“蝦殼基殼聚糖的制備及表征”有機化學綜合性實驗設計

宮貴貞*，邱林子

徐州工程學院材料與化學工程學院（徐州 221018）

有機化學實驗是食品類、生物類和化學化工類等相關專業非常重要的一門核心必修課程，是更好理解有機化學理論知識的重要輔助。通過該門課程可以培養學生的實驗“三基”（基本技能、基本知識、基本能力）[1]和科學素養。但目前有機化學實驗項目設置大多為驗證性、簡單物質的合成實驗，缺少對產物結構的表征和性質測試[2]，與《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》和教育部在《關于進一步深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見》文件中要求的實驗教學中應增加綜合性和創新性實驗，以提高學生的自主學習和獨立研究的能力有差距[3]，同時也難以實現目前要求培養的新工科復合型人才及將可持續發展、環保等生態文明理念滲透到實驗教學之中[4-5]。基于此，很多高校都對綜合性、創新性實驗內容、授課模式進行探究與實踐，以更有效地提高學生的創新能力、實踐能力、科研素養和研發能力[6]，推動學生知識體系的交叉融合[7]，成為具有較強創新能力和實踐能力，且具有正確的世界觀、人生觀和價值觀的人才。

殼聚糖是天然高分子，生物相容性很好，可以代替化石基高分子，現已被廣泛用于食品、醫藥等行業[8-10]。殼聚糖是經甲殼素堿解得到，而甲殼素廣泛存在于甲殼類物質，故可從廢棄的甲殼類物質中提取。一方面，可提高廢物利用，提高環保；另一方面，可減少化石原料的利用，具有重要的社會價值和經濟價值。蝦殼基殼聚糖的制備實驗涵蓋有機化學合成知識、實驗操作、結構的表征、性能測試等項目，具有多個學科的交叉與融合。將“蝦殼基殼聚糖的制備及表征”設計成有機化學綜合實驗，能夠提高實驗趣味性，有利于強化學生綜合實驗能力、創新能力、分析問題和解決問題能力，還可使其樹立正確的生態價值觀。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

氫氧化鈉、鹽酸、雙氧水、冰醋酸、亞硫酸氫鈉、乙酸鈉及溴化鉀，均為分析純；蝦殼，市售冰凍蝦的殼。

1.2 儀器與設備

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（鞏義市予華儀器有限責任公司）、DZF-6020真空干燥箱（上海賀德實驗設備有限公司）、SHB-Ⅲ循環水式多用真空泵（山東省菏澤市祥龍電子科技有限公司）、JM-A10002電子天平（上海方瑞儀器有限公司）、ALPHA傅里葉紅外光譜儀（德國布魯克）、Q20差示掃描量熱儀（美國TA公司）、Q50熱重分析儀（美國TA 公司）。

1.3 試驗內容

主要內容包括蝦殼的預處理、甲殼素的提取及殼聚糖的制備，經過蝦殼洗滌、粉碎、過篩、稀酸、稀堿反應、脫色及與濃堿反應等一系列步驟得到殼聚糖，如圖1所示。涉及有機化學理論知識、實驗基本操作知識、大型儀器操作技能、譜圖解析等。

1.3.1 原料預處理

選取冰凍蝦，剝其殼，去除蝦尾及蝦足，留其背部殼，然后清洗至基本無泡沫，瀝干水分，于真空干燥箱80 ℃干燥4 h，研磨過20目分樣篩得蝦殼粉，裝袋密封，備用。

1.3.2 甲殼素的制備

稱取7 g蝦殼粉，用90 mL 4%的鹽酸溶液，浸泡一定時間。過濾酸液，蒸餾水水洗至中性。用200 mL 10%的氫氧化鈉溶液于90～100 ℃下攪拌2 h，過濾堿液，蒸餾水水洗至中性。80 ℃真空干燥得甲殼素粗品。甲殼素粗品先用5%雙氧水室溫浸泡1 h，抽濾，蒸餾水水洗除去雙氧水至中性。再用5%亞硫酸氫鈉溶液室溫浸泡1 h，抽濾，蒸餾水水洗至中性，80 ℃真空干燥得白色或淺灰色半透明的片狀固體甲殼素。

1.3.3 殼聚糖的制備

取0.3 g上述所制甲殼素，用40%氫氧化鈉溶液進行處理，堿煮溫度為90～100 ℃，堿煮時間分別為1，2，3，4和5 h。過濾，水洗至中性，于真空干燥箱中干燥得殼聚糖。

圖1 試驗流程圖

1.4 分析及檢測方法

1.4.1 甲殼素灰分含量的測定

采用劉俊[11]灰分含量的測定方法。用洗凈并在550 ℃高溫下灼燒0.5 h，在干燥箱冷至室溫的瓷坩堝稱取一定量的甲殼素樣品，準確至0.000 2 g。先在普通電爐中烤至炭化，然后在馬弗爐中于550 ℃下灼燒3 h，取出，在空氣中冷卻1 min，再在干燥器中冷卻30 min，稱質量，然后再放入電爐中灼燒1 h，冷卻，稱質量，直至兩次質量之差小于0.001 g為恒質量。灰分含量按式（1）計算。

式中：W0為已恒質量的空坩堝質量，g；W1為坩堝加樣品的質量，g；W2為灰化后坩堝加灰分的質量，g。

1.4.2 殼聚糖脫乙酰度的測定

采用孫琳等[12]的紅外光譜法測定殼聚糖的脫N-乙酰基度。將制備的殼聚糖樣品在80 ℃下真空干燥2 h后，稱取適量殼聚糖樣品與干燥的KBr充分研磨混勻，用壓片機壓片，置于傅里葉變換紅外光譜儀中，掃描次數為64次，分辨率為4 cm-1，記錄4 000～400 cm-1范圍內的光譜。

