超聲輻射下非均相甲殼素脫乙酰化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

張翠榮，賈振宇，謝華飛

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，廣東 廣州 510225）

研究開發(fā)

超聲輻射下非均相甲殼素脫乙酰化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

張翠榮，賈振宇，謝華飛

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，廣東 廣州 510225）

在超聲輻射條件下進(jìn)行了甲殼素非均相脫乙酰化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究。結(jié)果表明，超聲輻射條件下，甲殼素的脫乙酰度明顯提高，反應(yīng)過(guò)程符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)關(guān)系，反應(yīng)控制為擴(kuò)散控制，其表觀活化能為3.45 kJ/mol。

甲殼素；動(dòng)力學(xué)；活化能；超聲輻射；非均相

隨著石油礦物質(zhì)資源的日益匱乏，以天然高分子為原料的功能材料的研究在世界范圍內(nèi)愈來(lái)愈受到人們的重視。甲殼素是一種聚糖類天然可再生高分子材料，又名幾丁質(zhì)或幾丁聚糖（chitin）。化學(xué)名稱為（1,4）-2-乙酰氨基-2-脫氧-β-D-葡聚糖，是N-乙酰基-D-葡胺糖通過(guò) β-(1,4)糖苷鍵連接的直鏈狀多糖。地球上甲殼素的生物生成量每年可達(dá)數(shù)百億噸，是一種蘊(yùn)藏量?jī)H次于纖維素的天然可再生基質(zhì)[1]。以甲殼素為原料經(jīng)過(guò)化學(xué)改性可制備多種不同用途的天然高分子衍生物，此類衍生物具有無(wú)毒無(wú)害、耐腐蝕、良好的生物降解性和生物相容性等優(yōu)良性能，已廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、紡織、造紙、農(nóng)業(yè)、印染、化妝品、生物醫(yī)學(xué)、酶制劑、保健品等許多行業(yè)[2-3]。因此，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多大專院校和科研院所均投入研究，也相繼出現(xiàn)了一批有競(jìng)爭(zhēng)力的生產(chǎn)企業(yè)。以天然高分子為原料的功能材料開發(fā)研究已成熱潮。有媒體評(píng)論認(rèn)為甲殼素將成為21世紀(jì)像合成樹脂與塑料一樣的支柱產(chǎn)業(yè)之一。

甲殼素分子中由于有較強(qiáng)的氫鍵作用，進(jìn)行化學(xué)改性脫乙酰基需要高濃度的堿液長(zhǎng)時(shí)間作用，這樣所得產(chǎn)品脫乙酰度不高，黏度較低，影響了產(chǎn)品的應(yīng)用性能。不少人對(duì)此進(jìn)行了一些有益的探討，如采用溶解沉淀法、醇介質(zhì)法、微波法等[4-5]，取得了一定的成效。雖然人們對(duì)于甲殼素進(jìn)行了多年的研究，并且其工業(yè)應(yīng)用有很多方面，但至今對(duì)殼聚糖（chitosan）的制備沒(méi)有一個(gè)完整的理論，尤其是甲殼素的脫乙酰化基礎(chǔ)理論研究更少。利用超聲波輻射技術(shù)進(jìn)行脫乙酰化基礎(chǔ)理論研究的文章目前還未見報(bào)道。因此，本文根據(jù)甲殼素的結(jié)構(gòu)和超聲波的作用原理，對(duì)其進(jìn)行了脫乙酰反應(yīng)的研究探索，以期對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)有所指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

甲殼素（湛江博泰生物化工科技公司提供），乙醇（95%，AR），氫氧化鈉（AR），乙酸（AR），超聲波發(fā)生器（BRANSON2200），烏式黏度計(jì)，恒溫水浴槽，剪切式高速粉碎機(jī)，電子天平。

1.2 甲殼素脫乙酰化反應(yīng)

經(jīng)過(guò)烘干的甲殼素，由粉碎機(jī)粉碎成粉末，分別稱取5 g于三口燒瓶中，再加入40%的氫氧化鈉溶液或加入氫氧化鈉-乙醇混合液。在超聲場(chǎng)中（400 W，40 kHz）回流條件下反應(yīng)，溫度控制條件分別為80 ℃、100 ℃、120 ℃，時(shí)間控制分別為1 h、3 h、5h、7 h、9 h。反應(yīng)完畢后取出冷卻、過(guò)濾、洗滌至中性，烘干。

