利用废弃淡水龙虾壳制备羧甲基壳聚糖

郑丝柳，徐 阳，周颖梅

（徐州工程学院化学化工学院，江苏 徐州 221111）

羧甲基壳聚糖（Carboxymethyl chitosan，CMC）是壳聚糖经羧甲基化反应后的一类壳聚糖衍生物[1]。它具有保湿性、水溶性、成膜性的优点，在日化、食品、造纸、制药、化妆品等方面都有着重要的用途。壳聚糖（CTS）是甲壳素经脱乙酰化后的产物。甲壳素又名几丁质、甲壳质，是一种线型的天然高分子中性黏多糖，主要从虾、蟹壳中提取。徐州周边地区每年吃食大量的龙虾，将废弃的龙虾壳提取甲壳素后制备成羧甲基壳聚糖，在环保及实际应用上都具有现实意义。

自Hayes[2]报道了用氯乙酸法制备羧甲基壳聚糖后，众多学者对该方法进行改进，以提高产物的取代度。徐云龙等[3-4]研究制备了取代度（DS）为0.92、0.95和1.70的羧甲基壳聚糖。王永娟[5]在水溶媒介中，利用微波加热使壳聚糖发生羧甲基化改性反应，制得取代度为1.23的CMC。钟超等[6]利用两步加碱法，并采用等电点沉降法精制所得的N,OCMC，DS达1.7。吴友吉等[7]利用非质子溶剂法，以二甲亚砜(DMSO-H2O)为溶剂，在碱性条件下壳聚糖与氯乙酸反应，制得取代度高达1.93的CMC。

本文以虾壳废弃物为原料，通过酸碱循环处理方式提取出甲壳素，然后进行脱乙酰化后得到壳聚糖。结合两步加碱法和非质子溶剂法的优点，用有机溶剂二甲亚砜代替异丙醇对壳聚糖进行膨胀，通过两步加碱法制得了取代度为1.75的N,O-羧甲基壳聚糖。

1 实验部分

1.1 实验仪器

DZF6020型真空干燥箱，FA1004型电子天平，DF-101S智能集热式恒温加热磁力搅拌器，雷磁PHSJ-3F实验室pH计，SZCL-4型数显智能控温磁力搅拌器，ALPHA型傅里叶变换红外光谱仪（FTIR），SHB-Ⅲ循环水泵。

1.2 实验试剂

淡水龙虾（市售）；二甲亚砜（AR）、氯乙酸、氢氧化钠（AR）、盐酸（AR）、无水乙醇（AR）。实验用水为自制蒸馏水。

1.3 实验方法

1.3.1 由废弃淡水龙虾壳提取甲壳素

用清水将虾壳内外表面的异物去除干净，用干燥箱在100℃下干燥，粉碎。将粉碎的虾壳，先用5%氢氧化钠溶液浸泡5h脱除蛋白质，再用5%盐酸溶液浸泡3h脱灰分。经酸碱循环处理，直至加酸再无气泡产生。最后漂洗、干燥，得到甲壳素。

1.3.2 由自制甲壳素制备羧甲基壳聚糖

首先将甲壳素以1∶70的比例浸入浓度为60%的氢氧化钠溶液中，90℃下在氮气氛围中脱乙酰化12h后过滤，用热水冲洗产物至中性，干燥，得到白色片状壳聚糖。取3g自制壳聚糖于单口蒸馏烧瓶中，用40 mL二甲亚砜浸渍4h，使其充分溶胀。在上述溶液中加入15 mL质量浓度为40%的NaOH溶液，在25℃下搅拌2h，对其进行一次碱化后静置12h。将氯乙酸溶于一定量的二甲亚砜中，逐滴加入烧瓶中，反应在60℃恒温及搅拌条件下进行4h，使其充分反应。接着再一次性加入15 mL 40%的NaOH溶液，在60℃恒温下搅拌2h，得到油状液体及白色固体的混合物。

1.3.3 产品精制

倒掉上层清液，加入适量的无水乙醇，盖上玻璃塞用力摇晃，静置，倒掉上层乙醇清液，除去氯乙酸钠等盐，反复清洗4～5次。将产品转移到烧杯中，加入刚好可以溶解的水量，搅拌溶解后充分静置，抽滤。将滤液转移到烧杯中，用1mol·L-1的HCl将pH调节到等电点附近，再加入6倍量的无水乙醇。等有大量白色絮状物析出，充分静置后抽滤，将产物放于65℃的真空烘箱中充分干燥。

1.4 红外光谱分析

将自制壳聚糖和羧甲基壳聚糖充分干燥后用溴化钾压片，在4000～400cm-1范围内进行扫描，得到二者的红外光谱图。

1.5 取代度的测定

采用电位滴定法[8]测定取代度。根据文献[6]，取代度的计算公式如下：

其中，A=(V2-V1)CNaOH/m，CNaOH为氢氧化钠的浓度，mol·L-1；m为被滴定CMC的质量，g。V1为滴定过剩盐酸所消耗的NaOH溶液的体积，mL；V2-V1为滴定总羧基所消耗NaOH溶液的体积，mL。

