羧甲基殼聚糖糖用澄清劑的制備及結構表征

何惠歡，謝志榮，劉繼棟，梁欣泉，*

（1.廣西工業職業技術學院，廣西南寧530001；2.南寧糖業股份有限公司明陽糖廠，廣西南寧530227；3.廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧530004）

羧甲基殼聚糖糖用澄清劑的制備及結構表征

何惠歡1，謝志榮2，劉繼棟3，梁欣泉3，*

（1.廣西工業職業技術學院，廣西南寧530001；2.南寧糖業股份有限公司明陽糖廠，廣西南寧530227；3.廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧530004）

為了研究取代SO2的新型糖用澄清劑，以殼聚糖（CTS）為原料、氯乙酸（CA）為改性劑，采用微波輻射技術制備羧甲基殼聚糖。以該產物對蔗汁澄清的脫色率和純度差為評價指標，優化制備條件，使用掃描電鏡（SEM）、紅外光譜儀（FT-IR）及核磁共振（1H-NMR）分析產物性能及表征結構。結果表明，在mNaOH∶mCTS=5∶1，微波功率600W，輻射時間12min，mCA∶mCTS=6∶1條件下，所制備的羧甲基殼聚糖為N，O-羧甲基殼聚糖，水溶性得到改善、對蔗汁中帶電膠體的吸附范圍及電中和性能有所增加；其對蔗汁澄清的脫色率和純度差分別達50.45%和1.63%，通過對比亞硫酸法澄清工藝的實際生產數據，認為羧甲基殼聚糖可以取代SO2作為糖用澄清劑應用于蔗汁澄清過程。

氯乙酸，羧甲基殼聚糖，蔗汁，澄清

殼聚糖（CTS）是一種陽離子高分子絮凝劑，具有良好的吸附性和環境友好性，無毒無味，廣泛應用于水處理、醫藥、食品等行業［1-2］。近年來，殼聚糖在糖汁澄清方面的探索研究已取得一些成果［3-5］，但因其只能溶于pH≤3～5的水溶液或乙酸等酸性溶劑中，使之在制糖生產過程中的應用受到了限制。

羧甲基殼聚糖是殼聚糖經羧甲基化改性生成的產物，屬于兩性高分子聚電解質，可結合水體中帶正電荷以及帶負電荷的物質，擴大了殼聚糖去除溶液中分子的種類。同時，通過羧甲基改性，可以破壞殼聚糖分子間的氫鍵，改善水溶性，拓寬其應用范圍［6-8］。吳勇［9］，徐云龍［10］報道了羧甲基殼聚糖在環保、食品、醫學、化學等領域的應用研究，但應用于制糖過程中的蔗汁澄清未見報道。

微波輻射技術具有反應速度快、產率高、清潔、節能等特點，已成功應用于多種有機反應和高分子合成中［11-12］。因此，本研究采用微波技術，以殼聚糖為原料、氯乙酸（CA）為改性劑制備羧甲基殼聚糖，并以其對甘蔗混合汁澄清的色值、純度差為評價指標，優化制備條件，開發適合于蔗汁清凈的羧甲基殼聚糖用澄清劑；同時，采用電鏡掃描（SEM）、紅外光譜儀（FT-IR）及核磁共振（1H-NMR）等方法分析羧甲基殼聚糖的性能并表征其結構。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

殼聚糖工業級，實驗室測定脫乙酰度為74.54%，浙江金殼生物有限公司；甘蔗混合汁采自南寧明陽糖廠，過200目濾網待用；氯乙酸AR，成都市科龍化工試劑廠；絮凝劑PAM日本T1150；其余所有試劑均為分析純。

WD900ATL23-2微波爐廣東Ganlanz公司；日立S-3400N型掃描電鏡日本日立電子有限公司；FT-IR傅立葉紅外光譜儀美國PerkinElmer公司；WZZ-T2自動旋光儀上海精密科學儀器有限公司；島津UV-2501PC紫外分光光度計日本島津公司；數字式阿貝折光儀日本ATAGO公司。

1.2羧甲基殼聚糖的制備及純化

1.2.1羧甲基殼聚糖制備稱取5g殼聚糖，加入實驗用量的40%NaOH溶液和少量十二烷基苯磺酸鈉，置于-20℃冰箱中堿化10h。將預先配好的50%氯乙酸-異丙醇溶液在攪拌狀態下滴加到堿化后的殼聚糖中，移入微波爐中反應一段時間，冷卻至室溫，用10%的鹽酸溶液調pH至（7.0±0.2），過濾，濾渣用40m L 80%甲醇水反復浸泡洗滌并抽濾3次，再用40m L無水乙醇浸泡洗滌抽濾反復3次，沉淀物在60℃真空干燥至恒重，得到羧甲基殼聚糖產品。羧甲基殼聚糖用蒸餾水配成1%水溶液，用于澄清處理甘蔗混合汁。

