【作者】李向東1, 2 , 謝 宇23, 魏 婭2 , 胡金剛2 ,史少欣2(1.周口師范學(xué)院,河南周口466000; 2. 南昌航空大學(xué),江西南昌330063)
【摘要】以高脫乙酰度殼聚糖為原料,在乙酸水溶液2乙醇2吡啶介質(zhì)中,實(shí)現了殼聚糖的N位均相乙?；磻?制備了具有良好水溶性的殼聚糖.研究了乙酰酐用量、反應時(shí)間、反應溫度、溶劑對殼聚糖脫乙酰度的影響.結果表明,在乙酰酐用量與殼聚糖的摩爾比為2. 0、溫度40℃、反應時(shí)間3 h、溶劑為乙醇、攪拌速度適中時(shí)產(chǎn)物的脫乙酰度為52. 9%.同時(shí)對水溶性殼聚糖進(jìn)行了紅外光譜測定,結果顯示52.9%脫乙酰度的殼聚糖與90%脫乙酰度的殼聚糖在分子結構上沒(méi)有什么不同,52.9%脫乙酰度殼聚糖水溶性的提高是由于部分脫乙?；瘜w的破壞作用造成的.
【關(guān)鍵詞】水溶性殼聚糖;乙?；?脫乙酰度
0 前言 水溶性殼聚糖的制備及脫乙酰度的測定
殼聚糖為自然界中**的堿性多糖,近年來(lái)引起了人們廣泛的研究興趣.殼聚糖及其衍生物有著(zhù)廣泛的用途,在紡織、造紙、醫藥、食品、化工、生物、化妝品及水處理等領(lǐng)域都具有較高的生產(chǎn)價(jià)值和實(shí)用意義,但殼聚糖只能溶于酸或者酸性水溶液中,而不能直接溶于水,這在很大程度上限制了其應用[1] .因此改變殼聚糖的溶解性能尤其重要.研究發(fā)現,甲殼素在均相條件下發(fā)生乙?；磻?當脫乙酰度為50%左右時(shí),產(chǎn)物具有良好的水溶性.但如果反應在非均相的條件下進(jìn)行,即使得到50%脫乙酰度的產(chǎn)物也不溶于水[2 ].化學(xué)結構分析結果表明,脫乙酰度為50%左右的水溶性殼聚糖分子鏈中乙酰氨基和氨基呈無(wú)規則分布,破壞了分子的有序性,從而使產(chǎn)物具有水溶性[3] . 水溶性殼聚糖不但提高了殼聚糖的溶解性能,而且能溶于堿性條件,使得改性反應可在堿性條件下進(jìn)行[ 4],從而進(jìn)一步擴大了其研究與應用的范圍.雖然均相脫乙?；磻芍苽渌苄詺ぞ厶?但反應需在濃堿中進(jìn)行,后期脫鹽時(shí)需大量的溶劑,難于進(jìn)行工業(yè)化大生產(chǎn).將高度脫乙酰度的殼聚糖在均相介質(zhì)中進(jìn)行乙?；磻?當乙?；仍?0%左右時(shí),同樣可獲得具有優(yōu)良溶解性能的水溶性產(chǎn)物[5],并且方法工藝簡(jiǎn)單,成本較低.為此,本研究在乙酸水溶液2乙醇2吡啶介質(zhì)中,用乙酸酐對高脫乙酰度殼聚糖進(jìn)行了均相乙?；磻?得到了水溶性產(chǎn)物,并進(jìn)行紅外表征.
1 材料與方法
1. 1 實(shí)驗材料
殼聚糖(市售工業(yè)品,脫乙酰度90%),氫氧化鈉(上海振昌精細化學(xué)品廠(chǎng)) ,乙酸酐(臺山化工廠(chǎng)) ,鹽酸(上海振興化工二廠(chǎng)),乙醚(上海實(shí)驗試劑有限公司),冰醋酸(上海振欣試劑廠(chǎng)) ,甲基橙(上海三愛(ài)思試劑有限公司) ,甲醇(上海振興化工一廠(chǎng)),無(wú)水乙醇(上海振興化工一廠(chǎng)),吡啶(汕頭市西隴化工廠(chǎng)),以上試劑均為分析純.Nicolet傅立葉紅外光譜儀(美國Thermo),HH—4型超級恒溫水浴(國華電器有限公司),CP225D型電子天平( Sartorious) , 85—1型恒溫電磁攪拌器(國華電器有限公司) ,101—2型干燥箱(上海市實(shí)驗儀器總廠(chǎng)),DZF—6050型真空干燥箱(上海精宏實(shí)驗設備有限公司) , SHSL型調溫電熱套(上海樹(shù)立儀器有限公司) , SHZ—C型真空泵(鞏義市予華儀器有限公司),KQ3200DB型數控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司) ,TD24—WS型臺式低速自動(dòng)平衡離心機(長(cháng)沙湘智離心機儀器有限公司),酸堿滴定管(天津玻璃儀器廠(chǎng)).
