【作者】李向東1, 2 , 謝　宇23, 魏　婭2 , 胡金剛2 ,史少欣2(1.周口師范學院,河南周口466000; 2. 南昌航空大學,江西南昌330063)
【摘要】以高脫乙酰度殼聚糖為原料,在乙酸水溶液2乙醇2吡啶介質中,實現了殼聚糖的N位均相乙酰化反應,制備了具有良好水溶性的殼聚糖.研究了乙酰酐用量、反應時間、反應溫度、溶劑對殼聚糖脫乙酰度的影響.結果表明,在乙酰酐用量與殼聚糖的摩爾比為2. 0、溫度40℃、反應時間3 h、溶劑為乙醇、攪拌速度適中時產物的脫乙酰度為52. 9%.同時對水溶性殼聚糖進行了紅外光譜測定,結果顯示52.9%脫乙酰度的殼聚糖與90%脫乙酰度的殼聚糖在分子結構上沒有什么不同,52.9%脫乙酰度殼聚糖水溶性的提高是由于部分脫乙酰化對晶體的破壞作用造成的.
【關鍵詞】水溶性殼聚糖;乙酰化;脫乙酰度

0　前言  水溶性殼聚糖的制備及脫乙酰度的測定
     殼聚糖為自然界中**的堿性多糖,近年來引起了人們廣泛的研究興趣.殼聚糖及其衍生物有著廣泛的用途,在紡織、造紙、醫藥、食品、化工、生物、化妝品及水處理等領域都具有較高的生產價值和實用意義,但殼聚糖只能溶于酸或者酸性水溶液中,而不能直接溶于水,這在很大程度上限制了其應用[1] .因此改變殼聚糖的溶解性能尤其重要.研究發現,甲殼素在均相條件下發生乙酰化反應,當脫乙酰度為50%左右時,產物具有良好的水溶性.但如果反應在非均相的條件下進行,即使得到50%脫乙酰度的產物也不溶于水[2 ].化學結構分析結果表明,脫乙酰度為50%左右的水溶性殼聚糖分子鏈中乙酰氨基和氨基呈無規則分布,破壞了分子的有序性,從而使產物具有水溶性[3] . 水溶性殼聚糖不但提高了殼聚糖的溶解性能,而且能溶于堿性條件,使得改性反應可在堿性條件下進行[ 4],從而進一步擴大了其研究與應用的范圍.雖然均相脫乙酰化反應可制備水溶性殼聚糖,但反應需在濃堿中進行,后期脫鹽時需大量的溶劑,難于進行工業化大生產.將高度脫乙酰度的殼聚糖在均相介質中進行乙酰化反應,當乙酰化度在50%左右時,同樣可獲得具有優良溶解性能的水溶性產物[5],并且方法工藝簡單,成本較低.為此,本研究在乙酸水溶液2乙醇2吡啶介質中,用乙酸酐對高脫乙酰度殼聚糖進行了均相乙酰化反應,得到了水溶性產物,并進行紅外表征.
1　材料與方法
1. 1　實驗材料
      殼聚糖(市售工業品,脫乙酰度90%),氫氧化鈉(上海振昌精細化學品廠) ,乙酸酐(臺山化工廠) ,鹽酸(上海振興化工二廠),乙醚(上海實驗試劑有限公司),冰醋酸(上海振欣試劑廠) ,甲基橙(上海三愛思試劑有限公司) ,甲醇(上海振興化工一廠),無水乙醇(上海振興化工一廠),吡啶(汕頭市西隴化工廠),以上試劑均為分析純.Nicolet傅立葉紅外光譜儀(美國Thermo),HH—4型超級恒溫水浴(國華電器有限公司),CP225D型電子天平( Sartorious) , 85—1型恒溫電磁攪拌器(國華電器有限公司) ,101—2型干燥箱(上海市實驗儀器總廠),DZF—6050型真空干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司) , SHSL型調溫電熱套(上海樹立儀器有限公司) , SHZ—C型真空泵(鞏義市予華儀器有限公司),KQ3200DB型數控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司) ,TD24—WS型臺式低速自動平衡離心機(長沙湘智離心機儀器有限公司),酸堿滴定管(天津玻璃儀器廠).
1. 2　實驗方法
1. 2. 1　水溶性殼聚糖的制備
      研究乙酰酐用量、反應時間、反應溫度、溶劑對水溶性殼聚糖的影響.取1 g 90%脫乙酰度的殼聚糖溶于25 mL 水(含有0. 7 mL乙酸)中,室溫攪拌,使殼聚糖完全溶解成清澈的溶液.在不斷攪拌的情況下,將8 mL吡啶和1. 2mL乙酸酐先后加到25mL乙醇,用玻璃棒攪拌混合均勻,逐滴加入上述溶液中,控制滴加速度,保持溶液清亮,在不斷攪拌和40 ℃條件下反應3h.反應完畢后,向溶液中加入200mL氫氧化鉀-乙醇溶液,這時有白色沉淀物析出,將溶液離心后棄去上清液,用一定量的水將沉淀物溶解,離心后棄去不溶物,繼續向溶液中加入100mL乙醇,這時又有白色沉淀物析出,將溶液離心后棄去上清液,用乙醇洗滌3次,在烘箱中80℃烘干即可.
1. 2. 2　脫乙酰度的測定[ 6 ]
      準確稱取0. 25 g殼聚糖,置于250 mL錐形瓶中,加入20 mL 0. 1mol/LHC1標準溶液,在室溫條件下攪拌溶解完全(可加適量蒸餾水稀釋) ,加入(1%)甲基橙+ ( 1%)苯胺藍1∶2混合指示劑,用0. 1 mol/L NaOH 標準溶液滴定過量的鹽酸.試液從紫紅色變成藍綠色為滴定終點,到達終點時會有少量懸浮物,每個樣品要各測3次,另取一份樣品置于105℃恒溫干燥箱內烘干恒重,測定水分. 經初步測試, 殼聚糖的脫乙酰度為52. 9% ,室溫下干燥產品,水分為37. 93%.
1. 2. 3　紅外光譜表征
     取原料和合成產品,研磨成粉末,將樣品與KBr粉末壓片,采用傅立葉變換紅外光譜儀測定,比較高脫乙酰度殼聚糖與水溶性殼聚糖紅外圖譜的差別.
2　結果與討論
2. 1　均相條件的控制
     由于殼聚糖只能溶于稀酸,而乙酸酐又不溶于稀酸,所以要使二者在均相條件下發生反應,必須使它們溶于同一溶劑中.可將二者溶于乙醇-乙酸酐的混合溶液中,并加入少量吡啶以增加其溶解性,使之獲得均相.依據其原理,本實驗中對均相條件的探索主要見表1.