式中：DD為脫乙酰度；A為吸光度。

1.4.3 殼聚糖黏均分子量的測定

按照文獻[13]的方法進行測定。所有標準液體均應經純化。使用烏氏黏度計測分子量時，務必先檢查再嚴格洗凈。測量時，水浴溫度必須恒溫在30 ℃（波動小于0.05 ℃）。

1.4.4 殼聚糖的熱重分析（TG）

將殼聚糖樣品在真空干燥箱中60 ℃下干燥2 h，采用Q50 TGA熱重分析儀，升溫速率為20 ℃/min，溫度范圍為30～800 ℃，高純氮氣為保護氣。

1.4.5 殼聚糖的差示掃描量熱（DSC）法

將殼聚糖樣品在真空干燥箱中60 ℃下干燥2 h，采用Q20 DSC儀器，升溫速率為30 ℃/min，溫度范圍為40～500 ℃，高純氮氣為保護氣。

2 結果與討論

2.1 提取甲殼素工藝的選擇

稀鹽酸脫鈣采用一次（反應4 h）和兩次（先用鹽酸反應一段時間，傾去酸液，再進行第二次反應，具體分為1/3，2/2和3/1 h）的工藝。所得甲殼素灰分如圖2所示。采用二次反應的方式所得甲殼素灰分含量均低于一次反應，其中1/3 h的兩次酸浸脫鈣時間為制備甲殼素灰分含量最少的組別，說明用二次酸浸脫鈣法比用一次酸浸脫鈣法能更有效去除無機組分。

圖2 反應時間對甲殼素灰分的影響

2.2 堿煮時間對殼聚糖的影響

由圖3可以看出，隨著濃堿煮時間的增加，脫乙酰度也在增加，當濃堿煮時間為4 h時，脫乙酰度達87.2%；超4 h以后，增加趨勢放緩。堿煮時間對殼聚糖的收率影響并不大。綜合考慮節約能源和時間因素，堿煮時間選為4 h，可獲得較高的脫乙酰度和收率。

2.3 殼聚糖FTIR分析

不同堿煮時間所得殼聚糖的FTIR見圖4，峰歸屬見表1。由圖4可看出，3 424 cm-1左右的吸收峰為—OH伸縮振動特征峰，吸收強度隨堿煮時間的延長向低波數移動，處理2 h時移動最明顯，為6 cm-1，這說明分子間氫鍵減弱。1 638 cm-1左右的酰胺I譜帶隨堿煮時間的延長而減弱，說明酰胺基含量減少。

圖3 堿煮時間與脫乙酰度及收率的關系

表1 殼聚糖FTIR譜帶歸屬

2.4 殼聚糖的黏均分子量

計算各溶液對應的相對黏度（ηr=T/T0）、增比黏度（ηsp=ηr-1）和比濃黏度（η=ηsp/C），并以5個比濃黏度作圖，可得一條直線，將此直線外推，求得截距，此截距為特性黏度[η]。黏均分子量參照文獻[14]進行計算：[η]=1.81×10-3M0.93，即可求得殼聚糖的黏均分子量，具體結果見圖5。隨著時間的延長，黏均分子量增加，反應4 h所得殼聚糖的黏均分子量為9.18×10-5，達到最大；5 h時，降為8.5×10-5。

2.5 殼聚糖的TG分析

圖6是脫乙酰度為87.2%和85.9%兩個樣品的熱失重圖。其熱分解過程分為三個部分：30～268 ℃之間，268～420 ℃之間以及420 ℃之后，主要熱分解發生在268～420 ℃之間，這與文獻[15-17]報道是一致的。樣品在260 ℃之前，都有一個輕微的失重，這是因為試樣中存在少量的小分子物質吸附水的熱解析和對空間水的先脫除，而樣品主要的質量未損失，證明在此溫度前，殼聚糖性質較穩定。而所有樣品在400℃之后，熱分解逐漸趨于平穩，性質也比較穩定。

圖5 不同堿煮時間所得殼聚糖的黏均分子量

圖6 不同脫乙酰度殼聚糖的TG圖

2.6 殼聚糖的DSC分析

不同脫乙酰度殼聚糖的DSC譜圖如圖7所示。熱解過程在124 ℃出現一個吸熱峰，可能是形成的一些小分子揮發性物質所引起的；在325 ℃左右出現一個巨大的、尖銳的放熱峰，可能是殼聚糖劇烈分解、氧化、熱交聯等反應放熱所致。

圖7 不同脫乙酰度殼聚糖的DSC圖

3 結論

從蝦殼制備殼聚糖，二次1/3 h脫鈣反應所得甲殼素灰分含量較低；堿煮4 h，所得殼聚糖脫乙酰度和收率較高，黏均分子量達到最大，為9.18×10-5；不同脫乙酰度的殼聚糖其熱穩定性有所差異。蝦殼制備殼聚糖的綜合實驗，實現了有機化學理論教學、實驗操作教學、文獻調研和儀器分析等多學科交叉的有機結合。學生通過查閱文獻了解課題進展、儀器使用等知識內容，以設計出合理的實驗方案。通過實驗過程、儀器操作、數據處理、譜圖解析等，學生可感知科學的趣味性、嚴謹性和準確性。通過該綜合實驗的教學訓練，學生的實驗動手能力、分析解決問題能力、創新意識和思維有所提高，有助培養成具有良好科學素養的“厚基礎、善實踐、能創新、高素質”的新工科復合型創新人才。