壳聚糖羧甲基化条件的优化

<广州食品工业科技> Vo1．19 No．1(总74) 壳聚糖羧甲基化条件的优化 杨文鸽 裘迪红 黄晓春 吴汉 民 (宁波大学生命科学与生物工程学院 宁波 315211) 摘 要 对壳聚糖的羧甲基化条件进行了优化。通过单因素及正交试验，考察了氯乙酸用量、碱化时间、反应温度对产品羧 甲基取代度、外观等理化指标的影响，得出羧甲基化的最佳条件为：碱化时间 2．5h，羧甲基化反应时间4h，反应温度 4o℃，4M 氯乙 酸 用量 70ral，制备 的羧 甲基壳 聚糖呈 白色粉末 ，羧 甲基取代 度达 0．898，水溶性较壳 聚糖有较 大改善 。 关键词 羧 甲基壳 聚糖 ；制备 ；羧 甲基取代度 Abstract The optimum technological conditions for preparation of carboxymethylchitosan is explored．The optimum reaction conditions Wel'C determined by a series of orthogonal trials and smgle—fact tests．The results indicated that the optimum reaction condition is as follow：the aklinizing lime 2．5h，the reaction lime4h，the reaction tempareture 40+C ，and the mass ratio ofchloroacetic acid：chitosan 13．2：1．The degree of substitution of sodium carboxymethyl groups is 0．89 , 8 and other key properties of the final product are quite good． Key words carboxymethylchitosan；preparation technology；the degree of substitution of,~)dJunl carboxymethyl groups 甲壳素是一种广泛存在与虾、蟹、昆虫外壳以及 藻类细 胞壁 中 的高分子 多糖 ，脱 乙酰基后 得到 壳聚 糖。由于壳聚糖 具有一 定的溶解 性、成 膜性、螯 合性 等性能，在食品、医药保健、纺织、农业、生物工程、环 保等各个领域具有广泛的应用前景。但壳聚糖只能 溶解于酸及酸性溶液，使其应用受到了限制。因此， 对壳聚糖进行改性 ，改善 其溶解性 能，是开发 利用壳 聚糖的方 向之一 。壳聚糖改性方法有很多 ，其 中羧 甲 基化是壳聚糖化学修饰的一个重点。羧甲基壳聚糖 无毒 ，水溶性 优于壳 聚糖，性 能稳定 ，具有抗 菌保湿 、 聚电解质等优异性能 ，应用前景十分广阔。 本文采用氯乙酸法对壳 聚糖进行羧 甲基化改性 ， 在单因素实验 的基础上 ，对碱化 时间 ，氯 乙酸用量 和 反应温度三个条件进行正交分 析，以确定羧 甲基化 的 最佳工艺条件，提高产品的羧甲基取代度，为工业化 生产羧 甲基壳聚糖提供理论依据。 1 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 与方法 1．1 原料 ：淡黄褐色壳 聚糖 ，脱乙酰 度 90．68％，粘度 54mPa·s(100rpm，SP：R1)，水分含量 12．09％。 1．2 主要仪器与设备 ZD一2型 自动 电位 滴定 仪 ，Bit221S型 电子 天平 (德国Sartofius公司)，旋转式粘度计(西班牙 Fungilab S．A)，真空冷冻干燥机(美国 Labconco)，TDL一5型离 心机 ，85—2型恒温磁力搅拌器 。 1．3 壳聚糖的脱 乙酰度测定⋯ 收稿日期 ．'2002—10—25 作者简介 ：插文镐(1966一l，女，硕士．翻教授，主要从事食品生物化学 研究 。 48 准确称取 0．3 0．5g壳 聚糖 ，用 30m10．1M HC1溶 于小烧杯中 ，加入 2—3滴 甲基橙 ，在磁力搅拌器上用 1．0M NaOH滴定到由红变橙为终点 ，按下列公式计算 脱 乙酰度(DD)值 ： NI-I2％ =【(ClVl—C2v2)×0．016 J／【(100％ 一 w％)×G]×100％ DD％ =NI-I2％ ÷9．94％ C1一HC1溶液浓度(mol／L)； V1一耗用 HC1溶液的体积(Hl1)； C2一NaoH溶液浓度(mol／L)； V2一耗用 NaOH溶液的体积(Hl1) G一样品的重量(g)；w一样品的含水量； 0．