等[26]又对库仑滴定法做出改进，采用双突跃库仑滴定法分析壳聚糖的脱乙酰度，通过两次突跃之间的电解时间差，即可得出壳聚糖的脱乙酰度，同时消除由壳聚糖溶液中残留的酸或碱所引起的测量误差，测试结果表明，四个样品的脱乙酰度与核磁共振测定的结果一致，标准偏差低于0.60%。库仑滴定法直接通过电解来产生氢氧根，根据两次突跃之间的电解时间差能够直接计算壳聚糖中质子化的氨基含量，有效避免了溶液中残留酸或碱的干扰，精密度较好，操作简单，并且分析时间也较快，15 min即可得出结果，但其对电解质的种类和浓度都有一定要求。双突跃库仑滴定法在检测过程中使用锑电极取代玻璃电极，提高了检测的灵敏度，克服了玻璃电极在粘稠、浑浊的壳聚糖溶液中的应用缺陷。但是，库伦滴定方法及改进的双突跃库仑滴定法都有一个共同的缺陷，就是只能检测溶解性较好的壳聚糖，对壳聚糖的相对分子量有一定要求，同时也容易受到内源性杂质的干扰，稳定性不佳。

1.2 光谱学方法

1.2.1 红外光谱法 壳聚糖残留的酰胺基团具有独特的红外吸收峰，使得红外光谱法（IR）成为测定壳聚糖脱乙酰度光谱学方法中最常用的一种。壳聚糖的脱乙酰度不同，则分子中酰胺基团参与形成的链内、链间氢键的数目也不同，导致酰胺峰位发生变化。在样品的红外光谱图中，不同基团会呈现出不同的吸收区域，通过参照品中酰胺的特征吸收峰与其总吸收峰之间的比例，结合壳聚糖样品的总吸收峰，即可推算出壳聚糖的脱乙酰度。

选择合适的吸收峰、参照峰以及基线，对红外光谱测定壳聚糖的脱乙酰度非常重要[27]。其特征吸收峰大多选择1655、1550和1310 cm−1等，而参照峰常用3450、2877 cm−1等。现有文献采用了多种不同的吸收带比，例如A1320:A1420[28]、A1655:A3450[29]、A1560:A1030[30]等。林瑞洵等[31]发现1655 cm−1处的吸收峰受样品含水的影响较大，1550 cm−1处吸收峰受到的影响则较小。DONG等[32]分析后认为使用A1560:A2880的吸收带比测定效果最好，并且在相邻两个波谷之间建立连接，对于测量1560 cm−1和1655 cm−1谱带的吸光度更好。测量范围几乎覆盖了脱乙酰度的整个范围（1%~100%），并且优化了1655 cm−1峰受到样品中含水的干扰问题。同时，当壳聚糖的脱乙酰度过高（大于90%）时，由于酰胺基团的吸收峰很弱，红外光谱检测中很容易受杂质干扰，影响测定结果的准确度。

DIMZON等[33]使用偏最小二乘（PLS）来对红外光谱测定结果进行分析，使得检测准确度得到了显著改善。该研究采用1500 cm−1至1800 cm−1的红外光谱区数据集，采用不同的PLS模型对该数据集进行处理、评估和比较。对PLS载荷图的分析表明，光谱区域中的重要变量来自1660 cm−1和1550 cm−1处的酰胺谱带和1600 cm−1处的酰胺谱带相关的吸收最大值。与常规的红外吸收率法相比，IR-PLS结果更加精确和可靠。FATIMA[34]还采用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）追踪从甲壳素提取壳聚糖过程中的脱乙酰度变化，从而跟踪了甲壳素到壳聚糖的转化过程。

红外光谱法的优势在于不用将壳聚糖样品配制成溶液，进而测定一些难溶的壳聚糖样品，操作中一般使用溴化钾压片法，即将干燥后的壳聚糖样品与溴化钾混合并研磨成粉末，压片后再进行分析。样品中的内源性杂质对测定的影响较小，但需要专业仪器才能完成测定，限制了该方法的应用场景。

1.2.2 拉曼光谱法 ZAJAC等[35]还开发出了一种使用拉曼光谱测定壳聚糖脱乙酰度的方法。拉曼光谱法与红外光谱法的原理相近，通过测定壳聚糖在拉曼光谱中的特征吸收峰来计算壳聚糖的脱乙酰度。检测中以896 cm−1作为参照谱带，而非采用受壳聚糖样品中水分影响较大的C-H伸缩震动谱带作为参照，提高了测定的准确性。拉曼光谱的优点是样品中的水分、无机盐和蛋白质等杂质均对检测结果无影响，从而保证了检测的准确度。

