低聚壳聚糖具有独特、优越的生理活性和应用功能,在食品保健及生物医药领域中具有巨大的开发应用潜力,发展前景广阔,特别是聚合度6～8的低聚壳聚糖,生物利用度最好,有抑制肿瘤、抗溃疡和提高免疫力的作用,可望开发成为新型的药物或药物载体材料。但是传统方法生产的低聚壳聚糖分子量分布不能有效控制,产物中聚合度6～8的低聚壳聚糖产量不高,使产品难以高效发挥其特有的功能,甚至会产生某些副作用。本研究以亚铁离子与壳聚糖形成配合物,再以木瓜蛋白酶降解,同时在配合物制备和酶解过程中以电磁场进行强化,从而增加产品中目标产物的含量和提高生产效率,为定位酶解生产指定聚合度的低聚壳聚糖开辟了新的途径。同时探讨了电磁场对配合反应和酶解反应的强化机理,为相关的技术研究和应用提供理论依据。主要研究内容及结果如下： 一、超声场对壳聚糖亚铁离子配合反应的作用 研究了以105W/cm2的超声场对壳聚糖与亚铁离子配合反应的强化作用。结果表明,无论是在配合反应前对壳聚糖进行超声处理还是在反应中对反应体系处理,超声场对配合反应都能产生影响,而且产物的配合量与超声处理的时长有关。在本研究中,105W/cm2的超声场处理9min可以使亚铁离子与壳聚糖的配合量提高92.9％～106.9％。研究发现,对该配合反应来说,超声处理时间存在一个阈值,处理时间小于9min的强化效果不显著,但处理时间大于9min也不能使配合量继续显著增加。并初步探讨了超声场强化壳聚糖与亚铁离子配合反应的作用机理,推测超声波主要通过在溶液体系产生空化效应,使壳聚糖分子展开和脱乙酰,并增加分子间碰撞概率,提高了配合反应的速率和产物的配合量。 二、微波辐射对壳聚糖亚铁离子配合反应的作用 研究了以180W微波辐射对壳聚糖与亚铁离子配合反应的强化作用。结果显示,微波辐射处理5min即能达到该反应的阈值,从而提高该配合反应的反应速率,并使产物配合量提高79.1％。通过实验初步探讨了微波辐射强化该反应的机理,认为微波辐射具有与传统加热不同的“微波效应”,能使水分子高速振动,促进壳聚糖分子进一步展开、扰动Fe2+,加快离子传导速率,从而提高了反应速率和产物配合量。而且,微波辐射的强化作用能使更多Fe2+分布在壳聚糖基分子链上,有利于在降解反应中控制低聚产物的聚合度分布,增加目标低聚糖产物的含量。 三、恒磁场对壳聚糖亚铁离子配合反应的作用 研究了不同磁感应强度的恒磁场对壳聚糖与亚铁离子配合反应的影响。结果显示,磁感应强度在50～150mT范围内的磁场对该反应有促进作用,200mT的磁场对该反应有抑制作用。100mT磁场对配合反应体系作用1h,可提高反应速率并使产物配合量增加24.0％。以共振理论初步讨论了恒磁场影响壳聚糖与亚铁离子配合反应的机理,认为磁感应强度100mT的磁场是产生该配合反应的最佳条件,可使溶液中的壳聚糖和Fe2+产生共振,从而降低反应的活化能,促进了配合反应。而200mT的磁场已超过了最佳频率场,对反应有抑制作用。此外,磁场能使更多Fe2+分布在壳聚糖基分子链上,有利于在降解反应中控制低聚产物的聚合度分布,增加目标低聚糖产物的含量。 四、木瓜蛋白酶降解壳聚糖亚铁离子配合物反应的研究 以粘度下降率(VDP)为指标,研究了pH、温度、底物浓度、酶底比四因素对木瓜蛋白酶降解壳聚糖亚铁离子配合物的影响,并计算、建立了酶解反应模型：:Y=108.74-0.40X1+1.88X2+6.77X3+1.84X4-21.44X12-22.42X22-7.50X32+7.56X1X2;得到了最佳工艺参数:pH=4.46,温度=44.95℃,底物浓度=1.98％,酶底比=1.75％。以最佳工艺参数降解不同电磁场强化制备的木瓜蛋白酶降解壳聚糖亚铁离子配合物以及不同脱乙酰度的壳聚糖,发现各底物的降解速率有如下关系:CTS-Fe2+MVI≈CTS-Fe2+M>CST-Fe2+>CTS-Fe2+U≈CTS(67％DD)>CTS(80％DD)。认为Fe2+与壳聚糖配合之后,壳聚糖基上形成了易于降解的弱势位点,因此促进了降解。 五、恒磁场强化木瓜蛋白酶降解壳聚糖亚铁离子配合物反应的研究 探索了一定磁感应强度范围内的恒磁场对酶解CTS-Fe2+MVI、CTS-Fe2+M反应的影响,发现磁感应强度≤300mT的磁场对酶解反应有促进作用,以300mT磁场对CTS-Fe2+MVI、CTS-Fe2+M酶解反应作用1.5h,能使反应速率分别提高47.7％和56.0％。但大于300mT的磁场则对酶解有抑制作用。 HPLC分析结果表明,下列各底物降解后聚合度6～8的产物含量:CTS-Fe2+MVI≈CTS-Fe2+M>CTS-Fe2+>CTS(67％DD)。在都有磁场强化的情况下,与酶解CTS(67％DD)得到的低聚产物(DP≤16)相比,酶解CTS-Fe2+MVI、CTS-Fe2+M和CTS-Fe2+所得的低聚产物中6～8聚糖含量分别增加29.59％、28.04％和13.14％。 研究了恒磁场强化木瓜蛋白酶降解壳聚糖亚铁离子配合物的作用机理,认为磁场从增加酶活力和强化底物两方面影响了酶解反应。一方面,一定磁感应强度的磁场通过影响木瓜蛋白酶的构象使其酶活性得以提高；另一方面,磁场能使CTS-Fe2+分子上Fe2+的分布形成更多的能使壳聚糖基分子链易于降解的弱势结构。 六、电磁场对反应产物结构的影响 红外光谱分析显示：在实验条件下,无论是配合反应过程中分别加以超声场、微波辐射、恒磁场作用,还是在酶解反应过程中施加恒磁场作用,对产物的基本分子结构都没有明显影响。