利用廢棄淡水龍蝦殼制備羧甲基殼聚糖

鄭絲柳，徐 陽，周穎梅

（徐州工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221111）

羧甲基殼聚糖（Carboxymethyl chitosan，CMC）是殼聚糖經(jīng)羧甲基化反應(yīng)后的一類殼聚糖衍生物[1]。它具有保濕性、水溶性、成膜性的優(yōu)點(diǎn)，在日化、食品、造紙、制藥、化妝品等方面都有著重要的用途。殼聚糖（CTS）是甲殼素經(jīng)脫乙?；蟮漠a(chǎn)物。甲殼素又名幾丁質(zhì)、甲殼質(zhì)，是一種線型的天然高分子中性黏多糖，主要從蝦、蟹殼中提取。徐州周邊地區(qū)每年吃食大量的龍蝦，將廢棄的龍蝦殼提取甲殼素后制備成羧甲基殼聚糖，在環(huán)保及實(shí)際應(yīng)用上都具有現(xiàn)實(shí)意義。

自Hayes[2]報(bào)道了用氯乙酸法制備羧甲基殼聚糖后，眾多學(xué)者對該方法進(jìn)行改進(jìn)，以提高產(chǎn)物的取代度。徐云龍等[3-4]研究制備了取代度（DS）為0.92、0.95和1.70的羧甲基殼聚糖。王永娟[5]在水溶媒介中，利用微波加熱使殼聚糖發(fā)生羧甲基化改性反應(yīng)，制得取代度為1.23的CMC。鐘超等[6]利用兩步加堿法，并采用等電點(diǎn)沉降法精制所得的N,OCMC，DS達(dá)1.7。吳友吉等[7]利用非質(zhì)子溶劑法，以二甲亞砜(DMSO-H2O)為溶劑，在堿性條件下殼聚糖與氯乙酸反應(yīng)，制得取代度高達(dá)1.93的CMC。

本文以蝦殼廢棄物為原料，通過酸堿循環(huán)處理方式提取出甲殼素，然后進(jìn)行脫乙?；蟮玫綒ぞ厶恰＝Y(jié)合兩步加堿法和非質(zhì)子溶劑法的優(yōu)點(diǎn)，用有機(jī)溶劑二甲亞砜代替異丙醇對殼聚糖進(jìn)行膨脹，通過兩步加堿法制得了取代度為1.75的N,O-羧甲基殼聚糖。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

DZF6020型真空干燥箱，F(xiàn)A1004型電子天平，DF-101S智能集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，雷磁PHSJ-3F實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)，SZCL-4型數(shù)顯智能控溫磁力攪拌器，ALPHA型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），SHB-Ⅲ循環(huán)水泵。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

淡水龍蝦（市售）；二甲亞砜（AR）、氯乙酸、氫氧化鈉（AR）、鹽酸（AR）、無水乙醇（AR）。實(shí)驗(yàn)用水為自制蒸餾水。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 由廢棄淡水龍蝦殼提取甲殼素

用清水將蝦殼內(nèi)外表面的異物去除干凈，用干燥箱在100℃下干燥，粉碎。將粉碎的蝦殼，先用5%氫氧化鈉溶液浸泡5h脫除蛋白質(zhì)，再用5%鹽酸溶液浸泡3h脫灰分。經(jīng)酸堿循環(huán)處理，直至加酸再無氣泡產(chǎn)生。最后漂洗、干燥，得到甲殼素。

1.3.2 由自制甲殼素制備羧甲基殼聚糖

首先將甲殼素以1∶70的比例浸入濃度為60%的氫氧化鈉溶液中，90℃下在氮?dú)夥諊忻撘阴；?2h后過濾，用熱水沖洗產(chǎn)物至中性，干燥，得到白色片狀殼聚糖。取3g自制殼聚糖于單口蒸餾燒瓶中，用40 mL二甲亞砜浸漬4h，使其充分溶脹。在上述溶液中加入15 mL質(zhì)量濃度為40%的NaOH溶液，在25℃下攪拌2h，對其進(jìn)行一次堿化后靜置12h。將氯乙酸溶于一定量的二甲亞砜中，逐滴加入燒瓶中，反應(yīng)在60℃恒溫及攪拌條件下進(jìn)行4h，使其充分反應(yīng)。接著再一次性加入15 mL 40%的NaOH溶液，在60℃恒溫下攪拌2h，得到油狀液體及白色固體的混合物。

1.3.3 產(chǎn)品精制

倒掉上層清液，加入適量的無水乙醇，蓋上玻璃塞用力搖晃，靜置，倒掉上層乙醇清液，除去氯乙酸鈉等鹽，反復(fù)清洗4～5次。將產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到燒杯中，加入剛好可以溶解的水量，攪拌溶解后充分靜置，抽濾。將濾液轉(zhuǎn)移到燒杯中，用1mol·L-1的HCl將pH調(diào)節(jié)到等電點(diǎn)附近，再加入6倍量的無水乙醇。等有大量白色絮狀物析出，充分靜置后抽濾，將產(chǎn)物放于65℃的真空烘箱中充分干燥。

1.4 紅外光譜分析

將自制殼聚糖和羧甲基殼聚糖充分干燥后用溴化鉀壓片，在4000～400cm-1范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，得到二者的紅外光譜圖。

1.5 取代度的測定

采用電位滴定法[8]測定取代度。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，取代度的計(jì)算公式如下：

其中，A=(V2-V1)CNaOH/m，CNaOH為氫氧化鈉的濃度，mol·L-1；m為被滴定CMC的質(zhì)量，g。V1為滴定過剩鹽酸所消耗的NaOH溶液的體積，mL；V2-V1為滴定總羧基所消耗NaOH溶液的體積，mL。

