“虾壳基壳聚糖的制备及表征”有机化学综合性实验设计

宫贵贞*，邱林子

徐州工程学院材料与化学工程学院（徐州 221018）

有机化学实验是食品类、生物类和化学化工类等相关专业非常重要的一门核心必修课程，是更好理解有机化学理论知识的重要辅助。通过该门课程可以培养学生的实验“三基”（基本技能、基本知识、基本能力）[1]和科学素养。但目前有机化学实验项目设置大多为验证性、简单物质的合成实验，缺少对产物结构的表征和性质测试[2]，与《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》和教育部在《关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》文件中要求的实验教学中应增加综合性和创新性实验，以提高学生的自主学习和独立研究的能力有差距[3]，同时也难以实现目前要求培养的新工科复合型人才及将可持续发展、环保等生态文明理念渗透到实验教学之中[4-5]。基于此，很多高校都对综合性、创新性实验内容、授课模式进行探究与实践，以更有效地提高学生的创新能力、实践能力、科研素养和研发能力[6]，推动学生知识体系的交叉融合[7]，成为具有较强创新能力和实践能力，且具有正确的世界观、人生观和价值观的人才。

壳聚糖是天然高分子，生物相容性很好，可以代替化石基高分子，现已被广泛用于食品、医药等行业[8-10]。壳聚糖是经甲壳素碱解得到，而甲壳素广泛存在于甲壳类物质，故可从废弃的甲壳类物质中提取。一方面，可提高废物利用，提高环保；另一方面，可减少化石原料的利用，具有重要的社会价值和经济价值。虾壳基壳聚糖的制备实验涵盖有机化学合成知识、实验操作、结构的表征、性能测试等项目，具有多个学科的交叉与融合。将“虾壳基壳聚糖的制备及表征”设计成有机化学综合实验，能够提高实验趣味性，有利于强化学生综合实验能力、创新能力、分析问题和解决问题能力，还可使其树立正确的生态价值观。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

氢氧化钠、盐酸、双氧水、冰醋酸、亚硫酸氢钠、乙酸钠及溴化钾，均为分析纯；虾壳，市售冰冻虾的壳。

1.2 仪器与设备

DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器（巩义市予华仪器有限责任公司）、DZF-6020真空干燥箱（上海贺德实验设备有限公司）、SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵（山东省菏泽市祥龙电子科技有限公司）、JM-A10002电子天平（上海方瑞仪器有限公司）、ALPHA傅里叶红外光谱仪（德国布鲁克）、Q20差示扫描量热仪（美国TA公司）、Q50热重分析仪（美国TA 公司）。

1.3 试验内容

主要内容包括虾壳的预处理、甲壳素的提取及壳聚糖的制备，经过虾壳洗涤、粉碎、过筛、稀酸、稀碱反应、脱色及与浓碱反应等一系列步骤得到壳聚糖，如图1所示。涉及有机化学理论知识、实验基本操作知识、大型仪器操作技能、谱图解析等。

1.3.1 原料预处理

选取冰冻虾，剥其壳，去除虾尾及虾足，留其背部壳，然后清洗至基本无泡沫，沥干水分，于真空干燥箱80 ℃干燥4 h，研磨过20目分样筛得虾壳粉，装袋密封，备用。

1.3.2 甲壳素的制备

称取7 g虾壳粉，用90 mL 4%的盐酸溶液，浸泡一定时间。过滤酸液，蒸馏水水洗至中性。用200 mL 10%的氢氧化钠溶液于90～100 ℃下搅拌2 h，过滤碱液，蒸馏水水洗至中性。80 ℃真空干燥得甲壳素粗品。甲壳素粗品先用5%双氧水室温浸泡1 h，抽滤，蒸馏水水洗除去双氧水至中性。再用5%亚硫酸氢钠溶液室温浸泡1 h，抽滤，蒸馏水水洗至中性，80 ℃真空干燥得白色或浅灰色半透明的片状固体甲壳素。

1.3.3 壳聚糖的制备

取0.3 g上述所制甲壳素，用40%氢氧化钠溶液进行处理，碱煮温度为90～100 ℃，碱煮时间分别为1，2，3，4和5 h。过滤，水洗至中性，于真空干燥箱中干燥得壳聚糖。

图1 试验流程图

1.4 分析及检测方法

1.4.1 甲壳素灰分含量的测定

采用刘俊[11]灰分含量的测定方法。用洗净并在550 ℃高温下灼烧0.5 h，在干燥箱冷至室温的瓷坩埚称取一定量的甲壳素样品，准确至0.000 2 g。先在普通电炉中烤至炭化，然后在马弗炉中于550 ℃下灼烧3 h，取出，在空气中冷却1 min，再在干燥器中冷却30 min，称质量，然后再放入电炉中灼烧1 h，冷却，称质量，直至两次质量之差小于0.001 g为恒质量。灰分含量按式（1）计算。

式中：W0为已恒质量的空坩埚质量，g；W1为坩埚加样品的质量，g；W2为灰化后坩埚加灰分的质量，g。

1.4.2 壳聚糖脱乙酰度的测定

采用孙琳等[12]的红外光谱法测定壳聚糖的脱N-乙酰基度。将制备的壳聚糖样品在80 ℃下真空干燥2 h后，称取适量壳聚糖样品与干燥的KBr充分研磨混匀，用压片机压片，置于傅里叶变换红外光谱仪中，扫描次数为64次，分辨率为4 cm-1，记录4 000～400 cm-1范围内的光谱。