1.2.3 核磁共振波谱法 核磁共振波谱法（NMR）是一种应用广泛的化合物结构解析方法，常用的有1H NMR[36]、13C NMR[37]、15N NMR[38]等。其中1H NMR被广泛认为是测定壳聚糖脱乙酰度最为准确的方法，常被用作其他测定方法的校准和对照[39]。1H NMR是利用壳聚糖分子中不同氢质子具有不同的化学位移值，以核磁共振波谱图中氢质子的积分面积和对照氢质子的积分面积做比较，来计算出壳聚糖的脱乙酰度。13C NMR的原理与前者类似，检测的是羰基中的碳峰面积。TANG等[40]提出了一种根据交叉极化互易关系，使用SSNMR13C方法测定甲壳素含量和壳聚糖的脱乙酰度。这是基于交叉极化互易关系改进的固体核磁共振定量方法（rQCPZRCSSNMR），将其用于壳聚糖脱乙酰度的测试。选择三个甲壳素或壳聚糖样品以评估rQCPZRC的性能，与定量测试法和最佳接触时间法相比，rQCPZRC被证明是一种准确可靠的脱乙酰测试方法，相对误差小于5%。此外，每个样品的rQCPZRC实验时间为5.5 h，明显短于双脉冲定量分析法（DP）的36~85 h。因此，使用rQCPZRC作为脱乙酰度的测试工具，能够精准和高效地测定壳聚糖的脱乙酰度。15N NMR的计算最为简单，通过核磁共振得到氨基信号峰和乙酰胺信号峰，通过峰强度的比值来得出壳聚糖的脱乙酰度。但13C NMR和15N NMR的检测准确性较低，且操作繁琐程度相当，故在应用上还是将1H NMR作为核磁共振波谱法中的最优选[37]。核磁共振波谱法的局限性在于所需仪器昂贵，操作也非常复杂，需要专人经培训后才能操作，这使得这种方法很难被推广和应用。

1.3 破坏性方法

1.3.1 差示扫描量热法 差示扫描量热法（DSC）是一种常用的热分析方法，通过检测样品的物理性质随温度和时间的变化，来分析物质分子结构[19]。利用甲壳素和壳聚糖在高温条件下能够解离成两种特定单体的性质，检测人员采用DSC来测定壳聚糖的脱乙酰度。GUINESI等[41]通过DSC测定壳聚糖脱乙酰度时在296和404 ℃时出现了两个放热峰，峰高度与峰面积的比值与壳聚糖样品的脱乙酰度之间呈现良好的线性关系。纪建华[42]将DSC测定与红外吸收光谱法进行比较研究，结果表明，壳聚糖DSC曲线中选用295 ℃分解峰与红外光谱测定中选用A1320:A1420得到的脱乙酰度结果相近，同时也接近于样品标称的脱乙酰度，仅稍微偏高约1%。纪建华[43]又将DSC测定与和电位滴定法加以比较，DSC检测结果与作为参照的1H NMR测定结果最大相差不到1%，且四组平行试验的标准偏差均小于1.5%，表明DSC检测有较好的精密度；此外，通过对两种方法稳定性的考察，发现电位滴定法的测定值会随着样品溶液放置时间的延长而逐渐增加，稳定性相对较差的最大相差为3.92%，而DSC法没有明显变化，最大相差仅为1%。由此可见，DSC法和红外光谱法一样，都属于测定准确度较好的一类方法，检测速度快，并且同样拥有广泛的脱乙酰度测定范围。然而，该方法需要专门的检测设备，因此产生了一定的局限性。

1.4 电特性测定法

1.4.1 毛细管区带电泳法 WU等[44]开发了一种毛细管区带电泳（CZE）的方法来测定壳聚糖的脱乙酰度。壳聚糖是一种阳离子多糖，其脱乙酰度可以通过电泳迁移率的分布来表征，因此毛细管区带电泳是一种合适的检测方法，通过测定壳聚糖电泳迁移的速率与1H NMR测定的脱乙酰度，在二者之间建立线性校准方程式，实现了55.3%~96.2%脱乙酰度壳聚糖样品的测定。值得强调的是，该方法不仅可以获得壳聚糖样品的平均脱乙酰度，而且还可以从电泳色谱图中获得不同批次壳聚糖的脱乙酰度分布信息。THEVARAJAH等[45]使用游离溶液毛细管电泳（CE）度来分离不同脱乙酰度的壳聚糖，根据壳聚糖样品电泳迁移率分布的分散性可以表征壳聚糖的脱乙酰度，并与1H NMR检测得到的脱乙酰度数建立了对应关系，同样取得了较好的结果。但是，毛细管区带电泳法不可避免地要依据1H NMR检测的结果作为参照，这就使得测试的前期准备工作变得复杂且耗时，从而限制了该方法的推广应用。

