殼聚糖載體的改性及其用于固定化鉬酸鹽催化劑的研究

陳 星 河

（廣西南寧化學(xué)制藥有限責(zé)任公司， 廣西 南寧 530031）

殼聚糖(Chitosan)，其化學(xué)名為(1,4)-2-胺-2-脫氧-β-D-葡聚糖，是線性聚合物甲殼素經(jīng)脫乙酰化反應(yīng)后得到的一種生物高分子[1]。根據(jù)甲殼素脫乙酞化時(shí)的條件不同，殼聚糖的脫乙酞度和分子量不同，殼聚糖的分子量通常在幾十萬左右[2]。殼聚糖具有多孔，無毒無害的作用，吸附螯合作用強(qiáng)，但是可溶于稀酸，在酸性溶液中易軟化流失[3]，不宜直接使用。甘露糖是一種已醛單糖,和葡萄糖是同分異構(gòu)體。大量的研究表明，葡萄糖在酸性條件下，經(jīng)過鉬酸鹽催化劑差向異構(gòu)可以轉(zhuǎn)變成 100%的甘露糖[4,5]。本文通過對(duì)殼聚糖交聯(lián)改性，并且進(jìn)行鉬酸銨催化劑固定化，制備得一種對(duì)酸、堿、有機(jī)溶劑比較穩(wěn)定的交聯(lián)殼聚糖衍生物顆粒狀鉬酸銨催化劑，并初步考察其對(duì)葡萄糖溶液的差向異構(gòu)性能和重復(fù)使用率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與材料

殼聚糖（脫乙酰度 90%以上）（上海伯奧生物科技有限公司），七鉬酸銨（廣州天金化工有限公司），環(huán)氧氯丙烷（中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上海化學(xué)試劑公司），二乙烯三胺（上海染料化工十四廠），二甲亞砜（無錫市晶科化工有限公司），硅藻土，無水乙醇，冰乙酸，氫氧化鈉，鹽酸。以上試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 交聯(lián)殼聚糖衍生物的制備

（1）顆粒殼聚糖的制備

準(zhǔn)確稱取10.0 g脫乙酞度為94%的殼聚糖溶解于1.0%（V/V）冰乙酸中，配成0.5%～1.0%的殼聚糖乙酸溶液溶液，然后加入5.0 g硅藻土，超聲波震蕩攪拌均勻，然后慢慢向其中滴加NaOH溶液至堿性，待其凝膠析出，過濾，60 ℃真空烘干，粉碎，過篩100～200目，得到各種粒徑的顆粒殼聚糖。

（2）顆粒殼聚糖的交聯(lián)

稱取一定量的殼聚糖，充分溶脹后，放入 500 mL三口燒瓶中，分別加入適量的蒸餾水，NaOH溶液以及二甲亞砜溶液，攪拌均勻。在室溫下，往三口瓶中緩慢滴加適量的環(huán)氧氯丙烷，然后慢慢升溫到 40 ℃，回流反應(yīng)。等完全反應(yīng)后，過濾，分別用丙酮與蒸餾水進(jìn)行充分洗滌，一直洗滌到洗滌液的酸堿度為中性，最后在 60 ℃下真空干燥，即可得到羥丙基氯化殼聚糖顆粒。

（3）顆粒交聯(lián)殼聚糖的胺基化

稱取一定量羥丙基氯化殼聚糖，放入 500 mL的三口燒瓶中，然后分別加入適量蒸餾水和適量的胺化試劑二乙烯三胺，攪拌均勻。慢慢升溫到 60℃，攪拌回流反應(yīng)，直到反應(yīng)完全，冷卻，過濾，用蒸餾水洗滌至中性，真空干燥，即可得到交聯(lián)殼聚糖衍生物顆粒。

1.2.2 交聯(lián)殼聚糖衍生物固定化鉬酸鹽的制備

稱取一定量交聯(lián)殼聚糖衍生物顆粒，放入 500 mL三口燒瓶中，加入0.5～1.0%(w/w)50 mL鉬鹽水溶液，加入適量的 70%～85%（V/V）乙醇，升溫到70～90 ℃,回流反應(yīng)2～4 h，過濾、烘干，得到具有葡萄糖差向異構(gòu)活性的固體鉬酸鹽催化劑顆粒。

1.2.3 固定化性能試驗(yàn)

配制了濃度為 1.0%（w/w）的鉬酸銨溶液，分批取200 mL加入到不同胺含量的交聯(lián)殼聚糖衍生物顆粒中，進(jìn)行固定化實(shí)驗(yàn)。測(cè)其固定化前后鉬離子濃度，計(jì)算鉬酸銨固定化率。

1.2.4 葡萄糖溶液差向異構(gòu)性能試驗(yàn)

