王西，趙珺，吳修利，姜雪，殷立穎

（長春大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130012）

二甲基亞砜體系改性殼聚糖的制備及其膜性能研究

王西，趙珺*，吳修利，姜雪，殷立穎

（長春大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130012）

采用二甲基亞砜（DMSO）體系制備N-琥珀酰殼聚糖。試驗(yàn)考察反應(yīng)溫度、氨基/酸酐摩爾比和反應(yīng)時間對N-琥珀酰殼聚糖取代度的影響，并對殼聚糖及其衍生物膜的機(jī)械性能進(jìn)行測定分析。結(jié)果表明，殼聚糖經(jīng)堿處理后，當(dāng)反應(yīng)溫度60℃，氨基/酸酐摩爾比1∶2，反應(yīng)時間6 h，N-琥珀酰殼聚糖取代度最高可達(dá)0.61。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：添加甘油的N-琥珀酰殼聚膜機(jī)械性能較殼聚糖膜機(jī)械延展性能明顯增強(qiáng)。

N-琥珀酰殼聚糖；取代度；改性膜

殼聚糖具有安全無毒，生物相容性好，生物可降解等特點(diǎn)，作為一種對人體無害、環(huán)境友好的抗菌材料，廣泛用于醫(yī)療、家庭用品、食品包裝等領(lǐng)域。但殼聚糖較差的溶解性，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。試驗(yàn)證明殼聚糖?；幚砗笃渌芙庑阅苊黠@提高[1]。殼聚糖與丁二酸酐反應(yīng)制備N-琥珀酰殼聚糖的工藝主要包括：乙酸—丙酮體系、乳酸—甲醇體系和二甲基亞砜體系。但前兩者體系分別存在反應(yīng)過程中易生成凝膠和溶劑有毒等缺點(diǎn)，為后續(xù)處理加大了難度。

本研究以二甲基亞砜為反應(yīng)介質(zhì)，利用丁二酸酐與殼聚糖發(fā)生?；磻?yīng)，在殼聚糖的N-端引入羧基，從而獲得易溶于水的改性殼聚糖。

目前，殼聚糖抗菌膜應(yīng)用于水果保鮮、醫(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注[2]。但膜的機(jī)械性能方面還需要進(jìn)一步研究。因此本試驗(yàn)從經(jīng)濟(jì)效益方面考慮，為節(jié)約成本，對改善提高殼聚糖膜的機(jī)械性能，進(jìn)行了初步研究。

1 材料和方法

1.1 材料和儀器

殼聚糖（脫乙酰度84%）、丁二酸酐：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；其余試劑均為分析純。

XMT-DA數(shù)顯調(diào)節(jié)儀：余姚市亞星儀器儀表有限公司；SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水式真空泵：鞏義市英峪予華儀器廠；FA1104N-電子天平：上海精密儀器有限公司；GZX-9070MBE電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；電子萬能儀試驗(yàn)機(jī)：上海傾技儀器儀表科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 N-琥珀酰殼聚糖的制備

N-琥珀酰殼聚糖制備的典型工藝如下：準(zhǔn)確稱量2.0 g堿處理[3]后的殼聚糖，加入40 mL二甲基亞砜（DMSO）中溶解攪拌10 min，而后緩慢加入2.0 g丁二酸酐，一定溫度下反應(yīng)至設(shè)定時間。將生成物進(jìn)行過濾，固相用乙醇浸泡30 min，pH調(diào)到10.0后進(jìn)行過濾，將沉淀物溶于蒸餾水，經(jīng)丙酮沉淀后再用乙醇和丙酮進(jìn)行多次洗滌，干燥后即獲得最終產(chǎn)物N-琥珀酰殼聚糖[4]。

1.2.2 N-琥珀酰殼聚糖取代度的測定

采用酸堿滴定法測量N-琥珀酰殼聚糖取代度。準(zhǔn)確稱量0.2 g N-琥珀酰殼聚糖樣品，溶于80 mL蒸餾水中，磁力攪拌10 min。向溶液中加兩滴酚酞指示劑，用4%氫氧化鈉調(diào)至溶液顏色剛剛發(fā)生變化，再滴加3滴～4滴甲基橙指示劑，用H2SO4標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至反應(yīng)溶液由無色變?yōu)榧t色[5]。取代度計算如下：

