CN112321749B

CN112321749B - 一种可直接溶于碱液的中性甲壳素及其制备方法

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Publication number: CN112321749B
Application number: CN202011318331.1A
Authority: CN
Inventors: 刘廷国; 魏美佳; 赵缘
Original assignee: Chizhou University
Current assignee: Chizhou University
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2020-11-23
Publication date: 2023-05-23
Anticipated expiration: 2040-11-23
Also published as: CN112321749A

Abstract

本发明涉及一种可直接溶于碱液的中性甲壳素及其制备方法，属于甲壳素制备技术领域。其方法是将脱乙酰度低于15%的甲壳素与3‑8倍甲壳素质量，质量浓度为30‑50wt%的强碱水溶液混合，进行冷冻‑解冻‑加热处理，循环处理多次，加水溶解后得到碱性水溶胶，再在4‑40℃进行均相脱乙酰处理，控制产物脱乙酰度为19‑48%，溶胶经乙醇沉淀、盐酸中和后，用去离子水洗涤至无氯离子残留，经低温真空干燥后即可得到能直接溶于碱液的中性甲壳素，本发明得到的甲壳素不需添加任何辅助试剂，亦不需施加冷冻等辅助处理手段就可直接溶于碱溶液中，方法简单易行，有望在工业上得到广泛应用，尤其是可能潜在应用于强碱性场合。

Description

一种可直接溶于碱液的中性甲壳素及其制备方法

技术领域

本发明涉及甲壳素制备技术领域，尤其涉及一种可直接溶于碱液的中性甲壳素及其制备方法。

背景技术

甲壳素是自然界中产量极其丰富的一种生物质资源，具有广阔的应用前景，但甲壳素含有大量分子间和分子内氢键，导致结构比较规整而很难溶解和加工。目前只有少数几种溶剂如N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）/氯化锂（LiC1)、无水氯化钙/甲醇、离子液体等可以用来溶解甲壳素，但这些溶剂体系存在价格昂贵、难以回收、强挥发性、有毒性、对甲壳素具有降解性等缺点。

近年，武汉大学开发出一种绿色的甲壳素溶剂——碱/尿素体系，通过冷冻/解冻法可以成功溶解甲壳素和壳聚糖；该溶剂虽然相比之前的溶剂更加经济环保，但操作仍然比较繁琐，需要冷冻-解冻处理，无法直接溶解甲壳素。且利用该溶剂制备的碱性甲壳素溶液在加酸调整pH值至酸性范围时会重新析出甲壳素。

日本学者T. Sannan 等发现脱乙酰度为50%的壳聚糖能直接溶解于水中；张永勤等人采用强制渗透法制备了脱乙酰度约为50%的水溶性壳聚糖（张永勤，强制渗透法制备水溶性壳聚糖及其固定化酶解方法与产物研究[博士论文]，中国海洋大学，2005）；刘廷国等人利用冻融循环结合均相处理同样制备了脱乙酰度约为50%的水溶性壳聚糖（刘廷国，冻融循环制备天然水溶性甲壳素及其特性，华中科技大学学报（自然科学版），2011，1：70-74）；这些水溶性壳聚糖具有一个共同点，不能溶于碱性溶液中，溶于水中后同样会随着体系pH值向碱性方向变化而逐渐析出沉淀，不能满足甲壳素在一些特定场合（如强碱）下的应用。

发明内容

针对现有技术中缺陷与不足的问题，本发明提出了一种可直接溶于碱液的中性甲壳素及其制备方法，制备的甲壳素不需添加任何辅助试剂，亦不需施加冷冻等辅助处理手段就可直接溶于一定浓度碱溶液中，方法简单易行，有望在工业上得到广泛应用，尤其是可能潜在应用于强碱性场合。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可直接溶于碱液的中性甲壳素，所述甲壳素为中性，其脱乙酰度为19-45.54%，在不需添加任何辅助试剂，亦不借助任何辅助手段的条件下，可直接溶解于质量浓度不小于20wt%的碱液，且溶解后可稀释到任意浓度使用，其pH值重新调整至中性或酸性也不会有甲壳素沉淀析出。

