【doc】壳聚糖脱乙酰化度的测定及反应条件对脱乙酰化度的影响

【doc】壳聚糖脱乙酰化度的测定及反应条件对脱乙酰化度的影响 壳聚糖脱乙酰化度的测定及反应条件对脱 乙酰化度的影响 荆门太学(自然科学版)1997丰摹l期(总8期) 壳聚糖应条件 (=)/对脱乙酰化度的影响(/)6/>6 擒要末文砖竞蘩#在热j扭冀作用下的脱乙蔑化反应进行较详钿的研究. 关键词 . — !圭墨!!!生曼兰兰兰竺 ?朱岩 壳聚糖是一种高分子量直链多糖,学名为(1—4)一2一氨基一2脱氧一D葡聚糖,其 结构式如下: CHOH HNH2 O H O , NHlJ. 壳聚糖一般是由海洋食品工业的废弃物虾壳,蟹壳经过脱钙,蕊蛋白质,脱乙酰基等过 程而制得.由于分子中大量游离氨基的存在,而具有阳离子聚电解质的性质,可藩于稀酸;它 无毒,具有多种医学功躬和药理作用.由于壳聚糖良好的物理,化学性质,正?l起国内外的广 迂注意 虾壳,蟹壳的主要成分除碳酸钙,磷酸盐及蛋白质外,还有大量的甲壳素存在,它的学名 为(1—4)一2一乙酰氨基一2一脱氧一P--D葡聚糖,其结构式如下: 甲壳素的性质根不活泼,溶解性能很差,若脱去分子中的己酰基,则转变为壳聚糖,其溶 解性躬大大改善.从它们的结构式可以看出,无论甲壳素或壳聚糖分子都是由乙酰氨基葡聚 糖链节和氨基葡聚糖链节构成的,它们的差别在于甲壳素乙醇氨基链节占多敷,而壳聚糖的 氨基链节占多效.全部由氨基葡聚糖组成的壳聚糖,其古氨量约&7,实际上,一般壳聚糖 的含氯量仅为7.8N左右,而甲壳素的含氮量为7.oN左右.因此用含氟量的大小可以示 出游离氨基的多步.但更通常是用脱乙酰化度来表征甲壳素或壳聚糖中含游离氨基的多少, 其定义为分子中脱除乙酰基的链节数占总链节效的百分数.综上所述,研究壳聚糖脱乙酰化 度的测定方法及反应条件对其影响很有必要. 】 \U 1一 ,, 一 一H 第一部分试验 一 ,壳聚糖的制备 壳聚糖的具体制备步骤如下: (1)经漂洗后的虾壳或蟹壳用4,6的盐酸浸泡4小时,除去壳中的无机盐. (2)用IOZ的烧碱液浸煮,除去壳中的蛋白质. (3)用5O的氢氧化钠溶液于6O一65?下浸泡4小时,室温冷却,放置过夜. (4)次日,热水洗涤后,再用50的氢氧化钠溶液于60—65?下浸袍8小时,放置过夜. (5)用热水洗至中性,80"C下真空干燥 二,壳聚糖的脱乙酰化度的测定 壳聚糖脱乙酰化度的测定方法很多,可分为化学方法和物理方法.其中化学方法有电位 滴定法,胶体滴定法等,而物理方法有红外光谱法,元素分析法,凝胶色谱法和热分析法等. 这些方法均具有各自的特点,但都能比较准确地测定出脱乙酰化度,本试验中采用的是电位 滴定法和热分析法. i,电位滴定法 原理: 用过量的酸溶液溶解一定量的壳聚糖,再用碱溶液滴定该溶液中剩余的酸,同时测定溶 液的PH值,在等当点附近PH值产生很大的突跃,用取突跃中点的方法确定滴定溶液中剩 余酸的碱溶液的体积,那么通过计算可得到与壳聚糖反应的酸的量 试验步骤: (1)配制o.2M左右的盐酸和氢氧化钠溶液,标定其浓度. (2)用分析天平称取0.1克左右的壳聚糖试样,置于磨口锥形瓶中,加入20ml盐酸溶 液,静置24小时,使其溶解. (3)用氢氧化钠溶液滴定该溶液,同时用25型酸度计测定溶液的PH值,直至PH值不 I.GaciaAlons.等人报道,在320?左右,壳聚糖的差热分析曲线出现一个强的放热 峰,同时,~tflt线的失重率为最大.图1为壳聚糖的DTA,DTG和TG曲线? 不同脱乙酰化度的壳聚糖,其在32O?时的失重率是不同的,I.GarciaAlonso等人 经过 回归计算,发现脱己酰化度与失重率有一定的线性关系: 脱乙酰化度低于8O时: Y一0.31X+82.4r=--0.9980 脱乙酰化度高于8O时; Y一一0.28X+1OO.23r一0.9922 其中:Y表示壳聚糖的脱乙酰化度 x表示在320"(2时壳聚糖的失重率 在本试验中,用DT,2OB蛩微量热分折仪(日本岛津公司)测定壳聚糖的DTA曲 线, 用TG一1型电子自平衡傲量热天平测热重曲线. 测试条件如下: DTA: 样晶重量lOOmg左右 升温速度lO?