式中：DS為N-琥珀酰殼聚糖的取代度；M為硫酸溶液的摩爾濃度，mol/L；m為N-琥珀先殼聚糖的質(zhì)量，g；V為消耗的硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；B為中間計算值。

1.2.3 殼聚糖膜機(jī)械性能研究

稱取1.0 g的殼聚糖，加入2%乙酸溶液中攪拌至溶解，離心分離雜質(zhì)，獲取上清液超聲波脫泡處理。室溫下流延法制膜，放入恒溫干燥箱，40℃下讓溶劑揮發(fā)4 h，4%氫氧化鈉堿溶液處理一定時間后，蒸餾水進(jìn)行沖洗至中性，干燥后獲得殼聚糖膜。通過電子萬能儀試驗(yàn)機(jī)對膜進(jìn)行拉伸測定。同理，向鑄膜液中加入1 mL甘油制得含有甘油的殼聚糖膜和根據(jù)文獻(xiàn)[6]制備含甘油的N-琥珀酰殼聚糖膜。測定條件為：拉伸速率10 mm/min，拉伸間距30 mm，測定室溫（25±1）℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)條件對N-琥珀酰改性殼聚糖取代度的影響

2.1.1 反應(yīng)溫度對產(chǎn)物取代度的影響

殼聚糖經(jīng)堿處理后，在氨基/酸酐摩爾比為1∶2的條件下反應(yīng)6 h，測定不同的溫度梯度對產(chǎn)物取代度的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，隨反應(yīng)溫度的增加，取代度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是因?yàn)殡S反應(yīng)溫度的升高，分子運(yùn)動速率增加，有效碰撞增多，提高了反應(yīng)效率，取代度逐漸增加；而當(dāng)反應(yīng)溫度超過60℃以后，生成的N-琥珀酰改性殼聚糖分解速度加劇，產(chǎn)物取代度反而隨反應(yīng)溫度升高而減小。因此在試驗(yàn)選定范圍內(nèi)，反應(yīng)溫度選擇60℃為宜。

圖1 反應(yīng)溫度與取代度關(guān)系Fig.1 The relationship between reaction temperature and degree of substitution

2.1.2反應(yīng)時間對產(chǎn)物取代度的影響

殼聚糖經(jīng)堿處理后，當(dāng)氨基/酸酐摩爾比為1∶2，60℃反應(yīng)不同時間，測定反應(yīng)時間對產(chǎn)物取代度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 反應(yīng)時間與取代度關(guān)系Fig.2 The relationship between reaction time and degree of substitution

由圖2可以看出，在選定的時間范圍內(nèi)，隨著反應(yīng)時間延長，產(chǎn)物取代度逐漸增大。但當(dāng)反應(yīng)時間超過6 h后，產(chǎn)物取代度趨于定值。這可能是由于反應(yīng)時間不斷延長，反應(yīng)物濃度逐漸降低，反應(yīng)趨于完全，因此選擇6 h較為適宜。

2.1.3 氨基/酸酐摩爾比對產(chǎn)物取代度的影響

殼聚糖經(jīng)堿處理后，在反應(yīng)溫度為60℃的條件下反應(yīng)6 h，改變氨基/酸酐摩爾比，考察對產(chǎn)物取代度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

如圖3所示，隨氨基/酸酐摩爾比從2∶1至1∶2，產(chǎn)物取代度逐漸增加，再進(jìn)一步增加氨基/酸酐摩爾比，產(chǎn)物取代度反而下降。這是因?yàn)樵黾佣《狒姆磻?yīng)量雖然可以促使產(chǎn)物的生成，但當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行一定程度后，由于琥珀?；臻g位阻作用及團(tuán)聚現(xiàn)象的產(chǎn)生，使得反應(yīng)不會隨著酸酐分子的進(jìn)一步增加而增加。故氨基/酸酐摩爾比選取1∶2時較為適宜。

圖3 濃度比例與取代度關(guān)系Fig.3 The relationship between concentration ratio and degree of substitution

