超聲波法黃原酸化殼聚糖的制備

劉盛 ，朱紅祥 ，王進(jìn) ，劉晨 ，孔巧平 ，曹雪娟

（1 廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2 上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，中國 上海 200240）

殼聚糖（chitosan，CTS） 是自然界中儲(chǔ)量?jī)H次于纖維素的天然高分子多糖，可作為良好的吸附劑用于廢水中重金屬離子的去除[1]，作為目前最熱門的研究之一，殼聚糖也被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域如醫(yī)藥醫(yī)療、造紙、紡織品、生物醫(yī)藥、化妝品、食品加工、農(nóng)業(yè)等方面[2]。殼聚糖對(duì)于一些重金屬離子的吸附量較小、水不溶性等影響了其進(jìn)一步的應(yīng)用，但殼聚糖分子鏈上存在著活潑的伯氨基以及羥基，通過對(duì)其改性，改善其水溶性的同時(shí)，增大了重金屬吸附性能，拓展其應(yīng)用范圍，例如羧甲基殼聚糖、殼聚糖季銨鹽和黃原酸化殼聚糖（xanthated chitosan，XCTS）等衍生物[3-5]。黃原酸化殼聚糖由于分子中存在巰基，和重金屬離子的螯合系數(shù)小，重金屬離子的吸附量大幅度增加，關(guān)于黃原酸化殼聚糖的合成研究已有報(bào)道[6-7]，但由于大分子量殼聚糖不溶于水，其和二硫化碳的反應(yīng)屬于非均相反應(yīng)，存在反應(yīng)活性低、反應(yīng)時(shí)間長（達(dá)24h）等問題[8-10]，而應(yīng)用超聲波輔助合成黃原酸化殼聚糖的研究未見報(bào)道，本工作利用超聲波法合成黃原酸化殼聚糖并采用單因素實(shí)驗(yàn)方法，以硫含量和產(chǎn)率作為指標(biāo)，研究了反應(yīng)物配比、溫度、超聲功率、超聲反應(yīng)時(shí)間和堿濃度對(duì)CTS 改性的影響，確定了影響超聲波法制備XCTS 的主要因素；通過實(shí)驗(yàn)選擇了最佳合成條件，以探求一種快速、取代度高的XCTS 合成途徑；同時(shí)對(duì)XCTS 進(jìn)行了傅里葉紅外光譜、X 射線衍射、掃描電鏡和熱重分析，了解黃原酸化前后殼聚糖的架構(gòu)變化。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

殼聚糖，脫乙酰度為80.0%～95.0%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；二硫化碳，分析純，哈爾濱雪佳氟公司；氫氧化鈉，分析純，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；無水乙醇，分析純，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

一定溫度下，殼聚糖和二硫化碳在堿性條件下能夠發(fā)生黃原酸化反應(yīng)，生成黃原酸化殼聚糖，這是一種黃色粉末。黃原酸化殼聚糖溶于水，不溶于乙醇、丙酮等有機(jī)溶劑，對(duì)重金屬離子有很強(qiáng)的螯合能力，螯合物不溶于水[11]。黃原酸化殼聚糖的主要合成反應(yīng)式如圖1。 殼聚糖和二硫化碳在強(qiáng)堿作用下發(fā)生反應(yīng)，強(qiáng)堿的作用主要是滲透到殼聚糖的分子鏈中，溶脹殼聚糖，使殼聚糖分子中的羥基轉(zhuǎn)化為鈉鹽，有利于和二硫化碳發(fā)生黃原酸化反應(yīng)[8]。反應(yīng)過程中，溶液呈現(xiàn)橙色，最終的黃原酸化殼聚糖為略帶有黃色的粉末。

圖1 黃原酸化殼聚糖的合成反應(yīng)式

1.2.1 常規(guī)方法[12]

稱取1.0g 的殼聚糖于250mL 三口燒瓶中，加入50mL 10% 的NaOH 溶液，溶脹0.5h。再加入2.5mL 的二硫化碳（冰水浴中用滴液漏斗滴加），一定溫度水浴下攪拌反應(yīng)數(shù)小時(shí)，離心除去未反應(yīng)的原料，用3 倍的無水乙醇析出、抽濾并洗滌，50℃烘箱中干燥即得產(chǎn)品。

1.2.2 超聲波法

稱取1.0g CTS 加入盛有50mL 一定質(zhì)量濃度的NaOH 的100mL 單口燒瓶中，磁力攪拌預(yù)處理1/2h，然后加入一定量的CS2，放入三位一體合成萃取反應(yīng)器（UWAVE-1000）中于一定功率超聲波下反應(yīng)一段時(shí)間后取出、冷卻、離心后取上清液，用3 倍的無水乙醇析出產(chǎn)品，過濾，50℃烘箱中干燥即得產(chǎn)品。

