二甲基亞砜體系改性殼聚糖的制備及其膜性能研究

王西，趙珺，吳修利，姜雪，殷立穎

（長春大學食品科學與工程學院，吉林長春130012）

二甲基亞砜體系改性殼聚糖的制備及其膜性能研究

王西，趙珺*，吳修利，姜雪，殷立穎

（長春大學食品科學與工程學院，吉林長春130012）

采用二甲基亞砜（DMSO）體系制備N-琥珀酰殼聚糖。試驗考察反應溫度、氨基/酸酐摩爾比和反應時間對N-琥珀酰殼聚糖取代度的影響，并對殼聚糖及其衍生物膜的機械性能進行測定分析。結果表明，殼聚糖經堿處理后，當反應溫度60℃，氨基/酸酐摩爾比1∶2，反應時間6 h，N-琥珀酰殼聚糖取代度最高可達0.61。試驗發現：添加甘油的N-琥珀酰殼聚膜機械性能較殼聚糖膜機械延展性能明顯增強。

N-琥珀酰殼聚糖；取代度；改性膜

殼聚糖具有安全無毒，生物相容性好，生物可降解等特點，作為一種對人體無害、環境友好的抗菌材料，廣泛用于醫療、家庭用品、食品包裝等領域。但殼聚糖較差的溶解性，限制了其進一步應用。試驗證明殼聚糖酰化處理后其水溶解性能明顯提高[1]。殼聚糖與丁二酸酐反應制備N-琥珀酰殼聚糖的工藝主要包括：乙酸—丙酮體系、乳酸—甲醇體系和二甲基亞砜體系。但前兩者體系分別存在反應過程中易生成凝膠和溶劑有毒等缺點，為后續處理加大了難度。

本研究以二甲基亞砜為反應介質，利用丁二酸酐與殼聚糖發生酰化反應，在殼聚糖的N-端引入羧基，從而獲得易溶于水的改性殼聚糖。

目前，殼聚糖抗菌膜應用于水果保鮮、醫藥等領域得到廣泛關注[2]。但膜的機械性能方面還需要進一步研究。因此本試驗從經濟效益方面考慮，為節約成本，對改善提高殼聚糖膜的機械性能，進行了初步研究。

1 材料和方法

1.1 材料和儀器

殼聚糖（脫乙酰度84%）、丁二酸酐：國藥集團化學試劑有限公司；其余試劑均為分析純。

XMT-DA數顯調節儀：余姚市亞星儀器儀表有限公司；SHZ-D（Ⅲ）循環水式真空泵：鞏義市英峪予華儀器廠；FA1104N-電子天平：上海精密儀器有限公司；GZX-9070MBE電熱恒溫鼓風干燥箱：上海博迅實業有限公司；電子萬能儀試驗機：上海傾技儀器儀表科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 N-琥珀酰殼聚糖的制備

N-琥珀酰殼聚糖制備的典型工藝如下：準確稱量2.0 g堿處理[3]后的殼聚糖，加入40 mL二甲基亞砜（DMSO）中溶解攪拌10 min，而后緩慢加入2.0 g丁二酸酐，一定溫度下反應至設定時間。將生成物進行過濾，固相用乙醇浸泡30 min，pH調到10.0后進行過濾，將沉淀物溶于蒸餾水，經丙酮沉淀后再用乙醇和丙酮進行多次洗滌，干燥后即獲得最終產物N-琥珀酰殼聚糖[4]。

1.2.2 N-琥珀酰殼聚糖取代度的測定

采用酸堿滴定法測量N-琥珀酰殼聚糖取代度。準確稱量0.2 g N-琥珀酰殼聚糖樣品，溶于80 mL蒸餾水中，磁力攪拌10 min。向溶液中加兩滴酚酞指示劑，用4%氫氧化鈉調至溶液顏色剛剛發生變化，再滴加3滴～4滴甲基橙指示劑，用H2SO4標準溶液滴定至反應溶液由無色變為紅色[5]。取代度計算如下：

式中：DS為N-琥珀酰殼聚糖的取代度；M為硫酸溶液的摩爾濃度，mol/L；m為N-琥珀先殼聚糖的質量，g；V為消耗的硫酸標準溶液的體積，mL；B為中間計算值。

1.2.3 殼聚糖膜機械性能研究

稱取1.0 g的殼聚糖，加入2%乙酸溶液中攪拌至溶解，離心分離雜質，獲取上清液超聲波脫泡處理。室溫下流延法制膜，放入恒溫干燥箱，40℃下讓溶劑揮發4 h，4%氫氧化鈉堿溶液處理一定時間后，蒸餾水進行沖洗至中性，干燥后獲得殼聚糖膜。通過電子萬能儀試驗機對膜進行拉伸測定。同理，向鑄膜液中加入1 mL甘油制得含有甘油的殼聚糖膜和根據文獻[6]制備含甘油的N-琥珀酰殼聚糖膜。測定條件為：拉伸速率10 mm/min，拉伸間距30 mm，測定室溫（25±1）℃。

2 結果與分析

2.1 反應條件對N-琥珀酰改性殼聚糖取代度的影響

2.1.1 反應溫度對產物取代度的影響

殼聚糖經堿處理后，在氨基/酸酐摩爾比為1∶2的條件下反應6 h，測定不同的溫度梯度對產物取代度的影響。試驗結果如圖1所示。

從圖1可以看出，隨反應溫度的增加，取代度呈現先增大后減小的趨勢。這是因為隨反應溫度的升高，分子運動速率增加，有效碰撞增多，提高了反應效率，取代度逐漸增加；而當反應溫度超過60℃以后，生成的N-琥珀酰改性殼聚糖分解速度加劇，產物取代度反而隨反應溫度升高而減小。因此在試驗選定范圍內，反應溫度選擇60℃為宜。

