殼聚糖在二氧化碳水溶液中的溶解初探

袁詩云，晉 蕊, 張傳杰,2，朱 平,2

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殼聚糖在二氧化碳水溶液中的溶解初探

袁詩云1，晉 蕊1, 張傳杰1,2，朱 平1,2*

（1. 武漢紡織大學 化學與化工學院，湖北 武漢 430073；2. 江南大學 生態紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

首先將殼聚糖制成凝膠體，然后采用二氧化碳的水溶液溶解殼聚糖，研究了殼聚糖的溶解過程，以及殼聚糖的濃度、溶解溫度、溶解壓力等對殼聚糖溶解性能的影響。結果表明：隨著二氧化碳通氣時間的延長，水溶液中的殼聚糖顆粒逐漸變小、減少，直至消失，外觀由乳白色的混濁溶液逐漸轉變為透明溶液。隨著溶液溫度的降低和溶解壓力的增加，殼聚糖的溶解時間逐漸縮短，溶解度逐漸增加。殼聚糖在二氧化碳水溶液中的最佳溶解溫度為5 ℃，溶解壓力為0.4 Mpa，此時溶解度為2.0%。

殼聚糖；二氧化碳；水溶液；溶解

殼聚糖是甲殼素脫乙酰化得到的一種天然氨基多糖，是地球上存在量僅次于纖維素的多糖[1-2]，性能優越，具有生物可降解、生物相容性以及抗真菌、抗過敏、抗腫瘤和免疫激活作用等生理學活性[3-4]。目前，殼聚糖在醫藥、食品工業、污水處理、農業、紡織工業等很多領域均有廣泛的應用[5-8]。

殼聚糖的相對分子質量較大，通常在幾十萬甚至上百萬。而且分子間存在較強的氫鍵作用力，化學性質穩定，溶解性較差，不能直接溶于水中或一般的有機溶劑中，只能溶于有機或無機的稀酸溶液中。采用這種方法制備的殼聚糖溶液，進行材料加工時需要采用堿溶液中和溶液中的酸，才能得到各種形態的殼聚糖制品，這樣就增大了成本與時間。Yasuo SAKAI等人提出可向殼聚糖與水的濁液中通入二氧化碳，以生成的碳酸來溶解殼聚糖[7-8]。但是其并未對殼聚糖在二氧化碳水溶液中的溶解性能進行研究。本文嘗試將二氧化碳氣體溶于蒸餾水中，以生成的碳酸溶液來溶解殼聚糖，研究溶解溫度、溶解圧力、殼聚糖的濃度以及分子量等對殼聚糖在二氧化碳水溶液中溶解性能的影響。采用該方法制備的殼聚糖溶液，通過加熱即可去除碳酸溶液，制成不溶于水的殼聚糖材料，工藝簡單，且避免了堿劑的使用和化學物質的殘留，有助于實現殼聚糖在生物材料等一些特殊領域的應用。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及藥品

殼聚糖：食品級，脫乙酰度為93.6%，分子量為400000，濟南海得貝海洋生物工程有限公司；冰乙酸，乙酸鈉，氫氧化鈉：均為分析純，國藥集團化學有限公司；二氧化碳氣體：武漢友盛氣體有限責任公司。

1.2 實驗儀器

D-500型均質機：大龍興創實驗儀器（北京）有限公司；低溫恒溫反應浴：鞏義市京華儀器有限責任公司；高壓反應釜：煙臺牟平曙光精密儀器廠；PB-1 0標準型pH計 ：賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；i9型雙光束紫外-可見分光光度計：濟南海能儀器股份有限公司。

1.3 殼聚糖凝膠體的制備及含水率測定

將殼聚糖溶于1%的醋酸水溶液中，配制成質量百分比濃度為1%的殼聚糖溶液，然后采用轉速為10000 rpm的均質機邊攪拌邊加滴加1 mol/L的氫氧化鈉溶液，直至溶液的pH值轉變為7～8，此時溶液由澄清透明轉變成乳白色濁液；高速離心分離上述乳白色溶液，并用蒸餾水洗滌至中性，得到殼聚糖凝膠體。