測定取代度時(shí)，以脫乙酰度為90%的殼聚糖為原料，其氨基葡萄糖單元的摩爾質(zhì)量Mcts單元=10%×203.19+90%×161.15=165.354，所以取代度計(jì)算公式為：DS=165.354A/(1-58A)。

2 結(jié)果分析

2.1 兩步加堿法的改進(jìn)

與傳統(tǒng)工藝相比，兩步加堿法最明顯的區(qū)別就是堿是分兩步加入的，該方法一定程度上破壞了殼聚糖的晶區(qū)，促進(jìn)了反應(yīng)試劑的滲透和擴(kuò)散，確保了取代反應(yīng)更完全地進(jìn)行，因而提高了產(chǎn)物的取代度[7]。但是該方法采用質(zhì)子溶劑（異丙醇）作為溶劑，而CTS的羧甲基化反應(yīng)是一個(gè)親核取代反應(yīng)，質(zhì)子溶劑容易使親核溶劑溶劑化，抑制羧甲基化反應(yīng)。二甲亞砜是非質(zhì)子溶劑，對親核取代反應(yīng)具有很大的活化作用，可以提高產(chǎn)物的取代度。

2.2 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)紅外分析

取少量殼聚糖粉末和羧甲基殼聚糖粉末，在65℃的真空烘箱中充分干燥后，將待測樣品用KBr壓片，采用FT-IR進(jìn)行表征，所得CTS與CMC的紅外光譜圖如圖1。

圖1 CTS與CMC的FT-IRFig.1 FT-IR spectrum of CTS and CMC

由圖1可以看出，羧甲基殼聚糖在1561cm-1處出現(xiàn)了-COOH的峰，而在殼聚糖圖譜中1569cm-1處的峰強(qiáng)度并不如羧甲基殼聚糖1561cm-1處峰強(qiáng)度強(qiáng)，這說明，殼聚糖發(fā)生了羧甲基化反應(yīng)。殼聚糖在1149cm-1處出現(xiàn)了仲羥基的伸縮振動峰，在羧甲基殼聚糖中，仲羥基的伸縮振動峰出現(xiàn)在1138cm-1處，并且強(qiáng)度較殼聚糖中仲羥基強(qiáng)度要小；殼聚糖1079cm-1處為伯羥基伸縮振動峰，羧甲基殼聚糖中伯羥基伸縮振動峰出現(xiàn)在1020cm-1處，同樣的，羧甲基殼聚糖中伯羥基伸縮振動峰峰強(qiáng)度小于殼聚糖中伯羥基伸縮振動峰峰強(qiáng)度，伯羥基和仲羥基峰強(qiáng)度減小的現(xiàn)象都說明了伯羥基和仲羥基位置上均發(fā)生了羧甲基化反應(yīng)。所得產(chǎn)物為N,O-羧甲基殼聚糖。

2.3 取代度的測定

稱取0.25g精制的CMC產(chǎn)品，溶解于45mL 1.0198mol·L-1的鹽酸溶液中，用濃度為0.1124mol·L-1的NaOH溶液滴定并用pH計(jì)測定溶液pH值的變化，利用二階微商確定拐點(diǎn)的堿用量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖得圖2和圖3。

如圖2和圖3所示，第1個(gè)標(biāo)注點(diǎn)為過剩鹽酸的滴定終點(diǎn)，第2個(gè)標(biāo)注點(diǎn)為羧基的滴定終點(diǎn)，第3個(gè)標(biāo)注點(diǎn)為NH3+的滴定終點(diǎn)。V3-V2為滴定總氨基所消耗NaOH溶液的體積，mL。其中，m為0.1655g，CNaOH=0.0944mol?L-1，根據(jù)公式（1）計(jì)算得取代度為1.75。

圖2 N,O-CMC電位滴定曲線Fig.2 Potentiometric titration curve of N,O-CMC

圖3 N,O-CMC滴定微商曲線Fig.3 Titration curve derivative of N,O-CMC

3 結(jié)論

以蝦殼廢棄物為原料，成功地制得了羧甲基殼聚糖。利用二甲亞砜代替有機(jī)溶劑異丙醇對殼聚糖進(jìn)行膨脹，可以有效地活化親核取代反應(yīng)，結(jié)合兩步加堿法，使產(chǎn)物的取代度得到提高。

[1] 朱琨，鄧海，威常樂.羧甲基殼聚糖的制備研究[J].江蘇教育學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011， 27（5）：40-42.

[2] Hayes Ernest R. N,O-Carboxymethyl chitosan and preparative method therefore: US, 4619 995[P].1986-10-28.

[3] 徐云龍，汪傳木，雷曉明.相轉(zhuǎn)移催化法制備羧甲基殼聚糖[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，29（1）：80-82.

[4] 徐云龍，馮屏，錢秀珍，等.微波合成羧甲基殼聚糖[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，29（4）：380-383.

[5] 王永娟.羧甲基殼聚糖的制備及應(yīng)用研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2009.

[6] 鐘超，趙靜，黃明智.兩步加堿法制備N,O-羧甲基殼聚糖-反應(yīng)條件對取代度的影響[J].精細(xì)化工，2004，21（5）：338-341.

[7] 高友吉，宋慶平，李慶海.高取代度羧甲基殼聚糖的制備[J].合成化學(xué)，2006，14（5）：506-509.

[8] Muzzarelli R A A, Tanfani F, Emanulli M, et al.N-(Carboxymethylidene) chitosans and N-(carboxymethyl)chitosans;novel chelating polyampholytes obtained from chitosan glyoxylate[J]. Carbohydrate Research, 1982(107):199-214.