/rain 量程250~v 走纸速度300au~/h 气氛静态空气 TG: 样品重量10mg左右 升温速度1O?/面n 走纸速度5ram/rain 气氛静态空气 三,脱乙酰他反应时间的控制 壳聚糖脱己酰化度与反应时间存在着明显的依籁关系,为了寻求能在最低反应时间内 得到较高脱乙酰化度的壳聚糖产品的方法,我们作丁壳聚糖脱乙酰化反应时间的 控制试验, 其方法如下: 壳聚糖在4O的氢氧化钠溶液中于8O?下加热搅拌进行脱乙酰化反应,在反应进行过 程中,闻隔时间取样,得到一系列不同反应时间的脱己酰化反应产品,然后进行脱己酰化度 的测定. 在本试验中,分别用片状和粉末状壳聚糖进行试验 四,脱乙酰化反应产物分子量的测定 1,壳聚糖分子量的测定方法 原理: 在本试验中,选择粘度法测定壳聚糖的分子量,根据Mark—Houwink方程: [叶]KmM: 计算得到壳聚糖的牯均分子量. 在奉试验中,所用的溶剂为0.1M醋酸一0.2M氯化钠褡液,在此溶剂中,Km和值分 别为: 3 K一1.81X10(era?g) q一0.93 试验方法: (1)配制0.1M醋酸一O.2MNaC[溶液. (2)用分析天平精确称取壳聚糖,用上述溶液溶解形成一定浓度(c)的壳聚糖溶液(一 般使该溶液在牯度计中的流出时间为45分钟),用玻璃砂漏斗过滤. (3)用0.56.um乌式粘度计测定在25~O.1?下,浓度分别为c詈c,吉c.,号c.,{c. 的壳聚糖溶液及0.1M醋酸一O.2MNaC[溶液的流出时间. 计算: 用Pc—l500徽机处理得到壳聚糖溶液的特性粘度,代入Mark--Houwink方程,计算 出壳聚糖的粘均分子量. 2,脱乙酰化反应产物分子量的测定 壳聚糖在热浓碱作用下,主要是己酰胺基水解脱除乙酰基,同时也有主链水解降解的副 反应,延长反应时间可提高脱乙酰化度,但大分子链的降解也随之变得严重.因此,为了考察 脱乙酰化反应时间对壳聚糖分子量的影响,我们对脱乙酰化反应所得产品的分子量进行了 测定. 第二部分结果与讨论 一 ,壳聚糖脱乙酰化度的计算 1,电位法(以一种壳聚糖为倒) 当用氢氧化钠溶液滴定壳聚糖溶液时,PH值对氢氧化钠体积的关系曲线如图2所示. 囤2壳聚糖溶液的电位滴定曲或 取突跃中点所对应的体积V.作为等当点时氢氧化钠溶液的体积,则壳聚糖的脱乙酰 化度可用下式计算: 脱乙酰化度一二×1.o ×i000 其中: C一O.1932摩尔/升V一2o毫升 C一O.2124摩尔/升V一16.17毫升 w一0.07905克M一161 代入式中可得壳聚糖的脱乙酰化度为87.5. 2,热分析法(以同一种壳聚糖为例) 当用热分析法测定时,壳聚糖的DTA图和TG图如图3和图4所示?在32O?时,DTA 曲线出现一个强的放热峰,对应于TG图,在32O?时的失重为4.85rag,样品重9?8mg,那 么该温度下样品的失重率为49.5将x一49?5代入下式: 圈3壳蒙糖的ETA圈 5 6 圉4壳聚蒋的TG国 ( Y=——0.28X+100.23 则壳聚糖的脱乙酰化度为86.37. 由上述结果可以看出由电位滴定法和热分析法所测定的壳聚糖的脱乙酰化度是比较接 近的.说明本试验所采用的热分析法测定脱乙酰化度同样是可行的.但是由于我们试验所 采用的壳聚糖样品的脱乙酰化度均在8o以上,所以对于在80以下的样品能否采取热分 析法来测定脱乙酰化度尚需进一步研究. 二,脱乙酰化反应时间对脱乙酰化度的影响 片状和粉末状壳聚糖进行脱乙酰化反应时的反应时间与脱乙酰化度的关系曲线如图5 和图6所示. 与反应时闾的关系曲埕与反应时间的毙糸曲线 从图5和图6中可以看到,脱乙酰化反应时间越长,所得壳聚糖的脱乙酰化度也越 高, 说明在热浓碱作用下,壳聚糖发生了脱乙酰化反应. 粉末状壳聚糖是由同种片状壳聚糖研磨而成的由图5和图6可以看出,在同一时间 内,不论用电位滴定法还是热分析法所测得的粉末状产物的脱乙酰化度均比片状要高,这是 由于粉末状物质颗粒小,接触面积犬,在热碱溶液中能够充分地与碱藏接触,脱乙酰化反应 比较充分,所以能在较短时间内达到较高的脱乙酰化度.片状产物则恰好相反,接触面积小, 在热碱溶液中反应不够充分,所以在较短时间内并不能达到很高的脱乙酰化度.