羧甲基幾丁質(zhì)的制備工藝研究

朱平華，張洪艷，姜科技，韓小妮，朱姍

（1.淮海工學院江蘇省海洋資源開發(fā)研究院，江蘇連云港222001；2.淮海工學院化學工程學院，江蘇連云港222005）

羧甲基幾丁質(zhì)的制備工藝研究

朱平華1,2，張洪艷2，姜科技2，韓小妮2，朱姍2

（1.淮海工學院江蘇省海洋資源開發(fā)研究院，江蘇連云港222001；2.淮海工學院化學工程學院，江蘇連云港222005）

通過將新鮮蝦殼進行脫鈣和去除蛋白質(zhì)后制備的幾丁質(zhì)進行堿化和醚化反應(yīng)可成功制備羧甲基幾丁質(zhì)。采用元素分析法測得的脫乙酰度和取代度分別為14.78%和1.245。紅外光譜圖顯示取代位置為N、O取代。通過設(shè)計正交試驗，得最佳制備工藝條件：原料質(zhì)量比（幾丁質(zhì)：氯乙酸）1：5，反應(yīng)溫度45℃，反應(yīng)時間14h。試驗的方差結(jié)果表明：原料質(zhì)量比（幾丁質(zhì)：氯乙酸）是反應(yīng)的主要影響因素。

幾丁質(zhì)；羧甲基幾丁質(zhì)；正交試驗

羧甲基幾丁質(zhì)是幾丁質(zhì)衍生物的一種，它有較好的成膜性，其膜具有光澤，透明而柔韌，并有較好的透氣性。對膠體有穩(wěn)定作用，有增稠及凝膠的作用和氣泡穩(wěn)定作用。研究證明羧甲基幾丁質(zhì)的制備受到反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、物料配比等很多因素的影響。而正交試驗法是一種研究多因素影響的有效方法，在科研中被廣泛采用[1]，但其在羧甲基幾丁質(zhì)制備中的應(yīng)用文獻報道較少。本實驗采用L9（3）3正交試驗研究各因素對其制備工藝的影響，從而找出最佳的工藝條件。

1 試驗部分

1.1 主要試劑及儀器

新鮮蝦殼(自備)。氯乙酸（上海試劑公司）、氫氧化鈉（上海試劑公司）、異丙醇（徐州溶劑廠）、乙醇（徐州溶劑廠）。以上試劑均為AR級。

紅外光譜儀（天津市港東科技發(fā)展有限公司）；元素分析儀(CHN-O-RAPIDHeraeus公司,德國）。

1.2 羧甲基幾丁質(zhì)的制備

將蝦殼去除蝦尾和蝦頭，洗凈，太陽光自然曬干。取曬干后蝦殼置于8%HCl約20 h，清水洗凈酸化后的蝦殼至中性。再置于10%NaOH溶液，加熱1.5 h，洗凈至中性，脫水，在55～60℃烘干，用不銹鋼粉碎機進行粉碎得淡黃色片狀幾丁質(zhì)。

取幾丁質(zhì)粉置于50%NaOH進行堿化，堿化后的幾丁質(zhì)加入異丙醇中，緩慢加入氯乙酸，反應(yīng)數(shù)小時。用80%乙醇溶液反復洗滌，將沉淀物溶于蒸餾水中，用HCl溶液調(diào)至中性，過濾。用95%乙醇溶液沉淀，再用95%乙醇洗滌多次。干燥，得羧甲基幾丁質(zhì)。

1.3 產(chǎn)品檢測

1.3.1 脫乙酰度測定

脫乙酰度是表征幾丁質(zhì)中乙酰化和脫乙酰化部分之間的平衡程度，為氨基葡萄糖單元在羧甲基幾丁質(zhì)分子鏈中所占比例。在羧甲基幾丁質(zhì)的堿化反應(yīng)過程中采用常溫堿化，目的是防止堿化過程中脫去乙酰基。因此，在此反應(yīng)中，脫乙酰基反應(yīng)只是堿化反應(yīng)過程中的副反應(yīng)。采用元素分析法（元素分析儀，CHN-O-RAPID Heraeus公司，德國)測得脫乙酰度為14.78%（見表1）。此方法測得的脫乙酰度較小，表明幾丁質(zhì)在此工藝條件下乙酰基得到了很好地保護，脫乙酰化副反應(yīng)被有效地抑制。

1.3.2 取代度測定

取代度是指平均每個氨基葡萄糖或乙酰氨基葡萄糖單元上被羧甲基化的數(shù)目。對于O-羧甲基幾丁質(zhì)和N-羧甲基幾丁質(zhì)，其平均取代度只能小于或等于2。采用元素分析法（元素分析儀,CHNO-RAPIDHeraeus公司,德國）[2]測定羧甲基幾丁質(zhì)的取代度（DS）為1.245，脫乙酰度（DD）為14.78%，元素含量：C 36.39%、N 4.164%、H 5.764%。

1.3.3 紅外光譜測定

用WGH-30/6型紅外光譜儀（天津市港東科技發(fā)展有限公司）測定羧甲基幾丁質(zhì)的紅外光譜，KBr壓片。從紅外圖譜可知此產(chǎn)品為N、O取代的羧甲基幾丁質(zhì)（圖1）。游離-NH2在1 519 cm-1附近未產(chǎn)生明顯的吸收峰,說明制備的羧甲基幾丁質(zhì)中基本無游離-NH2。表明在堿化過程中副反應(yīng)發(fā)生的脫乙酰化而產(chǎn)生的-NH2，在隨后的羧甲基化反應(yīng)發(fā)生了N-位取代，從而可避免-NH2的暴露而影響羧甲基幾丁質(zhì)的生物學性能。

