2007
壳聚糖（CTS）是一种天然高分子多糖，是唯 一的碱性天然多糖，在自然界中存在于一些植物 及生物体中，也可由自然界中大量存在的甲壳素 脱乙酰基得到。壳聚糖具有很好的吸附性、成膜 性和通透性、成纤性、吸湿性和保湿性，在医药、 食品、化妆品、农业及环保领域具有广阔的应用 前景。壳聚糖作为絮凝剂已有广泛应用，如水的 净化、果汁的澄清、回收蛋白质等，在中药药液 的提纯精制方面也有人在研究[1]。壳聚糖通常不 溶于水和碱溶液，可溶于稀酸溶液，为了改善壳 聚糖的水溶性，保持分子的阳离子性能，在壳聚 糖分子中引入季铵盐的研发成为壳聚糖衍生物研 究的热点领域之一[2,3,4,5]。
本文的研究目的是在壳聚糖分子的氨基上引 入一个季铵盐侧链，以改进壳聚糖的水溶性，并 提高其阳离子性和絮凝性，从而更好地应用于糖 厂蔗汁或糖浆的澄清。
壳聚糖采用玉环海洋生物化学有限公司提供 的样品，脱乙酰度为 90％。季铵盐采用杭州银湖 化工公司提供的环氧丙基三甲基氯化铵。其余用 到的 NaOH 及醋酸等均采用分析纯试剂。
参照文献[6]制备壳聚糖季铵盐。2 g 壳聚糖 溶解于乙酸稀溶液中，调节 pH 值至 9，使壳聚糖 析出，然后把壳聚糖置于三口烧瓶中，加入溶剂 (去离子水)80 mL，搅拌，升温，加入缩水甘油三 甲基氯化铵（有效质量 20 g） ，在 80℃反应 16 h。 产物冷却后抽滤，滤液用丙酮沉淀，过滤，滤渣 用丙酮洗涤，得粗产品，呈浅黄色固体。 产物精制：将产品用少量去离子水溶解，用 多倍量丙酮沉淀，过滤，重复操作 3 次。将得到 的固体经冰冻后再用五氧化二磷抽真空干燥至恒 重备用。
采用胶体滴定法测定取代度。 按文献[7]方法 先测定反应所用的壳聚糖的氨基含量 D0。 用同样的方法，分别在 pH 为 7 和 2.5 时，测 定壳聚糖季铵盐的氨基含量 D1、D2。 则季铵盐壳聚糖的氨基取代度=[D0-(D2-D1)]/D0 ×100％。
具体步骤如下：
(1)滴定。将精制的壳聚糖季铵盐配成 0.001 g/mL 溶液，移取 5 mL 放入 100 mL 三角瓶，用稀 盐酸调 pH 值为 2.5，加入一滴 T.B 指示剂，用 0.0025 mol/L 的 PVSK 溶液缓慢滴定（约 0.02 mL/s） ，当溶液产生大量沉淀，并由蓝色变成紫红 色，10 s 内不反色时，记录所消耗的 PVSK 体积 V2。按同样步骤滴定 pH 为 7 的壳聚糖季铵盐溶液 所消耗的 PVSK 体积 V1。
另取 5 mL 去离子水用同样方法进行空白滴定，得 V0。
(2)计算。计算壳聚糖季铵盐中所有氨基（包 括未取代的游离氨基、已发生氨基取代生成的季 铵离子、在其他侧链上发生取代生成的季铵离 子） ，公式如下：
D2=NPVSK ×（V2-V0）×314÷（5×0.001）
计算壳聚糖季铵盐中除未取代的游离氨基外的所有季铵离子，公式如下：
D1=NPVSK ×（V1-V0）×314÷（5×0.001）
其中 314 是壳聚糖季铵盐的链节分子量，0.001 是其溶液浓度。
由 （D2-D0） 可判断单位壳聚糖季铵盐在氨基 以外的其它键上（如羟基上）发生的取代度。
采用原糖配制锤度约 15° Bx 的糖液，以壳聚 糖或壳聚糖季铵盐为澄清剂做澄清试验，对比壳 聚糖改性前后的澄清效果，改变澄清剂的用量， 摸索其用量与效果的关系。
取糖汁 250 mL 加入澄清剂，加石灰乳调 pH 为 7.0～7.2，加热至 60～65℃，搅拌 10 min， 加热至沸 1 min，加絮凝剂（聚丙烯酰胺 0.05％， 1 mL） ，静置 0.5 h，记录沉淀体积，取清汁过滤， 调 pH=7.0，测吸光度 420 及 560。与不经处理的 糖汁比较计算脱色率。
经合成所得的产物呈米黄色不定形固体，水 溶性良好，浓度大时水溶液呈粘性透明液体。
