殼聚糖載體的改性及其用于固定化鉬酸鹽催化劑的研究

陳 星 河

（廣西南寧化學制藥有限責任公司， 廣西 南寧 530031）

殼聚糖(Chitosan)，其化學名為(1,4)-2-胺-2-脫氧-β-D-葡聚糖，是線性聚合物甲殼素經脫乙酰化反應后得到的一種生物高分子[1]。根據甲殼素脫乙酞化時的條件不同，殼聚糖的脫乙酞度和分子量不同，殼聚糖的分子量通常在幾十萬左右[2]。殼聚糖具有多孔，無毒無害的作用，吸附螯合作用強，但是可溶于稀酸，在酸性溶液中易軟化流失[3]，不宜直接使用。甘露糖是一種已醛單糖,和葡萄糖是同分異構體。大量的研究表明，葡萄糖在酸性條件下，經過鉬酸鹽催化劑差向異構可以轉變成 100%的甘露糖[4,5]。本文通過對殼聚糖交聯改性，并且進行鉬酸銨催化劑固定化，制備得一種對酸、堿、有機溶劑比較穩定的交聯殼聚糖衍生物顆粒狀鉬酸銨催化劑，并初步考察其對葡萄糖溶液的差向異構性能和重復使用率。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與材料

殼聚糖（脫乙酰度 90%以上）（上海伯奧生物科技有限公司），七鉬酸銨（廣州天金化工有限公司），環氧氯丙烷（中國醫藥集團上海化學試劑公司），二乙烯三胺（上海染料化工十四廠），二甲亞砜（無錫市晶科化工有限公司），硅藻土，無水乙醇，冰乙酸，氫氧化鈉，鹽酸。以上試劑均為分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 交聯殼聚糖衍生物的制備

（1）顆粒殼聚糖的制備

準確稱取10.0 g脫乙酞度為94%的殼聚糖溶解于1.0%（V/V）冰乙酸中，配成0.5%～1.0%的殼聚糖乙酸溶液溶液，然后加入5.0 g硅藻土，超聲波震蕩攪拌均勻，然后慢慢向其中滴加NaOH溶液至堿性，待其凝膠析出，過濾，60 ℃真空烘干，粉碎，過篩100～200目，得到各種粒徑的顆粒殼聚糖。

（2）顆粒殼聚糖的交聯

稱取一定量的殼聚糖，充分溶脹后，放入 500 mL三口燒瓶中，分別加入適量的蒸餾水，NaOH溶液以及二甲亞砜溶液，攪拌均勻。在室溫下，往三口瓶中緩慢滴加適量的環氧氯丙烷，然后慢慢升溫到 40 ℃，回流反應。等完全反應后，過濾，分別用丙酮與蒸餾水進行充分洗滌，一直洗滌到洗滌液的酸堿度為中性，最后在 60 ℃下真空干燥，即可得到羥丙基氯化殼聚糖顆粒。

（3）顆粒交聯殼聚糖的胺基化

稱取一定量羥丙基氯化殼聚糖，放入 500 mL的三口燒瓶中，然后分別加入適量蒸餾水和適量的胺化試劑二乙烯三胺，攪拌均勻。慢慢升溫到 60℃，攪拌回流反應，直到反應完全，冷卻，過濾，用蒸餾水洗滌至中性，真空干燥，即可得到交聯殼聚糖衍生物顆粒。

1.2.2 交聯殼聚糖衍生物固定化鉬酸鹽的制備

稱取一定量交聯殼聚糖衍生物顆粒，放入 500 mL三口燒瓶中，加入0.5～1.0%(w/w)50 mL鉬鹽水溶液，加入適量的 70%～85%（V/V）乙醇，升溫到70～90 ℃,回流反應2～4 h，過濾、烘干，得到具有葡萄糖差向異構活性的固體鉬酸鹽催化劑顆粒。

1.2.3 固定化性能試驗

配制了濃度為 1.0%（w/w）的鉬酸銨溶液，分批取200 mL加入到不同胺含量的交聯殼聚糖衍生物顆粒中，進行固定化實驗。測其固定化前后鉬離子濃度，計算鉬酸銨固定化率。

1.2.4 葡萄糖溶液差向異構性能試驗

固定化鉬酸鹽催化劑用量分別設計為 2.5‰、2.0‰、1.25‰、0.70‰、0.40‰、0.30‰、0.25‰（以w/w計），分別加入到50%（w/w）萄糖溶液濃度中，調節pH至3.0，在一定壓力下催化異構反應40 min。考察異構催化劑用量對葡萄糖轉化率的影響結果。

