超声波法黄原酸化壳聚糖的制备

刘盛 ，朱红祥 ，王进 ，刘晨 ，孔巧平 ，曹雪娟

（1 广西大学轻工与食品工程学院，广西 南宁 530004；2 上海交通大学农业与生物学院，中国 上海 200240）

壳聚糖（chitosan，CTS） 是自然界中储量仅次于纤维素的天然高分子多糖，可作为良好的吸附剂用于废水中重金属离子的去除[1]，作为目前最热门的研究之一，壳聚糖也被广泛应用于各种领域如医药医疗、造纸、纺织品、生物医药、化妆品、食品加工、农业等方面[2]。壳聚糖对于一些重金属离子的吸附量较小、水不溶性等影响了其进一步的应用，但壳聚糖分子链上存在着活泼的伯氨基以及羟基，通过对其改性，改善其水溶性的同时，增大了重金属吸附性能，拓展其应用范围，例如羧甲基壳聚糖、壳聚糖季铵盐和黄原酸化壳聚糖（xanthated chitosan，XCTS）等衍生物[3-5]。黄原酸化壳聚糖由于分子中存在巯基，和重金属离子的螯合系数小，重金属离子的吸附量大幅度增加，关于黄原酸化壳聚糖的合成研究已有报道[6-7]，但由于大分子量壳聚糖不溶于水，其和二硫化碳的反应属于非均相反应，存在反应活性低、反应时间长（达24h）等问题[8-10]，而应用超声波辅助合成黄原酸化壳聚糖的研究未见报道，本工作利用超声波法合成黄原酸化壳聚糖并采用单因素实验方法，以硫含量和产率作为指标，研究了反应物配比、温度、超声功率、超声反应时间和碱浓度对CTS 改性的影响，确定了影响超声波法制备XCTS 的主要因素；通过实验选择了最佳合成条件，以探求一种快速、取代度高的XCTS 合成途径；同时对XCTS 进行了傅里叶红外光谱、X 射线衍射、扫描电镜和热重分析，了解黄原酸化前后壳聚糖的架构变化。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

壳聚糖，脱乙酰度为80.0%～95.0%，国药集团化学试剂有限公司；二硫化碳，分析纯，哈尔滨雪佳氟公司；氢氧化钠，分析纯，天津市致远化学试剂有限公司；无水乙醇，分析纯，天津市致远化学试剂有限公司。

1.2 实验方法

一定温度下，壳聚糖和二硫化碳在碱性条件下能够发生黄原酸化反应，生成黄原酸化壳聚糖，这是一种黄色粉末。黄原酸化壳聚糖溶于水，不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂，对重金属离子有很强的螯合能力，螯合物不溶于水[11]。黄原酸化壳聚糖的主要合成反应式如图1。 壳聚糖和二硫化碳在强碱作用下发生反应，强碱的作用主要是渗透到壳聚糖的分子链中，溶胀壳聚糖，使壳聚糖分子中的羟基转化为钠盐，有利于和二硫化碳发生黄原酸化反应[8]。反应过程中，溶液呈现橙色，最终的黄原酸化壳聚糖为略带有黄色的粉末。

图1 黄原酸化壳聚糖的合成反应式

1.2.1 常规方法[12]

称取1.0g 的壳聚糖于250mL 三口烧瓶中，加入50mL 10% 的NaOH 溶液，溶胀0.5h。再加入2.5mL 的二硫化碳（冰水浴中用滴液漏斗滴加），一定温度水浴下搅拌反应数小时，离心除去未反应的原料，用3 倍的无水乙醇析出、抽滤并洗涤，50℃烘箱中干燥即得产品。

1.2.2 超声波法

称取1.0g CTS 加入盛有50mL 一定质量浓度的NaOH 的100mL 单口烧瓶中，磁力搅拌预处理1/2h，然后加入一定量的CS2，放入三位一体合成萃取反应器（UWAVE-1000）中于一定功率超声波下反应一段时间后取出、冷却、离心后取上清液，用3 倍的无水乙醇析出产品，过滤，50℃烘箱中干燥即得产品。

1.3 XCTS 中硫含量的测定

产品中硫含量直接反应了壳聚糖黄原酸化改性的程度，实验中采用元素分析仪（Euro EA3000）测定XCTS 中硫的含量。

1.4 壳聚糖和XCTS 的FT-IR 表征

壳聚糖黄原酸化前后的基团变化由傅里叶红外光谱仪测定（NEXUS 470 FT-IR），光谱范围4000～400cm-1。

1.5 壳聚糖和XCTS 的X 射线衍射分析

壳聚糖黄原酸化前后结晶度的变化由X射线衍射仪（SmartLab）进行观察。

1.6 壳聚糖和XCTS 的扫描电镜表征

壳聚糖黄原酸化前后的形貌变化由扫描电子显微镜（日立S-3400N）进行观察。

1.7 壳聚糖和XCTS 的热重分析

壳聚糖黄原酸化前后的热稳定性由综合热重分析仪（ZRY-2P）进行分析。

2 结果与讨论

2.1 XCTS 的制备

2.1.1 常规方法和超声波法合成XCTS 的对比

按1.2 节所述分别进行XCTS 的合成实验，其中常规方法中反应温度为50℃，超声波法中NaOH质量分数为10%、CS2为2.5mL、超声功率为 150W。两种方法分别制备不同方法时间下的XCTS，然后测定反应产物XCTS 的S 含量与反应时间的关系，结果如图2 所示。

