微水固相法皂荚多糖胶羧甲基化改性

刘彦涛， 张威伟， 章伟岸， 王 堃， 孙达峰， 蒋建新*

(1.北京林业大学 材料科学与技术学院，林业生物质材料与能源教育部工程研究中心，北京 100083； 2.南京野生植物综合利用研究院，江苏 南京 210042)

微水固相法皂荚多糖胶羧甲基化改性

LIU Yantao

刘彦涛1， 张威伟1， 章伟岸1， 王 堃1， 孙达峰2， 蒋建新1*

(1.北京林业大学 材料科学与技术学院，林业生物质材料与能源教育部工程研究中心，北京 100083； 2.南京野生植物综合利用研究院，江苏 南京 210042)

以氯乙酸(MAC)为醚化试剂，NaOH为碱化试剂，采用微水固相法对皂荚多糖胶(GSG)进行羧甲基化改性，比较了不同NaOH加入量对羧甲基化皂荚多糖胶(CMGSG)取代度、相对分子质量和黏度的影响，并研究了CMGSG对生活污水的絮凝效果。结果表明：当n(GSG) ∶n(NaOH) ∶n(MAC)1 ∶1 ∶1，60 ℃下反应12 h时，CMGSG取代度(Ds)0.16，相对分子质量1.385×106，此改性多糖胶液用于处理人工模拟生活污水,具有较好的絮凝能力，处理后的污水的最小浊度为20.2 NTU。微水固相法羧甲基化改性可以在无溶剂体系和较少反应试剂条件下达到改性效果。

皂荚多糖胶；羧甲基化；微水固相改性；絮凝能力

1 实 验

1.1 材料、试剂与仪器

皂荚(GleditsiasinensisLam.)荚果，中国河北涉县供销社提供，将皂荚种子手工剥出，并保存在阴凉干燥处，备用。使用烘烤法分离得到种子中的胚乳片[11]，具体操作如下：将一定数量(30～40颗)的皂荚种子放入微波炉中加热一段时间，然后使用万能粉碎机进行粉碎，将胚乳片与种皮和胚分离,胚乳片即为皂荚多糖胶。

系列葡聚糖标准相对分子质量样品DXT3k、DXT25k、DXT160k、DXT760k和DXT1185k(平均相对分子质量为3.6×103～1.2×106)，均购自日本TosoHaas 公司。无水乙醇、氯乙酸(MAC)、盐酸和氢氧化钠均为分析纯。

格兰仕微波炉；GS系列均相反应器，威海化工机械有限公司；LVDV-Ⅲ Ultra 型流变仪，美国Brookfield公司；NICOLET iN10显微红外光谱仪，Thermo Fisher Scientific公司；S-3400型扫描电子显微镜(SEM)，日本Hitachi公司；Waters e2695高效液相色谱仪，美国Waters公司。

1.2 羧甲基化皂荚多糖胶的制备

采用微水固相的方法制备羧甲基皂荚多糖，主要步骤如下：称取皂荚多糖胶(GSG)10 g，加入一定量的NaOH(2.47、4.94和9.88 g)，再加入3 mL去离子水，使GSG稍微润湿，在35 ℃下搅拌碱化 0.5 h；再加入7 mL去离子水与氯乙酸(5.833 g)的混合溶液，使GSG完全润胀，在60 ℃的均相反应器中进行醚化反应12 h，使得醚化试剂氯乙酸能充分均匀地进入到GSG中。反应结束后，将反应所得的沉淀取出并用80%的乙醇将其洗至中性，继续用80%乙醇洗至无氯离子检出(氯离子用AgNO3溶液进行检测)，在60 ℃条件下烘干，再粉碎，粒径<0.125 mm，储存备用。通过改变催化剂和试剂的比值得到不同取代度(Ds)和相对分子质量的羧甲基化皂荚多糖胶(CMGSG)改性产品。