1.3.4 吸濕性的測定

用直徑為3 cm的培養(yǎng)皿精確稱取0.500 0 g干燥試樣，敞口置于裝有（NH4）2SO4飽和水溶液（相對濕度為81%）的干燥器中，經(jīng)24 h后稱取各試樣質(zhì)量，用下式求出吸濕率：

吸濕率=（Wn-W0）/Wn

式中：W0——放置前質(zhì)量,g；

Wn——放置后質(zhì)量，g。

分別測原料幾丁質(zhì)和5個產(chǎn)品羧甲基幾丁質(zhì)的吸濕率，結(jié)果為：原料是9.8%，產(chǎn)物1是59.5%，產(chǎn)物2是55.4%，產(chǎn)物3是68.7%，產(chǎn)物4是66.2%，產(chǎn)物5是56.9%。

影響吸濕性的主要因素有二個：一是大分子上親水基團的數(shù)量和親水性的強弱。每個幾丁質(zhì)殘余基上有兩個羥基、一個酰胺基（或少量氨基），均為親水基團。他們與水分子形成氫鍵，屬化學結(jié)合。幾丁質(zhì)羧甲基化后部分羥基被羧甲基鈉取代，羧甲基鈉是強親水基團，親水性比羥基強得多。羧甲基鈉基團增多，因而產(chǎn)品的吸濕性也提高。二是無定形部分所占比例。水分子能進入無定形部分的微小孔隙里吸附在大分子及晶區(qū)表面，并且重疊在已被吸附的水分子上（毛細凝聚）形成物理凝聚，被吸收的水分子絕大部分進入無定形區(qū)。無定形區(qū)增大，游離的親水基團增多，因而吸濕性大大增加。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實驗結(jié)果

在單因素試驗確定試驗條件的基礎(chǔ)上，考察了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、原料質(zhì)量比（幾丁質(zhì)∶氯乙酸）的交互作用對羧甲基幾丁質(zhì)質(zhì)量的影響，采用三因素三水平L9（3）3正交表安排試驗尋找最佳制備工藝條件（見表1、2、3）。

表2 正交試驗結(jié)果

表3 極差分析表

2.2 各反應(yīng)因素的影響與最佳方案的選擇

從表3可以看出，各處理組合的極差分別為：原料質(zhì)量比（RA）0.726 3，反應(yīng)溫度（RB）0.483 7，攪拌時間（RC）0.071 2它們之間的關(guān)系為RA＞RB＞RC。可以看出三因素中A因素即原料質(zhì)量比（幾丁質(zhì)∶氯乙酸）對產(chǎn)物的影響最大，為主要影響因素。其次為溫度和反應(yīng)時間。將該組合方案重復三次實驗，產(chǎn)量在1.66～1.68 g之間，具有良好的重現(xiàn)性。

3 結(jié)論

通過L9（3）3正交試驗的方法對羧甲基幾丁質(zhì)的制備工藝進行優(yōu)化，找到了反應(yīng)的主要影響因素和最佳工藝條件：即原料質(zhì)量比（幾丁質(zhì)∶氯乙酸）為1∶5，反應(yīng)溫度45℃，反應(yīng)時間為14 h。試驗的方差結(jié)果表明：原料質(zhì)量比（幾丁質(zhì)∶氯乙酸）是反應(yīng)的主要影響因素。

［1］馬虹.化學實驗技術(shù)(Ⅱ)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.

［2］陳浩凡,潘仕榮,胡瑜,等.膠體滴定法測定羧甲基殼聚糖的取代度[J].分析測試學報,2003,22(6):70-73.

Study On Preparation Of Carboxymethylchitin

ZHU Ping-hua1,2,ZHANG Hong-yan2,JIANG ke-ji2,HANG xiao-ni2,ZHU shan2

(1.Jiangsu Marine Resources Development Research Institute，Lianyungang Jiangsu 222001，China;2.Huaihai Institute of Technology，Lianyungang Jiangsu 222005,China)

Carboxymethylchitin could be prepared by alkalization and etherification from chitin which was prepared from fresh shrimp shells by decalcification and deproteinization.the degrees of deacetylation and substitution were 14.78%and 1.245 respectively according to the element analysis.The IR spectrum showed that the substitutive position was N,O-substitution.Best reaction conditions were founded by orthogonal test.The optimum conditions were as followed:the mass ratio of chitin to chloroacetic acid was 1∶5,reaction tempreture was 45℃, reaction time was14 h.Result showed that the mass ratio of chitin to chloroacetic acid was the main affecting factor.

chitin;carboxymethylchitin;orthogonal test

10.3969/j.issn.1008-1267.2011.03.011

TQ224.6

A

1008-1267（2011）03-0035-03

2010-11-09

朱平華（1970-），女，江蘇丹陽人，碩士,副教授，主要從事精細化學品的研究。

江蘇省海洋資源開發(fā)研究院科技開放基金項目(JSIMR10C06)；淮海工學院實驗室創(chuàng)新項目（2010002）

·專論與綜述·