2.2 殼聚糖及其衍生物膜機(jī)械性能

分別裁剪20 mm×80 mm殼聚糖膜（A）、甘油+殼聚糖膜（B）、甘油+N-琥珀酰殼聚糖膜（C）3種膜，用電子萬能儀試驗(yàn)機(jī)測定抗拉強(qiáng)度及最大力，見圖4。

如圖4所示，殼聚糖膜抗拉強(qiáng)度為21.50 MPa；添加甘油后的殼聚糖膜抗拉強(qiáng)度增大至24.55 MPa，對比添加甘油前后的殼聚糖膜最大力值，可以發(fā)現(xiàn)，添加甘油后殼聚糖膜最大力值明顯提高，從4.303 N增至4.911 N，提升了14%；而改性后的N-琥珀酰殼聚糖膜抗拉強(qiáng)度與最大力值均顯著提高，分別達(dá)到了39.05MPa和7.810 N。這是因?yàn)楦视妥鳛樵鏊軇捎行岣吣さ捻g性，改善流動性和柔韌性等，當(dāng)與殼聚糖-醋酸溶液充分混溶，改善了殼聚糖膜剛性結(jié)構(gòu)膜脆性大的缺點(diǎn)。

圖4 殼聚糖及衍生物膜Fig.4 Chitosan and derivatives film

3 結(jié)論

以二甲基亞砜作為溶劑，丁二酸酐與殼聚糖在適當(dāng)條件下，可以反應(yīng)生成N-琥珀酰殼聚糖。殼聚糖經(jīng)堿處理后，在反應(yīng)溫度60℃，氨基/酸酐摩爾比1∶2，反應(yīng)時間6 h的條件下，N-琥珀酰殼聚糖取代度可以達(dá)到0.61。

改性的N-琥珀酰殼聚糖膜較殼聚糖膜抗拉強(qiáng)度及最大力值明顯提高，甘油可有效提高殼聚糖膜的抗拉強(qiáng)度及彈力，明顯改善了膜的力學(xué)性能，提高了膜的實(shí)際利用價值。

[1]李浩,王征科,胡巧玲.N-琥珀酰殼聚糖的制備及其性能[J].材料工程與科學(xué)學(xué)報,2011,29(4)：541-546

[2]陳佳陽,陳實(shí),樂學(xué)義.殼聚糖抗菌膜的研究進(jìn)展[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2012(12)：122-126

[3]羅菊香,吳萍,俞小云,等.N-琥珀酰殼聚糖的制備及其溶解性研究[J].食品科技,2014,39(1)：255-258

[4]汪琴,王愛勤.N-琥珀酰殼聚糖的合成和性能研究[J].功能高分子學(xué)報,2004,17(1)：51-54

[5]范澤霞,夏儉英.測定梭甲基纖維素鈉取代度的新方法—酸度計滴定法[J].鉆井液與完井液,1997,14(5)：125-126

[6]李作為,張立彥,曾慶孝.琥珀?；瘹ぞ厶悄さ闹苽浼捌鋚H敏感型性研究[J].食品工業(yè)科技,2009,30(1)：91-97

Study on Preparation of Modified Chitosan with Dimethyl Sulfoxide System and Its Film Properties

WANG Xi，ZHAO Jun*，WU Xiu-li，JIANG Xue，YIN Li-ying
（College of Food Science and Engineering，Changchun University，Changchun 130012，Jilin，China）

Dimethyl sulfoxide system was used to prepare N-succinyl chitosan.The influences of the reaction temperature，the mole ratio of amino group of chitosan to anhydride and the reaction time on the degree of substitution were investigated respectively.The degree of substitution of N-succinyl chitosan could achieve 0.61 when the chitosan was treated by diluted alkali，the reaction temperature was 60℃，the mole ratio of anhydride to amino group was 1∶2 and the reaction time was 6 h.It was found that N-succinyl chitosan membrane mechanical ductility properties could significantly enhance when glycerol was added to chitosan membrane.

N-succinyl chitosan；degree of substitution；modified film

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.12.005

2016-09-21

吉林省科技發(fā)展計劃項(xiàng)目（20140101099JC）；吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（吉教科合字[2016]第300號）

王西（1990—），女（漢），碩士研究生，研究方向：食品科學(xué)。

*通信作者：趙珺，女，教授，博士。