羧甲基壳聚糖的制备工艺研究

＊丁振中 张超 曾哲灵 史劲松 李恒 龚劲松

（1.扬州日兴生物科技股份有限公司 江苏 210000 2.江南大学 江苏 210000）

羧甲基壳聚糖的制备工艺研究

＊丁振中1张超1曾哲灵1史劲松2李恒2龚劲松2

（1.扬州日兴生物科技股份有限公司 江苏 210000 2.江南大学 江苏 210000）

甲壳素是仅次于纤维素的第二大生物质资源，是人类开展生物质加工利用的重要主题之一，壳聚糖是甲壳素脱乙酰基后的产物，是甲壳素粗加工产品，而羧甲基壳聚糖是一种水溶性壳聚糖衍生物。

虾蟹壳；甲壳素；壳聚糖；羧甲基壳聚糖

羧甲基壳聚糖是壳聚糖经羧甲基化反应后的一类甲壳素衍生物，由于壳聚糖分子中存在游离氨基，反应时取代基团可进入O和N，则相应的产物有O-羧甲基壳聚糖，N-羧甲基壳聚糖和N，O-羧甲基壳聚糖。

1.试验材料与方法

(1)仪器与试剂

壳聚糖（脱乙酰度＞90%，粘度＜100cps，扬州日兴生物科技股份有限公司）；氯乙酸；氢氧化钠；冰醋酸；乙醇。

(2)羧甲基壳聚糖的制备过程

称取2g壳聚糖置于200mL的烧杯中，加水20mL搅匀，每隔10min分3次共加入适量的氢氧化钠，碱化膨胀2h。将适量的氯乙酸每隔10min分3次投入其中，充分搅拌。再加入催化剂，然后水浴反应一定时间。冷却后加入50mL的水，用盐酸中和至中性。然后在2000rpm离心分离10min，在上清液中加入4倍体积的95%乙醇溶液，让后让其充分沉淀。经抽滤后再用95%乙醇洗涤其中的滤渣，然后放置在65℃烘箱内真空干燥后粉粹，得到羧甲基壳聚糖。

(3)取代度的测定

精确称取0．5g羧甲基壳聚糖于250mL容量瓶中，精确移取50 mL 0．1mol/L盐酸标准溶液于其中，振摇，使完全溶解，用0．1mol/L氢氧化钠标准溶液(含0．1mol/L氯化钠)滴定，同时用pH计测量pH值。羧甲基壳聚糖取代度的计算公式如下：

DS=0．161A/(1-0．058A) A=(V2-V1)M/W

式中：A为每克样品中羧甲基的物质的量，mmol；0．161为每个乙酰氨基葡萄糖残基的物质的量，mmol；0．058为每毫克当量的羧甲基质量；V1为pH值为2．1时滴定所消耗的氢氧化钠标准溶液的体积；V2为pH值为4．3时滴定所消耗的氢氧化钠标准溶液的体积；W为样品净重；M为氢氧化钠标准溶液浓度。

(4)产率的测定

羧甲基壳聚糖的重量与壳聚糖的重量(均不包含水分)之比值的百分数，即为羧甲基壳聚糖的产率。

2.结果与讨论

(1)壳聚糖起始状态对壳聚糖羧甲基化反应的影响

为了更好的确定反应工艺，首先进行壳聚糖起始状态（一是用醋酸溶液使其溶解，另一是壳聚糖不加醋酸溶解。）的比较实验。用醋酸溶液使其溶解具体操作如下：取一定量的壳聚糖加入10倍量的水，用醋酸溶液使其溶解，再加入一定的NaOH使反应体系内NaOH溶液浓度达40%左右，碱化膨胀2h，按上述方法制备羧甲基化壳聚糖。考察产品情况，同壳聚糖不加醋酸溶解直接羧甲基化反应进行比较。结果如表1。

表1 壳聚糖起始状态对壳聚糖羧甲基化反应的影响

由上表可知，壳聚糖经过醋酸溶解后，羧甲基化的产率、溶解性都不及不经酸溶解的。其原因可能是壳聚糖经过醋酸溶解，再经NaOH沉淀后，它的分子链互相缠绕在一起，使结构变得紧密复杂，同时壳聚糖的表面积大大降低，空隙数目和大小也降低，导致壳聚糖难以发生碱化，因而也难以进行下一步的羧甲基化反应。

(2)不同分散介质对产物性能的影响

重点对异丙醇与水进行比较。在NaOH投入量为8．0g，氯乙酸投入量为10g，50℃时反应4h的条件下，反应产物取代度和产率情况见表2。

表2 异丙醇加入后反应产物取代度和产率等的影响

由表2可以看出，不加异丙醇产品同样有较好的水溶性，异丙醇加入后取代度、产率都有所增加，但增加的比例较小。而异丙醇的加入不仅造成了有机溶剂的浪费，生产成本的增加，还会造成环境污染等，综合考虑直接选择水为分散剂。

(3)催化剂的选择及添加量对壳聚糖羧甲基化反应的影响

在NaOH投入量为8．0g，氯乙酸为10g，50℃反应时间4h的条件下，分别加入壳聚糖质量分数3%的碘化钾和十二烷基三甲基氯化铵，反应产物取代度和产率的变化见表3。