1.3 产物分析与表征

本刊：2018年中央一号文件提出，“切实发挥农垦在质量兴农中的带动引领作用”。请问垦区在坚持质量兴垦、深化农业供给侧结构性改革方面有哪些举措？

1.3.1 取代度的测定 参照文献[12]，采用滴定法测定CMGSG的Ds,按照下列公式计算:

wA=59×(C1V1-C2V2)/m×100%

(1)

Ds=162wA/(1-59wA)

(2)

式中：C1—标准NaOH溶液浓度，mol/L;C2—HCl溶液浓度,mol/L;wA—羧甲基基团(—CH2COOH)的质量分数，%； 59—羧甲基基团(—CH2COOH)的摩尔质量，g/moL；V1—NaOH溶液的体积，L；V2—滴定过量的NaOH所消耗的HCl体积，L；m—所取样品质量，g； 162—脱水葡萄糖单元的摩尔质量，g/moL。

1.3.2 FT-IR表征 使用NICOLET iN10显微红外光谱仪对干燥的CMGSG和GSG样品进行测定，扫描波数范围为400～4000 cm-1。

1.3.3 相对分子质量表征 采用凝胶渗透色谱(GPC)分析测定GSG及其氧化物的相对分子质量分布。GPC系统柱为TSK PWXL保护柱、TSKgel G6000 PWXL和TSKgel G3000 PWXL(TosoHaas)，并配有示差折光检测器；流动相NaH2PO4·2H2O-Na2HPO4·12H2O,按照n(NaH2PO4·2H2O) ∶n(Na2HPO4·12H2O)=51 ∶49混合得到0.2 mol/L的混合溶液，pH值为6.8，流速0.6 mL/min，进样量10μL。将样品稀释至0.3 g/L，进样前需通过0.22 μm滤膜进行过滤,测定时柱温保持在35 ℃。使用一系列平均相对分子质量为3.6×103～1.2×106的葡聚糖标准溶液校正柱子。使用软件Empower2(Waters)计算得到重均相对分子质量(Mw)和数均相对分子质量(Mn)。

1.3.4 形貌表征 将CMGSG和GSG样品颗粒完全干燥，用SEM观察GSG改性前后表面形貌的变化。

1.3.5 表观黏度 将1 g样品用3 mL无水乙醇进行润湿，再迅速倒入97 mL的蒸馏水中，在60 ℃下水浴磁力搅拌，使样品达到最大程度的水合。用LVDV-Ⅲ Ultra 型流变仪(LV4号转子)在20.0 ℃条件下测定溶液在不同剪切速率下的黏度。

1.3.6 絮凝性能 实验中的CMGSG均配制成质量分数为1%的胶液，取5 mL胶液处理一定量的人工模拟生活污水[13]。模拟生活污水配方如下(g/L)：CH3COONa·3H2O 0.66，NH4Cl 0.17，KH2PO40.02，NaHCO30.4，MgSO4·7H2O 0.08，CaCl20.04，每升水中加入0.3 mL营养液[14]。絮凝过程控制转速为250 r/min，搅拌15 min，沉降30 min，取上清液在680 nm波长下测定吸光度(以过 0.22 μm 滤膜去离子水做空白对照)，得到浊度测定标准曲线为y=788.98x-1.245 9(R2=0.999 7)。测定处理后上清液的浊度作为评价改性多糖胶絮凝性能的指标，浊度的测定采用分光光度法[15]。

2 结果与讨论

2.1 NaOH用量对产物的影响

2.1.1 取代度及相对分子质量 按1.2节制备CMGSG，固定醚化剂氯乙酸用量(5.83 g)，考察NaOH加入量对Ds的影响，结果见表1。由表1可以看出，随着NaOH加入量的增大，所得产物的Ds增加。这是由于在羧甲基化反应的过程中，NaOH的加入一方面用来提供碱性的反应环境，能够加速反应的进行；同时也作为溶胀剂有利于皂荚多糖结构单元中形成更多的活性中心，促进氯乙酸向皂荚多糖胶分子内部的渗透和扩散，便于氯乙酸与羟基形成醚键，从而提高产物的取代度[16-17]。