1.2.2羧甲基殼聚糖純化取1.0g羧甲基殼聚糖，加20m L蒸餾水溶解，過濾，濾液用40m L丙酮沉淀；抽濾，再用蒸餾水溶解所得固體物，得到含羧甲基殼聚糖的水溶液；將溶液置于透析袋中透析并定時更換去離子水，24h后對溶液旋轉蒸發濃縮；濃縮液用丙酮沉淀處理，抽濾，固體物料在真空干燥至恒重待用。純化后的羧甲基殼聚糖樣品用于SEM、FT-IR、1H-NMR檢測。

1.3羧甲基殼聚糖制備工藝實驗

1.3.1單因素實驗設計考察微波功率、輻射時間、氯乙酸（CA）與殼聚糖的質量比、氫氧化鈉與殼聚糖的質量比（質量比均為各種試劑的純品質量比）等因素的適宜范圍，以羧甲基殼聚糖的水溶解性能及其對甘蔗混合汁澄清的色值（IU）、純度差（△G.P.）為考核指標，評價羧甲基殼聚糖的改性效果。固定mNaOH∶mCTS=5∶1，微波功率400W，輻射時間12m in，mCA∶mCTS=6∶1，研究mNaOH∶mCTS=1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1，微波功率200、400、600、800、1000W，微波輻射時間3、6、9、12、15、18min，mCA∶mCTS=3∶1、4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1對色值、純度差的影響。

1.3.2正交實驗在單因素實驗的基礎上，采用L9（34）進行正交實驗，以羧甲基殼聚糖對甘蔗混合汁澄清的純度差和脫色率為評價指標，優化羧甲基殼聚糖的制備工藝條件，因素水平見表1。

表1　正交實驗因素水平表Table 1　Factors and levels of orthogonal test

1.4羧甲基化殼聚糖對甘蔗混合汁的澄清實驗

在300m L甘蔗混合汁中加入7.3m L 0.85%的磷酸溶液，用石灰乳調pH（6.6±0.2），加熱至50℃，然后添加400mg/L羧甲基殼聚糖溶液（配成1%的水溶液），并在攪拌狀態下添加石灰乳中和至pH（7.0±0.1）。取30%的蔗汁用攪拌器機械制泡10s，其余70%的蔗汁加熱至90℃，兩者混合均勻并添加3mg/L PAM絮凝劑，在水浴80℃保溫狀態下，上浮清凈20m in，取浮清汁分析重力純度、色值等指標。

1.5純度、色值的測定及計算

混合汁和清汁的重力純度、色值的測定方法參照李墉［13］。

純度差的計算：

純度差△G.P.=清汁的重力純度-混合汁的重力純度

脫色率的計算：

1.6電鏡掃描分析用掃描電鏡對殼聚糖和羧甲基殼聚糖進行掃描，觀察殼聚糖羧甲基化改性后的形貌變化情況。

1.7紅外光譜分析對殼聚糖和羧甲基殼聚糖用FT-IR掃描分析。

1.8核磁共振分析羧甲基殼聚糖的1H-NMR分析委托廣西測試研究中心測試，用D2O作溶劑。

2　結果及討論

2.1單因素實驗結果分析

2.1.1氫氧化鈉與殼聚糖質量比對色值和純度差的影響由圖1可知，清汁色值隨著氫氧化鈉用量的增加先升后降，當氫氧化鈉與殼聚糖比例達4∶1后，色值趨于穩定。純度差在mNaOH∶mCTS=5∶1時最大。水溶解性方面，可以觀察到隨著堿用量的增加，羧甲基殼聚糖的溶解度增大，比例為5∶1和6∶1時可完全溶解。綜合考慮，選定mNaOH∶mCTS=5∶1。

圖1　氫氧化鈉與殼聚糖質量比對色值和純度差的影響Fig.1　Effectof differentmass ratio NaOH and chitosan on purity differences and decolourization ratios

2.1.2微波功率對色值和純度差的影響從圖2可以看出，微波功率為400W時清汁色值最低，功率大于400W時，色值隨著功率的增加而增加；在功率200～600W范圍時，純度差相差不大，功率超過600W時，純度差下降；在功率400～600W范圍內，羧甲基殼聚糖水溶解性較好，而在功率為800～1000W時，羧甲基殼聚糖由淺白色變為黃色，呈現焦化趨勢。因此，選擇微波功率為400W。