1.3 脫乙酰度的測(cè)定[6]

本實(shí)驗(yàn)采用酸堿滴定法進(jìn)行測(cè)定。殼聚糖為電解質(zhì)，為了使測(cè)定的結(jié)果準(zhǔn)確，在溶解殼聚糖的乙酸溶液中加入 0.5%的氯化鈉。以式（1）計(jì)算出殼聚糖的脫乙酰度。

1.4 特性黏度及分子量的測(cè)定[1]

稱取0.5g的殼聚糖于燒杯中，加入一定量乙酸（0.1mol/L）-乙酸鈉（0.2 mol/L）混合溶液，攪拌使其充分溶解，在恒溫槽中于 25 ℃下，用烏式黏度計(jì)測(cè)定殼聚糖溶液的特性黏度。按照式（2）計(jì)算出殼聚糖的黏均分子量。

2 結(jié)果與討論

2.1 擴(kuò)散控制甲殼素脫乙酰化模型

甲殼素的脫乙酰基反應(yīng)是液固反應(yīng)，隨著乙酰基的脫出，OH－離子通過(guò)反應(yīng)界面逐漸向甲殼素內(nèi)部移動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，乙酰基的脫出緩慢。因此，反應(yīng)過(guò)程主要考慮擴(kuò)散控制，故可認(rèn)為擴(kuò)散速率等于反應(yīng)速率[7-11]。其反應(yīng)機(jī)理見圖1。

甲殼素原料經(jīng)破碎后可視為長(zhǎng)、高、厚為A、B、L的片狀體，A、B＞＞L，OH－離子擴(kuò)散通面面積S=AB，則OH－離子在甲殼素中的擴(kuò)散行為如圖2所示。

圖1 甲殼素脫乙酰化反應(yīng)方程式

圖2 OH－擴(kuò)散方向示意圖

根據(jù)菲克擴(kuò)散定律知[12-13]，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向的單位面積的擴(kuò)散通量為式（3）。

則OH－在甲殼素物質(zhì)體中的擴(kuò)散速率為式（4）。

由于反應(yīng)由擴(kuò)散控制，乙酰度脫除速率（反應(yīng)速率）可認(rèn)為與擴(kuò)散速率相等。對(duì)式（4）進(jìn)行積分可得式（5）。

甲殼素在脫乙酰基的反應(yīng)過(guò)程中，內(nèi)部反應(yīng)面逐漸內(nèi)移，移動(dòng)速率為式（6）。因此，由式（5）和式（6）合并可得式（7）。

解方程式（7）可得式（8）。

片狀甲殼素在氫氧化鈉溶液中，OH－離子的擴(kuò)散在如圖1所示的兩面進(jìn)行。因此，可假設(shè)脫乙酰度為式（9）。

由式（9）可知，在溫度恒定的條件下，甲殼素的脫乙酰度與氫氧化鈉濃度和反應(yīng)時(shí)間呈正比，其函數(shù)關(guān)系為D.D=f（D、C0、t、ρ、L）。實(shí)驗(yàn)研究可知，實(shí)驗(yàn)效果與理論基本吻合。該數(shù)學(xué)模型的建立對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

2.2 甲殼素脫乙酰基的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

甲殼素的分子一般排列在高度結(jié)晶的微纖維的晶格之中，根據(jù)其晶體結(jié)構(gòu)可分為α、β、γ 3種類型，其中α型結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，是自然界常見的一種結(jié)構(gòu)。甲殼素分子間存在著—O…H—O—型和—O…H—N—型氫鍵的強(qiáng)烈作用，大分子間的作用力很強(qiáng)，使甲殼素分子存在著有序的結(jié)構(gòu)，從而造成甲殼素的不熔化及高度難溶解性質(zhì)，不溶于水及其它絕大多數(shù)溶劑[14-18]。甲殼素和脫乙酰化后的殼聚糖結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。

