鄭絲柳，徐 陽，周穎梅

（徐州工程學院化學化工學院，江蘇 徐州 221111）

殼聚糖（CTS）是自然界儲量豐富的天然高分子多糖，制備簡單，來源豐富，價格便宜，易被分解為無毒小分子氨基葡萄糖[1]。CTS已經(jīng)在廢水處理、生物工程、紡織印染、食品、農(nóng)業(yè)、日化和醫(yī)學方面得到成功應(yīng)用[2-3]。但CTS只溶于酸或酸性水溶液中，不溶于水，這在很大程度上限制了其應(yīng)用。因此，對殼聚糖進行化學改性以提高其在水溶液及有機溶劑中溶解性的研究具有重要意義。在眾多化學改性中，對殼聚糖的羧甲基化是研究較多的一種,最早由Hayes在1986年報道[4]。羧甲基殼聚糖(CMC)既保留了CTS的許多優(yōu)點，同時具有很好的水溶性、保濕性、成膜性等，目前在日化、食品、造紙、醫(yī)藥方面應(yīng)用廣泛。

殼聚糖羧基化的主要衡量指標是取代度（DS），DS越大，溶液親水性和穩(wěn)定性越好，得到的產(chǎn)品也越好。但是受到化學結(jié)構(gòu)的影響取代反應(yīng)中DS總小于3。很多學者為提高取代反應(yīng)的DS設(shè)計了不同工藝的實驗，也獲得了不同的產(chǎn)物。韓曉曉等通過殼聚糖的羥丙基化和羧甲基化兩步反應(yīng)制備了具有兩性的殼聚糖衍生物，但是其使用原料多，反應(yīng)復(fù)雜，獲得的羧甲基DS并不高。吳友吉等[5]利用非質(zhì)子溶劑法，以二甲亞砜（DMSO-H2O）為溶劑，在堿性環(huán)境下將殼聚糖（CTS）與氯乙酸反應(yīng)，DS達到了1.93。但是其在分析反應(yīng)條件時并沒有綜合所有的因素，反應(yīng)條件綜合狀況沒有最優(yōu)。朱琨等[6]研究了3種羧甲基殼聚糖的制備，并利用聯(lián)合制備法，使反應(yīng)充分取代，得到的產(chǎn)率有所提高。李萬海等[7]設(shè)計了一種改進的工藝路線，并對制備條件進行優(yōu)化，得到的DS只有0.65以上。鐘超等[8]研究了兩步加堿法制備N,O-羧甲基殼聚糖反應(yīng)條件對DS的影響，從實驗數(shù)據(jù)的角度分析了單一變量下CMC的變化情況，其不足是只從數(shù)據(jù)的角度分析，不同因素之間相互關(guān)系或綜合影響情況未知。

從上面的研究發(fā)現(xiàn)，不論是何種制備方法，DS總是受到反應(yīng)條件的影響，而通過實驗的方法只能得到大致變化趨勢，最大DS所對應(yīng)的反應(yīng)條件并不能準確地確定。本文就是研究在殼聚糖羧基化的過程中，反應(yīng)條件對最優(yōu)DS的影響，并確定在保證最優(yōu)DS的情況下，各個反應(yīng)條件原料的用量分配，當用于其它制備實驗時，可以合理分配原料，對實驗設(shè)計和結(jié)果分析有較大意義。

1 實驗

1.1 主要試劑與儀器

殼聚糖（脫乙酰度大于90%），異丙醇，氯乙酸，氫氧化鈉，無水乙醇，其余試劑均為AR。實驗用水為自制蒸餾水。

DZF6020型真空干燥箱，F(xiàn)A1004型電子天平，DF-101S智能集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，PHSJ-3F實驗室pH計，數(shù)顯智能控溫磁力攪拌器，ALPHA型傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）。

1.2 實驗方法

稱取2.5g的殼聚糖粉末分散于異丙醇溶劑中，在一定溫度下使其充分溶脹，水浴加熱并不斷攪拌。恒定溫度下，在一定濃度的NaOH溶液中充分溶解。滴加氯乙酸與異丙醇的混合液使其羧化，再以一定濃度的NaOH溶液滴加進行二次堿化。采用二步加堿法時，物料投放滿足一定比例關(guān)系，最后精制產(chǎn)品，在65℃的真空烘箱中充分干燥。

1.3 DS的測定

采用電位滴定法來確定產(chǎn)物的DS。稱取一定質(zhì)量的產(chǎn)物溶解于0.1mol·L-1的HCl溶液中，用0.1mol·L-1NaOH溶液滴定。并用pH計檢測溶液pH值的變化。繪制NaOH溶液用量與pH值的變化曲線圖。羧甲基殼聚糖DS的計算公式如下：

式中，V1為過剩鹽酸的滴定終點；V2為羧基的滴定終點；c(NaOH)為氫氧化鈉的濃度，mol·L-1；m為羧甲基殼聚糖的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)紅外分析

