羧甲基甲殼素的制備工藝研究

孫達(dá)鋒，朱昌玲，丁振中

(1.南京野生植物綜合利用研究院，江蘇 南京 210042；2.揚(yáng)州日興生物科技股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225600)

羧甲基甲殼素的制備工藝研究

孫達(dá)鋒1，朱昌玲1，丁振中2

(1.南京野生植物綜合利用研究院，江蘇 南京 210042；2.揚(yáng)州日興生物科技股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225600)

采用一步法將甲殼素進(jìn)行堿化，在堿性環(huán)境下與氯乙酸反應(yīng)進(jìn)行羧甲基結(jié)構(gòu)修飾，制備出水溶性的羧甲基甲殼素。對制備中的主要影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：當(dāng)堿液濃度為45%、堿化時(shí)間為12 h、甲殼素與氯乙酸的摩爾比為1∶3.5、反應(yīng)時(shí)間為8 h、體系中含水量為30%時(shí)，產(chǎn)品取代度，產(chǎn)品得率為99.04%。

甲殼素；羧甲基化；制備工藝

甲殼素(Chitin)又名甲殼質(zhì)、幾丁質(zhì)，廣泛存在于蝦、蟹及昆蟲的甲殼以及真菌、植物細(xì)胞壁中。地球上存在的天然有機(jī)化合物中，數(shù)量最大的是纖維素，其次就是甲殼素，估計(jì)自然界每年生物合成的甲殼素將近100億噸；甲殼素亦是地球上除蛋白質(zhì)外數(shù)量最大的含氮天然有機(jī)化合物。僅此兩點(diǎn)，就足以說明甲殼素的重要地位。但甲殼素高度難溶解的性質(zhì)，極大地限制了它的應(yīng)用，所以必須開發(fā)其水溶性產(chǎn)品擴(kuò)大其應(yīng)用范圍[1]。在其分子上引入羧甲基團(tuán)，這種水溶性甲殼素衍生物具有許多優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于食品、化妝品、保鮮、醫(yī)藥等方面[2-7]。當(dāng)前，大多數(shù)研究報(bào)道都是先將甲殼素脫乙酰制成殼聚糖后，再進(jìn)行羧甲基化反應(yīng)，羧甲基甲殼素(CM-CH)的研制，具有簡化生產(chǎn)工藝、降低生產(chǎn)成本等優(yōu)勢。本文中，通過控制羧甲基甲殼素的得率，制備了性能優(yōu)良的產(chǎn)品，并優(yōu)化出了最佳反應(yīng)條件。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甲殼素：由揚(yáng)州日興生物科技股份有限公司提供，粉碎過30目篩備用；

試劑：氫氧化鈉、氯乙酸、冰乙酸、95%乙醇均為分析純；

儀器：HH-2數(shù)顯恒溫水浴器(金壇市江南儀器廠)；JJ-1大功率攪拌器(常州國華電器有限公司)；20PR-52D離心機(jī)(日立工機(jī)株式會社)；SHB-Ⅲ水環(huán)式真空泵(鄭州長城科工貿(mào)有限公司)；ZK-82A真空干燥箱(上海市實(shí)驗(yàn)儀器總廠)；DFY-400高速粉碎機(jī)(溫嶺市林大機(jī)械有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 羧甲基甲殼素的制備方法

稱取10 g甲殼素，加入一定濃度的NaOH水溶液，再加入乙醇作為分散劑，攪拌狀態(tài)下常溫堿化；稱取一定量的氯乙酸溶于乙醇中，緩慢加入反應(yīng)釜中，65 ℃下進(jìn)行反應(yīng)；待反應(yīng)結(jié)束后加入一定量蒸餾水?dāng)噭?，冷卻至室溫，用冰乙酸調(diào)節(jié)pH值至7，離心去除雜質(zhì)；在攪拌條件下將上清液緩慢加入95%乙醇中，有大量絮狀沉淀產(chǎn)生，靜置2 h，抽濾得濾餅，再用無水乙醇洗滌，60 ℃真空干燥，粉碎得羧甲基甲殼素產(chǎn)品。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿化時(shí)堿濃度對產(chǎn)品得率的影響