1.4.2 感电特性测定法 利用感电特性来评估壳聚糖的脱乙酰度是由LI等[46]提出的一种新型检测方法。该研究旨在通过基于感应方法的模拟电分析系统确定固定相对分子质量壳聚糖的脱乙酰度。相关研究表明，导电性液体食品的物理化学性质能够通过其感电特性加以表征[47]。将其应用于壳聚糖，原理大致为：在硅钢芯的一侧用铜丝缠绕作为初级线圈（Np），将导电性溶液（壳聚糖乙酸溶液）填充在硅钢芯的另一侧的玻璃螺旋管（或聚四氟乙烯管）中，使之成为次级线圈（Ns）。在初级线圈上施加的初级电压（Up）会在钢芯中产生交变磁通，从而导致壳聚糖线圈中产生感应电压（Us）。根据变压器原理[48]Up/Us=Np/Ns，其中Up和Np/Ns都是固定的，所以Us为一常数。壳聚糖中氨基含量的差别会导致其感电特性的差异[49]，而阻抗的变化会导致壳聚糖线圈中的Us变化，所以通过测量壳聚糖的感应电参数，即可对应表征壳聚糖的脱乙酰度值。但是，该方法目前只能检测固定相对分子质量的壳聚糖溶液，这是由于壳聚糖的聚合度也会影响其氨基含量[50]，因此该方法更加适用于同批次固定相对分子质量壳聚糖样品的检测，而非壳聚糖混合物的质量控制。

2 不同脱乙酰度壳聚糖的应用

2.1 高脱乙酰度壳聚糖的应用

脱乙酰度达到85%（甚至90%）以上的壳聚糖就可以称之为高脱乙酰度壳聚糖[51]。高脱乙酰度壳聚糖由于游离氨基含量高，在抗菌、保鲜、防腐和抗氧化等方面都表现出良好的作用，故而在食品工业中得到了广泛的应用。

2.1.1 抗菌 壳聚糖抗菌机理主要包括两个方面：一是当壳聚糖分子中带正电荷的氨基吸附于细菌细胞表面时，会形成一层阻碍物质运输的高分子膜，影响细胞正常的新陈代谢，从而起到抑菌作用[52]；二是这些游离氨基能够和细菌细胞壁中带负电的磷壁酸结合影响其生理功能，破坏细胞壁合成，进而改变了细胞膜的屏障性能，引起菌体形变，导致质壁分离[53]。赵维等[54]比较了不同脱乙酰度蚕蛹壳聚糖的抑菌性能，结果显示，随着样品脱乙酰度的增加，抑菌活性也逐渐增大，对白色念珠球菌、大肠杆菌、蜡状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌等都表现出了明显的抑制作用。贾秀春等[55]用壳聚糖对猪肉进行抗菌处理也得到了类似的结果。各种海产废料，如虾壳、蟹壳等都是重要的壳聚糖产品来源，VALE 等[56]从蟹壳中提取了脱乙酰度为92%的高脱乙酰度壳聚糖，分别以浓度为1.5%和0.6%的甘油配制成壳聚糖甘油膜溶液，同样表现出良好的抗菌活性。由此可见，壳聚糖分子中游离氨基的含量是使其发挥抑菌作用的关键，高脱乙酰度的壳聚糖其抗菌效果会更好。

壳聚糖与金属离子结合制备复合材料，可以加强其抗菌活性[57]，例如银离子会与带负电的大分子相互作用，引起蛋白质变性、细胞壁变形，最终导致细胞死亡[58−59]，因此，壳聚糖与金属离子的复合材料预期效果更好。

2.1.2 保鲜 壳聚糖作为一种天然防腐剂能够有效保鲜，抑制食品氧化、褐变和产生异味[60]。研究表明，高脱乙酰度的壳聚糖能够有效抑制肉类中的脂质水解，其机理在于壳聚糖作为一种碱性多糖，具有大量的游离氨基，能够和游离脂肪酸充分结合，发挥良好的抗氧化活性[61]。欧春艳等[62]研究了不同脱乙酰度的壳聚糖对黄瓜的保鲜效果，采用脱乙酰度70%~90%的各种壳聚糖作为保鲜剂，结果显示高脱乙酰度的壳聚糖更能减少黄瓜中的水分、叶绿素和维生素C的流失，降低黄瓜的腐烂率。因此，壳聚糖的脱乙酰度越高，保鲜效果越好。