一种可直接溶于碱液的中性甲壳素及其制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将脱乙酰度低于15%的商品甲壳素或其超声处理产物与3-8倍甲壳素质量、质量浓度为30-50wt%的强碱性水溶液混合；

步骤二：将上述混合物经过至少两次浅冻、融化和非均相脱乙酰循环处理以破坏甲壳素致密的晶体结构；

步骤三：向上述处理好的混合物中加入纯水，充分搅拌后得到碱性水溶胶；

步骤四：将得到的水溶胶进行均相脱乙酰处理，控制产物脱乙酰度为19-45.54%；

步骤五：将上述处理好的水溶胶用乙醇沉淀，经盐酸中和至中性，用纯水洗涤至无氯离子残留；

步骤六：将上述处理好的产物经脱水、干燥处理得到可直接溶于碱液的中性甲壳素。

进一步的，所述步骤一中溶液的水分含量控制在刚好使甲壳素浸润而无流动性，最有利于后期溶解。

进一步的，所述步骤二中的浅冻处理为将混合物冷却至冰点温度以下至少1-2℃，并放置超过2h后取出。

进一步的，所述浅冻处理中混合物冻结时在冰点附近温度波动越大，对甲壳素的结晶结构破坏越彻底。

进一步的，所述步骤二中非均相脱乙酰处理为将解冻后的混合物在40-95℃加热10-120min。

进一步的，所述步骤三中水溶胶中甲壳素的质量浓度为1.5-6wt%，碱溶液的质量浓度为4-16wt%。

进一步的，所述步骤四中均相脱乙酰处理温度在4-40℃。

进一步的，所述步骤六中脱水处理可采用无水乙醇、甲醇或丙酮脱水，其干燥处理采用在40-60℃下进行真空干燥或者采用冷冻干燥。

进一步的，所述步骤四中的脱乙酰度在20-40%之间，其产物在碱溶液中的溶解性更好。

进一步的，所述制备方法中采用的加热处理温度越低、碱液浓度越低、冻融处理次数越多、均相脱乙酰时达到20-40%脱乙酰度所经历的时间越长，则产物在碱溶液中的溶解性越好。

进一步的，所述步骤一中的强碱可采用NaOH、KOH或LiOH中的一种或多种混合物。

本发明具有如下有益效果：本发明在高浓度碱和有限水分含量存在条件下，利用冻融循环处理结合非均相脱乙酰，充分破坏甲壳素致密的晶体结构，获得高浓度的甲壳素水溶胶；再经适度温和的均相脱乙酰等处理即可得能直接溶于碱液的中性甲壳素。不像水溶性甲壳素那样必须严格要求脱乙酰度在50%附近，本发明获得的可直接溶于碱液的中性甲壳素脱乙酰度范围较宽，有充足的时间进行处理，方法简便易行，所得产物可以直接溶解于质量浓度不低于20wt%的纯碱溶液中而不需添加诸如尿素、氯化锂等任何辅助溶解的试剂，亦不需借助冷冻、剧烈搅拌等辅助处理手段，获得的碱性甲壳素溶液可以稀释至任何浓度使用，将其pH值重新调至中性或酸性也不会有甲壳素沉淀重新析出。方法简单易控，效果显著，有望在工业上得到广泛应用，尤其是可能潜在应用于强碱性场合。

附图说明

图1为原料甲壳素和可直接溶于碱液的中性甲壳素的红外光谱图；

图2为原料甲壳素和可直接溶于碱液的中性甲壳素的粉末X射线衍射图；

图3为可直接溶于碱液的中性甲壳素的固体¹³C NMR图；

图4为可直接溶于碱液的中性甲壳素分别在NaOD/D₂O和DCl/D₂O溶剂中的¹H NMR图；

图5为不同脱乙酰度的可直接溶于碱液的中性甲壳素分别在NaOD/D₂O溶剂中的¹HNMR图；

图6为可直接溶于碱液的中性甲壳素的X射线光电子能谱全谱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。

