一種甲殼素制備水溶性羧甲基殼聚糖的方法

【摘要】本文研究了在堿性條件下，以乙醇為溶劑，用氯乙酸對甲殼素進(jìn)行化學(xué)改性，合成了具有良好水溶性的羧甲基殼聚糖，粗產(chǎn)品用乙醇提純，產(chǎn)物取代度在90%以上，脫乙酰度可達(dá)80%以上。

【關(guān)鍵詞】甲殼素；羧甲基殼聚糖；水溶性；取代度；脫乙酰度

1、前言

甲殼素，又稱甲殼質(zhì)、幾丁質(zhì)，β-（1-4）-2-乙酰氨基-2-脫氧-D-葡萄糖，是自然界第二位豐富的資源。普遍存在于蝦蟹外殼、節(jié)肢動物、真菌細(xì)胞壁及某些植物細(xì)胞壁之中，每年自然界生物體內(nèi)合成的甲殼素達(dá)斤百億噸。但由于甲殼素不溶于水和普通溶劑，使得其應(yīng)用性受到限制。對甲殼素進(jìn)行化學(xué)改性可增加水溶性，并使功能性質(zhì)如乳化性、增稠性等得到改善和提高。在眾多的改性反應(yīng)類型中，羧甲基化反應(yīng)是研究較多的一種。

羧甲基殼聚糖是殼聚糖經(jīng)羧甲基化后的衍生物，它同時(shí)具備水溶性和pH敏感性，是制備生物凝膠材料的優(yōu)良原料，一般由殼聚糖直接制備，目前未見由甲殼素制備羧甲基殼聚糖的相關(guān)報(bào)道，本文以氫氧化鈉、氯乙酸在乙醇溶劑中制備的水溶性羧甲基殼聚糖其取代度在90%以上，脫乙酰度可達(dá)75%以上。

2、試驗(yàn)部分

2.1材料與方法

2.1.1材料

甲殼素：青島云宙生物科技有限公司

2.1.2儀器

PHS-3C型酸度計(jì)、NDJ-1型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、電子天平、恒速強(qiáng)力電動攪拌器、恒溫水浴鍋

2.2實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1純化

稱取10g甲殼素粉于500ml的燒杯中，加入1.0mol/L的NaOH 200ml，攪拌3h后抽濾，除去雜質(zhì)及殘余蛋白。

2.2.2堿化

配制50%的（W/W）氫氧化鈉溶液100g，加入到反應(yīng)器中，與純化后的甲殼素?cái)嚢杈鶆?，混?h。

2.2.3冷凍溶脹

將堿化后的樣品存放于-20℃的冰箱中，冷凍24h之后，室溫解凍。

2.2.4羧甲基化

稱取35g氯乙酸，在攪拌狀態(tài)下緩慢滴加至堿化甲殼素中，控制反應(yīng)溫度不超過60℃，反應(yīng)約3h，保溫?cái)嚢?h，制得粗產(chǎn)品。

2.2.5羧甲基殼聚糖的分離提純

把粗產(chǎn)品用75%的乙醇溶液洗滌2次之后，除去氯化鈉、二甘醇酸等雜質(zhì)，洗去雜質(zhì)的粗產(chǎn)品用醋酸調(diào)至pH為中性，乙醇脫水，抽濾后于50～70℃干燥，得產(chǎn)品。

2.2.6檢測

將產(chǎn)品稱重，計(jì)算產(chǎn)率；

檢測產(chǎn)品的水溶性，動力粘度、取代度和脫乙酰度。

2.3產(chǎn)品理化性質(zhì)的檢測方法

2.3.1取代度（D.S）及脫乙酰度（D.D）的測定

采用電位滴定法，稱取約100mg20-084，精密稱定，加入0.3mol/L鹽酸溶液15ml，攪拌至完全溶解，攪拌下用0.1mol/L標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉滴定液滴定，數(shù)字式酸度計(jì)指示溶液pH值變化，記錄氫氧化鈉滴定液滴定體積與pH值的對應(yīng)關(guān)系，直到pH值大于11時(shí)終止滴定，用一階微商法找出三個(gè)突躍點(diǎn)。為保證讀數(shù)準(zhǔn)確，每次滴加需隔一定時(shí)間，利用滴定曲線來計(jì)算取代度。計(jì)算公式如下：

2.3.2動力粘度的測定

稱取樣品適量，配制成1%的水溶液，攪拌至完全溶解，用NDJ-1型旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)測定其粘度數(shù)值。

