壳聚糖在二氧化碳水溶液中的溶解初探

袁诗云，晋 蕊, 张传杰,2，朱 平,2



壳聚糖在二氧化碳水溶液中的溶解初探

袁诗云1，晋 蕊1, 张传杰1,2，朱 平1,2*

（1. 武汉纺织大学 化学与化工学院，湖北 武汉 430073；2. 江南大学 生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡 214122）

首先将壳聚糖制成凝胶体，然后采用二氧化碳的水溶液溶解壳聚糖，研究了壳聚糖的溶解过程，以及壳聚糖的浓度、溶解温度、溶解压力等对壳聚糖溶解性能的影响。结果表明：随着二氧化碳通气时间的延长，水溶液中的壳聚糖颗粒逐渐变小、减少，直至消失，外观由乳白色的混浊溶液逐渐转变为透明溶液。随着溶液温度的降低和溶解压力的增加，壳聚糖的溶解时间逐渐缩短，溶解度逐渐增加。壳聚糖在二氧化碳水溶液中的最佳溶解温度为5 ℃，溶解压力为0.4 Mpa，此时溶解度为2.0%。

壳聚糖；二氧化碳；水溶液；溶解

壳聚糖是甲壳素脱乙酰化得到的一种天然氨基多糖，是地球上存在量仅次于纤维素的多糖[1-2]，性能优越，具有生物可降解、生物相容性以及抗真菌、抗过敏、抗肿瘤和免疫激活作用等生理学活性[3-4]。目前，壳聚糖在医药、食品工业、污水处理、农业、纺织工业等很多领域均有广泛的应用[5-8]。

壳聚糖的相对分子质量较大，通常在几十万甚至上百万。而且分子间存在较强的氢键作用力，化学性质稳定，溶解性较差，不能直接溶于水中或一般的有机溶剂中，只能溶于有机或无机的稀酸溶液中。采用这种方法制备的壳聚糖溶液，进行材料加工时需要采用碱溶液中和溶液中的酸，才能得到各种形态的壳聚糖制品，这样就增大了成本与时间。Yasuo SAKAI等人提出可向壳聚糖与水的浊液中通入二氧化碳，以生成的碳酸来溶解壳聚糖[7-8]。但是其并未对壳聚糖在二氧化碳水溶液中的溶解性能进行研究。本文尝试将二氧化碳气体溶于蒸馏水中，以生成的碳酸溶液来溶解壳聚糖，研究溶解温度、溶解圧力、壳聚糖的浓度以及分子量等对壳聚糖在二氧化碳水溶液中溶解性能的影响。采用该方法制备的壳聚糖溶液，通过加热即可去除碳酸溶液，制成不溶于水的壳聚糖材料，工艺简单，且避免了碱剂的使用和化学物质的残留，有助于实现壳聚糖在生物材料等一些特殊领域的应用。

1 实验部分

1.1 实验材料及药品

壳聚糖：食品级，脱乙酰度为93.6%，分子量为400000，济南海得贝海洋生物工程有限公司；冰乙酸，乙酸钠，氢氧化钠：均为分析纯，国药集团化学有限公司；二氧化碳气体：武汉友盛气体有限责任公司。

1.2 实验仪器

D-500型均质机：大龙兴创实验仪器（北京）有限公司；低温恒温反应浴：巩义市京华仪器有限责任公司；高压反应釜：烟台牟平曙光精密仪器厂；PB-1 0标准型pH计 ：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；i9型双光束紫外-可见分光光度计：济南海能仪器股份有限公司。

1.3 壳聚糖凝胶体的制备及含水率测定

将壳聚糖溶于1%的醋酸水溶液中，配制成质量百分比浓度为1%的壳聚糖溶液，然后采用转速为10000 rpm的均质机边搅拌边加滴加1 mol/L的氢氧化钠溶液，直至溶液的pH值转变为7～8，此时溶液由澄清透明转变成乳白色浊液；高速离心分离上述乳白色溶液，并用蒸馏水洗涤至中性，得到壳聚糖凝胶体。