图2 常规方法和超声波法合成XCTS 的对比

从图2 中可以看出，无论是超声波法还是常规方法，其合成的XCTS 硫含量都随着反应时间的延长而增加，但超声波法不仅合成速率快，而且合成的XCTS 硫含量也更高，在60min 时即达到了10.56%，此后增加速率较为缓慢。而60min 时常规方法合成的XCTS 硫含量仅为4.4%且增速平缓，在240 mins 后才较为明显。超声波法能够加快合成XCTS 速度的原因归结如下：①超声波对反应固体物质表面存在震荡、击碎等机械作用，能够加快反应介质对反应物的渗透，加速反应进行；②超声波的热效应能增加分子动能、增强CS2的反应活性，加快与壳聚糖反应；③超声波的空化作用能引发反应物在反应中心的生成，催化促进异相合成反应。

2.1.2 温度对反应的影响

因为超声波作用有致热效应，为考察温度对反应的影响，以1.2.1 节的方法，在不同温度下反应60min 合成XCTS，测定其产率和S 含量，结果如图3 所示。

图3 温度对XCTS 产量及硫含量的影响

从图3 可以看出，随着温度的升高，合成XCTS不论产量还是硫含量都不断增加，在60℃时增速变 缓。从20℃到60℃，产量从0.16g 到0.53g，硫含量从2.23%增加到5.12%，说明壳聚糖黄原酸化反应是一个吸热过程，升温可增加分子动能，增加活性分子，增大反应的可能性。温度对壳聚糖黄原酸化反应有不小的促进作用。

2.1.3 CS2用量对反应的影响

按1.2.2 节的方法，改变CS2的用量，超声波作用下合成XCTS，然后测定其产量和S 含量，结果如图4 所示。

图4 CS2 用量对XCTS 产量及硫含量的影响

由图4 可知，反应初期壳聚糖过量，可供反应的—NH2、—OH 较多，随着CS2用量的增加，XCTS合成反应不断进行，产量不断增加，但硫含量增加较少，当CS2用量进一步增加时，一个壳聚糖单元内的—NH2、—OH 被迫同时反应，所以产物硫含量增加明显，产量增速放缓，在CS2用量为2.0mL 时，可供反应位点已饱和，反应已基本完全。

2.1.4 超声波功率对反应的影响

按1.2.2 节的方法，在不同超声功率下合成XCTS，然后测定其产率和S 含量，结果如图5 所示。

从图5 可知随着超声波功率的增加，合成XCTS的硫含量不断增大，而产量有一个先增加后减少的过程，因为超声波有强大的机械震荡作用、热效应和空化作用，在促进壳聚糖黄原酸化反应的同时也加剧了壳聚糖的降解作用。综合产量和硫含量，在150W 时最佳，此时产量最大，为1.24g，硫含量为11.56%。

图5 超声波功率对XCTS 产量及硫含量的影响

2.1.5 超声波作用时间对反应的影响

按1.2.2 节的方法，改变超声波作用时间，合成XCTS，然后测定其产率和S 含量，结果如图6 所示。

图6 超声波作用时间对反应的影响

由图6 可知在超声波的作用下，随着时间的延长，壳聚糖黄原酸化反应不断进行，XCTS 产量和硫含量都增加，此时主要反应为XCTS 的合成；当时间进一步延长时，合成反应位点减少，超声波对壳聚糖的降解加剧，所以产量剧减而产物硫含量仍略有增加，综合产量和硫含量，超声波作用60min时较佳。

2.1.6 碱浓度对反应的影响

按1.2.2 节的方法，改变碱浓度（NaOH 的质量分数），在超声波作用下合成XCTS，然后测定其产率和S 含量，结果如图7 所示。

图7 碱浓度对反应的影响

稀氢氧化钠预处理可以引起壳聚糖明显润胀，增加内表面积，降低壳聚糖结晶性，增加反应的可 及性，但浓度过高时会造成糖苷键的断裂，壳聚糖大量降解，尤其是在超声波的协同作用下[12]，如图7 所示，随着碱浓度的增大，所合成XCTS 的硫含量不断增加，在20%时已基本饱和，但壳聚糖黄原酸化产物的产量却有一个先增后减的过程，综合考虑，碱浓度为15%较好。