稱取一定量的殼聚糖凝膠體，稱重記為m1；然后置于100 ℃的烘箱中干燥至恒重，稱重記為m2；按照公式（1）計算殼聚糖凝膠的含水率W。

1.4 殼聚糖在二氧化碳水溶液中的溶解

稱取一定量的殼聚糖凝膠體，用均質機分散在100mL的蒸餾水中，制得分散均勻的殼聚糖濁液；將殼聚糖濁液保持在實驗設定溫度，然后在一定的壓力狀態下，通入二氧化碳氣體，并觀察溶液顏色變化，直至溶液轉變為澄清透明狀態，停止通入二氧化碳氣體。

1.5 殼聚糖溶解過程的觀察

配制質量百分比濃度為0.5%的殼聚糖凝膠體的懸濁液，然后持續通入二氧化碳氣體，采用數碼相機記錄殼聚糖溶液的外觀狀態。于此同時，每隔5 min取樣，采用偏光顯微鏡觀察溶液中殼聚糖凝膠體的形貌，放大倍數為100倍。

1.6 殼聚糖溶解液的pH值和透光率的測定

配制一定濃度的殼聚糖凝膠體的懸濁液，在一定壓力和溫度下持續通入二氧化碳氣體。通入二氧化碳氣體即開始計時，每隔一定時間，取樣。采用pH計測試殼聚糖溶解液的pH值，并采用分光光度計測試殼聚糖溶液在可見光范圍內的最大透光率。

1.7 殼聚糖溶解度的測定

配制一系列濃度梯度的殼聚糖懸浮溶液，在一定壓力和溫度下持續通入二氧化碳氣體60 min，然后按照濃度從低到高，依次測定殼聚糖溶液在可見光范圍內的最大透光率。當殼聚糖溶液的最大透光率下降至90%以下時，對應的濃度定義為該條件下殼聚糖的溶解度。

2 結果與討論

2.1 殼聚糖的溶解過程

室溫常壓下通入CO2氣體，隨著通氣時間的延長，濃度為0.5%的殼聚糖懸浮液的外觀變化如圖1所示。從圖1可以看出：未通入CO2時，殼聚糖懸浮液為不透明的乳白色；隨著通氣時間的延長，殼聚糖懸浮液的顏色逐漸變淺，直至澄清，而且溶液的黏度逐漸增大。當通氣時間達到15 min時，殼聚糖懸浮液呈現出基本澄清透明的狀態，溶液黏度顯著變大，通入的CO2氣體有部分以氣泡形式殘留在溶液中，此時停止通氣。停止通氣15 min后，殼聚糖溶液轉變為完全澄清透明的狀態，且溶液中的殘留氣泡消失。

圖1 殼聚糖溶解過程的外觀照片

a- 0 min, b-5 min, c-10 min, d-15 min, e-30 min

殼聚糖完全溶解于CO2水溶液后，其結晶將消失，形成均勻透光、各向同性的溶液，而未溶解的殼聚糖則在正交偏光顯微鏡下顯現出亮度較高的微觀形貌。室溫常壓下持續通入CO2氣體，采用偏光顯微鏡觀察濃度為0.5%的殼聚糖懸浮液的溶解過程，通過偏光顯微鏡可以看出：未通入CO2時，懸浮液中存在大量不溶于水的外觀為不規則片狀的殼聚糖顆粒；隨著通氣時間的延長，懸浮液中不溶解的殼聚糖顆粒的數量逐漸減少，體積逐漸減小；當通氣時間達到15 min時，溶液中僅存少量不溶解的外觀為纖絲狀的殼聚糖；當通氣時間達到20 min時，溶液中僅存微量不溶解的外觀為點狀的殼聚糖；當通氣時間達到30 min時，殼聚糖全部溶解，形成均一的溶液。

由此可以推斷殼聚糖在CO2水溶液中的溶解是由表及里的過程，首先是與溶液接觸的表層殼聚糖發生溶解剝離，擴散到溶液中，同時形成新的界面；然后在外界溶液的作用下，新形成的表層的殼聚糖再發生溶解，如此往復，直至所有的殼聚糖溶解分散到CO2水溶液中。