1.3 XCTS 中硫含量的測(cè)定

產(chǎn)品中硫含量直接反應(yīng)了殼聚糖黃原酸化改性的程度，實(shí)驗(yàn)中采用元素分析儀（Euro EA3000）測(cè)定XCTS 中硫的含量。

1.4 殼聚糖和XCTS 的FT-IR 表征

殼聚糖黃原酸化前后的基團(tuán)變化由傅里葉紅外光譜儀測(cè)定（NEXUS 470 FT-IR），光譜范圍4000～400cm-1。

1.5 殼聚糖和XCTS 的X 射線衍射分析

殼聚糖黃原酸化前后結(jié)晶度的變化由X射線衍射儀（SmartLab）進(jìn)行觀察。

1.6 殼聚糖和XCTS 的掃描電鏡表征

殼聚糖黃原酸化前后的形貌變化由掃描電子顯微鏡（日立S-3400N）進(jìn)行觀察。

1.7 殼聚糖和XCTS 的熱重分析

殼聚糖黃原酸化前后的熱穩(wěn)定性由綜合熱重分析儀（ZRY-2P）進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 XCTS 的制備

2.1.1 常規(guī)方法和超聲波法合成XCTS 的對(duì)比

按1.2 節(jié)所述分別進(jìn)行XCTS 的合成實(shí)驗(yàn)，其中常規(guī)方法中反應(yīng)溫度為50℃，超聲波法中NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、CS2為2.5mL、超聲功率為 150W。兩種方法分別制備不同方法時(shí)間下的XCTS，然后測(cè)定反應(yīng)產(chǎn)物XCTS 的S 含量與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 常規(guī)方法和超聲波法合成XCTS 的對(duì)比

從圖2 中可以看出，無論是超聲波法還是常規(guī)方法，其合成的XCTS 硫含量都隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而增加，但超聲波法不僅合成速率快，而且合成的XCTS 硫含量也更高，在60min 時(shí)即達(dá)到了10.56%，此后增加速率較為緩慢。而60min 時(shí)常規(guī)方法合成的XCTS 硫含量?jī)H為4.4%且增速平緩，在240 mins 后才較為明顯。超聲波法能夠加快合成XCTS 速度的原因歸結(jié)如下：①超聲波對(duì)反應(yīng)固體物質(zhì)表面存在震蕩、擊碎等機(jī)械作用，能夠加快反應(yīng)介質(zhì)對(duì)反應(yīng)物的滲透，加速反應(yīng)進(jìn)行；②超聲波的熱效應(yīng)能增加分子動(dòng)能、增強(qiáng)CS2的反應(yīng)活性，加快與殼聚糖反應(yīng)；③超聲波的空化作用能引發(fā)反應(yīng)物在反應(yīng)中心的生成，催化促進(jìn)異相合成反應(yīng)。

2.1.2 溫度對(duì)反應(yīng)的影響

因?yàn)槌暡ㄗ饔糜兄聼嵝?yīng)，為考察溫度對(duì)反應(yīng)的影響，以1.2.1 節(jié)的方法，在不同溫度下反應(yīng)60min 合成XCTS，測(cè)定其產(chǎn)率和S 含量，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 溫度對(duì)XCTS 產(chǎn)量及硫含量的影響

從圖3 可以看出，隨著溫度的升高，合成XCTS不論產(chǎn)量還是硫含量都不斷增加，在60℃時(shí)增速變 緩。從20℃到60℃，產(chǎn)量從0.16g 到0.53g，硫含量從2.23%增加到5.12%，說明殼聚糖黃原酸化反應(yīng)是一個(gè)吸熱過程，升溫可增加分子動(dòng)能，增加活性分子，增大反應(yīng)的可能性。溫度對(duì)殼聚糖黃原酸化反應(yīng)有不小的促進(jìn)作用。

2.1.3 CS2用量對(duì)反應(yīng)的影響

按1.2.2 節(jié)的方法，改變CS2的用量，超聲波作用下合成XCTS，然后測(cè)定其產(chǎn)量和S 含量，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 CS2 用量對(duì)XCTS 產(chǎn)量及硫含量的影響

由圖4 可知，反應(yīng)初期殼聚糖過量，可供反應(yīng)的—NH2、—OH 較多，隨著CS2用量的增加，XCTS合成反應(yīng)不斷進(jìn)行，產(chǎn)量不斷增加，但硫含量增加較少，當(dāng)CS2用量進(jìn)一步增加時(shí)，一個(gè)殼聚糖單元內(nèi)的—NH2、—OH 被迫同時(shí)反應(yīng)，所以產(chǎn)物硫含量增加明顯，產(chǎn)量增速放緩，在CS2用量為2.0mL 時(shí)，可供反應(yīng)位點(diǎn)已飽和，反應(yīng)已基本完全。