脱乙酰度(degree of deacetylation, DDA)是评价甲壳多糖分子中氨基含量的一个指标，定义为脱去乙酰基的葡萄糖胺结构单元数占总的葡萄糖结构(氨基葡萄糖和乙酰氨基葡萄糖之和)单元数的百分数。本发明中涉及的DDA，均采用有机元素分析法测定，通过计算C/N质量比值计算DDA。计算公式为DDA=100[1−(w_C/w_N−5.14)/1.72]，其中w_C/w_N为样品中C原子和N原子的质量比值。

结晶指数(crystallinity index，简称CrI)根据广角粉末X射线衍射结果进行计算，以(110)晶面的结晶指数表示，计算公式为CrI=100(I₁₁₀−I_am)/I₁₁₀，式中I₁₁₀指2θ为20°左右最强衍射峰的相对强度，I_am指2θ为16°处的无定形漫散射峰的相对强度。

粘均分子量采用毛细管黏度计（φ0.5–0.6mm，系数K=0.009283mm²/S²）测定，样品溶解于2.77mol/L NaOH溶液中，在20℃条件下测定，根据公式[η]=0.10M_w ^0.68(mL/g)计算粘均分子量。需要注意的是，本发明中的分子量仅是为了说明本发明的基本原理，用同样条件测定的相对分子量，并不能代表产物的真实分子量，如测定出原料甲壳素的分子量为7.47×10⁵g/mol；但利用传统方法脱乙酰，制备出的脱乙酰度85%左右的壳聚糖，溶解于0.1mol/L乙酸-0.2mol/L氯化钠缓冲盐溶液中于25℃测出特性粘度[η]，按公式[η]=1.81×10^- ³M_w ^0.93计算出的粘均分子量仍然能够达到1.02×10⁶g/mol。

实施例1：

分别称取30g原料甲壳素（DDA=4.70±0.65%；CrI=88.55%，M_η=7.47×10⁵g/mol）和200g质量浓度为50wt%的NaOH溶液，混匀后在-18℃左右冷冻8h，取出解冻后，60℃水浴加热1h，再重复1次冷冻-解冻-加热操作，向混合物中分次加入770g纯水，搅拌得甲壳素质量浓度为3wt%、NaOH质量浓度为10wt%的高粘度甲壳素水溶胶，室温（25℃）放置24h，向其中加入无水乙醇直至不再有新的絮状沉淀生成，过滤收集沉淀物分散于体积浓度大于30vol%的乙醇水溶液中，用1mol/L HCl中和至中性，过滤后反复洗涤沉淀至用AgNO₃检测无氯离子残留，将沉淀用无水乙醇充分脱水后在45℃真空干燥箱中干燥，即得可直接溶于碱液的中性甲壳素（DDA=38.82±2.40%；CrI=69.40%，M_η=6.78×10⁵g/mol），如图1所示，产物与原料甲壳素相比，除了3103cm^-1和3265cm^-1两处与分子间氢键有关的振动吸收峰明显变弱外，两者红外光谱几乎一致，证明得到的是天然中性甲壳素。产物可以直接溶解于质量浓度≥20wt%的NaOH溶液中，向其中滴加乙酸或丙烯酸，调节pH至酸性无沉淀析出。

