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    水溶性殼聚糖的制備及脫乙酰度的測定

    日期:2022-11-21 03:05
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    摘要:
    水溶性殼聚糖的制備及脫乙酰度的測定
     

     

    【作者】李向東1, 2 , 謝 宇23, 魏 婭2 , 胡金剛2 ,史少欣2(1.周口師范學院,河南周口466000; 2. 南昌航空大學,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吡啶介質中,實現了殼聚糖的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℃、反應時間3 h、溶劑為乙醇、攪拌速度適中時產物的脫乙酰度為52. 9%.同時對水溶性殼聚糖進行了紅外光譜測定,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,近年來引起了人們廣泛的研究興趣.殼聚糖及其衍生物有著廣泛的用途,在紡織、造紙、醫藥、食品、化工、生物、化妝品及水處理等領域都具有較高的生產價值和實用意義,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.研究發現,甲殼素在均相條件下發生乙?;磻?當脫乙酰度為50%左右時,產物具有良好的水溶性.但如果反應在非均相的條件下進行,即使得到50%脫乙酰度的產物也不溶于水[2 ].化學結構分析結果表明,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規則分布,破壞了分子的有序性,從而使產物具有水溶性[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行[ 4],從而進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行,后期脫鹽時需大量的溶劑,難于進行工業化大生產.將高度脫乙酰度的殼聚糖在均相介質中進行乙?;磻?當乙?;仍?0%左右時,同樣可獲得具有優良溶解性能的水溶性產物[5],并且方法工藝簡單,成本較低.為此,本研究在乙酸水溶液2乙醇2吡啶介質中,用乙酸酐對高脫乙酰度殼聚糖進行了均相乙?;磻?得到了水溶性產物,并進行紅外表征.
    1 材料與方法
    1. 1 實驗材料
          殼聚糖(市售工業品,脫乙酰度90%),氫氧化鈉(上海振昌精細化學品廠) ,乙酸酐(臺山化工廠) ,鹽酸(上海振興化工二廠),乙醚(上海實驗試劑有限公司),冰醋酸(上海振欣試劑廠) ,甲基橙(上海三愛思試劑有限公司) ,甲醇(上海振興化工一廠),無水乙醇(上海振興化工一廠),吡啶(汕頭市西隴化工廠),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(上海市實驗儀器總廠),DZF—6050型真空干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司) , SHSL型調溫電熱套(上海樹立儀器有限公司) , 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型臺式低速自動平衡離心機(長沙湘智離心機儀器有限公司),酸堿滴定管(天津玻璃儀器廠).
    1. 2 實驗方法
    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 標準溶液滴定過量的鹽酸.試液從紫紅色變成藍綠色為滴定終點,到達終點時會有少量懸浮物,每個樣品要各測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. 經初步測試, 殼聚糖的脫乙酰度為52. 9% ,室溫下干燥產品,水分為37. 93%.
    1. 2. 3 紅外光譜表征
         取原料和合成產品,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,本實驗中對均相條件的探索主要見表1.

         在整個實驗過程中,理想的均相反應條件是實驗成功的關鍵,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容易造成局部劇烈反應,產生絮狀沉淀,從而使整個反應不能在均相條件下進行.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,仍然會產生白色沉淀.通過實驗發現將吡啶、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生,同時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越難,當用量超過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,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系,在40℃時反應3h投料比對乙酰度的影響見表2.

       從表2可看出,隨著乙酸酐用量的增加,脫乙酰度降低,但降低的程度隨乙酸酐用量的增加而減小,也就是說過量的乙酸酐對脫乙酰度的改變不是很明顯,而且會出現少量的凝膠,對反應不利.由實驗可得,乙酸酐和殼聚糖的摩爾比為2∶1時佳.
         2.3 反應時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,對反應時間進行了5組實驗,并將反應投料比全部確定為2∶1,反應時間分別采用1、2、3、4、5、6h,反應完成后,各取一定量產品溶于稀鹽酸中,用NaOH溶液滴定,確定其脫乙酰度,結果見表3.由表3可以得出不能用控制反應時間的方法來控制脫乙酰度,同時也證明了此反應是快速反應.為了使反應進行得比較完全,反應時間選為3h.

         2.4 溫度對脫乙酰度的影響
         選用投料比為2∶1,反應時間為3h,改變反應溫度進行實驗,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良溶劑同時也可溶解吡啶.所以本實驗還采用了甲醇作溶劑進行反應,與乙醇進行比較,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物,由此可見用甲醇作溶劑,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,沒有特殊的吸收峰出現,只存在個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.在實驗過程中,殼聚糖的脫乙酰度與乙酸酐的用量成反比,與反應時間沒有線性關系.
       對水溶性殼聚糖進行了紅外表征:高脫乙酰度殼聚糖和水溶性殼聚糖有著微小差異,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.
         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生反應是控制均相的佳方法,是實驗成功的關鍵步驟.水溶性殼聚糖的制備及脫乙酰度的測定
    參考文獻:
    [ 1 ]  董炎明,汪劍偉,袁清. 水溶性甲殼素的研究進展[ J ]. 廈門科技, 1999 (1) : 8 - 9.
    [ 2 ]  韓懷芬,單海峰. 殼聚糖的化學改性[ J ].化學世界, 2000 (5) : 240 - 244.
    [ 3 ]  蔣挺大. 甲殼素[M ]. 北京:化學工業出版社, 2003, 261 - 262.
    [ 4 ]  范娟,阮復昌. 甲殼素及殼聚糖新研究進展[ J ]. 廣東化工, 2002, (2) : 23 - 26.
    [ 5 ]  張宗恩,王明華,王子飛. 完全水溶性殼聚糖的制備工藝[ J ]. 上海水產大學學報,2000, 9 (4) :373- 375.
    [ 6 ]  吳京平. 殼聚糖脫乙酰度酸堿滴定測定法的初步改進[ J ]. 北京聯合大學:自然科學版, 2003, 17 (3):52 - 56, 65.

    滬公網安備 31010902002463號

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