O-羧甲基殼聚糖的制備工藝研究

孫萍，黃國(guó)清，韓曉娜，肖軍霞

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266109）

O-羧甲基殼聚糖的制備工藝研究

孫萍，黃國(guó)清，韓曉娜，肖軍霞*

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266109）

O-羧甲基殼聚糖（OCC）是殼聚糖的一種重要的衍生物，具有良好的水溶性、膠凝性和生物相容性。采用氯乙酸法制備OCC，研究了氯乙酸和氫氧化鉀（KOH）的用量以及反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)OCC取代度的影響，并采用紅外光譜分析了羧甲基的取代位置。結(jié)果表明，當(dāng)殼聚糖：氯乙酸：KOH的質(zhì)量比為2∶2.5∶2.7時(shí)，在50℃下分批加入氯乙酸，攪拌反應(yīng)4 h，得到的OCC的取代度較高為0.78，而且紅外光譜分析表明所制備的羧甲基殼聚糖即為O-羧甲基殼聚糖。

O-羧甲基殼聚糖；取代度；紅外光譜

殼聚糖是自然界唯一一種帶正電的堿性多糖，具有安全性、生物相容性、黏膜結(jié)合性、成膜性及膠凝性等性質(zhì)，已廣泛應(yīng)用于紡織、印染、造紙、食品、醫(yī)藥和環(huán)保等領(lǐng)域[1]。但殼聚糖只能溶于酸性溶液，這極大地限制了其應(yīng)用范圍[2]。羧甲基殼聚糖是殼聚糖經(jīng)羧甲基化反應(yīng)后的一類(lèi)殼聚糖衍生物，根據(jù)羧甲基取代位置的不同可將羧甲基化產(chǎn)物分為O-羧甲基殼聚糖（O-carboxymethyl chitosan，OCC）、N-羧甲基殼聚糖和N，O-羧甲基殼聚糖。羧甲基在殼聚糖不僅具有良好的水溶性，還具備殼聚糖的優(yōu)良性質(zhì)，因此其應(yīng)用范圍較殼聚糖更廣泛。

羧甲基殼聚糖可以用作水處理的絮凝劑、果蔬保鮮劑，還可以形成凝膠及微膠囊用作食品功能成分和藥物的載體[3]，羧甲基殼聚糖中羧甲基的取代度與其性能有著密切的聯(lián)系，因此制備不同取代度的羧甲基殼聚糖是目前研究的熱點(diǎn)。陳凌云等[4]研究了羧甲基殼聚糖的取代度對(duì)其保濕性能的影響，發(fā)現(xiàn)羧甲基殼聚糖的保濕性能隨取代度的增高而增強(qiáng)；姚倩等[5]研究了取代度與抗氧化性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)羧甲基殼聚糖的取代度越高其氧化還原能力越強(qiáng)；魏玉萍等[6]研究了取代度對(duì)廢水中的Cu2+的螯合能力的影響，結(jié)果表明羧甲基殼聚糖對(duì)廢水中Cu2+的螯合能力隨著取代度的增大而增強(qiáng)；同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)羧甲基殼聚糖的取代度對(duì)果汁的澄清效果有一定影響[7]。

目前取代度對(duì)羧甲基殼聚糖形成水凝膠的溶脹性影響還未見(jiàn)報(bào)道，本文通過(guò)研究氯乙酸用量和氫氧化鉀（KOH）的用量以及反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)OCC取代度的影響，探索制備不同取代度的OCC的條件，進(jìn)而為不同取代度的O-羧甲基殼聚糖水凝膠的溶脹及釋放性能的研究提供技術(shù)參數(shù)。

1 儀器和材料

1.1 材料與試劑

殼聚糖（粘度500mPa·s，脫乙酰度95.2%）：濰坊海之源有限公司；95%乙醇（AR）：煙臺(tái)三和化學(xué)試劑有限公司；鹽酸（AR）、氫氧化鈉（AR）：萊陽(yáng)市康德化工有限公司；無(wú)水乙醇（AR）：天津市廣成化學(xué)試劑有限公司；氯乙酸（AR）、異丙醇（AR）：天津市巴斯夫化工有限公司；溴化鉀（AR）：天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