称取一定量的壳聚糖凝胶体，称重记为m1；然后置于100 ℃的烘箱中干燥至恒重，称重记为m2；按照公式（1）计算壳聚糖凝胶的含水率W。

1.4 壳聚糖在二氧化碳水溶液中的溶解

称取一定量的壳聚糖凝胶体，用均质机分散在100mL的蒸馏水中，制得分散均匀的壳聚糖浊液；将壳聚糖浊液保持在实验设定温度，然后在一定的压力状态下，通入二氧化碳气体，并观察溶液颜色变化，直至溶液转变为澄清透明状态，停止通入二氧化碳气体。

1.5 壳聚糖溶解过程的观察

配制质量百分比浓度为0.5%的壳聚糖凝胶体的悬浊液，然后持续通入二氧化碳气体，采用数码相机记录壳聚糖溶液的外观状态。于此同时，每隔5 min取样，采用偏光显微镜观察溶液中壳聚糖凝胶体的形貌，放大倍数为100倍。

1.6 壳聚糖溶解液的pH值和透光率的测定

配制一定浓度的壳聚糖凝胶体的悬浊液，在一定压力和温度下持续通入二氧化碳气体。通入二氧化碳气体即开始计时，每隔一定时间，取样。采用pH计测试壳聚糖溶解液的pH值，并采用分光光度计测试壳聚糖溶液在可见光范围内的最大透光率。

1.7 壳聚糖溶解度的测定

配制一系列浓度梯度的壳聚糖悬浮溶液，在一定压力和温度下持续通入二氧化碳气体60 min，然后按照浓度从低到高，依次测定壳聚糖溶液在可见光范围内的最大透光率。当壳聚糖溶液的最大透光率下降至90%以下时，对应的浓度定义为该条件下壳聚糖的溶解度。

2 结果与讨论

2.1 壳聚糖的溶解过程

室温常压下通入CO2气体，随着通气时间的延长，浓度为0.5%的壳聚糖悬浮液的外观变化如图1所示。从图1可以看出：未通入CO2时，壳聚糖悬浮液为不透明的乳白色；随着通气时间的延长，壳聚糖悬浮液的颜色逐渐变浅，直至澄清，而且溶液的黏度逐渐增大。当通气时间达到15 min时，壳聚糖悬浮液呈现出基本澄清透明的状态，溶液黏度显著变大，通入的CO2气体有部分以气泡形式残留在溶液中，此时停止通气。停止通气15 min后，壳聚糖溶液转变为完全澄清透明的状态，且溶液中的残留气泡消失。

图1 壳聚糖溶解过程的外观照片

a- 0 min, b-5 min, c-10 min, d-15 min, e-30 min

壳聚糖完全溶解于CO2水溶液后，其结晶将消失，形成均匀透光、各向同性的溶液，而未溶解的壳聚糖则在正交偏光显微镜下显现出亮度较高的微观形貌。室温常压下持续通入CO2气体，采用偏光显微镜观察浓度为0.5%的壳聚糖悬浮液的溶解过程，通过偏光显微镜可以看出：未通入CO2时，悬浮液中存在大量不溶于水的外观为不规则片状的壳聚糖颗粒；随着通气时间的延长，悬浮液中不溶解的壳聚糖颗粒的数量逐渐减少，体积逐渐减小；当通气时间达到15 min时，溶液中仅存少量不溶解的外观为纤丝状的壳聚糖；当通气时间达到20 min时，溶液中仅存微量不溶解的外观为点状的壳聚糖；当通气时间达到30 min时，壳聚糖全部溶解，形成均一的溶液。

由此可以推断壳聚糖在CO2水溶液中的溶解是由表及里的过程，首先是与溶液接触的表层壳聚糖发生溶解剥离，扩散到溶液中，同时形成新的界面；然后在外界溶液的作用下，新形成的表层的壳聚糖再发生溶解，如此往复，直至所有的壳聚糖溶解分散到CO2水溶液中。

