羧甲基甲壳素的制备工艺研究

孙达锋，朱昌玲，丁振中

(1.南京野生植物综合利用研究院，江苏 南京 210042；2.扬州日兴生物科技股份有限公司，江苏 扬州 225600)

羧甲基甲壳素的制备工艺研究

孙达锋1，朱昌玲1，丁振中2

(1.南京野生植物综合利用研究院，江苏 南京 210042；2.扬州日兴生物科技股份有限公司，江苏 扬州 225600)

采用一步法将甲壳素进行碱化，在碱性环境下与氯乙酸反应进行羧甲基结构修饰，制备出水溶性的羧甲基甲壳素。对制备中的主要影响因素进行了研究，结果表明：当碱液浓度为45%、碱化时间为12 h、甲壳素与氯乙酸的摩尔比为1∶3.5、反应时间为8 h、体系中含水量为30%时，产品取代度，产品得率为99.04%。

甲壳素；羧甲基化；制备工艺

甲壳素(Chitin)又名甲壳质、几丁质，广泛存在于虾、蟹及昆虫的甲壳以及真菌、植物细胞壁中。地球上存在的天然有机化合物中，数量最大的是纤维素，其次就是甲壳素，估计自然界每年生物合成的甲壳素将近100亿吨；甲壳素亦是地球上除蛋白质外数量最大的含氮天然有机化合物。仅此两点，就足以说明甲壳素的重要地位。但甲壳素高度难溶解的性质，极大地限制了它的应用，所以必须开发其水溶性产品扩大其应用范围[1]。在其分子上引入羧甲基团，这种水溶性甲壳素衍生物具有许多优良特性，广泛应用于食品、化妆品、保鲜、医药等方面[2-7]。当前，大多数研究报道都是先将甲壳素脱乙酰制成壳聚糖后，再进行羧甲基化反应，羧甲基甲壳素(CM-CH)的研制，具有简化生产工艺、降低生产成本等优势。本文中，通过控制羧甲基甲壳素的得率，制备了性能优良的产品，并优化出了最佳反应条件。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

甲壳素：由扬州日兴生物科技股份有限公司提供，粉碎过30目筛备用；

试剂：氢氧化钠、氯乙酸、冰乙酸、95%乙醇均为分析纯；

仪器：HH-2数显恒温水浴器(金坛市江南仪器厂)；JJ-1大功率搅拌器(常州国华电器有限公司)；20PR-52D离心机(日立工机株式会社)；SHB-Ⅲ水环式真空泵(郑州长城科工贸有限公司)；ZK-82A真空干燥箱(上海市实验仪器总厂)；DFY-400高速粉碎机(温岭市林大机械有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 羧甲基甲壳素的制备方法

称取10 g甲壳素，加入一定浓度的NaOH水溶液，再加入乙醇作为分散剂，搅拌状态下常温碱化；称取一定量的氯乙酸溶于乙醇中，缓慢加入反应釜中，65 ℃下进行反应；待反应结束后加入一定量蒸馏水搅匀，冷却至室温，用冰乙酸调节pH值至7，离心去除杂质；在搅拌条件下将上清液缓慢加入95%乙醇中，有大量絮状沉淀产生，静置2 h，抽滤得滤饼，再用无水乙醇洗涤，60 ℃真空干燥，粉碎得羧甲基甲壳素产品。

2 结果与讨论

2.1 碱化时碱浓度对产品得率的影响

甲壳素是长链型高分子化合物，由于分子间存在强氢键作用，这种分子结构有利于晶态形成，使大分子间存在着有序结构，其链的规整性大并具有刚性，其分子间的氢键作用比纤维素中更强。甲壳素的碱化就是加入一定浓度的碱溶液，通过甲壳素的吸碱、扩散，生成碱化甲壳质的操作。在碱化过程中，由于甲壳质的膨化，打开了结晶区域中的扩散通道，活化了它的反应性能[1，5]。

在固定氯乙酸为10 g、碱化时间8 h、反应温度65 ℃、反应时间4 h下，将碱液浓度分别设为30%、35%、40%、45%、50%进行试验，碱化时碱浓度对产品得率的影响见表1。

从表1中可以看出，碱液浓度在35%以下时未发生羧化反应，随着碱浓度的提高产物得率提高，但浓度加大到45%后得率提高较少，综合考虑选择碱化浓度45%为宜。

从本试验可以看出，碱的浓度直接影响甲壳素的膨化，相对于壳聚糖的羧化反应，甲壳素碱化时需提高碱液浓度。另外，在本反应中，由于NaOH和氯乙酸间的反应是一个放热过程，如果将氯乙酸一次全部加入，反应温度大幅度升高而难以控制，就会发生强烈的副反应，从而降低了氯乙酸的利用率，因此氯乙酸采用分次或缓慢加入的方法，有效的提高反应效率。