     在整個實驗過程中,理想的均相反應條件是實驗成功的關鍵,由于殼聚糖在乙酸中的溶液非常粘稠,以致于可以將磁力攪拌子粘結住不能旋轉.而殼聚糖的乙酰化反應是非常迅速的,幾乎是在瞬間完成的,并達到反應平衡.因此在加入乙酸酐時容易造成局部劇烈反應,產生絮狀沉淀,從而使整個反應不能在均相條件下進行.加入吡啶的目的是為了得到更好的均相條件,但是,即使是小心的逐滴加,殼聚糖的乙酸溶液中,仍然會產生白色沉淀.通過實驗發現將吡啶、乙酸酐先溶解于乙醇溶液中,再加入反應容器中與殼聚糖反應,能夠得到理想的效果.這樣做不僅防止了局部劇烈反應引起凝膠產生,同時乙醇又稀釋了乙酸酐的濃度,降低了反應速度.
     在控制均相的探索中,還發現增加水的用量對于改善均相條件也是非常有效的,但乙酸溶液用量越多,在反應完畢后用乙醇沉淀離析也就越來越難,當用量超過50mL,用于沉淀的乙醇已高達400mL,甚至得不到沉淀,這對節約成本顯然是不利的,從表1各方案比較可見,方案4不僅可以獲得良好的均相條件,而且節省了乙醇,從而降低了成本,所以方案4為佳均相條件.
2. 2　投料比對脫乙酰度的影響
    投料比即為乙酸酐用量與殼聚糖大分子中氨基的摩爾比,在相同的反應條件下,乙酸酐用量與脫乙酰度有很大關系,在40℃時反應3h投料比對乙酰度的影響見表2.