2.2 溶解温度对溶解性能的影响

常压下通入CO2气体，随着通气时间的延长，浓度为0.5%的壳聚糖悬浮液在不同溶解温度时的透光率和pH值如图2和图3所示。从图2可以看出：当温度一定时，随着CO2气体通入时间的延长，溶液的透光率逐渐提高，与观察到的溶液外观变化一致。一般情况下，温度越高，高分子溶解越快。这是由于温度升高时，大分子链趋于完全舒展，大分子链的缠结点减少，分子链间的相互作用减弱。同时温度升高降低了活化能，破坏了高分子间的氢键，减弱了分子间的相互作用力。但是壳聚糖在CO2水溶液中的溶解，违反上述规律。从图3可以看出，随着溶解温度的升高，壳聚糖悬浮液转变成透明溶液的时间逐渐延长，意味着溶解时间延长。当溶解温度为5～15 ℃时，溶解时间为5 min左右；但温度达到35 ℃时，溶解时间增加到30 min。

图2 溶解温度对壳聚糖溶液透光率的影响

从图3可以看出：当溶解温度一定时，随着CO2气体通入时间的延长，溶液的pH值逐渐降低，然后趋于平衡。溶解温度对溶液pH值达到平衡的时间影响不大，基本上CO2气体的通入时间为5 min左右时，溶液的pH值就达到平衡；但是溶解温度对壳聚糖溶液的平衡pH值有较大影响，随着溶解温度的升高，溶液的平衡pH值逐渐增大，意味着溶液的酸性逐渐减弱。

图3 溶解温度对壳聚糖溶液pH值的影响

图4 壳聚糖溶解过程中的化学反应

如图4所示，壳聚糖在CO2水溶液的溶解存在两步可逆的化学反应：首先是CO2气体在水溶液中溶解生成H2CO3，并水解产生H+；然后生成的H+与壳聚糖分子中的—NH2结合，形成水溶性的阳离子化壳聚糖，进而扩散溶解在CO2的水溶液中。温度越低，CO2气体在水中的溶解度越高，形成的水溶液的酸性越强，越有利于加速壳聚糖的溶解。但是温度太低不利于壳聚糖与H+的反应，不利于阳离子化的壳聚糖在水溶液中的扩散，反而增加壳聚糖的溶解时间。由于这两种作用同时存在，所以壳聚糖的溶解温度需要控制在恰当的范围内。对比图2和图3，当溶解温度在5～15 ℃时，壳聚糖的溶解时间和溶液pH值达到平衡的时间基本一致，表明此温度范围内两种作用相互抵消，达到平衡。当溶解温度在25～35 ℃时，壳聚糖溶解时间远大于溶液的pH值达到平衡的时间；而且此温度范围内，温度越低，溶解时间越短。由此表明，此温度范围内，壳聚糖凝胶体的溶解时间主要取决于溶液的pH值，而不是溶解温度。综上所述，壳聚糖在CO2水溶液中溶解时，溶解温度主要通过影响溶液的pH值而影响壳聚糖的溶解性能，合适的溶解温度范围为5～15 ℃。

2.3 壳聚糖浓度对溶解性能的影响

壳聚糖悬浮液的温度为5 ℃，常压下持续通入CO2气体，随着通气时间的延长，不同浓度的壳聚糖悬浮液的透光率如图5所示。从图5可以看出，随着壳聚糖浓度的增大，相同通气时间时壳聚糖悬浮液的透光率逐步下降，且达到平衡的时间逐步延长；当壳聚糖悬浮液的浓度为1.5%时，溶液的透光率达到平衡的时间延长为20 min，平衡时的透光率下降为87.3%。如图4所示，壳聚糖溶解过程中存在两种可逆反应，持续通入CO2气体时，壳聚糖的溶解消耗H+，同时反应平衡向右进行，促进CO2气体在水中溶解，重新生成H+。但是，总体上随着悬浮液中壳聚糖浓度的增大，溶解过程中溶液的pH值将逐渐升高，溶液的溶解时间延长，溶解能力逐步下降，最终达到溶解饱和，此时再增加壳聚糖浓度，将不再溶解，导致溶液的透光率下降。从图5可以看出，当壳聚糖悬浮液的浓度为1.4%时，溶液的透光率从99.3%下降至91.3%，不溶物较多，认为壳聚糖在CO2水溶液中的溶解达到饱和。因此，溶解温度为5 ℃，常压下持续通入CO2气体，壳聚糖的溶解度为1.4%。

