“蝦殼基殼聚糖的制備及表征”有機化學(xué)綜合性實驗設(shè)計

宮貴貞*，邱林子

徐州工程學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院（徐州 221018）

有機化學(xué)實驗是食品類、生物類和化學(xué)化工類等相關(guān)專業(yè)非常重要的一門核心必修課程，是更好理解有機化學(xué)理論知識的重要輔助。通過該門課程可以培養(yǎng)學(xué)生的實驗“三基”（基本技能、基本知識、基本能力）[1]和科學(xué)素養(yǎng)。但目前有機化學(xué)實驗項目設(shè)置大多為驗證性、簡單物質(zhì)的合成實驗，缺少對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的表征和性質(zhì)測試[2]，與《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》和教育部在《關(guān)于進一步深化本科教學(xué)改革全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》文件中要求的實驗教學(xué)中應(yīng)增加綜合性和創(chuàng)新性實驗，以提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和獨立研究的能力有差距[3]，同時也難以實現(xiàn)目前要求培養(yǎng)的新工科復(fù)合型人才及將可持續(xù)發(fā)展、環(huán)保等生態(tài)文明理念滲透到實驗教學(xué)之中[4-5]?；诖?，很多高校都對綜合性、創(chuàng)新性實驗內(nèi)容、授課模式進行探究與實踐，以更有效地提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐能力、科研素養(yǎng)和研發(fā)能力[6]，推動學(xué)生知識體系的交叉融合[7]，成為具有較強創(chuàng)新能力和實踐能力，且具有正確的世界觀、人生觀和價值觀的人才。

殼聚糖是天然高分子，生物相容性很好，可以代替化石基高分子，現(xiàn)已被廣泛用于食品、醫(yī)藥等行業(yè)[8-10]。殼聚糖是經(jīng)甲殼素堿解得到，而甲殼素廣泛存在于甲殼類物質(zhì)，故可從廢棄的甲殼類物質(zhì)中提取。一方面，可提高廢物利用，提高環(huán)保；另一方面，可減少化石原料的利用，具有重要的社會價值和經(jīng)濟價值。蝦殼基殼聚糖的制備實驗涵蓋有機化學(xué)合成知識、實驗操作、結(jié)構(gòu)的表征、性能測試等項目，具有多個學(xué)科的交叉與融合。將“蝦殼基殼聚糖的制備及表征”設(shè)計成有機化學(xué)綜合實驗，能夠提高實驗趣味性，有利于強化學(xué)生綜合實驗?zāi)芰?、?chuàng)新能力、分析問題和解決問題能力，還可使其樹立正確的生態(tài)價值觀。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

氫氧化鈉、鹽酸、雙氧水、冰醋酸、亞硫酸氫鈉、乙酸鈉及溴化鉀，均為分析純；蝦殼，市售冰凍蝦的殼。

1.2 儀器與設(shè)備

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）、DZF-6020真空干燥箱（上海賀德實驗設(shè)備有限公司）、SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵（山東省菏澤市祥龍電子科技有限公司）、JM-A10002電子天平（上海方瑞儀器有限公司）、ALPHA傅里葉紅外光譜儀（德國布魯克）、Q20差示掃描量熱儀（美國TA公司）、Q50熱重分析儀（美國TA 公司）。

1.3 試驗內(nèi)容

主要內(nèi)容包括蝦殼的預(yù)處理、甲殼素的提取及殼聚糖的制備，經(jīng)過蝦殼洗滌、粉碎、過篩、稀酸、稀堿反應(yīng)、脫色及與濃堿反應(yīng)等一系列步驟得到殼聚糖，如圖1所示。涉及有機化學(xué)理論知識、實驗基本操作知識、大型儀器操作技能、譜圖解析等。

