壳聚糖载体的改性及其用于固定化钼酸盐催化剂的研究

2013-09-18陈星河

当代化工 2013年5期

陈星河

（广西南宁化学制药有限责任公司，广西南宁 530031）

壳聚糖(Chitosan)，其化学名为(1,4)-2-胺-2-脱氧-β-D-葡聚糖，是线性聚合物甲壳素经脱乙酰化反应后得到的一种生物高分子[1]。根据甲壳素脱乙酞化时的条件不同，壳聚糖的脱乙酞度和分子量不同，壳聚糖的分子量通常在几十万左右[2]。壳聚糖具有多孔，无毒无害的作用，吸附螯合作用强，但是可溶于稀酸，在酸性溶液中易软化流失[3]，不宜直接使用。甘露糖是一种已醛单糖,和葡萄糖是同分异构体。大量的研究表明，葡萄糖在酸性条件下，经过钼酸盐催化剂差向异构可以转变成 100%的甘露糖[4,5]。本文通过对壳聚糖交联改性，并且进行钼酸铵催化剂固定化，制备得一种对酸、碱、有机溶剂比较稳定的交联壳聚糖衍生物颗粒状钼酸铵催化剂，并初步考察其对葡萄糖溶液的差向异构性能和重复使用率。

1 实验部分

1.1 主要试剂与材料

壳聚糖（脱乙酰度 90%以上）（上海伯奥生物科技有限公司），七钼酸铵（广州天金化工有限公司），环氧氯丙烷（中国医药集团上海化学试剂公司），二乙烯三胺（上海染料化工十四厂），二甲亚砜（无锡市晶科化工有限公司），硅藻土，无水乙醇，冰乙酸，氢氧化钠，盐酸。以上试剂均为分析纯。

1.2 实验方法

1.2.1 交联壳聚糖衍生物的制备

（1）颗粒壳聚糖的制备

准确称取10.0 g脱乙酞度为94%的壳聚糖溶解于1.0%（V/V）冰乙酸中，配成0.5%～1.0%的壳聚糖乙酸溶液溶液，然后加入5.0 g硅藻土，超声波震荡搅拌均匀，然后慢慢向其中滴加NaOH溶液至碱性，待其凝胶析出，过滤，60 ℃真空烘干，粉碎，过筛100～200目，得到各种粒径的颗粒壳聚糖。

（2）颗粒壳聚糖的交联

称取一定量的壳聚糖，充分溶胀后，放入 500 mL三口烧瓶中，分别加入适量的蒸馏水，NaOH溶液以及二甲亚砜溶液，搅拌均匀。在室温下，往三口瓶中缓慢滴加适量的环氧氯丙烷，然后慢慢升温到 40 ℃，回流反应。等完全反应后，过滤，分别用丙酮与蒸馏水进行充分洗涤，一直洗涤到洗涤液的酸碱度为中性，最后在 60 ℃下真空干燥，即可得到羟丙基氯化壳聚糖颗粒。

（3）颗粒交联壳聚糖的胺基化

称取一定量羟丙基氯化壳聚糖，放入 500 mL的三口烧瓶中，然后分别加入适量蒸馏水和适量的胺化试剂二乙烯三胺，搅拌均匀。慢慢升温到 60℃，搅拌回流反应，直到反应完全，冷却，过滤，用蒸馏水洗涤至中性，真空干燥，即可得到交联壳聚糖衍生物颗粒。

1.2.2 交联壳聚糖衍生物固定化钼酸盐的制备

称取一定量交联壳聚糖衍生物颗粒，放入 500 mL三口烧瓶中，加入0.5～1.0%(w/w)50 mL钼盐水溶液，加入适量的 70%～85%（V/V）乙醇，升温到70～90 ℃,回流反应2～4 h，过滤、烘干，得到具有葡萄糖差向异构活性的固体钼酸盐催化剂颗粒。

1.2.3 固定化性能试验

配制了浓度为 1.0%（w/w）的钼酸铵溶液，分批取200 mL加入到不同胺含量的交联壳聚糖衍生物颗粒中，进行固定化实验。测其固定化前后钼离子浓度，计算钼酸铵固定化率。

1.2.4 葡萄糖溶液差向异构性能试验

固定化钼酸盐催化剂用量分别设计为 2.5‰、2.0‰、1.25‰、0.70‰、0.40‰、0.30‰、0.25‰（以w/w计），分别加入到50%（w/w）萄糖溶液浓度中，调节pH至3.0，在一定压力下催化异构反应40 min。考察异构催化剂用量对葡萄糖转化率的影响结果。

1.2.5 固定化钼酸盐催化剂的催化剂稳定性试验

葡萄糖溶液浓度50%（w/w），pH 3.0，反应温度130 ℃，固定催化剂添加量为1.25‰，反应时间为40 min，每批反应完成后，回收固定化钼酸盐催化剂，重新投入到差向异构反应釜中在相同条件下继续进行下一批反应，考查固定化钼酸盐催化剂的催化活性稳定性。

2 实验结果与讨论

2.1 颗粒壳聚糖制备的条件分析

2.1.1 壳聚糖的浓度

配制 0.1%～3%不同浓度的壳聚糖乙酸溶液，硅藻土和壳聚糖按1:2的比例加入硅藻土，在超声破搅拌情况下，慢慢加入4 mol/L的氢氧化钠溶液，经过比较，发现0.5%～1.0%的浓度在制粒过程中分散比较均匀，流动性和黏度刚好合适。