雙向定時(shí)恒溫磁力攪拌器：上海滬西分析儀器廠有限公司；電子天平：上海奧豪斯公司；電熱恒溫水浴鍋：龍口市先科儀器公司；DELTA320型pH計(jì)：梅特勒托利多有限公司；離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海福瑪實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；傅立葉變換紅外光譜儀：賽默飛世爾科學(xué)儀器部。

1.3 方法

1.3.1 OCC的制備

將殼聚糖浸于40mL異丙醇中，KOH溶于20mL的蒸餾水中，再將兩者混合使殼聚糖浸泡3 h以上。在一定溫度下，將氯乙酸分批加入其中，攪拌反應(yīng)一定時(shí)間后，棄去異丙醇，將產(chǎn)物用蒸餾水完全溶解，將溶液的pH調(diào)至等電點(diǎn)處，再向溶液中加入乙醇析出沉淀，用95%乙醇洗滌沉淀，于60℃烘箱中干燥至恒重[8]。

1.3.2 OCC取代度的測(cè)定

采用電位滴定法測(cè)定。精確稱(chēng)取0.5 g羧甲基殼聚糖溶解于50m L的0.1mol/L的標(biāo)準(zhǔn)HCl溶液中，將其置于磁力攪拌器中完全溶解，用0.1mol/L標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液滴定，分別記下滴定至pH2.1和pH4.3時(shí)所消耗的NaOH體積[9]。計(jì)算公式如下：

式中：A為每克樣品中NOCC的物質(zhì)的量，mmol；W為樣品重量，g；C為NaOH溶液濃度，（mol/L）；V1為滴定至pH2.1時(shí)所耗NaOH的體積，m L；V2為滴定至pH4.3時(shí)所耗NaOH的體積，mL。

1.3.3 紅外光譜分析

將O-羧甲基殼聚糖干燥后，加入一定量的KBr進(jìn)行研磨，取少量研磨好的粉末，壓片后置于中紅外光譜儀上在波長(zhǎng)4 000 cm-1～400 cm-1范圍內(nèi)進(jìn)行掃描分析，通過(guò)譜圖分析官能團(tuán)吸收峰的變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 氯乙酸用量對(duì)OCC取代度的影響

取2 g殼聚糖分散于異丙醇中，將2.3 g KOH溶于20mL的蒸餾水中，將兩者混合浸泡3 h以上，將與殼聚糖質(zhì)量比為0.25∶1、0.5∶1、0.75∶1、1∶1、1.25∶1（即0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 g）的氯乙酸分3次加入到浸泡充分的體系中，在室溫下反應(yīng)3 h后停止攪拌。氯乙酸用量對(duì)OCC的取代度的影響見(jiàn)圖1。

圖1 氯乙酸的用量對(duì)OCC取代度的影響Fig.1 Effect of chloroacetic acid dosage on the degrees of substitution of OCC

由圖1可知，OCC的取代度隨著氯乙酸用量的增大而增大，這可能是隨著氯乙酸質(zhì)量濃度的增大，殼聚糖的-OH容易與氯乙酸碰撞，發(fā)生羧甲基化反應(yīng)的幾率增加，并導(dǎo)致羧化度增加[10]，從而使OCC的取代度增大。當(dāng)氯乙酸與殼聚糖的質(zhì)量比為1.25∶1時(shí)，殼聚糖的羧甲基化程度最大，此時(shí)OCC的取代度最大為0.55。由于KOH和氯乙酸間的中和反應(yīng)和水解反應(yīng)過(guò)程都要放熱，如果將氯乙酸一次全部加入，會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的副反應(yīng)，從而使反應(yīng)溫度很難控制，同時(shí)氯乙酸利用率會(huì)降低，因此采用分次加入氯乙酸的方法，可有效的提高反應(yīng)效率。

