壳聚糖制备

甲壳素的化学名称为(1,4)222乙酰胺基222脱

氧2β2D葡萄糖。当甲壳素通过脱乙酰基反应转变为壳聚糖时,由于游离胺基的产生,应用性大为增加。壳聚糖分子链上的胺基和羟基都是很好的配位基团,使其具有很多纤维素不具有的用途,它既是一种天然的高分子螯合剂,可与重金属离子如Hg2+、Cu2+、Ag+形成稳定的螯合物,用于提取回

收金属和从污水中去除有害的重金属离子[1,2]

,又是一种天然的阳离子型絮凝剂,能使水中的悬浮

物凝聚而沉降,用于污水的净化处理[3]

。表征壳聚糖性能的主要参数有:脱乙酰度和分子量,它们都受甲壳素脱乙酰化反应控制。因此甲壳素脱乙酰化反应是基础性研究工作,虽然已有一些论文报道了甲壳素脱乙酰化反应的研究结果[4]

,但尚不系统完全。另外由于壳聚糖的缩醛键结构,在H+

的攻击下很容易水解,随着存贮时间的增长,

壳聚糖溶液的粘度将发生很大的变化,给应用带来影响。因此,对壳聚糖溶液存贮期间粘度变化的研究也是很有实际意义的。

1 实验部分

111 试剂及原料

所用试剂都是分析纯。甲壳素由青岛某生化公司提供。112 测定方法

脱乙酰度测定采用线性电位滴定法[5]

,溶液

粘度测定采用NDJ24型旋转粘度计测定

[6]

。

113 壳聚糖的制备

将甲壳素与氢氧化钠溶液在三口烧瓶中混合搅拌,在一定温度下回流一定时间后,过滤,洗涤,烘干,产物即为壳聚糖。114 壳聚糖的水解延缓将壳聚糖分别溶于醋酸水溶液,醋酸2乙醇水溶液,醋酸2甲醇水溶液,醋酸2丙酮水溶液,醋酸2丙酮2甲醇水溶液,常温下测定放置不同时间的上述各溶液的粘度。

2 结果和讨论

211 正交实验法确定反应条件

甲壳素脱乙酰化反应需在浓碱介质中进行,加温可有效地加速乙酰化反应,提高碱液浓度和延长反应时间也可以提高脱乙酰度。但是随着脱乙酰化反应条件的强化,甲壳素主链的降解也越来越严重,这又直接影响产品的质量。因此碱液浓度、温度和反应时间都是主要影响因素。控制脱乙酰化反应条件,就可获得不同脱乙酰度的壳聚糖。目前,常采用高温短时间反应和低温长时

间反应的壳聚糖碱液制备方法。韩怀芬等[7]

研究在100～120℃下反应2～4小时制备壳聚糖,脱乙酰度达89.31%。本实验在低温段80～90℃下反应12～16小时。

本实验首先进行三因素三水平L9(34

)正交实验,各因素和各水平见表1。实验结果见表2。对每个样品测其脱乙酰度。

表1 三因素三水平正交试验

对上述实验结果进行级差分析,可得到影响脱乙酰度的主次顺序:反应温度>氢氧化钠浓度>反应时间,最优工艺条件:反应温度90℃,氢氧化钠浓度40%,反应时间16小时。从化学角度对以上实验结果进行定性分析可知,氢氧化钠既是酰胺键水解的反应剂,又是反应介质,随着氢氧化钠浓度的增大,脱乙酰度上升,但碱液浓度不能无限制提高,其原因是,碱液浓度提高,大分子链降解作用加剧,其次碱液浓度提高,反应成本随之增加,故认为氢氧化钠浓度不宜过大,取40%为宜;温度提高可使脱乙酰化反应加速,但大分子降解也加剧。212 不同碱处理方式制备壳聚糖

采用分段碱处理方式可以制得脱乙酰度大于90%的壳聚糖,同时又可保持壳聚糖粘度基本不变。分段碱处理4次,每次在浓碱液中反应6小时后趁热过滤,回收碱液,样品用水漂洗至中性,浸于蒸馏水中4小时脱水,然后再将样品投入到浓碱中重复以上反应和操作,但第四次所用的碱液必须是新配置的。实验条件:氢氧化钠浓度40%,温度90℃。结果见图1,为了便于比较,将