2.1.4 超聲波功率對(duì)反應(yīng)的影響

按1.2.2 節(jié)的方法，在不同超聲功率下合成XCTS，然后測(cè)定其產(chǎn)率和S 含量，結(jié)果如圖5 所示。

從圖5 可知隨著超聲波功率的增加，合成XCTS的硫含量不斷增大，而產(chǎn)量有一個(gè)先增加后減少的過程，因?yàn)槌暡ㄓ袕?qiáng)大的機(jī)械震蕩作用、熱效應(yīng)和空化作用，在促進(jìn)殼聚糖黃原酸化反應(yīng)的同時(shí)也加劇了殼聚糖的降解作用。綜合產(chǎn)量和硫含量，在150W 時(shí)最佳，此時(shí)產(chǎn)量最大，為1.24g，硫含量為11.56%。

圖5 超聲波功率對(duì)XCTS 產(chǎn)量及硫含量的影響

2.1.5 超聲波作用時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響

按1.2.2 節(jié)的方法，改變超聲波作用時(shí)間，合成XCTS，然后測(cè)定其產(chǎn)率和S 含量，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 超聲波作用時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響

由圖6 可知在超聲波的作用下，隨著時(shí)間的延長，殼聚糖黃原酸化反應(yīng)不斷進(jìn)行，XCTS 產(chǎn)量和硫含量都增加，此時(shí)主要反應(yīng)為XCTS 的合成；當(dāng)時(shí)間進(jìn)一步延長時(shí)，合成反應(yīng)位點(diǎn)減少，超聲波對(duì)殼聚糖的降解加劇，所以產(chǎn)量劇減而產(chǎn)物硫含量仍略有增加，綜合產(chǎn)量和硫含量，超聲波作用60min時(shí)較佳。

2.1.6 堿濃度對(duì)反應(yīng)的影響

按1.2.2 節(jié)的方法，改變堿濃度（NaOH 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)），在超聲波作用下合成XCTS，然后測(cè)定其產(chǎn)率和S 含量，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 堿濃度對(duì)反應(yīng)的影響

稀氫氧化鈉預(yù)處理可以引起殼聚糖明顯潤脹，增加內(nèi)表面積，降低殼聚糖結(jié)晶性，增加反應(yīng)的可 及性，但濃度過高時(shí)會(huì)造成糖苷鍵的斷裂，殼聚糖大量降解，尤其是在超聲波的協(xié)同作用下[12]，如圖7 所示，隨著堿濃度的增大，所合成XCTS 的硫含量不斷增加，在20%時(shí)已基本飽和，但殼聚糖黃原酸化產(chǎn)物的產(chǎn)量卻有一個(gè)先增后減的過程，綜合考慮，堿濃度為15%較好。

2.2 殼聚糖和XCTS 的FT-IR 表征

為研究殼聚糖黃原酸化前后分子結(jié)構(gòu)、基團(tuán)變化，對(duì)殼聚糖和XCTS 分別進(jìn)行了由傅里葉紅外光譜曲線測(cè)分析，其結(jié)果如圖8 所示。

圖8 殼聚糖和XCTS 的紅外圖譜

殼聚糖中的—NH2和—OH 伸縮振動(dòng)峰在3420.61cm-1偶合形成一寬峰，黃原酸化殼聚糖對(duì)應(yīng)峰在3440.25cm-1，位移較大且吸收強(qiáng)度明顯減弱，說明—NH2和—OH 都參與了反應(yīng)。殼聚糖中1600.79cm-1為氨基的吸收峰，而黃原酸化殼聚糖中出現(xiàn)1452.67cm-1強(qiáng)的吸收峰為N—C=S 鍵和氨基的吸收峰重合為強(qiáng)峰[13]。另外，2472.80cm-1為分子中少量的巰基吸收峰[14]。殼聚糖中伯羥基和仲羥基C—O 伸縮振動(dòng)吸收峰分別為1080.51cm-1和1032.47cm-1，而相對(duì)應(yīng)的黃原酸化殼聚糖的吸收峰為1129.88cm-1和1002.19cm-1，波數(shù)變化較大，表明殼聚糖中的伯羥基和仲羥基參與黃原酸化反應(yīng)。結(jié)果表明，黃原酸化主要發(fā)生在殼聚糖的羥基上。另外，分子中C—S 的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰和對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰較弱，被羥基的伸縮振動(dòng)吸收峰覆蓋[15-16]。