将壳聚糖的成膜性应用于食品包装也是近年来的研究热点。将壳聚糖与天然大分子有机物如蛋白质、多糖及不同抗菌物质如抗生素、有机酸、植物提取物等结合制备涂层用于食品包装，能够有效提升食品的抗菌能力，延长其保存时间。

吕勇等[63]考察了不同脱乙酰度涂布包装纸的力学性能和抗油脂性能，结果表明，随着涂布的壳聚糖脱乙酰度的提高，包装纸力学性能得到提升。其原因可能是壳聚糖分子与纸张纤维素之间的氢键作用力与脱乙酰度呈正相关。

将高脱乙酰度的壳聚糖和茶多酚复配制成复合保鲜膜，不仅提高了保鲜膜中的总酚含量，还提高了其对2,2-二苯基-1-苦基肼自由基的清除活性，大幅增强了壳聚糖保鲜膜的抗氧化性能，同时膜的机械强度和水蒸气阻隔性能也得到了提升[64−65]，在水果[66−68]、蔬菜[69−70]、水产品[71−72]和肉类[73−74]等的保鲜领域都呈现出巨大的发展潜力。

2.2 中低脱乙酰度壳聚糖的应用

一般称脱乙酰度在55%~85%的壳聚糖为中低脱乙酰度壳聚糖[51]，此类壳聚糖在组织工程和环保等领域具有独特的应用。

2.2.1 组织工程 壳聚糖作为一类碱性阳离子聚合物，不溶于水，同时具有良好的可塑性和可加工性，将其加工或改性制成薄膜、微球或者多孔的组织工程材料，能够为细胞生长提供良好的支撑和贴附作用[75]。用于人体的组织工程材料的一个重要特性是具有合适的体内降解性，壳聚糖可以被溶菌酶缓慢水解，因此具有合适的降解性，如今已成为生物和医疗材料领域的研究热点[76]。壳聚糖的降解速度与其脱乙酰度密切相关，将其应用于软骨损伤修复时，使用脱乙酰度为80%左右的壳聚糖作为支架原料，可以让壳聚糖支架的降解速度与人体软骨正常修复的时间相吻合，从而发挥最佳的治疗效果[77]。此外，壳聚糖还对人体原代成骨细胞的生长和分化有一定的影响，研究表明低脱乙酰度的壳聚糖海绵能够促进破骨细胞生成因子的分泌[78]。为了有效调控并引导骨再生的速度和质量，可以通过使用不同脱乙酰度的壳聚糖原料加以实现。

2.2.2 环保 壳聚糖作为一种高分子凝絮剂和吸附剂，在水处理以及保水材料等领域发挥着重要的作用。通过将中脱乙酰度的壳聚糖与丙烯酰胺和阳离子单体进行三元共聚合，一方面能够增强改性壳聚糖的溶解性，另一方面还保持了聚合物足够的相对分子质量与电荷密度，使其更容易对杂质颗粒进行架桥吸附和电中和[79]。同时，不同的脱乙酰度也使得壳聚糖对不同的重金属元素有着不同的去除效率。例如，中低脱乙酰度的壳聚糖薄片和珠粒则对铅的去除效果更好[80]。中低脱乙酰度壳聚糖还能够作为保水材料，将壳聚糖丙烯酸酯类的高吸收性聚合物（SAP）作为保水材料，对保护植被、涵养水源都有着很好的效果。相关研究表明，当使用低相对分子质量和低脱乙酰度的壳聚糖时，SAP的吸水性更强[81]。

3 总结和展望

壳聚糖在传统食品工业和医疗保健行业中的应用极为广泛，在抗菌、保鲜和包装材料方面具有巨大的应用潜力。然而，对于壳聚糖的研究开发仍处于逐渐深入的过程，暂时难以完全替代相关的食品添加剂和防腐剂，正因如此，还需要研究者对壳聚糖进行全面且深入的检测、复配和改性研究。绝大多数情况下，壳聚糖必须标注其脱乙酰度。为了保证壳聚糖脱乙酰度测定的效率、准确性与可推广性，有必要继续探索更加简便、快速、准确的测定方法。现有的脱乙酰度测定方法中，化学分析法和光谱分析法由于其简便快捷的特性，被广泛应用于食品、医药等诸多领域。不同脱乙酰度的壳聚糖也发挥出了不同的功能特性，高脱乙酰度壳聚糖的抗菌保鲜能力受到重视，中低脱乙酰度的壳聚糖则在医学和环保领域发挥重要作用，通过进一步探索壳聚糖脱乙酰度的测定方法，相信能够为扩展其更加广泛的应用提供助力和参考。