固定化鉬酸鹽催化劑用量分別設(shè)計(jì)為 2.5‰、2.0‰、1.25‰、0.70‰、0.40‰、0.30‰、0.25‰（以w/w計(jì)），分別加入到50%（w/w）萄糖溶液濃度中，調(diào)節(jié)pH至3.0，在一定壓力下催化異構(gòu)反應(yīng)40 min。考察異構(gòu)催化劑用量對(duì)葡萄糖轉(zhuǎn)化率的影響結(jié)果。

1.2.5 固定化鉬酸鹽催化劑的催化劑穩(wěn)定性試驗(yàn)

葡萄糖溶液濃度50%（w/w），pH 3.0，反應(yīng)溫度130 ℃，固定催化劑添加量為1.25‰，反應(yīng)時(shí)間為40 min，每批反應(yīng)完成后，回收固定化鉬酸鹽催化劑，重新投入到差向異構(gòu)反應(yīng)釜中在相同條件下繼續(xù)進(jìn)行下一批反應(yīng)，考查固定化鉬酸鹽催化劑的催化活性穩(wěn)定性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顆粒殼聚糖制備的條件分析

2.1.1 殼聚糖的濃度

配制 0.1%～3%不同濃度的殼聚糖乙酸溶液，硅藻土和殼聚糖按1:2的比例加入硅藻土，在超聲破攪拌情況下，慢慢加入4 mol/L的氫氧化鈉溶液，經(jīng)過比較，發(fā)現(xiàn)0.5%～1.0%的濃度在制粒過程中分散比較均勻，流動(dòng)性和黏度剛好合適。

2.1.2硅藻土的濃度

為了增加殼聚糖顆粒的剛性和機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)不影響殼聚糖的基本性能，硅藻土：殼聚糖按1:2的配比來造粒比較好。

2.1.3 造粒過程中NaOH的濃度

在造粒中，調(diào)整殼聚糖乙酸溶液到pH=10的過程，發(fā)現(xiàn)NaOH的濃度太稀，會(huì)成帶狀，而且調(diào)整pH的時(shí)間過長(zhǎng)。濃度在3.5～4.5 mol/L的NaOH溶液易于操作。

2.2 顆粒殼聚糖交聯(lián)的條件分析

殼聚糖分子中含有大量的具有較強(qiáng)活性的胺基和羥基，可與環(huán)氧氯丙烷在酸性條件下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。顆粒殼聚糖的耐酸性取決于殼聚糖的交聯(lián)度，但是交聯(lián)度越高，殼聚糖中的胺基含量越低[6],因此本實(shí)驗(yàn)的交聯(lián)度采用胺含量來衡量。反應(yīng)條件：溫度45 ℃，交聯(lián)反應(yīng)時(shí)間3 h。反應(yīng)結(jié)果見表1。

表1 交聯(lián)劑濃度與交聯(lián)殼聚糖胺基含量關(guān)系Table 1 The relationship between crosslinker concentration and amino content in crosslinked chitosan

交聯(lián)殼聚糖顆粒的胺基含量隨著環(huán)氧氯丙烷的濃度的降低而增加，即交聯(lián)劑濃度增大，交聯(lián)化的程度就越高。

固定反應(yīng)時(shí)間為3 h，調(diào)整殼聚糖與環(huán)氧氯丙烷比例為1∶1，在不同溫度下的交聯(lián)反應(yīng)。結(jié)果見表2。

表2 交聯(lián)反應(yīng)溫度對(duì)交聯(lián)殼聚糖胺基含量的影響Table 2 The relationship between reaction temperature and amino content in crosslinked chitosan

隨著溫度的增加，交聯(lián)殼聚糖顆粒的胺含量越來越低，說明交聯(lián)度逐漸增大。選擇實(shí)驗(yàn)條件為：殼聚糖：環(huán)氧氯丙烷為 1︰1，反應(yīng)時(shí)間 3 h，溫度60 ℃，測(cè)得交聯(lián)后胺含量約為2.96%。

2.3 交聯(lián)殼聚糖胺基化的條件分析

根據(jù)影響胺化的條件，首先研究了胺化溫度對(duì)交聯(lián)殼聚糖衍生物胺基含量的影響。胺化溫度30，50，60，80 ℃測(cè)得的胺基含量分別為8.66%，9.34%，11.25%，9.81%。二乙烯三胺等胺化試劑中的氮上的氫在一定條件下，發(fā)生親核取代反應(yīng)，取代交聯(lián)殼聚糖中的-Cl，生成高胺基含量的交聯(lián)殼聚糖衍生物。隨著溫度的升高，交聯(lián)殼聚糖顆粒的胺含量隨著增大，當(dāng)溫度高于60 ℃后，胺含量反而降低了。所以本實(shí)驗(yàn)選擇胺化溫度為60 ℃。