2.1.2硅藻土的浓度

为了增加壳聚糖颗粒的刚性和机械强度，同时不影响壳聚糖的基本性能，硅藻土：壳聚糖按1:2的配比来造粒比较好。

2.1.3 造粒过程中NaOH的浓度

在造粒中，调整壳聚糖乙酸溶液到pH=10的过程，发现NaOH的浓度太稀，会成带状，而且调整pH的时间过长。浓度在3.5～4.5 mol/L的NaOH溶液易于操作。

2.2 颗粒壳聚糖交联的条件分析

壳聚糖分子中含有大量的具有较强活性的胺基和羟基，可与环氧氯丙烷在酸性条件下发生交联反应。颗粒壳聚糖的耐酸性取决于壳聚糖的交联度，但是交联度越高，壳聚糖中的胺基含量越低[6],因此本实验的交联度采用胺含量来衡量。反应条件：温度45 ℃，交联反应时间3 h。反应结果见表1。

表1 交联剂浓度与交联壳聚糖胺基含量关系Table 1 The relationship between crosslinker concentration and amino content in crosslinked chitosan

交联壳聚糖颗粒的胺基含量随着环氧氯丙烷的浓度的降低而增加，即交联剂浓度增大，交联化的程度就越高。

固定反应时间为3 h，调整壳聚糖与环氧氯丙烷比例为1∶1，在不同温度下的交联反应。结果见表2。

表2 交联反应温度对交联壳聚糖胺基含量的影响Table 2 The relationship between reaction temperature and amino content in crosslinked chitosan

随着温度的增加，交联壳聚糖颗粒的胺含量越来越低，说明交联度逐渐增大。选择实验条件为：壳聚糖：环氧氯丙烷为 1︰1，反应时间 3 h，温度60 ℃，测得交联后胺含量约为2.96%。

2.3 交联壳聚糖胺基化的条件分析

根据影响胺化的条件，首先研究了胺化温度对交联壳聚糖衍生物胺基含量的影响。胺化温度30，50，60，80 ℃测得的胺基含量分别为8.66%，9.34%，11.25%，9.81%。二乙烯三胺等胺化试剂中的氮上的氢在一定条件下，发生亲核取代反应，取代交联壳聚糖中的-Cl，生成高胺基含量的交联壳聚糖衍生物。随着温度的升高，交联壳聚糖颗粒的胺含量随着增大，当温度高于60 ℃后，胺含量反而降低了。所以本实验选择胺化温度为60 ℃。

固定胺化剂的浓度，在 60 ℃下，选择胺化剂用量5.0 mL/g交联壳聚糖颗粒，不同的反应时间得出的实验结果如表3。

表3 胺化反应时间与交联壳聚糖颗粒胺含量关系Table 3 The relationship between the reaction time of amination and amino content in crosslinked chitosan

交联壳聚糖颗粒的胺含量随着反应时间的增长而增大，但是7 h后，胺含量变化不明显。所以本实验选择胺化反应时间为7 h。

选择胺化温度60 ℃，胺化时间7 h，考查不同不同胺化剂的用量，得到的交联壳聚糖颗粒的胺含量，分析结果如表4。

表4 同胺化剂用量下交联壳聚糖衍生物胺基含量的影响Table 4 The relationship between amination agent dosage and amino content in crosslinked chitosan

随着胺化试剂用量的增加，胺基化壳聚糖颗粒的胺含量也随着增加。胺化剂用量达到5.0 mL/g后，交联壳聚糖颗粒的胺含量不增反降，所以选择胺化剂用量5.0 mL/g比较合适。

综上所述，交联壳聚糖颗粒的胺化条件为：胺化剂浓度5.0 mL/g，胺化温度60 ℃，胺化反应时间7 h,测得交联壳聚糖衍生物颗粒胺含量为10.85%。

2.4 固定化性能分析

实验结果如表5。

表5 不同胺基含量交联壳聚糖衍生物对钼酸铵固定化率Table 5 Fixed rate of ammonium molybdate on crosslinked chitosan derivatives with different amino content

交联壳聚糖衍生物对钼酸盐的固定化率，随着胺含量的增大而增大。引入胺试剂可以提高交联壳聚糖的胺基含量，同时利用其有螯合作用的羟基作用，明显提高了交联壳聚糖衍生物的吸附量和固定化率。

2.5 葡萄糖溶液差向异构性能分析

实验结果如表6。

表6 不同的固定化钼酸铵催化剂对葡萄糖转化率的影响Table 6 Effect of immobilized molybdate catalysts dosage on glucose conversion rate

随着固定化钼酸盐催化剂用量从0.25‰增加到2.5‰，葡萄糖转化率由16.6%提高至33.6%。但1.25‰之后没有明显提高，且异构反应糖液的色泽加深，增加脱色难度。因此固定化钼酸盐催化剂最佳用量为1.25‰，葡萄糖转化率达到30%以上。

2.6 固定化钼酸盐催化剂的催化剂稳定性分析

采用固定化钼酸盐催化剂连续 10次进行葡萄糖差向异构试验，葡萄糖的转化率分别为 33.6%、33.4%、33.5%、33.2%、32.8%、32.6%、32.3%、31.9%、31.4%、30.8%。葡萄糖转化率成由高向低递减趋势，经 10批后转化率由 33.6%降至 30.8%，降幅约为8.0%，说明固定化钼酸盐催化剂流失比较少，可以反复使用。