圖1 反應溫度與取代度關系Fig.1 The relationship between reaction temperature and degree of substitution

2.1.2反應時間對產物取代度的影響

殼聚糖經堿處理后，當氨基/酸酐摩爾比為1∶2，60℃反應不同時間，測定反應時間對產物取代度的影響，試驗結果如圖2所示。

圖2 反應時間與取代度關系Fig.2 The relationship between reaction time and degree of substitution

由圖2可以看出，在選定的時間范圍內，隨著反應時間延長，產物取代度逐漸增大。但當反應時間超過6 h后，產物取代度趨于定值。這可能是由于反應時間不斷延長，反應物濃度逐漸降低，反應趨于完全，因此選擇6 h較為適宜。

2.1.3 氨基/酸酐摩爾比對產物取代度的影響

殼聚糖經堿處理后，在反應溫度為60℃的條件下反應6 h，改變氨基/酸酐摩爾比，考察對產物取代度的影響，試驗結果如圖3所示。

如圖3所示，隨氨基/酸酐摩爾比從2∶1至1∶2，產物取代度逐漸增加，再進一步增加氨基/酸酐摩爾比，產物取代度反而下降。這是因為增加丁二酸酐的反應量雖然可以促使產物的生成，但當反應進行一定程度后，由于琥珀酰基空間位阻作用及團聚現象的產生，使得反應不會隨著酸酐分子的進一步增加而增加。故氨基/酸酐摩爾比選取1∶2時較為適宜。

圖3 濃度比例與取代度關系Fig.3 The relationship between concentration ratio and degree of substitution

2.2 殼聚糖及其衍生物膜機械性能

分別裁剪20 mm×80 mm殼聚糖膜（A）、甘油+殼聚糖膜（B）、甘油+N-琥珀酰殼聚糖膜（C）3種膜，用電子萬能儀試驗機測定抗拉強度及最大力，見圖4。

如圖4所示，殼聚糖膜抗拉強度為21.50 MPa；添加甘油后的殼聚糖膜抗拉強度增大至24.55 MPa，對比添加甘油前后的殼聚糖膜最大力值，可以發現，添加甘油后殼聚糖膜最大力值明顯提高，從4.303 N增至4.911 N，提升了14%；而改性后的N-琥珀酰殼聚糖膜抗拉強度與最大力值均顯著提高，分別達到了39.05MPa和7.810 N。這是因為甘油作為增塑劑，可有效提高膜的韌性，改善流動性和柔韌性等，當與殼聚糖-醋酸溶液充分混溶，改善了殼聚糖膜剛性結構膜脆性大的缺點。

圖4 殼聚糖及衍生物膜Fig.4 Chitosan and derivatives film

3 結論

以二甲基亞砜作為溶劑，丁二酸酐與殼聚糖在適當條件下，可以反應生成N-琥珀酰殼聚糖。殼聚糖經堿處理后，在反應溫度60℃，氨基/酸酐摩爾比1∶2，反應時間6 h的條件下，N-琥珀酰殼聚糖取代度可以達到0.61。

改性的N-琥珀酰殼聚糖膜較殼聚糖膜抗拉強度及最大力值明顯提高，甘油可有效提高殼聚糖膜的抗拉強度及彈力，明顯改善了膜的力學性能，提高了膜的實際利用價值。

[1]李浩,王征科,胡巧玲.N-琥珀酰殼聚糖的制備及其性能[J].材料工程與科學學報,2011,29(4)：541-546

[2]陳佳陽,陳實,樂學義.殼聚糖抗菌膜的研究進展[J].廣東農業科學,2012(12)：122-126

[3]羅菊香,吳萍,俞小云,等.N-琥珀酰殼聚糖的制備及其溶解性研究[J].食品科技,2014,39(1)：255-258

[4]汪琴,王愛勤.N-琥珀酰殼聚糖的合成和性能研究[J].功能高分子學報,2004,17(1)：51-54

[5]范澤霞,夏儉英.測定梭甲基纖維素鈉取代度的新方法—酸度計滴定法[J].鉆井液與完井液,1997,14(5)：125-126

[6]李作為,張立彥,曾慶孝.琥珀酰化殼聚糖膜的制備及其pH敏感型性研究[J].食品工業科技,2009,30(1)：91-97

Study on Preparation of Modified Chitosan with Dimethyl Sulfoxide System and Its Film Properties

WANG Xi，ZHAO Jun*，WU Xiu-li，JIANG Xue，YIN Li-ying
（College of Food Science and Engineering，Changchun University，Changchun 130012，Jilin，China）

Dimethyl sulfoxide system was used to prepare N-succinyl chitosan.The influences of the reaction temperature，the mole ratio of amino group of chitosan to anhydride and the reaction time on the degree of substitution were investigated respectively.The degree of substitution of N-succinyl chitosan could achieve 0.61 when the chitosan was treated by diluted alkali，the reaction temperature was 60℃，the mole ratio of anhydride to amino group was 1∶2 and the reaction time was 6 h.It was found that N-succinyl chitosan membrane mechanical ductility properties could significantly enhance when glycerol was added to chitosan membrane.

N-succinyl chitosan；degree of substitution；modified film

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.12.005

2016-09-21

吉林省科技發展計劃項目（20140101099JC）；吉林省教育廳“十三五”科學技術研究項目（吉教科合字[2016]第300號）

王西（1990—），女（漢），碩士研究生，研究方向：食品科學。

*通信作者：趙珺，女，教授，博士。