1. 2 實(shí)驗方法
1. 2. 1 水溶性殼聚糖的制備
研究乙酰酐用量、反應時(shí)間、反應溫度、溶劑對水溶性殼聚糖的影響.取1 g 90%脫乙酰度的殼聚糖溶于25 mL 水(含有0. 7 mL乙酸)中,室溫攪拌,使殼聚糖完全溶解成清澈的溶液.在不斷攪拌的情況下,將8 mL吡啶和1. 2mL乙酸酐先后加到25mL乙醇,用玻璃棒攪拌混合均勻,逐滴加入上述溶液中,控制滴加速度,保持溶液清亮,在不斷攪拌和40 ℃條件下反應3h.反應完畢后,向溶液中加入200mL氫氧化鉀-乙醇溶液,這時(shí)有白色沉淀物析出,將溶液離心后棄去上清液,用一定量的水將沉淀物溶解,離心后棄去不溶物,繼續向溶液中加入100mL乙醇,這時(shí)又有白色沉淀物析出,將溶液離心后棄去上清液,用乙醇洗滌3次,在烘箱中80℃烘干即可.
1. 2. 2 脫乙酰度的測定[ 6 ]
準確稱(chēng)取0. 25 g殼聚糖,置于250 mL錐形瓶中,加入20 mL 0. 1mol/LHC1標準溶液,在室溫條件下攪拌溶解完全(可加適量蒸餾水稀釋) ,加入(1%)甲基橙+ ( 1%)苯胺藍1∶2混合指示劑,用0. 1 mol/L NaOH 標準溶液滴定過(guò)量的鹽酸.試液從紫紅色變成藍綠色為滴定終點(diǎn),到達終點(diǎn)時(shí)會(huì )有少量懸浮物,每個(gè)樣品要各測3次,另取一份樣品置于105℃恒溫干燥箱內烘干恒重,測定水分. 經(jīng)初步測試, 殼聚糖的脫乙酰度為52. 9% ,室溫下干燥產(chǎn)品,水分為37. 93%.
1. 2. 3 紅外光譜表征
取原料和合成產(chǎn)品,研磨成粉末,將樣品與KBr粉末壓片,采用傅立葉變換紅外光譜儀測定,比較高脫乙酰度殼聚糖與水溶性殼聚糖紅外圖譜的差別.
2 結果與討論
2. 1 均相條件的控制
由于殼聚糖只能溶于稀酸,而乙酸酐又不溶于稀酸,所以要使二者在均相條件下發(fā)生反應,必須使它們溶于同一溶劑中.可將二者溶于乙醇-乙酸酐的混合溶液中,并加入少量吡啶以增加其溶解性,使之獲得均相.依據其原理,本實(shí)驗中對均相條件的探索主要見(jiàn)表1. 
在整個(gè)實(shí)驗過(guò)程中,理想的均相反應條件是實(shí)驗成功的關(guān)鍵,由于殼聚糖在乙酸中的溶液非常粘稠,以致于可以將磁力攪拌子粘結住不能旋轉.而殼聚糖的乙?；磻欠浅Ｑ杆俚?幾乎是在瞬間完成的,并達到反應平衡.因此在加入乙酸酐時(shí)容易造成局部劇烈反應,產(chǎn)生絮狀沉淀,從而使整個(gè)反應不能在均相條件下進(jìn)行.加入吡啶的目的是為了得到更好的均相條件,但是,即使是小心的逐滴加,殼聚糖的乙酸溶液中,仍然會(huì )產(chǎn)生白色沉淀.通過(guò)實(shí)驗發(fā)現將吡啶、乙酸酐先溶解于乙醇溶液中,再加入反應容器中與殼聚糖反應,能夠得到理想的效果.這樣做不僅防止了局部劇烈反應引起凝膠產(chǎn)生,同時(shí)乙醇又稀釋了乙酸酐的濃度,降低了反應速度.
在控制均相的探索中,還發(fā)現增加水的用量對于改善均相條件也是非常有效的,但乙酸溶液用量越多,在反應完畢后用乙醇沉淀離析也就越來(lái)越難,當用量超過(guò)50mL,用于沉淀的乙醇已高達400mL,甚至得不到沉淀,這對節約成本顯然是不利的,從表1各方案比較可見(jiàn),方案4不僅可以獲得良好的均相條件,而且節省了乙醇,從而降低了成本,所以方案4為佳均相條件.
