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水溶性壳聚糖的制备及脱乙酰度的测定

日期:2019-08-19 22:00
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摘要:
水溶性壳聚糖的制备及脱乙酰度的测定
 

 

【作者】李向东1, 2 , 谢 宇23, 魏 娅2 , 胡金刚2 ,史少欣2(1.周口师范学院,河南周口466000; 2. 南昌航空大学,江西南昌330063)
【摘要】以高脱乙酰度壳聚糖为原料,在乙酸水溶液2乙醇2吡啶介质中,实现了壳聚糖的N位均相乙酰化反应,制备了具有良好水溶性的壳聚糖.研究了乙酰酐用量、反应时间、反应温度、溶剂对壳聚糖脱乙酰度的影响.结果表明,在乙酰酐用量与壳聚糖的摩尔比为2. 0、温度40℃、反应时间3 h、溶剂为乙醇、搅拌速度适中时产物的脱乙酰度为52. 9%.同时对水溶性壳聚糖进行了红外光谱测定,结果显示52.9%脱乙酰度的壳聚糖与90%脱乙酰度的壳聚糖在分子结构上没有什么不同,52.9%脱乙酰度壳聚糖水溶性的提高是由于部分脱乙酰化对晶体的破坏作用造成的.
【关键词】水溶性壳聚糖;乙酰化;脱乙酰度

0 前言  水溶性壳聚糖的制备及脱乙酰度的测定
     壳聚糖为自然界中唯壹的碱性多糖,近年来引起了人们广泛的研究兴趣.壳聚糖及其衍生物有着广泛的用途,在纺织、造纸、医药、食品、化工、生物、化妆品及水处理等领域都具有较高的生产价值和实用意义,但壳聚糖只能溶于酸或者酸性水溶液中,而不能直接溶于水,这在很大程度上限制了其应用[1] .因此改变壳聚糖的溶解性能尤其重要.研究发现,甲壳素在均相条件下发生乙酰化反应,当脱乙酰度为50%左右时,产物具有良好的水溶性.但如果反应在非均相的条件下进行,即使得到50%脱乙酰度的产物也不溶于水[2 ].化学结构分析结果表明,脱乙酰度为50%左右的水溶性壳聚糖分子链中乙酰氨基和氨基呈无规则分布,破坏了分子的有序性,从而使产物具有水溶性[3] . 水溶性壳聚糖不但提高了壳聚糖的溶解性能,而且能溶于碱性条件,使得改性反应可在碱性条件下进行[ 4],从而进一步扩大了其研究与应用的范围.虽然均相脱乙酰化反应可制备水溶性壳聚糖,但反应需在浓碱中进行,后期脱盐时需大量的溶剂,难于进行工业化大生产.将高度脱乙酰度的壳聚糖在均相介质中进行乙酰化反应,当乙酰化度在50%左右时,同样可获得具有优良溶解性能的水溶性产物[5],并且方法工艺简单,成本较低.为此,本研究在乙酸水溶液2乙醇2吡啶介质中,用乙酸酐对高脱乙酰度壳聚糖进行了均相乙酰化反应,得到了水溶性产物,并进行红外表征.
1 材料与方法
1. 1 实验材料
      壳聚糖(市售工业品,脱乙酰度90%),氢氧化钠(上海振昌精细化学品厂) ,乙酸酐(台山化工厂) ,盐酸(上海振兴化工二厂),乙醚(上海实验试剂有限公司),冰醋酸(上海振欣试剂厂) ,甲基橙(上海三爱思试剂有限公司) ,甲醇(上海振兴化工一厂),无水乙醇(上海振兴化工一厂),吡啶(汕头市西陇化工厂),以上试剂均为分析纯.Nicolet傅立叶红外光谱仪(美国Thermo),HH—4型超级恒温水浴(国华电器有限公司),CP225D型电子天平( Sartorious) , 85—1型恒温电磁搅拌器(国华电器有限公司) ,101—2型干燥箱(上海市实验仪器总厂),DZF—6050型真空干燥箱(上海精宏实验设备有限公司) , SHSL型调温电热套(上海树立仪器有限公司) , SHZ—C型真空泵(巩义市予华仪器有限公司),KQ3200DB型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司) ,TD24—WS型台式低速自动平衡离心机(长沙湘智离心机仪器有限公司),酸碱滴定管(天津玻璃仪器厂).
1. 2 实验方法
1. 2. 1 水溶性壳聚糖的制备
      研究乙酰酐用量、反应时间、反应温度、溶剂对水溶性壳聚糖的影响.取1 g 90%脱乙酰度的壳聚糖溶于25 mL 水(含有0. 7 mL乙酸)中,室温搅拌,使壳聚糖完全溶解成清澈的溶液.在不断搅拌的情况下,将8 mL吡啶和1. 2mL乙酸酐先后加到25mL乙醇,用玻璃棒搅拌混合均匀,逐滴加入上述溶液中,控制滴加速度,保持溶液清亮,在不断搅拌和40 ℃条件下反应3h.反应完毕后,向溶液中加入200mL氢氧化钾-乙醇溶液,这时有白色沉淀物析出,将溶液离心后弃去上清液,用一定量的水将沉淀物溶解,离心后弃去不溶物,继续向溶液中加入100mL乙醇,这时又有白色沉淀物析出,将溶液离心后弃去上清液,用乙醇洗涤3次,在烘箱中80℃烘干即可.
1. 2. 2 脱乙酰度的测定[ 6 ]
      准确称取0. 25 g壳聚糖,置于250 mL锥形瓶中,加入20 mL 0. 1mol/LHC1标准溶液,在室温条件下搅拌溶解完全(可加适量蒸馏水稀释) ,加入(1%)甲基橙+ ( 1%)苯胺蓝1∶2混合指示剂,用0. 1 mol/L NaOH 标准溶液滴定过量的盐酸.试液从紫红色变成蓝绿色为滴定终点,到达终点时会有少量悬浮物,每个样品要各测3次,另取一份样品置于105℃恒温干燥箱内烘干恒重,测定水分. 经初步测试, 壳聚糖的脱乙酰度为52. 9% ,室温下干燥产品,水分为37. 93%.
1. 2. 3 红外光谱表征
     取原料和合成产品,研磨成粉末,将样品与KBr粉末压片,采用傅立叶变换红外光谱仪测定,比较高脱乙酰度壳聚糖与水溶性壳聚糖红外图谱的差别.
2 结果与讨论
2. 1 均相条件的控制
     由于壳聚糖只能溶于稀酸,而乙酸酐又不溶于稀酸,所以要使二者在均相条件下发生反应,必须使它们溶于同一溶剂中.可将二者溶于乙醇-乙酸酐的混合溶液中,并加入少量吡啶以增加其溶解性,使之获得均相.依据其原理,本实验中对均相条件的探索主要见表1.