取少量殼聚糖（CTS）和羧甲基殼聚糖粉末，在65℃的真空烘箱中充分干燥后，將待測樣品經(jīng)KBr壓片，采用FT-IR進行表征，所得CTS與CMC的紅外光譜圖見圖1。

圖1 CTS與CMC紅外光譜圖Fig.1 IR spectrum of CTS and CMC

羧甲基殼聚糖在1561cm-1處出現(xiàn)了-COOH的峰，而在殼聚糖圖譜中1569cm-1處的峰強度并不如羧甲基殼聚糖1561cm-1處峰強度強，這說明，殼聚糖發(fā)生了羧甲基化反應(yīng)。殼聚糖在1149cm-1處出現(xiàn)了仲羥基的伸縮振動峰，在羧甲基殼聚糖中，仲羥基的伸縮振動峰出現(xiàn)在1138cm-1處，并且強度較殼聚糖中仲羥基強度要??；殼聚糖1079cm-1處為伯羥基伸縮振動峰，羧甲基殼聚糖中伯羥基伸縮振動峰出現(xiàn)在1020cm-1處，同樣的，羧甲基殼聚糖中伯羥基伸縮振動峰峰強度小于殼聚糖中伯羥基伸縮振動峰峰強度，伯羥基和仲羥基峰強度減小的現(xiàn)象都說明了伯羥基和仲羥基位置上均發(fā)生了羧甲基化反應(yīng)。

2.2 反應(yīng)條件對DS的影響

按照第一部分實驗，控制單一的反應(yīng)條件，分別討論實驗中NaOH、氯乙酸、異丙醇、水、溫度和反應(yīng)時間對DS的影響，并為下面獲得最優(yōu)的DS做鋪墊。

2.2.1 NaOH用量對產(chǎn)物DS影響

由圖2可以看出，隨著氫氧化鈉量的增加，DS逐漸增加。當用量到達一定值時，DS變化平穩(wěn)。堿用量增加會使殼聚糖產(chǎn)生更多的活性中心，有利于提高DS。但是堿量低時反應(yīng)難以進行，過高時促進副反應(yīng)發(fā)生，都不利于DS的提高。

圖2 NaOH用量對DS影響Fig. 2 Effect of amount of sodium hydroxide on DS

2.2.2 氯乙酸用量對產(chǎn)物DS影響

由圖3可知，控制其它條件不變時，DS存在一個最大值。當氯乙酸小于一定量時，增大氯乙酸，DS增加；當氯乙酸大于一定量時，增大氯乙酸，DS減小。這是因為增加氯乙酸會消耗一部分氫氧化鈉，促進副反應(yīng)，導(dǎo)致DS降低。這個實驗中，當氯乙酸加入量過高，大于30g或更高時，反應(yīng)體系呈酸性，反應(yīng)無法進行。

圖3 氯乙酸用量對DS的影響Fig.3 Effect of amount of monochloro acetic acid on DS

2.2.3 異丙醇對產(chǎn)物DS影響

從圖4可以看出，異丙醇含量的增加有利于DS的提高。異丙醇作用的機理主要是增加殼聚糖溶脹，促進堿液滲透和擴散，抑制副反應(yīng)，提高氯乙酸利用率。其同時也有一定的不足，即其降低了堿液濃度，影響了殼聚糖的活性中心形成。所以適當?shù)漠惐加欣谔岣呷〈磻?yīng)的DS。

圖4 異丙醇用量對DS影響Fig. 4 Effect of amount of isopropyl alcohol on DS

2.2.4 水的用量對產(chǎn)物DS影響

由圖5可知，隨著水量的增加DS減小，當增加到一定程度時，反應(yīng)不能進行，一般水量在22mL為宜。水量增加會導(dǎo)致堿濃度降低，使得活性中心水解，另外增加了副反應(yīng)的進行，降低了氯乙酸的利用率。

圖5 水的用量對DS的影響Fig.5 Effect of amount of water on DS

2.2.5 溫度對產(chǎn)物DS影響

由圖6可知，隨著溫度的增加，DS先增加后減小，但存在一個最大值。這是由于在整個化學反應(yīng)中，溫度對反應(yīng)方向起一定的作用。溫度升高會使反應(yīng)向正向進行，此時羧甲基中正碳離子與堿化殼聚糖中氧負離子和氮負離子反應(yīng)，活性中心顯著提高。而溫度過高時會促進副反應(yīng)，氯乙酸利用率低，破壞堿化殼聚糖結(jié)晶。

圖6 溫度對產(chǎn)物DS的影響Fig.6 Effect of reaction temperature on DS

2.2.6 時間對產(chǎn)物DS影響

從圖7中可以看出，隨著反應(yīng)時間的增加，DS先顯著增加，然后趨于平穩(wěn)并有下降趨勢。反應(yīng)時間長時，殼聚糖分子鏈逐漸降解，產(chǎn)生透析作用或者增加了物料的粘附性。實驗表明，羧甲基化的反應(yīng)應(yīng)在6h內(nèi)完成。