取代度测定采用胶体滴定法，该方法的原理 是：带有相反电荷的聚电解质相遇时会按一定的 化学计量关系发生电荷中和反应，形成中性缔合 物，最终沉淀下来。本试验中采用聚阴离子电解 质 PVSK 来滴定聚阳离子壳聚糖季铵盐， 从而得到 其中带正电荷的氨基含量。该试验中得到氨基取 代度 58％的壳聚糖季铵盐，在羟基上发生的取代 为 0.89（mol/mol 壳盐）可说明，壳聚糖经改性 后其正电性被提高了，氨基含量增大了。
红外测试结果见图 1。
|
图 1 壳聚糖与壳聚糖季铵盐的红外谱图 |
图 1 中三条曲线从上至下分别是壳聚糖、壳 聚糖季铵盐 1 号、壳聚糖季铵盐 2 号的红外透过 率曲线。由图可见壳聚糖改性前后的红外图谱无 大的变化，最明显的差异是：壳聚糖在 1596cm-1 处的氨基 N-H 变形振动峰在壳聚糖季铵盐的曲 线中不再出现,而在 1640cm-1与 1527cm-1处出现 2 个新的吸收峰,表明壳聚糖分子的亲核中心— — 氨 基已经发生某种取代。这个结论也为后面的核磁 共振谱所支持。1H-NMR 测试图谱如图 2。
|
图 2 壳聚糖季铵盐的1H-NMR 核磁共振图 |
由图2可见最大位移信号， 低场δ=3.224 ppm 尖锐是季铵盐支链上自由度最大的 3 个甲基上质 子的信号，低场δ=4.584 的峰是杂环中 C1 上质 子的信号，高场δ=2.623、δ=3.567、δ=3.681、 δ=3.727、δ=3.769 ppm 各峰分别为杂环中 C2、 C3、C4、C5 和羟甲基上质子的信号，而δ=3.152、 δ=3.888 和δ=3.271 ppm 各峰则分别为季铵盐支 链 C1*、C2*、C3*上质子信号。其余各峰可能是壳 聚糖中残留的乙酰基上质子的峰或在羟甲基上发 生部分取代而带入的季铵盐上的质子。 综上所述， 壳聚糖的改性物应该是 C2 位氨基上发生取代反 应的产物，其结构为：
与壳聚糖进行澄清效果比较的结果见表 1、图 3。
|
表 1 壳聚糖与其季铵化衍生物对糖液的澄清脱色率 |
|
图 3 壳聚糖与其季铵衍生物对糖液的脱色效果比较 |
由图 3 可见，壳聚糖改性后脱色能力有一定 的提高，不变的是对 560 波长处的吸光物质的脱 去率较高。壳聚糖在用量达 40 ppm 后，脱色率无 大变化，而壳聚糖季铵盐则随着用量的增加脱色 率也提高，当用量为 100 ppm 时，壳聚糖季铵盐 比壳聚糖的脱色率分别高 34％（420 nm 脱色率） 和 28％（560 nm 脱色率） 。
本项工作中合成的水溶性改性壳聚糖经结构 表征及取代度的测定，基本可判定为在壳聚糖杂 环氨基上发生了季铵盐的取代。并且通过取代度 的测定也证明了改性壳聚糖相对壳聚糖在正电荷 方面得到了提高，这必然有利于提高其对糖汁中带负电荷胶体和色素的电中和能力，并且由于保 存了这种天然高分子多糖较强的吸附性能，而又 改善了其水溶性，因此使其作为糖用澄清脱色剂 使用具有更高的技术可行性。
| [1] | 张彤,徐莲英,陶建生,等.壳聚糖用于部分单味中药浸提液澄清效果的研究[J]. 中草药,1999,30(10):744-747. ( 1)
|
| [2] | 蒋挺大.壳聚糖[M]. 北京:化学工业出版社,2001. (1)
|
| [3] | 樊木,肖玲,杜予民.壳聚糖季铵盐分子结构与吸湿保湿性研究[J]. 武汉大学学报:理学版,2003,49(2):205-208. (1)
|
| [4] | 欧阳文竹,熊兴泉,郭振楚.壳聚糖季铵盐晶体的制备及其抑菌、柔软剂性能[J]. 湘潭师范学院学报:自然科学版,2004,26(4):25-27. (1)
|
| [5] | 许晨,卢灿辉.壳聚糖季铵化衍生物的吸湿性与保湿性[J]. 应用化学,1996,13(5):94-96. (1)
|
| [6] | 孙多先,徐正义,张晓行.季铵盐改性壳聚糖的制备及其对红花水提液的澄清效果[J]. 石油化工,2003,32(10):892-895. (1)
|
| [7] | 王伟,李素清,秦汶.胶体滴定法测壳聚糖的氨基含量[J]. 日用化学工业,1989(2):36-38. (1)
|