     在整个实验过程中,理想的均相反应条件是实验成功的关键,由于壳聚糖在乙酸中的溶液非常粘稠,以致于可以将磁力搅拌子粘结住不能旋转.而壳聚糖的乙酰化反应是非常迅速的,几乎是在瞬间完成的,并达到反应平衡.因此在加入乙酸酐时容易造成局部剧烈反应,产生絮状沉淀,从而使整个反应不能在均相条件下进行.加入吡啶的目的是为了得到更好的均相条件,但是,即使是小心的逐滴加,壳聚糖的乙酸溶液中,仍然会产生白色沉淀.通过实验发现将吡啶、乙酸酐先溶解于乙醇溶液中,再加入反应容器中与壳聚糖反应,能够得到理想的效果.这样做不仅防止了局部剧烈反应引起凝胶产生,同时乙醇又稀释了乙酸酐的浓度,降低了反应速度.
     在控制均相的探索中,还发现增加水的用量对于改善均相条件也是非常有效的,但乙酸溶液用量越多,在反应完毕后用乙醇沉淀离析也就越来越难,当用量超过50mL,用于沉淀的乙醇已高达400mL,甚至得不到沉淀,这对节约成本显然是不利的,从表1各方案比较可见,方案4不仅可以获得良好的均相条件,而且节省了乙醇,从而降低了成本,所以方案4为佳均相条件.
2. 2 投料比对脱乙酰度的影响
    投料比即为乙酸酐用量与壳聚糖大分子中氨基的摩尔比,在相同的反应条件下,乙酸酐用量与脱乙酰度有很大关系,在40℃时反应3h投料比对乙酰度的影响见表2.