2. 2 投料比對脫乙酰度的影響
投料比即為乙酸酐用量與殼聚糖大分子中氨基的摩爾比,在相同的反應條件下,乙酸酐用量與脫乙酰度有很大關(guān)系,在40℃時(shí)反應3h投料比對乙酰度的影響見(jiàn)表2. 
從表2可看出,隨著(zhù)乙酸酐用量的增加,脫乙酰度降低,但降低的程度隨乙酸酐用量的增加而減小,也就是說(shuō)過(guò)量的乙酸酐對脫乙酰度的改變不是很明顯,而且會(huì )出現少量的凝膠,對反應不利.由實(shí)驗可得,乙酸酐和殼聚糖的摩爾比為2∶1時(shí)佳.
2.3 反應時(shí)間對脫乙酰度的影響
確定了乙酸酐和殼聚糖的佳配比以及均相條件的控制之后,對反應時(shí)間進(jìn)行了5組實(shí)驗,并將反應投料比全部確定為2∶1,反應時(shí)間分別采用1、2、3、4、5、6h,反應完成后,各取一定量產(chǎn)品溶于稀鹽酸中,用NaOH溶液滴定,確定其脫乙酰度,結果見(jiàn)表3.由表3可以得出不能用控制反應時(shí)間的方法來(lái)控制脫乙酰度,同時(shí)也證明了此反應是快速反應.為了使反應進(jìn)行得比較完全,反應時(shí)間選為3h. 
2.4 溫度對脫乙酰度的影響
選用投料比為2∶1,反應時(shí)間為3h,改變反應溫度進(jìn)行實(shí)驗,結果如表4所示,由表4可以看出,在相同的投料比和相同反應時(shí)間下,溫度越高反應速度越快,但反應速度太快,不利于對反應的控制.所以選擇在40℃下反應,可得到比較理想的水溶性殼聚糖. 
2.5 溶劑對反應的影響
反應溶劑對反應有一定的影響,甲醇也可作為稀酸醋酸和乙酸酐的優(yōu)良溶劑同時(shí)也可溶解吡啶.所以本實(shí)驗還采用了甲醇作溶劑進(jìn)行反應,與乙醇進(jìn)行比較,結果如表5所示.在乙醇作溶劑可生成水溶性殼聚糖的條件下,用甲醇作溶劑則生成不溶于水甚至不溶于酸的產(chǎn)物,由此可見(jiàn)用甲醇作溶劑,乙?；乃俣认喈斂?能生成脫乙酰度非常低的殼聚糖,而且甲醇具有一定的毒性,不能食用,應用面較窄,因此采用甲醇作溶劑是不合適的. 
2.6 紅外光譜表征
采用紅外光譜儀測定原料與樣品,比較高脫乙酰度殼聚糖與水溶性殼聚糖紅外圖譜的差別.結果如圖1所示,高脫乙酰度的殼聚糖和水溶性殼聚糖紅外光譜中吸收峰基本一致,沒(méi)有特殊的吸收峰出現,只存在個(gè)別峰吸收強度的差異. 
3 結論
在嚴格控制均相的條件下,高脫乙酰度的殼聚糖與乙酸酐發(fā)生乙?；磻軌虻玫矫撘阴６?0%左右的水溶性殼聚糖,而且只有50%左右脫乙酰度的殼聚糖才溶于水,大于60%或小于40%的殼聚糖只能溶脹,甚至不溶于水.
由高脫乙酰度殼聚糖制備水溶性殼聚糖的佳條件組合為:以乙醇作溶劑,乙酸酐和殼聚糖中氨基的摩爾比為2∶1,40 ℃下均相條件反應3h.在實(shí)驗過(guò)程中,殼聚糖的脫乙酰度與乙酸酐的用量成反比,與反應時(shí)間沒(méi)有線(xiàn)性關(guān)系.
對水溶性殼聚糖進(jìn)行了紅外表征:高脫乙酰度殼聚糖和水溶性殼聚糖有著(zhù)微小差異,因而具有不同的水溶性,可能與其分子的空間結構和結晶度有關(guān).
由于殼聚糖的乙?；磻浅Ｑ杆?將乙酸酐、吡啶先后分別溶解于乙醇中混合均勻,再加入到反應容器中與殼聚糖發(fā)生反應是控制均相的佳方法,是實(shí)驗成功的關(guān)鍵步驟.水溶性殼聚糖的制備及脫乙酰度的測定
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