2.2 KOH的用量對(duì)OCC的取代度的影響

取2 g殼聚糖分散于異丙醇中，與殼聚糖質(zhì)量比為0.95∶1、1.05∶1、1.15∶1、1.25∶1、1.35∶1（即1.9、2.1、2.3、2.5、2.7 g）的KOH溶于20m L的蒸餾水中，將兩者混合浸泡3 h以上，在室溫下攪拌反應(yīng)，反應(yīng)期間分3次加入1 g氯乙酸，每1 h加入一次，反應(yīng)3 h后停止攪拌。KOH用量對(duì)OCC的取代度的影響見(jiàn)圖2。

圖2 KOH的用量對(duì)OCC取代度的影響Fig.2 Effect of KOH dosage on the degrees of substitution of OCC

由圖2可知，OCC的取代度隨著KOH質(zhì)量濃度的增大而增大，這可能是由于在堿性條件下殼聚糖的活性基團(tuán)-OH易發(fā)生羧甲基化反應(yīng)，KOH濃度的增大可使殼聚糖結(jié)構(gòu)單元中更多活性中心的形成，有利于殼聚糖與氯乙酸的反應(yīng)[11]，從而使OCC的取代度增大。當(dāng)KOH與殼聚糖的質(zhì)量比為1.35∶1時(shí)，OCC的取代度達(dá)到最大為0.55。

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)OCC的取代度的影響

取2 g殼聚糖分散于異丙醇中，2.3 g KOH溶于20mL的蒸餾水中，將兩者混合浸泡3 h以上，分別在20、30、40、50、60℃下攪拌反應(yīng)，反應(yīng)期間分3次加入1 g氯乙酸，每1 h加入一次，反應(yīng)3 h后停止攪拌。反應(yīng)溫度對(duì)OCC的取代度的影響見(jiàn)圖3。

圖3 溫度對(duì)OCC取代度影響Fig.3 Effect of temperature on the degrees of substitution of OCC

由圖3可知，OCC的取代度隨著反應(yīng)溫度的升高先增大后減小，這可能是由于反應(yīng)溫度升高，羧甲基化反應(yīng)的幾率增加，從而使OCC的取代度升高；但是溫度太高會(huì)加劇副反應(yīng)的發(fā)生，不僅降低氯乙酸的利用率，增大產(chǎn)物在體系的溶解度，造成體系粘度上升，從而阻礙反應(yīng)試劑的進(jìn)一步擴(kuò)散和滲透，還會(huì)使生成的OCC分子鏈斷裂，而且體系中異丙醇也會(huì)大量蒸發(fā)，不利于反應(yīng)進(jìn)行[12]。當(dāng)反應(yīng)溫度為50℃時(shí)，OCC的取代度最大為0.72。

2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)OCC取代度的影響

取2 g殼聚糖分散于異丙醇中，2.3 g KOH溶于20mL的蒸餾水中，將兩者混合浸泡3 h以上，在常溫下分別攪拌反應(yīng)1、2、3、4、5 h，反應(yīng)期間分3次加入1 g氯乙酸。反應(yīng)時(shí)間對(duì)OCC取代度的影響見(jiàn)圖4。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)OCC取代度的影響Fig.4 Effect of reaction duration on the degrees of substitution of OCC

由圖4可知，OCC的取代度隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，這可能是由于反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，殼聚糖的活性中心與氯乙酸碰撞幾率越大，越容易發(fā)生羧甲基化反應(yīng)，因此OCC的取代度越大。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為4 h時(shí)，OCC的取代度達(dá)到0.59，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為5 h時(shí)，OCC的取代度為0.60，說(shuō)明攪拌反應(yīng)4 h時(shí)殼聚糖已經(jīng)基本完全發(fā)生羧甲基化，同時(shí)考慮成本等因素，選擇攪拌時(shí)間為4 h。