实施例2：

分别称取30g原料甲壳素（DDA=4.70±0.65%；CrI=88.55%，M_η=7.47×10⁵g/mol）和200g质量浓度为40wt%的NaOH溶液，混匀后在-15℃左右冷冻8h，取出解冻后，40℃水浴加热2h，再重复2次冷冻-解冻-加热操作，向混合物中分次加入770g纯水，搅拌得甲壳素质量浓度为3wt%、NaOH质量浓度为8wt%的高粘度甲壳素水溶胶，35℃恒温水浴中放置8h，向其中加入无水乙醇直至不再有新的絮状沉淀生成，过滤收集沉淀物分散于体积浓度大于30vol%的乙醇水溶液中，用1mol/L HCl中和至中性，过滤后反复洗涤沉淀至用AgNO₃检测无氯离子残留，将沉淀用无水乙醇充分脱水后在45℃真空干燥箱中干燥，即得可直接溶于碱液的中性甲壳素（DDA=41.65±1.73%；CrI=65.52%，M_η=5.17×10⁵g/mol），如图2所示，产物与原料甲壳素相比，衍射峰相对强度明显减弱，结晶指数降低13%左右。产物在20wt% NaOH溶液中可以充分溶胀，可以直接溶解于质量浓度≥30wt%的NaOH溶液中，亦可以直接溶解于0.1mol/LHCl溶液或2vol%乙酸溶液中。

实施例3：

分别称取30g原料甲壳素（DDA=4.70±0.65%；CrI=88.55%，M_η=7.47×10⁵g/mol）和240g质量浓度为30wt%的NaOH溶液，混匀后在-15℃左右冷冻8h，取出解冻后，95℃水浴加热10min，再重复2次冷冻-解冻-加热操作，向混合物中分次加入770g纯水，搅拌得甲壳素质量浓度为3wt%、NaOH质量浓度为7.2wt%的高粘度甲壳素水溶胶，30℃恒温水浴中放置24h，向其中加入无水乙醇直至不再有新的絮状沉淀生成，过滤收集沉淀物分散于体积浓度大于30vol%的乙醇水溶液中，用1mol/L HCl中和至中性，过滤后反复洗涤沉淀至用AgNO₃检测无氯离子残留，将沉淀用无水乙醇充分脱水后在60℃真空干燥箱中干燥，即得碱直接可溶的中性甲壳素（DDA=44.26±1.28%；CrI=67.48%，M_η=4.11×10⁵g/mol），如图3所示，产物的¹³CNMR图谱与文献报道的天然甲壳素固体核磁碳谱没有明显差异，证明得到的是天然中性甲壳素。产物在20wt% NaOH溶液中可以充分溶胀，可以直接溶解于质量浓度≥30wt%的NaOH溶液中，亦可以直接溶解于0.1mol/L HCl溶液或2vol%乙酸溶液中。

实施例4：

称取100g原料甲壳素（DDA=4.70±0.65%；CrI=88.55%，M_η=7.47×10⁵g/mol）分散于2mol/L HCl溶液中，置超声波清洗器中超声处理2h，过滤后将滤饼洗涤至中性，60℃真空干燥得超声处理甲壳素（DDA=6.68±1.12%；CrI=85.57%，M_η=3.16×10⁵g/mol）。分别称取40g超声处理的甲壳素和160g质量浓度为30wt%的NaOH溶液，混匀后在-15℃左右冷冻8h，取出解冻后，40℃水浴加热2h，再重复2次冷冻-解冻-加热操作，向混合物中分次加入800g纯水，搅拌得甲壳素质量浓度为4wt%、NaOH质量浓度为4.8wt%的甲壳素水溶胶，25℃恒温水浴中放置96h，向其中加入无水乙醇直至不再有新的絮状沉淀生成，过滤收集沉淀物分散于体积浓度大于30vol%的乙醇水溶液中，用1mol/L HCl中和至中性，过滤后反复洗涤沉淀至用AgNO₃检测无氯离子残留，将沉淀用无水乙醇充分脱水后在60℃真空干燥箱中干燥，即得碱直接可溶的中性甲壳素（DDA=39.12±1.24%；CrI=70.58%，M_η=1.1×10⁵g/mol），产物在20wt%NaOH溶液中可以充分溶胀，可以直接溶解于质量浓度≥30wt%的NaOH溶液中，亦可以直接溶解于0.1mol/L HCl溶液或2vol%乙酸溶液中。准确称取6.6mg样品分散于0.5 mL D₂O中，再加入15μL DCl（D=99%，DCl 36.5% in D₂O）配成约1.2wt%浓度的溶液，另准确称取6.4mg样品与100μL 40wt% NaOD（D=99.5%）充分混合后加入0.4mL D₂O稀释成约1.2wt%浓度的溶液，分别在BrukerAVANCE II 400 MHz超导核磁共振仪上测定¹H谱，结果如图4所示，在不同溶剂中溶解的样品均可以观察到明显的质子信号，可以证明甲壳素充分溶解在溶剂中。

