二甲基亚砜体系改性壳聚糖的制备及其膜性能研究

王西，赵珺，吴修利，姜雪，殷立颖

（长春大学食品科学与工程学院，吉林长春130012）

二甲基亚砜体系改性壳聚糖的制备及其膜性能研究

王西，赵珺*，吴修利，姜雪，殷立颖

（长春大学食品科学与工程学院，吉林长春130012）

采用二甲基亚砜（DMSO）体系制备N-琥珀酰壳聚糖。试验考察反应温度、氨基/酸酐摩尔比和反应时间对N-琥珀酰壳聚糖取代度的影响，并对壳聚糖及其衍生物膜的机械性能进行测定分析。结果表明，壳聚糖经碱处理后，当反应温度60℃，氨基/酸酐摩尔比1∶2，反应时间6 h，N-琥珀酰壳聚糖取代度最高可达0.61。试验发现：添加甘油的N-琥珀酰壳聚膜机械性能较壳聚糖膜机械延展性能明显增强。

N-琥珀酰壳聚糖；取代度；改性膜

壳聚糖具有安全无毒，生物相容性好，生物可降解等特点，作为一种对人体无害、环境友好的抗菌材料，广泛用于医疗、家庭用品、食品包装等领域。但壳聚糖较差的溶解性，限制了其进一步应用。试验证明壳聚糖酰化处理后其水溶解性能明显提高[1]。壳聚糖与丁二酸酐反应制备N-琥珀酰壳聚糖的工艺主要包括：乙酸—丙酮体系、乳酸—甲醇体系和二甲基亚砜体系。但前两者体系分别存在反应过程中易生成凝胶和溶剂有毒等缺点，为后续处理加大了难度。

本研究以二甲基亚砜为反应介质，利用丁二酸酐与壳聚糖发生酰化反应，在壳聚糖的N-端引入羧基，从而获得易溶于水的改性壳聚糖。

目前，壳聚糖抗菌膜应用于水果保鲜、医药等领域得到广泛关注[2]。但膜的机械性能方面还需要进一步研究。因此本试验从经济效益方面考虑，为节约成本，对改善提高壳聚糖膜的机械性能，进行了初步研究。

1 材料和方法

1.1 材料和仪器

壳聚糖（脱乙酰度84%）、丁二酸酐：国药集团化学试剂有限公司；其余试剂均为分析纯。

XMT-DA数显调节仪：余姚市亚星仪器仪表有限公司；SHZ-D（Ⅲ）循环水式真空泵：巩义市英峪予华仪器厂；FA1104N-电子天平：上海精密仪器有限公司；GZX-9070MBE电热恒温鼓风干燥箱：上海博迅实业有限公司；电子万能仪试验机：上海倾技仪器仪表科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 N-琥珀酰壳聚糖的制备

N-琥珀酰壳聚糖制备的典型工艺如下：准确称量2.0 g碱处理[3]后的壳聚糖，加入40 mL二甲基亚砜（DMSO）中溶解搅拌10 min，而后缓慢加入2.0 g丁二酸酐，一定温度下反应至设定时间。将生成物进行过滤，固相用乙醇浸泡30 min，pH调到10.0后进行过滤，将沉淀物溶于蒸馏水，经丙酮沉淀后再用乙醇和丙酮进行多次洗涤，干燥后即获得最终产物N-琥珀酰壳聚糖[4]。

1.2.2 N-琥珀酰壳聚糖取代度的测定

采用酸碱滴定法测量N-琥珀酰壳聚糖取代度。准确称量0.2 g N-琥珀酰壳聚糖样品，溶于80 mL蒸馏水中，磁力搅拌10 min。向溶液中加两滴酚酞指示剂，用4%氢氧化钠调至溶液颜色刚刚发生变化，再滴加3滴～4滴甲基橙指示剂，用H2SO4标准溶液滴定至反应溶液由无色变为红色[5]。取代度计算如下：

式中：DS为N-琥珀酰壳聚糖的取代度；M为硫酸溶液的摩尔浓度，mol/L；m为N-琥珀先壳聚糖的质量，g；V为消耗的硫酸标准溶液的体积，mL；B为中间计算值。

1.2.3 壳聚糖膜机械性能研究

称取1.0 g的壳聚糖，加入2%乙酸溶液中搅拌至溶解，离心分离杂质，获取上清液超声波脱泡处理。室温下流延法制膜，放入恒温干燥箱，40℃下让溶剂挥发4 h，4%氢氧化钠碱溶液处理一定时间后，蒸馏水进行冲洗至中性，干燥后获得壳聚糖膜。通过电子万能仪试验机对膜进行拉伸测定。同理，向铸膜液中加入1 mL甘油制得含有甘油的壳聚糖膜和根据文献[6]制备含甘油的N-琥珀酰壳聚糖膜。测定条件为：拉伸速率10 mm/min，拉伸间距30 mm，测定室温（25±1）℃。

2 结果与分析

2.1 反应条件对N-琥珀酰改性壳聚糖取代度的影响

2.1.1 反应温度对产物取代度的影响

壳聚糖经碱处理后，在氨基/酸酐摩尔比为1∶2的条件下反应6 h，测定不同的温度梯度对产物取代度的影响。试验结果如图1所示。

从图1可以看出，随反应温度的增加，取代度呈现先增大后减小的趋势。这是因为随反应温度的升高，分子运动速率增加，有效碰撞增多，提高了反应效率，取代度逐渐增加；而当反应温度超过60℃以后，生成的N-琥珀酰改性壳聚糖分解速度加剧，产物取代度反而随反应温度升高而减小。因此在试验选定范围内，反应温度选择60℃为宜。