甲殼素是長鏈型高分子化合物，由于分子間存在強(qiáng)氫鍵作用，這種分子結(jié)構(gòu)有利于晶態(tài)形成，使大分子間存在著有序結(jié)構(gòu)，其鏈的規(guī)整性大并具有剛性，其分子間的氫鍵作用比纖維素中更強(qiáng)。甲殼素的堿化就是加入一定濃度的堿溶液，通過甲殼素的吸堿、擴(kuò)散，生成堿化甲殼質(zhì)的操作。在堿化過程中，由于甲殼質(zhì)的膨化，打開了結(jié)晶區(qū)域中的擴(kuò)散通道，活化了它的反應(yīng)性能[1，5]。

在固定氯乙酸為10 g、堿化時(shí)間8 h、反應(yīng)溫度65 ℃、反應(yīng)時(shí)間4 h下，將堿液濃度分別設(shè)為30%、35%、40%、45%、50%進(jìn)行試驗(yàn)，堿化時(shí)堿濃度對產(chǎn)品得率的影響見表1。

從表1中可以看出，堿液濃度在35%以下時(shí)未發(fā)生羧化反應(yīng)，隨著堿濃度的提高產(chǎn)物得率提高，但濃度加大到45%后得率提高較少，綜合考慮選擇堿化濃度45%為宜。

從本試驗(yàn)可以看出，堿的濃度直接影響甲殼素的膨化，相對于殼聚糖的羧化反應(yīng)，甲殼素堿化時(shí)需提高堿液濃度。另外，在本反應(yīng)中，由于NaOH和氯乙酸間的反應(yīng)是一個(gè)放熱過程，如果將氯乙酸一次全部加入，反應(yīng)溫度大幅度升高而難以控制，就會發(fā)生強(qiáng)烈的副反應(yīng)，從而降低了氯乙酸的利用率，因此氯乙酸采用分次或緩慢加入的方法，有效的提高反應(yīng)效率。

表1 堿化時(shí)堿濃度對產(chǎn)品得率的影響

2.2 堿化時(shí)間對產(chǎn)品得率的影響

在固定氯乙酸10 g、堿液濃度45%、反應(yīng)溫度65 ℃、反應(yīng)時(shí)間4 h下，將堿化時(shí)間分別設(shè)為4、8、12、16、20 h，堿化時(shí)間對產(chǎn)品得率的影響見表2。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著堿化時(shí)間的增加得率提高，但當(dāng)堿化時(shí)間增加到12 h后得率遞增不明顯，所以選擇堿化時(shí)間為12 h為宜。

表2 堿化時(shí)間對產(chǎn)品得率的影響

2.3 甲殼素與氯乙酸的不同摩爾比對產(chǎn)品得率的影響

在固定堿液濃度45%、堿化時(shí)間12 h、反應(yīng)溫度65 ℃、反應(yīng)時(shí)間4 h下，將甲殼素與氯乙酸摩爾比分別設(shè)為1∶2.0、1∶2.5、1∶3.0、1∶3.5、1∶4.0進(jìn)行試驗(yàn)。

由表3可知，隨著甲殼素與氯乙酸摩爾比的增加，所得產(chǎn)品得率不斷增加，但當(dāng)摩爾比增加到1∶3.5后得率提高較少，因此甲殼素與氯乙酸的最佳摩爾比定為 1∶3.5。這是因?yàn)殡S著氯乙酸質(zhì)量濃度的增大，甲殼素分子中的—OH與氯乙酸碰撞幾率增加，導(dǎo)致羧甲基化反應(yīng)的增加。

表3 甲殼素與氯乙酸摩爾比對產(chǎn)品得率的影響

2.4 反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)品得率的影響

在固定堿液濃度45%、甲殼素與氯乙酸的摩爾比為1∶3.5、反應(yīng)溫度65 ℃、堿化時(shí)間12 h下，將反應(yīng)時(shí)間分別設(shè)為2、4、6、8、10 h，反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)品得率的影響結(jié)果見表4。