圖2　微波功率對色值和純度差的影響Fig.2　Effectof differentmicrowave power on purity differences and decolourization ratios

2.1.3微波輻射時間對色值和純度差的影響由圖3可知，隨著輻射時間的增加，清汁色值先降后升，12m in時，色值最低；純度差總體呈增加趨勢，達到9m in后純度差增加不多；羧甲基殼聚糖的水溶性隨著輻射時間的增加而逐漸增大，達到9m in之后，溶解性能良好。因此，認為微波輻射時間12m in為宜。

圖3　微波輻射時間對色值和純度差的影響Fig.3　Effectofmicrowave irradiation time on purity differences and decolourization ratios

2.1.4氯乙酸與殼聚糖質量比對色值和純度差的影響實驗中可觀察到，氯乙酸與殼聚糖質量比在3∶1～7∶1范圍內，羧甲基殼聚糖的水溶性能均較好。由圖4可以看出，在mCA∶mCTS=8∶1時清汁色值最低，但純度差較小；在mCA∶mCTS=4∶1時，純度差最大，但色值較高；考慮到本實驗是在盡可能提高純度的基礎上取得最好的脫色效果，故選擇mCA∶mCTS=5∶1。

圖4　氯乙酸與殼聚糖質量比對色值和純度差的影響Fig.4　Effectof differentmass ratio CA and chitosan on purity differences and decolourization ratios

2.2正交實驗結果分析

在單因素實驗基礎上，采用L9（34）進行正交實驗，以羧甲基殼聚糖對甘蔗混合汁澄清的脫色率和純度差為評價指標，對羧甲基殼聚糖制備工藝條件進行優化，結果見表2。

表2　正交實驗結果Table 2　Results of orthogonal test

表3　脫色率正交實驗結果方差分析Table 3　The variance analysis of decolourization ratios

表4　純度差正交實驗結果方差分析Table 4　The variance analysis of purity differences

由表2極差分析可知，影響脫色率的因素主次順序為：C＞B＞D＞A，其最佳工藝條件為：A2B3C2D2；影響純度差的因素主次順序為：B＞D＞A＞C，其最佳工藝條件為：A2B2C3D2。由表3、表4方差分析結果可知，4個因子對兩個指標的影響均不顯著。

2.3驗證實驗及展望

以正交實驗結果得出的最佳組合條件A2B3C2D2和A2B2C3D2分別進行三次驗證實驗。A2B3C2D2條件下得到脫色率和純度差的平均值分別為50.45%和1.63%；A2B2C3D2條件下得到脫色率和純度差的平均值分別為48.62%和1.61%。對比兩組數據，故確定羧甲基殼聚糖制備最佳工藝條件為：A2B3C2D2，即mNaOH∶mCTS=5∶1，微波功率600W，輻射時間12m in，mCA∶mCTS=6∶1。

目前，我國90%以上的甘蔗糖廠采用亞硫酸法澄清生產工藝，以SO2為主要的澄清劑和脫色劑處理甘蔗混合汁，脫色率和純度差的實際生產數值一般為20%～50%和0.5%～1.5%［14］。由上述驗證實驗結果可知，羧甲基殼聚糖作為澄清劑澄清處理甘蔗混合汁，脫色率和純度差分別達50.45%和1.63%。因此，使用羧甲基殼聚糖作為糖用澄清劑處理蔗汁完全可行，但其應用工藝還需進一步研究探索，以期開發出無硫糖生產新工藝。

2.4殼聚糖和羧甲基殼聚糖的SEM表征

圖5為殼聚糖和羧甲基殼聚糖的電鏡掃描圖。由圖5可見，殼聚糖表面相對平整光滑，而改性后的羧甲基殼聚糖表面微觀形態發生了較大變化，表面粗糙，部分分子連結一起成為不規整的纖維狀，并呈現為縱橫交錯的網狀結構。這種結構的形式增加了羧甲基殼聚糖分子顆粒的表面積，有利于提高吸附、網絡、捕集蔗汁中非糖雜質顆粒的能力，并借助羧甲基殼聚糖分子長鏈的架橋作用，使蔗汁中的膠體、色素等雜質得以卷掃清除，從而獲得較好的澄清效果。

圖5　殼聚糖和季銨化殼聚糖的電鏡掃描（SEM）圖（×1000）Fig.5　The SEM picture of chitosan and carboxymethyl chitosan（×1000）

