超聲輻射甲殼素制備殼聚糖研究

吳嫦秋，江 燕，林秀秀，陳勝城

（1.廣東省城市建設技師學院，廣東廣州 510000；2.廣東省食品工業研究有限公司，廣東廣州 510420）

1 實驗試劑及儀器

甲殼素，自制；氫氧化鈉、異丙醇，分析純，天津市百世化工有限公司；濃鹽酸，分析純，廣州化學試劑廠；電子天平，上海天平儀器廠；電熱套，粉碎機，上海予華儀器有限公司；超聲波發生儀，電熱真空干燥箱，上海實驗儀器廠有限公司；容量瓶，150℃量程溫度計，冷凝管，三口燒瓶，錐形瓶，移液管，濟南天和化學試劑有限公司

2 實驗方法

2.1 溶液配制

濃度為40%的氫氧化鈉溶液

配制：準確稱取固體氫氧化鈉80g，加蒸餾水120mL，攪拌溶解即可得濃度為40%的氫氧化鈉溶液，再加上20mL 異丙醇攪拌均勻待用。

2.2 殼聚糖的制備

將配制好的氫氧化鈉溶液倒入燒瓶，然后稱6g粉狀甲殼素加入盛有氫氧化鈉的燒瓶中，冷凝管接好冷卻水，開啟電加熱套進行加熱。液體沸騰后，開始計時，反應3h 后，轉入超聲波發生器保溫處理1h。反應完畢，取出固體物用水洗滌至中性，放入120℃烘箱中干燥40min，即為制備的產物。

2.3 脫乙酰制備殼聚糖的原理

2.4 脫乙酰度分析方法

甲殼素在脫乙酰反應時，伴隨著分子主鏈的降解反應，使分子量降低。而分子量大小和游離氨基含量反映殼聚糖性能的兩個重要指標。一般用脫乙酰度來反映游離胺基含量，用黏度來衡量分子量大小，本論文只測定脫乙酰度（DD）指標。殼聚糖脫乙酰度的高低，直接關系到它在稀酸中的溶解能力、黏度、離子交換能力，絮凝性能和與氨基有關的化學反應能力，以及許多方面的應用。脫乙酰度的測定方法較多，本實驗用酸堿滴定法。原理是殼聚糖的自由氨基呈堿性可與酸定量地發生質子化反應，由滴定用酸量，可計算出殼聚糖中自由氨基的含量。它與殼聚糖原料（甲殼素）的氨基含量（理論含量）之比，即為脫乙酰度值[1]。

理論氨基含量=16/161×100%=9.94%

殼聚糖的氨基含量

X=（C1V1-C2V2）·0.016/（G-GW）·100%

C1和C2：鹽酸及氫氧化鈉標準溶液的濃度（mol/L）；

V1：加入的鹽酸標準溶液的體積（mL）；

V2：滴定耗用的氫氧化鈉標準溶液的體積（mL）；

G：樣品重量g；

w：樣品的含水量（%）。

0.016 是與1mol/L 鹽酸標準溶液相當的氨基量（g）。

脫乙酰度：D.D=X/0.0994·100%

3 結果與討論

3.1 氫氧化鈉濃度對脫乙酰度影響

實驗控制其他條件不變（表1），考察氫氧化鈉的濃度對脫乙酰度的影響，殼聚糖的脫乙酰度在氫氧化鈉溶液濃度大于30%時迅速提高，而在大于40%時上升趨勢趨于平緩。在本實驗中氫氧化鈉是作為親核試劑進攻甲殼素中乙酰氨基并使之水解為氨基而存在的，所以氫氧化鈉溶液濃度過低不利于殼聚糖乙酰基的脫除，而在氫氧化鈉溶液濃度大于40%時殼聚糖乙酰基的脫除并沒有明顯提高。因此，從節約及脫乙酰度的角度來分析，殼聚糖制備時，氫氧化鈉溶液的濃度應控制在40%～50%。

表1 氫氧化鈉濃度對脫乙酰度影響

圖1 氫氧化鈉濃度對脫乙酰度影響

3.2 氫氧化鈉與有機相配比對脫乙酰度的影響

實驗控制其他條件不變（表2），考察有相配比對脫乙酰度的影響，由圖2可知，殼聚糖的脫乙酰度在有機相配比為10%時迅速提高，而在大于20%時上升趨勢明顯趨于平緩。有機相配比過低不利于殼聚糖乙酰基的脫除與分離，而在有機相配比大于20%時殼聚糖乙酰基的脫除并沒有明顯提高而是趨于平緩。因此，從節約及脫乙酰度的角度來分析，殼聚糖制備時，有機相的配比應控制在20%～25%。

