【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(xiàn)了殼聚糖的N位均相乙?；磻?yīng),制備了具有良好水溶性的殼聚糖.研究了乙酰酐用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、溶劑對(duì)殼聚糖脫乙酰度的影響.結(jié)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(yīng)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(duì)水溶性殼聚糖進(jìn)行了紅外光譜測(cè)定,結(jié)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(jié)構(gòu)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?duì)晶體的破壞作用造成的.
【關(guān)鍵詞】水溶性殼聚糖;乙酰化;脫乙酰度
0 前言 水溶性殼聚糖的制備及脫乙酰度的測(cè)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(yī)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(yīng)用[1] .因此改變殼聚糖的溶解性能尤其重要.研究發(fā)現(xiàn),甲殼素在均相條件下發(fā)生乙?；磻?yīng),當(dāng)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(yīng)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(jié)構(gòu)分析結(jié)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(guī)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(yīng)可在堿性條件下進(jìn)行[ 4],從而進(jìn)一步擴(kuò)大了其研究與應(yīng)用的范圍.雖然均相脫乙酰化反應(yīng)可制備水溶性殼聚糖,但反應(yīng)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?yīng),當(dāng)乙酰化度在50%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(duì)高脫乙酰度殼聚糖進(jìn)行了均相乙?；磻?yīng),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(yàn)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(xì)化學(xué)品廠) ,乙酸酐(臺(tái)山化工廠) ,鹽酸(上海振興化工二廠),乙醚(上海實(shí)驗(yàn)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(guó)Thermo),HH—4型超級(jí)恒溫水浴(國(guó)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(guó)華電器有限公司) ,101—2型干燥箱(上海市實(shí)驗(yàn)儀器總廠),DZF—6050型真空干燥箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司) , SHSL型調(diào)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(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司) ,TD24—WS型臺(tái)式低速自動(dòng)平衡離心機(jī)(長(zhǎng)沙湘智離心機(jī)儀器有限公司),酸堿滴定管(天津玻璃儀器廠).
1. 2 實(shí)驗(yàn)方法
1. 2. 1 水溶性殼聚糖的制備
研究乙酰酐用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、溶劑對(duì)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?cái)嚢?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(yīng)3h.反應(yīng)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(xù)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(cè)定[ 6 ]
準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(lán)1∶2混合指示劑,用0. 1 mol/L NaOH 標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定過量的鹽酸.試液從紫紅色變成藍(lán)綠色為滴定終點(diǎn),到達(dá)終點(diǎn)時(shí)會(huì)有少量懸浮物,每個(gè)樣品要各測(cè)3次,另取一份樣品置于105℃恒溫干燥箱內(nèi)烘干恒重,測(cè)定水分. 經(jīng)初步測(cè)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(cè)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(jié)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(yīng),必須使它們?nèi)苡谕蝗軇┲?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(jù)其原理,本實(shí)驗(yàn)中對(duì)均相條件的探索主要見表1. 
在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,理想的均相反應(yīng)條件是實(shí)驗(yàn)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(jié)住不能旋轉(zhuǎn).而殼聚糖的乙?；磻?yīng)是非常迅速的,幾乎是在瞬間完成的,并達(dá)到反應(yīng)平衡.因此在加入乙酸酐時(shí)容易造成局部劇烈反應(yīng),產(chǎn)生絮狀沉淀,從而使整個(gè)反應(yīng)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.通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)將吡啶、乙酸酐先溶解于乙醇溶液中,再加入反應(yīng)容器中與殼聚糖反應(yīng),能夠得到理想的效果.這樣做不僅防止了局部劇烈反應(yīng)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(yīng)速度.
在控制均相的探索中,還發(fā)現(xiàn)增加水的用量對(duì)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(yīng)完畢后用乙醇沉淀離析也就越來越難,當(dāng)用量超過50mL,用于沉淀的乙醇已高達(dá)400mL,甚至得不到沉淀,這對(duì)節(jié)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(jié)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(duì)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(yīng)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(yīng)3h投料比對(duì)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(duì)脫乙酰度的改變不是很明顯,而且會(huì)出現(xiàn)少量的凝膠,對(duì)反應(yīng)不利.由實(shí)驗(yàn)可得,乙酸酐和殼聚糖的摩爾比為2∶1時(shí)佳.
2.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)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(duì)反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了5組實(shí)驗(yàn),并將反應(yīng)投料比全部確定為2∶1,反應(yīng)時(shí)間分別采用1、2、3、4、5、6h,反應(yīng)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(jié)果見表3.由表3可以得出不能用控制反應(yīng)時(shí)間的方法來控制脫乙酰度,同時(shí)也證明了此反應(yīng)是快速反應(yīng).為了使反應(yīng)進(jìn)行得比較完全,反應(yīng)時(shí)間選為3h. 
2.4 溫度對(duì)脫乙酰度的影響
選用投料比為2∶1,反應(yīng)時(shí)間為3h,改變反應(yīng)溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)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(yīng)時(shí)間下,溫度越高反應(yīng)速度越快,但反應(yīng)速度太快,不利于對(duì)反應(yīng)的控制.所以選擇在40℃下反應(yīng),可得到比較理想的水溶性殼聚糖. 
2.5 溶劑對(duì)反應(yīng)的影響
反應(yīng)溶劑對(duì)反應(yīng)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(yàn)還采用了甲醇作溶劑進(jìn)行反應(yīng),與乙醇進(jìn)行比較,結(jié)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,由此可見用甲醇作溶劑,乙?；乃俣认喈?dāng)快,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(yīng)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(cè)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(jié)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(xiàn),只存在個(gè)別峰吸收強(qiáng)度的差異. 
3 結(jié)論
在嚴(yán)格控制均相的條件下,高脫乙酰度的殼聚糖與乙酸酐發(fā)生乙酰化反應(yīng)能夠得到脫乙酰度50%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(yīng)3h.在實(shí)驗(yàn)過程中,殼聚糖的脫乙酰度與乙酸酐的用量成反比,與反應(yīng)時(shí)間沒有線性關(guān)系.
對(duì)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微小差異,因而具有不同的水溶性,可能與其分子的空間結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度有關(guān).
由于殼聚糖的乙?；磻?yīng)非常迅速,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(yīng)容器中與殼聚糖發(fā)生反應(yīng)是控制均相的佳方法,是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵步驟.水溶性殼聚糖的制備及脫乙酰度的測(cè)定
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