016--与 lmol／LHCLlml相当的氨基克数 1．4 羧甲基取代度(DS)的测定⋯ 精确称取 0．5g羧 甲基 壳聚糖 溶于 50m10．IM 标 准 HC1溶液 中，置磁力搅拌器上完全溶解 ，用 0．1M 标 准 NaOH溶液滴定 ，分别记下 pH2．1和 pH4．3时所耗 NaOH体积 V1、V2(Hl1)。计算公式如下： DS=0．203A／(1—0．058A)，A=(v2一V1)×C／w w一样品重量 (g)； C—NaOH 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 溶液的浓度(mol／L) 1．5 粘度的测定 3g样品用 300roll％乙酸 充分溶 解 ，R1号转子在 转速 100rpm，温度 25℃下测定。 1．6 羧 甲基化反应 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 2g壳 聚糖用 1％乙酸搅拌至完全溶解 ，加入 30ml 50％NaOH室温碱化。2h后缓慢滴加 氯乙酸溶液 ，恒 温加热、搅拌反应一定时间后用盐酸调 pH至 中性 ，离 维普资讯 http://www.cqvip.com <广州食品工业科技> Guangzhou Food Science and Technology Vo1．19 No．1(总 74) 心分离。沉淀分别 用 70％乙醇、95％乙醇 、无水 乙醇 洗涤，冷冻干燥沉淀 ，粉碎后用于产品性质测试。 2 结果与分析 2．1 单因素实验 2．1．1 羧 甲基化反应温度对产物 DS值的影响 按羧甲基化反应流程 ，在 1h内边搅拌边缓慢滴加 4M氯乙酸，然后分别在 20℃，30℃，40℃，50℃ ，60℃， 70℃下再反应 3h，测 定产品的 DS值 ，结果如图 1。 取代度 (DS) 0．7 0．6 O．5 0．4 0．3 30 40 5O 6O 70 反应温度 (℃) 图1反应温度对羧甲基取代度的影响 壳聚糖碱化后 ，其结 晶发生破坏。羧 甲基化反应 进行时 ，温度升高有利于氯 乙酸和壳聚糖发生接枝反 应 ；但温度过高，一方面氯 乙酸的水解加快，不利于取 代反应的进行 ；同时又会加剧壳聚糖在碱性介质 中的 降解作用 ，增加 副 反应 和物 料 的粘 附，从而 降低 DS 值。由图 1也可 以看 出，在低温 区段 ，随着反应 温度 的升高 ，产品的 DS值 随之上升 ，当温度为 50℃时，DS 值达到最大 ，随后又开始下降 ，且产品色泽加深。 2．1．2 羧甲基化反应时间对产物 DS值的影 响： 取代度 (DS) O．7 O．6 O．5 O．4 0．3 l 2 3 4 5反应 时间 (h) 图2反应时间对羧甲基取代度的影响 确定反应温度为 50℃，对反应时间进行研究。由 图 2可见 ，DS值在反应 4h时达到最大 ，随后下降。 2．1．3 氯乙酸用量对产物 DS值的影响 反应温度为 50℃，反应时 间为 4h的条件下，考察 氯乙酸用量对产物影响 ，结果于 图 3。 DS值 1 0．8 0．6 0．4 0．2 O 10 20 30 40 50 60 70 80 氯乙酸用量 (m1) 图3氯 乙酸用量对Ds值的影响 可 以看出，随氯 乙酸用量 的增加 ，DS值呈先增大 后减小的变化趋势。氯乙酸提供的 CH2COO一越多， 壳聚糖反应 的几率越大 ，增大原料 羧甲基化试剂的用 量无疑对整个反应有利 。但取代反应需要碱性条件 ， 随着氯 乙 酸用量 的增加 ，相 应 的降低 了反应 体系 的 pH值 ，取代反应速度减慢 ；氯 乙酸用量 的增加 也会 影 响壳 聚糖的碱化膨胀 度 ，产 生传质 障碍 ，使壳 聚糖 和 氯乙酸之间不能充分 接触 ，从 而影 响羧 甲基 化作用。 同时随氯乙酸用量的增加 ，副反应也有所增加。 由实 验结果可 以看出当氯乙酸的用量为 70llll，即壳聚糖与 氯乙酸 的质量比为 1：13．2时 ，DS值为 0．783，产品外 观较白，溶解性最佳 。 2．2 正交实验 羧甲基化反应会受到多种 因素 的影 响，在单 因素 实验的基础上 ，固定羧 甲基化反应 时间为 4h，以碱化 时间 、反应 温度 、氯 乙酸用量为 实验因素 ，羧 甲基取代 度为考察指标 ，以正交 L9(34) 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 实验。各因素水平 设计 、实验结果与极差分析见表 1。 表l 正交试验因素水平、结果与极差分析表 fn=315) 从表 1得 出：要达到最大 DS值，反应最优组合为 A3BlC2。