2.5 OCC的紅外光譜

取2 g殼聚糖分散于異丙醇中，2.7 g KOH溶于20mL的蒸餾水中，將兩者混合浸泡3 h以上，在50℃下攪拌反應(yīng)4 h，反應(yīng)期間分3次加入2.5 g氯乙酸，此時(shí)制備得到的OCC的取代度為0.78。OCC的紅外光譜見(jiàn)圖5。

圖5 OCC的紅外光譜Fig.5 Infrared spectroscopy of OCC

由圖5可知，對(duì)于殼聚糖[13]，在3 445.74 cm-1處的強(qiáng)吸收峰是-OH和-NH的特征吸收峰部分重疊結(jié)果；在1 152.84、1 083.04、1 664.51cm-1處產(chǎn)生了-O-、C-O和乙?；蠧=O的伸縮振動(dòng)吸收峰；在893.48 cm-1處的吸收峰是伯胺-NH2的吸收帶，伯胺N-H面內(nèi)彎曲振動(dòng)強(qiáng)吸收峰是1 599.46 cm-1。而對(duì)于OCC，1 652.70 cm-1是處較強(qiáng)的吸收峰是羧基上的C=O伸縮振動(dòng)峰；并且在1 260.63 cm-1是-CH2-COOH中C-O伸縮振動(dòng)和-OH面內(nèi)彎曲振動(dòng)偶合而產(chǎn)生的特征吸收，表明產(chǎn)物分子中含有羧甲基；1 434.55 cm-1處吸收峰為COO-的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰，1 071.31 cm-1處是C-O-C的強(qiáng)吸收峰，在此波長(zhǎng)-OH的特征峰減弱，峰型變窄，說(shuō)明殼聚糖在-OH上發(fā)生了羧甲基反應(yīng)，羧甲基成功嫁接在殼聚糖上。3 418.76 cm-1和1 579.76 cm-1處的吸收峰為-NH的伸縮振動(dòng)峰和彎曲振動(dòng)峰，說(shuō)明-NH2的吸收峰未消失，羧甲基取代并沒(méi)有發(fā)生在氨基上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)一致[14]。

3 結(jié)論

采用氯乙酸法制備OCC，研究了氯乙酸和氫氧化鉀的用量以及反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)OCC取代度的影響，結(jié)果表明，當(dāng)殼聚糖：氯乙酸：KOH的質(zhì)量比為2∶2.5∶2.7時(shí)，在50℃下分批加入氯乙酸，攪拌反應(yīng)4 h，得到的OCC的取代度最高達(dá)到了0.78。

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Research on the Preparation of O-carboxym ethyl Chitosan

SUN Ping，HUANG Guo-qing，HAN Xiao-na，XIAO Jun-xia*
（College of Food Science and Engineering，Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，Shandong，China）

O-Carboxymethyl chitosan（OCC）is an important derivative of chitosan and possesses good water solubility，gelling capacity and biocompatibility.In this paper，OCC was prepared in the chloroacetic acid method and the effects of the dosages of chloroacetic acid and potassium hydroxide（KOH），temperature and time on the degrees of substitution of OCC were studied and the substitution reaction location was analyzed with infrared spectroscopy（FTIR）.The results showed that the optimum conditions for OCC preparation were：chitosan/chloroacetic acid/KOH ratio 2∶2.5∶2.7，temperature 50℃and reaction duration 4 h.Under these conditions，the degrees of substitution of OCC reached 0.78.FTIR analysis confirmed that the substitution reaction occurred in theO atom.

O-carboxymethyl chitosan；the degree of substitution；infrared spectroscopy

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.03.020

2014-01-21

國(guó)家自然科學(xué)基金（31101391）；山東省自然科學(xué)基金（ZR2010CQ032）；深圳市科技研發(fā)資金基礎(chǔ)研究計(jì)劃（JC201105201225A）

孫萍（1969—），女（漢），高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，學(xué)士，從事功能性食品開(kāi)發(fā)。

*通信作者：肖軍霞（1977—），女（漢），教授，博士，從事功能因子穩(wěn)態(tài)化技術(shù)研究。