表1 不同条件下羧甲基皂荚多糖胶的取代度及相对分子质量分布

产物相对分子质量测定结果亦见表1。由表可见，随着NaOH用量的增加，数均相对分子质量(Mn)和重均相对分子质量(Mw)均呈下降趋势，均有明显的降低，说明碱化试剂的用量对皂荚多糖胶的相对分子质量有显著的影响。这可能是因为NaOH导致皂荚多糖的分子链的断裂，随着用量的增加，皂荚多糖胶的分子结构被破坏的越严重，最终导致相对分子质量逐步下降。由于皂荚多糖分子链的断裂从而导致了其多分散性(与原料比)增大。

2.1.2 水溶液黏度 采用LVDV-Ⅲ Ultra型流变仪在相同浓度时测定不同NaOH用量条件下CMGSG的静态剪切流变性能，CMGSG水溶液的黏度随剪切速率的变化曲线如图1所示。由图1可以看出，随着NaOH用量的增加，产物的水溶液表现黏度(与原料比)呈先增大后减小的趋势，当NaOH用量较少时，随着皂荚多糖胶的羧甲基化，皂荚多糖的黏度有一定的增加，但随着NaOH用量的增加，使得它能够更多的进攻皂荚多糖胶分子链上的糖苷键，使其分子链断裂，从而使改性产品黏度下降[18]。由图1可知，在整个旋转速率范围内，GSG、CMGSG-1～CMGSG-3均为非牛顿型流体，存在剪切变稀的假塑性行为，黏度随剪切速率的变化而变化。随着NaOH用量的增加，糖苷键的断裂也随之增加，分子链逐渐变短，阻碍溶剂分子运动的能力逐渐变弱，从而使溶液的黏度降低。

2.2 羧甲基化皂荚多糖的表征

2.2.1 红外分析 图2是GSG和CMGSG-3(Ds=0.27)的FT-IR谱图。

图1 GSG和CMGSG水溶液黏度变化曲线

Fig.1 The viscosity curves of the aqueoussolution of GSG and CMGSG

图2 GSG及CMGSG-3红外光谱图

Fig.2 FT-IR spectra of GSG and CMGSG-3

在GSG的FT-IR谱图中，2922 cm-1处出现了—CH2—的非对称伸缩振动吸收峰[19]，1658 cm-1处出现的峰是GSG所吸收的水分子的两个—OH所形成的吸收峰，870和812 cm-1处出现的峰是GSG骨架的伸缩振动峰；在CMGSG-3的FT-IR谱图中，1610和1418cm-1处出现了两个新峰，其中1610 cm-1处是—COO—的不对称伸缩振动峰，1418cm-1处是与羟基相连的甲基的C—H变角振动吸收[20]，这两个新峰表明CMGSG-3中羧甲基成分的存在，证明了GSG中的羟基被羧甲基取代[21]。

2.2.2 形貌观察 图3是GSG和CMGSG-3颗粒形貌的扫描电镜图。

图3 GSG和CMGSG-3(Ds 0.27)的SEMFig.3 SEM images of GSG and CMGSG-3(Ds 0.27)

由图3(a)可以看出，GSG呈现出分散的、不规则的颗粒状形貌，这与文献所报道的皂荚多糖胶的形貌一致，而皂荚的羧甲基化反应显著改变了皂荚多糖胶的形貌特征，原本较大的颗粒经过羧甲基化后出现一定的分散(图3(c))。由放大1 000倍的SEM图可以看出GSG颗粒虽然呈现较为不规则的形态，但其颗粒表面基本上是较为光滑的，经过羧甲基化改性后，表面出现了较多明显的裂纹，颗粒表面变得较为粗糙，颗粒表面的变化可能是由于羧甲基化反应过程中的碱性环境所造成的[22]。