固定胺化劑的濃度，在 60 ℃下，選擇胺化劑用量5.0 mL/g交聯(lián)殼聚糖顆粒，不同的反應(yīng)時(shí)間得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 胺化反應(yīng)時(shí)間與交聯(lián)殼聚糖顆粒胺含量關(guān)系Table 3 The relationship between the reaction time of amination and amino content in crosslinked chitosan

交聯(lián)殼聚糖顆粒的胺含量隨著反應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，但是7 h后，胺含量變化不明顯。所以本實(shí)驗(yàn)選擇胺化反應(yīng)時(shí)間為7 h。

選擇胺化溫度60 ℃，胺化時(shí)間7 h，考查不同不同胺化劑的用量，得到的交聯(lián)殼聚糖顆粒的胺含量，分析結(jié)果如表4。

表4 同胺化劑用量下交聯(lián)殼聚糖衍生物胺基含量的影響Table 4 The relationship between amination agent dosage and amino content in crosslinked chitosan

隨著胺化試劑用量的增加，胺基化殼聚糖顆粒的胺含量也隨著增加。胺化劑用量達(dá)到5.0 mL/g后，交聯(lián)殼聚糖顆粒的胺含量不增反降，所以選擇胺化劑用量5.0 mL/g比較合適。

綜上所述，交聯(lián)殼聚糖顆粒的胺化條件為：胺化劑濃度5.0 mL/g，胺化溫度60 ℃，胺化反應(yīng)時(shí)間7 h,測(cè)得交聯(lián)殼聚糖衍生物顆粒胺含量為10.85%。

2.4 固定化性能分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5。

表5 不同胺基含量交聯(lián)殼聚糖衍生物對(duì)鉬酸銨固定化率Table 5 Fixed rate of ammonium molybdate on crosslinked chitosan derivatives with different amino content

交聯(lián)殼聚糖衍生物對(duì)鉬酸鹽的固定化率，隨著胺含量的增大而增大。引入胺試劑可以提高交聯(lián)殼聚糖的胺基含量，同時(shí)利用其有螯合作用的羥基作用，明顯提高了交聯(lián)殼聚糖衍生物的吸附量和固定化率。

2.5 葡萄糖溶液差向異構(gòu)性能分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6。

表6 不同的固定化鉬酸銨催化劑對(duì)葡萄糖轉(zhuǎn)化率的影響Table 6 Effect of immobilized molybdate catalysts dosage on glucose conversion rate

隨著固定化鉬酸鹽催化劑用量從0.25‰增加到2.5‰，葡萄糖轉(zhuǎn)化率由16.6%提高至33.6%。但1.25‰之后沒有明顯提高，且異構(gòu)反應(yīng)糖液的色澤加深，增加脫色難度。因此固定化鉬酸鹽催化劑最佳用量為1.25‰，葡萄糖轉(zhuǎn)化率達(dá)到30%以上。

2.6 固定化鉬酸鹽催化劑的催化劑穩(wěn)定性分析

采用固定化鉬酸鹽催化劑連續(xù) 10次進(jìn)行葡萄糖差向異構(gòu)試驗(yàn)，葡萄糖的轉(zhuǎn)化率分別為 33.6%、33.4%、33.5%、33.2%、32.8%、32.6%、32.3%、31.9%、31.4%、30.8%。葡萄糖轉(zhuǎn)化率成由高向低遞減趨勢(shì)，經(jīng) 10批后轉(zhuǎn)化率由 33.6%降至 30.8%，降幅約為8.0%，說明固定化鉬酸鹽催化劑流失比較少，可以反復(fù)使用。

3 結(jié) 論

（1）通過對(duì)殼聚糖改性的試驗(yàn)，得到了一系列硅藻土處理造粒、環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)、二乙烯三胺胺胺基化、鉬酸鹽固定化的合適條件，確保了制備這種不溶于酸、具有良好機(jī)械強(qiáng)度的交聯(lián)殼聚糖衍生物固定化鉬酸鹽催化劑顆粒的可行性。交聯(lián)殼聚糖衍生物對(duì)鉬酸鹽的固定化率，隨著胺含量的增大而增大。

（2）在葡萄糖差向異構(gòu)反應(yīng)中，葡萄糖溶液濃度50%（w/w），pH 3.0，反應(yīng)溫度130 ℃，反應(yīng)時(shí)間為40 min，固定化鉬酸鹽催化劑最佳用量為1.25‰，葡萄糖轉(zhuǎn)化率可達(dá)到30%以上。

（3）投入一定量的催化劑，經(jīng)過回收，連續(xù)進(jìn)行 10次差向異構(gòu)反應(yīng)，葡萄糖的轉(zhuǎn)化率都在 30%以上，說明該固定化催化劑催化性能比較穩(wěn)定，可以重復(fù)使用，相對(duì)于游離態(tài)鉬酸鹽催化劑具有殘留離子少、副反應(yīng)少、節(jié)省成本等優(yōu)勢(shì)。

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