连续碱液反应的结果也列于图1。

从图1可以看出,随着碱处理时间的增加,壳聚糖脱乙酰度增加,另外连续碱处理所得壳聚糖的脱乙酰度比分段碱处理的小,并且在反应总时

间到达20小时后,趋于稳定,不再升高,而分段碱处理的并没有出现饱和趋势。甲壳素脱乙酰化反应的主要过程被认为是氢氧化钠与甲壳素分子之间发生脱乙酰化反应,反应后产物醋酸钠难于离开甲壳素表面,因此虽然整个反应未达到化学平衡,但甲壳素表面的微反应区已接近达到化学平

衡,欲使脱乙酰化反应继续进行,必须除去醋酸

钠。分段碱处理方法能把甲壳素脱下来的乙酸钠及时洗去,避免了局部乙酸钠浓度过大而停留在甲壳素表面,阻止反应进一步进行。用分段碱处理方法制备壳聚糖,碱液可以多次循环使用。213 不同形态的甲壳素原料制备壳聚糖

比较不同形态甲壳素制备所得的壳聚糖脱乙酰度,对进一步认识壳聚糖脱乙酰化反应是很有意义的。将块状甲壳素原料研磨成40目的颗粒、块状甲壳素、低脱乙酰度块状壳聚糖及低脱乙酰度丝状壳聚糖,在相同条件下,即反应温度为90℃,氢氧化钠浓度为40%,时间为16小时分别对上述四种原料进行脱乙酰化反应。测定样品的脱乙酰度及其溶解性能,结果见表3

由上表可知,原料形状对制备所得的壳聚糖脱乙酰度有很大的影响。丝状壳聚糖原料制备的脱乙酰度比块状壳聚糖原料的要高,研细甲壳素

原料制备的脱乙酰度比块状的高。这与朱岩[8]

研究获得的片状和粉状壳聚糖脱乙酰化随时间的变化规律相吻合。甲壳素脱乙酰化反应是一个典型的非均相反应,它遵循非均相反应的一般规律。从微观机理来看,甲壳素脱乙酰化反应主要过程是:首先氢氧化钠向甲壳素大分子表面扩散,其次,氢氧化钠在甲壳素的微孔中即甲壳素分子链间隙的内部扩散,然后氢氧化钠被甲壳素大分子吸附,被吸附的氢氧化钠与甲壳素之间发生脱乙酰化反应。研细之后的甲壳素和线状的壳聚糖与

氢氧化钠溶液的接触面积大,脱乙酰化反应加快,因而脱乙酰度增加。214 壳聚糖溶液随放置时间的粘度变化

壳聚糖溶液粘度的变化与所用溶剂组份有关。以醋酸为主溶剂,分别加入不同含量的甲醇、

乙醇和丙酮,放置不同天数,用旋转粘度计测定常温(25℃)下壳聚糖溶液的粘度。结果列于表4。从表4中的数据可以看出:①壳聚糖在醋酸溶液中开始时溶液粘度下降很快(在第一个月里),说明刚配置的壳聚糖醋酸溶液水解程度强烈,随着时间的延长,水解逐渐缓和,溶液粘度变化缓慢。②低分子有机物甲醇、乙醇和丙酮的加入可以抑制壳聚糖的水解,从而延缓壳聚糖溶液粘度的下降,加入乙醇

的效果最为明显,粘度下降趋势平稳缓慢

3 结论

①通过正交实验确定了制备高脱乙酰度壳聚糖的反应条件,即氢氧化钠浓度40%,反应温度90℃,反应时间16小时,在此条件下制备的壳聚

糖脱乙酰度可达88.34%。

②对甲壳素进行分段碱处理。碱处理5次,可以制得脱乙酰度高达93.41%的壳聚糖。

③采用不同形状的原料制备壳聚糖所得的脱乙酰度不同,线状大于块状,研细大于块状。④在壳聚糖醋酸溶液中加入低分子有机物,可在一定程度上抑制壳聚糖的水解,其中乙醇的效果最为明显