2.3 殼聚糖和XCTS 的X 射線衍射分析

為觀察殼聚糖黃原酸化前后結(jié)晶度的變化，對(duì)殼聚糖和黃原酸化殼聚糖進(jìn)行了X 射線衍射分析，結(jié)果如圖9 所示。

從圖9 中可以看出，殼聚糖具有一定的微晶結(jié)構(gòu)，在11.5°處有一個(gè)較弱的衍射峰，在20°左右具有一個(gè)強(qiáng)的衍射峰，而黃原酸化殼聚糖在11.5°處的峰幾乎消失，20°的衍射峰減弱明顯，說明殼聚糖的有序度和晶型結(jié)構(gòu)遭到較大程度的破壞。這是由于殼聚糖中的氨基和羥基被黃原酸化，硫元素增多，氨基和羥基含量降低，分子鏈節(jié)間形成氫鍵 的強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致殼聚糖無序度的增強(qiáng)，結(jié)晶度 下降[17]。

圖9 殼聚糖和XCTS 的XRD 圖

2.4 殼聚糖和XCTS 的掃描電鏡表征

為觀察殼聚糖黃原酸化前后的形貌變化，本實(shí)驗(yàn)對(duì)殼聚糖和XCTS 進(jìn)行了掃描電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖10、圖11 所示。

圖10 殼聚糖的SEM 圖

圖11 XCTS 的SEM 圖

由圖10、圖11 可見，殼聚糖的表面比較光滑、密實(shí)，而黃原酸化殼聚糖表面有大量的空穴、孔洞，呈蜂窩狀。表明黃原酸化后，表明殼聚糖的結(jié)構(gòu)有序度和晶體結(jié)構(gòu)被破壞，表面疏松、多孔，而這種空穴結(jié)構(gòu)的增加能夠提高殼聚糖對(duì)重金屬離子的吸附性能[18]。

2.5 殼聚糖和XCTS 的熱重分析

為了對(duì)比殼聚糖黃原酸化前后的熱穩(wěn)定性，分別對(duì)殼聚糖和XCTS 進(jìn)行熱重分析。實(shí)驗(yàn)采用ZRY-2P 型綜合熱分析儀分析物質(zhì)熱穩(wěn)定性。樣品經(jīng)60℃干燥過夜后，取適量置于氧化鋁質(zhì)坩堝，在空氣氛圍下，在15℃/min 升溫速率下，分別將各試樣從40℃加熱到700℃，獲得樣品TG-DTG 曲線。如圖12、圖13 所示。

從圖12、圖13 可以看出，殼聚糖的起始分解溫度為248℃左右，最大降解速率溫度為305℃；而黃原酸化殼聚糖的起始分解溫度為230℃左右，最大降解速率溫度為265℃。這是由于在—NH2、—OH 上接入了黃原酸基團(tuán)，而黃原酸基團(tuán)容易從主鏈上斷裂，所以殼聚糖經(jīng)黃原酸化后熱穩(wěn)定性降低，黃原酸化殼聚糖的起始分解溫度較原殼聚糖有所 降低[6]。

圖12 殼聚糖的TG-DTG 曲線圖

圖13 XCTS 的TG-DTG 曲線圖

3 結(jié) 論

（1）超聲波法能明顯加快制備黃原酸化殼聚糖的速度，減少反應(yīng)時(shí)間，降低能耗，增加產(chǎn)量的同時(shí)提高產(chǎn)物的硫含量，是一種快速、環(huán)保的制備殼聚糖黃原酸鹽的方法。

（2）紅外光譜曲線顯示，超聲波法黃原酸化反應(yīng)使得殼聚糖分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，出現(xiàn)了C=S 鍵和巰基的吸收峰，在其中引入了黃原酸基團(tuán)；通過XRD 和SEM 觀察對(duì)比可知黃原酸化后，殼聚糖的結(jié)構(gòu)有序度和晶體結(jié)構(gòu)被破壞，表面疏松、多孔；TG 熱重分析可知?dú)ぞ厶欠肿咏Y(jié)構(gòu)中引入黃原酸基團(tuán)后，分子鏈間距離增大，破壞了分子鏈的規(guī)整度和殼聚糖的微晶結(jié)構(gòu)，支鏈增多，導(dǎo)致XCTS熱穩(wěn)定性能略有下降。

（3）超聲波法制備黃原酸化殼聚糖的最佳工藝：殼聚糖與二硫化碳的質(zhì)量體積比為 1∶2（g/mL），超聲波功率為150W，超聲波作用時(shí)間為60min，NaOH 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。

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