2.5殼聚糖和羧甲基殼聚糖的FT-IR表征

殼聚糖和羧甲基殼聚糖的FT-IR圖見圖6。由圖6可以看出，殼聚糖羧甲基化改性前后的紅外譜圖相似，但也存在一定差別。殼聚糖紅外譜圖中，在1651.01cm-1有一強度不大的酰胺I譜帶（N-H）變形振動峰，而在羧甲基殼聚糖的圖譜中則在1591.3cm-1和1417.98cm-1分別出現很強的-COO-不對稱和對稱伸縮振動的吸收峰，這兩個吸收峰均為羧酸鹽的特征吸收峰；并且在1320.06cm-1附近的酰胺Ⅱ譜帶也發生了紅移且強度增加，該結果與文獻［15-17］報道的相關數據基本一致，表明了改性后的殼聚糖發生了羧甲基化反應，引進了羧甲基團。羧甲基殼聚糖由于引進了親水性的羧甲基團，使其水溶性得到較大改善，無需在酸性條件下溶解，避免了使用時因在蔗汁中加入酸性溶液而引起的糖分損失。

圖6　殼聚糖與羧甲基殼聚糖FT-IR曲線比較圖Fig.6　Compare chitosan and carboxymethyl chitosan on FT-IR spectrum

圖7　羧甲基殼聚糖的1H-NMR圖Fig.7　1H-NMR spectrum of carboxymethyl chitosan

2.6羧甲基殼聚糖的1H-NMR表征

羧甲基殼聚糖的1H-NMR圖見圖7。圖7中，在δ= 4.821mg/L處出現了典型的C6位取代的羧甲基中的H最大吸收峰（-OCH2COOD），而在δ=3.944mg/L處則出現了典型的C2位取代的羧甲基中的H吸收信號峰（-NDCH2COOD），同時可看到δ=4.821mg/L的峰面積明顯高于δ=3.944mg/L處的峰面積。這說明得到的羧甲基殼聚糖為N，O-羧甲基殼聚糖且以O-取代為主，相關數據與文獻［18-20］報道的基本一致。N，O-羧甲基殼聚糖不但引進了親水性的羧甲基基團，改善了水溶性，同時還保留了氨基基團，使之既帶有陰離子電荷，也帶有陽離子電荷，增加了羧甲基殼聚糖對蔗汁中帶電膠體的吸附范圍和電中和性能，提高了清凈效能。

3　結論

采用微波輻射技術，以殼聚糖為原料、氯乙酸（CA）為改性劑制備羧甲基殼聚糖的工藝條件為：mNaOH∶mCTS=5∶1，微波功率600W，輻射時間12min，mCA∶mCTS=6∶1，此時甘蔗混合汁的脫色率和清混汁純度差分別達50.45%和1.63%；通過對比亞硫酸法澄清工藝的實際生產數據，認為羧甲基殼聚糖可以取代SO2作為糖用澄清劑。

通過SEM、FT-IR和1H-NMR分析，可以確定改性后的殼聚糖發生了羧甲基化反應，反應產物為N，O-羧甲基殼聚糖。改性后的羧甲基殼聚糖改善了水溶性，增加了羧甲基殼聚糖對蔗汁中帶電膠體的吸附范圍和電中和性能，提高了對蔗汁的澄清效能和適用性。本研究為探索無硫糖生產新工藝提供依據。

［1］黃永春，謝清若，孔紅星，等.殼聚糖-聚合氯化鋁復合絮凝劑對糖漿脫色的研究［J］.食品工業科技，2007，28（8）：112-114.

［2］Majeti N V Ravi Kumar.A review of chitin and chitosan applications［J］.Reactive&Functional Polymers，2000，46：1-27.

［3］陸冬梅，楊連生.殼聚糖絮凝劑處理亞硫酸法糖廠混合汁的實驗研究［J］.食品工業科技，2003，24（1）：36-37.

［4］梁平，賴鳳英，金鑫，等.殼聚糖絮凝劑處理榨季粗糖漿的實驗研究［J］.廣西蔗糖，2003，33（4）：26-27，36.

［5］黃玉南，黃俊生，徐曉燕，等.復合型澄清脫色劑的開發及應用研究［J］.甘蔗糖業，2008（1）：42-43.

［6］王衛東，許時嬰.羧甲基殼聚糖的制備及其在黑莓果汁澄清中的應用［J］.食品科學，2008，29（3）：241-244.