表3 不同催化剂对反应产物取代度和产率的影响

由表3得出加入碘化钾后，反应取代度、产率都有较大提高，采用十二烷基三甲基氯化铵为催化剂，取代度、产率都不及用碘化钾高，因此选用碘化钾为此反应的催化剂。

在NaOH投入量为8．0g，氯乙酸为10g，50℃反应时间4h的条件下，分别加入壳聚糖用量的1%、3%、5%、7%的碘化钾，进行羧甲基反应，确定最佳的催化剂用量，结果如表4。

表4 催化剂的不同添加量对反应产物取代度和产率的影响

从表中可以看出催化剂的添加量在5%时，反应产物取代度和产率达到最大值，这是因为KI与ClCHCOONa反应生成ICHCOONa，由于I－的离去能力大于Cl-，因此，ICHCOONa更容易与壳聚糖反应，生成羧甲基壳聚糖。但催化剂量继续增加，ICHCOONa的水解副反应也会增强，故最适宜的催化剂用量为壳聚糖质量分数的5%。

(4)氯乙酸投入量对产物性能的影响

将氯乙酸的投入量分别设定为（壳聚糖为2g）1．5、3．0、5．0、7．5、10、12g，NaOH投入量设定为氯乙酸摩尔量的2．0倍，碱化膨胀2h，壳聚糖质量的5%碘化钾，在50℃反应时间4h的条件下，进行羧甲基反应，确定氯乙酸的最佳用量，结果见表5。

表5 氯乙酸用量对产物取代度和产率的影响

从表中可以看出，开始时取代度、产率随投料比的增大而增大，在10．0时达到最大，随着氯乙酸用量的再增大，取代度、产率反而有所降低。氯乙酸浓度随氯乙酸用量增加而增加，发生羧甲基化反应的几率增加，但是当氯乙酸用量继续增加时，会消耗一部分碱，促进副反应，其利用率反而降低，取代度也随之下降，当氯乙酸加入量过高，反应体系变为酸性，羧甲基化反应不能顺利进行，因而得不到产品。

(5)碱加量对壳聚糖羧甲基化反应的影响

在氯乙酸投入量为10g，碘化钾为壳聚糖质量的5%，50℃反应时间4h的条件下，改变NaOH的投入量，以考察碱浓度对反应情况的影响。NaOH的量分别为氯乙酸摩尔量的1．20、1．80、2．05、2．1、2．2倍，实验结果如下：

表6 碱用量对产物的影响

从表中可得知，要使反应能顺利进行，碱的浓度必须要足够大，这是因为碱的浓度越大，壳聚糖转化为壳聚糖钠的程度也越大，羧甲基化也越容易进行。但同时，碱的浓度越高，壳聚糖会造成分子链的降解，导致粘度降低，该反应产物的色泽也越深，并且副反应越多，影响了反应的利用率。

壳聚糖羧甲基化反应是碱催化反应，反应介质必须保证pH＞9，当反应介质呈中性或酸性时，反应试剂进入结晶区比较困难，羧甲基化反应基本停止，产物性状均于壳聚糖十分相似。

3.实验总结

(1)实验利用水作为分散介质，在对壳聚糖进行碱化后，直接和氯乙酸的水溶液进行羧甲基化反应，并且产物有很高的取代度和得率，突破了传统的以有机溶剂作为分散介质的框架，在环保方面具有重要意义，是壳聚糖的一种绿色化学改性，为研究友好型的壳聚糖环境化学改性提供了一条新思路。

(2)通过研究反应的影响因素，初步确定了反应的优化工艺。该反应的适宜条件为：2g壳聚糖加水20mL，NaOH的加量为8．5g，氯乙酸投入量为10g，碘化钾为壳聚糖质量的5%，温度60℃，反应6h。

(3)通过上述对羧甲基壳聚糖制备工艺的改进，有望在生产成本上实现较大程度的降低，同时优化的工艺还带来了产物的溶解特性上的改善。

[1]筒慧兰．甲壳素/壳聚糖的制备及其在食品工业中的应用[J]．南通职业大学学报,2003,17(1):56-58．

[2]杨凌霄,李素芬,刘廷国等．水溶性壳聚糖的制备及其应用初探[J]．食品与发酵工业,2010,36(10):89 -93．

[3]韩笑,谭天伟．羧甲基壳聚糖制备新工艺研究．北京化工大学学报,2000年,第27卷第3期．

Study of the Preparation Technology of Carboxymethyl Chitosan

Ding Zhenzhong1, Zhang Chao1, Zeng Zheling1, Shi Jinsong2, Li Heng2, Gong Jinsong2

（1.Yangzhou Rixing Biotechnology Limited Liability Company, Jiangsu, 210000 2.Jiangnan University, Jiangsu, 210000）

Chitin is the large biomass resource, only ranking second to cellulose and it is one important theme for human to develop the manufacturing and utilization of biomass, besides, the chitosan the product of chitin deacetylation and the rough-wrought product, however, the carboxymethyl chitosan is one kind of water-solubility chitosan derivative.

shrimp and crab shells；chitin；chitosan；carboxymethyl chitosan

T < class="emphasis_bold"> 文献标识码：A

A

丁振中（1986～)，男，扬州日兴生物科技股份有限公司；研究方向：虾蟹壳精深加工壳聚糖系列产品开发与研究。

(责任编辑：李田田)

江苏省产学研联合创新资金项目(BY2016022-19) 、扬州市产学研联合创新资金项目(YZ2016195)。