式中：DD为脱乙酰度；A为吸光度。

1.4.3 壳聚糖黏均分子量的测定

按照文献[13]的方法进行测定。所有标准液体均应经纯化。使用乌氏黏度计测分子量时，务必先检查再严格洗净。测量时，水浴温度必须恒温在30 ℃（波动小于0.05 ℃）。

1.4.4 壳聚糖的热重分析（TG）

将壳聚糖样品在真空干燥箱中60 ℃下干燥2 h，采用Q50 TGA热重分析仪，升温速率为20 ℃/min，温度范围为30～800 ℃，高纯氮气为保护气。

1.4.5 壳聚糖的差示扫描量热（DSC）法

将壳聚糖样品在真空干燥箱中60 ℃下干燥2 h，采用Q20 DSC仪器，升温速率为30 ℃/min，温度范围为40～500 ℃，高纯氮气为保护气。

2 结果与讨论

2.1 提取甲壳素工艺的选择

稀盐酸脱钙采用一次（反应4 h）和两次（先用盐酸反应一段时间，倾去酸液，再进行第二次反应，具体分为1/3，2/2和3/1 h）的工艺。所得甲壳素灰分如图2所示。采用二次反应的方式所得甲壳素灰分含量均低于一次反应，其中1/3 h的两次酸浸脱钙时间为制备甲壳素灰分含量最少的组别，说明用二次酸浸脱钙法比用一次酸浸脱钙法能更有效去除无机组分。

图2 反应时间对甲壳素灰分的影响

2.2 碱煮时间对壳聚糖的影响

由图3可以看出，随着浓碱煮时间的增加，脱乙酰度也在增加，当浓碱煮时间为4 h时，脱乙酰度达87.2%；超4 h以后，增加趋势放缓。碱煮时间对壳聚糖的收率影响并不大。综合考虑节约能源和时间因素，碱煮时间选为4 h，可获得较高的脱乙酰度和收率。

2.3 壳聚糖FTIR分析

不同碱煮时间所得壳聚糖的FTIR见图4，峰归属见表1。由图4可看出，3 424 cm-1左右的吸收峰为—OH伸缩振动特征峰，吸收强度随碱煮时间的延长向低波数移动，处理2 h时移动最明显，为6 cm-1，这说明分子间氢键减弱。1 638 cm-1左右的酰胺I谱带随碱煮时间的延长而减弱，说明酰胺基含量减少。

图3 碱煮时间与脱乙酰度及收率的关系

表1 壳聚糖FTIR谱带归属

2.4 壳聚糖的黏均分子量

计算各溶液对应的相对黏度（ηr=T/T0）、增比黏度（ηsp=ηr-1）和比浓黏度（η=ηsp/C），并以5个比浓黏度作图，可得一条直线，将此直线外推，求得截距，此截距为特性黏度[η]。黏均分子量参照文献[14]进行计算：[η]=1.81×10-3M0.93，即可求得壳聚糖的黏均分子量，具体结果见图5。随着时间的延长，黏均分子量增加，反应4 h所得壳聚糖的黏均分子量为9.18×10-5，达到最大；5 h时，降为8.5×10-5。

2.5 壳聚糖的TG分析

图6是脱乙酰度为87.2%和85.9%两个样品的热失重图。其热分解过程分为三个部分：30～268 ℃之间，268～420 ℃之间以及420 ℃之后，主要热分解发生在268～420 ℃之间，这与文献[15-17]报道是一致的。样品在260 ℃之前，都有一个轻微的失重，这是因为试样中存在少量的小分子物质吸附水的热解析和对空间水的先脱除，而样品主要的质量未损失，证明在此温度前，壳聚糖性质较稳定。而所有样品在400℃之后，热分解逐渐趋于平稳，性质也比较稳定。

图5 不同碱煮时间所得壳聚糖的黏均分子量

图6 不同脱乙酰度壳聚糖的TG图

2.6 壳聚糖的DSC分析

不同脱乙酰度壳聚糖的DSC谱图如图7所示。热解过程在124 ℃出现一个吸热峰，可能是形成的一些小分子挥发性物质所引起的；在325 ℃左右出现一个巨大的、尖锐的放热峰，可能是壳聚糖剧烈分解、氧化、热交联等反应放热所致。

图7 不同脱乙酰度壳聚糖的DSC图

3 结论

从虾壳制备壳聚糖，二次1/3 h脱钙反应所得甲壳素灰分含量较低；碱煮4 h，所得壳聚糖脱乙酰度和收率较高，黏均分子量达到最大，为9.18×10-5；不同脱乙酰度的壳聚糖其热稳定性有所差异。虾壳制备壳聚糖的综合实验，实现了有机化学理论教学、实验操作教学、文献调研和仪器分析等多学科交叉的有机结合。学生通过查阅文献了解课题进展、仪器使用等知识内容，以设计出合理的实验方案。通过实验过程、仪器操作、数据处理、谱图解析等，学生可感知科学的趣味性、严谨性和准确性。通过该综合实验的教学训练，学生的实验动手能力、分析解决问题能力、创新意识和思维有所提高，有助培养成具有良好科学素养的“厚基础、善实践、能创新、高素质”的新工科复合型创新人才。