但图5中的 7 最终结果是一样的,说明脱乙酰化反应受扩散控制,经过一段比较长时间的扩散之后,片状 产物和粉末状产物都能达到一致的结果. 至于热分析法与电位滴定法对同一样品的测定结果的差异,我们认为电位滴定法是利 用酸碱滴定的化学方法确定壳聚糖的脱乙酰化度,所以是一种比较准确的方法,而在用热分 析法的测定过程中,测定结果是受传热控制的,由于样品的外形和太小不一样,受热不太均 匀,从而使热效应受到影响,所以在320"(2左右,样品的失重率有一定的偏差,这也可从热分 析法所遵循的公式来说明:Y一一0.28X+i00.23只是通过回归计算而得到的,其相关系数 只为0.9922.据文献记载,其误差范围为4.但是这种方法比起其它一些方法来,误差范 围仍要小得多. 三,脱乙酰化反应产物分子量的变化 在测定粉末状和片状壳聚糖脱乙酰化度的同时,还对不同脱乙酰化反应时间所褥产物 的分子量进行了测定,其结果如图7所示. 匣7壳聚糖分子量与脱乙盹化丘应时问的关帛由筑 从圉7可以看出,随着脱乙酰化反应时间的延长,壳聚糖的分子量逐渐下降,说明壳聚 糖在热浓碱的作用下,不仅发生乙酰胺水解,脱除乙酰基的主反应,同时也伴有主链水解,降 解的副反应发生.尽管本试验中的反应温度较低,仅为100?,没有达到文献中所需求的 150~C的高温,但同样有降解反应发生.由此可见脱乙酰化反应温度和反应时间也是控制壳 聚糖分子量的重要因素. 由图7还可以看出,在相同的脱乙酰化时间内,片状壳聚糖产物的分子量比粉末状要 高,这是由于粉末状产物的颗粒小,接触面积大,在碱液中充分混和,反应也比较充分,所以 主链降解反应比较快相反,片状物的降解反应就慢一些,所以显示出在相同时间内片状物 的分子量比粉末状的要高. R 在某些应用领域中,对壳聚耱的粘度要求较高,例如在化妆品行业中,用壳聚糖制作固 发剂,要求它保持较强的定型作用,发型遇潮不变形等优点,需要对于头发中的蛋白质有极 强的附着力,能在头发表面形成牢固的薄膜,所以要求壳聚糖有比较高的粘度因此 我们认 为如欲制得高粘度的高脱乙酰化度的壳聚糖,原则上可采用以下两个途径: (1)在较低温度,较长时间内进行反应 (2)在高温,短时阿内进行反应. 这两种方法,前者容易掌握,但是生产周期过长;后者时间短,产量高,至于试验中选 择 哪一个途径,应该根据具体要求具体分析. 第三部分结论 壳聚糖在热浓碱溶液中可以发生脱乙酰化反应,同时伴随有分子链的降解.采用控 制反 应温度和反应时间的方法可制得高粘度和高脱乙酰化度的壳聚糖. 参考文献 EllR.M.Collius,Carhonhydrates.121(1987) E2]C.A.Mckaight.c+Pepmey,A.Ku?D.SunandM.F.A.Goo*en,J.ofBioacdveandCompatible' (1988). [3]q.P.PenlStonandE.L.Johnson,Processfordepolymerizationofchitosan?U.S.PatentNo.3, 922,260(1975). [4]Terayama.H.J.Polym.Sci.(1952),8.243. [5]Lee,V,F.P.Thesis.UniversityofMichigan.XeroxUniversPress,(1974)?M148?106. [6]RutherfordtF.A.andAustin,P.R.ProeeedlgnsoftheIstlnteraadon]ConferenceOllChitin/ Chitosan".(EdsR.A.A.MuzzarelliandE.R.Pariser).MIT—SG一78—7,(1978).182. [7]San耻n—TKuta…K()gufa,Kandiwakura,Y.,Polymer一(1978)一19—458. [8]Moore,G.K.andRoberts.G.A.F..Int.J.Bio1.Macrmo1.(1980),2?115. 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