2.3 CMGSG对生活污水的絮凝效果

将不同取代度(0.16、0.20和0.27)的CMGSG-1～CMGSG-3和GSG以5 mL胶液加入到100 mL的待处理模拟生活污水中，考察絮凝效果。结果显示：未经处理的模拟生活污水浊度最大为235.7 NTU，CMGSG-1处理后，模拟生活污水的浊度最小为20.2 NTU，经GSG、CMGSG-2和CMGSG-3处理的污水浊度分别为215.2、76.5和82.6 NTU。说明取代度0.16的CMGSG-1的絮凝效果最好，这和赵霞等[23]对瓜尔胶进行羧甲基化改性得到的絮凝剂的研究结果相似。改性皂荚多糖胶的溶胀性较大，在水中更加容易扩散，而其分子结构上的许多羟基和羧基官能团易于形成较强的氢键，从而使得改性皂荚多糖胶能在许多作用点上与模拟生活污水中的微粒发生絮凝作用，从而达到净化模拟生活污水的效果[24]。

微水固相法羧甲基化改性多糖胶工艺过程简洁，反应试剂使用量少，可以在无溶剂或少溶济体系下提高多糖胶改性反应效率。

3 结 论

3.1 以NaOH为碱化试剂，氯乙酸(MAC)为醚化试剂，采用微水固相法可以制备得到一定取代度羧甲基化皂荚多糖胶。当皂荚多糖胶(GSG)为10 g时，随着NaOH用量的提高，羧甲基化皂荚多糖胶的取代度(Ds)增大，相对分子质量降低，产品颗粒的表面出现明显裂纹，羧甲基化皂荚多糖胶水溶液的黏度逐渐降低。

3.2 羧甲基皂荚多糖胶(Ds 0.16)的胶液投入量为5 mL时，对100 mL的待处理模拟生活污水的絮凝效果较好，处理后污水浊度由原来的235.7 NTU降至20.2 NTU。

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A Micro Water Solid Phase Method for Carboxylmethylation ofGleditsiasinensisLam. Galactomannan Gum

LIU Yantao1， ZHANG Weiwei1， ZHANG Wei'an1， WANG Kun1， SUN Dafeng2， JIANG Jianxin1

(1.College of Materials Science and Technology， Beijing Forestry University， Beijing 100083， China;2.Nanjing Institute for Comprehensive Utilization of Wild Plants， Nanjing 210042， China)

In this study, the micro water solid phase method was used in the carboxymethylation ofGleditsiasinensisLam. galactomannan (GSG). monochloroacetic acid(MAC) and NaOH were used as the chemical modification reagents to prepare the carboxymethylatedG.sinensisgalactomannan (CMGSG). The degree of substitution(Ds), Flocculation performance, molecular weight (Mw), viscosity of CMGSG treat with different concentrations of NaOH were investigated. The results showed that whenn(GSG) ∶n(NaOH) ∶n(MAC)=1 ∶1 ∶1, the reaction temperature 60 ℃ and reaction time 12 h，theDs of the product reached 0.16,with the molecular weight of 1.385106. CMGSG purified the synthetic wastewater with the minimum turbidity of 20.2 NTU, indicating of a better flocculation performance. The micro water solid phase method had a positive effect on modification of GSG in solvent free system and less reaction reagent.

GleditsiasinensisLam. galactomannan; carboxymethylation; microwater solid phase modification; flocculation performance

2016- 11- 08

国家重点研发计划课题(2016YFD0600803);国家自然科学基金资助项目(31670579)

刘彦涛(1991— ), 男, 河南鹤壁人，硕士生，主要从事多糖利用研究工作

*通讯作者：蒋建新，博士生导师，研究领域为林产化工及生物质能源；E-mail: jiangjx@ bjfu.edu.cn。

10.3969/j.issn.0253-2417.2017.04.007

TQ35

A

0253-2417(2017)04-0045-06

刘彦涛，张威伟，章伟岸，等.微水固相法皂荚多糖胶羧甲基化改性[J].林产化学与工业，2017，37(4)：45-50.