超声辐射甲壳素制备壳聚糖研究

吴嫦秋，江 燕，林秀秀，陈胜城

（1.广东省城市建设技师学院，广东广州 510000；2.广东省食品工业研究有限公司，广东广州 510420）

1 实验试剂及仪器

甲壳素，自制；氢氧化钠、异丙醇，分析纯，天津市百世化工有限公司；浓盐酸，分析纯，广州化学试剂厂；电子天平，上海天平仪器厂；电热套，粉碎机，上海予华仪器有限公司；超声波发生仪，电热真空干燥箱，上海实验仪器厂有限公司；容量瓶，150℃量程温度计，冷凝管，三口烧瓶，锥形瓶，移液管，济南天和化学试剂有限公司

2 实验方法

2.1 溶液配制

浓度为40%的氢氧化钠溶液

配制：准确称取固体氢氧化钠80g，加蒸馏水120mL，搅拌溶解即可得浓度为40%的氢氧化钠溶液，再加上20mL 异丙醇搅拌均匀待用。

2.2 壳聚糖的制备

将配制好的氢氧化钠溶液倒入烧瓶，然后称6g粉状甲壳素加入盛有氢氧化钠的烧瓶中，冷凝管接好冷却水，开启电加热套进行加热。液体沸腾后，开始计时，反应3h 后，转入超声波发生器保温处理1h。反应完毕，取出固体物用水洗涤至中性，放入120℃烘箱中干燥40min，即为制备的产物。

2.3 脱乙酰制备壳聚糖的原理

2.4 脱乙酰度分析方法

甲壳素在脱乙酰反应时，伴随着分子主链的降解反应，使分子量降低。而分子量大小和游离氨基含量反映壳聚糖性能的两个重要指标。一般用脱乙酰度来反映游离胺基含量，用黏度来衡量分子量大小，本论文只测定脱乙酰度（DD）指标。壳聚糖脱乙酰度的高低，直接关系到它在稀酸中的溶解能力、黏度、离子交换能力，絮凝性能和与氨基有关的化学反应能力，以及许多方面的应用。脱乙酰度的测定方法较多，本实验用酸碱滴定法。原理是壳聚糖的自由氨基呈碱性可与酸定量地发生质子化反应，由滴定用酸量，可计算出壳聚糖中自由氨基的含量。它与壳聚糖原料（甲壳素）的氨基含量（理论含量）之比，即为脱乙酰度值[1]。

理论氨基含量=16/161×100%=9.94%

壳聚糖的氨基含量

X=（C1V1-C2V2）·0.016/（G-GW）·100%

C1和C2：盐酸及氢氧化钠标准溶液的浓度（mol/L）；

V1：加入的盐酸标准溶液的体积（mL）；

V2：滴定耗用的氢氧化钠标准溶液的体积（mL）；

G：样品重量g；

w：样品的含水量（%）。

0.016 是与1mol/L 盐酸标准溶液相当的氨基量（g）。

脱乙酰度：D.D=X/0.0994·100%

3 结果与讨论

3.1 氢氧化钠浓度对脱乙酰度影响

实验控制其他条件不变（表1），考察氢氧化钠的浓度对脱乙酰度的影响，壳聚糖的脱乙酰度在氢氧化钠溶液浓度大于30%时迅速提高，而在大于40%时上升趋势趋于平缓。在本实验中氢氧化钠是作为亲核试剂进攻甲壳素中乙酰氨基并使之水解为氨基而存在的，所以氢氧化钠溶液浓度过低不利于壳聚糖乙酰基的脱除，而在氢氧化钠溶液浓度大于40%时壳聚糖乙酰基的脱除并没有明显提高。因此，从节约及脱乙酰度的角度来分析，壳聚糖制备时，氢氧化钠溶液的浓度应控制在40%～50%。

表1 氢氧化钠浓度对脱乙酰度影响

图1 氢氧化钠浓度对脱乙酰度影响

3.2 氢氧化钠与有机相配比对脱乙酰度的影响

实验控制其他条件不变（表2），考察有相配比对脱乙酰度的影响，由图2可知，壳聚糖的脱乙酰度在有机相配比为10%时迅速提高，而在大于20%时上升趋势明显趋于平缓。有机相配比过低不利于壳聚糖乙酰基的脱除与分离，而在有机相配比大于20%时壳聚糖乙酰基的脱除并没有明显提高而是趋于平缓。因此，从节约及脱乙酰度的角度来分析，壳聚糖制备时，有机相的配比应控制在20%～25%。