表2 氫氧化鈉與有機相配比對脫乙酰度的影響

圖2 氫氧化鈉與有機相配比對脫乙酰度的影響

3.3 溫度對脫乙酰度的影響

實驗控制其他條件不變（表3），考察溫度比對脫乙酰度的影響，由圖3可知，殼聚糖的脫乙酰度隨著溫度的提高而有所提高，特別是在溫度在80℃以上的時候，上升趨勢明顯而在溫度大于120℃時上升趨勢趨于平緩。溫度過低不利于殼聚糖乙酰基的脫除，而在溫度大于120℃時殼聚糖乙酰基的脫除并沒有明顯的提高而是趨于平緩。殼聚糖制備時，溫度高相對的設備要求也高。因此，從節約能源及脫乙酰度和設備要求的角度來分析，殼聚糖制備時溫度應控制在120～130℃。

表3 溫度對脫乙酰度的影響

圖3 溫度對脫乙酰度的影響

3.4 在超聲波中的反應時間對脫乙酰度的影響

實驗控制其他條件不變，考察超聲波中的反應時間對脫乙酰度的影響，由圖4可知，隨著在超聲波中的反應時間的延長，所得的殼聚糖的脫乙酰度也隨之增加，在1h 前，其增值近似線形遞增，反應超過1h的時候，脫乙酰度隨時間的延長而變化不大上升趨勢趨于平緩。因此，從節約能源及脫乙酰度和設備要求的角度來分析，殼聚糖制備時，其在超聲波中的反應時間應控制在1.0～1.5h。

圖4 在超聲波中的反應時間對脫乙酰度的影響

3.5 超聲波的頻率對殼聚糖脫乙酰度的影響

實驗控制其他條件不變，考察超聲波的頻率對脫乙酰度的影響，由圖5可知，隨著超聲波頻率的增大，所得的殼聚糖的脫乙酰度也隨著增大，當超聲波的頻率為110kHz 時，甲殼素單體之間得到了充分反應，脫乙酰度達到最值，在100kHz 前，隨著超聲波頻率的增加脫乙酰度的增值明顯增加，在100～110kHz 時，其增值接近線性遞增，當超聲波頻率超過了110kHz時，脫乙酰度隨著超聲波頻率的增大變化不大而且有微降趨勢。因此，反應時超聲波的頻率應不小于110kHz，應控制超聲波頻率在100～110kHz。

圖5 超聲波的頻率對殼聚糖脫乙酰度的影響

3.6 甲殼素脫乙酰基制備的殼聚糖紅外光譜分析

圖6為甲殼素的紅外吸收特征，吸收譜帶的歸屬為：3 500～3 260cm-1處寬峰為γ（O-H）+γ（N-H），2930～2892cm-1處的一組為γ（C-H），1665cm-1左右的峰為γ（C=O），1559cm-1處的峰為γ（N-H），1419cm-1，1379cm-1處的峰為γ（CH2）+γ（CH3），1159cm-1左右的峰為γ（C-O-C），1074cm-1和1029cm-1處的峰為γ（C-O）。與圖6比較，圖7中1559cm-1處的峰位移至1 598cm-1，說明甲殼素脫去了乙酰基。

圖6 未脫乙酰基的殼聚糖

圖7 脫乙酰度91.7%的殼聚糖

4 結論

1）用6.0g 甲殼素與氫氧化鈉進行脫乙酰反應，以脫乙酰度為指標時，最優化條件是氫氧化鈉溶液的濃度為40%～50%、有機相的配比為20%～25%、反應溫度為120～130℃、在超聲波中的反應時間為1.0～1.5h、超聲波的頻率為100～110kHz。

2）對脫乙酰度來說，反應時氧化鈉溶液的濃度和反應溫度是主要的影響因素，超聲波的頻率是次要的影響因素，然后是有機相的配比，影響最小的是反應的時間。

3）超聲波輻射，提高了化學合成的反應速率，從而縮短了反應時間；但是超聲波的頻率不同，對化學反應速率有很大的影響。在頻率為100～110kHz 時，殼聚糖的脫乙酰度是最高的。