2.2 溶解溫度對溶解性能的影響

常壓下通入CO2氣體，隨著通氣時間的延長，濃度為0.5%的殼聚糖懸浮液在不同溶解溫度時的透光率和pH值如圖2和圖3所示。從圖2可以看出：當溫度一定時，隨著CO2氣體通入時間的延長，溶液的透光率逐漸提高，與觀察到的溶液外觀變化一致。一般情況下，溫度越高，高分子溶解越快。這是由于溫度升高時，大分子鏈趨于完全舒展，大分子鏈的纏結點減少，分子鏈間的相互作用減弱。同時溫度升高降低了活化能，破壞了高分子間的氫鍵，減弱了分子間的相互作用力。但是殼聚糖在CO2水溶液中的溶解，違反上述規律。從圖3可以看出，隨著溶解溫度的升高，殼聚糖懸浮液轉變成透明溶液的時間逐漸延長，意味著溶解時間延長。當溶解溫度為5～15 ℃時，溶解時間為5 min左右；但溫度達到35 ℃時，溶解時間增加到30 min。

圖2 溶解溫度對殼聚糖溶液透光率的影響

從圖3可以看出：當溶解溫度一定時，隨著CO2氣體通入時間的延長，溶液的pH值逐漸降低，然后趨于平衡。溶解溫度對溶液pH值達到平衡的時間影響不大，基本上CO2氣體的通入時間為5 min左右時，溶液的pH值就達到平衡；但是溶解溫度對殼聚糖溶液的平衡pH值有較大影響，隨著溶解溫度的升高，溶液的平衡pH值逐漸增大，意味著溶液的酸性逐漸減弱。

圖3 溶解溫度對殼聚糖溶液pH值的影響

圖4 殼聚糖溶解過程中的化學反應

如圖4所示，殼聚糖在CO2水溶液的溶解存在兩步可逆的化學反應：首先是CO2氣體在水溶液中溶解生成H2CO3，并水解產生H+；然后生成的H+與殼聚糖分子中的—NH2結合，形成水溶性的陽離子化殼聚糖，進而擴散溶解在CO2的水溶液中。溫度越低，CO2氣體在水中的溶解度越高，形成的水溶液的酸性越強，越有利于加速殼聚糖的溶解。但是溫度太低不利于殼聚糖與H+的反應，不利于陽離子化的殼聚糖在水溶液中的擴散，反而增加殼聚糖的溶解時間。由于這兩種作用同時存在，所以殼聚糖的溶解溫度需要控制在恰當的范圍內。對比圖2和圖3，當溶解溫度在5～15 ℃時，殼聚糖的溶解時間和溶液pH值達到平衡的時間基本一致，表明此溫度范圍內兩種作用相互抵消，達到平衡。當溶解溫度在25～35 ℃時，殼聚糖溶解時間遠大于溶液的pH值達到平衡的時間；而且此溫度范圍內，溫度越低，溶解時間越短。由此表明，此溫度范圍內，殼聚糖凝膠體的溶解時間主要取決于溶液的pH值，而不是溶解溫度。綜上所述，殼聚糖在CO2水溶液中溶解時，溶解溫度主要通過影響溶液的pH值而影響殼聚糖的溶解性能，合適的溶解溫度范圍為5～15 ℃。

2.3 殼聚糖濃度對溶解性能的影響

殼聚糖懸浮液的溫度為5 ℃，常壓下持續通入CO2氣體，隨著通氣時間的延長，不同濃度的殼聚糖懸浮液的透光率如圖5所示。從圖5可以看出，隨著殼聚糖濃度的增大，相同通氣時間時殼聚糖懸浮液的透光率逐步下降，且達到平衡的時間逐步延長；當殼聚糖懸浮液的濃度為1.5%時，溶液的透光率達到平衡的時間延長為20 min，平衡時的透光率下降為87.3%。如圖4所示，殼聚糖溶解過程中存在兩種可逆反應，持續通入CO2氣體時，殼聚糖的溶解消耗H+，同時反應平衡向右進行，促進CO2氣體在水中溶解，重新生成H+。但是，總體上隨著懸浮液中殼聚糖濃度的增大，溶解過程中溶液的pH值將逐漸升高，溶液的溶解時間延長，溶解能力逐步下降，最終達到溶解飽和，此時再增加殼聚糖濃度，將不再溶解，導致溶液的透光率下降。從圖5可以看出，當殼聚糖懸浮液的濃度為1.4%時，溶液的透光率從99.3%下降至91.3%，不溶物較多，認為殼聚糖在CO2水溶液中的溶解達到飽和。因此，溶解溫度為5 ℃，常壓下持續通入CO2氣體，殼聚糖的溶解度為1.4%。