表1 碱化时碱浓度对产品得率的影响

2.2 碱化时间对产品得率的影响

在固定氯乙酸10 g、碱液浓度45%、反应温度65 ℃、反应时间4 h下，将碱化时间分别设为4、8、12、16、20 h，碱化时间对产品得率的影响见表2。

试验结果显示，随着碱化时间的增加得率提高，但当碱化时间增加到12 h后得率递增不明显，所以选择碱化时间为12 h为宜。

表2 碱化时间对产品得率的影响

2.3 甲壳素与氯乙酸的不同摩尔比对产品得率的影响

在固定碱液浓度45%、碱化时间12 h、反应温度65 ℃、反应时间4 h下，将甲壳素与氯乙酸摩尔比分别设为1∶2.0、1∶2.5、1∶3.0、1∶3.5、1∶4.0进行试验。

由表3可知，随着甲壳素与氯乙酸摩尔比的增加，所得产品得率不断增加，但当摩尔比增加到1∶3.5后得率提高较少，因此甲壳素与氯乙酸的最佳摩尔比定为 1∶3.5。这是因为随着氯乙酸质量浓度的增大，甲壳素分子中的—OH与氯乙酸碰撞几率增加，导致羧甲基化反应的增加。

表3 甲壳素与氯乙酸摩尔比对产品得率的影响

2.4 反应时间对产品得率的影响

在固定碱液浓度45%、甲壳素与氯乙酸的摩尔比为1∶3.5、反应温度65 ℃、碱化时间12 h下，将反应时间分别设为2、4、6、8、10 h，反应时间对产品得率的影响结果见表4。

表4 反应时间对产品得率的影响

从表中可以看出，随着反应时间的增加得率提高，但8 h后得率增长趋于缓和，考虑生产成本等因素，所以选择反应时间8 h为宜。

2.5 反应体系中含水量对产品得率的影响

固定在甲壳素与氯乙酸的摩尔比为1∶3.5、碱液浓度45%、碱化时间12 h、反应温度65 ℃、反应时间8 h下，将反应体系含水量分别配置成10%、20%、30%、40%、50%，反应时间对产品得率的影响结果见表5。

表5 反应体系中含水量对产品得率的影响

从表5可知，随着体系中含水量的增加得率提高，但含水量超过30%后得率又降低了，所以选择体系中含水量为30%较好。 这是由于体系中含水量太少，不利于反应的进行，但随着反应的进行，如果体系中水分含量过高，一部分先生成的产物就会溶解于水中，随着粘度的增加，对进一步传质、羧化反应进行带来极大的困难，使反应不能完成，因此应尽可能避免此种情况。体系中的水分主要来自NaOH和乙醇溶液，当碱液浓度和体积不同时，所添加的乙醇浓度也要进行调整。

3 结 论

对羧化反应中的碱浓度、碱化时间、甲壳素与氯乙酸的摩尔比、反应时间、体系中水含量五个主要因素进行研究，优化反应条件为：碱液浓度为45%、碱化时间为12 h、甲壳素与氯乙酸的摩尔比为1∶3.5、反应时间为8 h、体系中含水量为30%，反应产品得率为99.04%。

[1] 蒋挺大.壳聚糖[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2] 常菁，刘万顺，韩宝芹，等.羧甲基壳聚糖和羧甲基甲壳素的生物学性质研究和比较[J].功能材料，2007(38)：1839-1842.

[3] 陈鲁生.O-羧甲基甲壳素制备条件的研究[J].化学研究与应用，1999(5)：504-506.

[4] 章朝晖，黄平.甲壳素衍生物的制备工艺[J].广西化工，2000(3)：20-24.

[5] 张秋华，骆赞椿，蔡水洪.水溶性羧甲基甲壳素的制备[J].精细化工，1994(4)：36-39.

[6] 于海峰，潘明旺，李佐邦.羧甲基甲壳素与壳聚糖的合成及其性能研究[J].河北工业大学学报，2000(3)：22-25.

[7] 高洸，吴朝霞.羧甲基甲壳素的结构与性能研究[J].高分子材料科学与工程，2004(3)：107-110.

Study on the Preparation of Carboxymethyl Chitin

Sun Dafeng1，Zhu Changling1，Ding Zhenzhong2

(1.Nanjing Institute for Comprehensive Utilization of Wild Plants，Nanjing 210042，China；2.Yangzhou Rixing Biotech Co.，Ltd.，Yangzhou 225600，China)

Chitin was alkalified by one-step method，carboxymethyl structural modificated with chloroacetic acid in alkaline to prepare water-soluble carboxymethyl chitin.The main influence factors for preparation were studied.The results showed that when the concentration of alkali was 45%，the reaction time was 12 h，mole ratio of chitin to chloroacetic acid was 1∶3.5，the reaction time was 8 h，system water content was 30%，the optimal product yield reached 99.04%.

chitin；carboxymethylated；preparation technology

10.3969/j.issn.1006-9690.2017.02.020

2016-09-13

江苏省产学研联合创新资金项目(BY2014019)。

孙达锋(1977—),男，副研究员，研究方向：天然产物。E-mail：sdafeng@163.com

TS201.1

A

1006-9690(2017)02-0082-03