2.3.3水溶性的測定

稱取樣品適量，用水配成1%的溶液，間歇攪拌，室溫放置24小時(shí)，應(yīng)完全溶解。

3、結(jié)果與討論

3.1結(jié)果

所得產(chǎn)品為白色粉末狀，分散性良好，24小時(shí)內(nèi)能全部溶于水，無肉眼可見雜質(zhì)；產(chǎn)品質(zhì)量12.85g，產(chǎn)率128.5%，動力粘度：29.5mPa·S，取代度96.4%，脫乙酰度82.8%。

3.2反應(yīng)條件對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的影響

由檢測結(jié)果可以看出在強(qiáng)堿性條件下，甲殼素在氯乙酸的作用下羧甲基化的過程中同時(shí)脫掉乙?；蔀闅ぞ厶牵刂聘鞣磻?yīng)條件即可得到可溶性的羧甲基殼聚糖，但是浸堿濃度、溫度、試劑用量和反應(yīng)時(shí)間等條件不同對產(chǎn)物的各項(xiàng)指標(biāo)均有影響， 可得到不同取代位置的產(chǎn)物。

3.2.1浸堿濃度對產(chǎn)物的影響

甲殼素及其衍生物都是高分子化合物，具有較高的晶區(qū)，浸堿及冷凍是為了更好的使反應(yīng)試劑進(jìn)入到晶區(qū)，有利于羧甲基化的進(jìn)行，因此，堿液的濃度是反應(yīng)進(jìn)行的前提，當(dāng)堿濃度在40%以上，反應(yīng)才能順利進(jìn)行，堿用量增大，產(chǎn)品的水溶性較好，但是動力粘度降低，這是因?yàn)樵趶?qiáng)堿性條件下，降解速度加快；堿用量減少雖可保證一定的粘度，但是羧甲基化反應(yīng)不徹底，產(chǎn)物水溶性變差，而且部分產(chǎn)物在提純前會發(fā)生溶解情況，實(shí)驗(yàn)證明，50%濃度的堿液得到的產(chǎn)物溶解性較好，粘度也較高。

3.2.2浸堿時(shí)間對產(chǎn)物的影響

堿化時(shí)間同浸堿濃度一樣會影響產(chǎn)物的粘度，浸堿時(shí)間短，產(chǎn)品粘度高，隨著浸堿時(shí)間的延長，產(chǎn)物的粘度會降低，一般選擇1～2小時(shí)為宜。

3.2.3氯乙酸的用量

氯乙酸作為反應(yīng)的重要試劑，其用量非常關(guān)鍵。羧甲基化反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，除了與堿殼聚糖的羧化反應(yīng)外還與反應(yīng)介質(zhì)中的堿液發(fā)生中和反應(yīng)，反應(yīng)過程中會放出大量的熱，必須采用攪拌狀態(tài)下滴加的方式，必要時(shí)需降溫。氯乙酸用量過低，羧甲基化不徹底，反應(yīng)不完全，當(dāng)氯乙酸用量過大時(shí)，反應(yīng)體系的pH偏低則會導(dǎo)致反應(yīng)停止，得不到目標(biāo)產(chǎn)物，多次實(shí)驗(yàn)表明，氯乙酸與甲殼素的摩爾比為1：4為宜。

3.2.4反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間的影響

反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度的控制，是影響羧甲基化反應(yīng)順利進(jìn)行的兩個(gè)重要因素。反應(yīng)溫度過低，反應(yīng)速度過慢，反應(yīng)進(jìn)行到一定程度便不再繼續(xù)羧甲基化。而反應(yīng)溫度超過60℃，溶劑大量蒸發(fā)，不利于反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)控制在40～60℃為宜。反應(yīng)時(shí)間隨反應(yīng)溫度而不同，一般反應(yīng)過程為3小時(shí)左右，這時(shí)停止反應(yīng)檢測產(chǎn)物并不會全部溶解，這是因?yàn)榧讱に氐聂燃谆磻?yīng)是高分子非均相反應(yīng)，反應(yīng)完全需要時(shí)間，越到反應(yīng)后期，未作用的堿和氯乙酸濃度就越低，反應(yīng)速度也越慢，必須繼續(xù)保溫反應(yīng)5小時(shí)可反應(yīng)完全。

4、結(jié)論

本文提出了由甲殼素制備完全水溶的羧甲基殼聚糖的方法。在50%濃度的堿性條件下，以乙醇為溶劑，用氯乙酸對甲殼素進(jìn)行化學(xué)改性，合成了具有良好水溶性的羧甲基殼聚糖，粗產(chǎn)品用乙醇提純，產(chǎn)物取代度在90%以上，脫乙酰度可達(dá)80%以上，而且本方法制備的羧甲基殼聚糖產(chǎn)率也較高。