酰胺基的堿水解是一個(gè)親核取代反應(yīng)[18]。甲殼素在濃堿條件下，由于羰基碳帶有正電荷，氫氧根離子有極強(qiáng)的親核性和較小的體積，它就首先進(jìn)攻羰基碳，使原來(lái)的平面三角形的酰胺變成四面體的過(guò)渡態(tài)，這時(shí)部分負(fù)電荷在氧上。四面體的過(guò)渡態(tài)很快變成四面體的中間體，負(fù)電荷也在氧上。這是反應(yīng)的第一步，是氫氧根離子對(duì)酰胺的加成，從反應(yīng)物到中間體之間存在著平衡，是可逆的。第二步是堿性基團(tuán)的離去。反應(yīng)歷程如圖5所示。

圖3 甲殼素結(jié)構(gòu)式

圖4 殼聚糖結(jié)構(gòu)式

圖5 甲殼素在濃堿的作用下脫乙酰化反應(yīng)示意圖

整個(gè)反應(yīng)過(guò)程是由第一步來(lái)控制的，此反應(yīng)在初期可以認(rèn)為是一級(jí)反應(yīng)。一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程表示為式（10）。

令D.D=x/a，此時(shí)x為甲殼素脫乙酰基的轉(zhuǎn)化率，相當(dāng)于甲殼素的脫乙酰度，由此可得式（12）。

由圖6和圖7可知，在氫氧化鈉濃度和反應(yīng)溫度恒定的條件下，靜態(tài)反應(yīng)甲殼素的脫乙酰度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于動(dòng)態(tài)條件下的脫乙酰度，說(shuō)明攪拌提高了OH－離子的擴(kuò)散強(qiáng)度。在超聲波輻射條件下能使甲殼素緊密的結(jié)晶體變疏松，有利于OH－離子在甲殼素體內(nèi)的擴(kuò)散，促使脫乙酰度提高，進(jìn)一步證明甲殼素的脫乙酰基反應(yīng)由擴(kuò)散控制。

甲殼素的脫乙酰化反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)溫度的影響極為重要。由圖8可知，溫度升高，甲殼素的脫乙酰度明顯提高，并隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，脫乙酰度提高。由上述假設(shè)的甲殼素脫乙酰化反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與實(shí)驗(yàn)研究相符合，即 ln[1/(1－D.D)]=kt方程成立。

圖6 時(shí)間和反應(yīng)方式對(duì)脫乙酰度的影響對(duì)比

圖7 不同反應(yīng)條件下的脫乙酰度對(duì)比

在超聲輻射條件下，氫氧化鈉的濃度為40%，反應(yīng)溫度分別為60 ℃、80 ℃、100 ℃、120 ℃，以ln[1/(1－D.D)]對(duì)反應(yīng)時(shí)間t作圖，如圖9所示，均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均大于0.995。結(jié)果表明，甲殼素的脫乙酰化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為一級(jí)反應(yīng)。

圖 10為不同溫度條件下一級(jí)反應(yīng)方程 ln[1/ (1－D.D)]=kt的斜率lnk與時(shí)間倒數(shù)1/t的關(guān)系，由圖可知兩者為線性關(guān)系，直線的相關(guān)系數(shù)為0.9964。由此可計(jì)算甲殼素在超聲輻射條件下其脫乙酰化的表觀活化能為E=23.45 kJ/mol。此數(shù)據(jù)明顯小于Sanna[8]所報(bào)道的在均相條件下反應(yīng)的活化能E=92.05 kJ/mol。說(shuō)明兩者反應(yīng)機(jī)理有明顯不同，甲殼素的非均相脫乙酰化反應(yīng)為擴(kuò)散控制。陳炳念[19]在攪拌條件下對(duì)甲殼素的脫乙酰動(dòng)力學(xué)研究表明，其表觀活化能為 35.63 kJ/mol。在超聲輻射條件下，其表觀活化能較小，說(shuō)明超聲輻射能強(qiáng)化OH－離子的擴(kuò)散，強(qiáng)力振蕩甲殼素上的乙酰基團(tuán)，有利于堿的水解親核取代反應(yīng)。