［7］Wan NW S，Liang K H.Adsorption of gold（III）ions onto chitosan and N-carboxymethyl chitosan：equilibrium studies［J］. Industrial and Engineering Chemistry Research，1999，38（4）：1411-1414.

［8］Fujiwara K，Ramesh A，Maki T，et al.Adsorption of platinum（IV），palladium（II）and gold（III）from aqueous solutions onto L-lysinemodifiedcrosslinkedchitosanresin［J］.Journal of Hazardous Materials，2007，146（1-2）：39-50.

［9］吳勇，黎碧娜.羧甲基殼聚糖的制備及應用研究進展［J］.香料香精化妝品，2001，4（2）：17-18.

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

［11］譙志勇，李明春，辛梅華，等.微波輻射在殼聚糖化學改性中的應用研究進展［J］.化工進展，2009，28（3）：412-417.

［12］胡宗智，鄒雋，付建科，等.微波技術在殼聚糖制備中的應用研究進展［J］.化學工程師，2007，136（1）：46-49.

［13］李墉，鄭長庚.甘蔗制糖化學管理分析方法［M］.廣州：中國輕工總會甘蔗糖業質量監督檢測中心，1995：27-53.

［14］陳維鈞，許斯欣.甘蔗制糖原理與技術（第一分冊）［M］.北京：中國輕工業出版社，2001：106-107.

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

［16］張惠欣，尹靜，黎鋼，等.羧甲基殼聚糖的微波合成與阻垢性能研究［J］.工業水處理，2008，28（12）：39-42.

［17］羅序燕，朱傳華，李偉紅，等.超聲波合成羧甲基殼聚糖及表征［J］.江西理工大學學報，2009，30（2）：10-13.

［18］蔡照勝，王錦堂，楊春生，等.羧甲基殼聚糖合成條件的優化及產物結構表征［J］.江蘇化工，2004，32（2）：27-30.

［19］Zhao Zhi Ping，Wang Zhi，Wang Shi Chang，et al.A novel N，O-carboxymethyl amphoteric chitosan/poly（ethersulfone）composite MF membrane and its charged characteristics［J］. Desalination，2002（144）：35-39.

［20］MiFL，Shyu SS，Chen CT，etal.Porouschitosanmicrosphere for controlling the antigen release of Newcastle disease vaccine：preparation of antigen-adsorbed microsphere and in vitro release［J］.Biomaterials，1999，20（17）：1603-1612.

Preparation and structural characterization of carboxymethyl chitosan as a sugar cane juice clarifying agent

HE Hui-huan1，XIE Zhi-rong2，LIU Ji-dong3，LIANG Xin-quan3，*
（1.Guangxi Vocational&Technical Institute of Industry，Nanning 530001，China；2.Mingyang Sugar Mill of Nanning Sugar Industry Ltd.，Nanning 530227，China；3.Institute of Light Industry and Food Engineering，GuangxiUniversity，Nanning 530004，China）

To p repare a new c larifying agent instead of SO2in sugarcane industry，carboxymethyl chitosan was p repared in this study using chloroacetic acid（CA）as a modifier and chitosan（CTS）as raw material under treatment ofm icrowave radiation.Op timal p reparation cond itions of carboxymethyl chitosan were evaluated by the decolourization ratios and the purity d ifferences to cane juice c larification，and the p roductwas analyzed by scanning electron m icroscope（SEM），infra-red spectrum（FT-IR）and nuc learmagnetic resonance（1H-NMR）. The results indicated that under treatment of mNaOH∶mCTS=5∶1，m icrowave power 600W，treatment time 12m in，mCA∶mCTS=6∶1，the p roduct was p roved to be N，O-carboxymethyl chitosan，and its water-solubility，adsorp tion range of charged colloids in cane juice and the electricity neutralization were all imp roved.The decolourization ratio and the purity d ifference of the new c larifying agentused in cane juice c larification were 50.45%and 1.63%，respectively.According to data obtained from sulfitation p rocess，the results indicated that carboxymethyl chitosan could rep lace SO2in cane juice c larification.

chloroacetic acid；carboxymethyl chitosan；cane juice；c larification

TS244.2

A

1002-0306（2015）06-0117-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.06.018

2014-06-18

何惠歡（1967-），女，本科，副教授，研究方向：糖品過程強化理論與技術。

梁欣泉（1966-），男，博士，高級工程師，研究方向：糖品過程強化理論與技術。

廣西科技廳科技開發計劃項目（桂科重1348002-3）；廣西教育廳高?？蒲许椖浚↙X2014609）。