　  從表2可看出,隨著乙酸酐用量的增加,脫乙酰度降低,但降低的程度隨乙酸酐用量的增加而減小,也就是說過量的乙酸酐對脫乙酰度的改變不是很明顯,而且會出現少量的凝膠,對反應不利.由實驗可得,乙酸酐和殼聚糖的摩爾比為2∶1時佳.
     2.3　反應時間對脫乙酰度的影響
      確定了乙酸酐和殼聚糖的佳配比以及均相條件的控制之后,對反應時間進行了5組實驗,并將反應投料比全部確定為2∶1,反應時間分別采用1、2、3、4、5、6h,反應完成后,各取一定量產品溶于稀鹽酸中,用NaOH溶液滴定,確定其脫乙酰度,結果見表3.由表3可以得出不能用控制反應時間的方法來控制脫乙酰度,同時也證明了此反應是快速反應.為了使反應進行得比較完全,反應時間選為3h.

     2.4　溫度對脫乙酰度的影響
     選用投料比為2∶1,反應時間為3h,改變反應溫度進行實驗,結果如表4所示,由表4可以看出,在相同的投料比和相同反應時間下,溫度越高反應速度越快,但反應速度太快,不利于對反應的控制.所以選擇在40℃下反應,可得到比較理想的水溶性殼聚糖.

     2.5　溶劑對反應的影響
     反應溶劑對反應有一定的影響,甲醇也可作為稀酸醋酸和乙酸酐的優良溶劑同時也可溶解吡啶.所以本實驗還采用了甲醇作溶劑進行反應,與乙醇進行比較,結果如表5所示.在乙醇作溶劑可生成水溶性殼聚糖的條件下,用甲醇作溶劑則生成不溶于水甚至不溶于酸的產物,由此可見用甲醇作溶劑,乙酰化的速度相當快,能生成脫乙酰度非常低的殼聚糖,而且甲醇具有一定的毒性,不能食用,應用面較窄,因此采用甲醇作溶劑是不合適的.

     2.6　紅外光譜表征
     采用紅外光譜儀測定原料與樣品,比較高脫乙酰度殼聚糖與水溶性殼聚糖紅外圖譜的差別.結果如圖1所示,高脫乙酰度的殼聚糖和水溶性殼聚糖紅外光譜中吸收峰基本一致,沒有特殊的吸收峰出現,只存在個別峰吸收強度的差異.

      3　結論
     在嚴格控制均相的條件下,高脫乙酰度的殼聚糖與乙酸酐發生乙酰化反應能夠得到脫乙酰度50%左右的水溶性殼聚糖,而且只有50%左右脫乙酰度的殼聚糖才溶于水,大于60%或小于40%的殼聚糖只能溶脹,甚至不溶于水.
     由高脫乙酰度殼聚糖制備水溶性殼聚糖的佳條件組合為:以乙醇作溶劑,乙酸酐和殼聚糖中氨基的摩爾比為2∶1,40 ℃下均相條件反應3h.在實驗過程中,殼聚糖的脫乙酰度與乙酸酐的用量成反比,與反應時間沒有線性關系.
　  對水溶性殼聚糖進行了紅外表征:高脫乙酰度殼聚糖和水溶性殼聚糖有著微小差異,因而具有不同的水溶性,可能與其分子的空間結構和結晶度有關.
     由于殼聚糖的乙酰化反應非常迅速,將乙酸酐、吡啶先后分別溶解于乙醇中混合均勻,再加入到反應容器中與殼聚糖發生反應是控制均相的佳方法,是實驗成功的關鍵步驟.水溶性殼聚糖的制備及脫乙酰度的測定
參考文獻:
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[ 4 ] 　范娟,阮復昌. 甲殼素及殼聚糖新研究進展[ J ]. 廣東化工, 2002, (2) : 23 - 26.
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[ 6 ] 　吳京平. 殼聚糖脫乙酰度酸堿滴定測定法的初步改進[ J ]. 北京聯合大學:自然科學版, 2003, 17 (3):52 - 56, 65.