1.3.1 原料預(yù)處理

選取冰凍蝦，剝其殼，去除蝦尾及蝦足，留其背部殼，然后清洗至基本無泡沫，瀝干水分，于真空干燥箱80 ℃干燥4 h，研磨過20目分樣篩得蝦殼粉，裝袋密封，備用。

1.3.2 甲殼素的制備

稱取7 g蝦殼粉，用90 mL 4%的鹽酸溶液，浸泡一定時間。過濾酸液，蒸餾水水洗至中性。用200 mL 10%的氫氧化鈉溶液于90～100 ℃下攪拌2 h，過濾堿液，蒸餾水水洗至中性。80 ℃真空干燥得甲殼素粗品。甲殼素粗品先用5%雙氧水室溫浸泡1 h，抽濾，蒸餾水水洗除去雙氧水至中性。再用5%亞硫酸氫鈉溶液室溫浸泡1 h，抽濾，蒸餾水水洗至中性，80 ℃真空干燥得白色或淺灰色半透明的片狀固體甲殼素。

1.3.3 殼聚糖的制備

取0.3 g上述所制甲殼素，用40%氫氧化鈉溶液進行處理，堿煮溫度為90～100 ℃，堿煮時間分別為1，2，3，4和5 h。過濾，水洗至中性，于真空干燥箱中干燥得殼聚糖。

圖1 試驗流程圖

1.4 分析及檢測方法

1.4.1 甲殼素灰分含量的測定

采用劉俊[11]灰分含量的測定方法。用洗凈并在550 ℃高溫下灼燒0.5 h，在干燥箱冷至室溫的瓷坩堝稱取一定量的甲殼素樣品，準確至0.000 2 g。先在普通電爐中烤至炭化，然后在馬弗爐中于550 ℃下灼燒3 h，取出，在空氣中冷卻1 min，再在干燥器中冷卻30 min，稱質(zhì)量，然后再放入電爐中灼燒1 h，冷卻，稱質(zhì)量，直至兩次質(zhì)量之差小于0.001 g為恒質(zhì)量?；曳趾堪词剑?）計算。

式中：W0為已恒質(zhì)量的空坩堝質(zhì)量，g；W1為坩堝加樣品的質(zhì)量，g；W2為灰化后坩堝加灰分的質(zhì)量，g。

1.4.2 殼聚糖脫乙酰度的測定

采用孫琳等[12]的紅外光譜法測定殼聚糖的脫N-乙酰基度。將制備的殼聚糖樣品在80 ℃下真空干燥2 h后，稱取適量殼聚糖樣品與干燥的KBr充分研磨混勻，用壓片機壓片，置于傅里葉變換紅外光譜儀中，掃描次數(shù)為64次，分辨率為4 cm-1，記錄4 000～400 cm-1范圍內(nèi)的光譜。

式中：DD為脫乙酰度；A為吸光度。

1.4.3 殼聚糖黏均分子量的測定

按照文獻[13]的方法進行測定。所有標準液體均應(yīng)經(jīng)純化。使用烏氏黏度計測分子量時，務(wù)必先檢查再嚴格洗凈。測量時，水浴溫度必須恒溫在30 ℃（波動小于0.05 ℃）。

1.4.4 殼聚糖的熱重分析（TG）

將殼聚糖樣品在真空干燥箱中60 ℃下干燥2 h，采用Q50 TGA熱重分析儀，升溫速率為20 ℃/min，溫度范圍為30～800 ℃，高純氮氣為保護氣。

1.4.5 殼聚糖的差示掃描量熱（DSC）法

將殼聚糖樣品在真空干燥箱中60 ℃下干燥2 h，采用Q20 DSC儀器，升溫速率為30 ℃/min，溫度范圍為40～500 ℃，高純氮氣為保護氣。

2 結(jié)果與討論

2.1 提取甲殼素工藝的選擇

稀鹽酸脫鈣采用一次（反應(yīng)4 h）和兩次（先用鹽酸反應(yīng)一段時間，傾去酸液，再進行第二次反應(yīng)，具體分為1/3，2/2和3/1 h）的工藝。所得甲殼素灰分如圖2所示。采用二次反應(yīng)的方式所得甲殼素灰分含量均低于一次反應(yīng)，其中1/3 h的兩次酸浸脫鈣時間為制備甲殼素灰分含量最少的組別，說明用二次酸浸脫鈣法比用一次酸浸脫鈣法能更有效去除無機組分。

圖2 反應(yīng)時間對甲殼素灰分的影響

2.2 堿煮時間對殼聚糖的影響

由圖3可以看出，隨著濃堿煮時間的增加，脫乙酰度也在增加，當(dāng)濃堿煮時間為4 h時，脫乙酰度達87.2%；超4 h以后，增加趨勢放緩。堿煮時間對殼聚糖的收率影響并不大。綜合考慮節(jié)約能源和時間因素，堿煮時間選為4 h，可獲得較高的脫乙酰度和收率。