测定取代度时，以脱乙酰度为90%的壳聚糖为原料，其氨基葡萄糖单元的摩尔质量Mcts单元=10%×203.19+90%×161.15=165.354，所以取代度计算公式为：DS=165.354A/(1-58A)。

2 结果分析

2.1 两步加碱法的改进

与传统工艺相比，两步加碱法最明显的区别就是碱是分两步加入的，该方法一定程度上破坏了壳聚糖的晶区，促进了反应试剂的渗透和扩散，确保了取代反应更完全地进行，因而提高了产物的取代度[7]。但是该方法采用质子溶剂（异丙醇）作为溶剂，而CTS的羧甲基化反应是一个亲核取代反应，质子溶剂容易使亲核溶剂溶剂化，抑制羧甲基化反应。二甲亚砜是非质子溶剂，对亲核取代反应具有很大的活化作用，可以提高产物的取代度。

2.2 产物结构红外分析

取少量壳聚糖粉末和羧甲基壳聚糖粉末，在65℃的真空烘箱中充分干燥后，将待测样品用KBr压片，采用FT-IR进行表征，所得CTS与CMC的红外光谱图如图1。

图1 CTS与CMC的FT-IRFig.1 FT-IR spectrum of CTS and CMC

由图1可以看出，羧甲基壳聚糖在1561cm-1处出现了-COOH的峰，而在壳聚糖图谱中1569cm-1处的峰强度并不如羧甲基壳聚糖1561cm-1处峰强度强，这说明，壳聚糖发生了羧甲基化反应。壳聚糖在1149cm-1处出现了仲羟基的伸缩振动峰，在羧甲基壳聚糖中，仲羟基的伸缩振动峰出现在1138cm-1处，并且强度较壳聚糖中仲羟基强度要小；壳聚糖1079cm-1处为伯羟基伸缩振动峰，羧甲基壳聚糖中伯羟基伸缩振动峰出现在1020cm-1处，同样的，羧甲基壳聚糖中伯羟基伸缩振动峰峰强度小于壳聚糖中伯羟基伸缩振动峰峰强度，伯羟基和仲羟基峰强度减小的现象都说明了伯羟基和仲羟基位置上均发生了羧甲基化反应。所得产物为N,O-羧甲基壳聚糖。

2.3 取代度的测定

称取0.25g精制的CMC产品，溶解于45mL 1.0198mol·L-1的盐酸溶液中，用浓度为0.1124mol·L-1的NaOH溶液滴定并用pH计测定溶液pH值的变化，利用二阶微商确定拐点的碱用量。根据实验数据作图得图2和图3。

如图2和图3所示，第1个标注点为过剩盐酸的滴定终点，第2个标注点为羧基的滴定终点，第3个标注点为NH3+的滴定终点。V3-V2为滴定总氨基所消耗NaOH溶液的体积，mL。其中，m为0.1655g，CNaOH=0.0944mol∙L-1，根据公式（1）计算得取代度为1.75。

图2 N,O-CMC电位滴定曲线Fig.2 Potentiometric titration curve of N,O-CMC

图3 N,O-CMC滴定微商曲线Fig.3 Titration curve derivative of N,O-CMC

3 结论

以虾壳废弃物为原料，成功地制得了羧甲基壳聚糖。利用二甲亚砜代替有机溶剂异丙醇对壳聚糖进行膨胀，可以有效地活化亲核取代反应，结合两步加碱法，使产物的取代度得到提高。

[1] 朱琨，邓海，威常乐.羧甲基壳聚糖的制备研究[J].江苏教育学院学报：自然科学版，2011， 27（5）：40-42.

[2] Hayes Ernest R. N,O-Carboxymethyl chitosan and preparative method therefore: US, 4619 995[P].1986-10-28.

[3] 徐云龙，汪传木，雷晓明.相转移催化法制备羧甲基壳聚糖[J].华东理工大学学报，2003，29（1）：80-82.

[4] 徐云龙，冯屏，钱秀珍，等.微波合成羧甲基壳聚糖[J].华东理工大学学报，2003，29（4）：380-383.

[5] 王永娟.羧甲基壳聚糖的制备及应用研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2009.

[6] 钟超，赵静，黄明智.两步加碱法制备N,O-羧甲基壳聚糖-反应条件对取代度的影响[J].精细化工，2004，21（5）：338-341.

[7] 高友吉，宋庆平，李庆海.高取代度羧甲基壳聚糖的制备[J].合成化学，2006，14（5）：506-509.

[8] Muzzarelli R A A, Tanfani F, Emanulli M, et al.N-(Carboxymethylidene) chitosans and N-(carboxymethyl)chitosans;novel chelating polyampholytes obtained from chitosan glyoxylate[J]. Carbohydrate Research, 1982(107):199-214.