圖7 時間對DS的影響Fig.7 Effect of reaction temperature on DS

2.3 最優(yōu)DS的確定

2.2 中討論的是6種反應(yīng)條件單獨作用下DS的變化情況和該條件下的最優(yōu)值，而綜合作用的最優(yōu)值及原料用量并不可知。易喻等[9]設(shè)計了四因素三水平的正交實驗，得到了反應(yīng)的最佳組合，具有一定的合理性，但是通過實驗仍不能說明其最佳效果。我們這里建立控制4個因素的數(shù)學模型，組合優(yōu)化各個因素，確定理論值。

2.3.1 數(shù)據(jù)處理

摩爾質(zhì)量將所有化合物統(tǒng)一了量綱，使得所有化合物可以進行比較。我們建立數(shù)學模型，采用標準差的方式去除數(shù)據(jù)量綱。單一因素實驗時，用量改變的次數(shù)，即一個因素實驗的次數(shù)為n，這里討論6個因素：氫氧化鈉用量、氯乙酸用量、異丙醇用量、反應(yīng)溫度、水量、反應(yīng)時間。設(shè)第i 個因素第j次實驗的數(shù)值為，標準化后的實驗數(shù)值為：

2.3.2 確定各因素權(quán)重

采用加權(quán)求和的方式，定義權(quán)重為同一種因素用量變化對DS變化的影響程度，即靈敏度：

2.3.3 優(yōu)化模型的建立[10]

首先確定目標函數(shù)，使得總的DS最大。即各個因素DS的加權(quán)求和，則目標函數(shù)為：

在不同實驗中，這種關(guān)系并不相同，但可以確定大致的趨勢。我們從已有的實驗獲得這種對應(yīng)關(guān)系，主要采用線性及非線性擬合的方式，確定DS與對應(yīng)原料用量的關(guān)系：

其中K為修正系數(shù)，由于不同實驗用量引起，這里K=1。對于其他實驗，若相同原料用量測得DS不同，則引入修正系數(shù)修正。這樣即有Xi=f-1(DSi)。

考慮反應(yīng)在堿性條件下進行，以及溫度和最大DS實際情況的限制，得出約束條件為：

利用Matlab的cftool工具箱對實驗數(shù)據(jù)進行初等擬合，得到6條最佳的變化曲線關(guān)系：

2.3.4 最優(yōu)DS及原料分配

按照權(quán)重的定義確定權(quán)重向量s為：s=[0.836，0.673，0.651，0.579，0.411，0.592]。由權(quán)重即可以得到具體的目標函數(shù)，其形式為六元一次線性方程。上述模型可以概括為多元線性優(yōu)化模型，但是具有非線性的約束。求解時，我們首先考慮線性的部分，即將擬合曲線的約束去掉。在求得最優(yōu)解后，根據(jù)DS對各個變量的逆函數(shù)求得對應(yīng)的原料用量。進一步簡化約束條件，將各個原料用量最值帶入擬合函數(shù)，求得對應(yīng)DS的最值。

由權(quán)重S可以看出各因素對DS的影響由大到小為：氫氧化鈉用量、氯乙酸的用量、異丙醇用量、時間、水和溫度。所以不妨將單一因素下DS最優(yōu)時，氫氧化鈉、氯乙酸和異丙醇的用量作為初始條件，綜合考慮DS最優(yōu)時，時間、溫度和水的參數(shù)值。

確定在恒溫60℃，反應(yīng)時間為6h，異丙醇50mL，水25mL條件下，各個原料用量比為m(殼聚糖)∶m(氯乙酸)∶m(氫氧化鈉)=1∶4.8∶4.8時，最優(yōu)DS為1.24。

2.4 模型優(yōu)度

模型的可行性可以通過實驗驗證，來比較原料用量以及是否所得的DS為最大。但是仍然需要設(shè)計一組實驗，而且由于實驗誤差存在，測得DS只能確定一個范圍。在范圍內(nèi)與上述值相等。所以不妨通過比較優(yōu)化后原料用量和DS來檢驗?zāi)Ｐ蛢?yōu)度。設(shè)優(yōu)化的原料用量為Yi，優(yōu)化的DS為DS0，模型優(yōu)度定義為：

其值越小，模型優(yōu)度越高。利用上式計算模型優(yōu)度值為0.15，可見模型優(yōu)度較高，所得的原料用量和DS滿足要求。

3 結(jié)論

利用兩步加堿法制備了羧甲基殼聚糖,通過紅外光譜分析對產(chǎn)物進行了認證。建立優(yōu)化模型，以DS最大為目標函數(shù)，擬合函數(shù)以及各影響因素的實驗條件限制為約束條件。 求解得到在恒溫60℃，反應(yīng)時間為6h，異丙醇50mL，水25mL條件下，當各個原料用量比為m(殼聚糖)∶m(氯乙酸)∶m(氫氧化鈉)=1∶4.8∶4.8時，最大DS為1.24，此時各個原料用量總量相對減小。通過計算證明所得模型優(yōu)度較高。

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