实施例5：

称取100g原料甲壳素（DDA=4.70±0.65%；CrI=88.55%，M_η=7.47×10⁵g/mol）分散于2mol/L HCl溶液中，置超声波清洗器中超声处理2h，过滤后将滤饼洗涤至中性，60℃真空干燥得超声处理甲壳素（DDA=6.68±1.12%；CrI=85.57%，M_η=3.16×10⁵g/mol）。分别称取40g超声处理的甲壳素和160g质量浓度为30wt%的NaOH溶液，混匀后在-15℃左右冷冻8h，取出解冻后，40℃水浴加热2h，再重复2次冷冻-解冻-加热操作，向混合物中分次加入800g纯水，搅拌得甲壳素质量浓度为4wt%、NaOH质量浓度为4.8wt%的甲壳素水溶胶，25℃恒温水浴中放置44h，向其中加入无水乙醇直至不再有新的絮状沉淀生成，过滤收集沉淀物分散于体积浓度大于30vol%的乙醇水溶液中，用1mol/L HCl中和至中性，过滤后反复洗涤沉淀至用AgNO₃检测无氯离子残留，将沉淀用无水乙醇充分脱水后在60℃真空干燥箱中干燥，即得碱直接可溶的中性甲壳素（DDA=24.33±0.43%；CrI=76.34%，M_η=1.5×10⁵g/mol），产物在20wt%NaOH溶液中可直接溶解，向其中滴加乙酸或丙烯酸，调节pH至酸性无沉淀析出。产物亦可以直接溶解于2vol%乙酸溶液中，但仅能部分溶解于0.1mol/L HCl溶液中。如图5中S2所示，除了因脱乙酰程度不同导致样品中氨基葡萄糖单元含量不同使H₁质子峰强度有差异外，产物的¹H NMR图谱与实施例4中的S1样品无明显差异。分别利用X射线光电子能谱和有机元素分析法对样品所含元素进行检测，结果如下表所示，样品的X射线光电子能谱全谱扫描结果如图6所示，未检测出Na和Cl元素，说明本发明得到的甲壳素是天然的中性甲壳素，而不是甲壳素的钠盐或盐酸盐。

实施例6：

称取100g原料甲壳素（DDA=4.70±0.65%；CrI=88.55%，M_η=7.47×10⁵g/mol）分散于2mol/L HCl溶液中，置超声波清洗器中超声处理2h，过滤后将滤饼洗涤至中性，60℃真空干燥得超声处理甲壳素（DDA=6.68±1.12%；CrI=85.57%，M_η=3.16×10⁵g/mol）。分别称取40g超声处理的甲壳素和160g质量浓度为30wt%的NaOH溶液，混匀后在-15℃左右冷冻8h，取出解冻后，40℃水浴加热2h，再重复2次冷冻-解冻-加热操作，向混合物中分次加入800g纯水，搅拌得甲壳素质量浓度为4wt%、NaOH质量浓度为4.8wt%的甲壳素水溶胶，25℃恒温水浴中放置19h，向其中加入无水乙醇直至不再有新的絮状沉淀生成，过滤收集沉淀物分散于体积浓度大于30vol%的乙醇水溶液中，用1mol/L HCl中和至中性，过滤后反复洗涤沉淀至用AgNO₃检测无氯离子残留，将沉淀用无水乙醇充分脱水后在60℃真空干燥箱中干燥，即得碱直接可溶的中性甲壳素（DDA=19.73±0.36%；CrI=75.05%，M_η=2.21×10⁵g/mol），产物在20wt%NaOH溶液中可直接溶解，向其中滴加乙酸或丙烯酸，调节pH至酸性时有明显凝胶化趋势。

