鄭絲柳，徐 陽，周穎梅

（徐州工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221111）

羧甲基殼聚糖（Carboxymethyl chitosan，CMC）是殼聚糖經(jīng)羧甲基化反應(yīng)后的一類殼聚糖衍生物[1]。它具有保濕性、水溶性、成膜性的優(yōu)點，在日化、食品、造紙、制藥、化妝品等方面都有著重要的用途。殼聚糖（CTS）是甲殼素經(jīng)脫乙酰化后的產(chǎn)物。甲殼素又名幾丁質(zhì)、甲殼質(zhì)，是一種線型的天然高分子中性黏多糖，主要從蝦、蟹殼中提取。徐州周邊地區(qū)每年吃食大量的龍蝦，將廢棄的龍蝦殼提取甲殼素后制備成羧甲基殼聚糖，在環(huán)保及實際應(yīng)用上都具有現(xiàn)實意義。

自Hayes[2]報道了用氯乙酸法制備羧甲基殼聚糖后，眾多學(xué)者對該方法進行改進，以提高產(chǎn)物的取代度。徐云龍等[3-4]研究制備了取代度（DS）為0.92、0.95和1.70的羧甲基殼聚糖。王永娟[5]在水溶媒介中，利用微波加熱使殼聚糖發(fā)生羧甲基化改性反應(yīng)，制得取代度為1.23的CMC。鐘超等[6]利用兩步加堿法，并采用等電點沉降法精制所得的N,OCMC，DS達1.7。吳友吉等[7]利用非質(zhì)子溶劑法，以二甲亞砜(DMSO-H2O)為溶劑，在堿性條件下殼聚糖與氯乙酸反應(yīng)，制得取代度高達1.93的CMC。

本文以蝦殼廢棄物為原料，通過酸堿循環(huán)處理方式提取出甲殼素，然后進行脫乙酰化后得到殼聚糖。結(jié)合兩步加堿法和非質(zhì)子溶劑法的優(yōu)點，用有機溶劑二甲亞砜代替異丙醇對殼聚糖進行膨脹，通過兩步加堿法制得了取代度為1.75的N,O-羧甲基殼聚糖。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

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，雷磁PHSJ-3F實驗室pH計，SZCL-4型數(shù)顯智能控溫磁力攪拌器，ALPHA型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），SHB-Ⅲ循環(huán)水泵。

1.2 實驗試劑

淡水龍蝦（市售）；二甲亞砜（AR）、氯乙酸、氫氧化鈉（AR）、鹽酸（AR）、無水乙醇（AR）。實驗用水為自制蒸餾水。

1.3 實驗方法

1.3.1 由廢棄淡水龍蝦殼提取甲殼素

用清水將蝦殼內(nèi)外表面的異物去除干凈，用干燥箱在100℃下干燥，粉碎。將粉碎的蝦殼，先用5%氫氧化鈉溶液浸泡5h脫除蛋白質(zhì)，再用5%鹽酸溶液浸泡3h脫灰分。經(jīng)酸堿循環(huán)處理，直至加酸再無氣泡產(chǎn)生。最后漂洗、干燥，得到甲殼素。

1.3.2 由自制甲殼素制備羧甲基殼聚糖

首先將甲殼素以1∶70的比例浸入濃度為60%的氫氧化鈉溶液中，90℃下在氮氣氛圍中脫乙?；?2h后過濾，用熱水沖洗產(chǎn)物至中性，干燥，得到白色片狀殼聚糖。取3g自制殼聚糖于單口蒸餾燒瓶中，用40 mL二甲亞砜浸漬4h，使其充分溶脹。在上述溶液中加入15 mL質(zhì)量濃度為40%的NaOH溶液，在25℃下攪拌2h，對其進行一次堿化后靜置12h。將氯乙酸溶于一定量的二甲亞砜中，逐滴加入燒瓶中，反應(yīng)在60℃恒溫及攪拌條件下進行4h，使其充分反應(yīng)。接著再一次性加入15 mL 40%的NaOH溶液，在60℃恒溫下攪拌2h，得到油狀液體及白色固體的混合物。

1.3.3 產(chǎn)品精制

倒掉上層清液，加入適量的無水乙醇，蓋上玻璃塞用力搖晃，靜置，倒掉上層乙醇清液，除去氯乙酸鈉等鹽，反復(fù)清洗4～5次。將產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到燒杯中，加入剛好可以溶解的水量，攪拌溶解后充分靜置，抽濾。將濾液轉(zhuǎn)移到燒杯中，用1mol·L-1的HCl將pH調(diào)節(jié)到等電點附近，再加入6倍量的無水乙醇。等有大量白色絮狀物析出，充分靜置后抽濾，將產(chǎn)物放于65℃的真空烘箱中充分干燥。