1.2.5 固定化鉬酸鹽催化劑的催化劑穩定性試驗

葡萄糖溶液濃度50%（w/w），pH 3.0，反應溫度130 ℃，固定催化劑添加量為1.25‰，反應時間為40 min，每批反應完成后，回收固定化鉬酸鹽催化劑，重新投入到差向異構反應釜中在相同條件下繼續進行下一批反應，考查固定化鉬酸鹽催化劑的催化活性穩定性。

2 實驗結果與討論

2.1 顆粒殼聚糖制備的條件分析

2.1.1 殼聚糖的濃度

配制 0.1%～3%不同濃度的殼聚糖乙酸溶液，硅藻土和殼聚糖按1:2的比例加入硅藻土，在超聲破攪拌情況下，慢慢加入4 mol/L的氫氧化鈉溶液，經過比較，發現0.5%～1.0%的濃度在制粒過程中分散比較均勻，流動性和黏度剛好合適。

2.1.2硅藻土的濃度

為了增加殼聚糖顆粒的剛性和機械強度，同時不影響殼聚糖的基本性能，硅藻土：殼聚糖按1:2的配比來造粒比較好。

2.1.3 造粒過程中NaOH的濃度

在造粒中，調整殼聚糖乙酸溶液到pH=10的過程，發現NaOH的濃度太稀，會成帶狀，而且調整pH的時間過長。濃度在3.5～4.5 mol/L的NaOH溶液易于操作。

2.2 顆粒殼聚糖交聯的條件分析

殼聚糖分子中含有大量的具有較強活性的胺基和羥基，可與環氧氯丙烷在酸性條件下發生交聯反應。顆粒殼聚糖的耐酸性取決于殼聚糖的交聯度，但是交聯度越高，殼聚糖中的胺基含量越低[6],因此本實驗的交聯度采用胺含量來衡量。反應條件：溫度45 ℃，交聯反應時間3 h。反應結果見表1。

表1 交聯劑濃度與交聯殼聚糖胺基含量關系Table 1 The relationship between crosslinker concentration and amino content in crosslinked chitosan

交聯殼聚糖顆粒的胺基含量隨著環氧氯丙烷的濃度的降低而增加，即交聯劑濃度增大，交聯化的程度就越高。

固定反應時間為3 h，調整殼聚糖與環氧氯丙烷比例為1∶1，在不同溫度下的交聯反應。結果見表2。

表2 交聯反應溫度對交聯殼聚糖胺基含量的影響Table 2 The relationship between reaction temperature and amino content in crosslinked chitosan

隨著溫度的增加，交聯殼聚糖顆粒的胺含量越來越低，說明交聯度逐漸增大。選擇實驗條件為：殼聚糖：環氧氯丙烷為 1︰1，反應時間 3 h，溫度60 ℃，測得交聯后胺含量約為2.96%。

2.3 交聯殼聚糖胺基化的條件分析

根據影響胺化的條件，首先研究了胺化溫度對交聯殼聚糖衍生物胺基含量的影響。胺化溫度30，50，60，80 ℃測得的胺基含量分別為8.66%，9.34%，11.25%，9.81%。二乙烯三胺等胺化試劑中的氮上的氫在一定條件下，發生親核取代反應，取代交聯殼聚糖中的-Cl，生成高胺基含量的交聯殼聚糖衍生物。隨著溫度的升高，交聯殼聚糖顆粒的胺含量隨著增大，當溫度高于60 ℃后，胺含量反而降低了。所以本實驗選擇胺化溫度為60 ℃。

固定胺化劑的濃度，在 60 ℃下，選擇胺化劑用量5.0 mL/g交聯殼聚糖顆粒，不同的反應時間得出的實驗結果如表3。

表3 胺化反應時間與交聯殼聚糖顆粒胺含量關系Table 3 The relationship between the reaction time of amination and amino content in crosslinked chitosan

交聯殼聚糖顆粒的胺含量隨著反應時間的增長而增大，但是7 h后，胺含量變化不明顯。所以本實驗選擇胺化反應時間為7 h。

選擇胺化溫度60 ℃，胺化時間7 h，考查不同不同胺化劑的用量，得到的交聯殼聚糖顆粒的胺含量，分析結果如表4。

表4 同胺化劑用量下交聯殼聚糖衍生物胺基含量的影響Table 4 The relationship between amination agent dosage and amino content in crosslinked chitosan