   从表2可看出,随着乙酸酐用量的增加,脱乙酰度降低,但降低的程度随乙酸酐用量的增加而减小,也就是说过量的乙酸酐对脱乙酰度的改变不是很明显,而且会出现少量的凝胶,对反应不利.由实验可得,乙酸酐和壳聚糖的摩尔比为2∶1时佳.
     2.3 反应时间对脱乙酰度的影响
      确定了乙酸酐和壳聚糖的佳配比以及均相条件的控制之后,对反应时间进行了5组实验,并将反应投料比全部确定为2∶1,反应时间分别采用1、2、3、4、5、6h,反应完成后,各取一定量产品溶于稀盐酸中,用NaOH溶液滴定,确定其脱乙酰度,结果见表3.由表3可以得出不能用控制反应时间的方法来控制脱乙酰度,同时也证明了此反应是快速反应.为了使反应进行得比较完全,反应时间选为3h.

     2.4 温度对脱乙酰度的影响
     选用投料比为2∶1,反应时间为3h,改变反应温度进行实验,结果如表4所示,由表4可以看出,在相同的投料比和相同反应时间下,温度越高反应速度越快,但反应速度太快,不利于对反应的控制.所以选择在40℃下反应,可得到比较理想的水溶性壳聚糖.

     2.5 溶剂对反应的影响
     反应溶剂对反应有一定的影响,甲醇也可作为稀酸醋酸和乙酸酐的优良溶剂同时也可溶解吡啶.所以本实验还采用了甲醇作溶剂进行反应,与乙醇进行比较,结果如表5所示.在乙醇作溶剂可生成水溶性壳聚糖的条件下,用甲醇作溶剂则生成不溶于水甚至不溶于酸的产物,由此可见用甲醇作溶剂,乙酰化的速度相当快,能生成脱乙酰度非常低的壳聚糖,而且甲醇具有一定的毒性,不能食用,应用面较窄,因此采用甲醇作溶剂是不合适的.

     2.6 红外光谱表征
     采用红外光谱仪测定原料与样品,比较高脱乙酰度壳聚糖与水溶性壳聚糖红外图谱的差别.结果如图1所示,高脱乙酰度的壳聚糖和水溶性壳聚糖红外光谱中吸收峰基本一致,没有特殊的吸收峰出现,只存在个别峰吸收强度的差异.

      3 结论
     在严格控制均相的条件下,高脱乙酰度的壳聚糖与乙酸酐发生乙酰化反应能够得到脱乙酰度50%左右的水溶性壳聚糖,而且只有50%左右脱乙酰度的壳聚糖才溶于水,大于60%或小于40%的壳聚糖只能溶胀,甚至不溶于水.
     由高脱乙酰度壳聚糖制备水溶性壳聚糖的佳条件组合为:以乙醇作溶剂,乙酸酐和壳聚糖中氨基的摩尔比为2∶1,40 ℃下均相条件反应3h.在实验过程中,壳聚糖的脱乙酰度与乙酸酐的用量成反比,与反应时间没有线性关系.
   对水溶性壳聚糖进行了红外表征:高脱乙酰度壳聚糖和水溶性壳聚糖有着微小差异,因而具有不同的水溶性,可能与其分子的空间结构和结晶度有关.
     由于壳聚糖的乙酰化反应非常迅速,将乙酸酐、吡啶先后分别溶解于乙醇中混合均匀,再加入到反应容器中与壳聚糖发生反应是控制均相的佳方法,是实验成功的关键步骤.水溶性壳聚糖的制备及脱乙酰度的测定
参考文献:
[ 1 ]  董炎明,汪剑伟,袁清. 水溶性甲壳素的研究进展[ J ]. 厦门科技, 1999 (1) : 8 - 9.
[ 2 ]  韩怀芬,单海峰. 壳聚糖的化学改性[ J ].化学世界, 2000 (5) : 240 - 244.
[ 3 ]  蒋挺大. 甲壳素[M ]. 北京:化学工业出版社, 2003, 261 - 262.
[ 4 ]  范娟,阮复昌. 甲壳素及壳聚糖新研究进展[ J ]. 广东化工, 2002, (2) : 23 - 26.
[ 5 ]  张宗恩,王明华,王子飞. 完全水溶性壳聚糖的制备工艺[ J ]. 上海水产大学学报,2000, 9 (4) :373- 375.
[ 6 ]  吴京平. 壳聚糖脱乙酰度酸碱滴定测定法的初步改进[ J ]. 北京联合大学:自然科学版, 2003, 17 (3):52 - 56, 65.

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