1.4 紅外光譜分析

將自制殼聚糖和羧甲基殼聚糖充分干燥后用溴化鉀壓片，在4000～400cm-1范圍內(nèi)進行掃描，得到二者的紅外光譜圖。

1.5 取代度的測定

采用電位滴定法[8]測定取代度。根據(jù)文獻[6]，取代度的計算公式如下：

其中，A=(V2-V1)CNaOH/m，CNaOH為氫氧化鈉的濃度，mol·L-1；m為被滴定CMC的質(zhì)量，g。V1為滴定過剩鹽酸所消耗的NaOH溶液的體積，mL；V2-V1為滴定總羧基所消耗NaOH溶液的體積，mL。

測定取代度時，以脫乙酰度為90%的殼聚糖為原料，其氨基葡萄糖單元的摩爾質(zhì)量Mcts單元=10%×203.19+90%×161.15=165.354，所以取代度計算公式為：DS=165.354A/(1-58A)。

2 結(jié)果分析

2.1 兩步加堿法的改進

與傳統(tǒng)工藝相比，兩步加堿法最明顯的區(qū)別就是堿是分兩步加入的，該方法一定程度上破壞了殼聚糖的晶區(qū)，促進了反應(yīng)試劑的滲透和擴散，確保了取代反應(yīng)更完全地進行，因而提高了產(chǎn)物的取代度[7]。但是該方法采用質(zhì)子溶劑（異丙醇）作為溶劑，而CTS的羧甲基化反應(yīng)是一個親核取代反應(yīng)，質(zhì)子溶劑容易使親核溶劑溶劑化，抑制羧甲基化反應(yīng)。二甲亞砜是非質(zhì)子溶劑，對親核取代反應(yīng)具有很大的活化作用，可以提高產(chǎn)物的取代度。

2.2 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)紅外分析

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

圖1 CTS與CMC的FT-IRFig.1 FT-IR spectrum of CTS and CMC

由圖1可以看出，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)。所得產(chǎn)物為N,O-羧甲基殼聚糖。

2.3 取代度的測定

稱取0.25g精制的CMC產(chǎn)品，溶解于45mL 1.0198mol·L-1的鹽酸溶液中，用濃度為0.1124mol·L-1的NaOH溶液滴定并用pH計測定溶液pH值的變化，利用二階微商確定拐點的堿用量。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作圖得圖2和圖3。

如圖2和圖3所示，第1個標注點為過剩鹽酸的滴定終點，第2個標注點為羧基的滴定終點，第3個標注點為NH3+的滴定終點。V3-V2為滴定總氨基所消耗NaOH溶液的體積，mL。其中，m為0.1655g，CNaOH=0.0944mol?L-1，根據(jù)公式（1）計算得取代度為1.75。

圖2 N,O-CMC電位滴定曲線Fig.2 Potentiometric titration curve of N,O-CMC

圖3 N,O-CMC滴定微商曲線Fig.3 Titration curve derivative of N,O-CMC

3 結(jié)論

以蝦殼廢棄物為原料，成功地制得了羧甲基殼聚糖。利用二甲亞砜代替有機溶劑異丙醇對殼聚糖進行膨脹，可以有效地活化親核取代反應(yīng)，結(jié)合兩步加堿法，使產(chǎn)物的取代度得到提高。

[1] 朱琨，鄧海，威常樂.羧甲基殼聚糖的制備研究[J].江蘇教育學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2011， 27（5）：40-42.

[2] Hayes Ernest R. N,O-Carboxymethyl chitosan and preparative method therefore: US, 4619 995[P].1986-10-28.

[3] 徐云龍，汪傳木，雷曉明.相轉(zhuǎn)移催化法制備羧甲基殼聚糖[J].華東理工大學(xué)學(xué)報，2003，29（1）：80-82.

[4] 徐云龍，馮屏，錢秀珍，等.微波合成羧甲基殼聚糖[J].華東理工大學(xué)學(xué)報，2003，29（4）：380-383.

[5] 王永娟.羧甲基殼聚糖的制備及應(yīng)用研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2009.

[6] 鐘超，趙靜，黃明智.兩步加堿法制備N,O-羧甲基殼聚糖-反應(yīng)條件對取代度的影響[J].精細化工，2004，21（5）：338-341.

[7] 高友吉，宋慶平，李慶海.高取代度羧甲基殼聚糖的制備[J].合成化學(xué)，2006，14（5）：506-509.

[8] Muzzarelli R A A, Tanfani F, Emanulli M, et al.N-(Carboxymethylidene) chitosans and N-(carboxymethyl)chitosans;novel chelating polyampholytes obtained from chitosan glyoxylate[J]. Carbohydrate Research, 1982(107):199-214.