圖8 溫度對(duì)甲殼素脫乙酰度的影響

圖9 ln[1/(1－D.D)]與時(shí)間t的關(guān)系

圖10 ln k與1/t的關(guān)系

圖 11為甲殼素脫乙酰度與時(shí)間關(guān)系的擬合曲線。擬合方程為D.D=－1.15t2+20.17t+3.04，R2=0.992。實(shí)驗(yàn)值與擬合方程計(jì)算值基本相符。在超聲輻射條件下，氫氧化鈉濃度為40%，隨著時(shí)間的推移，脫乙酰度不斷提高，當(dāng)脫乙酰度達(dá)到80%時(shí)，脫除緩慢，超過(guò) 90%時(shí)基本趨于平行，擴(kuò)散阻力較大。要提高脫乙酰度，必須將甲殼素進(jìn)一步粉碎。

圖 12表示在超聲輻射、靜態(tài)、攪拌條件下制備的同等脫乙酰度的殼聚糖黏均分子量的對(duì)比，說(shuō)明超聲輻射不會(huì)對(duì)殼聚糖造成降解。

3 結(jié) 論

（1）甲殼素在超聲輻射條件下脫乙酰度明顯提高，脫乙酰化為準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)關(guān)系，其脫乙酰化的表觀活化能為E=23.45 kJ/mol，其值小于以均相反應(yīng)為假設(shè)的活化能92.05 kJ/mol，說(shuō)明兩者反應(yīng)機(jī)理有明顯的不同，甲殼素的非均相脫乙酰化反應(yīng)為擴(kuò)散控制。

圖11 脫乙酰度與時(shí)間關(guān)系的擬合曲線

圖12 不同反應(yīng)條件下的殼聚糖黏均分子量對(duì)比

（2）甲殼素的脫乙酰化反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)溫度的影響極為重要。溫度升高，甲殼素的脫乙酰度明顯提高。超聲輻射對(duì)甲殼素的脫乙酰化反應(yīng)影響也較大，同等條件下脫乙酰度明顯提高，說(shuō)明在超聲波輻射條件下能使甲殼素緊密的結(jié)晶體疏松，有利于OH－離子在甲殼素體內(nèi)的擴(kuò)散，促使乙酰基的脫除。

符 號(hào) 說(shuō) 明

a——乙酰氨基的起始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

C0——?dú)溲趸c溶液的濃度，g/mL

C1——鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol/L

C2——?dú)溲趸c標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol/L

dc/dx——沿?cái)U(kuò)散方向的濃度梯度

D——擴(kuò)散系數(shù)

D.D——脫乙酰度，%

G——試樣質(zhì)量，g

K——反應(yīng)表觀速率常數(shù)

K，α——分別為Mark-Houwink方程參數(shù)，K=1.81×10－3，α=0.93

L——甲殼素厚度，cm

Ρ——甲殼素密度，g/cm3

S——擴(kuò)散方向的通透面積，m3

t——反應(yīng)時(shí)間，h

V1——鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液量用，mL

V2——滴定消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液量，mL

W——試樣水分含量，%

x——水解t時(shí)間后形成的氨基質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

X——OH－離子擴(kuò)散前進(jìn)距離，cm

0.016——與1mL 1 mol/L鹽酸溶液相當(dāng)?shù)陌妨浚琯

0.0994——?dú)ぞ厶侵欣碚摪坊浚?6/161）

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Heterogeneous deacetylation reaction kinetics of chitin under ultrasonic irradiation

ZHANG Cuirong，JIA Zhenyu，XIE Huafei
（Department of Chemistry and Chemical Engineering，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou 510225，Guangdong，China）

The heterogeneous deacetylation reaction kinetics of chitin was studied under ultrasonic irradiation. The results indicated that under ultrasonic irradiation，the degree of deacetylation of chitin was improved dramatically，and the reaction process of deacetylation reaction followed a pseudo-first order kinetic model. The reaction was diffusion controlled，and its apparent activation energy wasE=23.45 kJ/mol.

chitin；kinetics；activation energy；ultrasonic radiation；heterogeneous

O 636.1

A

1000-6613（2011）09-2021-05

2011-04-03；修改稿日期2011-05-03。

國(guó)家自然科學(xué)基金（20776164）及廣東省科技攻關(guān)（2010B011000007）項(xiàng)目。

張翠榮（1966—），女，碩士，副教授，研究方向?yàn)楦叻肿硬牧稀Ｂ?lián)系人：賈振宇，教授，研究方向?yàn)楦叻肿硬牧霞熬?xì)化工。E-mail gdjiazhenyu@163.com。