N-乙酰化反应制备水溶性壳聚糖研究

孙达峰,朱昌玲,张卫明,张 超,戚善龙

(1.南京野生植物研究院,江苏南京 210042;2.扬州日兴生物科技股份有限公司,江苏扬州 225001)

壳聚糖为自然界中唯一的碱性多糖,近年来引起了人们广泛的研究兴趣,但其分子中含有极强的氢键,结晶度高,不溶于水,只能溶于稀酸水溶液[1],这就大大限制了壳聚糖的应用范围,并影响功能的充分发挥,因而水溶性的壳聚糖制备是研究和开发利用壳聚糖的重要课题之一。

研究表明,壳聚糖水溶性与其分子中乙酰化氨基数目有直接关系,一般以脱乙酰度 (Degree of Deacetylation,DD)来相对表示分子中乙酰化氨基数量,壳聚糖的脱乙酰度一般在 40%～98%,其中脱乙酰度大于 85%以上的为高脱乙酰度壳聚糖,小于70%以下的为低脱乙酰度壳聚糖[2]。当脱乙酰度在 50%左右时,壳聚糖分子链中乙酰氨基和氨基呈无规分布,破坏了分子的有序性,从而使产物具有良好的水溶性[3-8]。制备水溶性壳聚糖,理论上可以采用特定的脱乙酰工艺,使DD控制在 50%左右,但实际上这种操作很难控制,且受原料甲壳素的影响也较大。因而,近年来产生了N-乙酰化修饰高 DD壳聚糖来制备水溶性壳聚糖的工艺。该法能够在室温、均相介质中进行,乙酰化反应条件温和,可通过调整加入的乙酸酐的量控制脱乙酰度。从报道[2-6]中可以看出,进行壳聚糖的 N-乙酰化反应时,为增加壳聚糖的溶解性,均加入了吡啶。吡啶有特殊的刺鼻气味,生产中还不易完全去除,因此影响了产品的使用。本研究面向食品应用领域,因而设计反应在不加入吡啶的体系中进行,通过对均相体系的选择、乙酸酐用量等因素的研究,制备水溶性良好的壳聚糖。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

高脱乙酰壳聚糖:由扬州日兴生物科技股份有限公司提供,食品级脱乙酰度为 90%以上。

试剂:氢氧化钠,盐酸,冰醋酸,乙酸酐,无水乙醇均为分析纯,95%乙醇为食品级。

1.2 仪器与设备

恒温水浴锅,上海医疗器械三厂;20PR-520冷冻离心机,日立工机株式会社;真空干燥箱,上海实验仪器总厂。

1.3 方法

1.3.1 实验方法

1.3.1.1 原理

1.3.1.2 均相体系的选择

由于壳聚糖只溶于稀酸 (一般用稀乙酸),而乙酸酐又不溶于稀酸,所以要使二者在均相条件下发生反应,必须使它溶于同一溶剂中。乙酸酐 (醋酐),遇水分解成醋酸,但溶于乙醇等有机溶剂,所以稀酸—乙醇混合溶液即满足其均相要求。

1.3.1.3 N-乙酰化反应

取 5 g壳聚糖,加入到 250 mL 1.0%的醋酸溶液中,搅拌使其完全溶解,然后再缓慢加入 250 mL无水乙醇,搅拌至溶液澄清;将一定量的乙酸酐溶液缓慢滴加到上述溶液中,密封容器,搅拌反应一定时间;待反应完毕后,缓慢滴加 10%NaOH溶液使壳聚糖完全析出,离心收集沉淀。用一定量的水复溶沉淀物,离心后弃去不溶物,然后向溶液中加入乙醇至80%体积含量使壳聚糖析出,离心收集沉淀并用80%乙醇洗涤 2～3次,于真空烘箱 80℃烘干。

1.3.2 测定方法

脱乙酰度的测定:取上述样品 0.2～0.3 g,溶解于 30 mL标准 0.01 mol/L盐酸溶液中,加入 2～3滴甲基橙 -苯胺蓝混合指示剂 (V∶V=1∶2),用标准0.01 mol/L氢氧化钠溶液滴定至终点,每个样品各测 3次。另取 1份样品,置于 105℃烘干至恒重,测定水分。