本发明中在强酸性条件下采用超声波处理甲壳素，使其分子量降低，低分子量的甲壳素相对于原料甲壳素，经本方法制备得到的甲壳素更有利于它在碱液中的溶解。

本发明将低脱乙酰度的甲壳素原料与少量高浓度强碱水溶液混合，经过冻融循环处理破坏甲壳素致密的晶体结构，但是不会明显破坏其分子结构，所得产物经相关检测证明仍然是天然的中性甲壳素。在浅冻处理中混合物冻结时在冰点附近温度波动越大，对甲壳素的结晶结构破坏越彻底；其浅冻-解冻-非均相脱乙酰的循环处理次数越多，后期制得的甲壳素越容易溶解于碱液中。本发明中融化处理可采用自然解冻、恒温水浴解冻、高压蒸煮或微波解冻，解冻所用温度越低，解冻耗时越长，对脱乙酰度的影响越小。上述处理后再添加纯水，制成高粘度透明的甲壳素水溶胶，经适度温和的均相脱乙酰处理，控制产物脱乙酰度为19-45.54%，经过醇沉、酸中和、水洗、干燥即可得到能直接溶于碱液的中性甲壳素。其中均相处理时控制碱液的浓度越低、温度越低、均相处理时脱乙酰度达到20-40%经历的时间越长，越有利于制得的甲壳素溶解于碱液中。

本发明制得的甲壳素不需添加任何辅助试剂、也不需要采用辅助手段即可直接溶解于碱液中，获得的碱性甲壳素溶液可以稀释至任何浓度使用，将其pH值重新调至中性或酸性也不会有甲壳素沉淀重新析出。方法简单易控，效果显著，有望在工业上得到广泛应用，尤其是可能潜在应用于强碱性场合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种可直接溶于碱液的中性甲壳素，其特征在于，所述甲壳素为中性，其脱乙酰度为23.90-41.22%，在不需添加任何辅助试剂，亦不借助任何辅助手段的条件下，可直接溶解于质量浓度不小于20wt%的NaOH或NaOD溶液，且溶解后可稀释到任意浓度使用，使用乙酸或丙烯酸将pH值重新调整至中性或酸性也不会有甲壳素沉淀析出；

所述中性甲壳素的制备方法包括如下步骤：

步骤一：将脱乙酰度低于15%的商品甲壳素或其超声处理产物与3-8倍甲壳素质量、质量浓度为30-50wt%的NaOH水溶液混合；所述超声处理产物通过称取原料甲壳素分散于2mol/L HCl溶液中，置超声波清洗器中超声处理2h，过滤后将滤饼洗涤至中性，60℃真空干燥获得；

所述浅冻处理是指将混合物冷却至零下15-零下18℃，并放置8h后取出；所述非均相脱乙酰处理是指将解冻后的混合物在40-60℃加热60-120min；

所述碱性水溶胶中甲壳素的质量浓度为3-4wt%，碱溶液的质量浓度为4.8-10wt%；

步骤四：将得到的水溶胶进行均相脱乙酰处理，控制产物脱乙酰度为23.90-41.22%；

所述均相脱乙酰处理温度在25℃，时间为24-44h；

2.权利要求1所述的中性甲壳素的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

所述均相脱乙酰处理温度在25℃；

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤一中溶液的水分含量控制在刚好使甲壳素浸润而无流动性，最有利于后期溶解。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤六中脱水处理采用无水乙醇、甲醇或丙酮脱水，其干燥处理采用在40-60℃下进行真空干燥或者采用冷冻干燥。