经验证在此条件下获得的产品 DS值为 0．898。 极差分析表明在三个因素中A因素对产品指标的 影响最大 ，碱化时间从 1．5延长到 2．5h，DS值逐步 提 高。为得到最佳的碱化时间 ，继续作 碱化时间的单 因 素试验。固定 50％NaOH用量 30mi，CAA用量 70llll， 反应时间 4h，反应温度为 40℃ 一50℃ ，结果如 图 4： f下转第 51页J 49 维普资讯 http://www.cqvip.com <广州食品工业科技> G岫ngzhou Food sdence蛆d Techno~ Vo1．19 No．1(总 74) 都有同一个规律 ，就是 T越 高 m越低 ，换 言之 T越 高 CMC对牛奶蛋 白的保护越有效 。实验结果显示 ：当 T <55℃时 ，样 品奶液加酸后蛋 白质容 易大量甚至完全 析出(这在装瓶灭菌后观察更 为明显)；当 T>95℃并 给予充分搅拌时样品奶液加酸后基本无蛋白质析出。 2．2 关于酸粘比 一 直以来 ，人们 都普遍认 为酸粘 比是 CMC在乳 酸饮料中能否起稳定作用的关键指标 ，只有高酸粘 比 的 CMC才适用于酸奶。确实 ，在乳酸饮料 中 CMC的 酸粘 比是一项 重要指标 ，它是衡量 CMC能否耐 酸的 最直观 的依 据。但 实验证 明它的高低 只在一定 的温 度范 围内对 CMC稳定效果 的好坏有影 响 ，却不是 决 定性的因素 ，只要控制好温 度条件 ，低酸粘 比的 CMC 也能适用。表 2是不同酸粘 比的 CMC在不同温度下 的对照度 试验 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 。由于 国标 中并没有 酸粘 比这 项 指标 ，因此它的检验方 法各厂有 所差异 ，下列酸粘 比 的数据仅相对于我们 的测定方法而言 ，具体是 ：2％等 浓度 的 CMC的 0．1mol／，L棕檬酸溶液与水溶液的粘度 比。 表 2 不同酸粘比的 CMc在不同温度下的对照度试验记录 从表 2看出 。它与表 1有相 同的一点一m 随着 T 的升高而减少，此外还可发现：cMc的酸粘 比越高就 越能在低温下 与奶液混 合也能对 牛奶 蛋 白起保护 作 用。拿 4—43与 10—43相 比，前者酸粘 比为 0．87，其 较好 的稳 定状 态 (m <0．05lnL)的温 度 T需要 达 到 85℃，而后者酸粘 比为 1．00，所需的温度 T仅为 65℃。 也就是说 ，低 酸粘 比的 CMC只要在使用时提高 了 T， 其稳定效果也能得到很好的发挥。 3 结论 3．1 CMC在乳酸饮料 中起稳定作用的关键是温度而 不是粘度。 3．2 以在 酸奶 中达到 完全保 护起 牛奶 蛋 白的程度 算 ，高酸粘 比的 CMC比低酸粘 比的 CMC所需的温度 起点要低 ，而且 即使是 低酸粘 比的 CMC在使用时 只 要调整一下温度(T)便可达到理想 的效果。 (上接第 49页) 取代度 1 0．8 0．6 0．4 0．2 0 碱化时间 (h) 图4碱化时间对产物取代度的影响 壳聚糖 富含强极 性基团 ，分 子间存在 大量 一0一 H—O一型和 一N—H_一O一型氢键 ，使其结 晶更牢固。 碱化过程就是一个膨胀、膨化 、疏松处理过程 ，以利于 传质扩散[ ，利用氯乙酸与反应部位充分接触提 高反 应性。但随着碱化时间的延长，壳聚糖持水量增大， 活性部位实际碱浓度减小 ，直接影 响羧 甲基化反应 的 进行 ，同时 已生成 的产物溶解 在水 中，溶液 的粘度增 加，反应物相互接触困难，从而影响取代度。实验也 证实了这一点 ，当碱化时 间为 2．5h时 ，DS值最高 ，之 后呈下降趋势，但下降趋缓。同时也发现随着碱化时 间的延长，产 品的色泽加深 ，干燥 后难 以磨碎 。因此 2．5h碱化时间最适宜。 3 结论 以壳聚糖为原料 ，优化 了制备羧 甲基壳 聚糖 的生 产工艺 ，其最佳条件为 ：壳 聚糖 溶于 1％乙酸后 ，加入 30rnl 50％ NaOH碱化 2．5h，随后加入 4M 氯乙酸 70rnl 反应 4h，最后调 pH至中性 ，离心 。用乙醇洗 涤沉淀 。 分离提纯。干燥后研磨，产品呈 白色粉末，取代度为 0．898，水溶性较原料壳 聚糖有大大改善。 参 考 文 献 1 许 时要等 ．羧甲基壳 聚糖 结构与 性质研究 ．无锡 轻工业学 院 学报 ，l993，12(2)：92—96． 2 陈 洁等 ．6一O一羧 甲基 壳 聚糖 的乳 化 性 能 与结 构 的关 系 ． 日用化学工业，l999，(6)：1—9 51 维普资讯 http://www.cqvip.com