隨著胺化試劑用量的增加，胺基化殼聚糖顆粒的胺含量也隨著增加。胺化劑用量達到5.0 mL/g后，交聯殼聚糖顆粒的胺含量不增反降，所以選擇胺化劑用量5.0 mL/g比較合適。

綜上所述，交聯殼聚糖顆粒的胺化條件為：胺化劑濃度5.0 mL/g，胺化溫度60 ℃，胺化反應時間7 h,測得交聯殼聚糖衍生物顆粒胺含量為10.85%。

2.4 固定化性能分析

實驗結果如表5。

表5 不同胺基含量交聯殼聚糖衍生物對鉬酸銨固定化率Table 5 Fixed rate of ammonium molybdate on crosslinked chitosan derivatives with different amino content

交聯殼聚糖衍生物對鉬酸鹽的固定化率，隨著胺含量的增大而增大。引入胺試劑可以提高交聯殼聚糖的胺基含量，同時利用其有螯合作用的羥基作用，明顯提高了交聯殼聚糖衍生物的吸附量和固定化率。

2.5 葡萄糖溶液差向異構性能分析

實驗結果如表6。

表6 不同的固定化鉬酸銨催化劑對葡萄糖轉化率的影響Table 6 Effect of immobilized molybdate catalysts dosage on glucose conversion rate

隨著固定化鉬酸鹽催化劑用量從0.25‰增加到2.5‰，葡萄糖轉化率由16.6%提高至33.6%。但1.25‰之后沒有明顯提高，且異構反應糖液的色澤加深，增加脫色難度。因此固定化鉬酸鹽催化劑最佳用量為1.25‰，葡萄糖轉化率達到30%以上。

2.6 固定化鉬酸鹽催化劑的催化劑穩定性分析

采用固定化鉬酸鹽催化劑連續 10次進行葡萄糖差向異構試驗，葡萄糖的轉化率分別為 33.6%、33.4%、33.5%、33.2%、32.8%、32.6%、32.3%、31.9%、31.4%、30.8%。葡萄糖轉化率成由高向低遞減趨勢，經 10批后轉化率由 33.6%降至 30.8%，降幅約為8.0%，說明固定化鉬酸鹽催化劑流失比較少，可以反復使用。

3 結 論

（1）通過對殼聚糖改性的試驗，得到了一系列硅藻土處理造粒、環氧氯丙烷交聯、二乙烯三胺胺胺基化、鉬酸鹽固定化的合適條件，確保了制備這種不溶于酸、具有良好機械強度的交聯殼聚糖衍生物固定化鉬酸鹽催化劑顆粒的可行性。交聯殼聚糖衍生物對鉬酸鹽的固定化率，隨著胺含量的增大而增大。

（2）在葡萄糖差向異構反應中，葡萄糖溶液濃度50%（w/w），pH 3.0，反應溫度130 ℃，反應時間為40 min，固定化鉬酸鹽催化劑最佳用量為1.25‰，葡萄糖轉化率可達到30%以上。

（3）投入一定量的催化劑，經過回收，連續進行 10次差向異構反應，葡萄糖的轉化率都在 30%以上，說明該固定化催化劑催化性能比較穩定，可以重復使用，相對于游離態鉬酸鹽催化劑具有殘留離子少、副反應少、節省成本等優勢。

［1］蔣挺大. 甲殼素[M]. 北京: 化學工業出版社, 2005：4-10.

［2］柴平海, 張文清, 金鑫榮. 甲殼素/殼聚糖開發和研究的新動向[J].化學通投, 1999, 7(1): 8-11.

［3］蔣挺大. 殼聚糖[M]. 北京: 化學工業出版社, 2007: 1-3.

［4］趙光輝,王關斌,李俊平,等. 葡萄糖催化制取甘露糖的正交試驗分析[J]. 當代化工, 2005, 34(1): 39-41.

［5］章朝暉, 王建平,劉極建,等. 一種高收率的甘露醇制備工藝:中國專利，CN1528728[P].，2004-9-15.

［6］方波.宋道云.陳鴻鵬,等.新型殼聚糖胺基吸附劑的制備及性能[J].華東理工大學學報,2000,26(6):596-599.