2.2 壳聚糖和XCTS 的FT-IR 表征

为研究壳聚糖黄原酸化前后分子结构、基团变化，对壳聚糖和XCTS 分别进行了由傅里叶红外光谱曲线测分析，其结果如图8 所示。

图8 壳聚糖和XCTS 的红外图谱

壳聚糖中的—NH2和—OH 伸缩振动峰在3420.61cm-1偶合形成一宽峰，黄原酸化壳聚糖对应峰在3440.25cm-1，位移较大且吸收强度明显减弱，说明—NH2和—OH 都参与了反应。壳聚糖中1600.79cm-1为氨基的吸收峰，而黄原酸化壳聚糖中出现1452.67cm-1强的吸收峰为N—C=S 键和氨基的吸收峰重合为强峰[13]。另外，2472.80cm-1为分子中少量的巯基吸收峰[14]。壳聚糖中伯羟基和仲羟基C—O 伸缩振动吸收峰分别为1080.51cm-1和1032.47cm-1，而相对应的黄原酸化壳聚糖的吸收峰为1129.88cm-1和1002.19cm-1，波数变化较大，表明壳聚糖中的伯羟基和仲羟基参与黄原酸化反应。结果表明，黄原酸化主要发生在壳聚糖的羟基上。另外，分子中C—S 的不对称伸缩振动吸收峰和对称伸缩振动吸收峰较弱，被羟基的伸缩振动吸收峰覆盖[15-16]。

2.3 壳聚糖和XCTS 的X 射线衍射分析

为观察壳聚糖黄原酸化前后结晶度的变化，对壳聚糖和黄原酸化壳聚糖进行了X 射线衍射分析，结果如图9 所示。

从图9 中可以看出，壳聚糖具有一定的微晶结构，在11.5°处有一个较弱的衍射峰，在20°左右具有一个强的衍射峰，而黄原酸化壳聚糖在11.5°处的峰几乎消失，20°的衍射峰减弱明显，说明壳聚糖的有序度和晶型结构遭到较大程度的破坏。这是由于壳聚糖中的氨基和羟基被黄原酸化，硫元素增多，氨基和羟基含量降低，分子链节间形成氢键 的强度减弱，导致壳聚糖无序度的增强，结晶度 下降[17]。

图9 壳聚糖和XCTS 的XRD 图

2.4 壳聚糖和XCTS 的扫描电镜表征

为观察壳聚糖黄原酸化前后的形貌变化，本实验对壳聚糖和XCTS 进行了扫描电子显微镜实验，结果如图10、图11 所示。

图10 壳聚糖的SEM 图

图11 XCTS 的SEM 图

由图10、图11 可见，壳聚糖的表面比较光滑、密实，而黄原酸化壳聚糖表面有大量的空穴、孔洞，呈蜂窝状。表明黄原酸化后，表明壳聚糖的结构有序度和晶体结构被破坏，表面疏松、多孔，而这种空穴结构的增加能够提高壳聚糖对重金属离子的吸附性能[18]。

2.5 壳聚糖和XCTS 的热重分析

为了对比壳聚糖黄原酸化前后的热稳定性，分别对壳聚糖和XCTS 进行热重分析。实验采用ZRY-2P 型综合热分析仪分析物质热稳定性。样品经60℃干燥过夜后，取适量置于氧化铝质坩埚，在空气氛围下，在15℃/min 升温速率下，分别将各试样从40℃加热到700℃，获得样品TG-DTG 曲线。如图12、图13 所示。

从图12、图13 可以看出，壳聚糖的起始分解温度为248℃左右，最大降解速率温度为305℃；而黄原酸化壳聚糖的起始分解温度为230℃左右，最大降解速率温度为265℃。这是由于在—NH2、—OH 上接入了黄原酸基团，而黄原酸基团容易从主链上断裂，所以壳聚糖经黄原酸化后热稳定性降低，黄原酸化壳聚糖的起始分解温度较原壳聚糖有所 降低[6]。

图12 壳聚糖的TG-DTG 曲线图

图13 XCTS 的TG-DTG 曲线图

3 结 论

（1）超声波法能明显加快制备黄原酸化壳聚糖的速度，减少反应时间，降低能耗，增加产量的同时提高产物的硫含量，是一种快速、环保的制备壳聚糖黄原酸盐的方法。

（2）红外光谱曲线显示，超声波法黄原酸化反应使得壳聚糖分子结构发生了较大变化，出现了C=S 键和巯基的吸收峰，在其中引入了黄原酸基团；通过XRD 和SEM 观察对比可知黄原酸化后，壳聚糖的结构有序度和晶体结构被破坏，表面疏松、多孔；TG 热重分析可知壳聚糖分子结构中引入黄原酸基团后，分子链间距离增大，破坏了分子链的规整度和壳聚糖的微晶结构，支链增多，导致XCTS热稳定性能略有下降。

（3）超声波法制备黄原酸化壳聚糖的最佳工艺：壳聚糖与二硫化碳的质量体积比为 1∶2（g/mL），超声波功率为150W，超声波作用时间为60min，NaOH 的质量分数为15%。

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