图5 壳聚糖浓度对溶液透光率的影响

2.4 溶解压力对溶解性能的影响

壳聚糖悬浮液的温度为5 ℃，一定压力下持续通入CO2气体，不同溶解压力时壳聚糖的溶解度如图6所示。从图6可以看出，随着溶解压力的增大，壳聚糖在CO2水溶液中的溶解度逐渐增大。这是由于随着溶解压力的增大，CO2气体在水溶液中的溶解度逐渐增大，溶液的酸性逐渐增强度，有利于破坏壳聚糖结构中结合力较强的氢键，使其离子化，从而扩散到水溶液中，促进壳聚糖的溶解。但是，随着溶解压力的增强，CO2气体在水溶液中的溶解度增加的幅度逐渐减弱，直至基本饱和，变化不明显。所以，当溶解压力从0 Mpa增加到0.1 Mpa时，壳聚糖的溶解度增加了28.6%；从0.1 Mpa增加到0.4 Mpa时，壳聚糖的溶解度仅增加了11.1%；进一步增加溶解压力，壳聚糖的溶解性能几乎无变化。

图6 溶解压力对壳聚糖溶解度的影响

3 结论

（1）室温常压下通入CO2气体，随着通气时间的延长，壳聚糖悬浮液中不溶解颗粒的数量逐渐减少，体积逐渐减小，溶液外观由不透明的乳白色逐渐转变为透明的溶液，而且溶液的黏度逐渐增大。

（2）随着悬浮液中壳聚糖浓度的增大，溶解过程中溶液的pH值将逐渐升高，溶液的溶解时间延长，溶解能力逐步下降，最终达到溶解饱和，此时再增加壳聚糖浓度，将不再溶解，导致溶液的透光率下降。

（3）壳聚糖在CO2水溶液中溶解时，溶液的pH值是影响壳聚糖溶解性能的主要因素。随着溶解温度的降低和溶解压力的增大，壳聚糖在二氧化碳水溶液中溶解平衡时的 pH值逐渐减小，溶解时间缩短，且溶解度增大。

（4）壳聚糖在二氧化碳水溶液中溶解时，最佳溶解温度为5 ℃，最佳溶解压力为0.4 Mpa，此时壳聚糖的溶解度最大，达到2%。

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Dissolving of Chitosan in Carbon Dioxide Aqueous Solution

YUAN Shi-yun1, JIN Rui1, ZHANG Chuan-jie1,2, ZHU Ping1,2

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China,；2. Key Laboratory of Eco-Textile, Ministry of Education, School of Textiles and Clothing, Jiangnan University, Wuxi Jiangsu 214122, China)

Chitosan was first made into a gel, and then the gel was dissolved in aqueous solution of carbon dioxide. The dissolution process of chitosan, the concentration of chitosan, dissolution temperature and dissolution pressure had been studied in this paper. The results indicated that the chitosan particles in the aqueous solution gradually became smaller, decreased and disappeared gradually, and the appearance changed from milky white turbid solution to transparent solution with the prolongation of carbon dioxide ventilation time. With the decrease of solution temperature and the increase of dissolution pressure, the dissolution time of chitosan decreased and the solubility gradually increased. The best solution temperature of chitosan in carbon dioxide aqueous solution is 5 ℃, the dissolution pressure is 0.4 Mpa, then the solubility is 2.0%.

chitosan; carbon dioxide; aqueous solution; dissolution

Q539

A

2095－414X(2017)06－0066－05

朱平（1957-），男，教授，楚天学者，研究方向：天然高分子功能材料.

湖北省教育厅中青年人才项目（Q20151607）.