表4 反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)品得率的影響

從表中可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加得率提高，但8 h后得率增長趨于緩和，考慮生產(chǎn)成本等因素，所以選擇反應(yīng)時(shí)間8 h為宜。

2.5 反應(yīng)體系中含水量對產(chǎn)品得率的影響

固定在甲殼素與氯乙酸的摩爾比為1∶3.5、堿液濃度45%、堿化時(shí)間12 h、反應(yīng)溫度65 ℃、反應(yīng)時(shí)間8 h下，將反應(yīng)體系含水量分別配置成10%、20%、30%、40%、50%，反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)品得率的影響結(jié)果見表5。

表5 反應(yīng)體系中含水量對產(chǎn)品得率的影響

從表5可知，隨著體系中含水量的增加得率提高，但含水量超過30%后得率又降低了，所以選擇體系中含水量為30%較好。 這是由于體系中含水量太少，不利于反應(yīng)的進(jìn)行，但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，如果體系中水分含量過高，一部分先生成的產(chǎn)物就會溶解于水中，隨著粘度的增加，對進(jìn)一步傳質(zhì)、羧化反應(yīng)進(jìn)行帶來極大的困難，使反應(yīng)不能完成，因此應(yīng)盡可能避免此種情況。體系中的水分主要來自NaOH和乙醇溶液，當(dāng)堿液濃度和體積不同時(shí)，所添加的乙醇濃度也要進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié) 論

對羧化反應(yīng)中的堿濃度、堿化時(shí)間、甲殼素與氯乙酸的摩爾比、反應(yīng)時(shí)間、體系中水含量五個(gè)主要因素進(jìn)行研究，優(yōu)化反應(yīng)條件為：堿液濃度為45%、堿化時(shí)間為12 h、甲殼素與氯乙酸的摩爾比為1∶3.5、反應(yīng)時(shí)間為8 h、體系中含水量為30%，反應(yīng)產(chǎn)品得率為99.04%。

[1] 蔣挺大.殼聚糖[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2] 常菁，劉萬順，韓寶芹，等.羧甲基殼聚糖和羧甲基甲殼素的生物學(xué)性質(zhì)研究和比較[J].功能材料，2007(38)：1839-1842.

[3] 陳魯生.O-羧甲基甲殼素制備條件的研究[J].化學(xué)研究與應(yīng)用，1999(5)：504-506.

[4] 章朝暉，黃平.甲殼素衍生物的制備工藝[J].廣西化工，2000(3)：20-24.

[5] 張秋華，駱贊椿，蔡水洪.水溶性羧甲基甲殼素的制備[J].精細(xì)化工，1994(4)：36-39.

[6] 于海峰，潘明旺，李佐邦.羧甲基甲殼素與殼聚糖的合成及其性能研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(3)：22-25.

[7] 高洸，吳朝霞.羧甲基甲殼素的結(jié)構(gòu)與性能研究[J].高分子材料科學(xué)與工程，2004(3)：107-110.

Study on the Preparation of Carboxymethyl Chitin

Sun Dafeng1，Zhu Changling1，Ding Zhenzhong2

(1.Nanjing Institute for Comprehensive Utilization of Wild Plants，Nanjing 210042，China；2.Yangzhou Rixing Biotech Co.，Ltd.，Yangzhou 225600，China)

Chitin was alkalified by one-step method，carboxymethyl structural modificated with chloroacetic acid in alkaline to prepare water-soluble carboxymethyl chitin.The main influence factors for preparation were studied.The results showed that when the concentration of alkali was 45%，the reaction time was 12 h，mole ratio of chitin to chloroacetic acid was 1∶3.5，the reaction time was 8 h，system water content was 30%，the optimal product yield reached 99.04%.

chitin；carboxymethylated；preparation technology

10.3969/j.issn.1006-9690.2017.02.020

2016-09-13

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金項(xiàng)目(BY2014019)。

孫達(dá)鋒(1977—),男，副研究員，研究方向：天然產(chǎn)物。E-mail：sdafeng@163.com

TS201.1

A

1006-9690(2017)02-0082-03