圖5 殼聚糖濃度對溶液透光率的影響

2.4 溶解壓力對溶解性能的影響

殼聚糖懸浮液的溫度為5 ℃，一定壓力下持續通入CO2氣體，不同溶解壓力時殼聚糖的溶解度如圖6所示。從圖6可以看出，隨著溶解壓力的增大，殼聚糖在CO2水溶液中的溶解度逐漸增大。這是由于隨著溶解壓力的增大，CO2氣體在水溶液中的溶解度逐漸增大，溶液的酸性逐漸增強度，有利于破壞殼聚糖結構中結合力較強的氫鍵，使其離子化，從而擴散到水溶液中，促進殼聚糖的溶解。但是，隨著溶解壓力的增強，CO2氣體在水溶液中的溶解度增加的幅度逐漸減弱，直至基本飽和，變化不明顯。所以，當溶解壓力從0 Mpa增加到0.1 Mpa時，殼聚糖的溶解度增加了28.6%；從0.1 Mpa增加到0.4 Mpa時，殼聚糖的溶解度僅增加了11.1%；進一步增加溶解壓力，殼聚糖的溶解性能幾乎無變化。

圖6 溶解壓力對殼聚糖溶解度的影響

3 結論

（1）室溫常壓下通入CO2氣體，隨著通氣時間的延長，殼聚糖懸浮液中不溶解顆粒的數量逐漸減少，體積逐漸減小，溶液外觀由不透明的乳白色逐漸轉變為透明的溶液，而且溶液的黏度逐漸增大。

（2）隨著懸浮液中殼聚糖濃度的增大，溶解過程中溶液的pH值將逐漸升高，溶液的溶解時間延長，溶解能力逐步下降，最終達到溶解飽和，此時再增加殼聚糖濃度，將不再溶解，導致溶液的透光率下降。

（3）殼聚糖在CO2水溶液中溶解時，溶液的pH值是影響殼聚糖溶解性能的主要因素。隨著溶解溫度的降低和溶解壓力的增大，殼聚糖在二氧化碳水溶液中溶解平衡時的 pH值逐漸減小，溶解時間縮短，且溶解度增大。

（4）殼聚糖在二氧化碳水溶液中溶解時，最佳溶解溫度為5 ℃，最佳溶解壓力為0.4 Mpa，此時殼聚糖的溶解度最大，達到2%。

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Dissolving of Chitosan in Carbon Dioxide Aqueous Solution

YUAN Shi-yun1, JIN Rui1, ZHANG Chuan-jie1,2, ZHU Ping1,2

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China,；2. Key Laboratory of Eco-Textile, Ministry of Education, School of Textiles and Clothing, Jiangnan University, Wuxi Jiangsu 214122, China)

Chitosan was first made into a gel, and then the gel was dissolved in aqueous solution of carbon dioxide. The dissolution process of chitosan, the concentration of chitosan, dissolution temperature and dissolution pressure had been studied in this paper. The results indicated that the chitosan particles in the aqueous solution gradually became smaller, decreased and disappeared gradually, and the appearance changed from milky white turbid solution to transparent solution with the prolongation of carbon dioxide ventilation time. With the decrease of solution temperature and the increase of dissolution pressure, the dissolution time of chitosan decreased and the solubility gradually increased. The best solution temperature of chitosan in carbon dioxide aqueous solution is 5 ℃, the dissolution pressure is 0.4 Mpa, then the solubility is 2.0%.

chitosan; carbon dioxide; aqueous solution; dissolution

Q539

A

2095－414X(2017)06－0066－05

朱平（1957-），男，教授，楚天學者，研究方向：天然高分子功能材料.

湖北省教育廳中青年人才項目（Q20151607）.