2.3 殼聚糖FTIR分析

不同堿煮時間所得殼聚糖的FTIR見圖4，峰歸屬見表1。由圖4可看出，3 424 cm-1左右的吸收峰為—OH伸縮振動特征峰，吸收強度隨堿煮時間的延長向低波數(shù)移動，處理2 h時移動最明顯，為6 cm-1，這說明分子間氫鍵減弱。1 638 cm-1左右的酰胺I譜帶隨堿煮時間的延長而減弱，說明酰胺基含量減少。

圖3 堿煮時間與脫乙酰度及收率的關(guān)系

表1 殼聚糖FTIR譜帶歸屬

2.4 殼聚糖的黏均分子量

計算各溶液對應(yīng)的相對黏度（ηr=T/T0）、增比黏度（ηsp=ηr-1）和比濃黏度（η=ηsp/C），并以5個比濃黏度作圖，可得一條直線，將此直線外推，求得截距，此截距為特性黏度[η]。黏均分子量參照文獻[14]進行計算：[η]=1.81×10-3M0.93，即可求得殼聚糖的黏均分子量，具體結(jié)果見圖5。隨著時間的延長，黏均分子量增加，反應(yīng)4 h所得殼聚糖的黏均分子量為9.18×10-5，達到最大；5 h時，降為8.5×10-5。

2.5 殼聚糖的TG分析

圖6是脫乙酰度為87.2%和85.9%兩個樣品的熱失重圖。其熱分解過程分為三個部分：30～268 ℃之間，268～420 ℃之間以及420 ℃之后，主要熱分解發(fā)生在268～420 ℃之間，這與文獻[15-17]報道是一致的。樣品在260 ℃之前，都有一個輕微的失重，這是因為試樣中存在少量的小分子物質(zhì)吸附水的熱解析和對空間水的先脫除，而樣品主要的質(zhì)量未損失，證明在此溫度前，殼聚糖性質(zhì)較穩(wěn)定。而所有樣品在400℃之后，熱分解逐漸趨于平穩(wěn)，性質(zhì)也比較穩(wěn)定。

圖5 不同堿煮時間所得殼聚糖的黏均分子量

圖6 不同脫乙酰度殼聚糖的TG圖

2.6 殼聚糖的DSC分析

不同脫乙酰度殼聚糖的DSC譜圖如圖7所示。熱解過程在124 ℃出現(xiàn)一個吸熱峰，可能是形成的一些小分子揮發(fā)性物質(zhì)所引起的；在325 ℃左右出現(xiàn)一個巨大的、尖銳的放熱峰，可能是殼聚糖劇烈分解、氧化、熱交聯(lián)等反應(yīng)放熱所致。

圖7 不同脫乙酰度殼聚糖的DSC圖

3 結(jié)論

從蝦殼制備殼聚糖，二次1/3 h脫鈣反應(yīng)所得甲殼素灰分含量較低；堿煮4 h，所得殼聚糖脫乙酰度和收率較高，黏均分子量達到最大，為9.18×10-5；不同脫乙酰度的殼聚糖其熱穩(wěn)定性有所差異。蝦殼制備殼聚糖的綜合實驗，實現(xiàn)了有機化學(xué)理論教學(xué)、實驗操作教學(xué)、文獻調(diào)研和儀器分析等多學(xué)科交叉的有機結(jié)合。學(xué)生通過查閱文獻了解課題進展、儀器使用等知識內(nèi)容，以設(shè)計出合理的實驗方案。通過實驗過程、儀器操作、數(shù)據(jù)處理、譜圖解析等，學(xué)生可感知科學(xué)的趣味性、嚴謹性和準確性。通過該綜合實驗的教學(xué)訓(xùn)練，學(xué)生的實驗動手能力、分析解決問題能力、創(chuàng)新意識和思維有所提高，有助培養(yǎng)成具有良好科學(xué)素養(yǎng)的“厚基礎(chǔ)、善實踐、能創(chuàng)新、高素質(zhì)”的新工科復(fù)合型創(chuàng)新人才。