图1 反应温度与取代度关系Fig.1 The relationship between reaction temperature and degree of substitution

2.1.2反应时间对产物取代度的影响

壳聚糖经碱处理后，当氨基/酸酐摩尔比为1∶2，60℃反应不同时间，测定反应时间对产物取代度的影响，试验结果如图2所示。

图2 反应时间与取代度关系Fig.2 The relationship between reaction time and degree of substitution

由图2可以看出，在选定的时间范围内，随着反应时间延长，产物取代度逐渐增大。但当反应时间超过6 h后，产物取代度趋于定值。这可能是由于反应时间不断延长，反应物浓度逐渐降低，反应趋于完全，因此选择6 h较为适宜。

2.1.3 氨基/酸酐摩尔比对产物取代度的影响

壳聚糖经碱处理后，在反应温度为60℃的条件下反应6 h，改变氨基/酸酐摩尔比，考察对产物取代度的影响，试验结果如图3所示。

如图3所示，随氨基/酸酐摩尔比从2∶1至1∶2，产物取代度逐渐增加，再进一步增加氨基/酸酐摩尔比，产物取代度反而下降。这是因为增加丁二酸酐的反应量虽然可以促使产物的生成，但当反应进行一定程度后，由于琥珀酰基空间位阻作用及团聚现象的产生，使得反应不会随着酸酐分子的进一步增加而增加。故氨基/酸酐摩尔比选取1∶2时较为适宜。

图3 浓度比例与取代度关系Fig.3 The relationship between concentration ratio and degree of substitution

2.2 壳聚糖及其衍生物膜机械性能

分别裁剪20 mm×80 mm壳聚糖膜（A）、甘油+壳聚糖膜（B）、甘油+N-琥珀酰壳聚糖膜（C）3种膜，用电子万能仪试验机测定抗拉强度及最大力，见图4。

如图4所示，壳聚糖膜抗拉强度为21.50 MPa；添加甘油后的壳聚糖膜抗拉强度增大至24.55 MPa，对比添加甘油前后的壳聚糖膜最大力值，可以发现，添加甘油后壳聚糖膜最大力值明显提高，从4.303 N增至4.911 N，提升了14%；而改性后的N-琥珀酰壳聚糖膜抗拉强度与最大力值均显著提高，分别达到了39.05MPa和7.810 N。这是因为甘油作为增塑剂，可有效提高膜的韧性，改善流动性和柔韧性等，当与壳聚糖-醋酸溶液充分混溶，改善了壳聚糖膜刚性结构膜脆性大的缺点。

图4 壳聚糖及衍生物膜Fig.4 Chitosan and derivatives film

3 结论

以二甲基亚砜作为溶剂，丁二酸酐与壳聚糖在适当条件下，可以反应生成N-琥珀酰壳聚糖。壳聚糖经碱处理后，在反应温度60℃，氨基/酸酐摩尔比1∶2，反应时间6 h的条件下，N-琥珀酰壳聚糖取代度可以达到0.61。

改性的N-琥珀酰壳聚糖膜较壳聚糖膜抗拉强度及最大力值明显提高，甘油可有效提高壳聚糖膜的抗拉强度及弹力，明显改善了膜的力学性能，提高了膜的实际利用价值。

[1]李浩,王征科,胡巧玲.N-琥珀酰壳聚糖的制备及其性能[J].材料工程与科学学报,2011,29(4)：541-546

[2]陈佳阳,陈实,乐学义.壳聚糖抗菌膜的研究进展[J].广东农业科学,2012(12)：122-126

[3]罗菊香,吴萍,俞小云,等.N-琥珀酰壳聚糖的制备及其溶解性研究[J].食品科技,2014,39(1)：255-258

[4]汪琴,王爱勤.N-琥珀酰壳聚糖的合成和性能研究[J].功能高分子学报,2004,17(1)：51-54

[5]范泽霞,夏俭英.测定梭甲基纤维素钠取代度的新方法—酸度计滴定法[J].钻井液与完井液,1997,14(5)：125-126

[6]李作为,张立彦,曾庆孝.琥珀酰化壳聚糖膜的制备及其pH敏感型性研究[J].食品工业科技,2009,30(1)：91-97

Study on Preparation of Modified Chitosan with Dimethyl Sulfoxide System and Its Film Properties

WANG Xi，ZHAO Jun*，WU Xiu-li，JIANG Xue，YIN Li-ying
（College of Food Science and Engineering，Changchun University，Changchun 130012，Jilin，China）

Dimethyl sulfoxide system was used to prepare N-succinyl chitosan.The influences of the reaction temperature，the mole ratio of amino group of chitosan to anhydride and the reaction time on the degree of substitution were investigated respectively.The degree of substitution of N-succinyl chitosan could achieve 0.61 when the chitosan was treated by diluted alkali，the reaction temperature was 60℃，the mole ratio of anhydride to amino group was 1∶2 and the reaction time was 6 h.It was found that N-succinyl chitosan membrane mechanical ductility properties could significantly enhance when glycerol was added to chitosan membrane.

N-succinyl chitosan；degree of substitution；modified film

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.12.005

2016-09-21

吉林省科技发展计划项目（20140101099JC）；吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目（吉教科合字[2016]第300号）

王西（1990—），女（汉），硕士研究生，研究方向：食品科学。

*通信作者：赵珺，女，教授，博士。