表2 氢氧化钠与有机相配比对脱乙酰度的影响

图2 氢氧化钠与有机相配比对脱乙酰度的影响

3.3 温度对脱乙酰度的影响

实验控制其他条件不变（表3），考察温度比对脱乙酰度的影响，由图3可知，壳聚糖的脱乙酰度随着温度的提高而有所提高，特别是在温度在80℃以上的时候，上升趋势明显而在温度大于120℃时上升趋势趋于平缓。温度过低不利于壳聚糖乙酰基的脱除，而在温度大于120℃时壳聚糖乙酰基的脱除并没有明显的提高而是趋于平缓。壳聚糖制备时，温度高相对的设备要求也高。因此，从节约能源及脱乙酰度和设备要求的角度来分析，壳聚糖制备时温度应控制在120～130℃。

表3 温度对脱乙酰度的影响

图3 温度对脱乙酰度的影响

3.4 在超声波中的反应时间对脱乙酰度的影响

实验控制其他条件不变，考察超声波中的反应时间对脱乙酰度的影响，由图4可知，随着在超声波中的反应时间的延长，所得的壳聚糖的脱乙酰度也随之增加，在1h 前，其增值近似线形递增，反应超过1h的时候，脱乙酰度随时间的延长而变化不大上升趋势趋于平缓。因此，从节约能源及脱乙酰度和设备要求的角度来分析，壳聚糖制备时，其在超声波中的反应时间应控制在1.0～1.5h。

图4 在超声波中的反应时间对脱乙酰度的影响

3.5 超声波的频率对壳聚糖脱乙酰度的影响

实验控制其他条件不变，考察超声波的频率对脱乙酰度的影响，由图5可知，随着超声波频率的增大，所得的壳聚糖的脱乙酰度也随着增大，当超声波的频率为110kHz 时，甲壳素单体之间得到了充分反应，脱乙酰度达到最值，在100kHz 前，随着超声波频率的增加脱乙酰度的增值明显增加，在100～110kHz 时，其增值接近线性递增，当超声波频率超过了110kHz时，脱乙酰度随着超声波频率的增大变化不大而且有微降趋势。因此，反应时超声波的频率应不小于110kHz，应控制超声波频率在100～110kHz。

图5 超声波的频率对壳聚糖脱乙酰度的影响

3.6 甲壳素脱乙酰基制备的壳聚糖红外光谱分析

图6为甲壳素的红外吸收特征，吸收谱带的归属为：3 500～3 260cm-1处宽峰为γ（O-H）+γ（N-H），2930～2892cm-1处的一组为γ（C-H），1665cm-1左右的峰为γ（C=O），1559cm-1处的峰为γ（N-H），1419cm-1，1379cm-1处的峰为γ（CH2）+γ（CH3），1159cm-1左右的峰为γ（C-O-C），1074cm-1和1029cm-1处的峰为γ（C-O）。与图6比较，图7中1559cm-1处的峰位移至1 598cm-1，说明甲壳素脱去了乙酰基。

图6 未脱乙酰基的壳聚糖

图7 脱乙酰度91.7%的壳聚糖

4 结论

1）用6.0g 甲壳素与氢氧化钠进行脱乙酰反应，以脱乙酰度为指标时，最优化条件是氢氧化钠溶液的浓度为40%～50%、有机相的配比为20%～25%、反应温度为120～130℃、在超声波中的反应时间为1.0～1.5h、超声波的频率为100～110kHz。

2）对脱乙酰度来说，反应时氧化钠溶液的浓度和反应温度是主要的影响因素，超声波的频率是次要的影响因素，然后是有机相的配比，影响最小的是反应的时间。

3）超声波辐射，提高了化学合成的反应速率，从而缩短了反应时间；但是超声波的频率不同，对化学反应速率有很大的影响。在频率为100～110kHz 时，壳聚糖的脱乙酰度是最高的。