样品中氨基含量:

样品脱乙酰度:

(式中 C1为盐酸标准溶液的浓度,mol/L;C2为氢氧化钠标准溶液的浓度,mol/L;V1加入的盐酸标准溶液的休积,mL;V2为滴定耗用的氢氧化钠标准溶液的体积,mL;G为样品重,g;0.016与 1 mL的 1 mol/L盐酸溶液相当的氨基量,g)。

2 结果与讨论

2.1 乙酸酐用量对产物的影响

为了确定最佳的乙酸酐加入量,设计了壳聚糖与乙酸酐的质量比分别为 1∶0.2、1∶0.4、1∶0.6、1∶0.8、1∶1.0五组实验。各组的反应均为 5 g高脱乙酰化壳聚糖,溶于 250 mL 1.0%冰醋酸水溶液中,加入 250 mL无水乙醇,室温下,反应过夜。实验结果如表1所示。

表1 乙酸酐用量对脱乙酰度及溶解性的影响

从表中可以看出,相同的反应条件下,脱乙酰化度随着乙酸酐用量的增加而随之下降,当壳聚糖与乙酸酐的质量比为 1∶0.6时,水溶性最好。即乙酸酐与壳聚糖的质量比为 1∶0.6时,脱乙酰度接近50%,具有良好的水溶性。另外,通过实验同时也证实了文献的报道,高度脱乙酰化的壳聚糖在均相介质中进行乙酰化反应,当乙酰化度在 50%左右时,产物具有良好的水溶性[2]。

从实验中得出,乙酸酐的用量是决定乙酰程度的最重要因素,只有当乙酸酐的用量适当时,才能制备出脱乙酰度接近 50%的水溶性壳聚糖。

通过实验还得知,乙酸酐与壳聚糖的质量比 >2.0∶1时,溶液中出现大量凝胶,溶液变得粘稠,使反应无法进行。

2.2 反应时间对产物的影响

在确定壳聚糖与乙酸酐的质量比最佳为 1∶0.6后,为了研究反应时间对水溶性的影响,设计反应时间分别为 1 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h七组实验。各组的反应均为 5 g高脱乙酰化壳聚糖,溶于 250 mL 1.0%冰醋酸水溶液中,加入 250 mL无水乙醇,室温下。实验结果如表2所示。

表2 反应时间对脱乙酰度及溶解性的影响

从表2看出,反应需在较长的时间内才能完成,反应在 8 h后,所得的反应产物水溶性均很好。但超过 8 h后,反应产物的脱乙酰度变化不大,因此反应时间为 8 h时最佳。

2.3 反应温度对产物的影响

为了研究反应温度对水溶性的影响,设计了反应温度分别为 10℃、20℃、30℃、40℃、50℃五组实验 。各组的反应均为 5 g高脱乙酰化壳聚糖,溶于250 mL 1.0%冰醋酸水溶液中,加入 250 mL无水乙醇,壳聚糖与乙酸酐的质量比为 1∶0.2,反应时间8 h。实验结果如表3所示。

表3 反应温度对脱乙酰度及溶解性的影响

从表3中可以看出,该反应需控制在较低的温度 (20℃以下)下进行,温度高加快了乙酸酐分解等副反应的发生,影响了反应的进行。

3 结 论

(1)吡啶有特殊的刺鼻气味,生产中不易完全去除,影响产品的使用范围。通过实验证明,反应在不加入吡啶的情况下,只要反应条件设计合理,同样可以得到脱乙酰度接近 50%的,水溶性很好的壳聚糖产品。

(2)在乙酸—乙醇均相体系中,进行乙酰化反应时壳聚糖与乙酸酐的质量比为 1∶0.6,反应温度控制在 20℃,反应时间为 8 h时,产品的脱乙酰度接近 50%,水溶性最好。

[1] 蒋挺大.壳聚糖[M].北京:化学工业出版社,2003:22.

[2] 宋 巍,陈元维,史国齐,等.不同脱乙酰度壳聚糖的制备及结构性能的研究[J].功能材料,2007(10):1705-1708.

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[5] 席 敏,王子飞.水溶性壳聚糖的制备及结构表征[J].安徽农业科学,2001(5):694-696.

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